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 вектору миттєвих значень фазних напруг з частково послабленою складовою нульової послідовності. Коефіцієнт пропорційності визначають з умови рівності нулю активної потужності на затискачах паралельного активного фільтра. Здійснюють вибір однієї з декількох стратегій керування шляхом комутації вхідних або вихідних величин зазначених осереднювачів з входами зазначеного дільника, а також шляхом дискретної зміни величини коефіцієнта послаблення складової нульової послідовності вектора миттєвих значень фазних напруг. UA 90730 U (54) СПОСІБ КЕРУВАННЯ ПАРАЛЕЛЬНИМ АКТИВНИМ ФІЛЬТРОМ ЧОТИРИПРОВІДНОЇ ТРИФАЗНОЇ МЕРЕЖІ UA 90730 U UA 90730 U 5 10 15 Корисна модель належить до електротехніки та електроенергетики, а саме до способів компенсації вищих гармонік в чотирипровідних трифазних мережах та корекції коефіцієнта потужності. Спосіб може бути використаний в системах електропостачання промислових підприємств з великою кількістю нелінійних навантажень, що генерують в мережу вищі гармоніки струму і напруги, для приведення у відповідність з вимогами нормативної документації величини коефіцієнта нелінійних спотворень синусоїдної напруги мережі, зменшення споживаної електроенергії, а також 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. Даний спосіб керування шляхом впливу на струми фільтра формує струми трифазного джерела відповідно до виразу: i Д  iН  iФ  G V v , де 20 i Д  ia Д ib Д ic Д (1) Т вектор a b c транспонування; iН  iН iН iН Т миттєвих струмів трифазного - вектор миттєвих струмів навантаження; iФ  ia Ф вектор миттєвих струмів паралельного активного фільтра; v   a 25 b c Т Т ib Ф знак ic Ф Т - вектор миттєвих значень фазних напруг. Коефіцієнт пропорційності GV визначають з умови відсутності споживання енергії паралельним активним фільтром трьома різними способами, що зумовлюють три різні стратегії керування G V1  p , 2 (2) GV 2  P , 2 (3) GV3  30 джерела, P , V2 (4) a b c де p  v ТiН   aiН   biН   c iН - миттєва потужність навантаження, P  1T  pdt - активна T0 потужність навантаження, T - період мережної напруги;       35 40 2 2 2 1T 1T  2  v T v   a   b   c , V 2   v T vdt    2 dt . T0 T0 Перша стратегія за формулою (2) забезпечує нульову миттєву потужність активного фільтра [1], друга (3) - сталу величину миттєвої потужності, споживаної від джерела [2], третя (4) мінімально можливе середньоквадратичне значення споживаного струму [3], а, отже, і мінімальне значення споживаної електроенергії для даного навантаження. 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. Відомий 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 його складової нульової 1 UA 90730 U послідовності, а коефіцієнт пропорційності визначають з умови відсутності споживання енергії паралельним активним фільтром. Система керування формує струми трифазного джерела відповідно виразу: i Д  iН  iФ  GUu , (5) 5 де u  v  v 0 - вектор миттєвих значень фазних напруг, позбавлений складової нульової a b c послідовності; v 0       j - складова нульової послідовності вектора миттєвих значень 3 10 фазних напруг, j  1 1 1 T . Коефіцієнт пропорційності GU визначають з умови відсутності споживання енергії паралельним активним фільтром трьома різними способами [2, 3], що зумовлюють наступні три різновиди стратегій керування GU1  p , u2 (6) GU2  P , u2 (7) GU3  P , U2 (8) 15 де u 2  u Т u , U2  20 25 1T Т  u udt . T0 Стратегія за формулою (6) забезпечує нульову миттєву потужність активного фільтра та нульовий миттєвий струм нейтралі, стратегія (7) - сталу величину миттєвої потужності, споживаної від джерела та нульовий миттєвий струм нейтралі, стратегія (8) - мінімально можливе середньоквадратичне значення споживаного струму при нульовому миттєвому струмі нейтралі. До недоліків даного способу можна віднести підвищені втрати енергії в силовому кабелі чотирипровідної трифазної мережі, оскільки з вектора опорної напруги і повністю виключається складова нульової послідовності, яка створює частину активної потужності в навантаженні. Для забезпечення останньої збільшуються струми фазних проводів силового чотирипровідного кабелю, що не дозволяє мінімізувати втрати енергії в ньому. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як найближчий аналог, є спосіб керування паралельним активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі [4], в якому вектор миттєвих значень струмів трифазного джерела формують пропорційним вектору миттєвих значень фазних напруг з частково послабленою складовою нульової послідовності, 30 i Д  iН  iФ  G v  , 35 де v   v  v 0  u  1  v 0 ,  - скалярний коефіцієнт послаблення складової нульової послідовності вектора миттєвих значень фазних напруг, що лежить в межах 0    1, причому оптимальне значення цього коефіцієнта за критерієм мінімізації потужності втрат в силовому кабелі визначається співвідношенням питомих активний опорів кожного з фазних проводів силового кабелю трифазної мережі r та rn : 0  rn / rn  r / 3 , 40 (9) (10) Коефіцієнт пропорційності G визначають з умови рівності нулю активної потужності на затискачах паралельного активного фільтра шляхом ділення осередненої за період мережної напруги значення миттєвої потужності навантаження на так само осереднене значення скалярного добутку вектора миттєвих значень фазних напруг на вектор миттєвих значень фазних напруг з частково послабленою складовою нульової послідовності 2 UA 90730 U G  5 1T Т  v iНdt T0 T 1 Т  v v  dt T0  P T 1 Т  u  v 0  u  1  v 0 dt T0  P U  1  V0 2 2 , (11) До недоліків найближчого аналога можна віднести обмежену функціональну можливість паралельного активного фільтра, керованого у такий спосіб, через неможливість мінімізувати втрати енергії чотирипровідного кабелю за таких додаткових умов:   - нульової миттєвої потужності паралельного активного фільтра pф  v Tiф  0 ; 10 15 20 25 30 35 40 величиною є добуток миттєвих значень векторів 45   - сталості величини миттєвої потужності, споживаної від джерела p Д  v T i Д  P  const . Обмежені функціональні можливості найближчого аналога проявляються також у неможливості реалізації стратегій керування зазначених аналогів, які, хоча і не мінімізують втрати енергії в кабелі, реалізують інші корисні властивості, зокрема, мінімізації споживаної електроенергії. Задачею корисної моделі є удосконалення способу керування паралельним активним фільтром з метою здійснення вибору однієї з декількох стратегій керування шляхом комутації вхідних або вихідних величин зазначених осереднювачів з входами зазначеного дільника, а також шляхом дискретної зміни величини коефіцієнта послаблення складової нульової послідовності вектора миттєвих значень фазних напруг, що приводить до створення універсального способу керування активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі, в якому в залежності від конкретних умов застосування обирається стратегія, оптимальна за певним показником якості. Поставлена задача вирішується тим, що в способі керування паралельним активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі, при якому вектор миттєвих значень струмів трифазного джерела формують пропорційним вектору миттєвих значень фазних напруг з частково послабленою складовою нульової послідовності, а коефіцієнт пропорційності визначають з умови рівності нулю активної потужності на затискачах паралельного активного фільтра шляхом ділення осередненої за період мережної напруги значення миттєвої потужності навантаження на так само осереднене значення скалярного добутку вектора миттєвих значень фазних напруг на вектор миттєвих значень фазних напруг з частково послабленою складовою нульової послідовності, згідно з корисною моделлю, здійснюють вибір однієї з декількох стратегій керування шляхом комутації вхідних або вихідних величин зазначених осереднювачів з входами зазначеного дільника, а також шляхом дискретної зміни величини коефіцієнта послаблення складової нульової послідовності вектора миттєвих значеньфазних напруг. Згідно з корисною моделлю, підключенні на вхід дільника вихідної величини осередненої потужності на інший вхід дільника може підключатися як вхідна, так і вихідна величини осередненого добутку напруг, а при підключенні на вхід дільника вхідної величини осередненої потужності на інший вхід дільника може підключатися лише вхідна величина осередненого добутку зазначених напруг. Згідно з корисною моделлю, значення величини коефіцієнта послаблення складової нульової послідовності вектора миттєвих значень фазних напруг вибираються для дискретної зміни з чисел 0; 0 ;1 . Оскільки вхідною величиною осереднювача потужності є миттєва потужність навантаження , вихідною - активна потужність навантаження P , а для осереднювача напруг вхідною p v T v  , вихідною - середнє значення зазначеного добутку U2  1   V0 2 , то при комбінаторному переборі станів ключів, що здійснюють комутацію цих величин з входами дільника та   0 , на його виході отримаємо чотири варіанти коефіцієнтів пропорційності: G1  P U  1  0 V0 2 2 , (12) 3 UA 90730 U G 2  G3  G4  5 p T  v v P T v v  p u  1  0  0 2 , (13) P , (14) 2 u  1  0  0 2 2 p U  1   0 V0 2 2 , (15) Значення першого коефіцієнта G1 реалізоване в найближчому аналогу, при цьому мінімізується потужності втрат в силовому кабелі [4]. При другому значенні коефіцієнта G2 маємо нульову миттєву потужність активного фільтра, оскільки   p Ф  v T iФ  v T iН  i Д  v T iН  v T G 2 v   p  p  0 , 10 (16) і компенсація неактивних складових потужності навантаження може здійснюватись активним фільтром без накопичувального реактивного елемента, що зменшує його масу та габарити. Величина третього коефіцієнта забезпечує сталу величину споживаної від мережі потужності навіть при несиметричних фазних напругах та нелінійному навантаженні, оскільки p Д  v T i Д  v T G 3 v   P  const , (17) 15 20 Це виключає пульсації миттєвої потужності, які погіршують умови роботи електрообладнання, ведуть до непродуктивного завантаження ліній електропередач та електрообладнання, знижуючи ефективність їх використання. Всі три розглянуті коефіцієнти забезпечують рівність нулю активної потужності на затискачах паралельного активного фільтра, оскільки активна потужність трифазного джерела дорівнює активній потужності навантаження: PД  25 35 40 (18) Четверте значення коефіцієнта пропорційності останню умову не забезпечує, оскільки при несиметричних фазних напругах PД  30 1T T  v i Д dt  P , T0 T 1T Т 1T Т p 1 v  dt  v Т v pdt  P ,  v i Д dt  T  v 2 2 2  2 T0 U  1   V0 T U  1   V0 0 0   (19) тому комбінація станів ключів, коли до дільника підключається вхід осереднювача потужності та вихід осереднювача напруг має бути виключено. Спосіб керування, що використовує вектор миттєвих значень фазних напруг з частковим послабленням складової нульової послідовності та комутацію з входами дільника вхідних та вихідних величин зазначених осереднювачів можна розглядати як узагальнення розглянутих відомих способів керування при різних значеннях параметра  . Так при   0; v   v;G  Gv та зазначеній комутації реалізуються стратегії (2), (3). (4), а при   1 v   u;G  Gu - стратегії (6), ; (7).(8). При   0 та комутації до входів дільника вихідних величин зазначених осереднювачів реалізується відома стратегія (12), а при комутації до входів дільника різних величин зазначених осереднювачів реалізуються нові стратегії (13), (14) з відзначеними позитивними властивостями. Таким чином, сукупність суттєвих ознак способу керування паралельним активним фільтром, що заявляються, є необхідною і достатньою для отримання технічного результату, який забезпечується корисною моделлю, а саме - за рахунок здійснення вибору однієї з 4 UA 90730 U 5 10 15 20 25 декількох стратегій керування шляхом комутації вхідних або вихідних величин зазначених осереднювачів з входами зазначеного дільника, а також шляхом дискретної зміни величини коефіцієнта послаблення складової нульової послідовності вектора миттєвих значень фазних напруг створюється універсальний спосіб управління активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі, в якому в залежності від конкретних умов застосування вибирається стратегія, оптимальна за певним показником якості. Крім того, при реалізації даного способу керування паралельний активний фільтр виконує всі притаманні йому функції: компенсує реактивну складову потужності, забезпечує балансування навантаження, покращує форму струму, споживаного з мережі. На кресленні зображено функціональну схему системи живлення нелінійного навантаження від чотирипровідної трифазної мережі із застосуванням паралельного активного фільтра, що реалізовує 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 навантаженню 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  , блоки 8 та 9 скалярного множення векторів, осереднювачі миттєвих значень 10 та 11, двопозиційні ключі 12 та 13, дільник 14, величина частки на виході якого виключає споживання активної потужності паралельним активним фільтром, блок 15 вибору стратегії керування, який управляє ключами 12, 13 та величиною коефіцієнта послаблення  , помножувач вектора на скаляр 16 та блок 17 векторного віднімання. Суть запропонованого способу наступна. В залежності від станів двопозиційних ключів 12 та 13 та вибору значення коефіцієнта послаблення складової нульової послідовності вектора миттєвих значень фазних напруг  система керування може реалізувати 9 стратегій формування вектора струмів трифазного джерела, наведених в табл. 1. Літерою В позначене верхнє за схемою положення двопозиційного ключа, літерою Н - нижнє. Таблиця 1 Положення ключів 12Н 13Н 12Н 13В 12В 13В Значення коефіцієнта    0 0 p 2  P 2 P V 2 p v u  1   0  0 v u  1   0  0 2 v U  1   0 V0 2 2 2 P 2 P 2 v v v  1 p u2 P u2 P U2 u u u 30 Перед початком роботи в блоці 15 вибирають необхідну стратегію керування в залежності від конкретних умов застосування, при цьому визначається стан ключів 12, 13 та величина коефіцієнта  . 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 35 40 45 вектора v  . Блоки 8 та 9 формують миттєві значення величин миттєвої потужності p та скалярного добутку векторів v Т v  , блоки 10 та 11 осереднюють ці значення. Комутація ключів 12, 13 здійснюється відповідно до обраної стратегії, визначаючи вхідні величини дільника 14. На виході останнього формується величина коефіцієнта пропорційності G , що подається на скалярний вхід помножувача 16. На векторний вхід цього помножувача подається вектор v  , а на виході формується розрахунковий вектор миттєвих значень струмів джерела i Д . З виходу блока 17, що виконує векторну операцію iФ  iН  i Д , сформовані сигнали струмів подаються на керуючі входи силової частини 4 для реалізації миттєвих значень струмів активного фільтра. Таким чином, у порівнянні з найближчим аналогом, вибір однієї з декількох стратегій керування паралельним активним фільтром шляхом комутації вхідних або вихідних величин осереднювачів з входами дільника, а також шляхом дискретної зміни величини коефіцієнта 5 UA 90730 U 5 10 15 послаблення складової нульової послідовності вектора миттєвих значень фазних напруг дозволяє досягнути нового технічного результату - створення універсального способу управління активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі, в якому в залежності від конкретних умов застосування вибирається стратегія, оптимальна за певним показником якості. Джерела інформації: 1. F. Z. Peng, and J. S. Lai, "Generalized instantaneous reactive power theory of three-phase power systems", IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 45, no. 1, pp. 293-297, Feb. 1996. 2. P. Salmeron, J. С Montano, J. R. Vazquez, J. Prieto, A. Perez, "Compensation in nonsinusoidal, unbalanced three-phase four-wire systems with active power-line conditioner", IEEE Trans, on Power Delivery, vol. 19, no. 4, pp. 1968-1974, Oct. 2004. 3. Reyes S. Herrera, P. Salmeron, "Instantaneous Reactive Power Theory: A Reference in the Nonlinear Loads Compensation", IEEE Trans, on Industrial Electronics, vol. 56, no. 6, pp. 2015-2022, June 2009. 4. Патент України на корисну модель за заявкою № U 201304158 від 03.042013 "Спосіб керування паралельним активним фільтром чотирьох провідної трифазної мережі". Автори: С.Й. Поліщук, М.Ю. Артеменко, В.М. Михальський, Л.М. Батрак. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 1. Спосіб керування паралельним активним фільтром чотирипровідної трифазної мережі, при якому вектор миттєвих значень струмів трифазного джерела формують пропорційним вектору миттєвих значень фазних напруг з частково послабленою складовою нульової послідовності, а коефіцієнт пропорційності визначають з умови рівності нулю активної потужності на затискачах паралельного активного фільтра шляхом ділення осередненої за період мережної напруги значення миттєвої потужності навантаження на так само осереднене значення скалярного добутку вектора миттєвих значень фазних напруг на вектор миттєвих значень фазних напруг з частково послабленою складовою нульової послідовності, який відрізняється тим, що здійснюють вибір однієї з декількох стратегій керування шляхом комутації вхідних або вихідних величин зазначених осереднювачів з входами зазначеного дільника, а також шляхом дискретної зміни величини коефіцієнта послаблення складової нульової послідовності вектора миттєвих значень фазних напруг. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при підключенні на вхід дільника вихідної величини осередненої потужності на інший вхід дільника може підключатися як вхідна, так і вихідна величини осередненого добутку напруг, а при підключенні на вхід дільника вхідної величини осередненої потужності на інший вхід дільника може підключатися лише вхідна величина осередненого добутку зазначених напруг. 3. Спосіб за пп. 1 та 2, який відрізняється тим, що значення величини коефіцієнта послаблення складової нульової послідовності вектора миттєвих значень фазних напруг вибираються для дискретної зміни з чисел 0; 0; 0  rn / rn  r / 3;1, де r - питомий активний опір кожного з фазних проводів силового кабелю трифазної мережі, rn - питомий активний опір нейтралі. 6 UA 90730 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 7