Спосіб компенсації реактивної потужності

Реферат: UA 106174 C2 (12) UA 106174 C2 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для компенсації та регулювання реактивної потужності та підвищення якості електроенергії розподільних мереж. Запропоновано спосіб встановлення співвідношення ємностей ступенів батареї конденсаторів (БК) у складі компенсатора реактивної потужності, який складається з послідовно з'єднаної БК і активного компенсатора (активного фільтра). Застосування запропонованого способу компенсації реактивної потужності дозволяє підвищити економічність компенсатора реактивної потужності за рахунок зменшення кількості конденсаторів в БК та забезпечити плавне (безперервне) регулювання реактивної потужності. UA 106174 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 (STATCOM) або активних фільтрів (АФ). Відомий спосіб компенсації реактивної потужності (Dixon J., Reactive Power compensation Technologies: State-of-the-Art Review / J. Dixon, L. Moran, J. Rodriguez, R. Domke // IEEE Proc. December, 2005. - pp. 2144-2164), який полягає у підключенні паралельно навантаженню батареї конденсаторів, що перемикаються. Відмінними ознаками способу є ступінчасте управління, швидкість регулювання до одного періоду напруги мережі, відсутність генерації вищих гармонік до мережі. Недоліками способу є відсутність плавного регулювання ємності батареї конденсаторів та, при наявності в напрузі мережі вищих гармонік, можливість резонансних перевантажень конденсаторів КРП, що призводить до виходу них з ладу. Відомий спосіб компенсації реактивної потужності (Dixon J., Reactive Power compensation Technologies: State-of-the-Art Review / J. Dixon, L. Moran, J. Rodriguez, R. Domke // IEEE Proc. December, 2005. - pp. 2144-2164), який полягає у підключенні паралельно батареї конденсаторів, що перемикаються, реактору, регулювання якого відбувається за допомогою тиристорів, чим досягається плавне регулювання реактивної потужності КРП. Перевагами такого способу компенсації реактивної потужності є можливість безперервного регулювання і його висока швидкість - не більше половини періоду напруги мережі, швидке протікання перехідних процесів. Недоліки способу полягають у генерації струмів вищих гармонік тиристорно-регульованими реакторами та підвищені втрати активної потужності в КРП. Відомий спосіб компенсації реактивної потужності, згідно з яким ємності ступенів батареї конденсаторів встановлюють пропорційно цілим ступеням двійки (J. W. Dixon, Y. del Valle, M. Orchard, M. Ortuzar, L.Moran 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, № 5, October 2003, pp. 982-989). При цьому, m маючи m паралельно включених конденсаторів у батареї, можна отримати 2 ступенів регулювання реактивної потужності. Так, маючи чотири конденсатори з реактивними потужностями 1, 2, 4 та 8 кВАр, можна отримати 16 ступенів регулювання - від 0 до 15 кВАр з дискретністю 1 кВАр. До недоліків способу належить те, що при малих номерах ступенів з'являються розриви у регулювальній характеристиці КРП, що веде до погіршення точності компенсації реактивної потужності. Відомий спосіб компенсації 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, Apr.5, 2005) шляхом підключення паралельно навантаженню з'єднаних між собою активного компенсатора і батареї конденсаторів, що перемикаються. Таке рішення дозволяє позбутися генерації вищих гармонік до мережі живлення, забезпечити плавне регулювання потужності КРП та усунути можливість резонансів батареї конденсаторів з мережею. Спосіб прийнято за прототип. Недолік способу - малий діапазон безперервного регулювання потужності КРП, з-за чого регулювальна характеристика може мати розриви, що призводить до зменшення точності компенсації реактивної потужності. Усунення розривів веде до необхідності збільшення встановленої потужності активного компенсатора або до підвищення кількості ступенів батареї конденсаторів, що погіршує техніко-економічні показники способу. В основу винаходу поставлена задача удосконалити спосіб компенсації реактивної потужності, що дозволить забезпечити безперервне регулювання реактивної потужності при переключенні ступенів батареї конденсаторів, тим самим підвищити точність компенсації реактивної потужності при незмінній встановленій потужності активного компенсатора та підвищити економічність компенсатора реактивної потужності за рахунок зменшення кількості конденсаторів у складі батареї. Для рішення поставленої задачі в способі компенсації реактивної потужності, що включає підключення паралельно навантаженню з'єднаних між собою активного компенсатора і батареї конденсаторів, що перемикаються, та встановлення струму активного компенсатора рівним реактивній компоненті першої гармоніки струму навантаження зі зворотним знаком, відповідно до винаходу, співвідношення ємностей сусідніх ступенів батареї конденсаторів, що перемикаються, встановлюють згідно виразу Cn 1  U  E , де Cn 1 - ємність ступеня з номером Cn UE (n  1) , Cn - ємність ступеня з номером n , E - максимальна вихідна напруга активного компенсатора на основній частоті, U - складова напруги мережі на основній частоті. 1 UA 106174 C2 5 10 15 Запропоновані технічні рішення пояснюються кресленнями, де на Фіг. 1 показана схема заміщення КРП, на Фіг. 2 - спрощена схема заміщення КРП, на Фіг. 3 - регулювальна характеристика КРП з батареєю конденсаторів, ємності ступенів якої встановлені пропорційно цілим ступеням двійки, на Фіг. 4 - регулювальна характеристика КРП з батареєю конденсаторів, ємності ступенів якої встановлені відповідно до винаходу, Фіг. 5 - схема підключення КРП, в якому кількість конденсаторів та тиристорних ключів пасивного компенсатора дорівнює 10, згідно з першим варіантом способу компенсації реактивної потужності. ЕРС активного компенсатора e(t) формується системою керування КРП таким чином, що КРП відносно до мережі являє собою джерело струму iK(t), в спектрі якого присутня лише основна частота мережі. Виходячи з цього, подальший аналіз виконано лише по основній частоті. Нехтуючи втратами активної потужності в КРП, можна вважати, що струм КРП носить чисто реактивний характер, тому далі можна оперувати модулями (середньоквадратичними значеннями) напруги та струму. Мережевий струм КРП дорівнює IК  20 UE E XC де XC - опір батареї конденсаторів, Ом; U - складова напруги мережі на основній частоті, В; E - складова ЕРС активного компенсатора на основній частоті мережі, В. Регулювання потужності КРП виконується за рахунок дискретної зміни XC перемиканням батареї конденсаторів та плавного регулювання E . Величина реактивної потужності, що генерується КРП, з урахуванням попереднього виразу, визначається як Q  IК  (Uc  E)  25 де Uc - складова напруги на конденсаторах на основній частоті, В. З урахуванням того, що U  Uc  E , останній вираз можна представити у вигляді: Q 30 35 40 UE  (Uc  E) , XC UE U . XC ЕРС активного компенсатора встановлюється згідно виразу: E    U, де  - коефіцієнт пропорційності між напругою мережі та ЕРС активного компенсатора. З урахуванням останнього, реактивна потужність n -го ступеня обчислюється таким чином: Qn  2    f  Cn  U2  (1   ) . Коефіцієнт  може приймати значення в діапазоні  max ...0...  max  , причому максимальна реактивна потужність n -го ступеня забезпечується при від'ємному значенні коефіцієнта  , а мінімальна реактивна потужність (n  1) -го ступеня - при позитивному значенні коефіцієнта  . Від'ємний знак коефіцієнта  вказує на зміну фази ЕРС активного компенсатора на 180 електричних градусів відносно до мережевої напруги U . Для забезпечення плавного регулювання реактивної потужності потрібно виконання умови: Qn max  Q(n 1) min . Максимальна реактивна потужність n -го ступеня дорівнює: Qn max  2    f  Cn  U2  (1   max ) . Мінімальна реактивна потужність (n  1) - го ступеня дорівнює: Q(n 1) min  2    f  Cn 1  U2  (1   max ) . 45 З останніх виразів отримано співвідношення між ємностями ступенів, завдяки якому забезпечується безперервне регулювання: C n 1 U  E .  Cn UE Видно, що отриманий вираз являє собою геометричну прогресію U  E . UE Окремого розгляду потребує питання технічної реалізації батареї конденсаторів, що перемикаються. 2 UA 106174 C2 5 10 15 Очевидним є вибір кількості конденсаторів рівним необхідній кількості ступенів перемикання. Проте це призводить до погіршення техніко-економічних показників КРП через велику кількість конденсаторів та ускладнення засобів керування їхньою комутацією. При існуючих способах зменшення кількості конденсаторів при малих номерах ступенів не завжди виконується умова Qn max  Q(n 1) min , що веде до розривів у регулювальній характеристиці КРП, що проявляється в появі ненульового Q (Фіг. 3). Коли ємності ступенів батареї конденсаторів встановлюють пропорційно цілим ступеням двійки, характер розподілу реактивної потужності між ступенями буде мати вигляд, наведений на Фіг. 3. Приклад реалізації способу. Спосіб здійснюється наступним чином. Батарея конденсаторів має 10 конденсаторів (Фіг. 5) з ємностями відповідно 150 мкФ, 33 мкФ, 40 мкФ, 50 мкФ, 60 мкФ, 73 мкФ, 90 мкФ, 109 мкФ, 133 мкФ, 162 мкФ. Шляхом підключення конденсаторів в паралель за допомогою зустрічнопаралельно включених тиристорів отримано десять ступенів безперервного регулювання потужності КРП (табл. 2). Діапазон потужності КРП становить від 2,1 кВАр до 13,8 кВАр при напрузі мережі 220 В і максимальній вихідній напрузі активного компенсатора 10 % від мережевої, тобто 22 В. Таблиця 2 Конденсатор Ємність, мкФ Номер ступеня батареї конденсаторів 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 С1 150 С2 33 С3 40 С4 50 С5 60 С6 73 С7 90 С8 109 С9 133 С10 162 + + + + + + + + + + + + + + + Включені конденсатори (+) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Застосування запропонованого способу компенсації реактивної потужності дозволяє підвищити економічність компенсатора реактивної потужності за рахунок зменшення кількості конденсаторів у складі батареї та забезпечити плавне (безперервне) регулювання реактивної потужності. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Спосіб компенсації реактивної потужності, що включає підключення паралельно навантаженню з'єднаних між собою активного компенсатора і батареї конденсаторів, що перемикаються, та встановлення струму активного компенсатора рівним реактивній компоненті першої гармоніки струму навантаження зі зворотним знаком, який відрізняється тим, що співвідношення ємностей сусідніх ступенів батареї конденсаторів, що перемикаються, встановлюють згідно з виразом Cn 1 U  E  , де Cn 1 - ємність ступеня з номером (n  1) , Cn - ємність ступеня з Cn UE номером n , E - максимальна вихідна напруга активного компенсатора на основній частоті, U складова напруги мережі на основній частоті. 3 UA 106174 C2 4 UA 106174 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко 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 5