PL231869B1

PL231869B1 - Układ poprawy jakości energii elektrycznej

Info

Publication number: PL231869B1
Application number: PL421543A
Authority: PL
Inventors: Aleksander Dziadecki; Janusz Grzegorski; Józef SKOTNICZNY; Józef Skotniczny
Original assignee: Akademia Gorniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2019-04-30
Also published as: EP3402029A1; PL421543A1; DK3402029T3; EP3402029B1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ poprawy jakości energii elektrycznej. Układ ten umożliwia zmniejszenie strat energii w energoelektronicznych układach dotychczas stosowanych do poprawy jakości energii elektrycznej i zapewnienia właściwych parametrów napięcia. Są to różnego rodzaju układy kompensatorów, takich jak równoległe kompensatory aktywne (RKA) określane również jako równoległe energetyczne filtry aktywne APF (z ang. active power filter), układy dynamicznego odtwarzania napięcia DVR (z ang. dynamic voltage restorer), układy do poprawy jakości energii elektrycznej UPQC (z ang. Unified Power Quality Conditioner) znajdujące zastosowanie w przemysłowych układach energoelektronicznych oraz wszędzie tam gdzie wymagana jest energia elektryczna o wysokiej jakości.

Znane jest z opisu patentowego CN102097793 urządzenie do poprawy jakości energii elektrycznej w energetycznym systemie dystrybucyjnym, które zawiera dławiki ograniczające prąd, transformatory i dołączane dławiki. W różnych warunkach odbiorników liniowych i nieliniowych urządzenie wykorzystuje źródła napięciowe i prądowe, przyłączane do obwodu szeregowo i równolegle. Dławiki ograniczające prąd są przyłączane równolegle do łączników dla przełączania rożnych trybów pracy urządzenia. Urządzenie zawiera ogranicznik prądu zwarcia, DVR i równoległy filtr aktywny. Urządzenie ogranicza prąd zwarcia, kompensuje napięcia w szeregowym układzie dodawczym. Podczas pracy w trybie ogranicznika prądu urządzenie nie pobiera mocy czynnej i ma zdolność oszczędzania energii. Urządzenie zaspokaja potrzeby różnych odbiorników w napięciach zasilających, efektywnie zabezpiec za nieliniowe obciążenie przed „zanieczyszczaniem” systemu i ogranicza prąd zwarcia.

Znane kompensatory mające za zadanie poprawę jakości energii elektrycznej są przyłączane do sieci energetycznej poprzez obwody LCL lub LCLR, które ograniczają przedostawanie się do tej sieci wysokoczęstotliwościowych prądów i napięć harmonicznych związanych z modulacją szerokości impulsów stosowaną w falownikach tych kompensatorów, a jednocześnie zapewniają niskie tłumienie prądów i napięć harmonicznych w kompensowanym zakresie. Występująca w tych obwodach częstotliwość rezonansowa powinna być w związku z tym na tyle wysoka, aby zapewnić wymagane pasmo przepustowe odpowiadające zakresowi kompensowanych prądów i napięć harmonicznych. Wymaga to zastosowania odpowiednio wysokiej częstotliwości pracy układu modulacji impulsów falowników, aby zapewnić stabilność układów bądź też wprowadzenie tłumienia rezonansu występującego w filtrach za pomocą dodatkowych elementów rezystancyjnych rozpraszających energię. To ostatnie rozwiązanie, mimo zalet wynikających z prostszego systemu sterowania układów falownikowych, jest niechętnie stosowane z uwagi na znaczące straty energii powstające w elementach rezystancyjnych filtrów tych układów powodujące w rezultacie istotne obniżenie sprawności kompensatorów.

Układ, według wynalazku, składa się z układu równoległego kompensatora aktywnego zawierającego filtr sprzęgający w każdym przewodzie fazowym i przekształtnik energoelektroniczny AC/DC, i/lub z układu dynamicznego odtwarzania napięcia zawierającego w każdym przewodzie fazowym transformator oraz filtr sprzęgający i przekształtniki energoelektroniczne AC/DC. Układ zawiera też zasobnik energii w postaci kondensatora magazynującego włączonego na zaciski stałoprądowe wymienionych przekształtników energoelektronicznych.

Istotą rozwiązania jest to, że w każdym przewodzie fazowym w filtrach sprzęgających typu LCLR układu równoległego kompensatora aktywnego, a także filtrów sprzęgających typu LCLR układu dynamicznego odtwarzania napięcia każdy z rezystorów zostaje zastąpiony układem odzyskiwania energii. Każdy z tych układów odzyskiwania energii składa się z półmostkowego układu łącznika, podłączonego poprzez dławik i blok pomiarowy napięcia i prądu do filtru sprzęgającego w miejscu zastępowanego rezystora. Przewody sygnałowe każdego bloku pomiarowego napięcia i prądu dołączone są do łączników, odpowiednio, w każdym układzie odzyskiwania energii.

Ponadto do dwóch pozostałych wyjść każdego z łączników energoelektronicznych znajdujących się dwa w obwodzie równoległego kompensatora aktywnego, dołączone są szeregowo dwa połączone kondensatory stanowiące pośredni zasobnik energii, który poprzez przekształtnik energoelektroniczny z izolacją galwaniczną obwodu wejściowego od obwodu wyjściowego DC/DC dołączony jest do zacisków kondensatora magazynującego. W obwodzie równoległego kompensatora aktywnego punkt wspólny kondensatorów stanowiących pośrednie zasobniki energii jest dołączony do przewodu neutralnego sieci energetycznej oraz poprzez bloki pomiarowe napięcia i prądu do jednego z wyjść każdego filtru sprzęgającego.

PL 231 869 B1

Natomiast do dwóch pozostałych wyjść każdego z łączników energoelektronicznych znajdujących się w obwodzie układu dynamicznego odtwarzania napięcia, dla każdej fazy osobno, dołączone są szeregowo połączone dwa kondensatory stanowiące pośrednie zasobniki energii. Kondensatory te, poprzez poszczególne przekształtniki energoelektroniczne z izolacją galwaniczną obwodu wejściowego od obwodu wyjściowego DC/DC, dołączone są do kondensatora magazynującego. W obwodzie układu dynamicznego odtwarzania napięcia, odpowiednio w każdej z faz, punkt wspólny kondensatorów stanowiących pośrednie zasobniki energii, jest dołączony poprzez blok pomiaru napięcia i prądu do jednego z wyjść filtru sprzęgającego.

Zaletą układu, według przedstawionego w wynalazku rozwiązania umożliwiającego uzyskanie tłumienia rezonansu w obwodach sprzęgających równoległych kompensatorów aktywnych i układów dynamicznego odtwarzania napięcia jest uproszczenie układu sterowania tych układów przy jednoczesnym bardzo znacznym ograniczeniu strat energii wynikających z możliwości odzyskiwania energii elektrycznej używanej do realizacji procesu tłumienia. Rozwiązanie to umożliwia wysoką dynamikę prądu wyjściowego i skuteczne tłumienie rezonansów w obwodach sprzęgających.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest na rysunku, będącym schematem blokowym układu.

Układ składa się z układu równoległego kompensatora aktywnego (RKA) zawierający przekształtnik energoelektroniczny 6 połączony do sieci energetycznej 1 lub odbiornika 2 poprzez filtry sprzęgające LCLR 3, 4, 5 i układu dynamicznego odtwarzania napięcia (DVR) zawierającego przekształtniki energoelektroniczne 10,11,12 połączone do sieci energetycznej 1 lub odbiornika 2 poprzez filtry sprzęgające LCLR odpowiednio 7, 8, 9 i transformatory odpowiednio Tr1, Tr2, Tr3. Układy te posiadają wspólny obwód stałoprądowy, w którym kondensator magazynujący C1 pełni rolę zasobnika energii. W każdym z filtrów typu LCLR, poprzez które te układy są przyłączone do sieci energetycznej lub odbiornika, rezystor jest zastępowany układem odzyskiwania energii. Oddziaływanie tego układu odzyskiwania energii w obwodzie filtra jest podobne do obciążenia jakie realizuje rezystor, ale energia wynikająca z tego oddziaływania nie jest tracona w postaci ciepła jak w tradycyjnym rezystorze, ale pomniejszona o straty energii wynikające z procesu przetwarzania, przekazywana do zasobnika energii czyli kondensatora magazynującego C1.

Układ odzyskiwania energii dołączany w miejsce zastępowanego rezystora w filtrach sprzęgających typu LCLR 3, 4, 5 równoległego kompensatora aktywnego składa się z półmostkowych łączników energoelektronicznych 16, 17, 18, z których każdy jest połączony odpowiednio poprzez dławiki D1, D2, D3 oraz bloki pomiarowe prądu i napięcia 13, 14, 15 do wyjść filtrów 3, 4, 5 w miejscach zastępowanych rezystorów. Sygnały pomiarowe z bloków pomiarowych prądu i napięcia 13, 14, 15 są przesyłane odpowiednio do bloków sterowania 19, 20, 21, odpowiednio łączników energoelektronicznych 16,17, 18. Łącznikami tymi tak się steruje, aby średnia wartość prądu wejściowego za okres impulsowania każdego z łączników była proporcjonalna do średniej wartości napięcia w miejscu zastępowanego rezystora, w danym okresie impulsowania każdego z łączników tak, aby spełniony był warunek, że iloczyn tej wartości prądu, za okres impulsowania każdego z łączników, i żądanej wartości rezystancji zadawanej równej rezystancji zastępowanego rezystora, był równy średniej wartości napięcia wejściowego, za okres impulsowania każdego z łączników. Okres impulsowania łączników energoelektronicznych 16, 17, 18 ustala się tak, aby był on wielokrotnie mniejszy od okresu najwyższej znaczącej składowej harmonicznej w przebiegu napięcia wejściowego występującego w miejscu zastępowanego rezystora. Energia pobierana z obwodów filtrów sprzęgających 3, 4, 5 w procesie impulsowego sterowania łączników energoelektronicznych 16, 17, 18 jest przekazywana do szeregowo połączonych kondensatorów C2, C3 pełniących rolę pośredniego zasobnika energii, skąd za pośrednictwem przekształtnika energoelektronicznego 22 jest oddawana do kondensatora magazynującego C1, pełniącego rolę głównego zasobnika energii całego układu poprawy jakości energii elektrycznej. Przekształtnik energoelektroniczny 22 jest przekształtnikiem DC/DC, który przesyła energię z kondensatorów C2, C3, pełniących w obwodzie rolę pośrednich zasobników energii, do głównego zasobnika energii czyli kondensatora magazynującego C1 jednocześnie zapewniając izolację galwaniczną między wymienionymi obwodami. Punkt wspólny kondensatorów C2, C3 jest dołączony do przewodu neutralnego N sieci energetycznej oraz poprzez bloki pomiarowe napięcia i prądu 13, 14, 15 do jednego z wyjść filtrów sprzęgających (4, 5, 6).

Podobnie jak w układzie równoległego kompensatora aktywnego, w drugiej części układu do poprawy jakości energii elektrycznej zawierającej układ dynamicznego odtwarzania napięcia układy odzyskiwania energii są dołączane w miejsce zastępowanego rezystora w filtrach sprzęgających typu LCLR 7, 8, 9 składają się z półmostkowych łączników energoelektronicznych 26, 27, 28, z których każdy jest

PL 231 869 B1 połączony odpowiednio poprzez dławiki D4, D5, D6 oraz bloki pomiarowe prądu i napięcia 23, 24, 25 do wyjść filtrów 7, 8, 9 w miejsce zastępowanych rezystorów. Sygnały pomiarowe z bloków pomiarowych prądu i napięcia 23, 24, 25 są dołączane odpowiednio do bloków sterowania 29, 30, 31 odpowiednio łączników energoelektronicznych 26, 27, 28. Łącznikami tymi tak się steruje, aby średnia wartość prądu wejściowego za okres impulsowania każdego z łączników była proporcjonalna do średniej wartości napięcia w miejscu zastępowanego rezystora, w danym okresie impulsowania każdego z łączników tak, aby spełniony był warunek, że iloczyn tej wartości prądu, za okres impulsowania każdego z łączników, i żądanej wartości rezystancji zadawanej równej rezystancji zastępowanego rezystora, był równy średniej wartości napięcia wejściowego, za okres impulsowania każdego z łączników. Okres impulsowania łączników energoelektronicznych 26, 27, 28 ustala się tak, aby był on wielokrotnie mniejszy od okresu najwyższej znaczącej składowej harmonicznej w przebiegu napięcia wejściowego występującego w miejscu zastępowanego rezystora.

Energia pobierana z obwodu filtru sprzęgającego 7 w procesie impulsowego sterowania łączników energoelektronicznych 26 jest przekazywana do szeregowo połączonych kondensatorów C4, C5, pełniących rolę pośredniego zasobnika energii, skąd za pośrednictwem przekształtnika energoelektronicznego 32, DC/DC, jest oddawana do kondensatora magazynującego C1, pełniącego rolę głównego zasobnika energii całego układu poprawy jakości energii elektrycznej. Punkt wspólny kondensatorów (C4, C5) jest dołączony do jednego z wyjść filtru sprzęgającego (7) poprzez blok pomiaru napięcia i prądu (23).

Energia pobierana z obwodu filtru sprzęgającego 8 w procesie impulsowego sterowania łączników energoelektronicznych 27 jest przekazywana do szeregowo połączonych kondensatorów C6, C7, pełniących rolę pośredniego zasobnika energii, skąd za pośrednictwem przekształtnika energoelektronicznego 33, DC/DC, jest oddawana do kondensatora magazynującego C1, pełniącego rolę głównego zasobnika energii całego układu poprawy jakości energii elektrycznej. Punkt wspólny kondensatorów (C6, C7) jest dołączony do jednego z wyjść filtru sprzęgającego (8) poprzez blok pomiaru napięcia i prądu (24).

Energia pobierana z obwodu filtru sprzęgającego 9 w procesie impulsowego sterowania łączników energoelektronicznych 28 jest przekazywana do szeregowo połączonych kondensatorów C8, C9, pełniących rolę pośredniego zasobnika energii, skąd za pośrednictwem przekształtnika energoelektronicznego 34, DC/DC, jest oddawana do kondensatora magazynującego C1, pełniącego rolę głównego zasobnika energii całego układu poprawy jakości energii elektrycznej. Punkt wspólny kondensatorów (C8, C9) jest dołączony do jednego z wyjść filtru sprzęgającego (9) poprzez blok pomiaru napięcia i prądu (25).

W przedstawionych układach zastosowano, niepokazane na rysunku, znane układy wstępnego ładowania kondensatorów C2-C9 do poziomu napięcia występującego na nich w czasie normalnej pracy układu, zapewniające jego poprawną pracę w czasie rozruchu, gdy napięcia na tych kondensatorach są równe zeru.

Układ, w podanym przykładowym rozwiązaniu, zastosowano do tłumienia rezonansu w filtrach obwodu sprzęgającego 3, 4, 5, 7, 8, 9 równoległego kompensatora aktywnego RKA i układu dynamicznego odtwarzania napięcia DVR z falownikami napięciowymi VSI połączonymi z siecią zasilającą przez obwody sprzęgające wymagające zastosowania w każdej gałęzi filtru rezystora o rezystancji 7,5 omów. Do wyjść łączników energoelektronicznych 16, 17, 18, 26, 27, 28 dołączono kondensatory elektrolityczne C2-C9 każdy o pojemności 800 μΡ na napięcie 400 V i dławiki D1-D6 o indukcyjnościach równych 900 μΗ. Jako łączników energoelektronicznych użyto tranzystory o symbolu C2M0160120D, które były kluczowane z bloków sterowania 16, 17, 18, 26, 27, 28 z częstotliwością 64 kHz. Przesyłanie energii z kondensatorów C2-C9 do kondensatora C1 było realizowane za pomocą przekształtników energoelektronicznych DC/DC z izolacją galwaniczną z poziomu napięć 270 V do poziomu napięcia 800 V.

Claims

Zastrzeżenie patentowe

1. Układ poprawy jakości energii elektrycznej składający się z układu równoległego kompensatora aktywnego zawierającego filtr sprzęgający w każdym przewodzie fazowym i przekształtnik energoelektroniczny AC/DC, i/lub z układu dynamicznego odtwarzania napięcia zawierającego w każdym przewodzie fazowym transformator oraz filtr sprzęgający i przekształtniki

PL 231 869 B1 energoelektroniczne AC/DC, a także zasobnik energii w postaci kondensatora magazynującego włączonego na zaciski stałoprądowe wymienionych przekształtników energoelektronicznych, znamienny tym, że w każdym przewodzie fazowym (L1, L2, L3) w filtrach sprzęgających (3, 4, 5) typu LCLR układu równoległego kompensatora aktywnego i/lub filtrów sprzęgających (7, 8, 9) typu LCLR układu dynamicznego odtwarzania napięcia każdy z rezystorów zostaje zastąpiony układem odzyskiwania energii, przy czym każdy z tych układów odzyskiwania energii składa się z półmostkowego układu łącznika energoelektronicznego (16, 17, 18) (26, 27, 28) podłączonego poprzez dławik (D1, D2, D3) (D4, D5, D6) i blok pomiarowy napięcia i prądu (13, 14, 15) (23 ,24, 25) do filtru sprzęgającego (3, 4, 5) (7, 8, 9) w miejscu zastępowanego rezystora, a przewody sygnałowe bloku pomiarowego napięcia i prądu (13, 14, 15) (23, 24, 25) dołączone są do łącznika energoelektronicznego (16, 17, 18) (26, 27, 28), odpowiednio, w każdym układzie odzyskiwania energii, ponadto w obwodzie równoległego kompensatora aktywnego do dwóch pozostałych wyjść każdego z łączników energoelektronicznych (16, 17, 18) dołączone są szeregowo połączone dwa kondensatory (C2, C3) stanowiące pośredni zasobnik energii, ten zaś poprzez przekształtnik energoelektroniczny (22), z izolacją galwaniczną obwodu wejściowego od obwodu wyjściowego DC/DC, do zacisków kondensatora magazynującego (C1), a punkt wspólny kondensatorów (C2, C3) jest dołączony do przewodu neutralnego (N) sieci energetycznej oraz poprzez bloki pomiarowe napięcia i prądu (13, 14, 15) do jednego z wyjść filtrów sprzęgających (3, 4, 5), natomiast w obwodzie układu dynamicznego odtwarzania napięcia do dwóch pozostałych wyjść każdego z łączników energoelektronicznych (26, 27, 28), dla każdej fazy osobno, dołączone są szeregowo połączone dwa kondensatory (C4-C5, C6-C7, C8-C9) stanowiące pośrednie zasobniki energii i poprzez poszczególne przekształtniki energoelektroniczne (32, 33, 34), z izolacją galwaniczną obwodu wejściowego od obwodu wyjściowego DC/DC, do kondensatora magazynującego (C1), a punkt wspólny kondensatorów (C4-C5, C6-C7, C8-C9), odpowiednio w każdej z faz, jest dołączony poprzez blok pomiaru napięcia i prądu (23, 24, 25) do jednego z wyjść filtru sprzęgającego (7, 8, 9).