Гібридний компенсатор реактивної потужності

Реферат: Винахід належить до електротехніки і може бути використаним для вирішення задач компенсації та регулювання реактивної потужності та підвищення якості електроенергії розподільчих мереж. Гібридний компенсатор реактивної потужності містить трифазну батарею конденсаторів, трансформатори, інвертор напруги зі схемою керування, причому одна фаза батареї конденсаторів підключена до мережі безпосередньо, а дві інших - через вторинні обмотки трансформаторів, первинні обмотки яких з'єднані по схемі відкритого трикутника і підключені до інвертора напруги. Технічним результатом, що досягається даним винаходом, є покращення масогабаритних та техніко-економічних показників, підвищення надійності роботи батарей конденсаторів та підвищення якості напруги мережі. UA 111493 C2 (12) UA 111493 C2 UA 111493 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для вирішення задач компенсації та регулювання реактивної потужності та підвищення якості електроенергії розподільчих мереж. Сучасним вирішенням компенсації реактивної потужності є використання компенсаторів реактивної потужності (КРП) зі ступеневим перемиканням, статичних компенсаторів (STATCOM) або активних фільтрів (АФ). Відомий гібридний компенсатор реактивної потужності (Hybrid Reactive Power Compensation Device / Hurng-Liang Chou, Chin-Chang Wu, Wen-Pin Hsu, Yao-Jen Chang // United States Patent US 6,876,179 B2, МПК G05F 1/70, H02M 1/12, Apr. 5, 2005), який складається з батареї конденсаторів (БК), інвертора напруги з вихідним фільтром і схемою керування. Таке вирішення дозволяє позбутися генерації вищих гармонік до мережі живлення, забезпечити плавне регулювання потужності КРП та усунути можливість резонансів в контурі, утвореному БК і мережею. Недоліком є електричний зв'язок інвертора з мережею, що обмежує застосування такого компенсатора в мережах середньої та високої напруги, та необхідність доступу до всіх шести виводів конденсаторної батареї - переважна більшість стандартних трифазних батарей мають три виводи і внутрішнє з'єднання трикутником, що робить неможливим їх застосування у складі компенсатора і значно обмежує його область застосування. Відомий гібридний компенсатор реактивної потужності (Power converter based method for suppressing power capacitor harmonic current / Jinn-Chang Wu, Hurng-Liahng Jou, Kuen-Der Wu, Yu-Ting Kuo, Yao-Jen Chang // IEE Proc. - Gener. Transm. Distrib., Vol. 151, No. 3, May 2004) який містить трифазну батарею конденсаторів, трансформатори, інвертор напруги зі схемою керування. Схема дозволяє "ізолювати" БК від вищих гармонік напруги мережі живлення, тим самим попередити перевантаження БК струмами вищих гармонік та усунути можливість резонансів в контурі, утвореному індуктивністю мережі та БК. Головним недоліком пристрою є необхідність доступу до всіх шести виводів конденсаторної батареї, що обмежує використання стандартних батарей, та спосіб компенсації вищих гармонік - вони відфільтровуються з напруги мережі в точці підключення компенсатора і за допомогою інвертора в протифазі інжектуються через трансформатори в напругу на БК. Такий спосіб пред'являє високі вимоги до точності формування напруги інжекції, особливо це стосується гармонік високого порядку, адже опір БК обернено пропорційний до частоти. Все це погіршує техніко-економічні характеристики гібридного компенсатора реактивної потужності і обмежує його область застосування. Відомий гібридний компенсатор реактивної потужності (Hybrid Parallel Active/Passive Filter System With Dynamically Variable Inductance / Po-Tai Cheng, Subhashish Bhattacharya, Deepakraj M. Divan // United States Patent US 5,757,099 МПК H02J 3/01, May, 26, 1998), який містить трифазну батарею конденсаторів, трансформатори, інвертор напруги зі схемою керування. Таке вирішення дозволяє ізолювати БК від вищих гармонік напруги мережі живлення, усунути можливість резонансів в контурі, утвореному індуктивністю мережі та БК, забезпечити плавне регулювання реактивної потужності. Наявність розв'язуючого трансформатора між інвертором і мережею дозволяє застосовувати гібридні компенсатори реактивної потужності з такою схемою в мережах середньої та високої напруги. Основними недоліками є: 1) необхідність доступу до всіх шести виводів конденсаторної батареї, що значно обмежує область застосування компенсатора; 2) застосування трьох однофазних або одного трифазного трансформатора, що погіршує масогабаритні і технікоекономічні показники компенсатора. Пристрій прийнято за прототип. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити гібридний компенсатор реактивної потужності, що дозволить забезпечити його роботу зі стандартними трививідними батареями конденсаторів та покращити масогабаритні і техніко-економічні показники компенсатора за рахунок зміни взаємодії його елементів. Для вирішення поставленої задачі в гібридному компенсаторі реактивної потужності, який містить трифазну батарею конденсаторів, трансформатори, інвертор напруги зі схемою керування, відповідно до винаходу, одна фаза батареї конденсаторів підключена до мережі безпосередньо, а дві інших - через вторинні обмотки трансформаторів, первинні обмотки яких з'єднані по схемі відкритого трикутника і підключені до інвертора напруги. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 представлено блок-схему гібридного компенсатора реактивної потужності, на фіг. 2 - його схему заміщення, на фіг. 3 - електричну схему силової частини, на фіг. 4 - структурну схему системи керування. Гібридний компенсатор реактивної потужності (фіг. 1) містить трифазну батарею конденсаторів 1 (БК, фіг. 2, 3), трансформатори 2 (Т1, Т2, фіг. 3), інвертор напруги 3 (VT1-VT6, С1, фіг. 3) зі схемою керування 4 (на фіг. 3 показана умовно), причому одна фаза (на фіг. 2, 3 це 1 UA 111493 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фаза В) батареї конденсаторів підключена до мережі безпосередньо, а дві інших - через вторинні обмотки трансформаторів, первинні обмотки яких з'єднані по схемі відкритого трикутника і підключені до інвертора напруги. На схемі заміщення (фіг. 2) трансформатори та інвертор зі схемою керування показані як два джерела струму (і а, іс, фіг. 2). Плавне регулювання реактивної потужності гібридного компенсатора та нейтралізація впливу вищих гармонік здійснюється за рахунок введення в дві фази додаткових напруг за допомогою інвертора напруги (VT1-VT6, С1, фіг. 3) на повністю керованих ключових елементах, підключеного через два однофазні трансформатори (Т1, Т2, фіг. 3). Система керування інвертором напруги виконана так, що останній являє собою комплексний опір з керованими активною і реактивною складовими на основній частоті мережі, а на частотах вищих гармонік опір наближається до безкінечності. При цьому керування активною складовою опору дозволяє стабілізувати напругу ланки постійного струму інвертора і виконати його без зовнішнього джерела живлення; керування реактивною складовою опору дозволяє регулювати реактивну потужність запропонованого гібридного компенсатора; великий еквівалентний опір на частотах вищих гармонік дозволяє уникнути перевантаження батареї конденсаторів струмом вищих гармонік і виключити можливість виникнення резонансів в контурі, утвореному індуктивністю мережі та БК. Для вирішення цих задач інвертор охоплено від'ємним зворотним зв'язком по вихідних струмах (іа, іc, фіг. 3) із застосуванням гістерезисного керування. При цьому відповідні струми завдання ia_ref, ic_ref формуються системою керування, структурна схема якої показана на фіг. 4. В системі керування виконується обчислення фазних напруг А та С (усувається складова нульової послідовності) і виділення основної гармоніки за допомогою фільтрів LPF1 (фіг. 4). З виходів цих фільтрів сигнал надходить на фазообертачі, які забезпечують зсув фази на +90 електричних градусів. Сигнали струмів завдання формуються за допомогою перемножувачів, які здійснюють масштабування відповідних сигналів з коефіцієнтами G ref (контролює активну складову еквівалентної провідності) та Вref (реактивна складова). Сигнал Gref формується контуром стабілізації напруги ланки постійного струму U DC (напруга на конденсаторі С1, фіг. 3) з регулятором LPF3 (фіг. 4). В результаті напруга U DC підтримується на рівні, заданому сигналом UDC_ref. Сигнал Bref формується регулятором реактивної потужності LPF4 (фіг. 4). Обчислення реактивної потужності Q та її завдання Qref може бути виконано по-різному, залежно від обставин застосування гібридного компенсатора реактивної потужності. В найпростішому випадку сигнал Q - це реактивна потужність самого гібридного компенсатора, a Q ref - потужність, яку треба підтримувати (потужність завдання). Введені в схему керування додаткові місцеві петлі від'ємного зворотного зв'язку по вихідним напругам інвертора uapf_а, uapf_с (на фіг. 3 це напруги uan та ucn) з регуляторами LPF2 забезпечують їх нульове середнє значення і попереджають підмагнічування трансформаторів Т1, Т2 (фіг. 3) постійним струмом. Пристрій працює в такий спосіб. В гібридному компенсаторі реактивної потужності як БК (фіг. 3) використано трифазний конденсатор EPCOS MKP400-D-6.3, який складається з трьох конденсаторів по 42 мкФ з номінальною напругою 400 В, з'єднаних трикутником. Номінальна потужність БК становить 6,3 кВАр при напрузі 400 В. Інвертор напруги (VT1-VT6, фіг. 3) виконано на інтегральному силовому модулі Mitsubishi PS21564, який містить 6 IGBT транзисторів зі схемами керування і захисту. Як конденсатор С1 (фіг. 3) використано три електролітичних конденсатора по 330 мкФ  400 В, з'єднаних паралельно. При роботі системи на С1 підтримується напруга 300-320 В. Трансформатори Т1, Т2 (фіг. 3) потужністю по 450 ВА з номінальними напругами первинної і вторинної обмоток 127 та 50 В відповідно. Індуктивності розсіювання Т1, Т2 використані як вихідні дроселі інвертора напруги. Контроль напруг та формування керуючих сигналів здійснюється однокристальним мікроконтролером ATMEL ATmega48PA-PU, працюючим з тактовою частотою 20 МГц. Контролер на підставі вимірювань результатів реактивної потужності навантаження і аналізу напруги мережі формує сигнали завдання струмів (іа_ref, ic_ref). Керування ключами VT1-VT4 виконано апаратно (застосовано гістерезисне керування вихідними струмами інвертора). Ключі VT5, VT6 перемикаються зі скважністю 50 % на частоті 9,7 кГц і формують "середню точку" напруги. При напрузі мережі 380 В реактивну потужність запропонованого компенсатора можна плавно змінювати в межах від 5,1 до 5,9 кВАр, при цьому в струмі компенсатора практично відсутні гармоніки частоти мережі, що обумовлює неможливість перевантаження БК струмами вищих гармонік. Це також попереджує виникнення резонансних перенапружень в мережі. 2 UA 111493 C2 5 Розширення діапазону регулювання реактивної потужності можливо за рахунок зміни (перемикання) ємності БК та/або шляхом підвищення вторинної напруги (і встановленої потужності) трансформаторів Т1, Т2. Застосування запропонованого гібридного компенсатора реактивної потужності дозволяє підвищити надійність роботи батарей конденсаторів і підвищити якість напруги мережі живлення за рахунок зниження рівня вищих гармонік в струмі конденсаторів і демпфування резонансів між ними та еквівалентною індуктивністю мережі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Гібридний компенсатор реактивної потужності, який містить трифазну батарею конденсаторів, трансформатори, інвертор напруги зі схемою керування, який відрізняється тим, що одна фаза батареї конденсаторів підключена до мережі безпосередньо, а дві інших - через вторинні обмотки трансформаторів, первинні обмотки яких з'єднані по схемі відкритого трикутника і підключені до інвертора напруги. 3 UA 111493 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4