RU195453U1

RU195453U1 - MULTILEVEL DEVICE FOR COMPENSATION OF REACTIVE POWER AND SUPPRESSION OF HIGH HARMONIC CURRENT

Info

Publication number: RU195453U1
Application number: RU2019134788U
Authority: RU
Inventors: Тимур Рифхатович Храмшин; Рифхат Рамазанович Храмшин; Геннадий Петрович Корнилов; Ильдар Равильевич Абдулвелеев
Original assignee: Тимур Рифхатович Храмшин; Рифхат Рамазанович Храмшин; Геннадий Петрович Корнилов; Ильдар Равильевич Абдулвелеев
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2020-01-28

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике. Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении коэффициента полезного действия и надежности работы заявляемого устройства в высоковольтных системах электроснабжения мощных управляемых выпрямительных установок для нелинейных электроприемников с резкопеременным характером нагрузки, например, электродуговых печей постоянного тока. Техническая проблема решается тем, что устройство дополнительно снабжено: 9, 10, 11 - тремя однофазными компенсаторами реактивной мощности и подавления высших гармоник тока; основной 12 и дополнительной 13 группами многоуровневых модулей; 14, 15 - инверторами напряжения; 16 - задатчиком реактивного тока. Заявляемое устройство обеспечивает повышение коэффициента полезного действия и повышение надежности его работы в высоковольтных системах электроснабжения мощных управляемых выпрямительных установок. Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что в нем осуществлено функциональное разделение многоуровневых модулей в каждой фазе трехфазной системы напряжений на основную и дополнительную группы. Основная группа модулей выполняет функцию компенсатора реактивной мощности, а дополнительная группа модулей осуществляет подавление высших гармоник тока, т.е. выполняет функцию активного фильтра. Кроме того, особенностью заявляемого устройства является то, что десять модулей основной группы используют полностью управляемые тиристорные ключи, а два модуля дополнительной группы - транзисторные ключи. При этом относительно низкая частота коммутации (150 Гц) тиристорных ключей снижает их коммутационные потери, повышая коэффициент полезного действия и надежность работы заявляемого устройства. 5 ил.The utility model relates to electrical engineering. The technical problem that the utility model aims to solve is to increase the efficiency and reliability of the inventive device in high-voltage power supply systems of powerful controlled rectifier units for non-linear power consumers with a sharply changing load pattern, for example, DC electric arc furnaces. The technical problem is solved by the fact that the device is additionally equipped with: 9, 10, 11 - three single-phase reactive power compensators and suppression of higher current harmonics; main 12 and additional 13 groups of multilevel modules; 14, 15 - voltage inverters; 16 - setpoint reactive current. The inventive device provides an increase in efficiency and an increase in the reliability of its operation in high-voltage power supply systems of powerful controlled rectifier plants. A distinctive feature of the claimed device is that it carried out the functional separation of multi-level modules in each phase of the three-phase voltage system into the main and additional groups. The main group of modules performs the function of a reactive power compensator, and an additional group of modules suppresses higher harmonics of the current, i.e. acts as an active filter. In addition, a feature of the claimed device is that ten modules of the main group use fully controllable thyristor keys, and two modules of the additional group use transistor keys. Moreover, the relatively low switching frequency (150 Hz) of the thyristor switches reduces their switching losses, increasing the efficiency and reliability of the inventive device. 5 ill.

Description

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в силовых высоковольтных системах питания с мощными управляемыми выпрямительными установками.The utility model relates to electrical engineering and can be used in high-voltage power supply systems with powerful controlled rectifier installations.

Известен трехфазный корректор коэффициента мощности, содержащий узел силовых инверторных блоков, состоящий из двух силовых инверторных модулей, каждый из которых содержит шесть ключевых элементов, включенных по трехфазной мостовой схеме, три однофазных дросселя и накопительный конденсатор с датчиком напряжения, блок датчиков параметров питающей сети и систему управления (см. патент РФ №66619, H02J 3/18).A three-phase power factor corrector is known, comprising a node of power inverter units, consisting of two power inverter modules, each of which contains six key elements connected via a three-phase bridge circuit, three single-phase chokes and a storage capacitor with a voltage sensor, a block of sensors for the parameters of the supply network and a system management (see RF patent No. 66619, H02J 3/18).

Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия и невысокая его надежность в высоковольтных системах электроснабжения мощных управляемых выпрямительных установок для нелинейных электроприемников с резкопеременным характером нагрузки, к которым относятся, например, электродуговые печи постоянного тока. Это обусловлено применением двух силовых инверторных модулей, которые подключены параллельно выпрямительной нагрузки. При этом первый модуль осуществляет компенсацию реактивной мощности, а второй - подавление высших гармоник тока генерируемых нагрузкой. Ключевые элементы первого и второго модулей для высоковольтной системы питания должны коммутировать высокое напряжение. При этом каждый ключевой элемент выполняется в виде последовательного соединения нескольких ключей. Неисправное состояние одного из ключей приводит к нарушению работоспособности инверторного модуля, что снижает надежность известного устройства. Для качественной компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока ключевые элементы трехфазного корректора коэффициента мощности должны осуществлять коммутацию с высокой частотой. Высокочастотная коммутация высоковольтного напряжения ключей силовых инверторных модулей, особенно во втором модуле сопровождается значительными коммутационными потерями, что снижает коэффициент полезного действия и надежность известного устройства в высоковольтных системах электроснабжения.A disadvantage of the known device is its low efficiency and its low reliability in high-voltage power supply systems of powerful controlled rectifier units for non-linear power receivers with a sharply variable load nature, which include, for example, DC electric arc furnaces. This is due to the use of two power inverter modules that are connected in parallel with the rectifier load. In this case, the first module compensates for reactive power, and the second one suppresses higher harmonics of the current generated by the load. The key elements of the first and second modules for the high-voltage power system must switch high voltage. Moreover, each key element is made in the form of a series connection of several keys. The malfunctioning state of one of the keys leads to a malfunction of the inverter module, which reduces the reliability of the known device. To qualitatively compensate reactive power and suppress higher harmonic currents, the key elements of a three-phase power factor corrector must be switched at a high frequency. High-frequency switching of the high-voltage voltage of the keys of the power inverter modules, especially in the second module, is accompanied by significant switching losses, which reduces the efficiency and reliability of the known device in high-voltage power supply systems.

Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является многоуровневое устройство компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока, содержащее трехфазный многоуровневый компенсатор, вход которого через трехфазный реактор и первый трехфазный датчик тока подключен к точке соединения выхода трехфазного источника питания и входа второго трехфазного датчика тока, выход последнего подключен к выпрямительной нагрузке, измерительные выходы первого и второго датчиков тока подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, к третьему входу указанного блока подключен датчик трехфазного напряжения, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания, четвертый вход блока управления по шине данных подключен к информационному выходу трехфазного многоуровневого компенсатора, управляющий вход указанного компенсатора по шине управления подключен к выходу блока управления (см. патент РФ №119538, H02J 3/18).The closest analogue to the claimed utility model is a multi-level device for reactive power compensation and suppression of higher current harmonics, containing a three-phase multi-level compensator, the input of which is connected through the three-phase reactor and the first three-phase current sensor to the connection point of the output of the three-phase power source and the input of the second three-phase current sensor, output the latter is connected to the rectifying load, the measuring outputs of the first and second current sensors are connected respectively to the first and second three inputs of the control unit, a three-phase voltage sensor is connected to the third input of the indicated unit, the input of which is connected to the output of the three-phase power supply, the fourth input of the control unit is connected via the data bus to the information output of the three-phase multi-level compensator, the control input of the specified compensator is connected to the output of the unit management (see RF patent No. 119538, H02J 3/18).

Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия и невысокая его надежность в высоковольтных системах электроснабжения мощных управляемых выпрямительных установок, например, электродуговых печах постоянного тока. Это обусловлено тем, что полупроводниковые ключевые элементы во всех однофазных мостовых модулях должны переключаться с высокой частотой, чтобы обеспечить хорошее качество компенсации реактивной мощности, подавления высших гармоник тока, а также балансировку напряжения постоянного тока на емкостных накопителях. Высокочастотная коммутация полупроводниковых ключей, по которым протекают значительные токи компенсации реактивной мощности, и токи подавления высших гармоник сопровождается большими коммутационными потерями, что снижает коэффициент полезного действия и надежность известного устройства. Указанные высокие требования к полупроводниковым ключевым элементам известного устройства снижают его эффективность.A disadvantage of the known device is its low efficiency and its low reliability in high-voltage power supply systems of powerful controlled rectifier plants, for example, DC electric arc furnaces. This is due to the fact that the semiconductor key elements in all single-phase bridge modules must be switched at a high frequency to ensure good quality of reactive power compensation, suppression of higher current harmonics, as well as balancing of DC voltage on capacitive storage devices. High-frequency switching of semiconductor switches, through which significant reactive power compensation currents flow, and higher harmonic suppression currents are accompanied by large switching losses, which reduces the efficiency and reliability of the known device. These high requirements for the semiconductor key elements of the known device reduce its effectiveness.

Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в повышении коэффициента полезного действия и повышении надежности работы многоуровневого устройства компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока в высоковольтных системах электроснабжения мощных управляемых выпрямительных установок для нелинейных электроприемников с резкопеременным характером нагрузки, например, электродуговых печей постоянного тока.The technical problem solved by the utility model is to increase the efficiency and reliability of the multilevel device for reactive power compensation and suppression of higher current harmonics in high-voltage power supply systems of powerful controlled rectifier units for non-linear power receivers with a sharply changing load pattern, for example, DC electric arc furnaces.

Технический результат, обеспечивающий решение проблемы, достигается благодаря предложенному принципу построению многоуровневого устройства компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока, особенностью которого является функциональное разделение многоуровневых модулей в каждой фазе трехфазной системы напряжений на основную и дополнительную группы. Основная группа модулей выполняет функцию компенсатора реактивной мощности, а дополнительная группа модулей осуществляет подавление высших гармоник тока, т.е. выполняет функцию активного фильтра.The technical result that provides a solution to the problem is achieved thanks to the proposed principle of constructing a multi-level device for reactive power compensation and suppression of higher current harmonics, a feature of which is the functional separation of multi-level modules in each phase of a three-phase voltage system into a main and an additional group. The main group of modules performs the function of a reactive power compensator, and an additional group of modules suppresses higher harmonics of the current, i.e. acts as an active filter.

Поставленная задача решается тем, что многоуровневое устройство компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока, содержащее трехфазный многоуровневый компенсатор, вход которого через трехфазный реактор и первый трехфазный датчик тока подключен к точке соединения выхода трехфазного источника питания и входа второго трехфазного датчика тока, выход последнего подключен к выпрямительной нагрузке, измерительные выходы первого и второго датчиков тока подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, к третьему входу указанного блока подключен датчик трехфазного напряжения, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания, четвертый вход блока управления по шине данных подключен к информационному выходу трехфазного многоуровневого компенсатора, управляющий вход указанного компенсатора по шине управления подключен к выходу блока управления, согласно изменению, трехфазный многоуровневый компенсатор, снабжен тремя одинаковыми однофазными компенсаторами реактивной мощности и подавления высших гармоник тока, которые соединены в звезду, однофазный компенсатор содержит основную и дополнительную группы многоуровневых модулей, которые соединены последовательно, выход основной группы многоуровневого модуля каждого однофазного компенсатора подключен к нейтральной точке соединения звезда, а вход дополнительной группы многоуровневого модуля каждого однофазного компенсатора подключен к соответствующему входу трехфазного многоуровневого компенсатора, основная группа многоуровневого модуля содержит десять последовательно соединенных одинаковых модулей инверторов напряжения на базе полностью управляемых тиристорных ключей, а дополнительная группа многоуровневого модуля содержит два последовательно соединенных одинаковых модуля инверторов напряжения на базе транзисторных ключей, информационные выходы всех модулей инверторов по шине данных подключены к информационному выходу трехфазного многоуровневого компенсатора, а управляющие входы всех модулей инверторов по шине управления подключены к управляющему входу трехфазного многоуровневого компенсатора, к пятому входу блока управления подключен задатчик реактивного тока.The problem is solved in that a multi-level device for reactive power compensation and suppression of higher current harmonics, containing a three-phase multi-level compensator, the input of which is connected through the three-phase reactor and the first three-phase current sensor to the connection point of the output of the three-phase power source and the input of the second three-phase current sensor, the output of the latter is connected to the rectifying load, the measuring outputs of the first and second current sensors are connected respectively to the first and second inputs of the unit is controlled I, a three-phase voltage sensor is connected to the third input of the indicated unit, the input of which is connected to the output of the three-phase power supply, the fourth input of the control unit via the data bus is connected to the information output of the three-phase multi-level compensator, the control input of the specified compensator is connected via the control bus to the output of the control unit, according to change, a three-phase multi-level compensator, equipped with three identical single-phase reactive power compensators and suppression of higher harmonics of the current, which They are connected in a star, a single-phase compensator contains the main and additional groups of multilevel modules that are connected in series, the output of the main group of the multilevel module of each single-phase compensator is connected to the neutral connection point of the star, and the input of the additional group of the multilevel module of each single-phase compensator is connected to the corresponding input of the three-phase multilevel compensator , the main group of the multilevel module contains ten identical connected in series voltage inverter modules based on fully controllable thyristor switches, and an additional group of multilevel modules contains two series-connected identical voltage inverter modules based on transistor switches, the information outputs of all inverter modules on the data bus are connected to the information output of a three-phase multi-level compensator, and the control inputs of all inverter modules on the control bus are connected to the control input of a three-phase multi-level compensator, to the fifth input of the unit the control eye is connected reactive current regulator.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:The essence of the utility model is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 изображена функциональная схема многоуровневого устройства компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока;in FIG. 1 shows a functional diagram of a multi-level device for reactive power compensation and suppression of higher current harmonics;

на фиг. 2 изображена схема модуля инвертора напряжения на базе полностью управляемых тиристорных ключей;in FIG. 2 shows a diagram of a voltage inverter module based on fully controllable thyristor switches;

на фиг. 3 изображена схема модуля инвертора напряжения на базе транзисторных ключей;in FIG. 3 shows a diagram of a voltage inverter module based on transistor switches;

на фиг. 4 изображено выходное фазное напряжение трехфазного многоуровневого компенсатора 1 для коэффициента модуляции М=0,96;in FIG. 4 shows the output phase voltage of a three-phase multi-level compensator 1 for the modulation coefficient M = 0.96;

на фиг. 5 изображены гармонические составляющие напряжения, которые показаны на фиг. 4.in FIG. 5 shows harmonic voltage components, which are shown in FIG. 4.

Заявляемое многоуровневое устройство компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока (фиг. 1), содержит трехфазный многоуровневый компенсатор 1. Вход компенсатора 1 через трехфазный реактор 2 и первый трехфазный датчик тока 3 подключен к точке соединения выхода трехфазного источника питания 4 и входа второго трехфазного датчика тока 5, выход последнего подключен к выпрямительной нагрузке 6. Измерительные выходы первого и второго датчиков тока подключены соответственно к первому и второму входам блока управления 7, к третьему входу указанного блока подключен датчик трехфазного напряжения 8, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания 4. Четвертый вход блока управления 7 по шине данных подключен к информационному выходу трехфазного многоуровневого компенсатора 1, управляющий вход указанного компенсатора по шине управления подключен к выходу блока управления 7.The inventive multi-level device for reactive power compensation and suppression of higher harmonics of the current (Fig. 1), contains a three-phase multi-level compensator 1. The input of the compensator 1 through a three-phase reactor 2 and the first three-phase current sensor 3 is connected to the connection point of the output of the three-phase power source 4 and the input of the second three-phase sensor 5, the output of the latter is connected to the rectifying load 6. The measuring outputs of the first and second current sensors are connected respectively to the first and second inputs of the control unit 7, to third a three-phase voltage sensor 8 is connected to the input of the indicated unit, the input of which is connected to the output of the three-phase power supply 4. The fourth input of the control unit 7 is connected via the data bus to the information output of the three-phase multi-level compensator 1, the control input of the specified compensator is connected to the output of the control unit 7 .

Заявляемое многоуровневое устройство (фиг. 1) отличается тем, что трехфазный многоуровневый компенсатор 1, снабжен тремя одинаковыми однофазными компенсаторами реактивной мощности и подавления высших гармоник тока 9, 10 и 11, которые соединены в звезду. Каждый однофазный компенсатор содержит основную 12 и дополнительную 13 группы многоуровневых модулей, которые соединены последовательно. Выход основной группы многоуровневого модуля 12 каждого однофазного компенсатора подключен к нейтральной точке соединения звезда, а вход дополнительной группы многоуровневого модуля 13 каждого однофазного компенсатора 9, 10, 11 подключен к соответствующему входу А, В, С трехфазного многоуровневого компенсатора 1. Основная группа многоуровневого модуля содержит десять последовательно соединенных одинаковых модулей инверторов напряжения 14 на базе полностью управляемых тиристорных ключей, а дополнительная группа многоуровневого модуля содержит два последовательно соединенных одинаковых модуля инверторов напряжения 15 на базе транзисторных ключей. Информационные выходы всех модулей инверторов по шине данных подключены к информационному выходу трехфазного многоуровневого компенсатора 1, а управляющие входы всех модулей инверторов по шине управления подключены к управляющему входу трехфазного многоуровневого компенсатора 1. К пятому входу блока управления 7 подключен задатчик реактивного тока 16.The inventive multilevel device (Fig. 1) is characterized in that the three-phase multilevel compensator 1 is equipped with three identical single-phase compensators for reactive power and suppression of higher harmonics of the current 9, 10 and 11, which are connected to a star. Each single-phase compensator contains a main 12 and an additional 13 groups of multilevel modules that are connected in series. The output of the main group of the multi-level module 12 of each single-phase compensator is connected to the neutral point of the star connection, and the input of the additional group of the multi-level module 13 of each single-phase compensator 9, 10, 11 is connected to the corresponding input A, B, C of the three-phase multi-level compensator 1. The main group of the multi-level module contains ten series-connected identical modules of voltage inverters 14 based on fully controlled thyristor switches, and an additional group of a multilevel module with holds two series-connected identical modules of voltage inverters 15 based on transistor switches. The information outputs of all inverter modules on the data bus are connected to the information output of the three-phase multi-level compensator 1, and the control inputs of all inverters on the control bus are connected to the control input of the three-phase multi-level compensator 1. A reactive current regulator 16 is connected to the fifth input of the control unit 7.

В заявляемом устройстве (фиг. 1) модули инверторов напряжения 14 основной группы многоуровневого модуля 12 выполнены на базе полностью управляемых тиристорных ключей 17 с обратными диодами (фиг. 2). При этом каждый модуль содержит емкостной накопитель 18 и датчик напряжения постоянного тока 19. Модули инверторов напряжения 15 (фиг. 1) дополнительной группы многоуровневого модуля 13 выполнены на базе транзисторных ключей 20 с обратными диодами (фиг. 3) и также содержат емкостной накопитель 21 и датчик напряжения постоянного тока 22.In the inventive device (Fig. 1), the voltage inverter modules 14 of the main group of the multilevel module 12 are based on fully controlled thyristor switches 17 with reverse diodes (Fig. 2). Moreover, each module contains a capacitive storage device 18 and a DC voltage sensor 19. The voltage inverter modules 15 (Fig. 1) of an additional group of multi-level module 13 are based on transistor switches 20 with reverse diodes (Fig. 3) and also contain a capacitive storage device 21 and DC voltage sensor 22.

В заявляемом устройстве (фиг. 1) блок управления 7 может быть выполнен на базе программируемого контроллера.In the inventive device (Fig. 1), the control unit 7 can be performed on the basis of a programmable controller.

Из курса электротехники известно, что практически все приемники электрической энергии потребляют реактивную мощность. При этом в системах электроснабжения, которые не содержат устройства компенсации реактивной мощности, присутствует реактивный ток нагрузки, который может быть соизмерим с активным током нагрузки или даже превышает его значение. Наличие реактивного тока в устройстве его передачи от источника питания до нагрузки приводит к существенным потерям электрической энергии в этих устройствах, что снижает коэффициент полезного действия и надежность таких систем электроснабжения. Чтобы уменьшить указанные потери практически до нуля к точке подключения нагрузки параллельно подключают устройство компенсации реактивной мощности. При правильном выборе указанного устройства и соответствующем способе его управления необходимый реактивный ток нагрузки будет протекать через устройство компенсации реактивной мощности, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания до нагрузки.From the course of electrical engineering it is known that almost all receivers of electrical energy consume reactive power. Moreover, in power supply systems that do not contain reactive power compensation devices, there is a reactive load current, which can be comparable with the active load current or even exceed its value. The presence of reactive current in the device for its transmission from the power source to the load leads to significant losses of electrical energy in these devices, which reduces the efficiency and reliability of such power supply systems. To reduce these losses to almost zero, a reactive power compensation device is connected in parallel to the load connection point. With the correct choice of the specified device and the appropriate method of its control, the necessary reactive load current will flow through the reactive power compensation device, and not through the device for transmitting electric energy from the power source to the load.

Заметим, что относительно напряжения в точке подключения нагрузки начальная фаза реактивного тока нагрузки смещена на четверть периода, а начальная фаза реактивного тока устройства компенсации реактивной мощности находится с указанным током в противофазе. При этом через устройства передачи электрической энергии от источника питания до нагрузки будет протекать только активный ток нагрузки. Таким образом, применение устройства компенсации реактивной мощности позволяет повысить коэффициент полезного действия и надежность системы электроснабжения потребителей электрической энергии.Note that relative to the voltage at the load connection point, the initial phase of the reactive load current is shifted by a quarter of the period, and the initial phase of the reactive current of the reactive power compensation device is in antiphase with the indicated current. In this case, only the active load current will flow through the device for transmitting electric energy from the power source to the load. Thus, the use of a device for reactive power compensation can improve the efficiency and reliability of the power supply system of consumers of electric energy.

Отметим, что значительная доля приемников электрической энергии потребляют реактивную мощность, характер которой в курсе электротехника принято называть индуктивный. Указанный индуктивный характер обусловлен созданием переменного магнитного поля, например, в следующих устройствах: асинхронные и синхронные двигатели; дроссели; силовые трансформаторы и другие устройства, в которых реактивный ток отстает на четверть периода относительно напряжения на этих устройствах. С учетом выше изложенного устройство компенсации реактивной мощности должно иметь емкостной характер, в котором реактивный ток опережает на четверть периода напряжение на этих устройствах. Такими устройствами могут быть конденсаторные батареи, синхронные компенсаторы или статические компенсаторы. В заявляемом устройстве функцию компенсатора реактивной мощности выполняет статический компенсатор на базе модулей основной группы многоуровневого устройства компенсации.Note that a significant proportion of electric energy receivers consume reactive power, the nature of which is commonly referred to as inductive in electrical engineering. The indicated inductive character is due to the creation of an alternating magnetic field, for example, in the following devices: asynchronous and synchronous motors; chokes; power transformers and other devices in which reactive current lags by a quarter of the period relative to the voltage on these devices. In view of the foregoing, the reactive power compensation device should be capacitive in which the reactive current is a quarter of the time ahead of the voltage on these devices. Such devices may be capacitor banks, synchronous compensators or static compensators. In the claimed device, the function of the reactive power compensator is performed by a static compensator based on the modules of the main group of the multilevel compensation device.

Из курса электротехники известно, что отдельные приемники электрической энергии, например, дуговые печи переменного и постоянного тока в процессе их работы генерируют высшие гармоники тока.From the course of electrical engineering, it is known that individual receivers of electrical energy, for example, AC and DC arc furnaces, during their operation generate higher current harmonics.

Протекание этих токов по устройствам передачи электрической энергии, например, по обмоткам трансформатора, дросселя, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости приводят к увеличению активного сопротивления обмоток указанных устройств и, как следствие, к дополнительному нагреву и уменьшению срока их службы. Таким образом, присутствие высших гармоник токов в устройствах передачи электрической энергии существенно снижают надежность их работы и коэффициент полезного действия системы электроснабжения.The flow of these currents through electric energy transmission devices, for example, along transformer and inductor windings, due to the surface effect and proximity effect, leads to an increase in the active resistance of the windings of these devices and, as a result, to additional heating and a decrease in their service life. Thus, the presence of higher harmonics of currents in electric energy transmission devices significantly reduces the reliability of their operation and the efficiency of the power supply system.

Для подавления высших гармоник тока нагрузки к точке подключения нагрузки параллельно подключают устройство компенсации, которое генерирует в противофазе высшие гармонические составляющие тока нагрузки. Правильный выбор указанного устройства и соответствующий способ управления им обеспечивают протекание высших гармоник тока нагрузки через это устройство, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания до нагрузки. Учитывая вышеизложенное, применение устройства подавления высших гармоник тока нагрузки позволяет повысить надежность системы электроснабжения и ее коэффициент полезного действия. В заявляемом устройстве функцию подавления высших гармоник тока нагрузки выполняют модули дополнительной группы многоуровневого устройства компенсации.To suppress the higher harmonics of the load current, a compensation device is connected in parallel to the load connection point, which generates the higher harmonic components of the load current in antiphase. The correct choice of the specified device and the corresponding control method ensure the flow of higher harmonics of the load current through this device, and not through the device for transmitting electric energy from the power source to the load. Given the above, the use of a device for suppressing higher harmonics of the load current can improve the reliability of the power supply system and its efficiency. In the inventive device, the function of suppressing higher harmonics of the load current is performed by modules of an additional group of a multilevel compensation device.

Отметим, что важную роль в компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока нагрузки осуществляет трехфазный реактор 1, установленный на входе многоуровневого компенсатора 1. С помощью указанного реактора и сформированного выходного напряжения компенсатора 1, полученного в результате суммирования напряжений основной 12 и дополнительной 13 групп происходит выделение заданной формы фазных компенсирующих реактивных токов и токов фильтрация высших гармоник. Ранее отмечалось, что указанные токи находятся в противофазе с соответствующими фазными токами выпрямительной нагрузки 6, это обеспечивает протеканию через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6 только активного тока нагрузки.Note that an important role in compensating reactive power and suppressing higher harmonics of the load current is played by a three-phase reactor 1 installed at the input of a multi-level compensator 1. Using this reactor and the generated output voltage of compensator 1, obtained by summing the voltages of the main 12 and additional 13 groups, separation of a given form of phase compensating reactive currents and currents filtering higher harmonics. It was previously noted that these currents are in antiphase with the corresponding phase currents of the rectifier load 6, this ensures that only the active load current flows through the power transmission devices from the power source 4 to load 6.

Многоуровневое устройство компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока работает следующим образом.A multi-level device for reactive power compensation and suppression of higher current harmonics works as follows.

Вначале поясним, как осуществляется компенсация реактивной мощности. На третий вход блока управления 7 (фиг. 1) с датчика трехфазного напряжения 8 поступают сигналы мгновенных значений напряжений трехфазного источника питания 4. На второй вход блока управления 7 со второго трехфазного датчика тока 5 поступают сигналы мгновенных значений токов нагрузки 6. В блоке управления 7 указанные сигналы обрабатываются, рассчитываются реактивные токи и реактивная мощность, которую потребляет нагрузка 6 на основной (сетевой) гармонике напряжения трехфазного источника питания 4.First, we explain how reactive power compensation is carried out. The signals of the instantaneous voltage values of the three-phase power supply 4 are fed to the third input of the control unit 7 (Fig. 1) from the three-phase voltage sensor 8. The signals of the instantaneous values of the load currents 6 are received from the second three-phase current sensor 5 to the second input of the control unit 7. In the control unit 7 These signals are processed, reactive currents and reactive power are calculated, which load 6 consumes at the main (network) voltage harmonic of a three-phase power supply 4.

Далее в блоке управления 7 реактивные токи нагрузки 6 сравниваются с заданными реактивными токами, которые поступают на его пятый вход с задатчика 16. Для повышения коэффициента полезного действия устройств передачи электрической энергии от источника 4 до нагрузки 6 задатчик тока 16 задает нулевые значения реактивного тока.Next, in the control unit 7, the reactive currents of the load 6 are compared with the given reactive currents that are supplied to its fifth input from the setter 16. To increase the efficiency of the electric power transmission devices from source 4 to load 6, the current setter 16 sets zero values of the reactive current.

С учетом изложенного следует, если абсолютная величина разницы указанных токов не превышает допустимых граничных значений, то на выходе блока управления 7 сигналы не формируются. В противном случае на выходе блока 7 формируются сигналы управления для модулей инверторов трехфазного многоуровневого компенсатора 1. Однако в отличие от прототипа в заявляемом устройстве сформированные сигналы по шине управления подаются только на модули инверторов 14 основной группы 12 компенсатора 1. Ранее отмечалось, что указанные десять модулей 14 в каждой фазе компенсатора 1 под действием сигналов управления сформируют напряжение, которое благодаря реактору 2 создает компенсирующий реактивный ток в противофазе с соответствующим реактивным током выпрямительной нагрузки 6. Таким образом, основная группа модулей 12 обеспечивает протекание реактивного тока нагрузки через компенсатор 1, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6. Это повышает надежность системы электроснабжения и ее коэффициент полезного действия.In view of the foregoing, if the absolute value of the difference of the indicated currents does not exceed the permissible boundary values, then no signals are generated at the output of the control unit 7. Otherwise, at the output of block 7, control signals are generated for the inverter modules of the three-phase multi-level compensator 1. However, unlike the prototype in the inventive device, the generated signals on the control bus are transmitted only to the inverter modules 14 of the main group 12 of the compensator 1. It was previously noted that these ten modules 14, in each phase of the compensator 1, under the action of control signals, a voltage is generated that, thanks to the reactor 2, creates a compensating reactive current in antiphase with the corresponding active rectifier load current 6. Thus, the main group of modules 12 ensures that the reactive load current flows through the compensator 1, and not through the electric power transmission device from the power source 4 to load 6. This increases the reliability of the power supply system and its efficiency.

Для достижения высоких энергетических показателей в заявляемом устройстве используется широтно-импульсная модуляция напряжения (ШИМ) с удалением выделенных гармоник. Из курса силовой электроники известно, что указанный метод ШИМ в многоуровневых устройствах, например статических компенсаторах, обеспечивает минимальное искажение синусоидальности кривой выходного напряжения при невысокой частоте переключений силовых ключей. Для десяти модулей инверторов 14 выбранный метод ШИМ напряжения повышает коэффициент полезного действия заявляемого устройства, благодаря тому, что за четверть периода напряжения источника питания в модуле каждого инвертора достаточно совершить три переключения. Низкая частота коммутации силовых ключей в модулях 14, порядка 150 Гц снижает коммутационные потери в заявляемом устройстве, а, следовательно, повышает его коэффициент полезного действия.To achieve high energy performance in the inventive device uses pulse-width modulation of voltage (PWM) with the removal of the selected harmonics. From the course of power electronics it is known that the specified PWM method in multilevel devices, for example, static compensators, provides minimal distortion of the sinusoidality of the output voltage curve at a low switching frequency of power switches. For ten inverter modules 14, the selected PWM voltage method increases the efficiency of the claimed device, due to the fact that for a quarter of the voltage period of the power source in the module of each inverter, it is enough to make three switches. The low switching frequency of the power switches in the modules 14, of the order of 150 Hz, reduces switching losses in the inventive device, and, therefore, increases its efficiency.

Отметим, что относительно низкая частота коммутации силовых ключей в основной группе модулей многоуровневого компенсатора позволяет для этих модулей использовать полностью управляемые тиристорные ключи. Известно, что указанные ключи обладают высокой надежностью, а, следовательно, повышается надежность работы многоуровневого устройства компенсации реактивной мощности.Note that the relatively low switching frequency of power switches in the main group of modules of a multi-level compensator allows the use of fully controlled thyristor switches for these modules. It is known that these keys have high reliability, and, therefore, the reliability of the multilevel reactive power compensation device is increased.

Поясним, как осуществляется подавление высших гармоник тока нагрузки в заявляемом устройстве. На первый вход блока управления 7 с первого трехфазного датчика тока 3 поступают сигналы мгновенных значений токов многоуровневого компенсатора 1. Блок управления 7 по сигналам мгновенных значений токов с первого 3 и второго 5 датчиков тока выявляет наличие и параметры высших гармоник тока компенсатора 1 и нагрузки 6. Далее блок управления 7 сравнивает указанные токи, если абсолютная величина разницы токов не превышает допустимых граничных значений, то на выходе блока управления 7 сигналы не формируются. В противном случае на выходе блока 7 формируются сигналы управления, которые по шине управления подаются на модули инверторов 15 дополнительной группы 13 компенсатора 1. Ранее отмечалось, что указанные два модуля 15 в каждой фазе компенсатора 1 под действием сигналов управления формируют кривую напряжения, содержащую набор высших гармоник с требуемыми амплитудами и фазовыми сдвигами, которое благодаря реактору 2 создает токи высокой частоты в противофазе с соответствующими фазными токами выпрямительной нагрузки 6. Таким образом, дополнительная группа модулей 13 обеспечивает протекание высших гармоник тока нагрузки через компенсатор 1, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6. Это повышает надежность системы электроснабжения и ее коэффициент полезного действия.Let us explain how the suppression of higher harmonics of the load current in the inventive device is carried out. The first input of the control unit 7 receives the signals of instantaneous current values of the multi-level compensator 1 from the first three-phase current sensor 3. The control unit 7, using the signals of the instantaneous current values from the first 3 and second 5 current sensors, detects the presence and parameters of higher harmonics of the current of the compensator 1 and load 6. Next, the control unit 7 compares the indicated currents, if the absolute value of the current difference does not exceed the permissible boundary values, then no signals are generated at the output of the control unit 7. Otherwise, control signals are generated at the output of block 7, which are supplied via the control bus to the inverter modules 15 of the additional group 13 of compensator 1. It was noted earlier that these two modules 15 in each phase of the compensator 1 form a voltage curve containing a set of higher harmonics with the required amplitudes and phase shifts, which, thanks to the reactor 2, creates high-frequency currents in antiphase with the corresponding phase currents of the rectifying load 6. Thus, the additional The th group of modules 13 ensures the flow of higher harmonics of the load current through the compensator 1, and not through the device for transmitting electric energy from the power source 4 to load 6. This increases the reliability of the power supply system and its efficiency.

Ранее отмечалось, что модуля инверторов напряжения 15 выполнены на базе транзисторных ключей, которые обладают способностью эффективно работать на высоких частотах. Отметим, что из двенадцати модулей инверторов напряжения в каждой фазе компенсатора 1 только два модуля работают с высокой частотой переключения, это существенно снижает коммутационные потери в заявляемом устройстве, а, следовательно, повышают ее коэффициент полезного действия.It was previously noted that the voltage inverter module 15 is based on transistor switches, which have the ability to work efficiently at high frequencies. Note that of the twelve voltage inverter modules in each phase of the compensator 1, only two modules operate with a high switching frequency, this significantly reduces switching losses in the inventive device, and, therefore, increase its efficiency.

Отметим, что для модулей дополнительной группы можно рекомендовать один из двух вариантов исполнения системы управления: первый - с подавлением гармоник в заданном частотном диапазоне; второй вариант - с избирательным подавлением 5-й и 7-й гармоник, так как заявляемое устройство ориентировано на работу мощной выпрямительной нагрузки, например, дуговой печи постоянного тока.Note that for the modules of the additional group, one of the two options for the execution of the control system can be recommended: the first - with the suppression of harmonics in a given frequency range; the second option is with selective suppression of the 5th and 7th harmonics, since the claimed device is focused on the operation of a powerful rectifier load, for example, a direct current arc furnace.

Для подтверждения работоспособности заявляемого устройства в программной среде Matlab Simulink было выполнено его моделирование. При этом было принято, что номинальное напряжение компенсатора 1 равно 10 кВ, напряжение звена постоянного тока каждого модуля равно 1000 В, реактивная мощность компенсатора 1 равна 8 МВА.To confirm the operability of the claimed device in the Matlab Simulink software environment, its simulation was performed. It was assumed that the rated voltage of the compensator 1 is 10 kV, the voltage of the DC link of each module is 1000 V, the reactive power of the compensator 1 is 8 MVA.

Моделирование заявляемого устройства подтвердило, что форма его выходного фазного напряжения, например, для коэффициента модуляции М=0,96 имеет практически синусоидальный вид (фиг. 4), а суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения не превышает 7% для частотного диапазона от 1-й до 100-й гармоники (фиг. 5). При этом в спектре присутствуют гармоники низких порядков (3, 5, 7, 9, 11), амплитуды которых не превышают 1÷1,5%. Наиболее значимые гармоники находятся в диапазоне с 61-й по 71-ю, их амплитуды убывают с увеличением номера гармоники с 3,5% до 1,5%.The simulation of the claimed device confirmed that the shape of its output phase voltage, for example, for the modulation coefficient M = 0.96, has an almost sinusoidal shape (Fig. 4), and the total harmonic component of the voltage does not exceed 7% for the frequency range from 1st to 100th harmonic (Fig. 5). In this case, the spectrum contains harmonics of low orders (3, 5, 7, 9, 11), the amplitudes of which do not exceed 1 ÷ 1.5%. The most significant harmonics range from 61st to 71st; their amplitudes decrease with increasing harmonic number from 3.5% to 1.5%.

На основании выше изложенного следует, что в заявляемом многоуровневом устройстве компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока обеспечивается повышение коэффициента полезного действия и повышение надежности его работы в высоковольтных системах электроснабжения мощных управляемых выпрямительных установок для нелинейных электроприемников с резкопеременным характером нагрузки, например, электродуговых печей постоянного тока.Based on the foregoing, it follows that in the inventive multi-level device for reactive power compensation and suppression of higher current harmonics, an increase in the efficiency and increased reliability of its operation in high-voltage power supply systems of powerful controllable rectifier units for non-linear power receivers with a sharply variable nature of the load, for example, constant-voltage electric arc furnaces current.

Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что в нем осуществлено функциональное разделение многоуровневых модулей в каждой фазе трехфазной системы напряжений на основную и дополнительную группы. Основная группа модулей выполняет функцию компенсатора реактивной мощности, а дополнительная группа модулей осуществляет подавление высших гармоник тока, т.е. выполняет функцию активного фильтра.A distinctive feature of the claimed device is that it carried out the functional separation of multi-level modules in each phase of the three-phase voltage system into the main and additional groups. The main group of modules performs the function of a reactive power compensator, and an additional group of modules suppresses higher harmonics of the current, i.e. acts as an active filter.

Кроме того, особенностью заявляемого устройства является то, что десять модулей основной группы используют полностью управляемые тиристорные ключи, а два модуля дополнительной группы - транзисторные ключи. При этом относительно низкая частота коммутации (150 Гц) тиристорных ключей снижает их коммутационные потери, повышая коэффициент полезного действия и надежность работы заявляемого устройства.In addition, a feature of the claimed device is that ten modules of the main group use fully controllable thyristor keys, and two modules of the additional group use transistor keys. Moreover, the relatively low switching frequency (150 Hz) of the thyristor switches reduces their switching losses, increasing the efficiency and reliability of the inventive device.

Предложенные варианты исполнения систем управления основной и дополнительной групп модулей также повышают коэффициент полезного действия и надежность заявляемого многоуровневого устройства компенсации реактивной мощности и подавления высших гармоник тока.The proposed versions of the control systems of the main and additional groups of modules also increase the efficiency and reliability of the inventive multi-level device for reactive power compensation and suppression of higher current harmonics.

Claims

A multi-level device for reactive power compensation and suppression of higher current harmonics, containing a three-phase multi-level compensator, the input of which through a three-phase reactor and the first three-phase current sensor is connected to the connection point of the output of the three-phase power source and the input of the second three-phase current sensor, the output of the latter is connected to the rectifier load, measuring outputs the first and second current sensors are connected respectively to the first and second inputs of the control unit, to the third input of the specified unit p a three-phase voltage sensor is connected, the input of which is connected to the output of a three-phase power supply, the fourth input of the control unit via a data bus is connected to the information output of a three-phase multi-level compensator, the control input of this compensator is connected via the control bus to the output of the control unit, characterized in that the three-phase multi-level compensator, equipped with three identical single-phase reactive power compensators and suppression of higher current harmonics, which are connected to a star, single-phase to the compensator contains the main and additional groups of multilevel modules that are connected in series, the output of the main group of the multilevel module of each single-phase compensator is connected to the neutral connection point of the star, and the input of the additional group of the multilevel module of each single-phase compensator is connected to the corresponding input of the three-phase multi-level compensator, the main group of the multilevel module contains ten series-connected identical modules of voltage inverters at b more than fully controlled thyristor switches, and an additional group of a multilevel module contains two series-connected identical voltage inverter modules based on transistor switches, the information outputs of all inverter modules are connected to the information output of a three-phase multi-level compensator, and the control inputs of all inverter modules are connected to the control bus to the control input of a three-phase multi-level compensator, a regulator p is connected to the fifth input of the control unit active current.