Известно использование синхронного компенсатора для генерации реактивной мощности емкостного или индуктивного характера. При этом синхронный компенсатор имеет схему замещения в виде последовательно включенного источника ЭДС и соответствующего реактанса синхронной машины (рис. 4.11). В зависимости от величины ЭДС синхронного компенсатора по сравнению с напряжением сети ток компенсатора может иметь отстающий или опережающий характер по отношению к напряжению сети (рис. 4.12).

                           Рис. 4.11                                 Рис. 4.12

Силовая электроника дает возможность заменить электромашинный синхронный компенсатор статическим преобразователем - инвертором напряжения, как показано на рис. 4.13, Трехфазный инвертор напряжения выполнен на полностью управляемых силовых ключах IGBT-транзисторах. Так как инвертор работает в режиме с выходными токами, сдвинутыми за 90⁰ относительно своего напряжения, т.е. в режиме источников реактивной мощности, в звене постоянного напряжения источник питания не требуется. Потери активной мощности внутри инверторов можно покрыть потреблением небольшой активной мощности из сети за счет сдвига фазы тока относительно напряжения инвертора на угол, немного меньший, чем 90^о. Этим задаются требуемые уровни постоянного напряжения на фильтровом конденсаторе C_d инвертора напряжения, определяющие реактивную мощность компенсаторов.

Рис.4.13

Система управления СТАТКОМ строится подобно тому, как это показано в разделе 1.2.

4.2 Компенсаторы мощности искажения.

Для компенсации мощности искажения используются фильтры высших гармоник. Существуют три типа фильтров высших гармоник тока или напряжения в сети:

§ пассивные;

§ активные;

§ гибридные.

Пассивные фильтры

Параллельно нелинейной нагрузке устанавливается LC-контур, настроенный на частоту гармоники, которую необходимо подавить. Этот контур поглощает гармоники, предотвращая их попадание в сеть.

Обычно пассивный фильтр настраивается на частоту, близкую к частоте гармоники, которую необходимо подавить. Если требуется подавление нескольких гармоник, могут использоваться несколько параллельно соединенных фильтров.

На рис. 4.14 представлена схема пассивного фильтра, содержащего систему колебательных LC-контуров с резонансом напряжений. Частота резонанса в каждом из контуров соответствует частотам наиболее интенсивных высших гармонических составляющих напряжения сети, обусловленных работой преобразователя (или другой нелинейной нагрузки). В трехфазных системах гармоники, кратные трем, обычно в силу симметрии отсутствуют, и гармоническими составляющими напряжения в сети бывают 5, 7, 11, 13-я и т.д. гармоники. Низшие из них наиболее интенсивны.

Резонансная частота контура L₅C₅ ω₅=5ω, для этого контура выполняется соотношение:

(4.8)

Рис. 4.14 Схема подключения пассивного фильтра

В контуре L 7 C 7 резонанс наступает на частоте ω₇=7ω, поэтому

 . (4.9)

При резонансе входное сопротивление каждого из контуров равно нулю (если пренебречь потерями в L и С) и через них замыкаются гармонические составляющие токов, генерируемые преобразователем, минуя питающую сеть. В результате искажения кривой сетевого напряжения резко снижаются.

При соединении конденсаторов в «звезду» как это показано на рис. 4.14, б резонансная частота определяется выражением

. (4.10)

На частоте сети ω сопротивление контуров L₅C₅ и L₇C₇ имеет емкостной характер и конденсаторы C₅ и C₇ компенсируют реактивную мощность, потребляемую преобразователем, подобно конденсаторам компенсаторам. За счет этого пассивный фильтр не только позволяет снизить искажения формы питающего напряжения в сети, но и уменьшить потребление реактивной мощности по основной гармонике, поэтому это устройство можно считать также источником реактивной мощности.

Применение совместно с пассивными фильтрами реактора управляемого тиристорами позволяет поддерживать коэффициент мощности на максимальном уровне при изменении режима работы нелинейной нагрузки.

Рис. 4.15.

Схема такого однофазного устройства приведена на рис. 4.15. В трехфазных схемах используются три аналогичные схемы. Управляемый источник реактивной мощности состоит из пассивных фильтров, настроенных на частоты наиболее интенсивных гармонических составляющих тока  и РУТ на двух тиристорах V1 и V2, имеющего нагрузку в виде индуктивности L. Устройство подавляет гармонические искажения напряжения сети на 5-й и 7-й гармониках, а конденсаторы C₅ и C₇ генерируют реактивную мощность Q_c на частоте сети.

Таким образом, рассмотренный источник реактивной мощности генерирует реактивную мощность и осуществляет ее регулирование, подавляя при этом гармонические искажения в сети.

Активные фильтры

Идея компенсации искажений токов и напряжений в сети, т.е. активная фильтрация, основана на введении в сеть параллельно источника тока с управляемым искажением тока или последовательно источника напряжения с управляемым искажением напряжения, причем вносимые искажения находятся в противофазе с имеющимися искажениями и компенсируют их в результирующей кривой тока или напряжения.

Эта идея иллюстрируется на рис. 4.16 – для активного фильтра тока. Если нелинейная нагрузка потребляет несинусоидальный ток (входной ток трехфазного мостового выпрямителя), то компенсатор генерирует ток, равный в противофазе разности мгновенной кривой тока нелинейной нагрузки i_п и ее первой гармоники i_(1).

Схемы активных фильтров тока (напряжения) обычно выполняют на базе инверторов напряжения с ШИМ. На выходе инвертора можно воспроизвести любую кривую задания тока (напряжения) i_к (или u_к) путем аппроксимации ее средними значениями по интервалам тактов коммутации при ШИМ. Точность воспроизведения на выходе инвертора тока i_к (или напряжения u_к) зависит от точной передачи спектра этих кривых до частоты их верхней гармоники, определяемой в соответствии с теоремой отсчетов Котельникова половиной частоты коммутации при ШИМ. Так для подавления в результирующем токе сети всех гармоник входного тока трехфазного мостового выпрямителя вплоть, например, до 23-й, относительное значение которой в спектре 1/23, т.е. менее 5 % , необходима частота коммутации в интервале не ниже 2 ⋅ 23 ⋅ 50 = 2300 Гц, что вполне допустимо для силовых транзисторов.

Техническая реализация такого воспроизведения обеспечивается при использовании управления инвертором по методу слежения за заданной кривой тока.

На рис.4.17 приведена схема однофазного активного фильтра на базе полумостового инвертора. На входе инвертора в цепь реактора L включен датчик тока компенсирующего тока. Сигнал ~i_ос с его выхода сравнивается с сигналом задания ~i_з, который формируется путем суммирования сигнала высших гармоник ~-i_в (с обратным знаком) и сигнала ~i_кп компенсации активных потерь в инверторе. Сигнал ошибки поступает на релейный элемент РЭ, формирующий гистерезисный ШИМ сигнал управления транзисторами инвертора (VT1,VT2). Выделение высших гармоник тока i_п осуществляется микропроцессором с использованием метода Фурье.

Рис. 4.16 Схема подключения параллельного активного фильтра тока.

    Блок расчета тока потерь реализуется на базе регулятора напряжения U_d  постоянного тока.  При этом, сигнал с выхода регулятора умножается на сигнал пропорциональный сетевому напряжению ~u_c подобно как это происходит в активном выпрямителе (см. раздел 3.2). В результате формируется сигнал ~i_кп, совпадающий по фазе с напряжением сети ~u_c. Чем больше сигнал ошибки по напряжению U_d, тем больше сигнал компенсации потерь ~i_кп.

Рис. 4.17 Схема активного фильтра для однофазной сети

    На рис. 4.18 приведена схема реализации компенсатора неактивных составляющих мощности (мощности искажения и реактивной мощности). В отличие от рис. 4.17 схема содержит блок выделения неактивной составляющей тока потребителя i_п. Блок производит вычисление потребляемой активной мощности по формуле (4.11), затем вычисляет действующее и мгновенное значение активного тока по (4.12 и 4.13) и определяет ток неактивных составляющих по формуле (4.14).

Рис. 4.18  Схема компенсатора неактивных составляющих тока

  (4.11),  

(4.12),  

 (4.13),  

 (4.14).

Далее формируется сигнал задания тока компенсатора .

Гибридные фильтры

Гибридный фильтр состоит из комбинации пассивных и активных фильтров (рис. 4.19 )  Он обладает преимуществами обоих типов фильтров и пригоден для применения в широком диапазоне мощностей и режимов работы нелинейной нагрузки.

Рис. 4.19  Принцип действия гибридного фильтра

Лекция 5