RU2521428C2 - Filtering and compensating device for transmission of high-voltage direct-current energy - Google Patents
Filtering and compensating device for transmission of high-voltage direct-current energy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2521428C2 RU2521428C2 RU2012127872/07A RU2012127872A RU2521428C2 RU 2521428 C2 RU2521428 C2 RU 2521428C2 RU 2012127872/07 A RU2012127872/07 A RU 2012127872/07A RU 2012127872 A RU2012127872 A RU 2012127872A RU 2521428 C2 RU2521428 C2 RU 2521428C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- converter
- current
- active element
- network
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/30—Reactive power compensation
Landscapes
- Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
Abstract
Description
Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, преимущественно к высоковольтным передачам энергии постоянным током (HVDC - High Voltage DC Transmission) (или вставкам постоянного тока) с регулируемой передаваемой мощностью и предназначено для компенсации реактивной мощности и улучшения гармонического состава напряжения и тока питающей сети.The claimed technical solution relates to electrical engineering, mainly to high voltage direct current energy transmissions (HVDC - High Voltage DC Transmission) (or DC inserts) with adjustable transmitted power and is intended to compensate for reactive power and improve the harmonic composition of the voltage and current of the supply network.
В передачах постоянного тока электроэнергетики на настоящее время основным техническим средством являются ведомые сетью преобразователи тока - конверторы (line commutated convertor, LCC) с тиристорными вентилями. Ведомый сетью конвертор потребляет из сети переменного тока (alternate current - АС) реактивную мощность и вливает в нее высшие гармоники тока. Потребляемая реактивная мощность при регулировании передаваемой мощности изменяется.In direct current transmissions in the electric power industry, currently the main technical means are network-driven current converters - line commutated convertor (LCC) with thyristor valves. The network-driven converter consumes reactive power from the alternating current network (AC) and injects higher current harmonics into it. The consumed reactive power when controlling the transmitted power varies.
Для компенсации реактивной мощности и улучшения гармонического состава напряжения и тока питающей сети применяют фильтро-компенсирующее устройство (ФКУ), подключенное к стороне переменного напряжения составленное из двух или более трехфазных ветвей, каждая из которых снабжена выключателем для подключения к питающей сетиTo compensate for reactive power and improve the harmonic composition of the voltage and current of the supply network, a filter-compensating device (FCU) is used, connected to the AC voltage side composed of two or more three-phase branches, each of which is equipped with a switch for connecting to the supply network
До последнего времени для фильтрации в преобразовательных установках использовались цепи, составленные из пассивных элементов электрических цепей: индуктивностей L, емкостей С и резисторов R. Применение пассивных фильтров в сетях переменного тока энергетики сцеплено с фундаментальным противоречием. В хорошем электроэнергетическом фильтре потери мощности должны быть нулевыми или, по крайней мере - малыми. С другой стороны - фильтры из реактивных элементов имеют большое время установления переходных колебаний, так что при повторяющихся возмущениях такие фильтры могут не устанавливаться вовсе. Оставаясь в классе пассивных цепей устранить это противоречие нельзя. Можно лишь выбирать приемлемое компромиссное решение, демпфируя реактивные LC-цепи резисторами R так, чтобы потери мощности были не слишком велики, и время установления получалось приемлемым.Until recently, circuits made up of passive elements of electric circuits were used for filtering in conversion plants: inductors L, capacitances C and resistors R. The use of passive filters in AC power networks is associated with a fundamental contradiction. In a good power filter, the power loss should be zero or at least small. On the other hand, reactive element filters have a long time to establish transient vibrations, so that with repeated disturbances such filters may not be installed at all. Remaining in the class of passive circuits, this contradiction cannot be eliminated. You can only choose an acceptable compromise solution by damping the reactive LC circuits with resistors R so that the power losses are not too large, and the settling time is acceptable.
Вторая проблема построения ФКУ вызвана совмещением функции фильтрации с функцией подстройки реактивной мощности. Для подстройки реактивной мощности совокупность конденсаторов разделяется на отдельные конденсаторные батареи, подключаемые к сети АС (переменного тока) по отдельности. При понижении передаваемой мощности батареи отключаются от сети, а при повышении - подключаются вновь. Число отдельно коммутируемых батарей Nq определяется допустимым небалансом реактивной мощности и переходным отклонением напряжения при коммутации.The second problem of constructing PKU is caused by combining the filtering function with the reactive power adjustment function. To adjust reactive power, the set of capacitors is divided into separate capacitor banks connected separately to the AC (alternating current) network. When the transmitted power decreases, the batteries are disconnected from the network, and when they increase, they are reconnected. The number of separately switched batteries Nq is determined by the permissible unbalance of reactive power and the transient voltage deviation during switching.
Это подстроечное q-разбиение определяет только первую размерность разбиения. Вторая размерность - это разбиение на фильтрующие ветви. Спектр тока LCC содержит ряд канонических гармоник: 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49…This tuning q-partition defines only the first dimension of the partition. The second dimension is a partition into filter branches. The LCC current spectrum contains a number of canonical harmonics: 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49 ...
Должны также учитываться неканонические гармоники 3, 5, 7. Таким образом, конденсаторы должны быть распределены по резонансным ветвям (Н-разбиение). Совмещение разбиений по гармоникам и разбиений по подстройке реактивной мощности приводит к весьма сложным ФКУ, с большим числом ветвей.
Опыт создания приемлемых компромиссных ФКУ с пассивными элементами обобщен в рекомендациях CIGRE (WG 14.30, №139, April 1999 - [1]). Представление о современной практике дает также построение ФКУ на передаче Ballia - Bhiwadi (R-K. Chauhan, M. Kuhnand etc. - [2]). Получающаяся в совокупности система ФКУ чрезвычайно сложна, и это типично.The experience of creating acceptable compromise PKUs with passive elements is summarized in the CIGRE recommendations (WG 14.30, No. 139, April 1999 - [1]). The idea of modern practice is also given by the construction of PKU on the Ballia - Bhiwadi transmission (R-K. Chauhan, M. Kuhnand etc. - [2]). The resulting PKU system is extremely complex, and this is typical.
Таким образом, недостатки пассивных фильтров проявляются в двух ситуациях:Thus, the disadvantages of passive filters are manifested in two situations:
- когда требование качественной фильтрации совмещается с необходимостью подстраивать реактивную мощность,- when the requirement for high-quality filtration is combined with the need to adjust reactive power,
- когда требуемая для системы реактивная мощность меньше, чем получающаяся по условиям фильтрации.- when the reactive power required for the system is less than that obtained by filtration conditions.
Обе эти ситуации приобретают в настоящее время нарастающее значение. Первая из них - в связи с повышающимися требованиями к гибкости передач. Вторая ситуация связана с нарастающим применением последовательно-компенсированных линий передач и конденсаторно-коммутируемых вентильных преобразователей (ССС-схемы). В связи с этим предполагается нарастающее применение гибридных фильтров, с помощью которых задачи фильтрации решаются эффективней. Усовершенствование силовых транзисторов (увеличение единичной мощности, снижение динамических и статических потерь), а также усовершенствование сигнальных процессоров (рост быстродействия, увеличение разрядности) являются дополнительными факторами в пользу нарастания применения активных фильтров.Both of these situations are acquiring increasing importance. The first of these is due to the increasing demands on gear flexibility. The second situation is associated with the increasing use of series-compensated transmission lines and capacitor-switched gate converters (CCC-schemes). In this regard, the increasing use of hybrid filters is supposed, with the help of which filtering tasks are solved more efficiently. Improving power transistors (increasing unit power, reducing dynamic and static losses), as well as improving signal processors (increasing speed, increasing bit capacity) are additional factors in favor of increased use of active filters.
Создание транзисторов с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) открыло путь для осуществления мощных широтно-модулированных (pulse-width modulation, PWM) конверторов напряжения (Voltage Sourced Converter, VSC), которые уже стали основным средством в регулируемых электроприводах и системах бесперебойного питания. Быстрый прогресс IGBT открыл возможность для применения преобразователей этого типа в электроэнергетике, где они конкурируют с традиционными системами LCC и открывают новые возможности построения гибких систем регулирования мощности в системах АС (переменного тока) (Flexible Alternate Current Power Transmission, FACTS). Решающее значение для расширения применений систем VSC в электроэнергетике имеет изобретение Р. Марквардтом модульной многоуровневой схемы (Modular Multilevel Converter, MMC) (Markwardt R., 2002 - [3]). Модульные многоуровневые схемы позволяют поднять класс напряжений и мощностей преобразователей напряжения и одновременно улучшить динамические возможности и снизить потери мощностиThe creation of Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) paved the way for the implementation of powerful pulse-width modulation (PWM) voltage converters (Voltage Sourced Converter, VSC), which have already become the main tool in variable speed drives and uninterruptible systems nutrition. The rapid progress of IGBT has opened up the possibility of using this type of converter in the electric power industry, where they compete with traditional LCC systems and open up new possibilities for constructing flexible power control systems in AC (AC) systems (Flexible Alternate Current Power Transmission, FACTS). Of crucial importance for expanding the applications of VSC systems in the electric power industry is the invention of R. Marquardt of the modular multilevel converter (MMC) (Markwardt R., 2002 - [3]). Modular multi-level circuits allow you to raise the class of voltages and capacities of voltage converters and at the same time improve dynamic capabilities and reduce power losses
В энергетических фильтрах активный элемент подключается к системе через конденсаторную батарею и шунтируется реактором или более сложной пассивной цепью, образуя таким образом гибридный фильтр. Звено постоянного напряжения активного элемента содержит емкостной накопитель энергии, но не подключается к источнику или потребителю энергии.In energy filters, the active element is connected to the system through a capacitor bank and shunted by a reactor or a more complex passive circuit, thus forming a hybrid filter. The DC link of the active element contains a capacitive energy storage, but is not connected to a source or consumer of energy.
Идея применения PWM-конвертора в качестве активного элемента электроэнергетического фильтра была высказана одним из первых L. Guigi (Guigi, 1976 - [4]).The idea of using a PWM converter as an active element of an electric power filter was expressed by one of the first L. Guigi (Guigi, 1976 - [4]).
Известна схема гибридного фильтра (см. фиг.1) для сетей переменного тока (Sadek, Pereira, 2002 - [5]). В ней активный элемент подключается как вспомогательное устройство к двухчастотному демпфированному фильтру 12, 24 (фильтрация канонических гармоник: 11, 13, 23, 25) для улучшения его характеристик. Выход фильтра зашунтирован дополнительной LC-цепью, настроенной на основную гармонику; эта цепь в фильтрации не участвует, но снижает загрузку активного элемента в стационарных режимах.A known hybrid filter circuit (see figure 1) for AC networks (Sadek, Pereira, 2002 - [5]). In it, the active element is connected as an auxiliary device to a dual-frequency damped
В апреле 2003 года рабочая группа WG 14.28 CIGRE издала документ 223 по активной фильтрации в HVDC [6]. Основная часть рекомендаций 223 посвящена фильтрации в цепях DC. В качестве применения в сети АС приводится применение схемы Sadek-Pereira. Эта схема была опробована на преобразовательной подстанции Tjele (Eitra) [7] в Дании в качестве демонстрационного проекта в 1998 годуIn April 2003, the WG 14.28 CIGRE working group issued document 223 on Active Filtering at HVDC [6]. Most of recommendations 223 focus on DC filtering. As an application in a speaker network, the application of the Sadek-Pereira circuit is provided. This circuit was tested at the Tjele (Eitra) converter substation [7] in Denmark as a demonstration project in 1998.
Известно также фильтро-компенсирующее устройство (см. фиг.2), примененное в проекте Нептун (Neptune Regional Transmission System, 2007) ([8], являющееся развитием технического решения [5].Also known filter-compensating device (see figure 2), used in the project Neptune (Neptune Regional Transmission System, 2007) ([8], which is the development of a technical solution [5].
Недостатком технических решений [5] и [8] является применение вспомогательных резонансных цепей и демпфирующих резисторов, вводимых в схему активного фильтра и подключаемых параллельно входу активного элемента - модульного многоуровневого PWM-конвертора (PWM-MMC). Это существенно усложняет и удорожает ФКУ в целом, вызывая к тому же дополнительные потери энергии. Недостатком является также установка нескольких активных фильтров в параллельные ветви, т.к. при подстройке реактивной мощности (при понижении передаваемой мощности конденсаторные батареи отключаются от сети, а при повышении - подключаются вновь) возможно отключение ветви, содержащей активный фильтр, что снижает экономическую эффективность его использования.The disadvantage of technical solutions [5] and [8] is the use of auxiliary resonant circuits and damping resistors introduced into the active filter circuit and connected in parallel with the input of the active element - a modular multi-level PWM converter (PWM-MMC). This significantly complicates and increases the cost of PKU as a whole, causing additional energy losses. The disadvantage is the installation of several active filters in parallel branches, as when the reactive power is adjusted (when the transmitted power is reduced, the capacitor banks are disconnected from the network, and when they are increased, they are connected again) it is possible to disconnect the branch containing the active filter, which reduces the economic efficiency of its use.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в том, чтобы обеспечить:The task to which the claimed technical solution is directed is to provide:
- применение однотипных взаимозаменяемых конденсаторных батарей (однородное ФКУ);- the use of the same type of interchangeable capacitor banks (homogeneous PKU);
- отсутствие рассеивающих энергию резисторов;- lack of energy dissipating resistors;
- отсутствие настроенных резонансных контуров.- lack of tuned resonant circuits.
При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в:When solving this problem, the achieved technical result is:
- упрощении схемы ФКУ (однородное ФКУ), радикальное снижение числа ветвей ФКУ для условий регулирования реактивной мощности переключениями батарей. Следствием этого должно быть уменьшение занимаемых ФКУ площадей и повышение в этом отношении конкурентоспособности системы LCC с системой альтернативного технического решения (HVDS-lights) - преобразователей напряжения с транзисторами (Voltage Sourced Converter, VSC);- simplification of the circuit PKU (homogeneous PKU), a radical reduction in the number of branches PKU for conditions of regulation of reactive power by battery switching. The consequence of this should be to reduce the space occupied by the PKU and increase in this respect the competitiveness of the LCC system with an alternative technical solution system (HVDS-lights) - voltage converters with transistors (Voltage Sourced Converter, VSC);
- снижении потерь мощности ФКУ за счет демпфирования виртуальными резисторами вместо демпфирования резисторами реальными (функция выполняется системой управления активным элементом без привлечения каких-либо аппаратных средств);- reduction of PKU power losses due to damping by virtual resistors instead of damping by real resistors (the function is performed by the control system of the active element without involving any hardware);
- упрощении настроек ФКУ при вводе в эксплуатацию и перестроек при изменении параметров сети АС. В предлагаемом однородном ФКУ все настройки и перестройки осуществляются исключительно корректированием программы управления активным элементом,- simplifying the settings of the PKU during commissioning and adjustments when changing the parameters of the AC network. In the proposed homogeneous PKU, all settings and adjustments are carried out exclusively by adjusting the active element control program,
что в итоге способно существенно уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты при повышении надежности и удобства обслуживания.which ultimately can significantly reduce capital and operating costs while increasing reliability and ease of maintenance.
Основная суть настоящего технического решения заключается в применении трехкомпонентного алгоритма управления активным элементом (DBS-алгоритм: D - демпфирование; В - баланс, S - селективное подавление гармоник), который позволяет полностью осуществить потенциальные возможности активной фильтрации. На базе DBS-алгоритма возможно:The main essence of this technical solution is to apply a three-component active element control algorithm (DBS algorithm: D - damping; B - balance, S - selective harmonic suppression), which allows you to fully realize the potential of active filtering. Based on the DBS algorithm, it is possible:
- осуществление демпфирования переходных колебаний без применения резисторов;- the implementation of damping transient vibrations without the use of resistors;
- полное поглощение высших гармоник без использования настроенных резонансных цепей.- complete absorption of higher harmonics without the use of tuned resonant circuits.
Модульные многоуровневые конверторы (ММС) в настоящее время осуществляются уже как высоконадежные устройства, и требование обеспечения работы без активного элемента стало не актуальным.Modular multilevel converters (MMS) are now being implemented as highly reliable devices, and the requirement to ensure operation without an active element has become irrelevant.
В соответствии с предложенным техническим решением указанная выше задача решается тем, что в известном фильтро-компенсирующем устройстве комплектной преобразовательной установки передачи энергии постоянным током на основе ведомого сетью вентильного (тиристорного) конвертора тока (line commutated converter, LCC) с регулируемой передаваемой мощностью, подстраивающем реактивную мощность путем переключения двух или более ветвей, каждая из которых снабжена выключателем для подключения к питающей сети и содержит выполняющие функции фильтрации и компенсации конденсаторные батареи, резисторы, реакторы; фильтро-компенсирующее устройство содержит также один или несколько активных элементов (конвертор напряжения с высокочастотной широтной модуляцией, датчики токов и напряжений), согласно заявляемому техническому решению:In accordance with the proposed technical solution, the aforementioned problem is solved by the fact that in the known filter-compensating device of a complete converter installation of direct current power transmission based on a network-driven valve (thyristor) current converter (line commutated converter, LCC) with adjustable transmit power adjusting the reactive power by switching two or more branches, each of which is equipped with a switch for connecting to the mains and contains filtering functions and a comp nsatsii capacitor batteries, resistors, reactors; the filter-compensating device also contains one or more active elements (voltage converter with high-frequency latitude modulation, current and voltage sensors), according to the claimed technical solution:
- конденсаторные батареи реализуют только функцию компенсации и выполняются идентичными с реактивной мощностью Qk, равной Nq-й доле наибольшей общей передаваемой реактивной мощности Qsum:- capacitor banks realize only the compensation function and are identical with the reactive power Qk equal to the Nqth fraction of the largest total transmitted reactive power Qsum:
Qk=Qsum/Nq,Qk = Qsum / Nq,
где: Nq - число конденсаторных батарей,where: Nq is the number of capacitor banks,
- конденсаторные батареи присоединены к «земле» через общий активный элемент посредством соответствующего количества средневольтных выключателей либо через отдельные активные элементы,- capacitor banks are connected to the "earth" through a common active element by means of an appropriate number of medium voltage switches or through individual active elements,
- в фильтро-компенсирующем устройстве функции фильтрации выполняются только активным элементом (активными элементами), с этой целью система управления активного элемента (PWM-конвертора) в дополнение к обычному набору функциональных блоков PWM-конвертора снабжена тремя, реализованными программно, специфическими функциональными блоками (с соответствующими им обратными связями):- in the filter-compensating device, filtering functions are performed only by the active element (active elements), for this purpose, the control system of the active element (PWM converter) in addition to the usual set of functional blocks of the PWM converter is equipped with three software-specific function blocks (with corresponding feedbacks):
- блоком D - демпфирования (demp),- block D - damping (demp),
- блоком В - баланса (bal),- block B - balance (bal),
- блоком S - селективного подавления гармоник (sel),- block S - selective harmonic suppression (sel),
вырабатывающими задающие напряжения, сумма которых образует основную переменную управления конвертором - задание напряжения vz(t) (функция времени):generating reference voltages, the sum of which forms the main variable of the converter control - voltage task vz (t) (function of time):
vz=vdemp+vbal+vsel, причем:vz = vdemp + vbal + vsel, moreover:
- блок D образован с помощью широкополосной (например, пропорциональной с коэффициентом усиления Rae) обратной связи по выходному току конвертора iae(t) в соответствии с равенством:- block D is formed using broadband (for example, proportional to the gain Rae) feedback on the output current of the converter iae (t) in accordance with the equality:
vdemp(t)=Rae·iae(t),vdemp (t) = Rae iae (t),
и, представляя собой виртуальный резистор Rae, демпфирует переходные колебания сети так же, как реальный резистор Rae, внесенный в выходную цепь конвертора; при этом величина коэффициента усиления Rae выбирается так, чтобы наилучшим образом демпфировать переходные колебания; оставшиеся два блока В и S действуют на задемпфированную систему через виртуальный резистор Rae;and, being a virtual resistor Rae, damps the transient vibrations of the network in the same way as a real resistor Rae introduced into the output circuit of the converter; wherein the magnitude of the gain Rae is selected so as to best damp the transient oscillations; the remaining two blocks B and S act on the damped system through the virtual resistor Rae;
- блок В образован с помощью обратной связи по напряжениям vd накопительных конденсаторов звеньев постоянного напряжения конвертора с участием в этой обратной связи сетевого напряжения vs, выполняет задачу поддержания баланса мощности Pd, а, следовательно, напряжений vd накопительных конденсаторов в окрестности заданного уровня vdz:- block B is formed using feedback on the voltages vd of the storage capacitors of the DC links of the converter with the participation of the mains voltage vs in this feedback, performs the task of maintaining the power balance Pd, and, therefore, the voltages vd of the storage capacitors in the vicinity of a given level vdz:
vd(t)≈vdz,vd (t) ≈vdz,
и состоит из нескольких программных модулей (субблоков):and consists of several software modules (subunits):
- пропорционально-интегрального регулятора (PI-регулятор) мощности, действующего в функции накопленной конденсаторами энергии, эффективно приводящего энергию Ed к заданной величине Ez:- a proportional-integral regulator (PI-regulator) of power, acting as a function of the energy stored by the capacitors, effectively bringing the energy Ed to a given value of Ez:
где; 
- модуля вычисления (по определенной регулятором мощности баланса) комплексной амплитуды составляющей напряжения баланса Vbal,norm, нормальной к вектору сетевого напряжения:- a calculation module (according to the balance power regulator defined) of the complex amplitude of the balance voltage component Vbal, norm, normal to the network voltage vector:
где 
- модуля формирования напряжения баланса - как синусоидальной переменной основной частоты, ортогональной к сетевому напряжению в соответствии с выражением:- balance voltage generation module - as a sinusoidal variable of the fundamental frequency, orthogonal to the mains voltage in accordance with the expression:
vbal(t)=Vbal,norm·j·ejθ vbal (t) = Vbal, norm · j · e jθ
где ejθ - вращающийся орт сетевого напряжения;where e jθ is the rotating unit voltage of the mains voltage;
- блок S образуется с помощью обратной связи по сетевому току is с участием в образовании этой связи напряжения сети vs и состоит из нескольких программных модулей (субблоков):- block S is formed using feedback on the mains current is with the participation of the mains voltage vs in the formation of this connection and consists of several software modules (subunits):
- модуля селективного выделения комплексных амплитуд 
где k - номер гармоники, 
- модуля регулирования комплексных амплитуд 
где: p - оператор Лапласа, τ - постоянная времени интегратора;where: p is the Laplace operator, τ is the integrator time constant;
- модуля формирования задания k-ой гармонической напряжения конвертора по полученному значению комплексной амплитуды напряжения
и последующего суммирования:and subsequent summation:
для всей совокупности избранных гармоник, причем совокупность подавляемых гармоник содержит канонические гармоникиfor the entire set of selected harmonics, and the set of suppressed harmonics contains canonical harmonics
-11, 13; -23, 25; -35, 37 …,-11, 13; -23, 25; -35, 37 ...,
и может также содержать отдельные неканонические гармоники, например:and may also contain individual noncanonical harmonics, for example:
5, -7; -17, 19; ….5, -7; -17, 19; ...
Указанная задача решается также тем, что в известном фильтро-компенсирующем устройстве в цепь конденсаторных батарей введен токоограничивающий реактор, реактанс которого определяется условием ограничения амплитуды переходного тока при переключениях конденсаторных батарей.This problem is also solved by the fact that a current-limiting reactor is introduced into the capacitor bank circuit in a known filter-compensating device, the reactance of which is determined by the condition for limiting the amplitude of the transient current when switching capacitor banks.
Для пояснений представлены следующие иллюстрации.The following illustrations are provided for clarification.
На фиг.1 представлена схема гибридного фильтра для сетей переменного тока (Sadek, Pereira, 2002 - [5]).Figure 1 presents a diagram of a hybrid filter for AC networks (Sadek, Pereira, 2002 - [5]).
На фиг.2 представлена схема фильтро-компенсирующего устройства, примененного в проекте Нептун (Neptune Regional Transmission System, 2007) ([8].Figure 2 presents a diagram of a filter-compensating device used in the Neptune project (Neptune Regional Transmission System, 2007) ([8].
На фиг.3 представлена упрощенная однолинейная схема фильтро-компенсирующего устройства из ненастроенных однотипных конденсаторных батарей и активного элемента с трехкомпонентным задатчиком напряжения.Figure 3 presents a simplified single-line diagram of a filter-compensating device of unconfigured homogeneous capacitor banks and an active element with a three-component voltage regulator.
На фиг.4 представлена схема построения модульного многоуровневого конвертора из однотипных модулей (конверторов напряжения).Figure 4 presents the construction diagram of a modular multilevel converter of the same type of modules (voltage converters).
На фиг.5 а) и б) представлены схемы замещения, поясняющие принцип действия демпфирующей обратной связи.Figure 5 a) and b) presents equivalent circuits explaining the principle of damping feedback.
На фиг.6 представлена структурная схема блока balance общей схемы однородного ФКУ с активным элементом.Figure 6 presents the structural diagram of the balance block of the General scheme of a homogeneous PKU with an active element.
На фиг.7 представлена схема замещения для иллюстрации работы блока баланса.Figure 7 presents the equivalent circuit to illustrate the operation of the balance unit.
На фиг.8 представлена схема замещения для иллюстрации работы блока селективного подавления гармоник.Fig. 8 is an equivalent circuit to illustrate the operation of the selective harmonic suppression unit.
На фиг.9 представлена функциональная схема вычислителя напряжения селективного подавления гармоник по измеренному току ведомого конвертора (прямая связь, feedforward).Figure 9 presents a functional diagram of a voltage calculator for the selective suppression of harmonics according to the measured current of the slave converter (direct coupling, feedforward).
На фиг.10 представлена структурная схема регулятора селективного подавления k-й гармоники сетевого тока.Figure 10 presents the structural diagram of the regulator of the selective suppression of the k-th harmonic of the mains current.
На фиг.11 представлена структурная схема вычислителя составляющей селективного подавления гармоник с помощью обратной связи (feedback) по току сети.Figure 11 presents the structural diagram of the calculator component of the selective suppression of harmonics using feedback (feedback) on the current network.
На фиг.12 и 13 представлены графики работы ФКУ, полученные математическим моделированием:On Fig and 13 presents the graphs of the PKU obtained by mathematical modeling:
Фиг.12. Графики работы однородного ФКУ и его активного элемента при номинальной передаваемой мощности.Fig. 12. Schedules of operation of a homogeneous PKU and its active element at rated transmitted power.
Фиг.13. Ток на выходе конвертора и ток линии при уменьшении передаваемой мощности с отключением третьей батареи ФКУ.Fig.13. The current at the converter output and the line current when the transmitted power decreases with the third PKU battery disconnected.
Устройство заявляемого технического решения - фильтро-компенсирующего устройства из ненастроенных однотипных конденсаторных батарей и активного элемента с трехкомпонентным задатчиком напряжения - в его статическом состоянии может быть описано с использованием иллюстраций, представленных на фиг.3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13.The device of the claimed technical solution is a filter-compensating device of non-configured the same type of capacitor banks and an active element with a three-component voltage regulator - in its static state can be described using the illustrations presented in figures 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 , 10, 11, 12, 13.
На фиг.3 представлена упрощенная однолинейная схема фильтро-компенсирующего устройства из ненастроенных однотипных конденсаторных батарей и активного элемента с трехкомпонентным задатчиком напряжения. Фильтро-компенсирующее устройство (ФКУ) подключается на стороне переменного тока между шинами 1 переменного тока и вторичной обмоткой трансформатора 2, к первичным обмоткам которого подключен ведомый сетью конвертор 3, который потребляет из сети переменного тока (сеть AC - alternate current) реактивную мощность и вливает в нее высшие гармоники тока.Figure 3 presents a simplified single-line diagram of a filter-compensating device of unconfigured homogeneous capacitor banks and an active element with a three-component voltage regulator. The filter-compensating device (FCU) is connected on the AC side between the
Совокупность конденсаторов, необходимая для работы на сеть ведомого ею конвертора 3 разделяется на Nq однотипных батарей 4 на каждую трехфазную ветвь сети. Если Qsum - реактивная мощность, требуемая при наибольшей передаваемой мощности, то мощность каждой батареи составляет:The set of capacitors necessary for operation on the network of the converter 3 led by it is divided into Nq of the same type of
Qk=Qsum/Nq, k=1, 2…Nq.Q k = Q sum / N q , k = 1, 2 ... N q .
Каждая батарея 4 (с адмиттансом Yo) подключается к сборным шинам 1 сети АС через высоковольтный выключатель 5 и заземляется через реактор 6 (с реактансом Х0). Узлы соединения батареи 4 и заземляющего реактора 6 присоединяются к сборным шинам 7 активного элемента 8 через средневольтные выключатели 9.Each battery 4 (with admittance Yo) is connected to the
При необходимости уменьшения или увеличения реактивной мощности может отключаться или подключаться любая из идентичных конденсаторных батарей 4 однородного ФКУ. Подключение конденсаторных батарей 4 целесообразно производить в моменты перехода напряжения через нуль, используя современный уровень синхронизации переключений высоковольтных выключателей 5 и 9. Фильтрация высших гармоник тока в однородном ФКУ с помощью активного элемента 8 может производиться через все подключенные к сети АС конденсаторные батареи 4 либо через часть этих батарей.If it is necessary to reduce or increase the reactive power, any of the
Фактор разбиения Nq совокупности конденсаторов на конденсаторные батареи определяется обычным образом режимами сети: допустимой погрешностью компенсации и допустимым изменением напряжения сети АС при ступенчатом изменении реактивной мощности.The factor of dividing the aggregate of capacitors into capacitor banks Nq is determined in the usual way by the network modes: the admissible compensation error and the permissible change in the AC network voltage with a stepwise change in reactive power.
Силовой преобразующей частью активного элемента 8 является высокочастотный широтно-модулированный (pulse-width modulation, PWM) PWM-конвертор 10 напряжения, который присоединяется к сборным шинам 7 непосредственно либо через разделительный трансформатор. Пульсации широтной модуляции PWM-конвертора 10 отфильтровываются непосредственно на выходе PWM-конвертора 10 с помощью широкополосного фильтра, состоящего из индуктивности 11 (Lae) и емкости 12 (Сае) и в сеть АС не проникают благодаря высокой частоте модуляции (в то же время на сетевой частоте ωs реактанс ωs·Lae и адмиттанс ωs·Cae фильтра пренебрежимо малы).The power converting part of the
В качестве PWM-конвертора 10 активного элемента 8 в однородном ФКУ может использоваться модульный многоуровневый конвертор напряжения (ММС). Он оснащается обычным набором блоков для работы в режиме следящего PWM-конвертора: блоками питания собственных нужд, драйверами транзисторов, датчиками токов и напряжений (на рис.3 не показаны) и модулятором 13 (mdl). В дополнение к перечисленным неспецифичным аппаратным и функциональным блокам, для работы в составе ФКУ система управления активного элемента 8 оснащается тремя специфическими функциональными блоками для выработки трехкомпонентного задания напряжения ММС с соответствующими им обратными связями:As a PWM-
блок 14 демпфирования - D (demp),damping unit 14 - D (demp),
блок 15 баланса - В (balance),
блок 16 селективного подавления гармоник - S (select).block 16 selective harmonic suppression - S (select).
Выходные сигналы блоков 14, 15, 16: vdemp, vbal, vsel соответственно суммируются сумматором 17. Эта трехкомпонентная сумма - задание напряжения vz(t):The output signals of
является основной переменной управления PWM-конвертором 10.is the main control variable of the
Каждый из блоков 14, 15, 16 располагает своими обратными связями и выполняет свою функцию в комплексе задач фильтрации.Each of
На блок 14 демпфирования поступает сигнал обратной связи с датчика 18 выходного тока iae активного элемента 8.The damping
На блок 15 баланса поступают сигналы обратной связи с датчика 19 напряжения накопительных конденсаторов 20 звеньев постоянного напряжения PWM-конвертора 10 и с датчика 21 сетевого напряжения vs.The
На блок 16 селективного подавления гармоник поступают сигналы обратной связи с датчика 22 сетевого тока is и с датчика 21 сетевого напряжения vs.Feedback block is received from the selective
Модульный многоуровневый PWM-конвертор 10 составляется из однотипных модулей 23 (см. фиг.4), каждый из которых является конвертором напряжения, способным действовать в режиме широтной модуляции (PWM-конвертором). Модули 23 соединяются последовательно по портам переменного напряжения w и z.The modular
На фиг.5 а) и б) представлены схемы замещения, поясняющие принцип действия демпфирующей обратной связи. На фиг.5 а) показана упрощенная схема замещения системы, представленной на фиг.3. Введены некоторые новые условные обозначения. Ведомый сетью конвертор 3 тока представлен в схеме замещения источником тока iw(t) 24, сеть АС представлена трехполюсником Zs 25 и э.д.с. сети us(t) 26, а PWM-конвертор 10 с модулятором 13 представлены в виде блока 27. На фиг.5 б) та же схема представлена с виртуальным резистором Rae 28. В схеме замещения на фиг.5 б) с виртуальным резистором 28 остаются только две обратные связи.Figure 5 a) and b) presents equivalent circuits explaining the principle of damping feedback. Figure 5 a) shows a simplified equivalent circuit diagram of the system shown in figure 3. Some new conventions are introduced. The network-driven current converter 3 is represented in the equivalent circuit by the current source iw (t) 24, the AC network is represented by a three-
На фиг.6 представлена структурная схема блока 15 balance общей схемы однородного ФКУ с активным элементом 8. Схема содержит: блоки умножения 29, 30, 31 и деления 32, 33, функциональный блок 34, сумматор 35, регулятор 36, блок 37 синхронизации, блок 38 выделения модуля величины. Входными сигналами блока 15 являются:Figure 6 presents the structural diagram of
- сигнал vd с датчика 19 напряжения накопительных конденсаторов 20,- signal vd from the
- сигнал vs с датчика 21 сетевого напряжения vs,- signal vs from the sensor 21 of the mains voltage vs,
- сигнал Ez - задания энергии накопительных конденсаторов 20.- signal Ez -
На фиг.7 представлена схема замещения схемы фильтро-компенсирующего устройства, изображенной на фиг.3. Обозначения на схеме соответствуют обозначениям на фиг.5: ведомый сетью конвертор 3 тока представлен в схеме замещения источником тока iw(t) 24, сеть АС представлена трехполюсником Zs 25; дальнейшие обозначения: конденсаторные батареи 4, заземляющий реактор 6, активный элемент 8.Figure 7 presents the equivalent circuit of the filter-compensating device shown in figure 3. The designations in the diagram correspond to those in Fig. 5: the network-driven current converter 3 is represented in the equivalent circuit by the current source iw (t) 24, the AC network is represented by a three-
На фиг.8 представлена схема замещения для иллюстрации работы блока селективного подавления гармоник. Обозначения на схеме соответствуют обозначениям на фиг.7. Виртуальный резистор Rae и источник э.д.с. vsel входят в состав активного элемента 8.Fig. 8 is an equivalent circuit to illustrate the operation of the selective harmonic suppression unit. The symbols on the diagram correspond to the symbols in Fig. 7. Rae virtual resistor and emf source vsel are part of
На фиг.9 представлена функциональная схема вычислителя напряжения селективного подавления гармоник по измеренному току ведомого конвертора 3 (прямая связь, feedforward). Схема содержит блоки умножения 39, …50, интеграторы 51…54, сумматор 55.Figure 9 presents a functional diagram of a voltage calculator for the selective suppression of harmonics according to the measured current of the slave converter 3 (direct feedforward). The circuit contains multiplication blocks 39, ... 50,
На фиг.10 представлена структурная схема регулятора селективного подавления k-й гармоники сетевого тока. На схеме обозначены: датчик 22 сетевого тока is, блоки умножения 56, 57, 58, интегратор 59, источник 60 напряжения k-й гармоники, элемент 61, соответствующий значению стационарной передаточной характеристики системы на частоте k-й гармоники.Figure 10 presents the structural diagram of the regulator of the selective suppression of the k-th harmonic of the mains current. On the diagram are indicated:
На фиг.11 представлена структурная схема вычислителя составляющей селективного подавления гармоник vsel с помощью обратной связи (feedback) по току сети is. Схема содержит блок 62 синхронизации и преобразования, блоки умножения 63, …80, интеграторы 81…86, сумматор 87.Figure 11 presents the structural diagram of the calculator component of the selective suppression of harmonics vsel using feedback (feedback) on the current network is. The circuit contains a synchronization and
Устройство работает следующим образомThe device operates as follows
В предлагаемом однородном ФКУ (см. фиг.3) активный элемент 8 используется как основное средство фильтрации. Вспомогательные резонансные цепи и демпфирующие резисторы, применяемые в известной схеме ФКУ с активным элементом (Sadek, Pereira, 2002 - [5]), исключаются. Обе функции:In the proposed homogeneous PKU (see figure 3), the
- демпфирование- damping
- селективная фильтрация- selective filtering
полностью возлагаются в однородном ФКУ на систему управления активным элементом 8 и выполняются ею без привлечения каких-либо аппаратных средств.fully assigned in a homogeneous PKU to the control system of the
Выходное напряжение vae следящего PWM-конвертора 10 при правильно построенном модуляторе 13 воспроизводит на своем выходе в силовую сеть переменного тока переменную из системы управления - задание напряжения - vz:The output voltage vae of the tracking
При достаточно высокой частоте модуляции пульсации PWM устраняются очень легким фильтром (состоящим из индуктивности 11 (Lae) и емкости 12 (Сае)), запаздывание выхода относительно входа пренебрежимо мало, так что такого рода PWM-конвертор 10 действует как повторитель сигнала (с точностью до масштаба) из системы управления в силовую цепь, и осуществляет равенство (2) достаточно точно.At a sufficiently high modulation frequency, the PWM pulsations are eliminated by a very light filter (consisting of inductance 11 (Lae) and capacitance 12 (Cae)), the output delay relative to the input is negligible, so this kind of
PWM-конвертор 10 (см. фиг.4) является управляемым не накапливающим и не рассеивающим энергию элементом (non-energetic, non-dissipative); мощность рае порта переменного тока (w-z) тождественна мощности порта постоянного тока (dp-dm)The PWM converter 10 (see FIG. 4) is a non-energy-absorbing and non-dissipative controlled element (non-energetic, non-dissipative); power of the ac port (w-z) is identical to the power of the direct current port (dp-dm)
где vae и iae - ток и напряжение порта переменного тока (w-z), vd и id - ток и напряжение порта постоянного тока (dp-dm),where vae and iae are the current and voltage of the alternating current port (w-z), vd and id are the current and voltage of the alternating current port (dp-dm),
а коэффициент передачи напряжения и тока устанавливается системой управления, вырабатывающей переключательную функцию транзисторов s(t)and the transmission coefficient of voltage and current is set by the control system generating the switching function of the transistors s (t)
Локально-усредненное на периоде модуляции значение переключательной функции может плавно изменяться в диапазоне [-1, 1], и соответственно напряжение PWM-конвертора 10 может плавно изменяться системой управления в диапазоне [-vd, vd]. При правильно построенном модуляторе 13 вырабатываемая им переключательная функция s(t) имеет локально-усредненное значениеLocally-averaged over the modulation period, the value of the switching function can smoothly change in the range [-1, 1], and accordingly, the voltage of the
При этом локально-усредненное напряжение PWM-конвертора 10 совпадает с сигналом заданияIn this case, the locally-averaged voltage of the
что и требуется для применения его в качестве активного элемента фильтра. Равенства (3…7) описывают модули 23 многоуровневой схемы, и после очевидных расширений трактовки - и всю модульную многоуровневую схему в целом.which is required to use it as an active filter element. Equalities (3 ... 7) describe
Как отмечено выше, для выработки трехкомпонентного задания напряжения PWM-конвертора 10 в соответствии с выражением (I):As noted above, to generate a three-component voltage
vz=vdemp+vsel+vbalvz = vdemp + vsel + vbal
система управления активного элемента 8 (см. фиг.3) оснащается тремя специфическими функциональными блоками DBS (блоки 14, 15, 16).the control system of the active element 8 (see figure 3) is equipped with three specific functional blocks DBS (blocks 14, 15, 16).
Перейдем к описанию их работы.Let's move on to a description of their work.
В блоке 14 демпфирования (D - demp) используется пропорциональная обратная связь с коэффициентом усиления Rae для получения первого из трех компонентов:
которая действует в точности как резистор Rae, внесенный в выходную цепь активного элемента 8. Пропорциональная обратная связь по выходному току активного элемента 8 создает виртуальный демпфирующий резистор Rae. Этот виртуальный резистор демпфирует переходные колебания сети не хуже, чем реальный резистор. Располагая активным элементом 8 вводить в схему фильтрации реальные демпфирующие резисторы незачем. В однородном ФКУ они не применяются.which acts exactly like the resistor Rae inserted in the output circuit of the
Для прояснения физического существа процессов в системе, представленной на фиг.3 полезно свернуть в схеме замещения демпфирующую обратную связь (D-demp) и вынести действие ее в силовую электрическую цепь, где связь эта представляется резистором Rae (виртуальным). Процесс свертки демпфирующей обратной связи иллюстрируется с помощью фиг.5 а) и б). На фиг.5 а) показана упрощенная схема замещения системы, содержащей однородное ФКУ с блоком 27 (выполняющим в схеме замещения роль активного элемента), и в которой блок 27 охватывается тремя контурами обратной связи DBS (demp, balance, select). Ведомый сетью конвертор тока 3 представлен в схеме замещения на фиг.5 а) и б), источником тока iw(t), а сеть АС представлена трехполюсником Zs 25 и э.д.с. сети us(t) 26. Остальные обозначения те же, что и на фиг.3. На фиг.5 б) та же схема, что и на фиг.5 а), представлена с виртуальным резистором Rae 28. В схеме замещения на фиг.5 б) с виртуальным резистором Rae 28 остаются только две обратные связи В и S. Эти обратные связи на ток блока 27 (активного элемента) непосредственно не откликаются. Таким образом, задача синтеза разделяется на две части. Виртуальный резистор Rae 28 выбирается так, чтобы наилучшим образом демпфировать переходные колебания. Оставшиеся два компонента BS действуют на задемпфированную систему через виртуальный резистор 28.To clarify the physical essence of the processes in the system shown in Fig. 3, it is useful to collapse the damping feedback (D-demp) in the equivalent circuit and transfer its action to the power circuit, where this connection is represented by the Rae resistor (virtual). The convolution process of damping feedback is illustrated using FIGS. 5 a) and b). 5 a) shows a simplified equivalent circuit diagram of a system containing a uniform PKU with block 27 (acting as an active element in the equivalent circuit), and in which block 27 is covered by three DBS feedback loops (demp, balance, select). The network-driven current converter 3 is presented in the equivalent circuit in Fig. 5 a) and b), the current source is iw (t), and the AC network is represented by a three-
Перейдем к описанию работы блока 15 баланса - В (balance).Let's move on to the description of the operation of
При работе в составе активного элемента 8 PWM-конвертор 10 не пересылает энергию из одной сети в другую, и накопительные конденсаторы 20 PWM-конвертора 10 могут не присоединяться к источнику или стоку постоянного напряжения, т.е. оставлены быть «подвешенными» или «плавающими». Как следствие этого возникает задача поддержания баланса мощности накопительных конденсаторов 20. Для функционирования PWM-конвертора 10 необходимо, чтобы напряжения vd накопительных конденсаторов 20 удерживались в окрестности заданного уровня vdz:When operating as part of the
а для этого нужно, чтобы на любом достаточно долгом интервале времени Td средняя мощность PWM-конвертора 10 (и активного элемента 8) была нулевойand for this it is necessary that on any sufficiently long time interval Td, the average power of the PWM converter 10 (and active element 8) be zero
Это равенство должно выполняться на фоне исполнения активным элементом 8 своих сущностных обязанностей: демпфирования переходных колебаний и поглощения высших гармоник тока. Специфичность условий применения активного элемента 8 в фильтре сети переменного тока дает такую возможность: без какого бы то ни было нарушения фильтрации к выходному напряжению активного элемента 8 может быть добавлено напряжение основной гармоники с произвольной амплитудой и фазой. Комплексная амплитуда основной гармоники напряжения активного элемента 8 является свободным параметром. Именно она используется как параметр регулирования баланса мощности Pd накопительных конденсаторов 20 активного элемента 8.This equality must be fulfilled against the background of the active element fulfilling 8 of its essential duties: damping transient oscillations and absorbing higher harmonics of the current. The specificity of the conditions for the use of the
Напряжения vd этих конденсаторов описываются нелинейным дифференциальным уравнениемThe voltages vd of these capacitors are described by a nonlinear differential equation
где С - емкость конденсаторов 20.where C is the capacitance of the
Однако если перейти к накопленной энергииHowever, if we go to the stored energy
уравнение становится линейнымthe equation becomes linear
Выделим в мощности Pd составляющую баланса Pbal:Let us single out the Pbal balance component in the power Pd:
где Pd' - прочие составляющие. Для регулирования объекта с уравнением (11) используется пропорционально-интегральный регулятор 36 (PI-регулятор) мощности (см. фиг.6).where Pd 'are the other components. To regulate the object with equation (11), a proportional-integral power regulator 36 (PI-regulator) of power is used (see Fig. 6).
где: p - оператор Лапласа; Ez-задание энергии накопительных конденсаторов 20; Kd, td - усиление и постоянная времени PI-регулятора.where: p is the Laplace operator; Ez-task
При подходящих параметрах такой регулятор эффективно приводит энергию Ed к заданной величине Ez.With suitable parameters, such a regulator effectively brings the energy Ed to a given value of Ez.
Как показано на фиг.6 на вход функционального блока 34 поступает сигнал vd с датчика 19 напряжения накопительных конденсаторов 20, затем на выходе сумматора 35 образуется разность (Ez-Ed), поступающая на вход регулятора 36.As shown in Fig.6, the input of the
Далее определенная регулятором 36 величина мощности Pbal должна быть преобразована в комплексную амплитуду 
Мощность баланса равна скалярному произведению комплексных амплитуд 
При помощи схемы замещения (см. фиг.7) системы, представленной на фиг.3, получено выражение для комплексной амплитуды тока баланса ibal:Using the equivalent circuit (see Fig.7) of the system shown in Fig.3, the expression for the complex amplitude of the balance current ibal is obtained:
где 
Подстановка последнего выражения в (13) даетSubstituting the last expression in (13) gives
где - 
Тангенциальная составляющая вектора 
Вычисление Vbal,norm реализуется (см. фиг.6) при помощи блока 29 умножения и блока 32 деления. При этом модуль
состоящую из комплексной амплитуды 
где 
Блок 33 деления вычисляет значения вращающегося орта ej·θ сетевого напряжения, а затем при помощи блоков 30 и 31 умножения формируется синусоидальная переменная - напряжение баланса vbal - вторая из трех компонент выражения (1):The
После подключения демпфирующей составляющей vdemp и балансной составляющей vbal задатчика напряжения активного элемента 8 схема замещения сети АС вкупе с компенсирующими конденсаторами 4 и активным элементом 8 образуют сильно задемпфированную с помощью виртуальных резисторов силовую электрическую цепь без применения для демпфирования реальных рассеивающих энергию резисторов. В упрощенном виде, без учета несущественного здесь фильтра (Lae, Cae) высокочастотных пульсаций широтной модуляции, эта цепь представлена на фиг.8. Активный элемент 8 отображен в ней демпфирующим резистором Rae и источником э.д.с. vsel, предназначенным для поглощения высших гармоник тока iw.After connecting the damping component vdemp and the balanced component vbal of the voltage regulator of the
Спектр тока, засылаемого в сеть ведомым сетью конвертором 3, является дискретнымThe spectrum of the current sent to the network by the network-driven converter 3 is discrete
Соответственно этому составляющая селективного поглощения гармоник vsel образуется как суммаAccordingly, the component of the selective absorption of harmonics vsel is formed as the sum
Каждая из высших гармоник тока iwk, под действием гармоники выходного напряжения vaek активного элемента 8 должна быть полностью втянута в ФКУ (в активный элемент 8), так что должно быть:Each of the higher harmonics of the current iw k , under the influence of the harmonic of the output voltage vaek of the
и соответственно для напряжения:and accordingly for voltage:
Для выполнения этих условий комплексная амплитуда гармоник напряжения vsel(θ) должна составлятьTo fulfill these conditions, the complex amplitude of voltage harmonics vsel (θ) should be
При этом через активный элемент 8 протекает гармоника тока k с комплексной амплитудойIn this case, a current harmonic k with a complex amplitude flows through the
Действующая по формулам (21…24) функциональная схема вычислителя селективного подавления гармоник дана на фиг.9.Operating according to formulas (21 ... 24), a functional diagram of a selective harmonic suppression calculator is given in Fig. 9.
Канонические гармоники 12-пульсной схемы ведомого сетью конвертора тока 3 имеют порядкиThe canonical harmonics of the 12-pulse circuit of the network-driven current converter 3 are of the order
k: -11, 13; -23, 25; -35, 37; …k: -11, 13; -23, 25; -35, 37; ...
где отрицательным номерам соответствуют обратно-вращающиеся гармоники. Комплексные переменные с единичной амплитудой ej·k·θ (орты) получаются из блока синхронизации (на фиг.9 не показан), в котором в результате обработки сетевого напряжения vs(θ) получается вначале орт ej·θ, а затем по нему вычисляются прочие необходимые орты. Комплексные амплитуды тока ведомого конвертора 
Синтезированный вычислитель селективного подавления select действует поверх компонента демпфирования demp и не нарушает демпфирования. В то же время при точно известных параметрах импедансов и точных вычислениях он осуществляет полное поглощение гармоник ведомого сетью конвертора 3 в цепь компенсирующего устройства.The synthesized select selector suppressor acts on top of the demp damping component and does not violate damping. At the same time, with precisely known impedance parameters and accurate calculations, it completely absorbs harmonics of the network-driven converter 3 into the circuit of the compensating device.
Ток ведомого сетью конвертора 3 iw(θ) почти не зависит от поведения активного элемента 8. В силу этого действующий по этому току вычислитель селективного подавления, представленный на фиг.9, является системой с прямой связью (feedforward), и разделяет преимущества и недостатки, свойственные системам с прямой связью. Преимуществом является элиминация проблемы устойчивости; прямые связи не могут быть причиной автоколебаний. Недостаток - сохранение любой возникающей погрешности, как погрешности исходных данных, так и погрешности каждого шага вычислений, и как следствие - низкая точность. Из-за этого системы с прямой связью применяются лишь в редких случаях. Вычислитель vsel по схеме на фиг.9 рассмотрен выше только для того, чтобы проиллюстрировать действие активного элемента 8 в фильтро-компенсирующем устройстве.The current of the network-driven converter 3 iw (θ) is almost independent of the behavior of the
При реализации вычислителя vsel в однородном ФКУ в соответствии с заявляемым техническим предложением используется обратная связь (feedback), т.е. связь по измеренному току сети переменного тока is(θ), как это показано на общей схеме однородного ФКУ (фиг.3).When implementing the vsel computer in a uniform PKU in accordance with the claimed technical proposal, feedback is used, i.e. the relationship of the measured current of the AC mains is (θ), as shown in the general scheme of a uniform PKU (Fig. 3).
Предлагаемое здесь построение системы селективного подавления гармоник сетевого тока is(θ) базируется на принципе квазистационарности. Существенно, что система select действует на фоне замкнутой широкополосной демпфирующей обратной связи demp, которая была рассмотрена выше. Под действием демпфирования по истечении достаточно малых промежутков времени или при достаточно медленных изменениях условий ток сети АС складывается из тех же гармоник, которые генерируются ведомым сетью конвертором 3:The construction of a system for selective suppression of harmonics of the mains current is (θ) proposed here is based on the principle of quasistationarity. It is significant that the select system acts against the background of the closed broadband damping feedback demp, which was discussed above. Under the action of damping after sufficiently short periods of time or with sufficiently slow changes in the conditions, the AC network current is composed of the same harmonics that are generated by the slave converter 3:
причем комплексные амплитуды гармоник сетевого тока 
гдеWhere
Y(j·ω) - стационарная передаточная характеристика полной схемы замещения системы от напряжения активного элемента к сетевому току; Yk=Y(j·k);Y (j · ω) is the stationary transfer characteristic of the complete system equivalent circuit from the voltage of the active element to the mains current; Y k = Y (j · k);
G(j·ω) - стационарная передаточная характеристика полной схемы замещения системы от тока ведомого сетью конвертора до тока линии; Gk=G(j·k).G (j · ω) is the stationary transfer characteristic of the complete system equivalent circuit from the current driven by the converter network to the line current; G k = G (jk).
Предполагается, что уравнение передачи комплексных амплитуд удовлетворительно выполняется в почти стационарных условиях, когда комплексные амплитуды являются медленно изменяющимися функциями времени 
Iszk=0.Isz k = 0.
Наилучшим регулятором для этих условий является интеграторThe best regulator for these conditions is the integrator
где τ - постоянная времени интегратора.where τ is the integrator time constant.
Уравнение для комплексной амплитуды гармоники сетевого тока при этом получается такимThe equation for the complex harmonic amplitude of the mains current is obtained as follows
Переменная 
Соответственно экспоненциально с постоянной времени τ к нулю устремляется комплексная амплитуда подавляемой селективно гармоники тока сетиCorrespondingly, with the time constant τ, the complex amplitude of the network current harmonic selectively suppressed tends to zero
Как и следовало ожидать от интегрального регулятора, погрешность (в данном случае - гармоника сетевого тока) устраняется полностью.As expected from the integral controller, the error (in this case, the harmonic of the mains current) is completely eliminated.
Уравнения системы селективного подавления гармоники сетевого тока (25, 26) являются комплексными. Входящие в них медленно меняющиеся переменные 
x=xd+j·xq⇒col(xd,xq).x = x d + j · x q ⇒col (x d , x q ).
Это не делается только потому, что комплексно-значные формулы короче и ясней выражают существо. Большее внимание следует уделить другому обстоятельству. В коэффициенте Yk уравнения объекта (25) скрыты параметры сети АС, в которой действует ФКУ в целом, и регулятор селективного подавления гармоники k в частности. Параметры сети известны лишь неточно, и параметры эти могут изменяться. При рассмотрении чувствительности системы селективного подавления гармоники к погрешности знания о линии нужно различить параметр Yk определяемый линией уравнения (25) и предполагаемое значение этого параметра Y′k, используемое в системе управления активного элемента, уравнение (26) станет при этом такимThis is not done only because complex-valued formulas express the being shorter and clearer. More attention should be paid to another circumstance. In the coefficient Y k of the equation of the object (25), the parameters of the AS network, in which the PKU as a whole operates, and the selective harmonic k regulator in particular are hidden. Network parameters are known only inaccurately, and these parameters can change. When considering the sensitivity of the selective harmonic suppression system to the line knowledge error, it is necessary to distinguish the parameter Y k determined by the line of equation (25) and the expected value of this parameter Y k used in the control system of the active element, equation (26) will become
При подстановке его в (25) в уравнениях замкнутой системы появится комплексный множитель, равный отношению истинного и предполагаемого параметраWhen substituting it in (25), a complex factor appears in the equations of the closed system equal to the ratio of the true and the assumed parameter
Этот комплексный множитель модифицирует постоянную времени регулятора, превращая ее в комплексное число. Переходная составляющая замкнутой системы регулирования (28) при этом модифицируется такThis complex factor modifies the controller time constant, turning it into a complex number. The transition component of the closed-loop control system (28) is thus modified as
где для краткости записаноwhere for brevity is written
c=cosα, s=sinα.c = cosα, s = sinα.
Последнее выражение описывает затухающее гармоническое колебание с постоянной времени затухания τ′ и собственной частотой ω′The last expression describes the damped harmonic oscillation with the decay time constant τ ′ and the natural frequency ω ′
гдеWhere
Переходная составляющая перестает быть затухающей только если погрешность по фазе достигает критических значенийThe transition component ceases to be decaying only if the phase error reaches critical values
±π/2.± π / 2.
Погрешность по модулю на устойчивость не влияет; она только изменяет темп. Отсюда следует важное заключение: система селективного подавления гармоники сетевого тока с интегральной обратной связью является робастой (robust). Она сохраняет устойчивость в широком диапазоне расхождений параметров сети АС от предполагаемых. Устойчивость теряется только при изменении направления обратной связи, когда вектор расхождения выходит за квадранты I, IV комплексной плоскости (вещественная компонента вектора расхождения становится отрицательной).The error modulo stability does not affect; she only changes the pace. An important conclusion follows from this: the system of selective suppression of the harmonic of the mains current with integrated feedback is robust. It remains stable over a wide range of discrepancies between the parameters of the AC network and the expected ones. Stability is lost only when the feedback direction changes, when the divergence vector goes beyond the quadrants I, IV of the complex plane (the real component of the divergence vector becomes negative).
Строение регулятора селективного подавления k-той гармоники сетевого тока, действующего по уравнениям (25, 26) иллюстрируется схемой на фиг.10.The structure of the regulator of selective suppression of the k-th harmonic of the mains current acting according to equations (25, 26) is illustrated by the circuit in Fig. 10.
Сам регулятор работает только с комплексными амплитудами 
Построение полной схемы вычислителя компонента vsel(·), т.е. составляющей селективного подавления гармоник, производится суммированием регуляторов вида, представленного на фиг.10, для всей совокупности избранных гармоник; по одному регулятору на каждую из подавляемых гармоник. Это построение показано на фиг.11.Construction of the complete circuit of the calculator of the vsel component (), i.e. component of the selective suppression of harmonics is performed by summing the regulators of the type shown in Fig. 10 for the entire set of selected harmonics; one control for each of the suppressed harmonics. This construction is shown in Fig.11.
Перечень подавляемых гармоник содержит во-первых канонические гармоникиThe list of suppressed harmonics firstly contains canonical harmonics
-11, 13; -23, 25; -35, 37….-11, 13; -23, 25; -35, 37 ....
Помимо канонических гармоник ток ведомого сетью конвертора содержит в остаточных количествах неканонические гармоникиIn addition to the canonical harmonics, the current of the network-driven converter contains non-canonical harmonics in residual amounts
5, -7; -17, 19; ….5, -7; -17, 19; ...
Они порождаются токами холостого хода преобразовательных трансформаторов и неточностями управления вентилями. Амплитуда их, как правило, невелика, однако понижение их уровня может потребоваться. В однородном ФКУ с активным элементом, управляемым по трехкомпонентному DBS-алгоритму, для поглощения неканонических гармоник не требуется никакой дополнительной аппаратуры. Достаточно включить в функциональную схему и программу блока 16 селективного подавления гармоник (select) ветви, соответствующие этим неканоническим гармоникам, как это показано на фиг.11.They are generated by the no-load currents of the converter transformers and inaccuracies in valve control. Their amplitude is usually small, but lowering their level may be required. In a homogeneous PKU with an active element controlled by a three-component DBS algorithm, no additional equipment is required to absorb noncanonical harmonics. It is enough to include the branches corresponding to these noncanonical harmonics, as shown in Fig. 11, in the functional diagram and program of the
При рассмотрении функциональной схемы блока 16 select следует учитывать явление наложения гармоник. На фиг.11 на входах интеграторов 81…86 записаны величины Is11, Is13….When considering the functional diagram of
В действительности же при токе видаIn reality, with a current of the form
например, на входе интегратора 82 после умножения (при помощи блока умножения 66) на e-j·13·θ получается сумма:for example, at the input of the
Is1·e-j·12·θ+Is11·е-j·24·θ+Is13+Is23·е-j·36·θ+…,Is 1 · e -j · 12 · θ + Is 11 · е -j · 24 · θ + Is 13 + Is 23 · е -j · 36 · θ + ...,
в которой к комплексной амплитуде Is13 примешаны гармоники 12, 24 и 36-кратной частоты. Во избежание интерференции, постоянная времени интеграторов 81…86 должна быть выбрана достаточно большой, чтобы ослабить самую низкочастотную из комбинационных гармоник. В выше приведенном примере самой низкочастотной из них является 12-ая гармоника. Для ее ослабления не требуется слишком замедлять процесс селективного подавления гармоник. Даже без принятия специальных мер, система селективного подавления гармоник может быть достаточно динамичной.in which harmonics of 12, 24, and 36-fold frequencies are mixed with the complex amplitude of Is 13 . In order to avoid interference, the time constant of the
Завершая описание системы селективного подавления с обратной связью по сетевому току отметим, что при использовании ее точность подавления высших гармоник сетевого тока определяется исключительно точностью измерений. Прочие погрешности, в том числе и погрешности сведений о параметрах сети АС, полностью подавляются интегральными регуляторами обратных связей.Concluding the description of the system of selective suppression with feedback on the mains current, we note that when using it, the accuracy of suppressing the higher harmonics of the mains current is determined solely by the accuracy of the measurements. Other errors, including errors in the information about the parameters of the AC network, are completely suppressed by the integrated feedback regulators.
Работу заявляемого фильтро-компенсирующего устройства иллюстрируют графики процессов (фиг.12 - фиг.13), полученные с помощью ELTRAN-модели. ELTRAN ([9], [10]) является универсальной системой моделирования вентильных преобразователей любой конфигурации и назначения. Вместе с силовой частью преобразователя в ELTRAN-модели отображается и система управления им, а также, по мере необходимости, примыкающие к преобразователю внешние цепи. Все эти возможности понадобились в данном случае. Осуществленная модель, во-первых, отображает подробно все силовые цепи комплектной выпрямительно-преобразовательной установки (КВПУ), упрощенная однолинейная схема которой представлена на фиг.3, в том числе:The operation of the inventive filter-compensating device is illustrated by process graphs (Fig. 12 - Fig. 13) obtained using the ELTRAN model. ELTRAN ([9], [10]) is a universal system for modeling valve converters of any configuration and purpose. Together with the power part of the converter, the ELTRAN model also displays its control system, as well as, as necessary, external circuits adjacent to the converter. All these features were needed in this case. The implemented model, firstly, displays in detail all the power circuits of a complete rectifier-converter installation (KVPU), a simplified single-line diagram of which is presented in Fig. 3, including:
- двенадцатипульсный ведомый сетью конвертор тока 3, с индивидуальным представлением каждого вентиля;- a twelve-pulse network-driven current converter 3, with an individual representation of each valve;
- преобразовательный трехобмоточный трансформатор 2, с отображением специфической для преобразовательных трансформаторов конфигурации магнитной цепи и учетом явлений насыщения ее;- three-winding
- конденсаторные батареи 4, выключатели 5 и заземляющие реакторы 6, а также вспомогательные RC-цепи ограничения бросков тока при переключении батарей 4;-
- сеть переменного тока 1 в виде четырехзвенной схемы замещения линии передачи, а также реактанса и э.д.с. примыкающей подстанции;-
- модульный пятиуровневый PWM-конвертор напряжения 10 с индивидуальным представлением IGBT и накопительных конденсаторов 20 (активный элемент 8);- a modular five-level
- фильтр Lae 11, Сае 12 высокочастотных пульсаций широтной модуляции.-
Вместе с силовой схемой детально отображается также система управления активным элементом 8 по DBS-алгоритму, со всеми ее функциональными блоками и контурами обратных связей.Together with the power circuit, the active
В модели отображены также система синхронизации и система управления ведомого сетью конвертора тока 3. Параметры модели: мощность - PN=500 МВт, напряжение сети AC-VN=400 кВ.The model also displays the synchronization system and the control system of the network-driven current converter 3. Model parameters: power - P N = 500 MW, network voltage AC-V N = 400 kV.
Полная требуемая для работы КВПУ реактивная мощность ФКУ составляетThe total reactive power of the PKU required for the operation of the KVPU is
QSUM≅330 Мвар.Q SUM ≅330 Mar.
Конденсаторные батареи ФКУ разбиты на 3 однотипных блока (Nq=3); мощность каждой батареи составляетPKU capacitor banks are divided into 3 units of the same type (Nq = 3); the power of each battery is
Q≅110 Мвар.Q≅110 Mar.
Моделируемое КВПУ предусматривает работу с изменением передаваемой мощности Р. Для подстройки реактивной мощности при широкодиапазонном регулировании передаваемой мощности требуется переключение конденсаторных батарей. В рамках выполненного исследования как основной режим переключения рассматривается режим синхронных переключений. Современная техника высоковольтных выключателей обеспечивает осуществимость синхронных переключений. Функции синхронизации отображены в используемой модели.The simulated KVPU provides for work with changing the transmitted power R. To adjust the reactive power with wide-range regulation of the transmitted power, switching capacitor banks is required. In the framework of the study, the mode of synchronous switching is considered as the main switching mode. The modern technology of high-voltage circuit breakers ensures the feasibility of synchronous switching. The synchronization functions are displayed in the model used.
Синтезированная ELTRAN-модель КВПУ с описанным выше составом и функциями используется для решения обширного комплекса задач при проектировании реальных объектов.The synthesized ELTRAN model of KVPU with the composition and functions described above is used to solve a wide range of problems in the design of real objects.
Здесь приведены только отдельные результаты моделирования, относящиеся непосредственно к однородному ФКУ и его активному элементу.Here, only individual modeling results are presented that relate directly to a homogeneous PKU and its active element.
На фиг.12. приведены графики работы однородного ФКУ и его активного элемента 8 в установившемся режиме при номинальной передаваемой мощности. Графики расположены на 4-х диаграммах (1 - верхняя диаграмма, … 4 - нижняя диаграмма).On Fig. graphs of the operation of a homogeneous PKU and its
На первой диаграмме показаны:The first diagram shows:
- U LMA - фазное напряжение сети 1 (оно же - напряжение сетевой обмотки преобразовательного трансформатора 2),- U LMA - phase voltage of the network 1 (it is the voltage of the network winding of the transformer transformer 2),
- IA - трапециевидный фазный ток ведомого сетью конвертора 3 (он же - ток сетевой обмотки преобразовательного трансформатора 2)- IA - trapezoidal phase current of the network-driven converter 3 (it is also the current of the network winding of the converter transformer 2)
- IAs - фазный ток, поступающий в сеть.- IAs is the phase current entering the network.
Ток ведомого конвертора сильно опережает сетевое напряжение: ведомый конвертор потребляет для переключения своих вентилей реактивную мощность. Фильтро-компенсирующее устройство добавляет к току ведомого конвертора отстающий ток и сдвигает тем самым сетевой ток. Кроме того, ФКУ стягивает в себя высшие гармоники тока ведомого конвертора. В результате поступающий в сеть ток становится синусоидальным, с малым сдвигом относительно напряжения. Визуально на графиках искажения сетевого тока и сетевого напряжения незаметны вовсе. На первой диаграмме заметна некоторая перекомпенсация по реактивной мощности: втекающий ток сети отстает от напряжения сети. Это вызвано тем, что установленная мощность батарей ФКУ выбрана с некоторым избытком в расчете на передачу повышенной мощности 1,1·PN.The slave converter current is far ahead of the mains voltage: the slave converter consumes reactive power to switch its valves. The filter-compensating device adds lag current to the current of the slave converter and thereby shifts the mains current. In addition, the PKU pulls together the higher harmonics of the current of the slave converter. As a result, the current entering the network becomes sinusoidal, with a small shift relative to the voltage. Visually on the graphs, distortions of the mains current and mains voltage are invisible at all. In the first diagram, some overcompensation in reactive power is noticeable: the incoming current of the network lags behind the voltage of the network. This is because the installed capacity of the PKU batteries is selected with a certain excess in the calculation of the transmission of increased power of 1.1 · P N.
На второй диаграмме показана одна переменная - UAF - фазное напряжение на сборных шинах 7 активного элемента 8 (см. фиг.3), представляющее собой напряжение активного элемента после фильтрации фильтром Lae 11, Сае 12 высокочастотных пульсаций широтной модуляции. Такой фильтр, как уже отмечено выше, входит в состав активного элемента. В напряжении активного элемента, как видно из графика, доминируют 11 и 13 гармоники, которые совместно дают характерную форму биений. Прочие гармоники в графике напряжения активного элемента не просматриваются. Для их выделения требуется специальная обработка сигнала.The second diagram shows one variable - UAF - phase voltage on the busbars 7 of the active element 8 (see figure 3), which is the voltage of the active element after filtering by the
На третьей диаграмме показано: KUA - напряжение фазы PWM-конвертора 10 (совпадающее по форме с выходным напряжением модульного многоуровневого PWM-конвертора 10 - базовой части активного элемента 8). Широтная модуляция является высокочастотной. Уровень локально-усредненного напряжения конвертора на графике просматривается только как сгущение/разбавление линий переключения.The third diagram shows: KUA - phase voltage of the PWM converter 10 (matching in shape with the output voltage of the modular multilevel PWM converter 10 - the base part of the active element 8). Latitude modulation is high frequency. The level of the locally averaged voltage of the converter on the graph is viewed only as a thickening / dilution of the switching lines.
На четвертой (нижней) диаграмме показаны:The fourth (bottom) diagram shows:
- ILAIN - ток активного элемента 8,- ILAIN - current of the
- ILAF - ток заземляющих реакторов 6, которые шунтируют активный элемент,- ILAF -
- ICAF - суммарный ток батареи конденсаторов 4.- ICAF - total capacitor bank current 4.
В токе активного элемента просматриваются в первую очередь 11-ая и 13-ая гармоники и в добавление к ним - основная гармоника с сетевой частотой. Заметны в нем пульсации широтной модуляции, которые видны как некоторая «шерстистость» линии тока. Амплитуда этих пульсаций невелика, а частота высока, и они полностью поглощаются конденсаторами фильтра активного элемента. В выходное напряжение активного элемента, как уже отмечалось, пульсации широтной модуляции не проникают.In the current of the active element, first of all, the 11th and 13th harmonics are viewed, and in addition to them, the main harmonic with the network frequency. The pulsations of latitudinal modulation are noticeable in it, which are visible as some “wooliness” of the streamline. The amplitude of these pulsations is small, and the frequency is high, and they are completely absorbed by the filter capacitors of the active element. As already noted, the pulse width modulation does not penetrate the output voltage of the active element.
Из рассмотрения фиг.12 следует, что ФКУ обеспечивает компенсацию и эффективную фильтрацию.From the consideration of Fig. 12, it follows that the PKU provides compensation and efficient filtering.
Переходные процессы, вызванные переключениями конденсаторных батарей в ходе подстройки реактивной мощности ФКУ, представляют собой частое явление для КВПУ с ведомыми сетью конверторами. Эти процессы также рассмотрены с помощью ELTRAN-модели. Переключения производятся синхронизировано: включение выключателя по пришедшей команде задерживается так, чтобы момент замыкания контакта попадал на момент перехода напряжения через нуль. Такое управление освоено современной техникой высоковольтных выключателей. Оно снижает переходные колебания в сети и импульсные перегрузки конденсаторных батарей и самих выключателей, не требуя при этом существенных затрат.Transients caused by switching capacitor banks during the adjustment of the reactive power of the PKU are a frequent occurrence for KVPU with network-driven converters. These processes are also considered using the ELTRAN model. Switching is performed synchronously: the circuit breaker closes by a command that is received so that the moment of contact closure falls at the moment the voltage passes through zero. Such control is mastered by modern technology of high-voltage circuit breakers. It reduces transient fluctuations in the network and the pulse overload of capacitor banks and the switches themselves, without requiring significant costs.
Один из типичных переходных процессов показан на фиг.13., где представлены графики процесса снижения передаваемой мощности, сопровождаемого отключением одной из трех конденсаторных батарей ФКУ. На диаграмме показаны ток на выходе конвертора 3 (It - ступенчатая кривая) и ток линии (сети) (IL - плавная кривая) при уменьшении передаваемой мощности, сопровождаемом отключением третьей батареи ФКУ.One of the typical transients is shown in Fig. 13, which presents graphs of the process of reducing the transmitted power, followed by the disconnection of one of the three capacitor banks of the FCU. The diagram shows the current at the output of the converter 3 (It is a step curve) and the current of the line (network) (IL is a smooth curve) when the transmitted power decreases, followed by the disconnection of the third PKU battery.
По ходу уменьшения передаваемой мощности уменьшается реактивная мощность Q ведомого сетью конвертора 3, возникает избыток реактивной мощности сети QL и система регулирования реактивной мощности инициирует отключение третьей батареи ФКУ. Переходный процесс, вызванный уменьшением передаваемой мощности и инициированным им отключением батареи, завершается установлением нового режима за время ≅100 мс.As the transmitted power decreases, the reactive power Q of the network-driven converter 3 decreases, an excess of reactive power of the QL network occurs, and the reactive power control system initiates the shutdown of the third PKU battery. The transition process caused by a decrease in the transmitted power and the battery disconnection initiated by it ends with the establishment of a new mode in a time of ≅100 ms.
На фиг.13 искажение напряжений в переходном процессе почти не просматривается. Это является позитивным следствием двух обстоятельств. Во-первых, синхронизация выключателей минимизирует возмущающее действие переключений на систему. Во-вторых, виртуальные резисторы, образуемые подсистемой D трехкомпонентной DBS-системы управления, осуществляют интенсивное демпфирование системы. Заметно также действие системы селективного подавления гармоник обеспечивающей полное подавление гармоник сетевого тока.13, voltage distortion in the transient is hardly visible. This is a positive consequence of two circumstances. Firstly, the synchronization of switches minimizes the disturbing effect of switching to the system. Secondly, virtual resistors formed by subsystem D of a three-component DBS control system carry out intensive damping of the system. The effect of the selective harmonic suppression system providing complete suppression of harmonics of the mains current is also noticeable.
Качество работы однородного ФКУ и ее DBS-системы управления при регулировании передаваемой мощности вполне удовлетворительно.The quality of work of a homogeneous PKU and its DBS control system in controlling the transmitted power is quite satisfactory.
Выполненное изучение режимов КВПУ со стандартным ведомым сетью конвертором и однородным ФКУ выявило, что требуемая установленная мощность активного элемента составляет 1,2…1,4% от проходной мощности КВПУ. Эта величина незначительна, так что стоимость активного элемента не вносит сколь-нибудь ощутимого вклада в стоимость КВПУ, а потери в активном элементе неощутимы среди потерь в КВПУ. Усложнение однородного КВПУ резонансными цепями с целью снижения мощности активного элемента является необоснованным.The performed study of the KVPU modes with a standard slave network converter and a homogeneous PKU revealed that the required installed power of the active element is 1.2 ... 1.4% of the KVPU throughput power. This value is insignificant, so the cost of the active element does not make any tangible contribution to the cost of the HVAC, and the losses in the active element are imperceptible among the losses in the HVAC. The complication of homogeneous KVPU resonant circuits in order to reduce the power of the active element is unreasonable.
Преимущества однородного ФКУ с активным элементом, современное состояние техники ММС-конверторов, а также проработанность DBS-алгоритма позволяют предложить однородное ФКУ для всех современных проектов HVDC с ведомыми конверторами тока. Современный уровень техники для этого очередного шага усовершенствования HVDC-LCC созрел.The advantages of a homogeneous PKU with an active element, the current state of the technology of MMS converters, as well as the sophisticated DBS algorithm make it possible to offer a homogeneous PKU for all modern HVDC projects with slave current converters. The state of the art for this next step in improving the HVDC-LCC is ripe.
Таким образом, при вышеуказанном исполнении заявляемого устройства обеспечивается выполнение основных функций - регулирование реактивной мощности при использовании однотипных взаимозаменяемых конденсаторных батарей, полное поглощение высших гармоник без использования настроенных резонансных цепей, осуществление демпфирования переходных колебаний без применения рассеивающих энергию резисторов.Thus, with the aforementioned design of the inventive device, the basic functions are provided - regulation of reactive power when using the same type of interchangeable capacitor banks, complete absorption of higher harmonics without using tuned resonant circuits, damping transient oscillations without the use of energy-dissipating resistors.
Исходя из вышеизложенного, следующие задачи:Based on the foregoing, the following tasks:
- упрощение схемы ФКУ за счет радикального снижения числа ветвей ФКУ для условий регулирования реактивной мощности переключениями батарей,- simplification of the circuit PKU due to the radical reduction in the number of branches PKU for conditions of regulation of reactive power by switching the batteries,
- снижения уровня потерь мощности ФКУ за счет демпфирования виртуальными резисторами вместо демпфирования резисторами реальными (функция выполняется системой управления активным элементом без привлечения каких-либо аппаратных средств),- reducing the level of PKU power losses due to damping by virtual resistors instead of damping by real resistors (the function is performed by the control system of the active element without involving any hardware),
- упрощение настроек ФКУ при вводе в эксплуатацию и перестроек при изменении параметров сети АС, что достигается исключительно корректированием программы управления активным элементом, эффективно решены.- simplification of PKU settings during commissioning and adjustments when changing the parameters of the AC network, which is achieved solely by adjusting the active element control program, have been effectively resolved.
Источники информацииInformation sources
1. CIGREWorking Group 14.30. Filter Switching and Reactive Power Management. Section 8. №139 - Guide to the specification and design evaluation of AC filters for HVDC systems. April 19991. CIGREWorking Group 14.30. Filter Switching and Reactive Power Management.
2. R.K. Chauhan, M. Kuhn, D. Kumar, A. Kolz, P. Riedel - BasicDesignAspectsofBallia-Bhiwadi 2500MWHVDCPowerTransmissionSystem, 20092. R.K. Chauhan, M. Kuhn, D. Kumar, A. Kolz, P. Riedel - BasicDesignAspectsofBallia-Bhiwadi 2500MWHVDCPowerTransmissionSystem, 2009
3. Marquardt Rainer (DE) - Current rectification circuit for voltage source inverters with separate energy stores replaces phase blocks with energy storing capacitors. Publication number DE 10103031, 2002-07-253. Marquardt Rainer (DE) - Current rectification circuit for voltage source inverters with separate energy stores replaces phase blocks with energy storing capacitors. Publication number DE 10103031, 2002-07-25
4. L. Gyugyi, В.R. Pelly - Static Power Frequency Changers - Theory, Performance, & Application. New York: J. Wiley, 19764. L. Gyugyi, B.R. Pelly - Static Power Frequency Changers - Theory, Performance, & Application. New York: J. Wiley, 1976
5. Sadek Kadry (DE), Pereira Marcos (DE) - Siemens AG (DE) - Hybrid filter for an alternating current network. Publication number US 6385063, 2002-05-075. Sadek Kadry (DE), Pereira Marcos (DE) - Siemens AG (DE) - Hybrid filter for an alternating current network. Publication number US 6385063, 2002-05-07
6. CIGRE Working Group 14.28 - Active filters in HVDC applications. №223. April 20036. CIGRE Working Group 14.28 - Active filters in HVDC applications. No. 223. April 2003
7. CIGRE IEC/PAS 62544 - Active filters in HVDC applications. Publicly available specification, pre-standard, 2008-02, page 43-447. CIGRE IEC / PAS 62544 - Active filters in HVDC applications. Publicly available specification, pre-standard, 2008-02, page 43-44
8. Marcos Pereira, Aplicaçăo de Novos Filtros Ativos AC de Potĕnca Plena - IEE/PES T&D 2010 Latin America. Săo Paulo, Brasil, Novembro 2010. (Siemens AG 2010 Energy Sector. [email protected]).8. Marcos Pereira, Aplicaçăo de Novos Filtros Ativos AC de Potĕnca Plena - IEE / PES T&D 2010 Latin America. Săo Paulo, Brasil, Novembro 2010. (Siemens AG 2010 Energy Sector. [email protected]).
9. Мустафа Г.М. - Матрицы для описания топологии трансформаторов. «Электричество» №10, 1977 г., стр.34-399. Mustafa G.M. - Matrices for describing the topology of transformers. "Electricity" No. 10, 1977, pp. 34-39
10. Мустафа Г.М., Шаранов И.М. - Математическое моделирование тиристорных преобразователей. «Электричество» №1, 1978 г., стр.40-4510. Mustafa G.M., Sharanov I.M. - Mathematical modeling of thyristor converters. "Electricity" No. 1, 1978, pp. 40-45
Claims (2)
- конденсаторные батареи реализуют только функцию компенсации и выполняются идентичными с реактивной мощностью Qk, равной Nq-й доле наибольшей общей передаваемой реактивной мощности Qsum:
Qk=Qsum/Nq,
где Nq - число конденсаторных батарей,
- конденсаторные батареи присоединены к «земле» через общий активный элемент посредством соответствующего количества средневольтных выключателей либо через отдельные активные элементы,
- в фильтро-компенсирующем устройстве функции фильтрации выполняются только активным элементом (активными элементами), с этой целью система управления активного элемента (PWM-конвертора) в дополнение к обычному набору функциональных блоков PWM-конвертора снабжена тремя, реализованными программно, специфическими функциональными блоками (с соответствующими им обратными связями):
- блоком D - демпфирования (demp),
- блоком В - баланса (bal),
- блоком S - селективного подавления гармоник (sel),
вырабатывающими задающие напряжения, сумма которых образует основную переменную управления конвертором - задание напряжения vz(t) (функция времени):
vz=vdemp+vbal+vsel, причем:
- блок D образован с помощью широкополосной (например, пропорциональной с коэффициентом усиления Rae) обратной связи по выходному току конвертора iae(t) в соответствии с равенством:
vdemp(t)=Rae·iae(t),
и, представляя собой виртуальный резистор Rae, демпфирует переходные колебания сети так же, как реальный резистор Rae, внесенный в выходную цепь конвертора; при этом величина коэффициента усиления Rae выбирается так, чтобы наилучшим образом демпфировать переходные колебания; оставшиеся два блока В и S действуют на задемпфированную систему через виртуальный резистор Rae;
- блок В образован с помощью обратной связи по напряжениям vd накопительных конденсаторов звеньев постоянного напряжения конвертора с участием в этой обратной связи сетевого напряжения vs, выполняет задачу поддержания баланса мощности Pd, а, следовательно, напряжений vd накопительных конденсаторов в окрестности заданного уровня vdz:
vd(t)≈vdz,
и состоит из нескольких программных модулей (субблоков):
- пропорционально-интегрального регулятора (PI-регулятор) мощности, действующего в функции накопленной конденсаторами энергии, эффективно приводящего энергию Ed к заданной величине Ez:
где
- модуля вычисления (по определенной регулятором мощности баланса) комплексной амплитуды составляющей напряжения баланса Vbal, norm, нормальной к вектору сетевого напряжения:
где
- модуля формирования напряжения баланса - как синусоидальной переменной основной частоты, ортогональной к сетевому напряжению в соответствии с выражением:
vbal(t)=Vbal, norm·j·ejθ,
где ejθ - вращающийся орт сетевого напряжения;
- блок S образуется с помощью обратной связи по сетевому току is с участием в образовании этой связи напряжения сети vs и состоит из нескольких программных модулей (субблоков):
- модуля селективного выделения комплексных амплитуд
где k - номер гармоники,
- модуля регулирования комплексных амплитуд
где p - оператор Лапласа, τ - постоянная времени интегратора;
- модуля формирования задания k-й гармонической напряжения конвертора по полученному значению комплексной амплитуды напряжения
и последующего суммирования:
для всей совокупности избранных гармоник, причем совокупность подавляемых гармоник содержит канонические гармоники
-11, 13; -23, 25; -35, 37…,
и может также содержать отдельные неканонические гармоники, например:
5, -7; -17, 19; ….1. Filter-compensating device of a complete DC-DC power conversion converter based on a network-driven valve (thyristor) current converter (line commutated converter, LCC) with adjustable transmitted power, adjusting the reactive power by switching two or more branches, each of which is equipped with a switch for connecting to the mains and contains filtering and compensation functions capacitor banks, resistors, reactors; filter-compensating device also contains one or more active elements (voltage converter with high-frequency latitude modulation, current and voltage sensors), characterized in that:
- capacitor banks realize only the compensation function and are identical with the reactive power Qk equal to the Nqth fraction of the largest total transmitted reactive power Qsum:
Qk = Qsum / Nq,
where Nq is the number of capacitor banks,
- capacitor banks are connected to the "earth" through a common active element by means of an appropriate number of medium voltage switches or through individual active elements,
- in the filter-compensating device, filtering functions are performed only by the active element (active elements), for this purpose, the control system of the active element (PWM converter) in addition to the usual set of functional blocks of the PWM converter is equipped with three software-specific function blocks (with corresponding feedbacks):
- block D - damping (demp),
- block B - balance (bal),
- block S - selective harmonic suppression (sel),
generating reference voltages, the sum of which forms the main variable of the converter control - voltage task vz (t) (function of time):
vz = vdemp + vbal + vsel, moreover:
- block D is formed using broadband (for example, proportional to the gain Rae) feedback on the output current of the converter iae (t) in accordance with the equality:
vdemp (t) = Rae iae (t),
and, being a virtual resistor Rae, damps the transient vibrations of the network in the same way as a real resistor Rae introduced into the output circuit of the converter; wherein the magnitude of the gain Rae is selected so as to best damp the transient oscillations; the remaining two blocks B and S act on the damped system through the virtual resistor Rae;
- block B is formed using feedback on the voltages vd of the storage capacitors of the DC links of the converter with the participation of the mains voltage vs in this feedback, performs the task of maintaining the power balance Pd, and, therefore, the voltages vd of the storage capacitors in the vicinity of a given level vdz:
vd (t) ≈vdz,
and consists of several software modules (subunits):
- a proportional-integral regulator (PI-regulator) of power, acting as a function of the energy stored by the capacitors, effectively bringing the energy Ed to a given value of Ez:
Where
- a calculation module (according to the balance power regulator defined) of the complex amplitude of the balance voltage component Vbal, norm, normal to the network voltage vector:
Where
- balance voltage generation module - as a sinusoidal variable of the fundamental frequency, orthogonal to the mains voltage in accordance with the expression:
vbal (t) = Vbal, norm · j · e jθ ,
where e jθ is the rotating unit voltage of the mains voltage;
- block S is formed using feedback on the mains current is with the participation of the mains voltage vs in the formation of this connection and consists of several software modules (subunits):
- module for the selective separation of complex amplitudes
where k is the harmonic number,
- complex amplitude control module
where p is the Laplace operator, τ is the time constant of the integrator;
- the module for generating the task of the k-th harmonic voltage of the converter according to the obtained value of the complex voltage amplitude
and subsequent summation:
for the entire set of selected harmonics, and the set of suppressed harmonics contains canonical harmonics
-11, 13; -23, 25; -35, 37 ...,
and may also contain individual noncanonical harmonics, for example:
5, -7; -17, 19; ...
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012127872/07A RU2521428C2 (en) | 2012-07-05 | 2012-07-05 | Filtering and compensating device for transmission of high-voltage direct-current energy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012127872/07A RU2521428C2 (en) | 2012-07-05 | 2012-07-05 | Filtering and compensating device for transmission of high-voltage direct-current energy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012127872A RU2012127872A (en) | 2014-01-10 |
| RU2521428C2 true RU2521428C2 (en) | 2014-06-27 |
Family
ID=49884186
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012127872/07A RU2521428C2 (en) | 2012-07-05 | 2012-07-05 | Filtering and compensating device for transmission of high-voltage direct-current energy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2521428C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU185875U1 (en) * | 2018-10-11 | 2018-12-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" | HYBRID COMPENSATION DEVICE FOR HIGH HARMONICS |
| RU2741061C1 (en) * | 2020-06-11 | 2021-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» (ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова») | Multi-level active filter control system |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111693773B (en) * | 2020-04-29 | 2023-04-14 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | Harmonic source responsibility division method based on mutual approximation entropy data screening |
| CN114322863B (en) * | 2021-12-08 | 2023-05-05 | 深圳大学 | Method for far-field illumination and detection of objects that break through diffraction limits |
| CN114421494B (en) * | 2022-01-11 | 2024-07-19 | 上海交通大学 | High-frequency oscillation suppression method and system for enhanced flexible direct current transmission system |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10103031A1 (en) * | 2001-01-24 | 2002-07-25 | Rainer Marquardt | Current rectification circuit for voltage source inverters with separate energy stores replaces phase blocks with energy storing capacitors |
| RU112532U1 (en) * | 2011-07-20 | 2012-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | STATIC THYRISTOR COMPENSATOR CONTROL SYSTEM |
-
2012
- 2012-07-05 RU RU2012127872/07A patent/RU2521428C2/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10103031A1 (en) * | 2001-01-24 | 2002-07-25 | Rainer Marquardt | Current rectification circuit for voltage source inverters with separate energy stores replaces phase blocks with energy storing capacitors |
| RU112532U1 (en) * | 2011-07-20 | 2012-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | STATIC THYRISTOR COMPENSATOR CONTROL SYSTEM |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU185875U1 (en) * | 2018-10-11 | 2018-12-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" | HYBRID COMPENSATION DEVICE FOR HIGH HARMONICS |
| RU2741061C1 (en) * | 2020-06-11 | 2021-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» (ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова») | Multi-level active filter control system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012127872A (en) | 2014-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Khazaei et al. | Review of HVDC control in weak AC grids | |
| Hannan et al. | Advanced control strategies of VSC based HVDC transmission system: Issues and potential recommendations | |
| Acuna et al. | A single-objective predictive control method for a multivariable single-phase three-level NPC converter-based active power filter | |
| Mahela et al. | A review of distribution static compensator | |
| Bajracharya et al. | Understanding of tuning techniques of converter controllers for VSC-HVDC | |
| Espina et al. | Cooperative regulation of imbalances in three-phase four-wire microgrids using single-phase droop control and secondary control algorithms | |
| Miveh et al. | Power quality improvement in autonomous microgrids using multi-functional voltage source inverters: a comprehensive review | |
| WO2019129729A1 (en) | Unbalance compensation by optimally redistributing current | |
| RU2521428C2 (en) | Filtering and compensating device for transmission of high-voltage direct-current energy | |
| Carrizosa et al. | Multi-terminal dc grid overall control with modular multilevel converters | |
| Almeida et al. | A control strategy for an offshore wind farm with the generating units connected in series with a VSC-HVDC transmission link | |
| Pires et al. | HVDC transmission system using multilevel power converters based on dual three-phase two-level inverters | |
| Ibrahim et al. | Design and implementation of voltage source converters in HVDC systems | |
| Hu et al. | Control strategy of a high power grid simulator for the test of renewable energy grid converter | |
| Korytowski | Effects of the phase locked loop on the stability of a voltage source converter in a weak grid environment | |
| González et al. | Modular multilevel converter for large-scale photovoltaic generation with reactive power flow and unbalanced active power extraction capabilities | |
| Pirouz et al. | New transformerless STATCOM topology for compensating unbalanced medium-voltage loads | |
| Bala et al. | Autonomous power electronic interfaces between microgrids | |
| Alcala et al. | A three-phase back-to-back converter for reactive power compensation, current harmonic filtering and active power compensation | |
| Martins et al. | Control of distributed power flow controllers using active power from homopolar line currents | |
| Sen | Analysis of FACTS controllers and their transient modelling techniques | |
| Sanjenbam et al. | Predictive Control of PMSG Based Hydro-Electric System with Battery Supported UPQC | |
| Fazel Darbandi | Novel grid-forming control for black start restoration using MMC-HVdc systems | |
| Carnielutti et al. | Control scheme for a cascaded multilevel converter used in low-voltage-ride-through tests of grid-connected wind turbines | |
| Farhadi-Kangarlu et al. | Multilevel inverter based distribution statcom: Application of the cross-switched multilevel inverter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant |