RU155594U1 - Многофункциональный регулятор качества электроэнергии для трехфазных распределительных систем электроснабжения 0,4 кв - Google Patents

Abstract

Модель относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использована для улучшения показателей качества электрической энергии в трехфазных четырехпроводных распределительных сетях низкого напряжения с нелинейной и/или несимметричной нагрузкой. Предлагаемое устройство (многофункциональный регулятор) обеспечивает одновременную компенсацию реактивной мощности основной гармоники, активную фильтрацию наиболее значимых высших гармонических составляющих тока и устранение несимметрии токов сети, что позволяет улучшить показатели качества электроэнергии в трехфазных системах электроснабжения и снизить ток в нулевом проводе за счет компенсации нулевой последовательности тока и фильтрации гармоник с частотами кратными трем по отношению к основной. Регулятор содержит транзисторный преобразователь, конденсаторную батарею, выходной фильтр, датчики напряжений и токов, систему управления, в состав которой входят блок синхронизации, блок формирования токов задания, блок вычисления регулирующих сигналов, регулятор напряжения на конденсаторной батарее, формирователь импульсов управления на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Это позволяет формировать токи в каждой фазе, соответствующие реактивному току первой гармоники, высшим гармоническим составляющим, токам обратной и нулевой последовательностей, что обеспечивает компенсацию всех неактивных составляющих мощности, потребляемой из трехфазной сети в случае нелинейной несбалансированной нагрузки.

Description

Модель относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использована для улучшения показателей качества электрической энергии в трехфазных четырехпроводных распределительных сетях низкого напряжения с нелинейной и/или несимметричной нагрузкой.

Известно устройство компенсации неактивных составляющих мощности со стабилизацией напряжения для тяговой подстанции (патент РФ на полезную модель №70416 от 20.01.2008), состоящее из двух инверторов напряжения с системой управления и вольтодобавочного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к выходу первого инвертора, вход которого через емкостный фильтр подключен к выходу выпрямителя и к тяговой сети постоянного тока, один вывод первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора подключен к трехфазной сети, а второй вывод подключен к первому выводу дросселя, который подключен к входу выпрямителя, а второй вывод дросселя подключен к выходу второго инвертора, вход которого подключен к конденсатору.

Устройство обеспечивает одновременную компенсацию реактивной составляющей мощности и мощности искажений тяговых подстанций электрифицированного транспорта с одновременной стабилизацией напряжения в трехфазной сети. Однако это устройство предназначено для компенсации неактивных составляющих мощности трехфазной трехпроводной сети, потребляемых выпрямительной нагрузкой тяговых подстанций, что ограничивает его функциональные возможности. В нем отсутствует функция компенсации неактивной составляющей мощности, создаваемой несимметричной нагрузкой в трехпроводных или четырехпроводных сетях, т.е. отсутствует возможность устранения обратной и нулевой последовательностей тока.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети (патент РФ на изобретение №2413350 от 27.02.2011), в котором компенсация высших гармоник тока и реактивной мощности первой гармоники осуществляется с помощью параллельного активного фильтра. Устройство, реализующее указанный способ, содержит инвертор, накопительный конденсатор, выходной сглаживающий фильтр, датчики напряжений и токов сети, систему управления, в состав которой входят, блок синхронизации, фазовые преобразователи тока и напряжения, блок формирования напряжения, регулятор напряжения накопительного конденсатора и формирователь импульсов управления инвертором на основе релейных регуляторов.

Устройство позволяет снизить коэффициент искажения синусоидальности тока сети при наличии нелинейной нагрузки, режим работы которой связан с динамическим изменением потребляемого несинусоидального тока, а также повысить коэффициент мощности по основной составляющей в трехфазной трехпроводной сети. Недостатком устройства является невозможность уменьшить коэффициент несимметрии тока в случае несбалансированной нагрузки, т.е. оно не обеспечивает компенсацию всех неактивных составляющих мощности (полную компенсацию неактивной мощности сети).

Технической задачей предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей по сравнению с прототипом. Технический эффект заключается в симметрировании фазных токов при несбалансированной нагрузке в трехфазных четырехпроводных сетях низкого напряжения. Предлагаемое устройство (регулятор) обеспечивает одновременную компенсацию реактивной мощности основной гармоники, активную фильтрацию наиболее значимых высших гармонических составляющих тока и устранение несимметрии токов сети, что позволяет улучшить показатели качества электроэнергии в трехфазных распределительных системах электроснабжения и снизить ток в нулевом проводе за счет компенсации нулевой последовательности тока и фильтрации гармоник с частотами кратными трем по отношению к основной.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном устройстве коррекции коэффициента мощности сети, содержащем транзисторный преобразователь, накопительный конденсатор, выходной фильтр, датчики и систему управления, в состав которой входят блок синхронизации, регулятор напряжения накопительного конденсатора и формирователь импульсов управления транзисторами преобразователя, на входе которого параллельно конденсатору включен датчик напряжения, а выход преобразователя соединен с первыми выводами выходного фильтра, вторые выводы которого подключены к датчикам напряжений сети и датчикам токов сети, измерительные выводы датчиков соединены с системой управления, выход которой подключен к управляющим выводам транзисторов, согласно полезной модели, на входе преобразователя включен дополнительный накопительный конденсатор последовательно с основным, образуя конденсаторную батарею, общий вывод конденсаторов соединен с нулевым проводом сети, выход преобразователя соединен с датчиками токов фильтра, которые подключены к первым выводам выходного фильтра, вторые выводы которого соединены с датчиками напряжений сети и датчиками токов нагрузки, при этом в состав системы управления входят блок формирования токов задания и блок вычисления регулирующих сигналов, а формирователь импульсов управления выполнен на основе широтно-импульсной модуляции.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема регулятора качества электроэнергии, а на фиг. 2 - структурная схема системы управления полупроводниковым преобразователем. На фиг. 3 показана диаграмма фазного напряжения, формируемого преобразователем, и диаграммы токов, генерируемых регулятором в режиме компенсации реактивной мощности в случае активно-индуктивной нагрузки. На фиг. 4 приведены диаграммы тока сети (в одной из фаз и нейтральном проводе), диаграммы тока нагрузки и регулятора в соответствующей фазе в режиме фильтрации 3-й, 5-й, 7-й, 9-й и 11-й гармоник, потребляемых выпрямительной нагрузкой. На фиг. 5 представлены диаграммы токов потребителя, регулятора и сети в режиме симметрирования несбалансированной нагрузки.

Устройство содержит полупроводниковый преобразователь 1, реализуемый на IGBT-транзисторах, выходы которого подключены к датчикам токов фильтра 2, соединенным с выводами выходного фильтра 3, выполненным в виде трехфазного дросселя, другие выводы которого подключены к датчикам напряжений сети 4 и датчикам токов нагрузки 5, которые соединены с фазными входами A1, B1, C1 и фазными выходами A2, B2, C2. К входным выводам преобразователя 1 подключена конденсаторная батарея (КБ) 7, состоящая из двух последовательно включенных полярных электролитических конденсаторов, и соединенная параллельно с датчиком напряжения 6, общий вывод конденсаторов подключен к нулевым выводам устройства N1, N2. Система управления 8 (фиг. 2) содержит блок синхронизации 9, на вход которого поступают сигналы, измеряемые датчиками напряжений сети 4, регулятор напряжения на конденсаторной батарее 10, на вход которого подается сигнал с датчика напряжения 6. Блок формирования токов задания 11 получает информацию от датчиков токов нагрузки 5 и соединен с выходом блока синхронизации 9, выход блока формирования токов задания 11 вместе с сигналами от датчиков токов фильтра 2 являются входом блока вычисления регулирующих сигналов 12, выход которого вместе с сигналами от регулятора напряжения 10, блока синхронизации 9, датчиков напряжений сети 4 и датчика напряжения 6 подключены к формирователю импульсов управления транзисторами 13, реализующему широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).

Устройство работает следующим образом. В общем случае нагрузка трехфазной распределительной сети является нелинейной и несбалансированной, т.е. потребляет из сети несимметричные токи несинусоидальной формы, основная гармоника которых имеет фазовый сдвиг относительно фазных напряжений сети, вследствие чего из сети помимо активной мощности потребляется неактивная мощность. Регулятор формирует такие токи, что их форма, амплитуда и фаза соответствуют неактивным составляющим токов в каждой фазе нагрузки - реактивному току основной частоты (первой гармоники), высшим гармоническим составляющим, токам обратной и нулевой последовательностей. В результате происходит компенсация наиболее значимых высших гармоник токов в фазах сети, устранение их несимметрии и изменение фазы токов. Потребляемые из сети токи имеют практически синусоидальную форму, одинаковые амплитуды и совпадают по фазе с фазными напряжениями в точке подключения регулятора. Управление преобразователем 1 осуществляется методом ШИМ, в результате на выходе преобразователя в каждой фазе формируется импульсное напряжение. Разность между этим напряжением и напряжением в точке подключения (сетевым) определяет величину и фазу токов, генерируемых регулятором. Выходной фильтр 3 обеспечивает сглаживание токов, ослабляя модуляционные гармоники. Система управления 8 на основе показаний датчиков токов нагрузки 5 и датчиков напряжений сети 4 вычисляет сигналы токов, которые должны быть созданы регулятором, и формирует соответствующие сигналы управления транзисторами преобразователя 1. В системе управления блок синхронизации 9 вычисляет синхронизирующие синусоидальные сигналы, совпадающие по фазе с сигналами измеренных фазных напряжений, поступающих от датчиков 4. Блок формирования токов задания 11, обрабатывая информацию от датчиков токов нагрузки 5 и используя синхронизирующие сигналы, выделяет неактивные составляющие тока нагрузки, которые необходимо компенсировать в соответствии с функциями регулятора. На основе рассчитанных сигналов требуемых токов и сигналов, поступающих в систему управления 8 от датчиков токов фильтра 2, в блоке вычисления регулирующих сигналов 12 рассчитываются сигналы напряжений, необходимые для генерации компенсирующих токов. Для формирования требуемых напряжений на выходе преобразователя 1 входное напряжение поддерживается неизменным за счет потребления активной мощности из сети, необходимой для подзарядки конденсаторной батареи 7. Регулятор напряжения на КБ 10, получая информацию об уровне напряжения на КБ от датчика напряжения 6, формирует дополнительный управляющий сигнал, обеспечивающий заданный уровень напряжения на КБ. На основе регулирующих сигналов с учетом синхронизирующих сигналов и сигналов от датчиков напряжений сети 4 и датчика напряжения 6 формирователь импульсов управления 13 посредством высокочастотной широтно-импульсной модуляции создает последовательность управляющих сигналов, которые подаются на транзисторы преобразователя 1.

Принцип действия многофункционального регулятора поясняется диаграммами напряжений и токов. Фазное напряжение преобразователя 1 с ШИМ-управлением представляет собой двухполярный 3-уровневый импульсный сигнал (фиг. 3), максимальная амплитуда основной гармоники которого равна половине напряжения на КБ 7. В режиме компенсации реактивной мощности активно-индуктивной нагрузки основная гармоника напряжения преобразователя совпадает по фазе с напряжением сети в точке подключения регулятора и превышает его по амплитуде, вследствие чего токи в каждой фазе регулятора (токи фильтрующих дросселей 3) смещены по фазе относительно напряжений - отстают на четверть периода, т.е. имеют индуктивный характер.

При работе в режиме активного фильтра высших гармоник тока, потребляемых из сети нелинейной нагрузкой, регулятор формирует несинусоидальные токи, равные сумме фильтруемых гармонических составляющих (фиг. 4). Наиболее распространенным типом потребителей в распределительных четырехпроводных сетях низкого напряжения является выпрямительная нагрузка, ток которой имеет импульсный характер с высоким содержанием 3-й гармоники (до 50% от основной). Регулятор компенсирует наиболее значимые гармоники тока - 3-го, 5-го, 7-го, 9-го и 11-го порядка. Регулятор включается в момент t=0,04 сек и через интервал времени равный 1-2 периодам, которое требуется системе управления 8 для вычисления гармонических составляющих токов и формирования напряжений задания, начинает генерировать необходимый компенсационный ток. В результате указанные гармоники отсутствуют в токе сети, а 3-я и 9-я гармоники при этом замыкаются между регулятором и нагрузкой, разгружая нейтральный провод сети.

В режиме симметрирования токов в случае несбалансированной нагрузки (фиг. 5) регулятор включается в момент t=0,02 сек и формирует ток основной частоты, соответствующий сумме обратной и нулевой последовательностей тока нагрузки. Так, например, при недогрузке одной из фаз сети регулятор создает токи с такими амплитудами и фазами, что фазные токи сети становятся равными. Ток в нейтральном проводе после точки подключения регулятора устраняется за счет компенсации нулевой последовательности тока нагрузки.

Claims (1)

1. Многофункциональный регулятор качества электроэнергии для трехфазных распределительных систем электроснабжения, содержащий транзисторный преобразователь, накопительный конденсатор, выходной фильтр, датчики и систему управления, в состав которой входят блок синхронизации, регулятор напряжения накопительного конденсатора и формирователь импульсов управления транзисторами преобразователя, на входе которого параллельно конденсатору включен датчик напряжения, а выход преобразователя соединен с первыми выводами выходного фильтра, вторые выводы которого подключены к датчикам напряжений сети и датчикам токов сети, измерительные выводы датчиков соединены с системой управления, выход которой подключен к управляющим выводам транзисторов, отличающийся тем, что на входе преобразователя включен дополнительный накопительный конденсатор последовательно с основным, образуя конденсаторную батарею, общий вывод конденсаторов соединен с нулевым проводом сети, выход преобразователя соединен с датчиками токов фильтра, которые подключены к первым выводам выходного фильтра, вторые выводы которого соединены с датчиками напряжений сети и датчиками токов нагрузки, при этом в состав системы управления входят блок формирования токов задания и блок вычисления регулирующих сигналов, а формирователь импульсов управления выполнен на основе широтно-импульсной модуляции.

   

Images