SU1550592A1 - Способ динамической компенсации неактивных составл ющих мощности - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике, в частности к устройствам повышени  качества электроэнергии, и может найти применение в системах энергосбережени , содержащих промежуточное звено преобразовани . Цель изобретени  - повышение качества компенсации неактивных составл ющих мощности при любых режимах. Измер ют мгновенные значени  питающего напр жени  U (T) и тока I (T) потребител , формируют сопр женные сигналы напр жени  U (T) и тока I (T) путем разложени  измеренных сигналов на гармонические составл ющие с последующим сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных частот и суммированием сдвинутых копий. Получают сигнал тока, пропорциональный току компенсации по выражению, приведенному в формуле изобретени , привод т к уровню тока питающей сети и генерируют в питающую сеть. 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , в частности к устройствам повышени  качества электроэнергии, и может быть использовано дл  повышени  качества компенсации неактивных составл ющих мощности при любых режимах в системах энергоснабжени , содержащих промежуточное звено преобразовани .

Целью изобретени   вл етс  повышение качества компенсации неактивных составл ющих мощности при любых формах кривых напр жени  и тока.

На чертеже представлена функциональна  схема устройства компенсации .

Устройство, реализующее предлагаемый способ динамической компенсации неактивных составл ющих мощности , состоит из датчиков тока 1 и напр жени  2, подсоединенных входами к питающей сети, а выходами - соответственно к первым входам умножителей 3 и 4 и входам квадратурных фильтров 4 и 6, вторые входы умножителей 3 и 4 подключены соответственно к выходам квадратурных фильтров 5 и 6 а выходы - к вычитающему и суммирующему входам сумматора 7, который по выходу св зан с первым умножителем 8, генераторы 9 и 10 квадратичных функций входами лодклюел

ЈП

О СП

;о ю

чены соответственно к выходам датчи- Ка 2 напр жени  и квадратурного фильтра 6, а выходами - к входам сумматора 11, подсоединенного выходом к первому входу делител  12, второй вход которого подключен к выходу квадратурного фильтра 6, а вы- Ход - к второму входу умножител  8, генератор 13 тока компенсации, управ- шющие входы которого подсоединены

выходу умножител  8, а силовые зходы и выход нагружены на питающую сеть, причем генератор 13 тока содер-

К

сит трансформатор 14, первична  обмотка которого нагружена на питаю (ук сеть, а вторична  обмотка вклю- чена в диагональ переменного тоха выпр мител  15; сглаживающего фильтра 16, однопол рный вход которого нагружен на диагональ посто нного тока выпр мител  15, а положительный и отрицательный выводы  вл ютс  входами питани  двухтактного усилител  17 класса D, нулевой вывод подключен к нулевой шине сети; сглаживающий дроссель 18, св зывающий выход усилител 

17 с нулевой шиной сети; датчика 19 тока, который по входу подключен между дросселем 18 и ненулевой шиной, а по выходу - к инверсному ,ьходу сумматора 20, пр мой вход которого  вл 

0

5

етс  управл ющим входом генератора; компаратора 21, св занного по входу с выходом сумматора 20, а пр мым и инверсным выходом - с входами усилител  22, выходы которого подключены к управл ющим входам силовых ключей усилител  17.

Устройство компенсации, реализующее предлагаемый способ динамической компенсации неактивных составл ющих мощности, работает следующим образом.

Анализ энергетического процесса в сечении электрической системы или цепи ведетс  в двух пространствах - исходном (реальном) и сопр женном (расчетном) - в реальном масштабе времени. Действительно, любому полигармоническому периодическому сигналу тока i(t) или напр жени  U(t) можно построить сопр женный полигармонический периодический сигнал i(t) или U(t) , которые св заны между собой пр мым и обратным преобразовани ми посредством линейных унитарных кососимметрнчных операторов Кирхгофа

i - Н , D, L,

т«е.

i(t) (t) i(t) r (t)j; U(t) U(t) C {u(t)}

j I

Z;(t) i(t) + jl(t); Zu(t) - U(t) + jU(t) .

где H,D,L - операторы преобразовани  Гильберта приведенных дифференцировани  и интегрировани .

40

Произведение комплексно-сопр женн аналитической функции сигнала ток и аналитической функции сигнала н пр жени  определ ет аналитическую функцию мгновенной мощности

Исходный и сопр женный сигналы объедин ютс  в рамках аналитических функций сигналов тока в напр жени 

Ги и

ы-ыдез-Ь

tf uj

где z - матрична  запись аналитической функции;

Sp(t) U(t) i(t) + U(t) i(t) ; S(t) U(t)i(t) -U(t)i(0

Р j sP(t)dt 2Г | )i(t) + U(t)i(t)dt;

Произведение комплексно-сопр женной аналитической функции сигнала тока и аналитической функции сигнала напр жени  определ ет аналитическую функцию мгновенной мощности

(1)

исходна  и сопр женна  части ана-1 литической функции. Отсюда активна , реактивна  и полна  комплексна  мощности определ ютс  как средние значени  функций

т

Q - j Vt)dt 2f-J u(Oi(t)-U(t) i(

оо

S ™- j Zp(t)dt P + JQ.

о,

Осуществив обратное преобразова- ij(t) и реактивную ia(t) составл - ние от (1) по напр жению, получаем ющие

U

А

где i(t) ip(t) + i,,(t) т- ( U-i + Ui) + ---jr OJ-i-Ui). Г U%UU +U

Именно реактивна  составл юща  тока подвергаетс  компенсации путем суммировани  токов источника и устU (t)

LK

(t) -in(t)

u(.uz(t)

Путем измерени  определ ют напр жение , пропорциональное мгновенному значению тока i(t) U напр жение, пропорциональное мгновенному значению напр жени  U(t). Формируют сопр женные сигналы напр жени  U(t) и тока i(t) путем разложени  измеренных сигналов на гармонические составл ющие с последующим сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных , частот и суммированием сдвинутых копий посредством квадратурных фильтров и перемножают исходный сигнал напр жени  с сопр женным сигналом тока и сопр женный сигнал напр жени  с исходным сигналом тока с помощью умножителей, определ ют разность полученных произведений, использу  сумматор с инверсным входом, т. е. получают функцию

-S-Ct) u (t)i(t)-u(t)i(t) .

Вычисл ют частное от делени  сопр женного сигнала напр жени  на сумму квадратов мгновенных значений измеренного и сопр женного сигналов напр жени  посредством генераторов квадратичных функций, сумматора и делител , которое, использу  умножитель , перемножают с полученной

т

f-J u

ройства компенсации, т.е.

uct)i(t) -наше. (2

разностью произведений, формиру  сигнал, пропорциональный току компенсации (2) и генерируемый в питающую сеть.

Датчики тока 1 и напр жени  2 измер ют напр жени , пропорциональные мгновенным значени м тока, и напр жени  сети. Измеренные сигналы поступают на первые входы умножителей 3 и 4 и входы квадратурных фильтров

5 и 6„ Алгоритм фильтрации соответствует пр мому преобразованию Гильберта - все гармаоники пор дка КЭ; 1 получают сдвиг фаз Т/4К с сохранением амплитуд, где Т - период основной частоты. Сформированные фильтра- ми 5 и 6 сопр женные сигналы тока i(t) и напр жени  u(t) поступают соответственно на вторые входы умножителей 4 и 3, на первых

входах которых присутствуют исходные сигналы напр жени  и тока,

измеренные датчиками. Умножитель 4

вычисл ет первое, а умножитель 3 второе слагаемые сопр женной части

S(t) аналитической функции p(t) мгновенной мощности, разность которых или саму функцию вычисл ет сумматор 7, дл  чего информаци  на суммирующий вход последнего поступает с выхода умножител  4, а на вычитающий - с выхода умножител  3. В ,итоге на первый вход умножител  8 подаетс  сигнал, пропорциональный сопр женной части Zp(t). Квадрат огибающей аналитической функции напр жени  в процессе работы устройства вычисл ют генераторы 9 и 10 квадратичных функций, на входы которых непрерывно поступают мгновенные значени  исходного и сопр женног© сигналов напр жени ,, и сумматор 11, складывающий значени  квадратов функций с выходов генераторов 9 и 10 Делитель 12 вычисл ет частное от делени  значений сопр женного сигнала напр жени  и квадрата огибающей аналитической функции сигнала напр жени , которые формируютс  квадратурным фильтром 6 и сумматором 11. Частное от делени , поступа  на второй вход умножител  8, перемножаетс  с сигналом, пропорциональным -Sn(t),, в результате чего формируетс  функци  (2). В процессе работы устройства последовательное соединение трансформатора 14, выпр мител  15 и фильтра 16 образует двупол рный источник посто нного тока дл  питани  усилител  17, работающего в ключевом режиме, сглаживание выходного тока которого осуществл ет дроссель 18. При формировании сигнала управлени  усилителем 17 датчик 19 тока измер ет мгновенные значени  напр жени , пропорциональные току компенсации, где его коэффициент трансформации одинаков с тем же коэффициентом датчика 1 тока . Сумматор 20, один из входов которого инверсный, определ ет рассогласование между управл ющим и сформированным сигналами тока компенсации. Компаратор 21 из сигнала рассогласовани  формирует две инверсные импульсные последовательности, измен ющие свою длительность согласно широтно-импульсному регулированию. Усилитель 22 обеспечивает необходимую мощность сигналов управлени . Усилитель 17 совместно с дросселем 18 формируют кривую тока, повтор ющую по форме управл ющий сигнал на пр мом входе сумматора 20. Так в случае синусоидального режима питающей сети и активно-реактивному характеру нагрузки потребител , когда напр жение сети и ток нагрузки .равны

U(t) U(Y1sinUt; i(t)I sinCut-t

±Ф ,

где (+)-U() - операции соответству- ющие активно-емкостному и активно-индуктивному характеру нагрузки;

функци  тока компенсации, сформиро- ванна  на выходе умножител  8,равна

ik(t.) | (o3t +q) - sin (COt iq) .(3)

,При этом квадратурные фильтры 5 и 6

5

0

определ ю1 ; сопр женные сигналы тока нагрузки iM(t) R-Jmcos((Ot f 4) и напр жени  сети U(c) -Umcoscot. Остаточный ток питающей сети равно сумме тока нагрузки и устройства компенсации

5

0

0

5

i(t) iH(t) + iK (t) Im cost sinCx) t

(4)

В случае чисто активного характера нагрузки потребител  сопр женна  часть аналитической функции мгновенной мощности равна нулю, что подтвердит сигнал на выходе сумматора 7.

Как следствие, устройство компенсации не функционирует. При активно-емкостном и активно-индуктивном характерах нагруз-ки токи компенсации (3) отличаютс  только знаками, а остаточ- 5 ный ток сети (4) носит чисто активный характер, т.е. совпадает по форме с питающим напр жением, но обладает действующим значением в 1/cosIf раз меньше, чем до компенсации. При этом, если до компенсации нагрузка потребл ла активную мощность Р UIcosq при полной мощности SHJI, то в результате компенсации система компенсатор - потребитель потребл ет активную мощность, равную полной мощности или активной мощности до компенсации,т.е.

Рк SK UlcosCf

В случае чисто реактивного характера нагрузки потребител , когда С|) 4- и/2, ток сети i(t) 0, что следует из выражений токов при активно-реактивном характере после подстановки значений Cf + /2, т.е. реактивный ток нагрузки генерирует устройство компенсации.

Согласно предлагаемому динамической компенсации остаточные ток и мгновенна  мощность сети (источника)

U(t)

в процессе компенсации равными

ОСТ

(t) i.(t) -------П- U(t)i(0 + U(t)i(t);

r и V) + иг(0

Pocr (t) (t) i

ОСТ

(t)

Отсюда следует совпадение знаков мгновенных значений остаточного тока с питающим напр жением и положительность ординат кривой остаточной мгно венной мощности, что подтверждает компенсацию обратных потоков- энергии . Действительно исходна  часть аналитической функции мгновенной мощности Sn(t) вход ща  в (5) и (6), принимает только положительные значени , так как состоит из двух сопр женных слагаемых в смысле переменных составл ющих. Поэтому когда одно из слагаемых принимает максимальное значение, второе равно нулю и наоборот . При равенстве посто нных составл ющих обоих слагаемых их арифметическа  сумма всегда больше или равна по модулю сумме переменных составл ющих . Знаменатели выражений (5) и (6) или значени  квадрата огибающей аналитической функции сигнала напр жени   вл ютс  положительно определенными величинами. В итоге функци  остаточного тока соответствует функции напр жени  сети, промодулированной исходной частью аналитической функции мгновенной мощности и квадратом огибающей аналитической функцией сигнала напр жени .

Применим способ динамической компенсации неактивных составл ющих мощности при питании нагрузки потребител  от генератора несинусоидальной формы напр жени  (например, инвертора напр жени ), питаемого от сети переменного тока и  вл ющегос  промежуточным звеном между сетью и потребителем . При этом объем энергии, на , (.)U(t)

1кЛи о 4

uz(t) + и (t)

который привод т к уровню тока питаю-. щей сети.

в процессе компенсации станов тс  равными

(5)

Sp(t) .

(6)

15

20

25

30

35

40

45

50

копленной нагрузкой, возвращаемой в источник посто нного тока, питающего инвертора, через диоды моста возврата будет сведен к минимуму, определ емому временем задержки работы тракта формировани  функции тока компенсации . Это дает возможность значительно уменьшить установленную мощность обратных диодов моста возврата инвертора и емкость конденсатора фильтра источника посто нного тока. В итоге уменьшаетс  масса и габариты как фильтра источника, так и инвертора , а значит всего преобразовател , питающего нагрузку, в целом.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ динамической компенсации неактивных составл ющих мощности в питающей сети, соединенной с потребителем и компенсатором заключающийс  в том, что измер ют напр жение, пропорциональное мгновенным значени м тока i(t) потребител , и напр жение, пропорциональное мгновенным значени м питающего напр жени  U(t) , и генерируют в питающую сеть ток компенсации , отличающийс  тем, что, с целью повышени  качества компенсации при любых формах напр жени  и тока р формируют сопр женные сигналы напр жени  U(t) и тока i(t) путем разложени  измеренных сигна- лов на гармонические составл ющие с последующим сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных частот и суммированием их, получают сигнал тока, пропорциональный току компенсации по формуле

   it - U(t)i(t) ,