Способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности

Э СОВЕТСНИХЦИАЛИСТИЧЕСИИХСПУБЛИН 19) ц)5 Н 02 3 3/18 ГОСУДАРСТВЕННЫПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ П 1 НТ СССР ОМИТЕТТНРЫТИЯ 1 ИЯ ВТО инамики АН УССРМ,Т.Стрелков 9116,шение коэфф зовательных польского.с. 127,иОЙ КО Х МОЩН ится к к уст ктроэн МПЕНСАЦИИ СТИ электойствамргии,х составляю щности при любыхэнергоснабженияочное звено пре ах в систем одержащих промежу ПИСАНИЕ ИЗОБ(54) СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКНЕАКТИВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИ(57) Изобретение относротехнике, в частностиповышения качества эле обретение относится к элек технике, в частности к устроиствамповышения качества электроэнергии,и может быть использовано для повышения качества компенсации неактивобразования.Целью изобретения является повышение качества компенсации неактивных составляющих мощности при любых формах кривых напряжения и тока.На чертеже представлена функциональная схема усгройства компенсации. 2.и может найти применение в системах энергосбережения, содержащих промежуточное звено преобразования, Цель изобретения - повышение качества компенсации неактивных составляющих мощности при любых режимах. Измеряют, мгновенные значения питающего напряженчя Ц и тока х(с) потребителя, формируют сопряженные сигналы напряжения П (С) и тока (й) путем разложения измеренных сигналов на гармонические составляющие с последующим сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных частот и оуютированием сдвинутых копий. Получают сигнал тока, пропорциональный току компенсации по выражению, приведенному в формуле изобретения, приводят к уровню тока питающей сети и генерируют в питающую сеть, 1 ил. Устройство, реализующее предлагаемый способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности, состоит нз датчиков тока 1 и напряжения 2, подсоединенных входами к питающей сети, а выходами - соответственно к первым входам умножителей 3 и 4 и входам.квадратурных фильтров 4 и 6, вторые входы умножителей 3 и 4 подключены соответственно к выходам квадратурных фильтров 5 и 6 а выходы - к вычитающему и суммирующему входам сумматора 7, который по выходу связан с первым умножителем 8, генераторы 9 и 1 О квадратичных функций входами подклю1550592 чены соответственно к выходам датчика 2 напряжения и квадратурного Фильтра 6, а выходами - к входам сумматора 11 подсоединенного выхоФ5 дом к первому входу делителя 12, Ьторой вход которого подключен к выходу квадратурного фильтра 6, а выХод - к второму входу умножителя 8 ф генератор 13 тока компенсации, управяющие входы которого подсоединенывыходу умножителя 8, а силовые ходы и выход нагружены на питающую сеть, причем генератор 13 тока содеркит трансформатор 14, первичная обМотка которого нагружена. на питаюую сеть, а вторичная обмотка включена в диагональ переменного тоха выпрямителя 15; сглаживающего фильтра 16, ОДнополярный ВХОД котОРОГО на гружен на диагональ постоянного тока выпрямителя 15, а положительный и отрицательный выводы являются входами питания двухтактного усилителя 17 класса О, нулевой вывод подключен к ,нулевой шине сети; сглаживающий дроссель 18, связывающий выход усилителя 17 с нулевой шиной сети; датчика 19 тока, который по входу подключен ,между дросселем ",8 и ненулевой шиной, ,а по выходу - к инверсному, входу сумматора 20, прямой вход которого явлнс) =1(с), г) = 1"с); ц(ц) =ц(с 1 ц(р) =( ц(с,Е,(с) = (с) + 1.(с); Е,(с)Л= и(с) + ЗП(с)Произведение комплексно-сопряженной ДРаналитической функции сигнала токаи аналитической функции сигнала напряжения определнет аналитическуюФункцию мгновенной мощности т 1 г. т Л л Р =1 Б (с) с 1 с = -- 1 11(с) 1(с) + Б(с)(с) с 1 с 2 ТО 3 2 То цгде Н,Э,1. - операторы преобразования Гильберта приведенных дифференцирования и интегрирования.Исходный и сопряженный сигналыобъединяются в рамках аналитическихфункций сигналов тока в напряжения где СЕ 1 - матричная запись аналитической функции;ляр(с) = 0 (с) .(с) + П(с) .(с);л8 (с) = 1(с) (с) -1(с) (с) ется управляющим входом генератора; компаратора 21, связанного по рходу с выходом сумматора 20, а прямым и инверсным выходом - с входами усилителя 22, выходы которого подключены к управляющим входам силовых ключей усилителя 17.Устройство компенсации, реализующее предлагаемый способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности, работает следующим образом. Анализ энергетического процесса в сечении электрической системы или цепи ведется в двух пространствах - исходном (реальном) и сопряженном (расчетном) - в реальном масштабе времени, Действительно, любому поли- гармоническому периодическому сигналу тока 1.(с) или напряжения (с) можно построить сопряженный полигармонический периодический сигнал (с) или 1)(с), которые связаны меж" ду собой прямым и обратным преобразованиями посредством линейных унитарных кососин)етричных операторов Кирхгофа исходная и сопряженнан части ана лптической Функции. Отсюда активная, реактивная иполная комплексная мощности опреде- .пяются как средние значения функцийт 18= - , - 1 Е (с)йс=Р+30 гтГ 1 т -цЕ; = ц=- -- 72 лц +О 0 П Ц 8 + 08лУ 8 - 08Р 08 - 08л1.18+ и 8 л 2Б + 0 11л 0 +П где 1(с) = д (с) + 1(с) ройства компенсации,т.е,1(с)л л1(с) = - (с) = --- - -- У(с) (с) -ц(с) х(с) . (2)ц (с)+ ц (с) ООсуществив обратное преобразование от (1) по напряжению, получаем разложение кривой тока на активную Именно реактивная составляющаятока подвергается компенсациипутемсуммирований токов источника и уст-,л Путем измерения определяют напряжение, пропорциональное мгновенномузначению тока (с) и напряжение,пропорциональное мгновенному значению напряжения 0(с). Формируют сопряженные сигналы напряжения 6 (с) и4тока (с) путем разложения измеренных сигналов на гармонические составляющие с последующим сдвигом фазгармоник на четверть периода собственных частот и суммированием сдвинутых копий посредством квадратурныхфильтров и перемножают исходный сигнал напряжения с сопряженным сигналом тока и сопряженный сигнал напря-жения с исходным сигналом тока с помощью умножителей, определяют разность полученных произведений, используя сумматор с инверсным входом,т.е. получают функциюЛ л-8 (с) = ц (с)(с) -ц (с) 3. (с),ФВычисляют частное от деления сопряженного сигнала напряжения на сумму квадратов мгновенных значений измеренного и сопряженного сигналовнапряжения посредством генераторовквадратичных функций, сумматора иделителя, которое, используя умножитель, перемножают с полученной 1х(с) и реактивную 3.(С) составляющие1 О(+ ) - Я,+ р) ( + ) (д + )лл л л ( Ц 1 + ЦЦ + Ф 1 Ц 1)4 Ко +У ЗО разностью произведений, формируясигнал, пропорциочальный току компенсации (г) и генерируемый в питающую сеть,Датчики тока 1 и напряжения 2 измеряют напряжения, пропорциональные,мгновенным значениям тока, и напряжения сети, Измеренные сигналы поступают на первые входы умножителей3 и 4 и входы квадратурных фильтров40 5 и б, Алгоритм фильтрации соответствует прямому преобразованию Гильберта - все гармаоникй порядка К 1получают сдвиг фаз Т/4 К с сохранением амплитуд, где Т - период основной частотыСформированные фильтрами 5 и б сопряженные сигналы токаЪ/д(с) и напряжения 6(с) поступают,соответственно на вторые входиумножителей 4 и 3, на первых5 О входах которых присутствуют исходные сигналы напряжения и тока,измеренные датчиками, Умножитель 4вычисляет первое, а умножитель 3 -второе слагаемые сопряженной части8(с) аналитической функции 4 (с)мгновенной мощности, разность которых илн саму функцию вычисляет сумматор 7, для чего информация насуммирукиций вход последнего поступает с выхода умножителя 4, а на вычитающий - с выхода умножителя 3. Витоге на первый вход умножителя 8подается сигнал, пропорциональныйсопряженной части г, Квадратогибающей аналитической функции на,пряжения в процессе работы устройства вычисляют генераторы 9 и 10 квадратичных функций, на входы которых10непрерывно поступают мгновенные значения исходного и сопряженноге сигналов напряжения,. и сумматор 11,складывающий значения квадратовФункций с выходов генераторов 9 и 10,15Делитель 12 вычисляет частное от деления значений сопряженного сигналанапряжения и квадрата огибающейаналитической функции сигнала напряжения, которые формируются квадратурным фильтром 6 и сумматором 11. Част 20ное от деления, поступая на второйвход умножителя 8, перемножается ссигналом, пропорциональным -Б (Е) врезультате чего Формируется Функция,(2), В процессе работы устройствапоследовательное соединение трансформатора 14, выпрямителя 15 и фильтра16 образует двуполярный источник постоянного тока для питания усилителя,сглаживание выходного тока которогоосуществляет дроссель 18. При формировании сигнала управления усилителем 17 датчик 19 тока измеряет мгновенные значения напряжения, пропорциональные току компенсации, где егокоэффициент трансформации одинаковс тем же коэффициентом датчика 1 тока, Сумматор 20, один из входов которого инверсный, определяет рассогласование между управляющим и сформированным сигналами тока компенсации.Компаратор 21 из сигнала рассогласования Формирует две инверсные импульсные последовательности, изменяющие свою длительность согласноширотно-импульсному регулированию.Усилитель 22 обеспечивает необходимую мощность сигналов управления,Усилитель 17 совместно с дросселем 5018 формируют кривую тока, повторяющую по форме управляющий сигнал напрямом входе сумматора 20, Так в случае синусоидального режима питающейсети и активно-реактивному характеру нагрузки потребителя, когданапряжение сети и ток нагрузки= 1 соя яхпд В случае чисто активного характера нагрузки потребителя сопряженнаячасть аналитической функции мгновенной мощности равна нулю, что подтвердит сигнал на выходе сумматора 7.Как следствие устройство компенсации не функционирует. При активно-емкостном и активно-индуктивном характерах нагрузки токи компенсации (3)отличаются только знаками, а остаточный ток сети (4) носит чисто активный характер, т.е, совпадает по Форме с питающим напряжением, но обладает действующим значением в 1/сояЧ"раз меньше, чем до компенсации, Приэтом, если до компенсации нагрузкапотребляла активную мощность Р= П 1 соя Ч" при полной мощности Б=С 1,то в результате компенсации системакомпенсатор - потребитель потребляетактивную мощность, равную полноймощности или активной мощности докомпенсации,т,е,Рк = Б = П 1 сояуВ случае чисто реактивного характера нагрузки потребителя, когдал( = 4 (/2, ток сети д(О = О, что следует из выражений токов при активно-реактивном характере после подстановки значений = + ц /2, т.е. реактивный ток нагрузки генерирует устройство компенсации,П (с) = П яз.пас; 3. (с) =1 яз.п(сдС.Фу),где (+)-1(-) - операции соответствующие активно-емкостному и активно-индуктивному характеру нагрузки;функция тока компенсации, сформированная на выходе умножителя 8,равна.1 г,3. (1;) = - 1,я 1 п(01 +)- я 1 п(ИС +)(3)При этом квадратурные фильтры 5 и 6определяют сопряженные сигналы токанагрузки 1(с) = -1 соя(ЯС Ф ) инапряжения сети П(г) = -П соя(дс. Остаточный ток питающей сети равно сумме тока нагрузки и устройства компенсации+Б (с)копленной нагрузкой, возвращаемой в источник постоянного тока, питающего инвертора, через диоды моста возврата будет сведен к минимуму, определяемому временем задержки работы тракта формирования функции тока компенсации, Это дает возможность значительно уменьшить установленную мощность обратных диодов моста возврата инвертора и емкость конденсатора фильтра источника постоянного тока. В итоге уменьшается масса и габариты как фильтра источника, так и инвертора, а значит всего преобразователя, питающего нагрузку, в целом,П(0( ) ----- - -- У(С) 1. иЫ х1Ац (с)+О И) который приводят к уровню тока питаю-. щей сети.55 Согласно предлагаемому динамической компенсации остаточные ток и мгновенная мощность сети (источника) Отсюда следует совпадение знаков мгновенных значений остаточного тока с питающим напряжением и положительность ординат кривой остаточной мгно венной мощности, что подтверждает компенсацию обратных потоков- энергии. Действительно исходная часть аналитической функции мгновенной мощности Б (с) входящая в (5) и (6), 20 принимает только положительные значения, так как состоит из двух сопряженных слагаемых в смысле переменных составляющих. Поэтому когда одно из слагаемых принимает максимальное 25 значение, второе равно нулю и наоборот. Ири равенстве постоянных состав-ляющих обоих слагаемых их арифмети,ческая сумма всегда больше или равна по модулю сумме переменных составляющих. Знаменатели выражений (5) и (6) или значения квадрата оги бающей аналитической функции сигнала. напряжения являются положительно определенными величинамц. В итоге35 функция остаточного тока соответствует функции напряжения сети, промодулированной исходной частью аналитической функции мгновенной мощности и квадратом огибающей аналитической функцией сигнала напряжения.Применим способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности при питании нагрузки потребителя от генератора несинусоидальной формы напряжения (напрнмер, инвертора напряжения), питаемого от сети переменного тока и являющегося промежуточным звеном между сетью и потребителем. При этом объем энергии, нав процессе компенсации становятсяравными л Лц (с) х Ы + п(с) (0; (5) Формула изобретения Способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности в питающей сети, соединенной с потребителем и компенсатором заключающийся в том, что измеряют напряжение, пропорциональное мгновенным значениям тока ь(Г.) потребителя, и напряжение, пропорциональное мгновенным значениям питающего напряжения Б(О, и генерируют в питающую сеть ток компенсации, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьппения качества компенсации при любых формах напряжения и тока, формируют сопряженные сигналы напряжения О(1) и тока з.(С) путем разложения измеренных сигналов на гармонические составляющие с последуюп;им сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных частот и суммированием их, получают сигнал тока, пропорциональный току компенсации по формуле1550592 Составитель ГДамскаяредактор Т.Парфенова Техред М,Ходанич Корректор М,Макс 277 ТиражГосударственного113035,. ака дписно пр Произ стввнно-издательский комбинат "Патент", г. Ужг Гагарина, 10.1 Ъ Ф комитета по изобретениям и открыти Москва, И, Раушская наб., д. 4/