Способ управления фильтром высшей гармоники в системе электроснабжения

)4 Н 02 8 КОМИТЕТ ОТНРЫТИ ГОСУД АРСТ 8 ЕННЫПО ИЗОБРЕТЕНИЯПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ЕТЕНИЯ итут ий ин ко 8; во СССР 18, 1984. ИЯ ФИЛЬТРОМ ВЫСЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБтроэ зова лек к ракт вк 2 изации спооба;анало аовыхгласую осится к электробыть использоваппленного электро 4 - схема фиксации лов; на фиг, 5 - с устройства; на фиг управления; на фи рователя сигналов фиг,сигна е хемасхема их нагрузки с неерными характе)й элект оп иво блок форм рав ния. ется тиль стик лектр е ле етствин В соотия (фиг,схемои заме ходное сопро.тивети, внешней поелинейной нагруз 2) полное трической ение эле отноше кой, н н ветви с оте 1-й рмоники рав(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНШЕЙ ГАРМОНИКИ В СИСТ Изобретение относится к элекергетике и может быть испольо в системах промышленного роснабжения, содержащих нагруз нелинейными вольт-амперными ха ристиками (вентильный электрод, электротехнологические устаэлектрифицированный трансИзобретение отнэнергетике и можетно в системах промьснабжения, содержалинейными вольт-амп ами (вен нь р ротехнологнческие установки, ктрифицированный транспорт и др.) Целью изобретения является уменьие потерь электрической энергии. На фиг, 1 приведена упрощенная ма узла системы электроснабжения; фиг. 2 - схема замещения; на3 - функциональная схема устройпорт). Целью изобретения является , уменьшение потерь электрической энергии. Изобретение позволяет улучшить качество электроэнергии путем настройки фильтра высшей гармоники, которая обеспечивает минимальное значение модуля входного сопротивления системы электроснабжения, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой, Для этого в каждом цикле управления одновременно измеряют квадратурные составляющие гармоники напряжения на шинах питания нелинейной нагрузки, гармоники тока в цепи питания этой нагрузки и гармоники тока в цепи фильтра высшей гармоники. Определяют полные входные сопротивления фильтра и системы электроснабжения, питающей нелинейную нагрузку и устанавливают новое значение реактивного,сопротивления фильтра, вычисленное по формуле, укаэанной в тексте описания, 7 ил. ность изобретения поя1458926 ь,) ь1.вх ) 1)+Ь) мы,10Модуль входного сопротивления сети на частоте )-й гармоники можно записать в виде следующего выражения (индекс 4 опущен)(2) Если опр ние реактивансного Фильачение моду 2 я сети, внешить знач езо м з ного сопротивлтра (Х), приля входного соней по отношенй нагрузкой о тра, ставляюитающей оти нелинеию к ветв инимальн щие сис на частоте меть место но моники, то буде отноше 7 Х Х 8-(2 г г,+г+Х Введя обоз Формула (3) згде составляющие ги Х ф получены путем измерения значений напряженияи тока. В каждом цикле управления всоответствии с основной формулЬй (4)устанавливают новое значение реактивного сопротивления фильтра.Устройство для реализации способа (фиг. 3) содержит трансформатор1 тока в цепи питания нелинейной нагрузки, трансформатор 2 напряжения,подключенный к шине питания нелиней 45 ной нагрузки, трансформатор Э токав цепи силового фильтра, схему 4 фиксации аналоговых сигналов, блок 5управления, аналого-цифровой преобразователь 6, вычислительное устрой 50 ство 7, формирователь 8 сигнала управления силовым фильтром и управляемый элемент 9 реактивного сопротивления силового фильтра 10, нелинейнуюнагрузку 11.Устройство работает следующим образом,По сигналу из блока 5 онизированного сетью через тр м2, схема 4 запоминает тр т,синхр анефор ойку ( аторри) улами: где Ь =Ъ,)+Х 4)- полное сопротивлеФ) Фние резонансногоффильтра;Ь =г)+,)Х - полное сопротивле-.ние питающей систеМинимум потерь электроэнергии вэлементах фильтра и питающей системы имеет место при минимальном значении уровня остаточного напряжениягармоники на шинах питания нелиней-ной нагрузки.В свою очередь, минимальное значение остаточного напряжения имеет место при минимуме модуля входного сопротивления всей электрической сети,внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой, Следовательно,Формула (4) определяет оптимальнуюнастройку фильтра,Из формулы (4) следует, что дляопределения искомого значения реактивного сопротивления фильтра необходимо знать полное сопротивлениепитающей системы,Его значение удобно получить по результатам измерения полного входи го сопротивления электрической сети и полного сопротивления силового фильтра в соответствии с Форм+ЛЬ = - - -=г +Х ; р (Т +д у Вк вход к+3 с- - =г+ХФ, (6)ф+Лсфгде г,Х - активная и реактивнаяЭхф ЬХсоставляющие полноговходного сопротивления; к ф ффс иф ф пары квадраных составляющих гармоник соответственно напряжения на шинах питаниянелинейной нагрузки, тока в цепи питания этойнагрузки и тока в цепирезонансного фильтра;гф,Х- активная и реактивнаясоставляющие полного сопротивления спользуя (1), получим полного сопротивления емы: Х,= -(Х,/г,/ -ХфВ,/); г,= -(гц,/Ьф/ -г/Ь,/ ) В=(г,-г )+(Х,-Хф) . В этих формулах(9) зо Х(К)= Е х(п) е где Х(К) - комплексное значение К-йгармоники;х(п) - последовательность эквидистантных отсчетов (ВьР"борок) мгновенных значений непрерывной кривой(в нашем случае, тока илинапряжения);Б - количество отсчетов на 40одном периоде кривой;п=1,2Б; 3-Яв которой вместо чисел х(п) используются выборки соответствующей кривой. Затем вычислительное устройство 45 7 производит вычисление величин Ь и Ьф соответственно по формулам (5) и (6) и значения искомого параметра Х по формуле (4). После этого вычислительное устройство 7 передает вычисленное значение Хф на входфор-, мирователя 8, который одновременно осуществляет пропорциональное Х регулирование управляемого элемента силового фильтра и формирует импульс запуска блока 5. Этот импульс является сигналом начала следующего цикла работы устройства для управления силовым фильтром внешней гармоники мгновенных значений сигналов, имеющих место на вторичных обмотках трансФорматоров 1, 2 и 3. После этого блок 5 вырабатывает последовательно во времени три одинаковые серии иэ5 двух импульсов, Первым управляется схема 4, на выходе которой появляется мгновенное значение первого из трех сигналов, хранящихся в памяти 10 схемы 4 (например, мгновенное значение сигнала с выхода трансформатора, а в третьей - трансформатора 3),Все описанные процессы циклически повторяются И раз через одинако вые промежутки в течение времени длительностью в один период основной частоты сети, В результате в вычислительное устройство за время одногопериода частоты сети. поступают ЗБ 20 выборок (отсчетов) трех непрерывных аналоговых сигналов. Вычислительное устройство 7 производит счет,количества выборок до ЗМ. После этого оно вычисляет квадратурные составляющие 25 11, 13, 1, 1 1 и Т,по формуле дискретного преобразования Фурье, т.е. в системе электроснабжения, Следуюший цикл идентичен предыдущему,Длительность цикла управленияпри умеренных требованиях к быстродействию вычислительного устройствасоставляет 0,2-0,5 с,Схема 4 Фиксации аналоговых сигналов (Фиг. 6) содержит согласующиеустройства 12, Фильтры 13 нижнихчастот, схемы 14 выборки - запоминания и аналоговый коммутатор 15.Согласуищие устройства 12 необходимы для того, чтобы преобразовать;вторичный ток трансформаторов 1 и 3в напряжение, которое более удобнодля дальнейшей обработки.Согласующее устройство реализовано по схеме активного трансформаторатока (Фиг. 5). Эта схема, состоящая иэ трансформатора ТР и операционного усилителя ОУ, обеспечиваетгальваническую развязку и имеет линейную амплитудно-Фазочастотную характеристику в широкой частотной полосе. Фильтры 13 нижних частот нужны для ограничения по спектру сигналов, поступающих на их входы, Ограничение необходимо для того, чтобыисключить погрешности иэ-за эффекта"наложения частот" при дальнейшейобработке и вычислении квадратурныхсоставляющих высшей гармоники вычис"лительным устройством 7. Частота среза Р Фильтров 13 должна выбиратьсяиэ соотношения (условия теоремы Котельниковаеннона о дискретизации).Р21 С.,где 1" =50 Гц - частота первой гармоники сети,Схема 4 фиксации работает следующим образом,По сигналу из блока 5 срабатываютсхемы 14 и запоминают мгновенные значения, Затем на управляющий вход аналогового коммутатора из блока 5 посту.пают последовательно три сигнала, акоммутатор поочередно передает аналоговые значения на выход схемы 4,Блок 5 управления (Фиг, 6) содержит компаратор 16, умножитель 17 частоты, одновибраторы 18, логическиеэлементы И 19, 20, двоичные счетчики21 и 22, триггеры 23-25, кнопку 26 илогический элемент ИЛИ 27. Компаратор 16 необходим для Формированияпрямоугольных импульсов в моменты пе-.рехода через нуль напряжения сети,14589268 5 10 20 30 35 40 45 50 55 Умножитель 17 частоты умножает частоту входной импульсной последовательности, порождая на первом выходетактовый сигнал с частотой Ъ И разбольше частоты сети а на втором выходе - вспомогательную последовательность импульсов частоты большей, чемтактовая, например в 8. раз (Б - каки прежде, количество мгновенных зна"чений аналогового сигнала на периодеосновной частоты сети).Блок 5 работает следующим образом.Исходное положение блока задаетсянажатием кнопки 26, При этом триггер23 через элемент 27 сбрасывает в "0"счетчик 21, устанавливает триггер 24в положение, при котором он создаетразрешающий потенциал на входе элемента 19, и запрещает прохождениеимпульсов через элемент 19, При отпускании кнопки триггер 23 выдаетсигнал, который разрешает прохождениеимпульсов через элемент 19 и через 2элемент 27 выдает сигнал, разрешающий счет счетчику 21, Счетчик 21производит счет импульсов до Б, асчетчик 22 - до тех трех, На выходеодновибратора 18 имеют место задержанные импульсы частотой 8 И, Первыетри импульса с выхода этого одновибратора .проходя через элементы 19и 20, изменяют состояние счетчика22 кодовое слово которого управляет аналоговым коммутатором 15 и является выходным сигналом блока 5.Импульс переполнения счетчика 22изменяет состояние триггера 25 напротивоположное, который запираетэлемент 20, запрещая прохождениеимпульсов на вход счетчика 22.Триггер 25 выдает разрешение на прохождение следующих трех импульсов всчетчик 22 только к моменту прихода следующего импульса тактовой ча-стоты с выхода умножителя 17. Одновибратор 18 с задержкой по времениотносительно каждого входного импульса счетчика 22 формирует импульсы запуска аналого-цифрового преобразователя 6,По истечении И тактовых импульсов на выходе счетчика 21 появляетсясигнал переполнения, изменяющий состояние триггера 24 на противоположное, Триггер 24 запирает элемент 19,На этом заканчивается один цикл работы блока 5.Следующий цикл работы блока 5 начинается при появлении импульса на входе элемента 27, поступающего от формирователя 8. Таким образом, кнопка 26 необходима только для начального пуска блока , а вся дальнейшая работа осуществляется автоматически. Умножитель 17 частоты выполнен по схеме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с делителем частоты в цепи обратной связи.В качестве вычислительного устройства 7 может быть использована серийная микроЗВМ или микроконтроллер. Конструктивное выполнение формирователя может быть различным в зависимости от конструкции управляемого элемента 9 реактивного сопротивлениясилового фильтра. Формирователь сигналов может быть выполнен по схеме на фиг. 7. Схема содержит регистр 28, цифроаналоговый преобразователь 29 и усилитель 30 мощности, Формирователь работает так. По сигналупоступающему по одной из линий выхода данных вычислительного устройства 7 (этот же сигнал является вторым выходом формирователя 8, поступающим на первый входблока 5), срабатывает регистр 28 изапоминает код выходного слова вычислительного устройства 7, Одновременно этот код поступает на вход преобразователя 29, который преобразует его в аналоговое напряжение. Усилитель 30 пропорциональноусиливает это напряжение по мощности (по току) и,тем самым, регулирует величину индуктивного сопротивления управляемогоэлемента 9 силового фильтра высшейгармоники.Предложенный способ управленияфильтром высшей гармоники в системе электроснабжения обладает следующими основными преимуществами:уменьшаются потери электроэнергии, обусловленные током гармоники в цепи фильтра и в элементах системы, питающейнелинейную нагрузку: повышается качество электроэнергии, так как мини-.мизируется уровень остаточного напряжения гармоники на шинах питаниянелинейной нагрузки; повышается надежность работы фильтра, что обусловлено снижением несинусоидальностинапряжения, приложенного к батарееконденсаторов, и уменьшением действующего значения несинусоидальноготока в цепи фильтра.1458926 10е н и я где г,Х - активная и реактивнаябхай вхсоставляющие полного входвысшей ного сопротивления;Г к+311Ьемьх (1 +км Способ управления фильтром гармоники в системе электроснабжения,5 содержащей нелинейную нагрузку, заключающийся в том, что регулируют реактивное сопротивление резонансного фильтра, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения потерь электроэнергии, управление производят идентичными независимыми циклами, причем в каждом цикле управле- ния одновременно измеряют квадратурные составляющие 0, 0 с напряжения гармоники на шинах питания нелинейной нагрузки, квадратурные составляющие 1 , 1 тока гармоники в цепи питания нелинейной нагрузки, квадратурные составляющие 1, 1 тока гар О моникив цепи резонансного фильтра, определяют полное сопротивление элек" трической сети, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой, по формуле 25 13 к+3 УсЬ = -г+1 Хф, кФ 1 ХФ 7 ХФ о р м у;ла и з о 6 р е т и полное сопротивление резонансногофильтра по формуле где гф,Х - активная и реактивнаясоставляющие полного сопротивления фильтра, и устанавливают новое значение реактивного сопротивления резонансного фильтра равным вычисленному по фор- муле де В=(г,-г) +(Х-Х) Х,= -(Х, /Ьф/-Х,/т /);1458926 Составитель О,Наказнаяелемеш Техред И.Дидык Корректор О,Кравцова Редакт аказ 374/56 Тираж 605 НЯИПИ Государственного комитета п 113035, Москва, Ж одписно СССР зобретениям и открытиям при Раушская наб., д. 4/5 Произво енно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная,