PL224296B1 - Układ sterowania kompensacją aktywną mocy biernej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ sterowania kompensacją aktywną mocy biernej, do płynnej stabilizacji współczynnika mocy, zwłaszcza do obwodów z odbiornikami o silnie nieliniowym charakterze obciążenia.

Znane są dotychczas układy trójfazowych, trójprzewodowych, równoległych energetycznych kompensatorów aktywnych mocy biernej, sterowane według algorytmu, wynikającego z opracowanej w dziedzinie czasu teorii mocy p-q. Wadą rozpatrywanego układu jest to, iż w przypadku silnie zniekształconych napięć fazowych w obwodzie sieci zasilającej, składowe aktywne prądu, związane z tradycyjnie definiowaną mocą czynną, a wykorzystane w układzie sterowania rozpatrywanego kompensatora aktywnego mocy biernej, jako sygnały referencyjne, są silnie zniekształcone, o wysokiej zawartości wyższych harmonicznych prądu.

Znane są również układy trójfazowych, trójprzewodowych równoległych energetycznych kompensatorów aktywnych mocy biernej, sterowane według algorytmu, wynikającego z opracowanej w dziedzinie częstotliwości, teorii składowych fizycznych prądu. Wadą tego układu jest to, iż w przypadku zniekształconych napięć w obwodzie sieci zasilającej, składowe aktywne prądu, wykorzystane w układzie sterowania przedmiotowego kompensatora aktywnego, jako sygnały referencyjne, są również zniekształcone, proporcjonalnie do stopnia zniekształcenia napięć fazowych w obwodzie sieci zasilającej.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie tych wad w układzie sterowania równoległym energetycznym kompensatorem mocy biernej, bazującym na algorytmie, wynikającym z opracowanej w dziedzinie czasu teorii mocy p-q, poprzez zastosowanie na wejściu toru obliczeniowego składowych czynnych prądu, filtrów pasmowo-przepustowych, w celu wyłonienia harmonicznych 1-go rzędu napięć fazowych sieci zasilającej oraz ich uśrednieniu, a także poprzez zastosowanie dodatkowego czujnika pomiaru mocy czynnej, dla obliczonych składowych czynnych prądu i układu dzielącego oraz trzech układów mnożących.

W układzie sterowania kompensacją aktywną mocy biernej, zawierającym falownik prądowy, połączony z regulatorami prądu i siecią zasilającą, wyjścia sygnałowe czujników pomiarowych napięć fazowych, połączono z wejściami napięciowymi, czujnika pomiaru mocy czynnej, w obwodzie linii zasilającej odbiornik oraz kolejno z wejściami sygnałowymi: filtru pasmowo-przepustowego w obwodzie fazy a, filtru pasmowo-przepustowego w obwodzie fazy b i filtru pasmowo-przepustowego w obwodzie fazy c, a także z wejściami napięciowymi, czujnika pomiaru mocy czynnej, dla składowych aktywnych prądu. Z kolei wyjścia sygnałowe czujników pomiarowych prądów fazowych: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączone są z wejściami prądowymi, czujnika pomiaru mocy czynnej w obwodzie linii zasilającej odbiornik oraz kolejno z wejściami sygnałowymi prądowymi, układu obliczającego składowe aktywne prądu, a także kolejno z wejściami pomiarowymi regulatorów prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, natomiast wyjścia sygnałowe filtrów pasmowo-przepustowych: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączono kolejno z wejściami sygnałowymi układów pomiaru amplitudy: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c oraz kolejno z pierwszymi wejściami sygnałowymi układów mnożących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, zaś wyjścia sygnałowe układów pomiarowych amplitudy: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączono z wejściami sumacyjnymi, trój wejściowego układu sumatora, a także kolejno z wejściami sygnałowymi dzielnika, trzech układów dzielących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c. Z kolei wyjście sygnałowe trójwejściowego układu sumatora, połączone jest z wejściem sygnałowym układu wzmocnienia proporcjonalnego, zaś wyjście sygnałowe układu wzmocnienia proporcjonalnego, połączone jest z wejściami sygnałowymi dzielnej, trzech układów dzielących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c. Natomiast wyjścia sygnałowe trzech układów dzielących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączono kolejno z drugimi wejściami sygnałowymi układów mnożących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c. Z kolei wyjścia sygnałowe układów mnożących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączono kolejno z wejściami sygnałowymi napięciowymi, układu obliczającego składowe aktywne prądu, zaś wyjścia sygnałowe układu obliczającego składowe aktywne prądu, połączono kolejno z wejściami prądowymi, czujnika pomiaru mocy czynnej, dla składowych aktywnych prądu oraz kolejno z pierwszymi wejściami sygnałowymi, układów mnożących przy regulatorach prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c. Natomiast wyjście sygnałowe czujnika pomiaru mocy czynnej, dla składowych

PL 224 296 B1 aktywnych prądu, połączono z wejściem sygnałowym dzielnika, czwartego układu dzielącego, z kolei wyjście sygnałowe czujnika pomiaru mocy czynnej, w obwodzie linii zasilającej odbiornik, połączone jest z wejściem sygnałowym dzielnej, czwartego układu dzielącego, zaś wyjście sygnałowe, czwartego układu dzielącego, połączono z drugimi wejściami sygnałowymi, układów mnożących przy regulatorach prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c. Z kolei wyjścia sygnałowe układów mnożących przy regulatorach prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączone są kolejno z wejściami sygnałowymi zadającymi, regulatorów prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, zaś wyjścia sygnałowe regulatorów prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączono z wejściami sterującymi, układu sterowania falownika prądowego. Natomiast trójfazowe, trójprzewodowe wyjście silnoprądowe falownika prądowego połączone jest z trójfazowym, trójprzewodowym odbiornikiem nieliniowym, kolejno poprzez silnoprądowe tory, czujników pomiarowych prądów fazowych: w gałęzi fazy a, w gałęzi fazy b i w gałęzi fazy c oraz kolejno z obwodami faz: a, b i c sieci zasilającej.

Układ sterowania kompensacją aktywną mocy biernej wg wynalazku, dzięki zastosowaniu na wejściu układu obliczeniowego składowych czynnych prądu, filtrów pasmowo-przepustowych w celu wyłonienia harmonicznych 1-go rzędu napięć fazowych sieci zasilającej oraz ich uśrednieniu a także dzięki zastosowaniu dodatkowego czujnika pomiaru mocy czynnej, dla składowych czynnych prądu i układu dzielącego oraz trzech układów mnożących, pozwala idealnie skompensować moc bierną, natomiast składowe aktywne prądu po kompensacji i zbilansowaniu mocą czynną w obwodzie rzeczywistej sieci zasilającej, są idealnie symetryczne, a kształtem przypominają prawie idealne sinusoidy o praktycznie zerowej zawartości wyższych harmonicznych prądu.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu.

W układzie zaprezentowano sterowanie trójfazowym, trójprzewodowym, równoległym energetycznym, aktywnym kompensatorem mocy biernej. Przedstawione w tym układzie sterowanie bazuje na teorii mocy p-q, opracowanej w dziedzinie czasu, z tą jednak różnicą, iż w procesie generowania składowych aktywnych prądu (będących składowymi referencyjnymi) nie uczestniczą napięcia fazowe sieci zasilającej, lecz ich uśrednione harmoniczne 1-go rzędu. Dokonując porównania mocy czynnej w obwodzie linii zasilającej odbiornik z mocą czynną dla składowych aktywnych prądu, uzyskuje się tzw. współczynnik korekcji mocy czynnej, który pozwala w sensie technicznym na zbilansowanie mocy czynnej, dla uśrednionych harmonicznych 1-go rzędu, składowych aktywnych prądu, po korekcji.

W układzie sterowania według wynalazku, sieć zasilająca 1 jest połączona z trójfazowym, trójprzewodowym odbiornikiem nieliniowym 2, poprzez obwody silnoprądowe czujników pomiarowych 3, 4, 5, prądów fazowych. Pomiar rzeczywistej wartości mocy czynnej P, dokonywany jest czujnikiem 6, pomiaru mocy czynnej w obwodzie linii zasilającej odbiornik. Wymieniony czujnik 6, pomiaru mocy czynnej współpracuje z wyjściami sygnałowymi czujników pomiarowych: 3, 4, 5 prądów fazowych i 7, 8, 9 napięć fazowych. Obwody silnoprądowe czujników pomiarowych 7, 8, 9 napięć fazowych, współpracują z układem sztucznego zera 10. Wyjścia sygnałowe czujników pomiarowych 7, 8, 9 napięć fazowych, współpracują ponadto z wejściami sygnałowymi filtrów 11, 12, 13 pasmowo-przepustowych. Uzyskane sygnały na wyjściach sygnałowych filtrów 11, 12, 13 pasmowo-przepustowych, są proporcjonalne do składowych harmonicznych 1-go rzędu u_ahI, u_bhI, u_chI napięć fazowych. Na wyjściach sygnałowych układów 14, 15, 16 pomiaru amplitudy, uzyskuje się sygnały proporcjonalne do wartości amplitud U_ahI, U_bhI, U_chI, składowych harmonicznych 1-go rzędu u_ahI, u_bhI, u_chI. Po zsumowaniu sygnałów amplitudowych U_ahI, U_bhI, U_chI w układzie trójwejściowego sumatora 17 i przeprowadzeniu operacji dzielenia w układzie wzmocnienia proporcjonalnego 18 (wzmocnienie o wartości 0,33333 - co jest tożsame z przeprowadzeniem operacji dzielenia przez wartość 3), uzyskuje się wartość średnią amplitudy napięcia U_AV, którą opisuje następująca zależność:

Uav —

UahI + U_bbi + U_cb\ 3

Układy dzielące 19, 20, 21 kolejno generują współczynniki korekcji, opisane przez następujące zależności:

PL 224 296 B1

Kuahi

Kubhi

Ku _M

Uąv

Uahl

Uąv

Ubhi

Uąv

Uchi

Po wymnożeniu w układach mnożących 22, 23, 24, składowych harmonicznych 1-go rzędu u_ahI, u_bhI, u_chI, napięć fazowych, kolejno przez poszczególne współczynniki korekcji K_UahI, K_UbhI, K_UchI, uzyskano uśrednione chwilowe wartości harmonicznych 1-go rzędu, napięć fazowych sieci zasilającej, co przedstawiono w formie następujących zależności:

^AVahI ~ ^ahl ' Kuahi ^uAVbhi ^{= u}bhi ' K_ubhi ^AVchi ~ U-ch\ ' Kuchi

Wyjścia sygnałowe układów mnożących 22, 23, 24 połączono z wejściami sygnałowymi napięciowymi układu 25, obliczającego składowe aktywne prądu. Obliczanie składowych aktywnych prądu w układzie 25, przeprowadza się według algorytmu, wynikającego z teorii mocy p-q, opracowanej w dziedzinie czasu i opisują go (algorytm) następujące zależności:

• Transformacja napięć i prądów zdefiniowanych we współrzędnych fazowych a, b, c do stacjonarnego, ortogonalnego układu współrzędnych a - β\ ^AVhla !·( l ^uAVahi 2 ' ^U7iy&/Il 2 ^uAVchi.

V3 ^eAVhlfi _V3

Ί 2 ^UAVbhl 2 ' ^UAVchi _ł.· _£ Ϊ

Moa 2 9>b 2 l°^c/

Ζλ/3 . λ/3

Klasyczną moc czynną dla uśrednionych harmonicznych 1-go rzędu, napięć fazowych sieci zasilającej, obliczono posługując się następującą zależnością:

T

Pav ~ ψ (&ΑνΜα ' ί-α + &ΑνΜβ ' ty?)

Wprowadzając następujące zależności:

_n _ ^AV/iIa

Q<4V7iIa 2 7 2 ^e,4WiIa ^ΑΠιΙβ

GlWiIp ^ΑΚ/ιΙβ ^elwila * ^eAVhtf obliczono składowe aktywne prądu w stacjonarnym, ortogonalnym układzie współrzędnych a - β\

PL 224 296 B1 i-AVhla ~ Pav ' ^AVhΙα i-AYhip ⁼ ?AV ' ΟίΚ/ιΙβ • Stosując transformację odwrotną, z układu stacjonarnego, ortogonalnego a - β do układu współrzędnych fazowych a, b, c, uzyskano składowe aktywne prądu we współrzędnych fazowych:

Italii ^— ĆlWila . _ 1 . λ/3 .

^lAVbhI — ^— 2 ' ^lAVhIa + y ' ^ιΑΥΜβ . _ 1 . λ/3 .

^lAYchI — ^— 2 ' ^lAVhIa ' ^ιΑΥΜβ

Realizację pomiaru mocy czynnej dla składowych aktywnych prądu, we współrzędnych fazowych, z uśrednionych harmonicznych 1-go rzędu napięć fazowych sieci zasilającej, przeprowadza się czujnikiem 26 pomiaru mocy czynnej. Czujnik 26 pomiaru mocy czynnej ma wejścia prądowe połączone z wyjściami sygnałowymi układu 25, natomiast jego wyjście sygnałowe połączono z wejściem sygnałowym dzielnika czwartego układu dzielącego 27. Dokonując porównania mocy czynnej w obwodzie linii zasilającej odbiornik (pomiar czujnikiem mocy czynnej 6) z mocą czynną dla składowych aktywnych prądu we współrzędnych fazowych, obliczonych z uśrednionych harmonicznych 1-go rzędu, napięć fazowych sieci zasilającej (pomiar czujnikiem mocy czynnej 26), za pomocą układu dzielącego 27, uzyskano tzw. współczynnik korekcji mocy czynnej, co przedstawiono w formie następującej zależności:

P ^{Kp =} p*iAVabchl gdzie: P_iAVabchI - oznacza moc czynną dla składowych aktywnych prądu, we współrzędnych fazowych, obliczonych z uśrednionych harmonicznych 1-go rzędu napięć fazowych sieci zasilającej.

Układ posiada układy mnożące: 28 przy regulatorze prądu 31 w obwodzie fazy a, 29 przy regulatorze prądu 32 w obwodzie fazy b i 30 przy regulatorze prądu 33 w obwodzie fazy c. Wejścia sygnałowe układów mnożących: 28, 29, i 30, połączone są kolejno z wyjściami sygnałowymi układu obliczającego składowe aktywne prądu 25 i z wyjściem sygnałowym czwartego układu dzielącego 27, natomiast wyjścia sygnałowe tych układów mnożących, połączone są wejściami sygnałowymi zadającymi regulatorów prądu: 31 w obwodzie fazy a, 32 w obwodzie fazy b i 33 w obwodzie fazy c.

Po wymnożeniu w układach mnożących przy regulatorach prądu 28, 29, 30, składowych aktywnych prądu, z uśrednionych harmonicznych 1-go rzędu napięć fazowych sieci zasilającej i_AVahI, i_AVbhI, i_AVchI, przez współczynnik korekcji mocy czynnej K_P, uzyskano składowe aktywne prądu, z uśrednionych harmonicznych 1-go rzędu napięć fazowych sieci zasilającej, dla zbilansowanej mocy czynnej, co przedstawiono w formie następujących zależności:

i-refPAVahi ~ i-AVahi ' i-refPAVbhl ⁼ Ćll/ft/il ' ^P irefPAYchl i_AVchl ' Kp

W celu wygenerowania prądów dodawczych i_doda, i_dodb, i_dodc, które po zsumowaniu w węzłach prądowych z prądami obciążenia o, i_ob, i^, trójfazowego, trójprzewodowego odbiornika nieliniowego 2, pozwolą uzyskać prądy sinusoidalne symetryczne, idealnie skompensowane, o bardzo niskiej zawartości wyższych harmonicznych - w układzie sterowania według wynalazku zastosowano w/w 3 regulatory prądu, kolejno w obwodzie każdej fazy sieci zasilającej: regulator prądu 31 w obwodzie fazy a, regulator prądu 32 w obwodzie fazy b i regulator prądu 33 w obwodzie fazy c. Uzyskane na wyjściu regulatorów prądu 31, 32, 33 sygnały sterujące, generują w części silnoprądowej, na wyjściu falownika prądowego 34, prądy dodawcze i_doda, i_dodb, i_dodc o takim przebiegu, aby zostały spełnione następujące zależności:

PL 224 296 B1 i-apk ί-οα 1 ί-doda ί-bpk o/? 1 idodb ί-cpk ί-oc 1 ί-dodc przy czym:

lapk ⁼ lrefPAVahl ϊ-bpk ⁼ i-refPAVbhl Icpk ⁼ Ue/MKe/iI gdzie: i_apk, i_bpk, i_cpk prądami w obwodach fazowych sieci zasilającej, po przeprowadzonej kompensacji aktywnej.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ sterowania kompensacją aktywną mocy biernej, zawierający falownik prądowy, regulatory prądu i sieć zasilającą, znamienny tym, że wyjścia sygnałowe czujników pomiarowych napięć fazowych (7, 8, 9), połączono z wejściami napięciowymi, czujnika pomiaru mocy czynnej (6), w obwodzie linii zasilającej odbiornik oraz kolejno z wejściami sygnałowymi: filtru pasmowo-przepustowego (11) w obwodzie fazy a, filtru pasmowo-przepustowego (12) w obwodzie fazy b i filtru pasmowo-przepustowego (13) w obwodzie fazy c, a także z wejściami napięciowymi, czujnika pomiaru mocy czynnej (26), dla składowych aktywnych prądu, z kolei wyjścia sygnałowe czujników pomiarowych prądów fazowych: (3) w obwodzie fazy a, (4) w obwodzie fazy b i (5) w obwodzie fazy c, połączone są z wejściami prądowymi, czujnika pomiaru mocy czynnej (6) w obwodzie linii zasilającej odbiornik oraz kolejno z wejściami sygnałowymi prądowymi, układu (25), obliczającego składowe aktywne prądu, a także kolejno z wejściami pomiarowymi regulatorów prądu: (31) w obwodzie fazy a, (32) w obwodzie fazy b i (33) w obwodzie fazy c, natomiast wyjścia sygnałowe filtrów pasmowo-przepustowych: (11) w obwodzie fazy a, (12) w obwodzie fazy b i (13) w obwodzie fazy c, połączono kolejno z wejściami sygnałowymi układów pomiaru amplitudy: (14) w obwodzie fazy a, (15) w obwodzie fazy b i (16) w obwodzie fazy c oraz kolejno z pierwszymi wejściami sygnałowymi układów mnożących: (22) w obwodzie fazy a, (23) w obwodzie fazy b i (24) w obwodzie fazy c, zaś wyjścia sygnałowe układów pomiarowych amplitudy: (14) w obwodzie fazy a, (15) w obwodzie fazy b i (16) w obwodzie fazy c, połączono z wejściami sumacyjnymi, trójwejściowego układu sumatora (17), a także kolejno z wejściami sygnałowymi dzielnika trzech układów dzielących: (19) w obwodzie fazy a, (20) w obwodzie fazy b i (21) w obwodzie fazy c, z kolei wyjście sygnałowe, trójwejściowego układu sumatora (17), połączone jest z wejściem sygnałowym układu wzmocnienia proporcjonalnego (18), zaś wyjście sygnałowe układu wzmocnienia proporcjonalnego (18), połączone jest z wejściami sygnałowymi dzielnej, trzech układów dzielących: (19) w obwodzie fazy a, (20) w obwodzie fazy b i (21) w obwodzie fazy c, natomiast wyjścia sygnałowe trzech układów dzielących: (19) w obwodzie fazy a, (20) w obwodzie fazy b i (21) w obwodzie fazy c, połączono kolejno z drugimi wejściami sygnałowymi układów mnożących: (22) w obwodzie fazy a, (23) w obwodzie fazy b i (24) w obwodzie fazy c, z kolei wyjścia sygnałowe układów mnożących: (22) w obwodzie fazy a, (23) w obwodzie fazy b i (24) w obwodzie fazy c, połączono kolejno z wejściami sygnałowymi napięciowymi, układu (25), obliczającego składowe aktywne prądu, zaś wyjścia sygnałowe układu (25), obliczającego składowe aktywne prądu, połączono kolejno z wejściami prądowymi, czujnika pomiaru mocy czynnej (26), dla składowych aktywnych prądu oraz kolejno z pierwszymi wejściami sygnałowymi, układów mnożących przy regulatorach prądu: (28) w obwodzie fazy a, (29) w obwodzie fazy b i (30) w obwodzie fazy c, natomiast wyjście sygnałowe czujnika pomiaru mocy czynnej (26), dla składowych aktywnych prądu, połączono z wejściem sygnałowym dzielnika, czwartego układu dzielącego (27), z kolei wyjście sygnałowe czujnika pomiaru mocy czynnej (6), w obwodzie linii zasilającej odbiornik, połączone jest z wejściem sygnałowym dzielnej, czwartego układu dzielącego (27), zaś wyjście sygnałowe, czwartego układu dzielącego (27), połączono z drugimi wejściami sygnałowymi, układów mnożących przy regulatorach prądu: (28) w obwodzie fazy a, (29) w obwodzie fazy b i (30) w obwodzie fazy c, z kolei wyjścia sygnałowe układów mnożących przy regulatorach prądu: (28) w obwodzie fazy a, (29) w obwodzie fazy b i (30) w obwodzie

   PL 224 296 B1 fazy c, połączone są kolejno z wejściami sygnałowymi zadającymi, regulatorów prądu: (31) w obwodzie fazy a, (32) w obwodzie fazy b i (33) w obwodzie fazy c, zaś wyjścia sygnałowe regulatorów prądu: (31) w obwodzie fazy a, (32) w obwodzie fazy b i (33) w obwodzie fazy c, połączono z wejściami sterującymi, układu sterowania falownika prądowego (34), natomiast trójfazowe, trójprzewodowe wyjście silnoprądowe, falownika prądowego (34), połączone jest z trójfazowym, trójprzewodowym odbiornikiem nieliniowym (2), kolejno poprzez silnoprądowe tory, czujników pomiarowych prądów fazowych: (3) w gałęzi fazy a, (4) w gałęzi fazy b i (5) w gałęzi fazy c oraz kolejno z obwodami faz: a, b i c sieci zasilającej (1).