Спосіб керування паралельним активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі

Реферат: Спосіб керування паралельним активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі, при якому вектор миттєвих значень струмів трифазного джерела формують пропорційним різниці вектора миттєвих значень фазних напруг та його складової нульової послідовності, а коефіцієнт пропорційності визначають з умови відсутності споживання енергії паралельним активним фільтром. Вказану різницю формують з частковим послабленням складової нульової послідовності. Коефіцієнт послаблення вибирають з урахуванням параметрів силового кабелю чотирипровідної трифазної мережі. UA 84949 U (54) СПОСІБ КЕРУВАННЯ ПАРАЛЕЛЬНИМ АКТИВНИМ ФІЛЬТРОМ ЧОТИРИПРОВІДНОЇ ТРИФАЗНОЇ МЕРЕЖІ UA 84949 U UA 84949 U 5 10 Корисна модель належить до способів керування паралельним активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі і може бути використана в системах керування такими фільтрами для мінімізації втрат енергії в силовому кабелі в умовах нелінійних навантажень та несиметрії фазних напруг джерела живлення. Відомий спосіб керування паралельним активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі [1], при якому вектор миттєвих значень струмів трифазного джерела формують пропорційним вектору миттєвих значень фазних напруг, а коефіцієнт пропорційності визначають з умови відсутності споживання енергії паралельним активним фільтром. При такому керуванні максимально компенсується миттєвий реактивний струм у кожному фазному проводі силового кабелю трифазної мережі. Схема, що реалізує зазначений спосіб, містить силову частину паралельного активного фільтра, під'єднану до мережі паралельно навантаженням, та систему керування, що забезпечує формування струмів трифазного джерела відповідно до виразу: (1) iД  iН  iФ  Gv v де i Д  ia Д 15 T ib Д ic Д T - вектор миттєвих значень струмів трифазного джерела, - знак транспонування; T a b c iН  iН iН iН - вектор миттєвих значень струмів навантаження; iФ  ia Ф ib Ф ic Ф v  a b c Gv  20 P V2 T T - вектор миттєвих значень струмів паралельного активного фільтра; - вектор миттєвих значень фазних напруг; - коефіцієнт пропорційності, який визначають з умови відсутності споживання енергії паралельним активним фільтром; P   1T T 1T aa bb cc  v iНdt  T   iН   iН   iН dt T0 0 - активна T потужність навантаження, T - період напруги мережі; V 2  1  v T vdt . T0 25 30 35 До недоліків даного способу можна віднести протікання струму в нейтральному проводі за наявності складової нульової послідовності в векторі миттєвих значень фазних напруг, що призводить до додаткових втрат енергії в силовому кабелі мережі живлення. Найбільш близьким до винаходу за технічною суттю є спосіб керування паралельним активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі [2], при якому вектор миттєвих значень струмів трифазного джерела формують пропорційним різниці вектора миттєвих значень фазних напруг та складової нульової послідовності цього вектора, а коефіцієнт пропорційності визначають з умови відсутності споживання енергії паралельним активним фільтром. При такому способі керування струм в нейтральному проводі відсутній навіть за наявності складової нульової послідовності в векторі миттєвих значень фазних напруг, а загальні втрати енергії в силовому чотирипровідному кабелі менші в порівнянні з втратами при керуванні за способом, запропонованим в [1]. Схема, що реалізує зазначений спосіб, аналогічно містить силову частину паралельного активного фільтра, під'єднану до мережі паралельно з навантаженням, та систему керування, що забезпечує формування струмів трифазного джерела відповідно виразу: iД  iН  iФ  Guu (2) де u  v  v 0 - вектор миттєвих значень фазних напруг, без складової нульової послідовності; v0  40 a  b  c - складова нульової послідовності вектора миттєвих значень фазних j 3 напруг, j  1 1 1 T ; 1 UA 84949 U Gu  P U2 - коефіцієнт пропорційності, який визначають з умови відсутності споживання T енергії паралельним активним фільтром, U2  1  uT udt . T0 5 10 15 20 25 30 До недоліків прототипу можна віднести підвищені втрати енергії в силовому кабелі чотирипровідної трифазної мережі та обмежені функціональні можливості паралельного активного фільтра, керованого у такий спосіб, пов'язані з неможливістю адаптації до змін параметрів силового чотирипровідного кабелю, що не дозволяє мінімізувати втрати енергії в ньому. Задачею запропонованої корисної моделі є удосконалення способу керування паралельним активним фільтром з метою формування вектора миттєвих значень струмів трифазного джерела пропорційним різниці вектора миттєвих значень фазних напруг та його частково послабленої складової нульової послідовності, причому коефіцієнт послаблення вибирають з урахуванням параметрів силового кабелю чотирипровідної трифазної мережі, що призводить до нового технічного результату - мінімізації втрат енергії в силовому кабелі трифазної чотирипровідної мережі та підвищення функціональних можливостей шляхом адаптації керування фільтром до змін параметрів силового чотирипровідного кабелю. Поставлена задача вирішується тим, що в способі керування паралельним активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі, при якому вектор миттєвих значень струмів трифазного джерела формують пропорційним різниці вектора миттєвих значень фазних напруг та його складової нульової послідовності, а коефіцієнт пропорційності визначають з умови відсутності споживання енергії паралельним активним фільтром, вказану різницю формують з частковим послабленням складової нульової послідовності, причому коефіцієнт послаблення вибирають з урахуванням параметрів силового кабелю чотирипровідної трифазної мережі. При невідомій марці силового кабелю кожну з координат частково послабленої складової нульової послідовності формують як четверту частину суми миттєвих значень фазних напруг. Вектор фазної напруги з частковим послабленням складової нульової послідовності задається виразом: (3) v   v  v0  u  1 v0 де  - скалярний коефіцієнт послаблення складової нульової послідовності вектора миттєвої фазної напруги, що лежить в межах 0    1 . Спосіб керування паралельним активним фільтром, що пропонується, передбачає формування системою керування вектора миттєвих струмів трифазного джерела пропорційним вектору v  , тобто: iД  iН  iФ  Gv  (4) причому значення коефіцієнта пропорційності знаходиться з умови відсутності споживання енергії активним фільтром: 1T T 1T v iФ dt   v T iН  i Д dt  0 .  T0 T0  35  T З урахуванням ортогональності складових вектора v  , тобто 1  uT v 0 dt  0 , вираз для T0 коефіцієнта пропорційності набуває вигляду G  1 T 1 T T  v i dt T Н 0 T  v v dt T 0  P  1 T T  u  v   u  1  v 0 dt T 0 P U2  1   V02 (5) 0 T де V0 2  1  v 0 T v 0 dt  V 2  U2 . T0 40 В запропонованому способі керування паралельним активним фільтром за формулою (4) при   0; v   v; G  Gv отримуємо відомий спосіб керування [1], коли вектор струму джерела пропорційний вектору миттєвих значень фазних напруг; при   1 v   u; G  Gu отримуємо ; відомий спосіб керування [2], коли вектор струму джерела пропорційний вектору миттєвих 2 UA 84949 U 5 значень фазних напруг, позбавленому складової нульової послідовності. Отже, спосіб керування з використанням вектора миттєвих значень фазних напруг з частковим послабленням складової нульової послідовності можна розглядати як узагальнення відомих способів керування, кожен з яких можна отримати з запропонованого при крайніх значеннях параметра  . Визначимо оптимальне значення параметра  , при якому потужність втрат в силовому кабелі мінімальна. Миттєве значення потужності втрат в силовому кабелі:    i   i  r  i  i  i  r  i i r  i j r  v v r  G v j r  G u u  1    v v r  G 1   v j r  pr   ia Д  2 T   2 T b 2 Д c 2 Д  G2   2 2 T n  2 T v 0 v 0 r  3rn  T  0 G 2r T pr dt   T T Д Д 2   G  Д T 2 n T 0  0 2 r u u  1    v 0 v 0r 2 2 T T , T 2 0 1 n   u u  1  v  T 2 T T 0 v 0r 1 dt  0   U  1 V  P2r U2  1  2 V02r 1 2 22 (6) 0 Дослідження виразу (6) на екстремум за  дає оптимальне значення коефіцієнта послаблення складової нульової послідовності за критерієм мінімізації потужності втрат в силовому кабелі: 0  1 r  1 r / 3rn  r   3rn / 3rn  r   rn / rn  r / 3 (7) При цьому значенні коефіцієнта послаблення середня потужність втрат в кабелі набуває мінімального значення: PrMIN  20 c 2 Д n де r - активний опір кожного з фазних проводів кабелю, rn - активний опір нейтралі, r  r / 3rn  r  - параметр кабелю, що характеризує співвідношення між активними опорами фазних проводів та нейтралі. Середня потужність втрат в кабелі: 1 Pr  T 15 b Д T 2  G ru u  G 1    10 a Д  U P2r U2  1   2 V02r 1 2  1   V0  22  P2r U2  r V02 (8) Аналіз виразу (7) показує, що оптимальне значення коефіцієнта послаблення  0 визначається лише співвідношенням активних опорів фазних проводів та нейтралі, тобто для кожної марки чотирипровідного силового кабелю трифазної мережі існує своє оптимальне значення 0  1 r , що забезпечує мінімальну потужність втрат в цьому кабелі. Крім цього,при будь-яких співвідношеннях між r та rn спосіб керування при частковому послабленні складової нульової послідовності дає переваги за потужністю втрат у порівнянні зі способами керування як при повному збереженні складової нульової послідовності   0 , так і при повному її 25 30 видаленні   1 . Таким чином, при відомій марці силового кабелю, для мінімізації втрат в ньому коефіцієнт послаблення складової нульової послідовності вибирається рівним 0  rn / rn  r / 3 , де r - активний опір кожного з фазних проводів кабелю, rn - активний опір нейтралі. При невідомій марці кабелю, коли неможливо точно встановити величину r , доцільно прийняти   0.75 , що відповідає мінімізації втрат для найпоширенішого випадку r  rn . Тоді, 0 відповідно до формул (3) та (2): v   v   v0  v  0.75 0 0 a  b  c a  b  c jv j 3 4 (9) тобто значення кожної координати частково послабленої складової нульової послідовності 35 40 дорівнює a  b  c / 4 . Отже, при невідомій марці силового кабелю кожну з координат частково послабленої складової нульової послідовності формують як четверту частину суми миттєвих значень фазних напруг. Таким чином, сукупність суттєвих ознак способу керування паралельним активним фільтром, що заявляються, є необхідною і достатньою для отримання технічного результату, який досягається корисною моделлю, а саме - за рахунок формування вектора миттєвих значень струмів трифазного джерела пропорційним вектору миттєвих значень фазних напруг з частково послабленою складовою нульової послідовності відповідно до параметрів силового кабелю чотирипровідної трифазної мережі в ньому мінімізуються втрати енергії, причому ця мінімізація адаптована до змін параметрів кабелю. Крім цього, при реалізації даного способу 3 UA 84949 U 5 10 15 керування паралельний активний фільтр виконує всі притаманні йому функції: компенсує реактивну складову потужності, забезпечує балансування навантаження, покращує форму струму, споживаного з мережі. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 зображено функціональну схему системи живлення нелінійного навантаження від чотирипровідної трифазної мережі із застосуванням паралельного активного фільтра, що реалізує запропонований спосіб керування. Трифазне джерело 1 через чотирипровідний кабель 2 з'єднане з навантаженням 3. Паралельний активний фільтр чотирипровідної трифазної мережі складається з силової частини 4, під'єднаної паралельно з навантаженням 3, та системи керування. Остання містить вимірювачі миттєвих значень фазних напруг 5 та струмів навантаження 6, формувач 7 різниці вектора миттєвих значень фазних напруг та його частково послабленої складової нульової послідовності із зовнішнім входом установки величини коефіцієнта послаблення  , формувач 8 коефіцієнта пропорційності, величина якого забезпечує відсутність споживання енергії паралельним активним фільтром, помножувач 9 та блок 10 векторного віднімання. На фіг. 2 представлені графіки залежності відносної потужності втрат від коефіцієнта послаблення складової нульової послідовності за формулою (6) при різних співвідношеннях між опорами фазових проводів та нейтралі r  0.13r  rn ,0.25r  rn ,0.5r  3rn  і двох значеннях інтегральної несиметрії фазних напруг джерела живлення   V0 2 / U2 ,   0,1 фіг. 2а; і   0,2 20 - фіг. 2b. Вираз Pr U2 / P2r , що характеризує відносну потужність втрат в кабелі, отримано із 2 25 формули (6) виносом за дужки значення U . Проведене комп'ютерне моделювання показало наявність мінімумів менших за одиницю, що підтверджує зменшення потужності втрат в кабелі при запропонованому способі керування. Розглянемо суть запропонованої корисної моделі. Перед початком роботи до блока формувача 7 вводять необхідний коефіцієнт послаблення складової нульової послідовності   0  rn / rn  r / 3 , якщо марка силового кабелю відома, і величину     0.75 , якщо марка 0 силового кабелю невідома. Вимірювачі 5 та 6 формують на своїх виходах вектори миттєвих значень фазних напруг та струмів навантаження v та iН відповідно. Формувач 7 обчислює миттєве значення вектора v  відповідно до формули (3). Формувач 8 обчислює величину 30 коефіцієнта пропорційності G за формулою (5). На виході помножувача 9 формується i розрахунковий вектор миттєвих значень струмів джерела Д відповідно до формули (4). З виходу блока 10, що виконує векторну операцію iФ  iН  i Д , сформовані сигнали подаються на 35 40 45 керуючі входи силової частини 4 для реалізації миттєвих значень струмів активного фільтра. Таким чином, у порівнянні з прототипом, формування вектора миттєвих значень струмів трифазного джерела пропорційним вектору миттєвих значень фазних напруг з частково послабленою складовою нульової послідовності відповідно до параметрів чотирипровідної трифазної мережі дозволяє досягнути нового технічного результату - мінімізації втрат енергії в силовому кабелі трифазної чотирипровідної мережі та підвищення функціональних можливостей шляхом адаптації керування фільтром до змін параметрів силового чотирипровідного кабелю. Джерела інформації: 1) F. Z. Peng, and J. S. Lai, "Generalized instantaneous reactive power theory of three-phase power systems, " IEEE Trans. Instrum. Meas., - Feb. 1996. - Vol. 45, no. 1, P.293-297. 2) J. С Montano, P. Salmeron, and J. P. Thomas, "Analysis of power losses for instantaneous compensation of three-phase four-wire systems, " IEEE Trans. Power Electron. - Vol. 20. - no. 4, P. 901-907, July 2005. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 1. Спосіб керування паралельним активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі, при якому вектор миттєвих значень струмів трифазного джерела формують пропорційним різниці вектора миттєвих значень фазних напруг та його складової нульової послідовності, а коефіцієнт пропорційності визначають з умови відсутності споживання енергії паралельним активним фільтром, який відрізняється тим, що вказану різницю формують з частковим послабленням 4 UA 84949 U складової нульової послідовності, причому коефіцієнт послаблення вибирають з урахуванням параметрів силового кабелю чотирипровідної трифазної мережі. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при відомій марці силового кабелю коефіцієнт послаблення складової нульової послідовності вибирається рівним 0  rn / rn  r / 3 , де r 5 активний опір кожного з фазних проводів кабелю, rn - активний опір нейтралі. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при невідомій марці силового кабелю кожну з координат частково послабленої складової нульової послідовності формують як четверту частину суми миттєвих значень фазних напруг. 5 UA 84949 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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 6