трехфазный компенсатор реактивной мощности

Формула изобретения

Трехфазный компенсатор реактивной мощности, подключенный параллельно питающей сети и трехфазной нагрузке, содержащий силовой инверторный блок, включающий в себя последовательно соединенные трехфазный трансформатор, блок автономных инверторов напряжения и источник реактивной мощности, систему управления, включающую в себя блок вычисления активной и реактивной мощности, блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, блок вычисления заданных значений фазных токов, блок управления автономными инверторами напряжения, устройство дозарядки источника реактивной мощности и источник заданного значения напряжения, при этом первые входы блока вычисления активной и реактивной мощности и блока вычисления заданных значений фазных токов подключены к питающей сети, вторые входы блока вычисления активной и реактивной мощности связаны с нагрузкой, а его первый и второй выходы соединены с первым и вторым входами блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, первый выход и второй выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности через устройство дозарядки источника реактивной мощности подключены соответственно к второму и третьему входам блока вычисления заданных значений фазных токов, выход которого подключен к первому входу блока управления автономными инверторами напряжения, выход которого соединен с входом блока автономных инверторов напряжения, выход которого подключен к второму входу блока управления автономными инверторами напряжения, первый и второй входы устройства дозарядки источника реактивной мощности подключены соответственно к источнику реактивной мощности силового блока и источнику заданного значения напряжения, отличающийся тем, что блок вычисления переменных составляющей активной и реактивной мощности выполнен в виде двух устройств, каждое из которых содержит интегратор, подключенный параллельно входам сумматора, при этом вход каждого устройства является входом интегратора, а его выход - выходом сумматора.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к электротехнике и предназначено для компенсации реактивной мощности и повышения коэффициента мощности трехфазных потребителей, в частности промышленных предприятий.

Коэффициент мощности является одним из основных энергетических показателей приемников электрической энергии, определяющим потребление им непроизводительной реактивной мощности. В настоящее время коэффициент мощности энергоемких предприятий составляет всего 0,6-0,7. Низкое значение коэффициента мощности приводит к существенным потерям электроэнергии. Повышение коэффициента мощности достигается компенсацией реактивной мощности, значение которой зависит от приближения фазы потребляемого тока к питающему напряжению, а также симметрирования и улучшения формы потребляемого тока.

Известен трехфазный компенсатор реактивной мощности [1], который компенсирует реактивную мощность за счет приближения фазы тока к питающему напряжению.

Устройство содержит трехфазный управляемый выпрямитель, трехфазный автономный инвертор напряжения, а также трехфазный реактор и конденсатор. Ключевые элементы автономного инвертора напряжения выполнены в виде встречно-параллельного соединения тиристора и диода. Управление автономным инвертором напряжения осуществляется от синхронизированной с сетью системой управления.

Вход управляемого выпрямителя подключен к трехфазной сети переменного тока, а его выход через конденсатор связан с входом трехфазного автономного инвертора напряжения. Выводы автономного инвертора напряжения со стороны переменного тока через трехфазный реактор соединены с трехфазной сетью.

На ключевые элементы автономного инвертора напряжения подается управляющий сигнал, который формирует на его выходе нерегулируемую гармонику тока основной частоты. Эта гармоника тока на 90 опережает сетевое напряжение. При индуктивном характере нагрузки опережающая по фазе гармоника тока, имеющая емкостной характер, компенсирует индуктивную составляющую тока. В этом случае фаза потребляемого тока приближается к питающему напряжению, способствуя повышению коэффициента мощности нагрузки. Таким образом, компенсатор с нерегулируемой величиной тока компенсации повышает коэффициент мощности потребителя при определенных (номинальных) токах нагрузки.

Однако отклонение тока нагрузки от номинального значения вызывает неполную компенсацию реактивной мощности и увеличивает фазовый сдвиг между током и питающим напряжением. Кроме того, в нерегулируемом компенсаторе отсутствует симметрирование тока нагрузки и улучшение формы потребляемого тока, вследствие чего вышеуказанный известный компенсатор имеет ограниченное применение.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков и достигаемому результату является трехфазный компенсатор реактивной мощности [2], который повышает коэффициент мощности за счет приближения фазы потребляемого тока к питающему напряжению, а также симметрирования и улучшения формы потребляемого тока.

Трехфазный компенсатор реактивной мощности содержит трехфазную нагрузку, трехфазный трансформатор, источник реактивной мощности, блок автономных инверторов напряжения, блок вычисления активной и реактивной мощности, блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, блок вычисления заданных значений фазных токов, блок управления автономными инверторами напряжения, датчики режима работы, датчики текущего значения фазного тока. Источник реактивной мощности представляет собой конденсатор. Блок автономных инверторов напряжения содержит четыре трехфазных автономных инвертора напряжения, соединенных параллельно со стороны постоянного тока. Датчики режима работы включают в себя датчики тока и напряжения. Сумматор, первый вычитатель, ПИ-регулятор и разделительный усилитель образуют схему устройства дозарядки конденсатора. Блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности выполнен в виде двух устройств, каждое из которых состоит из фильтра низких частот с максимально плоской амплитудно-частотной характеристикой и линейной фазочастотной характеристикой в зоне пропускания (фильтр Баттерворта) и второго вычитателя. Фильтр Баттерворта подключен параллельно входам второго вычитателя, при этом вход каждого устройства является входом фильтра Баттерворта, а его выход - выходом второго вычитателя (Fig. 4 [2]). Фильтр Баттерворта предназначен для выделения основной гармоники активной и реактивной мощности.

Трехфазная нагрузка и первичная обмотка трехфазного трансформатора подключена к трехфазной сети, вторичные обмотки трехфазного трансформатора через датчики текущего значения фазного тока связаны с выходами блока автономных инверторов напряжения. Объединенный выход блока автономных инверторов напряжения подключен к конденсатору. Датчики напряжения подключены к фазам трехфазной системы напряжения и соединены с соответствующими первыми входами блока вычисления активной и реактивной мощности и блока вычисления заданных значений фазных токов. Датчики тока установлены в цепи трехфазной нагрузки, а их выходы подключены ко вторым входам блока вычисления активной и реактивной мощности, выходы которого связаны с входами блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности. Выходы блока вычисления заданных значений фазных токов подключены к первым входам блока управления автономными инверторами напряжения, выход которого связан со вторыми входами блока автономных инверторов напряжения. Датчики текущего значения фазного тока соединены со вторыми входами блока управления автономными инверторами напряжения. Первый выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности подключен ко второму входу блока вычисления заданных значений фазных токов, а второй выход блока вычисления инверсии переменной составляющей активной и реактивной мощности соединен с первым входом сумматора, выход которого связан с третьим входом блока вычисления заданных значений фазных токов. Конденсатор соединен через разделительный усилитель с инверсным входом первого вычитателя, выход которого через ПИ-регулятор связан со вторым входом сумматора. Прямой вход первого вычитателя подключен к заданному напряжению конденсатора.

Устройство работает следующим образом. Сигналы фазных токов и напряжений с выхода датчиков режима работы подаются на вход блока вычисления активной и реактивной мощности, в котором по величине этих сигналов формируется напряжение, пропорциональное активной и реактивной мощности нагрузки. В блоке вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности производится вычисление значений переменных составляющих активной и реактивной мощности. В блоке вычисления заданных значений фазных токов формируются сигнал заданного значения тока компенсатора, обеспечивающего приближение фазы тока к питающему напряжению, а также симметрирование и синусоидальную форму входного тока. Управляющий сигнал с выхода блока управления автономными инверторами напряжения подается на вход блока автономных инверторов напряжения, в котором за счет энергии источника реактивной мощности формируются токи компенсатора. Сигналы текущего значения тока компенсатора, полученные на выходе датчиков текущего значения фазных токов, сравниваются в блоке управления автономными инверторами напряжения с заданными значениями этих токов, поступающими на его вход с выхода блока вычисления заданных значений фазных токов. Поддержание заданного значения напряжения на конденсаторе источника реактивной мощности осуществляется за счет схемы дозарядки. При этом на входе первого вычитателя сравниваются заданное и текущее значения напряжения на конденсаторе. Сигнал с выхода первого вычитателя через ПИ-регулятор поступает на вход сумматора, где он складывается со значением переменной составляющей активной мощности, полученным на выходе блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности.

При уменьшении коэффициента мощности, вызванного фазовым сдвигом между входным током и питающим напряжением, а также нарушением симметрии или искажением формы входного тока, происходит изменение значений сигналов токов и напряжений, поступающих на вход блока вычисления активной и реактивной мощности, соответственно на выходе этого блока изменяются вычисленные значения активной и реактивной мощности. В блоке вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности с помощью фильтра Баттерворта и второго вычитателя осуществляется выделение значений высших гармоник активной и реактивной мощности. При этом из сигналов активной и реактивной мощности, поступающих на вход этого блока, с помощью фильтра Баттерворта вычисляется активная и реактивная мощности основной частоты. На выходе второго вычитателя формируется сигнал, пропорциональный высшим гармоническим составляющим активной и реактивной мощности. По величине этих сигналов, а также значениям фазных напряжений в блоке вычисления заданных значений фазных токов формируются сигналы заданных значений фазных токов. Заданные значения фазных токов компенсатора определяются переменной составляющей активной и реактивной мощности трехфазной нагрузки, а также значениями фазных напряжений трехфазного источника питания. Сигналы текущего и заданного значений фазных токов сравниваются в блоке управления автономными инверторами напряжения, где в зависимости от соотношения этих сигналов происходит управление блоком автономных инверторов напряжений. Управление этим блоком заключается в формировании фазных токов, которые, протекая в противофазе с индуктивной составляющей тока нагрузки тока, компенсируют переменные составляющие активной и реактивной мощности и тем самым осуществляют приближение фазы тока к питающему напряжению, а также симметрирование и улучшение формы потребляемого тока. Так осуществляется компенсация реактивной мощности нагрузки во всех режимах ее работы и повышение коэффициента мощности.

Таким образом, известное устройство позволяет компенсировать большую часть реактивной мощности за счет приближения фазы потребляемого тока к питающему напряжению, а также симметрирования и улучшения формы этого тока.

Однако известное устройство не позволяет полностью компенсировать реактивную мощность из-за наличия фазового угла сдвига между потребляемым током и питающим напряжением, а также неполной симметрии и несинусоидальности входного тока. Неполная компенсация реактивной мощности обусловлена фазовыми искажениями, вносимыми фильтром Баттерворта. Выделенные фильтром гармоники напряжения основной частоты имеют фазовый сдвиг по отношению к сигналу на его входе. Для фильтра Баттерворта 6-го порядка величина этого угла составляет 0-300 эл.град в полосе пропускания [3]. При вычитании этого сигнала из напряжения, поступающего на прямой вход второго вычитателя, на выходе блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, кроме сигналов переменных составляющих активной и реактивной мощности высших гармоник, присутствуют гармоники сигнала основной частоты. Эти гармоники приводят к погрешности компенсации реактивной мощности и появлению фазового угла сдвига между током и напряжением, а также искажению симметрирования с нарушением синусоидальности сетевого тока.

В основу изобретения положена задача, заключающаяся в создании трехфазного компенсатора реактивной мощности, в котором осуществляется полная компенсация реактивной мощности за счет уменьшения до нуля сигнала мощности основной частоты в переменных составляющих активной и реактивной мощности.

Для решения поставленной задачи в известном трехфазном компенсаторе реактивной мощности, подключенном параллельно питающей сети и трехфазной нагрузке, содержащем силовой инверторный блок, включающий в себя последовательно соединенные трехфазный трансформатор, блок автономных инверторов напряжения и источник реактивной мощности, систему управления, включающую в себя блок вычисления активной и реактивной мощности, блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, блок вычисления заданных значений фазных токов, блок управления автономными инверторами напряжения, устройство дозарядки источника реактивной мощности и источник заданного значения напряжения, при этом первые входы блока вычисления активной и реактивной мощности и блока вычисления заданных значений фазных токов подключены к питающей сети, вторые входы блока вычисления активной и реактивной мощности связаны с нагрузкой, а его первый и второй выходы соединены с первым и вторым входами блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, первый выход и второй выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности через устройство дозарядки источника реактивной мощности подключены соответственно к второму и третьему входам блока вычисления заданных значений фазных токов, выход которого подключен к первому входу блока управления автономными инверторами напряжения, выход которого соединен с входом блока автономных инверторов напряжения, выход которого подключен к второму входу блока управления автономными инверторами напряжения, первый и второй вход устройства дозарядки источника реактивной мощности подключены соответственно к источнику реактивной мощности силового блока и источнику заданного значения напряжения, блок вычисления переменных составляющей активной и реактивной мощности выполнен в виде двух устройств, каждое из которых содержит интегратор, подключенный параллельно входам сумматора, при этом вход каждого устройства является входом интегратора, а его выход - выходом сумматора.

Благодаря новому выполнению блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности происходит выделение из сигнала активной и реактивной мощности только их переменных составляющих. Интегратор блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности выделяет из сигнала активной и реактивной мощности гармоники активной и реактивной мощности основной частоты, которые имеют фиксированный фазовый угол 180 эл.град. При сложении их в сумматоре с сигналом активной и реактивной мощности происходит полная (уменьшение до нуля) компенсация сигнала мощности основной частоты на выходе блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности. Уменьшение до нуля сигнала активной и реактивной мощности основной частоты приводит к уменьшению до нуля фазового угла сдвига между потребляемым током и питающим напряжением, а также симметрированию и получению синусоидальной формы входного тока, то есть полной компенсации реактивной мощности. Это происходит за счет исключения влияния гармоник мощности основной частоты на величину заданного значения тока компенсатора, так как ток компенсатора определяется только высшими гармониками активной и реактивной мощности.

Кроме того, улучшение формы входного тока связано с уменьшением в его составе токов высших гармонических составляющих. Снижение токов высокой частоты приводит к уменьшению потерь энергии в индуктивностях схемы (трансформаторах, индуктивностях, соединительных проводах ЛЭП), что, в свою очередь, улучшает коэффициент полезного действия системы электроснабжения.

На чертеже представлена схема трехфазного компенсатора реактивной мощности.

Трехфазный компенсатор реактивной мощности содержит трехфазную нагрузку 1, силовой инверторный блок 2, систему управления 3, устройство дозарядки источника реактивной мощности 4 и источник заданного значения напряжения 5. Силовой инверторный блок 2 включает в себя последовательно соединенные трехфазный трансформатор 6, блок автономных инверторов напряжения 7, источник реактивной мощности 8. Система управления 3 включает в себя блок вычисления активной и реактивной мощности 9, блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 10, блок вычисления заданных значений фазных токов 11, блок управления автономными инверторами напряжения 12. Блок вычисления переменных составляющих активной и реактивной мощности 10 выполнен в виде двух устройств, каждое из которых содержит интегратор 13, подключенный параллельно входам сумматора 14, при этом вход каждого устройства является входом интегратора 13, а его выход - выходом сумматора 14.

Блок автономных инверторов напряжения 7 выполнен по схеме трехфазного инвертора напряжения на базе силовых IGВТ-транзисторов. Устройство дозарядки источника реактивной мощности 4 включает в себя ПИ-регулятор, реализованный в виде операционного усилителя. Источник заданного значения напряжения 5 представляет собой делитель напряжения, подключенный к источнику постоянного напряжения.

Нагрузка 1 и силовой инверторный блок 2 подключены к питающей сети. Первые входы блока вычисления активной и реактивной мощности 9 и блока вычисления заданных значений фазных токов 11 подключены к питающей сети, вторые входы блока вычисления активной и реактивной мощности 9 подключены к нагрузке 1. Первый и второй выходы блока вычисления активной и реактивной мощности 9 соединены с первым и вторым входами блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 10. Первый выход и второй выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 10 через устройство дозарядки источника реактивной мощности 4 подключены соответственно к второму и третьему входам блока вычисления заданных значений фазных токов 11. Выход блока вычисления заданных значений фазных токов 11 подключен к первому входу блока управления автономными инверторами напряжения 12, выход которого соединен с входом блока автономных инверторов напряжения 7. Выход блока автономных инверторов напряжения 7 подключен к второму входу блока управления автономными инверторами напряжения 12. Первый и второй входы устройства дозарядки источника реактивной мощности 4 подключены соответственно к источнику реактивной мощности 8 силового блока и источнику заданного значения напряжения 5.

Трехфазный компенсатор реактивной мощности работает следующим образом.

Сигналы фазных токов и напряжений подаются на вход блока вычисления активной и реактивной мощности 9, в котором по величине этих сигналов формируется напряжение, пропорциональное активной и реактивной мощности нагрузки. В блоке вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 10 производится вычисление значений переменных составляющих активной и реактивной мощности. В блоке вычисления заданных значений фазных токов 11 формируются сигналы заданного значения тока компенсатора, обеспечивающего приближение фазы тока к питающему напряжению, а также симметрирование и синусоидальную форму входного тока. Управляющий сигнал с выхода блока управления автономными инверторами напряжения 12 подается на вход блока автономных инверторов напряжения 7, в котором за счет энергии источника реактивной мощности 8 формируются токи компенсатора. Сигналы текущего значения тока компенсатора, полученные на выходе блоков автономных инверторов напряжения 7, сравниваются в блоке управления автономными инверторами напряжения 12 с заданными значениями этих токов, поступающими на его вход с выхода блока вычисления заданных значений фазных токов 11. Поддержание заданного значения напряжения на конденсаторе источника реактивной мощности 8 осуществляется за счет устройства дозарядки источника реактивной мощности 4. Заданное значение напряжения на конденсаторе определяется выходным сигналом источника заданного значения напряжения 5.

При уменьшении коэффициента мощности, вызванного фазовым сдвигом между входным током и питающим напряжением, а также нарушением симметрии или искажением формы входного тока, происходит изменение значений сигналов токов и напряжений, поступающих на вход блока вычисления активной и реактивной мощности 9, соответственно, на выходе этого блока изменяются вычисленные значения активной и реактивной мощности. В блоке вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 10 с помощью интегратора 13 и сумматора 14 осуществляется выделение значений высших гармоник активной и реактивной мощности. При этом из сигналов активной и реактивной мощности, поступающих на вход этого блока, с помощью интегратора 13 вычисляется инверсное значение активной и реактивной мощности основной частоты. На выходе сумматора 14 формируется сигнал, пропорциональный высшим гармоническим составляющим активной и реактивной мощности. По величине этих сигналов, а также значениям фазных напряжений в блоке вычисления заданных значений фазных токов 11 формируются сигналы заданных значений фазных токов. Заданные значения фазных токов компенсатора определяются переменной составляющей активной и реактивной мощности трехфазной нагрузки 1, а также значениями фазных напряжений трехфазного источника питания. Сигналы текущего и заданного значений фазных токов сравниваются в блоке управления автономными инверторами напряжения 12, где в зависимости от соотношения этих сигналов происходит управление блоком автономных инверторов напряжений 7. Управление этим блоком заключается в формировании фазных токов, которые, протекая в противофазе с индуктивной составляющей тока нагрузки, компенсируют переменные составляющие активной и реактивной мощности и тем самым осуществляют приближение фазы тока к питающему напряжению, а также симметрирование и улучшение формы потребляемого тока. Так осуществляется компенсация реактивной мощности нагрузки во всех режимах ее работы и повышение коэффициента мощности.

Трехфазный компенсатор реактивной мощности установлен в электроаппаратном цехе депо Белогорск Забайкальской железной дороги. Эксплуатация компенсатора позволила увеличить коэффициент мощности потребителя до 0,995, что в свою очередь привело к снижению расхода электроэнергии на 3-5%.

Источники информации

1. Энергетическая электроника: Справочное пособие. Пер. с нем. Под ред. В.А.Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.243.

2. Н. Akagi, A.Nabae and S.Atoh. Control Strategy of Active Power Filters Using Multiple Voltage-Source PWM Converters. IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-22, pp.460-465, May/June 1986.

3. Д.Джонсон, Дж.Джонсон и Г.Мур. Справочник по активным фильтрам. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.11.