RU131916U1

RU131916U1 - Активный фильтр

Info

Publication number: RU131916U1
Application number: RU2013108491/07U
Authority: RU
Inventors: Алексей Борисович Лоскутов; Борис Юрьевич Алтунин; Иван Александрович Карнавский; Алексей Александрович Кралин
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2013-08-27

Abstract

Активный фильтр, состоящий из трехфазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, соединенного выходами с сетью через фазные реакторы, емкостного накопителя на стороне постоянного тока, системы управления, реализованной на микропроцессоре, отличающийся тем, что установлен дополнительный полумостовой инвертор на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, параллельно соединенный с трехфазным мостовым инвертором на стороне постоянного тока и выходом подключенный к нулевой линии сети.

Description

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована в трехфазных сетях, как с нулевым проводом, так и без него, в устройствах компенсации высших гармонических составляющих тока, тока несимметрии (обратной и нулевой последовательностей токов), а также реактивной мощности. Устройство выполнено на основе трехфазного мостового инвертора на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, фазных реакторов и емкостного накопителя.

Из предшествующего уровня техники известен ряд устройств повышения качества электроэнергии в трехпроводной сети (патент № RU 2046490, RU 2027278, RU 2020690, RU 99909, RU 2094935 и др.). Одни устройства выполняют компенсацию только реактивной мощности на основной частоте, другие компенсацию и высших гармоник, третьи и симметрирование токов. Практически все известные устройства работают в трехпроводной сети. Несимметричная нагрузка в трехфазной четырехпроводной сети имеет очень широкое распространение - бытовые потребители, равномерную загрузку которых невозможно обеспечить в силу непредсказуемости подключения нагрузок по каждой фазе. Несимметричная нагрузка в четырехпроводной сети вызывает не только несимметрию токов и напряжений, но и токи в нулевом проводе - токи нулевой последовательности, которые оказывают крайне негативное влияние на питающие трансформаторы - нагрев трансформатора, несимметрию напряжений в фазах, превышение токов в нулевом проводе и д.р.

Недостатком функциональности и практического использования данных устройств является их работа в трехфазных трехпроводных сетях и ограниченный диапазон компенсации.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент US 2010/0171472 Аl (дата публикации 8.07.2010, МПК G05F 1/70) «Statcom system for providing reactive and/or active power to a power network» с возможностью компенсации реактивной мощности или/и активной мощности. Техническое решение по патенту US 2010/0171472 Аl описывает устройство, выполняющее компенсацию реактивной мощности или/и активной мощности в трехпроводной сети. Основными узлами данного устройства являются трехфазная трехпроводная сеть, соединенная пофазно с трехфазным инвертором напряжения через трансформатор или фазные реакторы, емкостной накопитель электроэнергии, состоящий из конденсаторного модуля. Алгоритм работы, реализуемый системой управления, данного устройства состоит в следующем: по измеренным значениям токов и напряжений в сети с нелинейной нагрузкой рассчитывается реактивная составляющая мощности, которую необходимо скомпенсировать. На выходе инвертора по рассчитанным значениям генерируется напряжение нужной амплитуды и фазы для формирования компенсационного тока в фазном реакторе или трансформаторе.

Недостатком данного устройства является только компенсация реактивной мощности или/и активной мощности в трехфазной трехпроводной сети.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении практического использования.

Достигаемый технический результат - возможность использования в четырехпроводных сетях, компенсация реактивной мощности и высших гармоник нагрузки, токов несимметрии (обратная и нулевая последовательности), что не выполнимо в прототипе.

Данный технический результат достигается за счет того, что активный фильтр, состоящий из трехфазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, соединенного выходами с сетью через фазные реакторы, емкостного накопителя на стороне постоянного тока, системы управления, реализованной на микропроцессоре, снабжен дополнительным полумостовым инвертором на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, параллельно соединенным с трехфазным мостовым инвертором на стороне постоянного тока и выходом подключенным к нулевой линии сети.

Такое выполнение позволяет компенсировать реактивную мощность, высшие гармоники нагрузки и токи несимметрии в четырехпроводных сетях.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего компенсацию реактивной мощности, высших гармоник тока и симметрирования токов потребителя, на фиг.2 - детализированная схема блока управления.

На фиг.1 и 2 приняты следующие обозначения:

N - нейтраль четырехпроводной сети;

А - фаза А четырехпроводной сети;

В - фаза В четырехпроводной сети;

С - фаза С четырехпроводной сети;

U_a - сетевое напряжение фазы А;

U_a0, U_b0, U_c0 - выходные напряжения мостового инвертора активного фильтра фазы А, В, С;

I_abc0 - компенсационные токи активного фильтра;

I_abc - токи нагрузки;

Rн - нагрузка;

Еc - напряжение на емкостном накопителе;

S1-S8 - полностью управляемые полупроводниковые ключевые элементы со встречно-параллельными диодами;

I_а, I_b, I_c - токи нагрузки фазы А, В, С соответственно;

I_a0, I_b0, I_c0 - токи активного фильтра фазы А, В, С соответственно;

I^dq0,

- токи нагрузки и активного фильтра в DQ0 координатах соответственно;

Θ - фазовый угол сетевого напряжения фазы А.

На фиг.1 представлена несимметричная нелинейная нагрузка 1, которая является источником реактивной мощности, высших гармоник, токов несимметрии и нулевых токов. Активный фильтр (фиг.1) содержит фазные реакторы 2, трехфазный мостовой инвертор напряжения 3, выполненный на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, обеспечивающими протекание тока при отключенном встречно-параллельном ему ключе, емкостной накопитель 4 на стороне постоянного тока инвертора. Полумостовой инвертор на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами 5 параллельно соединен с трехфазным мостовым инвертором на стороне постоянного тока и средней точкой подключен к нулевой линии четырехпроводной сети. Кроме этого, активный фильтр содержит датчики напряжения 6 для измерения мгновенных значений сетевого напряжения, датчики тока 7 нагрузки и датчик тока 8 активного фильтра, датчик напряжения 9 на емкостном накопителе в цепи постоянного тока.

Система управления (фиг.2), реализованная на микропроцессоре, состоит из известных блоков 10 и 11 математического преобразования токов нагрузки и активного фильтра из статических координат в синхронные dq0, по прямому методу Кларка и Парка-Горева. Регулятор 12 выполняет пересчет к опорным напряжениям на выходе инвертора, чтобы добиться компенсации нежелательных составляющих тока и стабилизации напряжения на конденсаторном накопителе. Блок 13 преобразует опорные сигналы выходного напряжения инвертора из синхронной к статической системе координат abc по обратному методу Кларка и Парка-Горева. Блок 14 по входным сигналам формирует управляющие импульсы на ключи S1-S8. Скважность управляющих импульсов на S1-S6 определяется значением управляющего сигнала, а частота этих импульсов равна несущей частоте модулятора блока 14. Скважность импульсов на S7 и S8 равна 2. Блок 15 выполняет фазовую автоподстройку частоты.

Токи нагрузки Iabc, компенсационные токи Iabc0 активного фильтра и напряжение Ее на емкостном накопителе поступают в систему управления для определения сигналов, формирующих выходные напряжения Ua0, Ub0, Uc0. На основе этих сигналов формируются импульсы управления ключами S1-S6, причем каждая фаза независима от двух других. Формирование управляющих импульсов осуществляется с помощью известных алгоритмов формирования ШИМ по заданному сигналу. Полупроводниковые ключевые элементы дополнительно введенного полумостового инвертора работают со скважностью равной 2 и на выходе формируется напряжение Ec/2. Таким образом, нейтральная точка не будет плавать. В результате полученный ток активного фильтра в каждой фазе не зависит от двух других и компенсирует заданный ток нагрузки. Система управления определяет компенсационный ток и выполняет поддержание заряда на емкостном накопителе.

Анализ показывает, что предлагаемое решение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень», а лабораторные испытания подтверждают соответствие критерию «промышленная применимость».