Способ компенсации обменной мощности и устройство для его осуществления
Использование: в устройствах обеспечивающих улучшение качества электроэнергии в сетях с мощными нелинейными нагрузками. Сущность изобретения устройство компенсации обменной мощности содержит силовую часть в состав которой введены коммутируемые резонансные Ю-целочки, подключенные параллельно к нелинейной нагрузке и состоящие из реактора с регулировочными ответвлениями и конденсаторов, подключенных одними выводами через коммутационные ключи к реактору , а другими выводами к питающей сети, и блок управления Микропроцессор, входящий в блок управления решает оптимизационную задачу, целевой функцией которой является минимум обменной мощности, а переменным параметром - угол включения тиристоров участвующей в работе резонансной цепочки относительно сигнала питающего напряжения сети. Таким образом, за счет коммутации резонансных Ю-цепочек с частотами, равными их собственным резонансным частотам, происходит генерация высших гармоник, которые поступают в питающую сеть и оптимизируют режим энергопередачи пугем сведения к минимуму величины обменной мощности, участвующей в энергообмене между источником питания и нелинейной нагрузкой 4 ил.
(19) ЯЯ (Н) (51) 5 HOX J3 1
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
ЬЭ
Ю
Ю
4ь
ОО
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5027653/07 (22) 180292 (46) 15.1093 Бюй Ne 37-38 (71) Московский энергетический институт (72) Демирчян КС„Жарков ФП„Воротников ИЛ„.
егоpos ElO; Авдеев С.Б (73) Москоеоай энергетичесюе институт (64) СПОСОБ КОМПЕНСА4ИИ ОБМЕННОЙ
INILQIOCTN N УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСЯЛЕНИЯ (57) Использование: в устройства обеспечивающих улучшение качества электроэнергии в сетях с мощньвм неанвеыми нагрузками Сущность изобретеник устройство компенсации обменной мощности содержит силовую часть в состав которой введем коммутируемые резонансные IC-цепочю нодктвочееве параллетъно к нелинейной нагрузке и состоящие из реактора с регулировочными ответвлениями и конденсаторов, подключеных одними выводами через коммутациэные ключи к реактору, а другими выводами к питающей сета и блок управления Микропроцессор, входящий в блок управления, решает оптимизационную задачу, целевой функцией которой является иеимум обменной мощности, а переменим параметром— угол включения тиристоров участвующей в работе резонансной цепочки относительно сигнала ппающего напряжения сети Таким образом, за счет коммутации резонансных С-цепочек с частотами, равными их собственным резонансным частотам, происходит генерация высших гармоник которые поступают в питающую сеть и оптимизируют режим энергопередачи путем сведения к минимуму serwчины обменной мощностц участвующей в энергообмене между источником питания и нелинейной нагрузкою 4 ип.
2001486
Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, в частности к способам и устройствам, обеспечивающим улучшение качества электроэнергии в сетях с мощными нелинейными нагрузками. 5
Известны устройства, близкие по технической сущности к заявленному, с использованием фильтрокомпенсирующих цепей (ФКЦ). ФКЦсодержит набор цепочек, состоящих из последовательно включенных конденсаторов и реакторов, настроенных на частоты, подлежащие компенсации и подключаемых параллельно к нагрузке (1). При наличии высших гармоник в напряжении таких цепочек обеспечивается фильтрация то- 16 ков питающей линии.
Недостатком ФКЦ является то, что при помощи таких устройств принципиально невозможно фильтровать гармонику, не создающую напряжения на фильтре. Кроме 20 того, работоспособность устройства определяется соотношением собственного сопротивления и сопротивлений генератора и передающей линии. что ограничивает функциональные воэможности устройств такого 25 типа.
Известны способы для компенсации обменной мощности (2), при которых производится измерение мгновенных значений тока и напряжения нагрузки, выделяется ортого- З0 нальная составляющая тока — мгновенное значение, сравнивается напряжение сети и напряжение на силовом элементе(резонансном контуре) и в зависимости от знака сравнения осуществляется коммутация кон- З5 тура к нагрузке. При этом ортогональная составляющая тока аппроксимируется по мгновенным значениям отрицательным током силового устройства.
Недостатком такого способа является 40 привязка метода к мгновенным величинам, что не обеспечивает оптимальность интегральных величин (мощностей, действующих значений). Кроме того, устройство управления и силовая часть оказываются достаточ- 45 но сложными, что уменьшает их надежность.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство коррекции коэффициента мощности при не- 50 линейных нагрузках с микропроцессорной системой управления. содержащее реактор, коммутируемый последовательно включенными с ним встречно-параллельными тиристорными ключами и подключаемый 55 параллельно к нелинейной нагрузке. конденсатор постоянной емкости, подключаемый через катушку индуктивности параллельно к зажимам нелинейной нагрузки, блок управления, входы которого соедимены с выходами датчика тока нагрузки и датчика напряжения питающей сети, а выходы с управляющими электродами тиристоров, коммутирующих реактор. Работа устройства основана на управлении углами включения встречно-параллельных тиристоров, которые подключают к питающей сети реактора и, в зависимости от величины углов включения тиристоров, обеспечивается требуемая величина коэффициента мощности при работе переменной нелинейной нагрузки (2).
Недостатком этого устройства является принципиальная невозможность обеспечить качественную форму тока, потребляемого нелинейной нагрузкой иэ питающей сети, особенно при сопротивлении сети, стремящемся к нулю.
Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества компенсации эа счет сведения к минимуму величины обменной мощности, генерируемой нелинейной нагрузкой, и расширения функциональных возможностей элементов силовой части устройства.
Поставленная задача решается тем, что в способе компенсации обменной мощности с помощью резонансного контура, подключенного к нагрузке через тиристорный коммутатор, основанном на измерении мгновенных значений тока и напряжения на нагрузке, резонансный контур выполнен из нескольких резонансных контуров, включающих секционированную коммутируемую емкость и индуктор с отпайками, вычисляют обменную мощность, удовлетворяющую условию т
f Ip(t) Оо(а)б - 0 о по формуле
Роби() Рн(1) Рнопт(т) где Рнопт(1) = Рн(1 — cos2 Ш1и, Р„- средняя мощность нагрузки;
oJ — угловая частота; си — текУЩее вРемЯ иэмеРений; и формируют сигнал управления, регулирующий фазу включения тиристорного ключа с частотой, синхронизированной с частотой сети и равной резонансной частоте данного резонансного контура, вновь вычисляют обменную мощность, сраЪнивают с ее значением на предыдущем такте регулирования и при уменьшении обменной мощности изменяют фазу включения тиристорного ключа в следующем такте в том же направлении, при увеличении обменной мощности —. в обратном, Кроме того, поставленная цель достигается тем, что в состав устройства компенса2001486 ции обменной мощности, содержащего силовую часть, подключаемую параллельно к нелинейной нагрузке, блок управления. состоящий иэ цепи синхронизации, усилителя импульсов, задающего генератора. и подключенного.своими входами к датчикам тока нагрузки и напряжения сети, а выходами к управляющим электродам коммутационных аппаратов силовой части, введены коммутируемые резонансные LC-цепочки, подключаемые параллельно к нелинейной нагрузке и состоящие иэ реактора с регулировочными ответвлениями, конденсаторов, подключаемых одними выводами через коммутационные ключи к реактору, а другими выводами к питающей сети. Причем блок управления содержит аналого-цифровые преобразователи, входы которых подключаются к выходам датчиков тока нагрузки и напряжения сети, а выходы — к входным портам микропроцессора, информационные выходы которого соединены с шинами данных формирователей задержки включения тиристоров, выходы которых соединяются с входами усилителей импульсов управления, а выходы усилителей соединены с управляющими электродами коммутационных аппаратов, а в состав цепи синхронизации введены управляемые задающие генераторы и фаэовые компараторы, выходы которых подключены к управляющим входам задающих генераторов, выходы управляющих задающих генераторов соединяются с входами делителей частоты и тактовыми входами формирователей задержки включения тиристоров, выходы делителей частоты подключены к первым входам фазовых компараторов, вторые входы фазовых компараторов соединены с выходом инвертора, вход которого подключен к выходу формирователя синхроимпульсов сети, вход формирователя подключен к выходу датчика напряжения сети.
На фиг. 1 приведен график зависимости обменной мощности от угла отпирания тиристоров; на фиг. 2 — структурная схема предлагаемого устройства; на фиг, 3 — схема, поясняющая соединение конденсаторов и реактора одной резонансной цепочки; на фиг. 4 — структурная схема управления устройством компенсации обменной мощности.
Процесс оптимизации (компенсации) происходит поэтапно с шагом Л t при изменении угла р отпирания тиристоров резонансных ячеек. При этом значение обменной мощности изменяется, потери в генераторе и линии уменьшаются, возрастает КПД и коэффициент мощности, умень5
55 шается обменная мощность всей системы (фиг. 1). Система регулирования поддерживает режим в окрестности Ообм н (ponr).
Устройство компенсации обменной мощности (фиг. 2) содержит резонансные
LC-цепочки 1 — 3, подключаемые при помощи тиристорных ключей 4 к питающей сети параллельно к нелинейной нагрузке 5, конденсатор 6 постоянной емкости, подключаемый через катушку 7 индуктивности также параллельно к нелинейной нагрузке 5, датчик
8 тока, датчик 9 напряжения, подключенные к входам блока 10 управления, выходы блока 10 управления подключены к управляющим электродам коммутирующих тиристоров 4.
Каждая из резонансных LC-цепочек (фиг, 3) состоит иэ набора конденсаторов 11 постоянной емкости, один из выводов которых подключается к питающей сети, а вторые выводы через коммутационные ключи
12 подключаются к реактору 13, имеющего регулировочные ответвления.
Блок управления (фиг. 4) состоит иэ аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 14, входы которых подключены к датчикам 8 и 9 тока нагрузки и напряжения сети. Выходы
АЦП соединяются с входами входных портов центрального процессора 15. Информационные выходы центрального процессора
15 подключаются к шине данных формирователей 16 задержки включения тиристоров, выходы которых подключаются к входам усилителей 17 импульсов, выходы которых соединяются с управляющими электродами тиристорных ключей 4. Управляемые задающие генераторы 18 цепи синхронизации блока управления входами управления подключены к выходам фазовых компараторов 19, а выходами — к входам управления формирователей 16 задержки включения тиристоров и делителей 20 частоты. выходы делителей частоты соединены с первыми входами фазовых компараторов
19, а вторые входы фазовых компараторов соединены с выходом инвертора 21, вход которого соединен с выходом формирователя 22 синхроимпульсов сети, а вход которого подключен к выходу датчика 9 напряжения сети.
Устройство компенсации обменной мощности работает следующим образом, При коммутации резонансных цепочек
1 — 3 тиристорными ключами 4 с частотами, равными собственным резонансным частотам последовательных LC-контуров
2001486
45
55 р, = /Ч (.4 (2) Т=-t +t. (8) где 4 — индуктивность I-ro резонансного контура;
CI — емкость!-го резонансного контура, в колебательных контурах возникают незатухающие периодические колебания тока собственной резонансной частоты воь Причем параметры резонансных цепочек выбираются так, чтобы их резонансные частоты были равны частотам гармонических составляющих. содержащихся в токе нагрузки, подлежащем компенсации. Количество резонансных цепочек, входящих в состав устройства компенсации обменной мощности определяется числом преобладающих гармонических составляющих, содержащихся в токе нагрузки, подлежащем компенсации. и требованиям, предъявляемым к точности компенсации. Спектральный состав тока нагрузки .определяется путем предварительного гармонического анализа.
Таким образом. эв счет коммутации резонансных LC öåïî÷åê с частотами, равными их собственным резонансным частотам, происходит генерация высших гармоник, которые поступают в питающую сеть и оптимиэируют режим энергопередачи путем сведения к минимуму величины обменной мощности, участвующей в энергообмене между источником питания и нелинейной нагрузкой.
Конденсатор 6 используется для компенсации тока нагрузки по основной гармонической составляющей. катушка 7. имеющая небольшую величину индуктивности, исключает возможность возникновения резонансных явлений в параллельных цепях силовой части устройства. Датчики 8 и 9 тока и напряжения служат для сбора информации о величинах тока нагрузки и напряжения сети, поступающую в блок 10 управления.
В состав каждой из резонансных цепочек (фиг. 3) входят реактор 13 с регулировочными ответвлениями, соединенный через ключи 12 с конденсаторами 11. Такая схема применяется для регулирования по амплитуде колебаний, генерируемых резонансными цепочками. Параметры конденсаторов
11 и реактора 13 выбираются иэ условия 4х
xCi - const, что исключает воэможность расстройки резонансного контура при переключении ответвлений реактора. Эффект регулирования амплитуды генерируемых гармоник достигается вследствие изменения характеристического сопротивления резонансного контура
35 где 4 — индуктивность рабочей части резонансного контура;
Ci — емкость конденсатора, подключенного к работающей части реактора.
Требуемое для работы характеристическое сопротивление резонансной цепочки
1-3, а следовательно, схема ее внутренней коммутации определяется путем предварительного гармонического анализа тока нагрузки, подлежащего компенсации, и остается неизменной в процессе генерации колебаний резонансными цепочками.
Блок 10 управления работает следующим образом.
Ilo измеренным АЦП 14 мгновенным значениям тока и напряжения центральным процессором 15 определяется закон изменения активной мощности, передаваемой по линии
Pn(t) Un(t) In(t) а1 mU (3) где и — количество измеренных значений;
0 () — измеренные значения напряжения;
1 (1) — измеренные значения тока; пц — масштабный коэффициент по току;
mU — масштабный коэффициент по напряжению.
Закон изменения оптимальной мощности, передаваемой по линии, представляются в виде
Ppppy(с) - Рн(1 — cos2 и%и) (4) где PH — мощность нагрузки; в — угловая частота: ьи — текущее время измерений.
Причем
Т
PH — / Un(t) ln(t)dt.
0 (5) где i,(t); Un(t) — мгновенные значения тока и напряжения нагрузки.
Выражение, описывающее закон изменения обменной мощности определяется как разность выражений (3) и (4), т.е.
Р обм (0 Pn(t) Рг осд® (6) величина средней обменной мощности эа период определяется по обменной энергии о- -г +ps- г (Р— Р t) Р)
+ где Р— среднее эа период значение положительной мгновенной мощности;
P — среднее за пеоиод значение отрицательной мгновенной мощности;
t — сумма интегралов времени, на которых мгновенная мощность положительна; т — сумма интервалов времени, на которых мгновенная мощность отрицательна;
Т вЂ” период кривой обменной мощности.
Причем
2001486
Далее, запоминая вычисленное значение обменной мощности, участвующей в энергообмене между источником и нелинейной нагрузкой, в соответствии с заложенным алгоритмом. микроЭВМ решает оптимизационную задачу, целевой функцией которой является минимум обменной мощности, а переменным параметром — угол включения тиристоров участвующей в работе резонансной цепочки относительно сигнала питающего напряжения сети.
Анализируя изменение величины вычисленной обменной мощности в зависимости от изменения угла включения тиристоров работающей резонансной цепочки, система управления определяет местонахождение минимума, которое в дальнейшем уточняется до тех пор, пока не будет достигнута заданная точность компенсации по данной гармонической составляющей тока нагрузки. После определения величины угла включения тиристоров, соответствующей минимуму обменной мощности, участвующей в энергопередаче, обеспечивается работа резонансной цепочки с углом задержки включения тиристора, соответствующего оптимальному режиму, и осуществляется переход к оптимизации режима по следующей гармонической составляющей (в работу включается следующая резонансная цепочка) по изложенному выше принципу.
Завершив работу со всеми имеющимися резонансными цепочками, микроЭВМ вновь обращается к первой цепочке для уточнения оптимальности. режима энергопередачи. Далее циклы обращения к резонансным цепочкам повторяются в процессе работы устройства компенсации обменной мощности, чем обеспечивается постоянное отслеживание процесса оптимизации.
Через информационные выходы микропроцессора 15 код угла задержки включения тиристоров поступает на шину данных формирователей 16 задержки, которые обеспечивают отсчет угла включения тиристора относительно сигнала питающего напряжения и, по завершении отсчета, при помощи усилителей 17 импульсов происходит формирование отпирающих импульсов, которые поступают на управляющие электроды коммутационных тиристоров 4.
Фо..1ировгте;. 16 з-;д 1,;.и включе: ия ка:сдой резонансной 1С-llåïî÷èè работают «о тактовой последовательности импульсов, формируемой своими управляемыми задающими генераторами 18, причем частота импульсов тактовой последовательности генератора равна собственной резонансной частоте коммутируемых
LC-цепочек 1-3. Для синхронизации импульсов задающих генераторов с питающей сетью в блоке управления предусмотрены делители 20 частоты, фаэовые компараторы
19. формирователь 22 синхроимпульсов сети и инвертор 21. Делители 20 частоты снижают чэстоту импульсов задающих генераторов 18 до частоты питающей сети.
Фазовь,;омпараторы 19 проводят сравнение фаэ i:ñ следовательностей импульсов, поступаю.цих от делителей 20 частоты и инвертирс:э IHblx при помощи инвертора 21 синхроимпульсов сети, поступающих с выхода формирователя 22, вход которого подключен к датчику 9 напряжения сети.
Управляющие воэдеиствия с выходов фазоBhlx комнараторов 19 поступают на управляющие входы задающих генераторов 18, и изменяя их режим оаботы, обеспечивают син..рониэацию генерируемых тактовых импульсов с питающей сетью.
В с. вовой части устройства компенсации обл виной м", щности используются высокодобротные индуктивные реакторы и конденсаторы, имеющие высокую прочность по напряжению пробоя. Силовые тиристоры, коммутирующие резонансные цепочки должны иметь защиту от перенапряжений.
Блок управления устройс1вом может быть вь полнен на базе микропроцессора к580ВМ80А, логическая часть блока управления выполняется с использовс ием базовых элементов ТТЛ-логики, например, серии к155, управляемые задающие генераторы выполняются с применением микросхем типа к531ГГ1, аналога-цифровые преоб,)азователи выполняю1ся на микросхемах типа кР572ПВ1. (56) 1. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения предприятий,—
М.: Энергоатомиэдат, 1986, с. i 60.
2. Авторское свидетельство СССР
К". 1491! 11, кл. H 02 J 9/06, 1987, 20014S6, 12
Формула изобретения
СПОСОБ КОМПЕНСАНИИ ОБМЕННОЙ МОШНОСТИ
И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУШЕСТВЛЕНИЯ
1, Способ компенсации обменной мощности. состоящий в том, что к нагрузке через тиристорный коммутатор подключают резонансный контур и измеряют мгновенные значения тока и напряжения на нагрузке, отличающийся твм, что в качестве резонансного контура используют несколько резо- 10 нансных контуров, включающих в себя се кционированмую «оммутирующую емкость и имдуктор с отпвйками, вычисляют обменную мощность по формуле
Р,6„П1-Є - Р„„(Е. 15 где P». g t) Р»(1-соэ2в 1):
P» - средняя мощность нагрузки; в - угловая частота; т» - текущее время измерений, и формируют сигнал управлвмия, регулиру- 20 ющий фазу включения тиристорного коммутатора с частотой, синхронизированной с частотой сети и равной рвзомансной частоте данного резонансного контура, вновь вычисляют обменную мощность, сравнива- 25 ют с ее значением ма предыдущем такте регулирования и при уменьшении обменной мощности изменяют фазу включения тиристорного коммутатора в следующем такте в том жв направлении, а при увели- 30 чемии обмвмной мощности - в обратном.
2. Устройство для компенсации обменной мощности, содержащее резонамсный контур, подключенный к зажимам для подключения к магруэкв через тиристор ный коммутатор, управляющие электроды которых соединены с входами блока управления, входы которого подключены к датчикам тока нагрузки и напряжения сети, 40 блок управления состоит из цепи синхронизации, усилителя импульсов и задающего генератора, отличающееся тем, что резонансный контур выполнен иэ мескольких резонансных бС-цепочек, подключенных параллельно к зажимам для подключения к нагрузке и состоящих иэ реактора с регулировочными ответвлениями, конденсаторов, подключенных одними выводами через тиристорный коммутатор к реактору, э другими выводами - к зажимам для подключения к питающей сети, блок управления снабжен аналого-цифровыми преобразователями, формирователями задержки включения тиристоров, управлявмыми задающими генераторами, делителями частоты, фазовыми компараторэми, инвертором и формирователем синхроимпульсов сети, причем входы аналого-цифровых преобразователей подключены к выходам датчиков тока нагрузки и напряжения сети, а выходы - к входным портам введенного микропроцессора, информационные выходы которого соединены с шинами данных формирователей задержки включения тиристоров, выходы которых соединены с входами усилителей импульсов управления, а выходы усилителей импульсов - с управляющими электродами тиристорных коммутаторов, а в цепи синхронизации введены управляемыв soдающие генераторы и фазовыв компарато ры, входы которых подключены к управляющим входам задающих генераторов, входы управляющих задающих генераторов соединены с входами делителей частоты и тактовыми входами формирователей задержки включения тиристоров, входы делителей частоты подключены к первым входам фазовых компвраторов. вторыв входы фазовых компараторов соединены с выходом имвертора, вход которого подключен к выходу формироаателя синхроимпульсов сети, вход формирователя синхроимпульсов сети подключен к входу датчика напряжения сети.
2001486
2001488
Редактор Л. Волкова
Заказ 3131
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
I и
1
1 т
1
I
I
I is
I
Составитель В. Дроздов
Техред М.Моргентэл Корректор М. Демчик
Тираж Подписное
НПО "Поиск" Роспатента
113035, Москва. Ж-35. Раущская наб., 4/5
