CC BY
25
ВТСНИК ТТРИАЗОВСЪКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНТЧНОГО УНТВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип.№ 15
УДК 621.311.004
Колб А.А.*
УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЬНЫМИ КОМПЕНСАТОРАМИ НЕАКТИВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОЛНОЙ МОЩНОСТИ
Предложен релейно-векторный принцип управления вентильным компенсатором неактивных составляющих мощности на основе АМН с ШИМ с использованием обобщенных пространственных векторов напряжения и тока.
Непрерывный рост установленной мощности управляемых выпрямителей (приводы прокатных станов), регуляторов переменного напряжения и преобразователей частоты для регулируемого электропривода переменного тока, а также нелинейных потребителей (дуговые сталеплавильные печи) значительно обострили проблему обеспечения требуемого качества электроэнергии.
Традиционно решение этой проблемы реализуется применением управляемых пассивных реактивных элементов и фильтрокомпенсируюгцих устройств, обладающих известными недостатками [1].
В статье предлагается релейно-векторный принцип управления вентильным компенсатором на основе АИН с ШИМ с использованием обобщенных пространственных векторов напряжения и тока, позволяющих наиболее просто выделить и непрерывно контролировать неактивные составляющие токов, подлежащие компенсации.
Результаты исследования
Промышленное освоение мощных полностью управляемых преобразователей с двухсторонней проводимостью создало реальную возможность гибкого управления с высокой частотой потоками электроэнергии и тем самым: компенсировать реактивную мощность (мощность сдвига первой гармоники); компенсировать мощность искажения и несимметрии; компенсировать все неактивные составляющие мощности; стабилизировать напряжение в узле подключения резкопеременных реактивных нагрузок; устранить кратковременные провалы напряжения, Схема принудительного формирования требуемой кривой тока в сети с нелинейной нагрузкой (НН) с помощью вентильного компенсатора с релейным принципом управления приведена на рис. 1.
Входной реактор с индуктивностью Ьф> роль которой может выполнять также индуктивность рассеяния трансформатора, предназначен для сглаживания пульсаций тока 1К вентильного компенсатора. Можно промодулировать методом высокочастотной ШИМ длительность проводящего состояния управляемых вентилей VT1 - VT6 по синусоидальному закону. При этом на выходе вентильного компенсатора образуется модулированная последовательность двухполяр-ных импульсов. Положительный импульс, например, напряжения t/e¡, (рис. 1) создается при включенных вентилях VT1, VT6 или диодах VS3, VS4, а отрицательный - VT3, VT4 или VS1, VS6, Под действием разности напряжения сети Uc и сформированного требуемым образом выходного напряжения компенсатора UK в контуре сеть - компенсатор будет протекать ток, значение и ориентация которого по отношению к току сети зависят от величины и фазы напряжения компенсатора. При большой частоте коммутации ключей компенсатора (десятки раз больше частоты напряжения сети) пульсации тока, ограничиваемые L(¡¡, будут незначительными и ток компенсатора становится практически синусоидальным.
* НГУ, канд. техн. наук, доц.
I„
R tl
Г
4-и
нн
к Ud,>Ud
Рис. 1 - Функциональная схема вентильного компенсатора с релейными
регуляторами тока (РРТ)
Математическая модель инвертора вентильного компенсатора значительно упрощается при переходе от фазных координат, в которых фигурируют фазные напряжения и токи, к ортогональной системе координат для обобщенных пространственных векторов тока и напряжения. При этом в синхронно вращающейся системе координат*, у вместо реальных синусоидальных переменных используются пропорциональные им постоянные сигналы, что значительно упрощает построение замкнутых систем управления. Существенно, что во вращающейся системе координат, ориентированной по вектору напряжения сети можно наиболее просто выделить и непрерывно контролировать неактивные составляющие токов, подлежащих компенсации.
Обобщенный пространственный вектор, например, напряжения сети в неподвижной а, {1 системе координат определяется как [2]
US = Uа + JVв = ~(»л + аив + « Ч) -
(1)
где ил, ив, ые - мгновенные значения фазных напряжений;
1
а = е А , а2 -е ^ - единичные операторы поворота в положительном направлении соответственно на 120° и 240°;
2/3 - согласующий коэффициент. После подстановки операторов поворота в (1) имеем
Я
(2)
(3)
Модуль обобщенного вектора напряжения сети
и его пространственное положение
со*<Ри=иа!р1+и2р ; 8Ш<Ри=и0Ци1+и\ . (4)
Переход от неподвижной системы координат а, р к вращающейся х, у реализуется, например, для тока с помощью соотношений:
Л = h С0*<Ри +si«^ ; ly = Tfl + /н sinpB. (5)
Аналогичным образом определяются обобщенные вектора других переменных.
Энергетические характеристики и режимы работы компенсатора в режиме компенсации только реактивной мощности молено проанализировать с помощью выражений для активной и реактивной мощности, полученных без учета активного сопротивления контура сеть - инвертор
[3]:
2 згу и
PK=-UJKS=-f-±Sm(±¿3y,
^ ¿Л I ¿ ч
п - 2л т
^ 3 ^ 2х
где 1КХ, 1ку - ортогональные составляющие обобщенного вектора тока компенсатора во вращающейся системе координат, ориентированной по вектору напряжения сети;
Us - модуль обобщенного вектора напряжения сети, равный в симметричной системе напряжений амплитудному значению фазного напряжения;
/У —угол между лекторами Us и UK;
х - результирующее индуктивное сопротивление контура сеть — компенсатор.
Из приведенных выражений следует, что изменением величину и фазы вектора выходного напряжения комплекса тока можно управлять потоками энергии через компенсатор как в режиме генерации, так и потребления. Причем если UK>US и ¡3=0, то имеет место режим компенсации только реактивной мощности. В случае, когда UK отстает от Us на угол fi - режим компенсации реактивной мощности и потребления активной, что необходимо для покрытия потерь в компенсаторе. Компенсация реактивной мощности и рекуперация е сеть активной мощности из звена постоянного тока реализуется если UK опережает Us.
Приведенный анализ показывает, что управление вентильным компенсатором удобнее реализовывать на основе обобщенных векторов, что помимо указанных выше преимуществ позволяет по отдельным каналам управлять потоками активной и реактивной мощности.
Дальнейшее повышение функциональных возможностей вентильного компенсатора достигается путем постоянной подзарядки емкостного накопителя от постороннего источника небольшой мощности с повышенным напряжением Uj¡ (рис.1). При этом значительно увеличивается запасенная и накопителе энергия W ~cV2üi1 и выходное напряжение компенсатора, что согласно (6) позволяет существенно увеличить генерируемую компенсатором реактивную мощность.
Идея компенсации искажений напряжения и токов с помощью АИП с ШИМ, работающих в режиме активных фильтров (АФ), основана на управляющей генерации в сеть антигармоник, находящихся в противофазе с имеющимися, что минимизирует их в результирующих кривых тока и напряжения.
Управление уровнем гармоник напряжения реализуется введением последовательно в сеть с помощью трансформатора компенсирующего напряжения U¡( (продольная компенсация). Если, например, напряжение сети несинусоидальное и содержит первую гармонику Uc(ll и высшие 11ф), а напряжение на нагрузке должно быть синусоидальным U„=UC(d, то компенсирующее напряжение, определяемое из условия
должно быть в противофазе с напряжением высших гармоник.
Для компенсации высших гармоник тока вентильный компенсатор включается параллельно нагрузке. Для фильтрации гармоник источника питания компенсатор должен генерировать в сеть высшие гармоники тока нагрузки I„ín).
Таким образом, емкостной накопитель с инвертором напряжения на основе ШИМ представляют собой нелинейную систему, генерирующую в сеть токи такой величины и формы, чтобы совместно с нелинейной реактивной нагрузкой представлять для сети чисто активную нагрузку.
Известно, что предельно достижимые динамические показатели САР с учетом имеющихся энергетических ограничений достигаются на базе релейных принципов управления. Релейные регуляторы обладают также другими преимуществами: простота реализации замкнутых
систем регулирования; малая чувствительность к параметрическим и возмущающим воздействиям. Вентильные компенсаторы с релейно-векторным управлением способны с высокой точностью и быстродействием воспроизводить задающие воздействия сложной формы. При этом точность компенсации спектра гармоник зависит от порядка высшей гармоники, воспроизводимой компенсатором, который при частоте коммутации ключей 10-20 кГц составляет п=200 — 400 (согласно теоремы Котельникова).
В линейных симметричных системах активная и реактивная мощности, определяемые
как:
P = \u,Ix\Q=hjJy, (7)
где Us=Umax - модуль обобщенного вектора напряжения сети;
Ix, 1у - ортогональные компоненты обобщенного вектора тока.
Из приведенных соотношений следует, что в синусоидальных линейных системах ортогональные составляющие 1Х и />., пропорциональны соответственно активной и реактивной мощности и не содержат переменных составляющих при любом фазовом сдвиге между током и напряжением. В случае нелинейных и несимметричных систем в обеих проекциях появляются также переменные составляющие. При этом для управления вентильным компенсатором в качестве задающих воздействий (сигналов) можно использовать: постоянную составляющую /,, для компенсации только реактивной мощности; сумму переменных составляющих (/^-¡-/^для компенсации только мощности искажения; сумму составляющих (/,._+/„) для компенсации реактивной мощности и мощности искажения. В этом случае основная гармоника активной составляющей тока потребляется из сети, а реактивная составляющая тока и высшие гармоники генерируются управляемым вентильным компенсатором.
На основании изложенного и [4, 5] на рис. 2 приведена функциональная схема управления вентильным компенсатором. В приведенной схеме преобразователи фаз ПФ1 к ПФ2 реализуют на основании (2) переход от трехфазной системы координат к неподвижной двухфазной соответственно для напряжения сети и тока нагрузки. Пространственное положение обобщенного вектора напряжения определяется согласно (4). Преобразователь координат ПК1 с помощью (5) реализует переход ортогональных составляющих тока с неподвижной системы координат во вращающуюся (1Х, 1¥). Обратный переход производится с помощью Г1К2 на базе соотношений:
/„ = cos<j>u - ly sin <pu;Ifi = Isin - ¡y eos<pu . (8)
На выходе ПК2 формируется задание на токи компенсации Ika, IKÍ¡ в неподвижной системе координат, которые с помощью преобразователя фаз ПФЗ трансформируются в трехфазные токи, подлежащие компенсации. Указанный преобразователь фаз реализуется в общем случае на основании зависимостей:
Задающие токи компенсации поступают на вход релейных регуляторов тока, охваченных обратной связью по выходному току вентильного компенсатора. При высокой частоте коммутации ключей РРТ обеспечивают предельно возможное быстродействие, что позволяет быстро и точно разгрузить сеть от набросов неактивных составляющих мощности в случае резкопере-менных и пиковых реактивных нагрузок.
Приведенная система управления вентильным компенсатором позволяет также устранить колебания и отклонения напряжения на нагрузке, путем регулирования cost? относительно заданного оптимального значения. Для чего в схеме рис.2, используется регулятор напряжения РН, с помощью которого варьируется реактивная составляющая тока, принимая емкостной или реактивный характер соответственно при уменьшении и увеличении напряжения на нагрузке. В заключении отметим, что перспективным направлением является применение комбинированных систем, в которых статические реактивные нагрузки компенсируются, например, конденсаторными батареями, а динамические и мощность искажения - с помощью вентильных компенсаторов.
Выводы
1. Вентильные компенсаторы на базе АИН с ШИМ и релейно-векторным принципом управления открывают возможность комплексного решения проблемы качества электроэнергии в узлах с нелинейной, несимметричной и резкопеременной нагрузкой.
2. Применение обобщенных векторов напряжения и тока в синхронно вращающейся системе координат, ориентированной по вектору напряжения, сети позволяют наиболее просто выделить (идентифицировать) подлежащие компенсации неактивные составляющие полной мощности. Применение указанных составляющих позволяет с помощью вентильных компенсаторов: управлять реактивной мощностью; минимизировать высшие гармоники; компенсировать мощность несимметрии; компенсировать одновременно все неактивные составляющие мощности; стабилизировать напряжение на нагрузке варьированием cos ср относительно оптимального значения.
Перечень ссылок
1. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения предприятий / И.В. Же-желенко - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 160 с.
2. Ковач К.П. Переходные процессы в машинах переменного тока: Пер. с. нем. / К.П. Ковач, И. Рац - M.-JL: Госэнергоиздат, 1963. - 744 с.
3. Колб A.A. Энергосберегающая система группового питания электроприводов с общим преобразователем с двухсторонней проводимостью и емкостным накопителем энергии / A.A. Колб II В1сник Кременчуцького державного пол1техшчного ушверситету. - Кременчук: КДПУ, 2003. - Вип. 2 / 2003 (19), т.2, с. 135 - 143.
4. Колб A.A. Релейно-векторное управление силовым активным фильтром в режиме компенсации мощности искажения / A.A. Колб II Науковий вюник нащонального прничого ушверситету. - Дншропетровськ, 2004. - Вип. 3,- С. 61 - 68.
5. Воробьев A.A. Групповое питание электроприводов с общим накопителем энергии как новое направление энергосбережения / A.A. Воробьев, A.A. Колб II Вестник Харьковского политехнического университета. Проблемы автоматизированного электропривода. - Харьков: НТУ, 2003. - № 10. - Т.1. - С. 224 - 228.
Статья поступила 10.02,2005
