Спосіб управління силовим активним фільтром у складі інтелектуальної електричної системи

Реферат: Спосіб управління силовим активним фільтром у складі інтелектуальної електричної системи електропостачання застосовує трифазний паралельний силовий активний фільтр на основі інвертора напруги на IGBT транзисторах зі зворотними діодами і управлінням за релейним принципом в режимі широтно-імпульсної модуляції. Для підвищення точності компенсації реактивної потужності і підвищення коефіцієнта потужності системи для визначення референтних струмів силового активного фільтра як еталонні зразкові сигнали системи управління використовують синусоїдальні сигнали, які співпадають за фазами з відповідними синусоїдальними напругами джерела електричної енергії, які передають за допомогою інформаційних каналів інтелектуальної системи електропостачання. Амплітуди еталонних сигналів є рівними між собою і визначаються пристроєм автоматичного керування таким чином, аби постійна складова напруги на накопичувальному конденсаторі інвертора силового активного фільтра досягла заданого рівня і залишилася незмінною у часі. UA 122457 U (12) UA 122457 U UA 122457 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі електротехніки та електроенергетики, а саме до силових активних фільтрів, у яких для формування референтних компенсуючих струмів використовується автономний інвертор на IGBT транзисторах зі зворотними діодами в режимі широтно-імпульсної модуляції. Відомий спосіб [1], при якому референтні струми формують на основі вимірювання напруг на навантаженні та струмів в лініях електропересилання з подальшими перетвореннями їх в двофазну систему і обчисленням активної потужності, що споживається навантаженням. Спільною ознакою з пропонованим способом є те, що відомий спосіб включає формування референтних струмів силового активного фільтра за допомогою автономного інвертора на IGBT транзисторах зі зворотними діодами в режимі широтно-імпульсної модуляції. Відомий спосіб має наступні недоліки: він вимагає необхідності вимірювання числових значень дискрет струмів і напруг, які надалі повинні оброблятися за допомогою цифрового процесора за досить складними алгоритмами, а крім того використовуються напруги на навантаженні, які можуть бути в значній мірі спотворені, а це вносить похибки в розрахунки і зниження коефіцієнта потужності в цілому. Відомий спосіб [2], при якому формують масив станів ключів напівпровідникового комутатора, формують масив значень дискретної комутаційної вектор-функції, елементи якої відповідають тільки тим елементам масиву станів, які, будучи реалізовані, дають помітні комбінації фазних напруг на силових входах напівпровідникового комутатора, за результатами прогнозу вибирають те значення комутаційної функції, яке забезпечить отримання вектора струмів мережі, найбільш близького до заданого вектора струмів мережі. Спільною ознакою з пропонованим способом є те, що відомий спосіб включає формування масиву станів ключів напівпровідникового комутатора, масиву значень дискретної комутаційної вектор-функції, елементи якої відповідають елементам масиву станів, які, будучи реалізовані, і дають комбінації фазних напруг на силових входах напівпровідникового комутатора. Відомий спосіб має наступні недоліки: завдання вектора струму мережі, значення якого в реальних умовах залежить від поточного навантаження та підлягає визначенню; відсутній розподіл вектора струму на складові відповідно активної та неактивної потужності, що не дозволяє компенсувати останню. Відомий спосіб [3], який полягає в тому, що на підставі проекцій струму навантаження та напруги на стороні змінного струму розраховують складові активної та неактивної потужностей, виділяють неактивну потужність, яка визначається основною гармонікою струму мережі прямої послідовності, та змінні складові активної та неактивної потужностей, які визначаються гармоніками струму навантаження, відмінними від основної, і струмами основної гармоніки зворотної послідовності, розраховують задане значення струму перетворювача в нерухомій системі координат, перетворюють задане значення струму перетворювача в рухому систему координат, розраховують поточне відхилення струму в рухомій системі координат. Спільними ознаками з пропонованим способом є те, що відомий спосіб включає формування інвертором референтних струмів на основі контролю напруг і струмів в системі, а також напруги на накопичувальному конденсаторі інвертора з подальшим передаванням цих струмів в систему електропостачання дляпокращання коефіцієнта потужності системи в цілому. Недоліками відомого способу є те, що для визначення компенсуючих референтних струмів силового активного фільтра виконуються вибіркова фіксація дискрет струмів та напруг з наступною обробкою цих числових значень за досить складними алгоритмами на додатковому обладнанні, а крім того напруги на затискачах навантаження, що використовуються для обчислення врешті решт активних потужностей, можуть бути значно спотворені порівняно з фазними напругами генераторів, а це може призвести до неповної компенсації реактивної потужності в системі і зниження коефіцієнта потужності. Даний спосіб прийнятий за найближчий аналог. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищити точність роботи силового активного фільтра і спростити його систему керування. Поставлену задачу вирішують тим, що спосіб управління силовим активним фільтром у складі інтелектуальної електричної системи електропостачання застосовує інвертор напруги на IGBT транзисторах зі зворотними діодами і управлінням за релейним принципом в режимі широтно-імпульсної модуляції, в якому, згідно з корисною моделлю, з метою підвищення точності компенсації реактивної потужності і підвищення коефіцієнта потужності системи для визначення референтних струмів силового активного фільтра як еталонні зразкові сигнали системи управління використовуються синусоїдальні сигнали, що вони співпадають за фазами з відповідними синусоїдальними напругами джерела електричної енергії, які повинні передаватися за допомогою інформаційних каналів інтелектуальної системи 1 UA 122457 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 електропостачання, в той час як амплітуди еталонних сигналів повинні бути рівними між собою і визначатися пристроєм автоматичного керування таким чином, аби постійна складова напруги на накопичувальному конденсаторі інвертора силового активного фільтра досягла заданого рівня і залишилася незмінною у часі. Така побудова способу управління активним фільтром основана на тому, що силовий активний фільтр практично не споживає активної потужності, оскільки він складається із реактивних та ключових елементів. Форма референтних струмів залежить від зразкових сигналів, з якими порівнюється струм, споживаний навантаженням. Система управління вважається побудованою за принципом релейного керування [1], коли з бажаною формою струму, яка задається на вході системи управління синусоїдальною, порівнюються струми, споживані навантаженням. В результаті формується різницевий сигнал, який формує керуючі імпульси на керовані ключі силового активного фільтра таким чином, аби струми в лініях живлення навантаження мали незначні відхилення від бажаної синусоїдальної форми, що задається зразковими сигналами, які надходять на вхід системи управління силовим активним фільтром. Виходячи із закону збереження енергії, можна стверджувати, що усталений режим встановлюється тоді, коли амплітуди зразкових сигналів налаштовані на таку величину, аби активна потужність, що вона надходить від джерела живлення по лініям електропересилання до навантаження, дорівнювала би сумарній потужності, що вона споживається усіма пристроями, що увімкнені після джерел, - самим навантаженням, лінією електропересилання та активним фільтром. Останній складається з ключових елементів, представленими напівпровідниковими керованими ключами, і реактивними елементами - буферними реакторами, що надсилають референтні струми силового активного фільтра до трифазної системи живлення, а також накопичувального конденсатора, який заряджається від мережі через зворотні діоди, що шунтують силові транзистори, до напруги, яка повинна перевищувати амплітуду лінійної напруги трифазної мережі. Напруга на накопичувальному конденсаторі може встановлюватися на рівні, який перевищує лінійну напругу мережі, завдяки тому, що заряд накопичувального конденсатора здійснюється через зворотні діоди і буферні індуктивності. Енергія, накопичена в індуктивностях, віддається конденсаторові, підвищуючи там самим напругу на ньому в порівняні з тим значенням, яке б встановилося при відсутності буферних індуктивностей, і воно б дорівнювало амплітуді лінійної напруги мережі. Однак подальший енергетичний стан накопичувального конденсатора залежить від амплітуд зразкових синусоїдальних сигналів і потужності споживання електроенергії навантаженням. Якщо рівень споживання активної потужності навантаженням зростає і перевищує рівень активної потужності, який задається зразковими сигналами, то навантаження буду живитися в тому числі і енергією накопичувального конденсатора, і напруга на конденсаторі буде знижуватися. Це може привести до втрати силовим активним фільтром своїх функцій, що виразиться в спотворенні синусоїдальної форми референтних струмів навіть при лінійному навантаженні. Якщо ж амплітуди зразкових синусоїдальних зразкових сигналів перевищують рівень, необхідний для точного задоволення рівноваги активних потужностей, що віддаються джерелами і споживаються лініями, навантаженням і активним фільтром, то фільтр буде споживати надлишкову електричну енергію з мережі. Це нарешті скажеться постійної складової напруги на накопичувальному конденсаторі активного фільтра, яка буде зростати доти, доки не буде задовольнятися закон рівноваги потужностей. Надлишкова енергія буде витрачатися на активні втрати в навантаженні і активних елементах силового активного фільтра, і це приведе до зростання постійної складової напруги на накопичувальному конденсаторі силового активного фільтра. Таким чином, напруга на накопичувальному конденсаторі силового активного фільтра не тільки забезпечує функціональні потреби силового активного фільтра, але й може розглядатися як індикатор балансу активних потужностей, що віддаються джерелами енергії і споживаються іншими частинами системи електропостачання. Саме на цьому принципі і заснований спосіб керування, що пропонується на відміну від відомих [1-3], де для обчислення амплітуд і фаз зразкових синусоїдальних сигналів застосовуються досить складні і об'ємні вимірювання напруг і струмів з наступним їх прямим і зворотнім перетворюванням до фазних координат. Це потребує додаткового обладнання, а крім того не забезпечує точності компенсації реактивної потужності. Справа в тому, що в запропонованих способах напруга, яка використовується для обчислень, знімається з вузлів, до яких увімкнене навантаження. Ця напруга фактично відрізняється від напруг джерел електричної енергії, оскільки виявляється вплив напруг, які падають на лінії електропересилання. Протяжність цих ліній взагалі може бути досить велика, характер опору ліній електропересилання активно-реактивний, і тому напруга на вузлах споживача спотворена у порівнянні з напругами джерел електричної енергії. Ефект компенсації реактивної потужності 2 UA 122457 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 слід оцінювати, керуючись фазними напругами саме джерел генерації електричної енергії. Додаткові спотворення напруг на навантаженні призводять до неповної компенсації реактивної потужності та збільшення невідворотних втрат електричної енергії на активних опорах ліній електропересилання. Такий недосконалий з означених обставин підхід, описаний в відомих джерелах, обумовлений тим, що у звичайних електричних системах доступними для вимірювань є ті напруги, до яких увімкнені навантаження і сам силовий активний фільтр. В інтелектуальній системі електропостачання принципово не складає проблеми вимірювання дискрет фазних напруг на вузлах генератора електричної енергії і передача цієї інформації в телемеханічній або комп'ютерній інформаційній системі до будь-яких споживачів. Єдине, що треба взяти до уваги, що інформація до споживачів буде доходити з певним запізненням на час, який необхідний для фізичного переміщення інформації по проводам або через радіохвилі. Однак це запізнення може бути знівельовано врахуванням тієї обставини, що напруга на затискачах є періодичною і низькочастотною. Тому як зразкові синусоїдальні сигнали на вході силового активного фільтра можна використовувати сигнал, що приходить із затримкою на один період. Цього часу достатньо для передачі сигналів за допомогою будьякого способу здійснення передачі сигналу. Корисна модель пояснюється кресленням, на якому трифазний синхронний генератор 1 виробляє електричну енергію, яка по лінії електропересилання 2 передається на навантаження 3. Навантаження може бути несиметричним і нелінійним, що призводить до спотворень струмів та напруг в системі та до нерівномірного завантаження фаз електричної системи. Ці негативні явища виправляє силовий активний фільтр 4, що вмикається паралельно навантаженню в точках підключення самого навантаження. Силовий активний фільтр складається з блока 5 силових керованих IGBT транзисторів, накопичувального конденсатора Сf та буферних індуктивностей Lf. Для управління транзисторами використовується система управління 6. На неї подаються вхідні сигнали, а саме - за допомогою давача струму 7 з навантаження знімається його струм. З накопичувального конденсатора силового активного фільтра знімається сигнал його напруги. Обидва ці сигнали безпосередньо передаються на систему управління за місцем підключення силового активного фільтра. В той же час із затискачів генератора за допомогою давача напруги 8 знімаються сигнали фазних напруг генератора, які через канал передачі інформації надходять на систему управління. Спосіб реалізується наступним чином. За сигналами, пропорційними фазним напругам, формуються зразкові сигнали, які визначають форму і фазу струмів в лініях електропересилання, що доставляють енергію живлення до навантаження. Ці зразкові синусоїдальні сигнали порівнюються зі струмами навантаження, і далі генеруються за допомогою гістерезисних елементів референтні струми, що вони через буферні індуктивності надходять до ланцюга системи електропостачання. Сигнал напруги накопичувального конденсатора усереднюється, і отримана величина постійної складової U0 порівнюється з напругою завдання та за допомогою системи автоматичного керування ця різниця зводиться добудь-якої малої величини шляхом впливу на амплітуди еталонних зразкових синусоїдальних сигналів, що повторюють форму та фазу фазних напруг генератора. Завдяки цьому забезпечується працездатність силового активного фільтра, оскільки напруга на накопичувальному конденсаторі повинна в 1,2-1,5 рази перевищувати амплітуду лінійної напруги, що живить навантаження. Крім цього стабільність постійної складової напруги на накопичувальному конденсаторі означає виконання балансу активних потужностей, тобто, рівність активних потужностей, що споживаються в усіх пристроях споживання, і активних потужностей, що генеруються самим генератором. Ці умови і є необхідними для нормального функціонування силового активного фільтра у складі трифазної системи електропостачання з нелінійними і несиметричними навантаженнями. Варіанти реалізації запропонованого способу можуть бути побудовані як із застосуванням аналогових пристроїв автоматичного керування, так і з використанням програмованих мікроконтролерів, в тому числі і сигнальних мікроконтролерів. Джерела інформації: 1. Akagi H. Active harmonic filters / Proceedings of the IEEE, December 2005. - Vol. 93, № 12. Р. 2128-2141 2. Патент RU 2001102907A. Способ прогнозирующего релейно-векторного управления вектором токов сети обратимого преобразователя энергии переменного тока в энергию постоянного тока / Р.Т. Шрейнер, А.А. Ефимов, Г.С. Зиновьев. Дата публикации 12.20.2002, МПК (7) Н02М 7/00 3 UA 122457 U 3. Патент на корисну модель UA 83777 U Спосіб прогнозуючого управління силовим активним фільтром в трифазній мережі змінного струму / О.В. Бялобржеський, Р.В. Власенко. Дата публікації 25.09.2013 МПК (2013.01) Н02Р 7/00, НР2Р 21/00. 5 10 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб управління силовим активним фільтром у складі інтелектуальної електричної системи електропостачання, який застосовує трифазний паралельний силовий активний фільтр на основі інвертора напруги на IGBT транзисторах зі зворотними діодами і управлінням за релейним принципом в режимі широтно-імпульсної модуляції, який відрізняється тим, що для підвищення точності компенсації реактивної потужності і підвищення коефіцієнта потужності системи для визначення референтних струмів силового активного фільтра як еталонні зразкові сигнали системи управління використовують синусоїдальні сигнали, які співпадають за фазами з відповідними синусоїдальними напругами джерела електричної енергії, які передають за допомогою інформаційних каналів інтелектуальної системи електропостачання, в той час, як амплітуди еталонних сигналів є рівними між собою, їх визначають пристроєм автоматичного керування таким чином, аби постійна складова напруги на накопичувальному конденсаторі інвертора силового активного фільтра досягла заданого рівня і залишилася незмінною у часі. 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