PL224295B1 - Układ kompensatora aktywnego mocy biernej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ kompensatora aktywnego mocy biernej do płynnej stabilizacji współczynnika mocy, zwłaszcza dla obwodów z odbiornikami o silnie nieliniowym charakterze obciążenia.

Znane są dotychczas układy trójfazowych, trójprzewodowych, równoległych energetycznych kompensatorów aktywnych mocy biernej, sterowane według algorytmu, wynikającego z opracowanej w dziedzinie czasu teorii mocy p-q. Wadą rozpatrywanego układu jest to, iż w przypadku silnie zniekształconych napięć fazowych w obwodzie sieci zasilającej, składowe aktywne prądu, związane z tradycyjnie definiowaną mocą czynną, a wykorzystane w układzie sterowania rozpatrywanego kompensatora aktywnego mocy biernej, jako sygnały referencyjne, są silnie zniekształcone, o wysokiej zawartości wyższych harmonicznych prądu.

Znane są również układy trójfazowych, trójprzewodowych równoległych energetycznych kompensatorów aktywnych mocy biernej, sterowane według algorytmu, wynikającego z opracowanej w dziedzinie częstotliwości, teorii składowych fizycznych prądu. Wadą tego układu jest to, iż w przypadku zniekształconych napięć w obwodzie sieci zasilającej, składowe aktywne prądu, wykorzystane w układzie sterowania przedmiotowego kompensatora aktywnego, jako sygnały referencyjne, są również zniekształcone, proporcjonalnie do stopnia zniekształcenia napięć fazowych w obwodzie sieci zasilającej.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie tych wad w układzie sterowania równoległym, energetycznym kompensatorem aktywnym mocy biernej, bazującym na teorii składowych fizycznych prądu, poprzez zastosowanie na wejściu układu obliczania składowych aktywnych prądu, filtrów pasmowoprzepustowych w celu wyłonienia harmonicznych 1-go rzędu napięć fazowych sieci zasilającej oraz ich uśrednieniu.

W układzie kompensatora aktywnego mocy biernej, zawierającym falownik prądowy, połączony z regulatorami prądu i siecią zasilającą, wyjścia sygnałowe czujników pomiarowych napięć fazowych połączono z wejściami napięciowymi czujnika pomiaru mocy czynnej oraz wejściami sygnałowymi kolejno: filtru pasmowo-przepustowego w obwodzie fazy a, filtru pasmowo-przepustowego w obwodzie fazy b i filtru pasmowo-przepustowego w obwodzie fazy c. Wyjścia sygnałowe czujników pomiarowych prądów fazowych, połączone są z wejściami prądowymi czujnika pomiaru mocy czynnej oraz kolejno z wejściami pomiarowymi regulatorów prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, natomiast wyjścia sygnałowe filtrów pasmowo-przepustowych: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączono odpowiednio z wejściami sygnałowymi układów pomiaru amplitudy: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c oraz odpowiednio z pierwszymi wejściami sygnałowymi układów mnożących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c. Wyjścia sygnałowe układów pomiarowych amplitudy: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączono z wejściami sumacyjnymi, trójwejściowego układu sumatora, a także kolejno z wejściami sygnałowymi dzielnika, układów dzielących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c. Wyjście sygnałowe, trójwejściowego układu sumatora, połączone jest z wejściem sygnałowym układu wzmocnienia proporcjonalnego, zaś wyjście sygnałowe układu wzmocnienia proporcjonalnego, połączone jest kolejno z wejściami sygnałowymi dzielnej, układów dzielących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, natomiast wyjścia sygnałowe układów dzielących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączono odpowiednio z drugimi wejściami sygnałowymi układów mnożących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c. Wyjścia sygnałowe układów mnożących: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączone są odpowiednio z wejściami sygnałowymi układów funkcji kwadratowej: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c oraz odpowiednio z pierwszymi wejściami sygnałowymi układów mnożących przy regulatorach prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c. Wyjścia sygnałowe układów funkcji kwadratowej: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączono z wejściami sumacyjnymi, drugiego trójwejściowego układu sumatora, odpowiednio poprzez filtry dolnoprzepustowe: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, natomiast wyjście sygnałowe drugiego trójwejściowego układu sumatora, połączone jest z wejściem sygnałowym dzielnika czwartego układu dzielącego, zaś wyjście sygnałowe czujnika pomiarowego mocy czynnej, połączone jest z wejściem sygnałowym dzielnej czwartego układu dzielącego. Wyjście sygnałowe czwartego układu dzielącego, połączono z drugimi wejściami sygnałowymi układów mnożących, przy regulatorach

PL 224 295 B1 prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, zaś wyjścia sygnałowe układów mnożących przy regulatorach prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączono odpowiednio z wejściami zadającymi regulatorów prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c. Wyjścia sygnałowe regulatorów prądu: w obwodzie fazy a, w obwodzie fazy b i w obwodzie fazy c, połączono z wejściami sterującymi układu sterowania falownika prądowego, zaś trójfazowe, trójprzewodowe wyjście silnoprądowe falownika prądowego połączone jest z trójfazowym, trójprzewodowym odbiornikiem nieliniowym, kolejno poprzez silnoprądowe tory czujników pomiarowych prądów fazowych: w gałęzi fazy a, w gałęzi fazy b i w gałęzi fazy c oraz kolejno z obwodami faz: a, b i c sieci zasilającej.

Układ kompensatora aktywnego mocy biernej według wynalazku, dzięki zastosowaniu na wejściu układu obliczania składowej aktywnej referencyjnej prądu, filtrów pasmowo-przepustowych, w celu wyłonienia harmonicznych 1-go rzędu napięć fazowych sieci zasilającej i ich uśrednieniu, pozwala idealnie skompensować moc bierną, natomiast składowe prądu w obwodzie sieci zasilającej, po przeprowadzonej kompensacji są idealnie symetryczne, a kształtem przypominają prawie idealne sinusoidy o praktycznie zerowej zawartości wyższych harmonicznych prądu.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu.

W układzie zaprezentowano sterowanie trójfazowym, trójprzewodowym, równoległym, energetycznym aktywnym kompensatorem mocy biernej. Przedstawione sterowanie bazuje na teorii składowych fizycznych prądu, z tą jednak różnicą, iż w procesie generowania składowych prądu (będących składowymi referencyjnymi), nie uczestniczą napięcia fazowe sieci zasilającej, lecz ich uśrednione harmoniczne 1-go rzędu.

W układzie wg wynalazku sieć zasilająca 1 jest połączona z nieliniowym trójfazowym, trójprzewodowym odbiornikiem 2, poprzez obwody silnoprądowe czujników pomiarowych prądów fazowych 3, 4, 5. Pomiar rzeczywistej wartości mocy czynnej P, dokonywany jest w czujniku pomiaru mocy czynnej 6. Wymieniony czujnik pomiaru mocy czynnej 6, współpracuje z wyjściami sygnałowymi: czujników pomiarowych prądów fazowych 3, 4, 5 i czujników pomiarowych 7, 8, 9 napięć fazowych. Obwody silnoprądowe czujników pomiarowych 7, 8, 9 napięć fazowych współpracują z układem sztucznego zera 10.

W układzie sterowania według wynalazku, wyjścia sygnałowe czujników pomiarowych 7, 8, 9 napięć fazowych współpracują ponadto kolejno z wejściami sygnałowymi filtrów pasmowoprzepustowych: 11 w obwodzie fazy a, 12 w obwodzie fazy b, 13 w obwodzie fazy c. Uzyskane sygnały na wyjściach filtrów pasmowo-przepustowych 11, 12, 13, są proporcjonalne do składowych harmonicznych 1-go rzędu: u_ahl, u_bhl, u_chl, napięć fazowych: u_a, u_b, u_c. Na wyjściach sygnałowych układów pomiaru amplitudy 14, 15, 16, uzyskuje się sygnały proporcjonalne do wartości amplitud: U_ahl, U_bhl, U_chl, składowych harmonicznych 1-go rzędu: u_ahl, u_bhl, u_chl. Po zsumowaniu sygnałów amplitudowych U_ahl, U_bhl, U_chl w układzie trójwejściowego sumatora 17 i przeprowadzeniu operacji dzielenia przez wartość 3 w układzie wzmocnienia proporcjonalnego 18 (wzmocnienie o wartości rzędu 0.33333 jest tożsame z przeprowadzeniem operacji dzielenia przez wartość 3), uzyskuje się wartość średnią amplitudy napięcia U_AV, którą opisuje następująca zależność:

,_T _ Uahl + t/fcitl + U U_AV- 3

Układy dzielące 19, 20, 21 kolejno generują współczynniki korekcji, opisane przez następujące zależności:

U Uahl

Kubhl

Ku chi

Uąv

Uahl

Uąv

Ubhl

Uąv

Uchl

Po wymnożeniu w układach mnożarek 22, 23, 24 składowych harmonicznych 1-go rzędu: u_ahl, u_bhl, u_chl, napięć fazowych, kolejno przez poszczególne współczynniki korekcji K_Uahl, K_Ubhl, K_Uchl, uzy4

PL 224 295 B1 skano uśrednione chwilowe wartości harmonicznych 1-go rzędu, napięć fazowych sieci zasilającej, co przedstawiono w formie następujących zależności:

^uAVah\ — ^uahl ' ^Uahi ^uAVbhi ^{= u}bhi ' Kubhl U-AVch\ ^-chi ' Kuchl

Układ funkcji kwadratowej 25 wraz z filtrem dolnoprzepustowym 26 obliczają kwadrat wartości skutecznej napięcia, uśrednionej harmonicznej 1-go rzędu w obwodzie fazy a, co określa następujące równanie:

T llu_AVahI IP = J U²AVahi dt

O

Podobnie układ funkcji kwadratowej 27 wraz z filtrem dolnoprzepustowym 28 obliczają kwadrat wartości skutecznej napięcia, uśrednionej harmonicznej 1-go rzędu w obwodzie fazy b, co ujęto w formie następującego równania:

T

II*W&mII² = ^J u²Avbhidt o

I wreszcie układ funkcji kwadratowej 29 wraz z filtrem dolnoprzepustowym 30 obliczają kwadrat wartości skutecznej napięcia, uśrednionej harmonicznej 1-go rzędu w obwodzie fazy c, co ujęto w formie następującej zależności:

T llu_AvchiII² = y J u²AVMdt o

gdzie: T- oznacza okres napięć fazowych sieci zasilającej.

Po przeprowadzeniu operacji sumowania w układzie trójwejściowego sumatora 31, kwadratów wartości skutecznych napięć, z uśrednionych harmonicznych 1-go rzędu, dla poszczególnych obwodów fazowych sieci zasilającej, uzyskano, co następuje:

II^KmII² = ΙΙ^ΚαΜ II² + IIUAVbhI IP + II^KcmII²

Układ dzielący 32 realizuje zależność postaci:

_ P ^Gehl ~ ihW gdzie G_ehI - oznacza kondunktancję fazową rezystancyjnego, symetrycznego, trójfazowego odbiornika, który jest równoważny oryginalnemu ze względu na wartość dostarczanej do niego mocy czynnej P, przy uśrednionych harmonicznych 1-go rzędu, napięć fazowych: u_AVahl, u_AVbhI, u_AVchI. Prądy aktywne, pozwalające na dostarczenie mocy czynnej P do odbiornika trójfazowego, trójprzewodowego nieliniowego 2, dla uśrednionych harmonicznych 1-go rzędu napięć fazowych, będą obliczane według następujących zależności:

• Obwód fazy a (obliczanie prądu aktywnego referencyjnego jest realizowane w układzie mnożącym 33 przy regulatorze prądu):

irefaakl ^ekl ' ^AVakl • Obwód fazy b (obliczanie prądu aktywnego referencyjnego jest realizowane w układzie mnożącym 34 przy regulatorze prądu):

irefabhl ^ehi ' ^AVbhi

PL 224 295 B1 • Obwód fazy c (obliczanie prądu aktywnego referencyjnego jest realizowane w układzie mnożącym 35 przy regulatorze prądu):

i-refachl ~ ^ehi ' ^AVchI

W celu wygenerowania prądów dodawczych i_doda, i_dodb, i_dodc, które po zsumowaniu w węzłach prądowych z prądami obciążenia i_oa, i_ob, i_ic, trójfazowego, trójprzewodowego odbiornika nieliniowego 2, pozwolą uzyskać prądy sinusoidalne symetryczne, idealnie skompensowane, o bardzo niskiej zawartości wyższych harmonicznych - w układzie sterowania według wynalazku zastosowano 3 regulatory prądu, kolejno w obwodzie każdej fazy sieci zasilającej: regulator prądu 36 w obwodzie fazy a, regulator prądu 37 w obwodzie fazy b i regulator prądu 38 w obwodzie fazy c. Uzyskane na wyjściu regulatorów prądu 36, 37, 38 sygnały sterujące, generują w części silnoprądowej, na wyjściu falownika prądowego 39, prądy dodawcze i_doda, i_dodb, i_dodc o takim przebiegu, aby zostały spełnione następujące zależności:

iapk ioa 3 idoda ibpk iob i idodb icpk ioc 3 idodc przy czym:

^apk — ^refahi Ibpk — Irefabhl ^cpk — Irefachi gdzie: i_apk, i_bpk, i_cpk są prądami w obwodach fazowych sieci zasilającej, po przeprowadzonej kompensacji aktywnej.

Claims (1)

1. Układ kompensatora aktywnego mocy biernej, zawierający falownik prądowy, regulatory prądu i sieć zasilającą, znamienny tym, że wyjścia sygnałowe czujników pomiarowych napięć fazowych (7, 8, 9), połączono z wejściami napięciowymi czujnika pomiaru mocy czynnej (6) oraz wejściami sygnałowymi kolejno: filtru pasmowo-przepustowego (11) w obwodzie fazy a, filtru pasmowoprzepustowego (12) w obwodzie fazy b i filtru pasmowo-przepustowego (13) w obwodzie fazy c, z kolei wyjścia sygnałowe czujników pomiarowych prądów fazowych (3, 4, 5) połączone są z wejściami prądowymi czujnika pomiaru mocy czynnej (6) oraz kolejno z wejściami pomiarowymi regulatorów prądu: (36) w obwodzie fazy a, (37) w obwodzie fazy b i (38) w obwodzie fazy c, natomiast wyjścia sygnałowe filtrów pasmowo-przepustowych: (11) w obwodzie fazy a, (12) w obwodzie fazy b i (13) w obwodzie fazy c, połączono odpowiednio z wejściami sygnałowymi układów pomiaru amplitudy: (14) w obwodzie fazy a, (15) w obwodzie fazy b i (16) w obwodzie fazy c oraz z pierwszymi wejściami sygnałowymi układów mnożących: (22) w obwodzie fazy a, (23) w obwodzie fazy b i (24) w obwodzie fazy c, zaś wyjścia sygnałowe układów pomiarowych amplitudy: (14) w obwodzie fazy a, (15) w obwodzie fazy b i (16) w obwodzie fazy c, połączono z wejściami sumacyjnymi, trójwejściowego układu sumatora (17), a także odpowiednio z wejściami sygnałowymi dzielnika, układów dzielących: (19) w obwodzie fazy a, (20) w obwodzie fazy b i (21) w obwodzie fazy c, z kolei wyjście sygnałowe, trójwejściowego układu sumatora (17), połączone jest z wejściem sygnałowym układu wzmocnienia proporcjonalnego (18), zaś wyjście sygnałowe układu wzmocnienia proporcjonalnego (18), połączone jest kolejno z wejściami sygnałowymi dzielnej, układów dzielących: (19) w obwodzie fazy a, (20) w obwodzie fazy b i (21) w obwodzie fazy c, natomiast wyjścia sygnałowe układów dzielących: (19) w obwodzie fazy a, (20) w obwodzie fazy b i (21) w obwodzie fazy c połączono z drugimi wejściami sygnałowymi układów mnożących: (22) w obwodzie fazy a, (23) w obwodzie fazy b i (24) w obwodzie fazy c, z kolei wyjścia sygnałowe układów mnożących: (22) w obwodzie fazy a, (23) w obwodzie fazy b i (24) w obwodzie fazy c, połączone są odpowiednio z wejściami sygnałowymi układów funkcji kwadratowej: (25) w obwodzie fazy a, (27) w obwodzie fazy b i (29) w obwo6

   PL 224 295 B1 dzie fazy c oraz odpowiednio z pierwszymi wejściami sygnałowymi układów mnożących przy regulatorach prądu: (33) w obwodzie fazy a, (34) w obwodzie fazy b i (35) w obwodzie fazy c, zaś wyjścia sygnałowe układów funkcji kwadratowej: (25) w obwodzie fazy a, (27) w obwodzie fazy b i (29) w obwodzie fazy c, połączono z wejściami sumacyjnymi, drugiego trójwejściowego układu sumatora (31), kolejno poprzez filtry dolnoprzepustowe: (26) w obwodzie fazy a, (28) w obwodzie fazy b i (30) w obwodzie fazy c, natomiast wyjście sygnałowe drugiego trójwejściowego układu sumatora (31), połączone jest z wejściem sygnałowym dzielnika czwartego układu dzielącego (32), zaś wyjście sygnałowe czujnika pomiarowego mocy czynnej (6), połączone jest z wejściem sygnałowym dzielnej czwartego układu dzielącego (32), z kolei wyjście sygnałowe czwartego układu dzielącego (32), połączono z drugimi wejściami sygnałowymi układów mnożących, przy regulatorach prądu: (33) w obwodzie fazy a, (34) w obwodzie fazy b i (35) w obwodzie fazy c, zaś wyjścia sygnałowe układów mnożących przy regulatorach prądu: (33) w obwodzie fazy a, (34) w obwodzie fazy b i (35) w obwodzie fazy c, połączono odpowiednio z wejściami zadającymi regulatorów prądu: (36) w obwodzie fazy a, (37) w obwodzie fazy b i (38) w obwodzie fazy c, natomiast wyjścia sygnałowe regulatorów prądu: (36) w obwodzie fazy a, (37) w obwodzie fazy b i (38) w obwodzie fazy c, połączono z wejściami sterującymi układu sterowania falownika prądowego (39), zaś trójfazowe, trójprzewodowe wyjście silnoprądowe, falownika prądowego (39), połączone jest z trójfazowym, trójprzewodowym odbiornikiem nieliniowym (2), kolejno poprzez silnoprądowe tory czujników pomiarowych prądów fazowych: (3) w gałęzi fazy a, (4) w gałęzi fazy b i (5) w gałęzi fazy c oraz kolejno z obwodami faz: a, b i c sieci zasilającej (1).