Спосіб зниження неактивної складової струму трифазної електричної мережі змінного струму споживачів з нелінійним навантаженням

Спосіб зниження неактивної складової струму трифазної електричної мережі змінного струму споживачів з нелінійним навантаженням, що полягає у контролі напруги та струму в мережі та струму навантаження, як силовий канал використовується інвертор, що підключений паралельно навантаженню, для покращення форми струму на 3 порівнюються з вимірювальними сигналами струму нелінійного навантаження, заданого і фактичного струму інвертора, і отриманий в результаті цього сигнал розузгодження подається на входи релейних регуляторів. Суттєві ознаки, що збігаються із способом, що заявляється: контролюють напругу та струм мережі в кожній фазі за допомогою відповідних датчиків; накопичуючий компенсатор підключають до мережі через інвертор, що підключений паралельно навантаженню; контролюють рівень напруги накопичуючого конденсатора; для зниження пульсацій струму інвертора встановлюють пасивний фільтр. Недоліками даного способу є: координатні перетворення не враховують приведену реактивну потужність викликану вищими гармонійними складовими струму та напруги; швидкість обробки поточних результатів завжди проводиться з затримкою на період напруги мережі, тому що визначення координатних перетворень проводиться за один період мережі. Найбільш близьким технічним рішенням до способу, що заявляється є спосіб керування кондиціонером електромережі [патент RU 2408122, H02J 3/18, H02J 1/70 27.12.2010 Бюл. №36. Способ управления кондиционером электросети. Гейтенко А.Е., Гейтенко Е.Н.] за якими як силовий канал використовують двотактний інвертор з двополярним живленням і діодами рекуперації енергії, який підключають до електромережі паралельно, перший вивід інвертора підключають до фазного провідника електромережі в точці між датчиком струму і навантаженням, інший вивід інвертора підключають до нейтралі, а між точкою з'єднання інвертора з фазним провідником і навантаженням вимірюють струм за допомогою другого датчика струму, вихідний сигнал якого випрямляють та інтегрують, потім використовують як сигнал зворотного зв'язку для множення на сигнал напруги електромережі, результат множення порівнюють з сигналом першого датчика струму і за допомогою різницевого сигналу керують широкоімпульсним модулятором, що генерує в протифазі два сигнали керування імпульсними ключами інвертора, кожен з яких комутує в навантаження напругу відповідної полярності, яка потім фільтрується за допомогою Г-подібного фільтра, що складається з дроселя і конденсатора, а максимальний вихідний струм інвертора обмежують шляхом обмеження миттєвого значення струму кожного ключа інвертора. Зазначений спосіб приймається прототипом, тому що має наступні спільні ознаки: контролюють напругу та струму в мережі та струму навантаження, як силовий канал використовується інвертор, що підключений паралельно навантаженню, для покращення форми струму на виході інвертора встановлений Г-подібний фільтр. Недоліки способу: постійна підзарядка інвертора кондиціонера електромережі, що підключається до лінії електромережі ближче до первинного джерела, ніж навантаження та датчики струму і напруги або в іншу гілку тієї ж електромережі; двотактний інвертор комутує постійну напругу стороннього джерела постійного струму; синхронізація з 65509 4 напругою в нелінійних несиметричних системах у зв'язку із викривленням кривої напруги може бути помилковою, тому додатково потрібно розраховувати першу гармоніку. В основу корисної моделі поставлена задача: мінімізація неактивної складової струму в кожній фазі електричної мережі при роботі споживачів з нелінійним, несиметричним навантаженням за рахунок управління потоком неактивної складової потужності по кожній фазі трифазним інвертором, до складу якого входять накопичувачі. Спосіб зниження неактивної складової струму трифазної електричної мережі змінного струму споживачів з нелінійним навантаженням, що полягає у контролі напруги та струму в мережі та струму навантаження, як силовий канал використовується інвертор, що підключений паралельно навантаженню, для покращення форми струму на виході інвертора встановлений Г-подібний фільтр, як інвертор використовується трифазний мостовий інвертор з індуктивним та ємнісним накопичувачами, в системі керування визначають коефіцієнт спотворення синусоїдальності кривої напруги по кожній фазі та на основі різниці між заданим та поточним значенням змінюють частоту імпульсів модуляції системи керування інвертором, визначають приведений коефіцієнт потужності по кожній фазі та на основі різниці між заданим та поточним значенням змінюють шпаруватість імпульсів модуляції системи керування інвертором, контролюють напругу конденсатора. Технічний результат досягається тим, що спосіб зниження неактивної складової струму мережі передбачає організацію потоку неактивної складової потужності по кожній фазі за рахунок формування сигналів керування трифазного інвертора з ємнісним накопичувачем. В системі керування задають параметри коефіцієнта спотворення синусоїдальності кривої напруги по фазі, коефіцієнт приведеної потужності по фазі та середнє значення напруги на конденсаторі. В системі керування передбачено попередній заряд конденсатора. Контролюють напругу мережі, струм мережі, струм навантаження та напругу на конденсаторі. За поточними значеннями напруги та струму мережі визначають коефіцієнт спотворення синусоїдальності кривої напруги. Порівнюють задане та поточне значення коефіцієнта спотворення синусоїдальності напруги, змінюють частоту імпульсів модуляції системи керування інвертора по фазі. За поточними значеннями напруги та струму мережі визначають приведений коефіцієнт потужності за результатом порівняння заданого та поточного його значень змінюють шпаруватість імпульсів модуляції системи керування інвертора по відповідній фазі. Контролюють відхилення заданого значення напруги конденсатора від поточного та вразі перевищення вимикають пристрій компенсації та видають повідомлення. Спосіб пояснюється наступними кресленнями, де на фіг. 1 - представлено алгоритм реалізації способу зниження неактивної складової струму за однією з фаз; фіг. 2 - блок схема реалізації способу, де 1 - датчики напруги мережі; 2 - датчики струму мережі, 3 - система керування, 4 - Г 5 65509 подібний фільтр, 5 - індуктивний накопичувач, 6 трифазний інвертор, 7 - ємнісний накопичувач, 8 датчик напруги, 9 - датчики струму навантаження; 10 - трифазне навантаження, 11 - нелінійне навантаження, 12 - однофазне навантаження. Спосіб реалізується наступним чином. Система електропостачання, що розглядається (фіг. 2), має в своєму складі джерело електричної енергії змінного струму (або інше джерело) електрорушійної сили (е.р.с.) Еф з активною та реактивною складовими внутрішнього опору Rвн та Хвн, повна потужність якого співмірна з сумарною повною потужністю усіх споживачів Sсум. При цьому в системі (фіг. 1) в початковий момент роботи задаються: значенням приведених коефіцієнтів потужності k зад, k зад, k зад мережі ПА ПВ ПС по кожній фазі, коефіцієнтів спотворення синусоїдальності напруги зад зад зад K uА , K uВ , K uС по кожній фазі та середнє зназад UкС(сер ) чення напруги на конденсаторі . В електричній мережі перед пристроєм компенсації, вимірюють напругу UА, UB, UC в кожній фазі, струм мережі ІА, ІВ, ІС в кожній фазі, контролюють струм навантаження у споживачів ІнА, IнВ, ІнС в кожній фазі, вимірюють напругу на конденсаторі UкС, компенсатора. Розраховують струм компенсатора ІкА, IкВ, ІкС. Вимірювання проводиться дискретно в i-й момент з часом дискретизації Тд, який обирається з діапазону 1…100 мкс. Час вимірювань Т обирається рівним 0,02 с. В результаті вимірювань отримують масив із N значень за кожним параметром з . . . кутовим кроком  = 2  50 Тд. Для знаходження коефіцієнта спотворення напруги мережі по кожній фазі та коефіцієнта приведеної потужності, на підставі отриманих значень напруги UAi, UBi, UCi та струму ІАi, ІВі, ІСі мережі по кожній фазі та відповідно до алгоритму швидкого перетворення Фур'є, визначають гармонійні складові параметрів, загальна кількість яких k по кожній фазі відповідно до ГОСТ 13109-97 дорівнює 40: синусні складові напруги та струму по кожній фазі: AUAk  2 N 2 N   UAi  sin(k  i  ); AIAk    IAi  sin(k  i  ); N i 0 N i0 AUBk  2 N 2 N   UBi  sin(k  i  ); AIBk    IBi  sin(k  i  ); (2) N i0 N i 0 AUCk  6 За отриманими складовими напруги та струму знаходяться амплітуди напруги MUAk, MUBk, MUCk та струму МІАk, МІBk, МІСk k-і гармоніки по кожній фазі: MUAk AU2  BU2 ; MIAk AI2  BI2 ; Ak Ak Ak Ak (7) 2 2 2 2 MUBk AUBk  BUBk ; MIBk AIBk  BIBk ; (8) 2 2 2 2 MUCk AUCk  BUCk ; MICk AICk  BICk ; (9) UAk , UBk , UCk та фазовий кут напруги та IAk , IBk , ICk струму k-і гармоніки по кожній фазі. AUAk AI UAk  arctg ; IAk  arctg Ak ; (10) BUAk BIAk UBk  arctg AUBk AI ; IBk  arctg Bk ; BUBk BIBk (11) UCk  arctg AUCk AI ; ICk  arctg Ck . BUCk BICk (12) Із складових значень фазового кута напруги UAk , UBk , UCk по кожній фазі та фазового кута IAk , IBk , ICk струму по кожній фазі знаходиться різниця по кожній гармоніці: Ak  UAk  IAk ; (13) Bk  UBk  IBk ; Ck  UCk  ICk . (15) Розраховуються поточні значення коефіцієнта спотворення синусоїдальності напруги – величина, рівна відношенню вищих гармонік напруги до значення першої гармоніки по кожній фазі: 40  (MU kA K UA  (1) (4) BUBk  2 N 2 N   UBi  cos( k  i  ); BIBk    IBi  cos( k  i  ); N i0 N i0 (5) BUCk  2 N 2 N   UCi  cos( k  i  ); BICk    ICi  cos( k  i  ); N i0 N i0 (6)  100; MU1A (16) 40  (MU kB ) K UB  косинусні складові напруги та струму по кожній фазі: 2 N 2 N   UAi  cos( k  i  ); BIAk    IAi  cos( k  i  ); N i0 N i0 )2 k 2 k 2 2  100; MU1B 2 N 2 N   UCi  sin(k  i  ); AICk    ICi  sin(k  i  ); (3) N i 0 N i0 BUAk  (14) (17) 40  (MU kC ) K UC  k 2 2  100. (18) MU1C Розраховані значення коефіцієнта спотворення синусоїдальності напруги порівнюють із заданими значеннями по кожній фазі: зад K UA  K UA ? (19) 7 65509 зад K UA  K UA ? (20) зад K UA  K UA ? (21) . На підставі результату порівняння змінюють частоту модуляції системи керування трифазного інвертора за відповідною фазою. Приведена реактивна потужність визначається відповідно до виразу: 1 k QПА  1 k QПB  1 k QПC  40  k  MUkA  MIkA  sin( kA ) (22) k 0 40  k  MU kB  MIkB  sin( kB ) (23) k 0 40  k  MU  MIkC  sin( kC ) (24) . Активна потужність визначається відповідно до виразу: PА  PB  PC  1 N kC k 0 N  MU Ai  MIAi i0 (25) N 1 N  MU 1 N  MU Bi  MIBi (26) i0 N  MICi (27) . Розрахунок приведеного коефіцієнта потужності проводиться на основі приведеної реактивної потужності та споживаної активної потужності відповідно до виразу: QПА k ПА  (28) 2 2 PA  QПА k ПB  k ПC  Ci i0 QПB 2 PB 2  QПB (29) QПC (30) . Розраховані значення коефіцієнта приведеної потужності порівнюються із заданими значеннями по кожній фазі: 2 PC 2  QПC зад k ПA  k ПA ? (31) зад k ПВ  k ПВ ? (32) k ПС  зад k ПС ? (33) . На підставі результату порівняння змінюють шпаруватість імпульсів модуляції системи керування трифазного інвертора за відповідною фазою. 8 Для захисту режиму роботи пристрою компенсації від аварійних режимів роботи пристрою компенсації контролюють середнє значення напруги на конденсаторі, що підключений до катодноанодної групи трифазного інвертора напруги: 1 N UкС  N U кСi; (34) i0 Якщо поточне значення напруги на конденсазад UкС  1,1  UкС( сер ) торі не відповідає вимозі , відбувається відключення системи компенсації та видача попереджувального сигналу. Споживачі представлені на фіг. 2 (стрілки відображають напрямок передачі потужності): лінійним навантаженням, що споживає активну Рн та реактивну QH потужність; нелінійним трифазним навантаженням, що споживає активну Р3н, реактивну Q3н; однофазні лінійні навантаження, що споживають активну Рхф реактивну Q1ф потужності; компенсуючим пристроєм - джерелом вторинного електропостачання з компенсацією неактивної потужності в живильній мережі, що споживає активну Рк та генерує приведену реактивну QПк потужності. Застосування способу призводить до зміни режиму роботи електроенергетичної системи (фіг. 2). Сумарний струм, що споживається системою I , та втрати активної Р потужності в точці приєднання пристрою зниження неактивної складової струму при роботі усіх споживачів, при умові, що існує джерело з компенсацією спотворень в живильній мережі, споживає тільки активну потужність, тобто QПк = 0: I  S сум Uм  (Pл  P3н  Pн  Pк  P1ф )2  (Qн  Q 3н  Q1ф )2 Uм (35) ; P  I2  (Rвн  Rвн )  (Rвн  Rвн )    (Pл  P3н  Pн  Pк  P1ф )2  (Qн  Q3н  Q1ф )2   2 Uм    . (36)    За умов використання способу, сумарний I струм, що споживається  , та втрати активної Р потужності в точці загального приєднання при роботі усіх споживачів, при умові, що джерело вторинного електропостачання з компенсацією в трифазній мережі змінного струму споживає активну потужність, а в мережу генерується приведена реактивна потужність QПк < 0, отримаємо: I  S сум Uм  (Pл  P3н  Pн  Pк  P1ф )2  (Qн  Q 3н  Q1ф  QПк )2 Uм ; (37) P  I2  (Rвн  Rвн )  (Rвн  Rвн )    (Pл  P3н  Pн  Pк  P1ф )2  (Qн  Q3н  Q1ф  QПк )2   2 Uм    .    (38) Таким чином із виразів (36) і (38) випливає, що в результаті роботи способу зниження неактивної складової струму в мережі компенсують реактивну 9 потужність та потужність спотворення та забезпечують позитивний ефект: - зменшити втрати активної потужності в системі електропостачання; 65509 10 - компенсація неактивної (приведеної реактивної потужності) складової повної потужності; - поліпшити показники якості електроенергії, в частині коефіцієнта спотворення синусоїдальності напруги. 11 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 65509 Підписне 12 Тираж 23 прим. 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