Спосіб комутації конденсаторів у складі батареї конденсаторів для компенсації реактивної потужності

Реферат: Спосіб комутації конденсаторів у складі батареї конденсаторів для компенсації реактивної потужності належить до електротехніки і може бути використаний для рішення задач компенсації та регулювання реактивної потужності та підвищення якості електроенергії розподільчих мереж. Спосіб включає підключення конденсатора до мережі в момент, коли миттєва напруга мережі дорівнює напрузі конденсатора, що комутується. При цьому перед підключенням до мережі конденсатора, що комутується, в момент, коли напруга мережі переходить через максимум, до мережі підключається попередньо заряджений до амплітуди напруги мережі допоміжний конденсатор тієї ж ємності. А відключення і підключення конденсатора, що комутується, здійснюється в момент, коли миттєві напруги конденсатора, що комутується, та допоміжного конденсатора зрівнюються між собою. Технічним результатом є зниження амплітуд складових струму перехідного процесу при підключенні розрядженого конденсатора до мережі, який досягнуто за рахунок двоступеневого підключення: спочатку до мережі підключається блок формування перехідного процесу, в якому забезпечено "м'яке" UA 106564 C2 (12) UA 106564 C2 включення, лише потім включається основний конденсатор, та підвищення надійності роботи батарей конденсаторів і підвищення якості напруги мережі живлення за рахунок зниження рівня комутаційних перехідних процесів, що дозволить уникнути перевантаження елементів. UA 106564 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для рішення задач компенсації та регулювання реактивної потужності та підвищення якості електроенергії розподільчих мереж. Сучасним рішенням компенсації реактивної потужності є використання компенсаторів реактивної потужності (КРП) зі ступеневим перемиканням, статичних компенсаторів (STATCOM) або активних фільтрів (АФ). Відомий спосіб комутації конденсаторів у складі батареї конденсаторів для компенсації реактивної потужності [Switching technique for thyristor-switched capacitors to achieve network damping. / Gyugyi et al. - US patent № 4638238, МПК H02J 3/18. Jan. 20, 1987], що включає підключення конденсатора до мережі в момент, коли миттєва напруга мережі дорівнює напрузі конденсатора, що підключається (комутується). Підключення конденсаторів до мережі виконано за допомогою напівкерованих тиристорних комутаторів, обладнаними реакторами обмеження швидкості зміни струму, при цьому здійснюється керування цими комутаторами для забезпечення активного демпфування перехідних процесів при включенні конденсатора. Перевагами способу є обмеження амплітуд струмів перехідних процесів при комутації, відсутність постійної напруги на вимкнених конденсаторах. Основний недолік способу - відносно низька швидкодія - перехідний процес має тривалість 2-3 періоди частоти мережі. Крім того, спосіб має погіршені техніко-економічні показники з-за необхідності встановлення реакторів та ускладнення системи керування тиристорними комутаторами. Відомий спосіб комутації конденсаторів у складі батареї конденсаторів для компенсації реактивної потужності [J. W. Dixon, Y. del Valle, M. Orchard, М. Ortúzar, L. Morán and С. Maffrand, "A Full Compensating System for General Loads, Based on a Combination of Thyristor Binary Compensator, and a PWM-IGBT Active Power Filter", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 50, no. 5, October 2003, pp. 982-989], що включає підключення конденсатора до мережі в момент, коли миттєва напруга мережі дорівнює напрузі конденсатора, що підключається (комутується), при цьому підключення конденсаторів до мережі здійснюється за допомогою напівкерованих тиристорно-діодних комутаторів. Перевагою способу є практична відсутність перехідних процесів при комутації конденсаторів. Головний недолік - наявність постійної складової напруги на вимкнених конденсаторах, що призводить до деградації діелектрика і скорочення строку служби конденсаторної батареї. Відомий спосіб комутації конденсаторів у складі батареї конденсаторів для компенсації реактивної потужності [Н. Frank and S. Ivner, "Thyristor-Controlled Shunt Compensation in Power Networks", ASEA journal. - vol. 54.-1981. - pp. 121-127], який включає підключення конденсатора до мережі в момент, коли миттєва напруга мережі дорівнює напрузі конденсатора, що підключається (комутується) - прототип. Перевагою способу є добра швидкодія і відсутність постійної складової напруги на вимкнених конденсаторах. Основним недоліком є перевантаження елементів в перехідних процесах при комутації конденсаторів, що призводить до зниження надійності батареї конденсаторів і комутуючих елементів. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити спосіб комутації конденсаторів у складі батареї конденсаторів для компенсації реактивної потужності, що дозволить уникнути перевантаження елементів в перехідних процесах при комутації конденсаторів, тим самим підвищити надійність батареї конденсаторів і комутуючих елементів. Для рішення поставленої задачі в способі комутації конденсаторів у складі батареї конденсаторів для компенсації реактивної потужності, який включає підключення конденсатора до мережі в момент, коли миттєва напруга мережі дорівнює напрузі конденсатора, що підключається (комутується), відповідно до винаходу, перед підключенням цього конденсатора в момент, коли напруга мережі переходить через максимум, до мережі підключають попередньо заряджений до амплітуди напруги мережі допоміжний конденсатор тієї ж ємності, а його відключення і підключення конденсатора, що комутується, здійснюють в момент, коли їх миттєві напруги зрівнюються між собою. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 представлено блок-схему компенсатора реактивної потужності, в якому реалізовано наведений спосіб, на фіг. 2 - його електричну схему, на фіг. 3 - діаграми напруги та струму при підключенні конденсатора без формування перехідного процесу, на фіг. 4 - діаграми напруги та струму при підключенні конденсатора з активним формуванням перехідного процесу. Компенсатор реактивної потужності (фіг. 1) містить конденсатори 1 (С1…Сn, фіг. 2), які приєднані до мережі через напівкеровані (тиристорні) комутатори 2 (S1…Sn, фіг. 2). Додатково введений блок формування перехідного процесу, який містить конденсатор 3 (СТ, фіг. 2), 1 UA 106564 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 підключений до мережі через повністю керований (транзисторний) комутатор 4 (ST, фіг. 2), і блок попереднього заряду 5 (БПЗ, фіг. 2), підключений до конденсатора блока формування перехідного процесу. Формування сигналів для комутаторів 2 та 4 здійснюється схемою керування 6 (на фіг. 2 показана умовно). Зниження амплітуд складових струму перехідного процесу при підключенні розрядженого конденсатора до мережі досягнуто за рахунок двоступеневого підключення: спочатку до мережі підключається блок формування перехідного процесу, в якому забезпечено "м'яке" включення, лише потім включається основний конденсатор з одночасним вимиканням конденсатора СТ. На фіг. 3 показані діаграми напруги u(t) (фіг. 2) та струму i(t) (фіг. 2) при підключенні конденсатора без формування перехідного процесу. Параметри схеми заміщення мережі: e(t) синусоїдальна ЕРС амплітудою 320 В і частотою 50 Гц, R=2,5 мОм, L=40 мкГн. Ці параметри відповідають трансформатору ТМ-630/6. Навантаження мережі представлено опором Zн=(1 Ом + 5 мГн послідовно). Ємності конденсаторів компенсатора С1=С2=…=Сn=СТ=600 мкФ. До моменту часу t=0 включено один конденсатор С1, що відповідає потужності компенсатора 10 кВАр. В момент часу t=0 підключається конденсатор С2 з нульовою начальною напругою. Спостерігається тривалий перехідний процес на підвищеній частоті, який супроводжується перевантаженням конденсаторів і комутаторів. Для зниження амплітуд складових перехідного процесу комутація конденсаторів виконується наступним чином. Блок попереднього заряду забезпечує заряд конденсатора СТ до амплітуди напруги мережі. При переході напруги мережі через максимум активується ключ ST (фіг. 2). Напруга на ключі ST при цьому дорівнює нулю, адже миттєві значення напруги мережі і напруги на конденсаторі СТ рівні. Конденсатор СТ "м'яко" (з нульовим начальним струмом) підключається до мережі. На фіг. 4 це відповідає моменту часу t=0. Через деякий час миттєва напруга мережі зрівнюється з напругою конденсатора С2, який потрібно підключити до мережі. В цей момент подається сигнал на включення ключа S2 і водночас деактивується (закривається) ключ ST, тобто конденсатор блока формування перехідного процесу СТ "підмінюється" основним конденсатором С2. На фіг. 4 це відповідає моменту часу t=0,005 с (показано случай, коли начальна напруга конденсатора С2 дорівнює нулю). Оскільки С2=СТ, перехідний процес при включенні ключа S2 і закритті ключа ST майже відсутній (в практичній реалізації компенсатора ємність СТ дещо більша за С2, тому на фіг. 4 можна спостерігати коливальний перехідний процес невеликої амплітуди). На цьому робота блока формування перехідного процесу завершується, конденсатор СТ заряджається від блока попереднього заряду до амплітуди напруги мережі. Після закінчення заряду СТ схема готова до наступної комутації. Як видно з фіг. 4, складові струму перехідного процесу значно менші, ніж у випадку, показаному на фіг. 3. Відключення конденсаторів С1…Сn відбувається відповідним ключем при переході струму через нуль, що відповідає максимуму напруги. Після відключення конденсатор повільно розряджається на розрядний резистор (на фіг. 2 умовно не показані). Підвищити швидкодію запропонованого компенсатора реактивної потужності можливо за рахунок встановлення двох блоків формування перехідного процесу, один з яких працює з позитивною напругою, інший - з негативною. Це дозволить виконувати комутації при найближчому переході напруги мережі через максимум. Крім того, це дає можливість використання в блоках формування перехідного процесу електролітичних конденсаторів завдяки постійному знаку напруги на них. Приклад реалізації способу. В компенсаторі реактивної потужності використано 5 однофазних конденсаторів (С1…С5) EPCOS з номінальною напругою 230 В потужністю 10 кВАр кожний. Як конденсатор СТ використано два електролітичних конденсатори по 330 мкФ × 400 В, з'єднаних паралельно. Ключі S1…S5 виконані на тиристорах 40TPS08 з керуванням за допомогою оптопар МОС3083, ключ ST виконано з використанням діодного моста KBPC5010W та IGBT типу IRG4PSH71U з керуванням від драйвера з оптичною розв'язкою типу FOD3120. Контроль напруг та формування керуючих сигналів здійснюється однокристальним мікроконтролером ATMEL ATmega48PA-PU, працюючим з тактовою частотою 20 МГц. Блок попереднього заряду в практичній реалізації виконано у вигляді послідовно з'єднаного діода 1N5407 і резистора 220 Ом 100 Вт. При цьому кількість комутацій програмно обмежена до двох на секунду, що спричинено постійною часу заряду конденсатора СТ. При необхідності підвищення швидкодії блок попереднього заряду виконується з підвищеною потужністю. 2 UA 106564 C2 5 10 Контролер на підставі вимірювань результатів реактивної потужності навантаження і аналізу напруги мережі формує сигнали керування ключами. Так, наприклад, при необхідності підключення до мережі конденсатора С1 ключем S1 контролер відстежує перехід напруги мережі через максимум, дає команду на включення ключа ST. Після цього відстежується момент зрівняння напруг на конденсаторах С1 і СТ та формуються сигнали включення ключа S1 і відключення ключа ST. На цьому процес підключення до мережі конденсатора С1 завершується. Застосування запропонованого способу дозволяє підвищити надійність роботи батарей конденсаторів і підвищити якість напруги мережі живлення за рахунок зниження рівня комутаційних перехідних процесів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 Спосіб комутації конденсаторів у складі батареї конденсаторів для компенсації реактивної потужності, який включає підключення конденсатора до мережі в момент, коли миттєва напруга мережі дорівнює напрузі конденсатора, що комутується, який відрізняється тим, що перед підключенням до мережі конденсатора, що комутується, в момент, коли її напруга переходить через максимум, до мережі підключають попередньо заряджений до амплітуди напруги мережі допоміжний конденсатор тієї ж ємності, а відключення і підключення конденсатора, що комутується, здійснюють в момент, коли миттєві напруги конденсатора, що комутується, та допоміжного конденсатора зрівнюються між собою. 3 UA 106564 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4