PL223837B1 - Układ hybrydowego wielofazowego kompensatora przepięć i zapadów napięcia przemiennego - Google Patents

Abstract

Układ ma pierwsze końce głównych uzwojeń wtórnych transformatora (WG1, WG2,..., WGN) połączone z odpowiadającymi im zaciskami (U1, U2,..., UN) n-fazowego odbiornika (ODB). Pierwsze końce pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora (WP1, WP2,...., WPN) połączone są z odpowiadającymi im wejściowymi zaciskami przekształtnika AC/AC. Drugie końce głównych uzwojeń wtórnych transformatora (WG1, WG2,..., WGN) połączone są z odpowiadającymi im zaciskami wyjściowymi przekształtnika AC/AC. Drugie końce pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora (WP1, WP2,..., WPN) połączone są ze sobą. Do zacisków (U1, U2, ..., UN) n-fazowego odbiornika (ODB) przyłączony jest sterownik kompensatora (SK), którego wyjścia dołączone są do zacisków sterujących odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania (ŁZ1, ŁZ2,..., ŁZN) i dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika (ŁO1, ŁO2,..., ŁON).

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy układu hybrydowego wielofazowego kompensatora przepięć i zapadów napięcia przemiennego znajdującego zastosowanie w elektroenergetyce.

Z książek: Kalesz J.: Transformatory: układy nastawiania przekładni, WNT, Warszawa 1968; Jezierski E.: Transformatory, WNT, Warszawa 1975 znane są układy transformowania napięć przemiennych oparte na konwencjonalnych transformatorach elektromagnetycznych prądu przemiennego oraz układy bazujące na energoelektronicznych przekształtnikach prądu przemiennego. Układy transformowania napięcia przemiennego z konwencjonalnymi transformatorami elektromagnetycznymi prądu przemiennego realizują separację galwaniczną pomiędzy źródłem a odbiornikiem energii. W transformatorach ze stałą przekładnią napięciową mają one jednak zasadniczą wadę w postaci braku możliwości sterowania napięciem po stronie wtórnej transformatora. Transformatory wyposażone w zmieniacze odczepów sterowanie napięciem realizują w sposób skokowy, w wąskim zakresie, z niską dynamiką i często w stanie beznapięciowym, co należy uznać za zasadnicze wady. Układy bazujące na przekształtnikach energoelektronicznych AC/AC charakteryzują się dużą dynamiką, jednak ich zasadniczą wadą jest brak separacji galwanicznej pomiędzy źródłem zasilania a obciążeniem.

Z publikacji Sasitharana Subramaniana i Mahesha Kumara Mishra: Interphase AC-AC Topology for Voltage Sag Suporter, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 25, No 2, February 2010 znany jest układ międzyfazowego kompensatora zapadów napięcia wykorzystujący zarówno konwencjonalny transformator elektromagnetyczny jak i transformator dodawczy oraz przekształtnik AC/AC. Opisany układ jest przeznaczony do pracy w systemie trójfazowym, czteroprzewodowym. Jest to układ szeregowego kompensatora zapadów napięcia, w którym uzwojenia wtórne transformatora dodawczego przyłączone są szeregowo pomiędzy odpowiadającymi im zaciskami fazowymi źródła a obciążenia. Każdy z trzech transformatorów dodawczych ma po dwa uzwojenia pierwotne, z których każde przyłączone jest do wyjściowych zacisków przekształtnika AC/AC o charakterze obniżającym napięcie. Zaciski wejściowe przekształtników AC/AC jednostronnie przyłączone są międzyfazowo do dwóch faz 3-fazowego źródła innych niż uzwojenie wtórne transformatora dodawczego przyłączonego do zacisków wyjściowych tych przekształtników. Drugostronnie zaciski wejściowe przekształtnika prz yłączone są w punkcie wspólnym stanowiącym punkt neutralny czteroprzewodowego systemu trójfazowego napięcia przemiennego. Zasadniczą wadą tego rozwiązania jest brak separacji galwanicznej pomiędzy źródłem zasilania a obciążeniem oraz zdolność kompensacji jedynie zapadów napięcia, bez możliwości kompensacji przepięć.

Z artykułu Joaquina Vequero Lopeza, Juana Carlosa Campo, Santiago Monteso Fernandeza, Salvadora Martineza Garcie oraz Miguel Angela Peraza Garcie: Analysis of Fast Onload MultitapChanging Clamped-Hard-Switching AC Stabilizers opublikowanego w IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 21, No 2, April 2006 znany jest układ stabilizatora napięcia przemiennego, w którym uzwojenie wtórne transformatora jednofazowego wyposażone jest w wiele odczepów, z których każdy przyłączony jest do jednego z dwóch zacisków dwukierunkowego łącznika energoelektronicznego. Drugostronnie zaciski łączników energoelektronicznych poprzez elementy o charakterze indukcyjnym przyłączone są do obciążenia. Wadą tego rozwiązania jest konieczność stosowania wielu łączników energoelektronicznych, co zwłaszcza w przypadku rozwinięcia układu do struktury wielofazowej znacznie skomplikuje układ.

Z artykułu Eddy C. Aeloiza, Prased N. Enjeti, Luis A. Moran, Oscar C Montero-Hernandez i Sangsun Kim: Analysis and Design of a New Voltage Sag Compensator for Critical Loads in Electrical Power Distribution System opublikowanego w IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 39, No 4, July/August 2003 znany jest układ kompensatora zapadów napięcia, w którym trójfazowy tran sformator elektromagnetyczny współpracuje z impulsowym przekształtnikiem AC/AC. Uzwojenia pierwotne trójfazowego transformatora skonfigurowane w gwiazdę przyłączone są do trójfazowego źródła zasilania. Punkt wspólny strony pierwotnej transformatora przyłączony jest do punktu neutralnego źródła zasilania. Każde z uzwojeń wtórnych transformatora przyłączone jest do zacisków wejściowych przekształtnika AC/AC. Zaciski wyjściowe przekształtnika AC/AC włączone są szeregowo pomiędzy fazowe zaciski źródła zasilania a odbiornika. Wadą takiego rozwiązania jest brak separacji galwanic znej pomiędzy źródłem zasilania a odbiornikiem.

Z opisu patentowego US 2010/0201338 A1 znany jest układ hybrydowego transformowania napięcia, w którym transformator elektromagnetyczny współpracuje z przekształtnikiem AC/DC/AC zawierającym obwód pośredniczący prądu stałego. Transformator wyposażony jest w dwa uzwojenia

PL 223 837 B1 wtórne w każdej fazie. Przekształtnik AC/DC/AC przyłączony jest do jednego z dwóch wydzielonych uzwojeń wtórnych. Pomiędzy zaciski wyjściowe przekształtnika AC/DC/AC a obciążenie szeregowo przyłączone jest drugie z uzwojeń wtórnych. Zastosowanie trójfazowego transformatora elektromagnetycznego z dwoma uzwojeniami wtórnymi w każdej fazie oraz trzech jednofazowych przekształtników AC/DC/AC pozwala na rozbudowanie obwodu do układu trójfazowego. Do obwodu pośredniczącego prądu stałego przyłączone jest źródło energii DC. Wadą takiego rozwiązania jest konieczność stosowania dwustopniowego przekształcania AC/DC i DC/AC oraz konieczność stosowania dodatkowych urządzeń nadzorujących pracę i eksploatację magazynu energii DC.

Wolnym od przedstawionych niedogodności jest układ hybrydowego wielofazowego kompensatora przepięć i zapadów napięcia przemiennego o n fazach zawierający transformator o n uzwojeniach pierwotnych i odpowiadających im n głównych uzwojeniach wtórnych i n pomocniczych uzwojeniach wtórnych, w którym według wynalazku pierwsze końce głównych uzwojeń wtórnych transformatora połączone są z odpowiadającymi im zaciskami n-fazowego odbiornika. Pierwsze końce pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora połączone są z pierwszymi zaciskami odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania oraz z pierwszymi zaciskami odpowiadających im kondensatorów strony zasilania. Drugie zaciski dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania połączone są z pierwszymi zaciskami dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika i z pierwszymi zaciskami odpowiadających im elementów indukcyjnościowych. Drugie zaciski dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika połączone są z pierwszymi zaciskami odpowiadających im kondensatorów strony odbiornika i z drugimi końcami głównych uzwojeń wtórnych transformatora. Drugie końce pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora połączone są ze sobą tworząc wspólny węzeł, do którego przyłączone są drugie zaciski kondensatorów strony odbiornika zasilania, drugie zaciski elementów indukcyjnościowych i drugie zaciski kondensatorów strony odbiornika. Do zacisków n-fazowego odbiornika przyłączony jest sterownik kompensatora, którego wyjścia dołączone są do zacisków sterujących odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania i dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika.

Korzystnie sterownik kompensatora na wejściach przyłączanych do odpowiadających im zacisków n-fazowego odbiornika wyposażony jest w detektory wartości szczytowej napięcia podające sygnały proporcjonalne do wartości maksymalnych napięć do węzłów sumacyjnych, do których podawane jest napięcie referencyjne ze źródła napięcia referencyjnego. Sygnały wyjściowe z węzłów sumacyjnych podawane są do odpowiadających im regulatorów typu PI, a z nich do odpowiadających im modulatorów szerokości impulsu PWM, z których otrzymywane są parami wzajemnie zanegowane sygnały podawane do zacisków sterujących odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania i dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika.

Zaletą układu według wynalazku jest szeroki zakres płynnej regulacji napięcia obciążenia przeprowadzany z dużą dynamiką, pozwalający na stabilizację napięcia obciążenia w warunkach głębokich przepięć i zapadów napięcia zasilania. Ponadto zastosowanie bezpośredniego przekształtnika AC/AC jakim jest sterownik matrycowo-reaktancyjny pozwala na eliminację obwodu pośredniczącego prądu stałego, a tym samym magazynów energii elektrycznej prądu stałego i układów kontrolnopomiarowych nadzorujących eksploatację zasobników energii prądu stałego. Dodatkowym atutem w porównaniu do znanych rozwiązań jest separacja galwaniczna pomiędzy źródłem zasilania a obciążeniem.

Układ hybrydowego wielofazowego kompensatora przepięć i zapadów napięcia przemiennego został pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat połączeń elementów w obwodzie głównym kompensatora oraz ze sterownikiem kompensatora, fig. 2 przedstawia schemat blokowy sterownika kompensatora, a fig. 3 przestawia schemat dwukierunkowego łącznika energoelektronicznego.

Układ hybrydowego wielofazowego kompensatora przepięć i zapadów napięcia przemiennego o n fazach zawiera transformator TR o n uzwojeniach pierwotnych P1, P2, ..., PN i odpowiadających im n głównych uzwojeniach wtórnych WG1, WG2, ..., WGN i n pomocniczych uzwojeniach wtórnych WP1, WP2, ..., WPN. Początki uzwojeń transformatora TR na fig. 1 oznaczone są kropką. Do początku pierwszego uzwojenia pierwotnego P1 przyłączony jest przewód pierwszej fazy L1 źródła zasilania. Do początku drugiego uzwojenia pierwotnego P2 przyłączony jest przewód drugiej fazy L2 źródła zasi4

PL 223 837 B1 lania, a do początku n-tego uzwojenia pierwotnego PN przyłączony jest przewód n-tej fazy LN źródła zasilania. Drugie końce uzwojeń pierwotnych P1, P2, ..., PN połączone są ze sobą.

Pierwsze końce głównych uzwojeń wtórnych WG1, WG2, ..., WGN, stanowiące ich początki, przyłączone są do odpowiadających im zacisków U1, U2, ..., UN n-fazowego odbiornika ODB. Pierwsze końce pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora WP1, WP2, ..., WPN, stanowiące ich początki, połączone są z pierwszymi zaciskami O1 odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania ŁZ1, ŁZ2, ..., ŁZN oraz z pierwszymi zaciskami odpowiadających im kondensatorów strony zasilania CZ1, CZ2, ..., CZN. Drugie zaciski O2 dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania ŁZ1, ŁZ2, ..., ŁZN połączone są z pierwszymi zaciskami O1 dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika ŁO1, ŁO2, ..., ŁON i z pierwszymi zaciskami odpowiadających im elementów indukcyjnościowych LL1, LL2, ..., LLN. Drugie zaciski O2 dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika ŁO1, ŁO2, ..., ŁON połączone są z pierwszymi zaciskami odpowiadających im kondensatorów strony odbiornika CO1, CO2, ..., CON i z drugimi końcami głównych uzwojeń wtórnych transformatora WG1, WG2, ..., WGN. Drugie końce pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora WP1, WP2, ..., WPN połączone są ze sobą tworząc wspólny węzeł W, do którego przyłączone są drugie zaciski kondensatorów strony odbiornika zasilania CZ1, CZ2, ..., CZN, drugie zaciski elementów indukcyjnościowych LL1, LL2, ..., LLN, drugie zaciski kondensatorów strony odbiornika CO1, CO2, ..., CON.

Do zacisków U1, U2, ..., UN n-fazowego odbiornika ODB przyłączony jest sterownik kompensatora SK, który na odpowiadających wejściach wyposażony jest w detektory wartości szczytowej napięcia P1, P2, ..., PN podające sygnały proporcjonalne do wartości maksymalnych napięć UM1, UM2, ..., UMN do węzłów sumacyjnych S1, S2, ..., SN, do których podawane jest napięcie referencyjne UR ze źródła napięcia referencyjnego ZNR. Sygnały wyjściowe z węzłów sumacyjnych S1, S2, ..., SN podawane są do odpowiadających im regulatorów proporcjonalno-całkujących PI R1, R2, ..., RN, a z nich do odpowiadających im modulatorów szerokości impulsu PWM M1, M2, ..., MN, z których otrzymywane są parami wzajemnie zanegowane sygnały podawane do zacisków sterujących S odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania ŁZ1, ŁZ2, ..., ŁZN i dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika ŁO1, ŁO2, ..., ŁON.

Każdy dwukierunkowy łącznik energoelektroniczny strony zasilania ŁZ1, ŁZ2, ..., ŁZN i dwukierunkowy łącznik energoelektroniczny strony odbiornika ŁO1, ŁO2, ..., ŁON zbudowany jest z dwóch diod D1 i D2 oraz dwóch tranzystorów T1 i T2 i wyposażony jest w dwa wyjściowe zaciski O1 i O2 oraz zacisk sterowania S. Pierwsza dioda D1 ma katodę połączoną z kolektorem pierwszego tranzystora T1 i z pierwszym wyjściowym zaciskiem O1. Druga dioda D2 ma katodę połączoną z kolektorem drugiego tranzystora T2 i z drugim wyjściowym zaciskiem O2. Anody diod pierwszej D1 i drugiej D2 połączone są razem z kolektorami tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2. Bramki tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2 połączone są z zaciskiem sterującym S, przez który sterownik kompensatora SK steruje pracą poszczególnego dwukierunkowego łącznika energoelektronicznego strony zasilania ŁZ1, ŁZ2, ...., ŁZN i dwukierunkowego łącznika energoelektronicznego strony odbiornika ŁO1, ŁO2,..., ŁON.

Claims (2)

1. Układ hybrydowego wielofazowego kompensatora przepięć i zapadów napięcia przemiennego o n fazach zawierający transformator o n uzwojeniach pierwotnych i odpowiadających im n głównych uzwojeniach wtórnych i n pomocniczych uzwojeniach wtórnych, w którym n-fazowe przewody źródła zasilania przyłączone są do jednych końców odpowiadających im uzwojeń pierwotnych transformatora, którego drugie końce uzwojeń pierwotnych połączone są ze sobą i zawierający dwukierunkowe łączniki energoelektroniczne oraz kondensatory, znamienny tym, że pierwsze końce głównych uzwojeń wtórnych transformatora (WG1, WG2, ..., WGN) połączone są z odpowiadającymi im zaciskami (U1, U2, ..., UN) n-fazowego odbiornika (ODB), pierwsze końce pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora (WP1, WP2, WPN) połączone są z pierwszymi zaciskami (O1) odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania (ŁZ1, ŁZ2, ..., ŁZN) oraz z pierwszymi zaciskami odpowiadających im kondensatorów strony zasilania (CZ1, CZ2, ..., CZN), drugie zaciski (O2) dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania (ŁZ1, ŁZ2, ..., ŁZN) połączone są z pierwszymi zaciskami (O1) dwukierunkowych łączników energoelektronicznych

PL 223 837 B1 strony odbiornika (ŁO1, ŁO2, ŁON) i z pierwszymi zaciskami odpowiadających im elementów indukcyjnościowych (LL1, LL2, LLN), drugie zaciski (O2) dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika (ŁO1, ŁO2, ..., ŁON) połączone są z pierwszymi zaciskami odpowiadających im kondensatorów strony odbiornika (CO1, CO2, ..., CON) i z drugimi końcami głównych uzwojeń wtórnych transformatora (WG1, WG2, ... WGN), drugie końce pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora (WP1, WP2, ..., WPN) połączone są ze sobą tworząc wspólny węzeł (W), do którego przyłączone są drugie zaciski kondensatorów strony odbiornika zasilania (CZ1, CZ2, ..., CZN), drugie zaciski elementów indukcyjnościowych (LL1, LL2, ..., LLN), drugie zaciski kondensatorów strony odbiornika (CO1, CO2, ..., CON), zaś do zacisków (U1, U2, ..., UN) n-fazowego odbiornika (ODB) przyłączony jest sterownik kompensatora (SK), którego wyjścia dołączone są do zacisków sterujących (S) odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania (ŁZ1, ŁZ2, ..., ŁZN) i dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika (ŁO1, ŁO2, ..., ŁON).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że sterownik kompensatora (SK) na wejściach przyłączanych do odpowiadających im zacisków (U1, U2, ..., UN) n-fazowego odbiornika (ODB) wyposażony jest w detektory wartości szczytowej napięcia (P1, P2, ..., PN) podające sygnały proporcjonalne do wartości maksymalnych (UM1, UM2, ..., UMN) do węzłów sumacyjnych (S1, S2, ..., SN), do których podawane jest napięcie referencyjne (UR) ze źródła napięcia referencyjnego (ZNR), zaś sygnały wyjściowe z węzłów sumacyjnych (S1, S2, ..., SN) podawane są do odpowiadających im regulatorów typu PI (R1, R2, ..., RN), a z nich do odpowiadających im modulatorów szerokości impulsu PWM (M1, M2, ..., MN), z których otrzymywane są parami wzajemnie zanegowane sygnały podawane do zacisków sterujących (S) odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania (ŁZ1, ŁZ2, ..., ŁZN) i dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika (ŁO1, ŁO2, ..., ŁON).