Спосіб керування “динамічним конденсатором” для компенсації реактивної потужності

Реферат: Спосіб керування "динамічним конденсатором" (ДК) 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. Для компенсації реактивної потужності в електричних мережах використані "динамічні конденсатори" (ДК), які являють собою батарею конденсаторів, що підключається до мережі через напівпровідниковий безпосередній перетворювач змінної напруги із двома двонаправленими ключами. Спосіб керування ДК полягає в зміні режиму його роботи, а саме в корекції шпаруватості перемикання двонаправлених ключів, що дозволяє зменшити вплив ДК на АЧХ мережі, знизити чутливість ДК до наявності вищих гармонік в напрузі мережі. Застосування запропонованого способу керування ДК для компенсації реактивної потужності дозволяє підвищити надійність його роботи, покращити точність компенсації реактивної потужності. UA 114951 C2 (12) UA 114951 C2 UA 114951 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для 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 (СТАТКОМ), активних фільтрів (АФ) або так званих "динамічних конденсаторів" (ДК). ДК являє собою батарею конденсаторів, що підключається до мережі через напівпровідниковий безпосередній перетворювач змінної напруги (найчастіше це понижуючий перетворювач - buck-converter) із двома двонаправленими ключами. Відомий спосіб керування ДК (Prasaj A. Control of Dynamic Capacitor / Anish Prasai, Deepak M. Divan // ieee transactions on industry applications, vol. 47, no. 1, january/february 2011. - pp. 161168.), який полягає у зміні шпаруватості двонаправлених ключів у відповідності до суми гармонічного ряду Фур'є, коефіцієнти при доданках якого визначають характер споживаного ДК струму. Перевагою такого способу є можливість роботи ДК в режимі активного фільтра вищих гармонік. До недоліків слід віднести: складність розрахунку коефіцієнтів доданків ряду Фур'є, що вимагає використання більш потужного контролеру; вплив ДК на амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) мережі, що може викликати резонанси між ДК і мережею та в цілому знизити надійність ДК і погіршити якість напруги мережі. Відомий спосіб керування ДК (Mudit Gupta, N. К Singh Modelling of Four Switch Buck Boost Dynamic Capacitor / International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). - Vol. 3 Issue 10, October-2014. - pp. 964-970), який полягає в зміні шпаруватості двонаправлених ключів, пропорційно до якої відбувається і зміна еквівалентної ємності ДК. При цьому шпаруватість змінюється в діапазоні від нуля до одиниці. Перевагою такого способу керування є його простота реалізації. До недоліків слід віднести те, що при підключенні такого ДК до мережі з несинусоїдальною напругою, батарея конденсаторів ДК буде зазнавати впливу вищих гармонік струму, що може призвести до перевантаження конденсаторів або до виникнення резонансів між ДК та еквівалентною індуктивністю мережі, та вплив ДК на АЧХ мережі, що призведе до зниження надійності ДК, підвищить ймовірність виходу його з ладу. Спосіб прийнято за прототип. В основу винаходу поставлена задача удосконалити спосіб керування ДК шляхом зміни режиму його роботи, що дозволить забезпечити близький до синусоїдального вхідний струм, тим самим значно зменшити вплив ДК на АЧХ мережі, знизити чутливість ДК до наявності вищих гармонік в напрузі мережі та підвищити надійність його роботи, покращити точність компенсації реактивної потужності. Для рішення поставленої задачі в способі керування "динамічним конденсатором" для компенсації реактивної потужності, який полягає у керуванні двома двонаправленими ключами напівпровідникового безпосереднього знижувального перетворювача змінної напруги, через який батарея конденсаторів підключена до мережі, відповідно до винаходу, шпаруватість перемикання двонаправлених ключів встановлюють відповідно до виразу t 2  u( )  iref ( )d D( t )  40 45 50 55 0 C  (u( t )2 ) , де u(t ) - напруга, що прикладена до ДК B ; iref (t ) - струм ДК, який необхідно забезпечити, A ; C - ємність батареї конденсаторів ДК, Ф . Запропоноване технічне рішення пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана структурна схема підключення ДК до мережі, на фіг. 2 показана схема заміщення ДК (на одну фазу), на фіг. 3 - спрощена схема підключення ДК до мережі, на фіг. 4 - система керування ДК, на фіг. 5 - діаграми напруги мережі та локального середнього (середнього за період перемикання ключів) вхідного струму ДК при постійній шпаруватості керуючих імпульсів силових ключів, на фіг. 6 - діаграми напруги мережі та локального середнього вхідного струму ДК при роботі запропонованої системи керування. На фіг. 1 прийняті наступні умовні позначення: 1 - мережа, 2 - навантаження, що споживає реактивну потужність; 3 - ДК; 4 - датчик струму ДК; 5 - датчик напруги мережі; 6 - датчик струму навантаження; 7 - система керування ДК. На фіг. 2 зображена схема заміщення ДК (блок 3 фіг. 1). Формування струму ДК i( t ) проводиться у відповідності зі схемами заміщення, наведеними на фіг. 1-3. Струм завдання ДК знаходиться в залежності від необхідної реактивної потужності, яку має згенерувати ДК, наприклад, в результаті обчислення першої гармоніки споживаного навантаженням струму (фіг. 3). Для того, щоб ДК не впливав на АЧХ мережі, треба, щоб форма споживаного ним струму була синусоїдальною. 1 UA 114951 C2 10 S Позначимо шпаруватість перемикання двонаправленого ключа S1 2 як D( t ) . Тоді локальна С буде визначатися за наступним виразом: середня напруга на конденсаторі uC (t )  D(t )  u(t ) , (1) а струм, що протікає через конденсатор С: du ( t ) d(u( t )  D( t )) iC ( t )  C  C  C  dt dt . (2) Тоді струм, що споживається ДК, можна визначити як: d(u( t )  D( t ) i( t )  iC ( t )  D( t )  C  D( t )   dt d(u( t )) d(D( t ))  C  (D( t ))2   CD ( t )  u( t )  . dt dt (3) Знайдемо миттєву потужність ДК: d(u( t )) d(D( t )) p( t )  u( t )  i( t )  C  u( t )  (D( t ))2   C  D( t )  (u( t ))2  . dt dt (4) В першому доданку отриманої суми внесемо під знак похідної u(t ) , a y другому - D( t ) : 15 C d(u(t )2 ) C d(D(t )2 )  (D(t ))2    (u(t ))2  . 2 dt 2 dt (5) В результаті отримали вираз похідної добутку, після згортання якої та внесення постійного множника отримали остаточний вираз для миттєвої потужності ДК:  d  C  u( t )2 p( t )    D( t )2 .   dt  2  (6) Проінтегруємо вираз (6) та знайдемо залежність для шпаруватості двонаправлених ключів: 5 p(t )  t 2  u( )  iref ( )d D( t )  20 25 30 35 40 0 C  (u( t )2 ) , (7) iref (t ) - струм ДК, який необхідно забезпечити, А. де Вираз (7) дозволяє обчислити шпаруватість керуючих імпульсів силових ключів ДК в залежності від потрібної форми струму ДК. Приклад реалізації способу. До складу ДК (блок 3, фіг. 1) входять: батарея конденсаторів (С, фіг. 2) EPCOS MKD230-I-2.5-5 шт., напруга 230 В, ємність кожного конденсатора 151 мкФ, сукупна реактивна потужність батареї конденсаторів 12,5 кВАр; захисний реактор (RF2, LF2, фіг. 2) індуктивністю 400 мкГн при струмі 100 А; мережевий фільтр (LF1, СF1, фіг. 2) з індуктивністю LF1=100 мкГн і ємністю СF1=94 мкФ. 4 силових ключі IGBT АРТ100GF60JR (600 В, 100 А). Схема керування транзисторами (блок 7, фіг. 1) виконана з використанням спеціалізованих драйверів FOD3184. Частота перемикання ключів ДК складає 10 кГц. Формування керуючих сигналів здійснюється однокристальним 32-бітним мікроконтролером STM32F100C6T6B фірми ST Microelectronics, працюючим з тактовою частотою 24 МГц. Для практичної реалізації формування струму ДК створена система керування, яка реалізує запропонований спосіб. Блок PLL (Phase Locked Loop) - фазового автопідстроювання частоти формує сигнал одиничної амплітуди, зсунутий по фазі на 90 електричних градусів по відношенню до першої гармоніки напруги мережі u(t ) . В результаті множення його на задану амплітуду реактивного струму iref m , отримуємо струм завдання iref (t ) . Отримані сигнали використовуються для обчислення шпаруватості D( t ) за виразом (7). Для запобігання накопиченню похибки при роботі інтегратора його вихід скидається в нуль при кожному переході миттєвої напруги мережі через нуль за допомогою сигналу RESET, який формується на виході 2 ZC (Zero Crossing) блоку PLL. Якщо квадрат напруги мережі менше заданого значення Umin , то спрацьовує перекидний ключ, який встановлює шпаруватість перемикання двонаправлених ключів, що дорівнює середній за попередній період мережі. Це викликано великою похибкою розрахунку шпаруватості при малих абсолютних значеннях миттєвої напруги мережі. 2 UA 114951 C2 5 10 На фіг. 5 наведено діаграми струму ДК та напруги мережі при постійній шпаруватості, рівній 0,5. На фіг. 6 наведено діаграми струму завдання ДК, струму що споживається ДК, та напруги мережі при шпаруватості, що розрахована за запропонованим способом. Видно, що при застосуванні запропонованого способу керування коефіцієнт гармонік струму ДК значно нижчий, ніж при управлінні з постійною шпаруватістю. З наведених діаграм видно, що використання запропонованого способу керування ДК дозволяє забезпечити близький до синусоїдального споживаний ДК струм. Використання запропонованого способу керування ДК дозволяє значно зменшити вплив ДК на АЧХ мережі, знизити чутливість ДК до наявності вищих гармонік в напрузі мережі, тим самим підвищити надійність його роботи, покращити точність компенсації реактивної потужності. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 Спосіб керування "динамічним конденсатором" (ДК) для компенсації реактивної потужності, який полягає у керуванні двома двонаправленими ключами напівпровідникового безпосереднього знижувального перетворювача змінної напруги, через який батарею конденсаторів підключають до мережі, який відрізняється тим, що шпаруватість перемикання двонаправлених ключів встановлюють відповідно до виразу: t  2 u( )  iref ( )d D( t )  20 0 C  (u( t )2 ) , де u(t) - мережева напруга, що прикладена до ДК, iref ( t ) - струм ДК, який необхідно забезпечити, С - ємність батареї конденсаторів ДК. 3 UA 114951 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4