FR2873866A1

FR2873866A1 - Sinusoidal current controlling device for reactive energy compensation system, has coupling transformer coupling between outlet of inverter of active filter and electrical signal circulating in reactive energy compensation capacitor

Info

Publication number: FR2873866A1
Application number: FR0408466A
Authority: FR
Inventors: Jean Marc Lupin; Alain Lacarnoy
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-03
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: FR2873866B1

Abstract

The device has a coupling transformer comprising a secondary winding (12) mounted in series between an electrical energy distribution network and a reactive energy compensation capacitor. The transformer ensures a coupling between an outlet of an inverter (11) of an active filter and an electrical signal circulating in the capacitor, such that fundamental value of electrical current is imposed to the signal.

Description

2873866 12873866 1

DISPOSITIF DE REGULATION POUR UN SYSTÈME DE COMPENSATION D'ENERGIE REACTIVE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention est relative à un dispositif de régulation de courant sinusoïdal pour un système de compensation d'énergie réactive. BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] The invention relates to a sinusoidal current regulating device for a reactive energy compensation system.

ETAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART

2] De nombreux récepteurs tels que des transformateurs, des moteurs, des climatiseurs ou des ballasts de tubes fluorescents, consomment de l'énergie réactive. Compenser l'énergie réactive, c'est fournir cette énergie à la place du réseau de distribution, au moyen d'un équipement de compensation.2] Many receivers, such as transformers, motors, air conditioners or fluorescent tube ballasts, consume reactive energy. Compensating reactive energy is providing this energy instead of the distribution network, by means of compensation equipment.

3] Cette compensation se traduit par des avantages d'ordre technique tels que l'augmentation de la puissance disponible, la diminution de l'échauffement des câbles et les diminutions de chute de tension, et également par des avantages d'ordre économique tels que la suppression de la consommation d'énergie réactive et la réduction du montant des factures d'électricité.3] This compensation is reflected in technical advantages such as the increase of the available power, the reduction of the heating of the cables and the decreases in voltage drop, and also by economic advantages such as the elimination of reactive energy consumption and the reduction of the amount of electricity bills.

4] Ainsi, pour minimiser la puissance réactive fournie par la source d'alimentation, des batteries de condensateurs sont connectées sur le réseau en parallèle avec les charges. Toutefois, le choix de l'équipement de compensation dépend, outre de la puissance réactive mise en jeu, de la pollution au point de raccordement.4] Thus, to minimize the reactive power provided by the power source, capacitor banks are connected to the network in parallel with the loads. However, the choice of the compensation equipment depends, in addition to the reactive power involved, pollution at the connection point.

5] En effet, la présence de charges non linéaires telles que, par exemple, des variateurs de vitesse, des onduleurs ou des redresseurs, crée des courants harmoniques qui surchargent les condensateurs. De ce fait, le choix et le dimensionnement du système de compensation est également fonction de la valeur de ces harmoniques.5] Indeed, the presence of non-linear loads such as, for example, variable speed drives, inverters or rectifiers, creates harmonic currents that overload the capacitors. As a result, the selection and sizing of the compensation system is also a function of the value of these harmonics.

6] Selon l'art antérieur, des batteries de condensateurs standard sont utilisées lorsqu'il y a peu d'harmoniques, par exemple lorsque le rapport de la puissance apparente des récepteurs produisant des harmoniques, divisée par la puissance apparente du transformateur, est inférieur à quinze pour cent. Des batteries de condensateurs surdimensionnés sont utilisées lorsqu'il y a plus d'harmoniques, par exemple lorsque le rapport des puissances apparentes est compris entre quinze et vingt-cinq pour cent. Typiquement, les condensateurs surdimensionnés ont un dimensionnement de 470 volts alors que le réseau fonctionne en 400/415 volts. Enfin lorsque le rapport des puissances apparentes devient plus important, par exemple supérieur à vingt-cinq pour cent, on utilise généralement des batteries de condensateurs surdimensionnés associées à des inductances anti-harmoniques. Le choix de l'accord entre les inductances et les condensateurs dépend des rangs harmoniques présents dans l'installation et des fréquences des signaux de télécommande utilisés sur le réseau.6] According to the prior art, standard capacitor banks are used when there are few harmonics, for example when the ratio of the apparent power of the receivers producing harmonics, divided by the apparent power of the transformer, is less than to fifteen percent. Oversized capacitor banks are used when there are more harmonics, for example when the ratio of apparent powers is between fifteen and twenty-five percent. Typically, oversized capacitors have a 470-volt design while the network operates at 400/415 volts. Finally, when the apparent power ratio becomes larger, for example greater than twenty-five percent, oversized capacitor banks associated with anti-harmonic inductors are generally used. The choice of the agreement between the inductors and the capacitors depends on the harmonic ranks present in the installation and the frequencies of the remote control signals used on the network.

7] Les systèmes selon l'art antérieur imposent donc d'adapter soigneusement le dispositif de compensation à l'installation électrique et aux charges qu'elle contient. En plus du temps nécessaire à l'étude des caractéristiques de l'installation et à la définition des systèmes de compensation, il est souvent indispensable d'utiliser des batteries de condensateurs surdimensionnés et des inductances anti-harmoniques ce qui augmente encore le coût de ces systèmes. Enfin, une vérification est nécessaire à chaque modification de l'installation électrique afin de vérifier que le système de compensation est toujours adapté.7] Systems according to the prior art therefore require to carefully adjust the compensation device to the electrical installation and the loads it contains. In addition to the time required to study the characteristics of the installation and the definition of compensation systems, it is often essential to use oversized capacitor banks and harmonic inductors which further increases the cost of these devices. systems. Finally, a check is necessary for each modification of the electrical installation in order to check that the compensation system is still suitable.

EXPOSE DE L'INVENTION [0008] L'invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique, en proposant un dispositif qui permette l'utilisation de batteries de condensateurs standard, sans avoir recours à des inductances anti-harmoniques, et sans nécessiter de phase d'adaptation à l'installation électrique. SUMMARY OF THE INVENTION [0008] The object of the invention is therefore to remedy the drawbacks of the state of the art by proposing a device which makes it possible to use standard capacitor banks without resorting to harmonic inductances. and without requiring a phase of adaptation to the electrical installation.

9] A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de régulation de courant pour système de compensation d'énergie réactive comprenant - un transformateur de couplage dont 1' enroulement secondaire est destiné à être monté en série entre un réseau de distribution d'énergie électrique et des condensateurs de compensation d'énergie réactive, un filtre actif comportant un onduleur, - une boucle de commande en courant estimant une valeur fondamentale de courant électrique, afin d'asservir en courant l'onduleur du filtre actif, - le transformateur de couplage assurant un couplage entre la sortie de l'onduleur du filtre actif et le signal électrique circulant dans le condensateur de compensation d'énergie réactive, de telle sorte que le filtre actif série impose cette valeur fondamentale de courant au signal électrique circulant dans le condensateur.9] For this purpose, the subject of the invention is a current control device for a reactive energy compensation system comprising: a coupling transformer whose secondary winding is intended to be mounted in series between a distribution network; electric energy and reactive energy compensation capacitors, an active filter comprising an inverter, a current control loop estimating a fundamental value of electric current, in order to control the inverter of the active filter, a coupling transformer providing a coupling between the output of the inverter of the active filter and the electrical signal flowing in the reactive energy compensation capacitor, such that the serial active filter imposes this fundamental value of current on the electrical signal flowing in the capacitor.

0] Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de régulation de courant pour système de compensation d'énergie réactive selon l'invention est caractérisé en ce que il est destiné à être utilisé entre un réseau de distribution d'énergie électrique triphasé et une batterie de compensation d'énergie réactive comprenant des condensateurs 10 triphasés, - l'onduleur possède trois sorties pour former un système triphasé, - le transformateur de couplage comprend au moins deux enroulements secondaires destinés chacun à être monté en série avec les condensateurs du banc de compensation d'énergie réactive, la boucle de commande en courant estime au moins deux valeurs fondamentales de courant, afin d'asservir en courant l'onduleur du filtre actif le transformateur de couplage assurant un couplage entre au moins deux sorties de l'onduleur du filtre actif et les signaux électriques circulant dans aux moins deux phases des condensateurs de compensation d'énergie réactive, de telle sorte que le filtre actif impose ces deux valeurs fondamentales de courant aux signaux électriques circulant dans les condensateurs.According to a particular embodiment, the current control device for a reactive energy compensation system according to the invention is characterized in that it is intended to be used between a three-phase electrical energy distribution network and a reactive energy compensation battery comprising three-phase capacitors, - the inverter has three outputs to form a three-phase system, - the coupling transformer comprises at least two secondary windings each intended to be mounted in series with the capacitors of the bank of reactive energy compensation, the current control loop estimates at least two fundamental current values, in order to slaved the inverter of the active filter the coupling transformer ensuring a coupling between at least two outputs of the inverter of the active filter and electrical signals flowing in at least two phases of energy compensation capacitors In this way, the active filter imposes these two fundamental current values on the electrical signals flowing in the capacitors.

1] Selon un mode de réalisation particulier, l'onduleur est alimenté par le transformateur de couplage.1] According to a particular embodiment, the inverter is powered by the coupling transformer.

2] Avantageusement, la boucle de commande en courant comprend un ou des filtres accordés à la fréquence du réseau calculant la ou les valeurs fondamentales de courant, la ou les valeurs fondamentales de courant étant modulées par la sortie d'un régulateur de tension continue, [0013] Préférentiellement, la modulation l'asservissement en courant de l'onduleur est 30 effectuée au moyen d'un correcteur non linéaire par hystérésis.2] Advantageously, the current control loop comprises one or more filters tuned to the frequency of the network calculating the fundamental current value or values, the current value or values being modulated by the output of a DC voltage regulator, Preferably, the modulation of the current control of the inverter is carried out by means of a non-linear hysteresis corrector.

[00141 Selon un mode de réalisation particulier, la boucle de commande en courant estime la ou les valeurs fondamentales de courant à partir du ou des courants en sortie de l'onduleur. Alternativement, la boucle de commande en courant estime la ou les valeurs fondamentales de courant à partir du ou des courants circulant dans le ou les condensateurs. According to a particular embodiment, the current control loop estimates the current fundamental value (s) from the current (s) at the output of the inverter. Alternatively, the current control loop estimates the current value (s) from the current (s) flowing in the capacitor (s).

BREVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[00151 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente de façon schématique l'installation d'un dispositif de régulation de courant pour système de compensation d'énergie réactive selon l'invention; - la figure 2 représente de façon schématique un dispositif de régulation de courant pour système de compensation d'énergie réactive selon l'invention; la figure 3 représente un mode de réalisation préférentiel de la boucle de commande en courant selon l'invention; - la figure 4 représente un mode de réalisation particulier de la boucle de commande en courant selon l'invention. Other advantages and features will emerge more clearly from the following description of a particular embodiment of the invention, given by way of non-limiting example, and shown in the accompanying drawings, in which: FIG. 1 schematically shows the installation of a current control device for reactive energy compensation system according to the invention; FIG. 2 schematically represents a current control device for a reactive energy compensation system according to the invention; FIG. 3 represents a preferred embodiment of the current control loop according to the invention; FIG. 4 represents a particular embodiment of the current control loop according to the invention.

DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION DETAILED DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT

[00161 Comme représenté schématiquement sur la Figure 1, le dispositif (10) est installé en série avec les batteries de condensateurs de compensation (2). La figure 2 représente le principe de régulation du dispositif (10) selon l'invention. Il est composé d'un onduleur (1l) classique à trois bras qui alimente, au travers d'une cellule de filtrage passif, deux transformateurs monophasés dont les secondaires (12) sont connectés en série avec les condensateurs de compensation (2). L'onduleur (11) est alimenté par les transformateurs. As shown diagrammatically in FIG. 1, the device (10) is installed in series with the compensation capacitor banks (2). FIG. 2 represents the regulating principle of the device (10) according to the invention. It consists of a conventional three-arm inverter (1l) which supplies, through a passive filtering cell, two single-phase transformers whose secondary (12) are connected in series with the compensation capacitors (2). The inverter (11) is powered by the transformers.

[00171 Cette configuration limite le câblage aux quatre connexions (13) des secondaires (12) des transformateurs. This configuration limits the wiring to the four connections (13) of the secondary (12) transformers.

[00181 Le principe de fonctionnement du dispositif (10) est basé sur l'asservissement en courant d'un onduleur (11) comprenant des convertisseurs à modulation de largeur d'impulsion (dits MLI ou encore PWM pour Pulse Width Modulation en anglais). The operating principle of the device (10) is based on the current control of an inverter (11) comprising pulse width modulated converters (PWM or PWM for Pulse Width Modulation in English).

9] Les filtres actifs séries sont fréquemment utilisés pour minimiser les composantes harmoniques de tension en un point particulier du réseau. L'échange de puissance active étant nulle, il faut uniquement gérer les pertes du système. Les méthodes de contrôle classiques se basent sur une régulation de tension instantanée, les tensions harmoniques du réseau étant insérées en opposition de phase. Malheureusement, ce mode de régulation classique pénalise fortement la réponse dynamique du convertisseur.9] Serial active filters are frequently used to minimize the harmonic components of voltage at a particular point in the network. The active power exchange being null, it is only necessary to manage the losses of the system. The classical control methods are based on instantaneous voltage regulation, the harmonic voltages of the network being inserted in phase opposition. Unfortunately, this conventional control mode strongly penalizes the dynamic response of the converter.

0] Or la suppression des composantes harmoniques dans un banc de condensateurs (2) est un cas particulier: si le filtre actif impose les harmoniques de tension, le courant dans les condensateurs (2) sera parfaitement sinusoïdal. Inversement, si le courant dans les condensateurs (2) est sinusoïdal, les composantes harmoniques de tension aux bornes des condensateurs (2) seront éliminées.0] Or the deletion of harmonic components in a bank of capacitors (2) is a special case: if the active filter imposes the voltage harmonics, the current in the capacitors (2) will be perfectly sinusoidal. Conversely, if the current in the capacitors (2) is sinusoidal, the harmonic components of voltage across the capacitors (2) will be eliminated.

1] Comme le représente la Figure 2, le dispositif (10) selon l'invention exploite cette particularité en utilisant une commande en courant d'un filtre actif (14), ce qui entraîne une maîtrise dynamique très performante. Cette méthode de commande nécessite le calcul de la composante fondamentale du courant qui sera imposée par le dispositif (10) .1] As shown in Figure 2, the device (10) according to the invention exploits this feature using a current control of an active filter (14), resulting in a very dynamic dynamic control. This control method requires the calculation of the fundamental component of the current that will be imposed by the device (10).

2] Les courants à contrôler étant issus d'un système triphasé dépourvu de composante homopolaire (couplage des condensateurs de compensation en triangle ou bien en étoile avec neutre non relié au neutre du réseau), ceci permet d'utiliser un régulateur sur deux phases seulement et par conséquent d'estimer seulement deux valeurs fondamentales. Les références de courant sont naturellement déphasées de 211/3 et le signal de contrôle du troisième bras de l'onduleur (11) s'obtient grâce à une combinaison linéaire des deux autres signaux de contrôle.2] The currents to be controlled coming from a three-phase system devoid of homopolar component (coupling of the compensation capacitors in triangle or star with neutral not connected to the neutral of the network), this allows to use a regulator on two phases only and therefore to estimate only two fundamental values. The current references are naturally out of phase by 211/3 and the control signal of the third arm of the inverter (11) is obtained by a linear combination of the two other control signals.

3] Selon un mode de réalisation préférentiel représenté sur la Figure 3, le calcul des valeurs fondamentales de courant est effectué par l'intermédiaire de filtres (15) accordés à la fréquence du réseau. Ces valeurs fondamentales sont modulées par la sortie d'un régulateur de tension continue (16), de façon à gérer les pertes. De cette manière, les boucles de régulation de courant (14) et de tension (16) en cascade permettent d'obtenir des courants quasi sinusoïdaux en quadrature avec les tensions réseau correspondantes. Le nombre d'harmoniques compensées dépend de la bande passante de la boucle de contrôle du courant (14). Au delà de la fréquence de coupure, les harmoniques de tensions ne seront plus compensées et elles pourront même parfois être amplifiées. Il est donc nécessaire d'avoir un contrôle très performant. Par exemple, selon le mode de réalisation particulier représenté à la Figure 4, il est possible d'utiliser un correcteur non linéaire par hystérésis (17).3] According to a preferred embodiment shown in FIG. 3, the calculation of the fundamental values of current is carried out by means of filters (15) tuned to the frequency of the network. These fundamental values are modulated by the output of a DC voltage regulator (16), so as to manage losses. In this way, the cascaded current regulation (14) and voltage regulation loops (16) make it possible to obtain quasi-sinusoidal currents in quadrature with the corresponding network voltages. The number of compensated harmonics depends on the bandwidth of the current control loop (14). Beyond the cutoff frequency, voltage harmonics will no longer be compensated and may even be amplified. It is therefore necessary to have a very powerful control. For example, according to the particular embodiment shown in FIG. 4, it is possible to use a non-linear hysteresis corrector (17).

4] Afin d'asservir l'onduleur (11) en courant comme expliqué précédemment, il est nécessaire de calculer des signaux de référence des courants qui doivent être fournis par le filtre actif. Selon le mode de réalisation particulier représenté à la Figure 4, ces signaux de référence sont calculés directement à partir des courants circulant dans les deux secondaires du transformateur de couplage, en enlevant les composantes polluantes grâce à des filtres de type passe bande (15) accordés sur la fréquence du secteur.4] In order to control the inverter (11) by current as previously explained, it is necessary to calculate reference signals of the currents that must be provided by the active filter. According to the particular embodiment shown in FIG. 4, these reference signals are calculated directly from the currents flowing in the two secondary of the coupling transformer, by removing the polluting components by means of band pass filters (15) tuned on the frequency of the sector.

5] Les filtres passe bande (15) peuvent être réalisés à partir de filtres actifs à capacités commutées. Les variations de la fréquence du réseau peuvent provoquer des atténuations et des déphasages indésirables en sortie des filtres passe bande. L'horloge de ces filtres actifs peut être optionnellement asservie par une boucle à verrouillage de phase appelée également PLL pour phase locked loop en anglais - afin de pallier cet inconvénient en permettant un fonctionnement adaptatif des filtres actifs. Il est alors possible d'obtenir un très faible déphasage entre la fréquence fondamentale du réseau et la sortie du filtre actif. Optionnellement, il est possible de prévoir une chaîne de calcul différente pour chaque valeur de référence de courant calculée, afin d'améliorer les performances en s'affranchissant des dispersions des impédances dans les circuits électriques des différentes phases.5] The band pass filters (15) can be made from switched capacitor active filters. Variations in the network frequency can cause unwanted attenuation and phase shift at the output of the bandpass filters. The clock of these active filters can be optionally controlled by a phase locked loop also called PLL for phase locked loop in English - to overcome this disadvantage by allowing adaptive operation of the active filters. It is then possible to obtain a very small phase difference between the fundamental frequency of the network and the output of the active filter. Optionally, it is possible to provide a different calculation chain for each calculated current reference value, in order to improve the performance by overcoming the impedance dispersions in the electrical circuits of the different phases.

6] La mise en oeuvre d'un dispositif de régulation de courant (10) pour système de compensation d'énergie réactive selon l'invention est particulièrement simple: elle se limite au branchement des enroulements secondaires (12) du transformateur de couplage en série entre le réseau de distribution d'énergie électrique (1) et les condensateurs de compensation (2), sans qu'il soit nécessaire d'adapter le dispositif (10) à l'installation électrique (1). De plus, grâce à sa très bonne réponse dynamique, les composantes harmoniques sont parfaitement supprimées ce qui permet d'utiliser des batteries de condensateurs de compensation (2) standard.6] The implementation of a current control device (10) for reactive energy compensation system according to the invention is particularly simple: it is limited to the connection of the secondary windings (12) of the series coupling transformer between the electric power distribution network (1) and the compensation capacitors (2), without the need to adapt the device (10) to the electrical installation (1). In addition, thanks to its very good dynamic response, the harmonic components are removed perfectly which allows the use of standard compensation capacitor banks (2).

[00271 Le dispositif (10) procure un avantage additionnel: avec les systèmes antérieurs, il était parfois nécessaire de prévoir des filtres bouchon afin d'éviter une trop forte atténuation, par les dispositifs de compensation, des signaux de commandes transmis sur le réseau de distribution d'énergie. Or les caractéristiques du dispositif(10) selon l'invention permettent de supprimer la circulation de ces signaux et leur atténuation, et ainsi d'éviter l'installation d'un tel filtre bouchon, ce qui simplifie encore la mise en oeuvre de la compensation d'énergie réactive, et réduit son coût. The device (10) provides an additional advantage: with previous systems, it was sometimes necessary to provide plug filters in order to avoid excessive attenuation, by the compensation devices, of the control signals transmitted over the transmission network. energy distribution. However, the characteristics of the device (10) according to the invention make it possible to eliminate the circulation of these signals and their attenuation, and thus to avoid the installation of such a plug filter, which further simplifies the implementation of the compensation. of reactive energy, and reduces its cost.

2873866 82873866 8

Claims

A current regulating device (10) for a reactive energy compensation system comprising: a coupling transformer, the secondary winding (12) of which is intended to be connected in series between an electric power distribution network (1); ) and a reactive energy compensation capacitor (2), an active filter having an inverter (11), a current control loop (14) estimating a fundamental value of electric current, for servocurrently controlling the inverter (11) of the active filter, the coupling transformer providing a coupling between the output of the inverter (1l) of the active filter and the electrical signal flowing in the reactive energy compensation capacitor (2), said fundamental current value. being imposed on the electrical signal flowing in the capacitor (2).

2 - current regulating device (10) for reactive energy compensation system according to claim 1, characterized in that it is intended to be used between a three-phase electrical power distribution network (1) and a battery of reactive energy compensation comprising three-phase capacitors (2), the inverter has three outputs to form a three-phase system, the coupling transformer comprises at least two secondary windings (12) each intended to be mounted in series with one of the capacitors (2) of the reactive energy compensation bank, the current control loop (14) estimates at least two fundamental current values, in order to control the inverter (11) of the active filter with the coupling transformer providing a coupling between at least two outputs of the inverter (1l) of the active filter and the electrical signals flowing in at least two phases of the capacitors (2) for energy compensation. e reactive, these fundamental current values being imposed on the electrical signals flowing in the capacitors (2).

Current control device (10) for a reactive energy compensation system according to claim 1 or 2, characterized in that the inverter (11) is supplied by the coupling transformer.

Current control device (10) for a reactive energy compensation system according to claim 1 or 2, characterized in that the current control loop (14) comprises one or more filters (15) tuned to the frequency of the network calculating the current fundamental value (s).

5 - current control device (10) for a reactive energy compensation system according to claim 4, characterized in that the current value or fundamental values are modulated by the output of a DC voltage regulator (16).

Current-regulating device (10) for a reactive energy compensation system according to claim 1 or 2, characterized in that the current control of the inverter (11) is effected by means of a non-positive corrector. linear hysteresis (17).

Current control device (10) for a reactive energy compensation system according to claim 1 or 2, characterized in that the current control loop (14) estimates the current value (s) from the one or more currents flowing in the capacitor or capacitors (2).