СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (ВАРИАНТ 6) Российский патент 2011 года по МПК H02J3/01 

Способ относится к электротехнике и может быть применен для повышения эффективности использования электроэнергии, а также повышения ее качества посредством снижения в потоке мощности, отбираемом нелинейной нагрузкой, уровней высших гармонических составляющих и стабилизации коэффициента мощности на уровне любого заранее заданного значения посредством его регулируемой коррекции.

Известен способ (1) повышения качества электроэнергии, принятый в качестве аналога, при осуществлении которого для «повышения эффективности использования электрической энергии сравнивают напряжение сети с напряжением эталонного источника качественной электрической энергии, выделяют напряжение, которое определяется разностью между напряжением сети и напряжением эталонного источника качественной электрической энергии, и полученное напряжение подают к потребителям электрической энергии». Известный способ-аналог обладает рядом недостатков, одним из которых является наличие дополнительных затрат энергии, связанных с использованием «эталонного источника качественной электрической энергии», мощность которого соизмерима с мощностью, отбираемой защищаемыми нагрузками. Также следует отметить, что в способе-аналоге предполагается использовать в качестве источника для выделения высших гармоник комбинации напряжений: питающего и опорного, трансформацию высших гармоник напряжения без «специальных» средств их обработки, а также предполагается утилизировать гармоники напряжения, в то время, как известно, что существенное влияние оказывают гармонические составляющие тока основной частоты, отбираемого нелинейной нагрузкой, спектр которых не совпадает со спектром гармоник напряжения. Ресурсоемкость известного способа-аналога связана, в том числе, с использованием в нем силового трансформатора. В связи с этим известный способ-аналог является энерго- и материалоемким и обладает низкой экономичностью в отношении решения задачи снижения влияния высших гармоник.

Известен способ (2) повышения качества электроэнергии, заключающийся в том, что из «напряжения электрической сети выделяют первую гармонику, определяемую напряжением асимметрии, и высшие гармонические составляющие, выпрямляют выделенные гармоники напряжения, преобразуют выпрямленное напряжение в переменное с частотой, равной частоте основной гармоники сети, и возвращают переменное напряжение в электрическую сеть». Известный способ, принятый в качестве прототипа, обладает рядом недостатков, главные из которых заключаются в следующем. В известном способе для повышения качества электроэнергии авторами предлагается утилизация высших гармонических составляющих напряжения. Однако известно, что процентное содержание гармоник в питающем напряжении не повторяет процентного содержания гармоник в токе, протекающем в энергосистеме, который формируется под воздействием нелинейной нагрузки. Известно также, что именно ток, отбираемый нелинейной нагрузкой, определяет гармонический состав и процентное содержание гармоник в сети энергоснабжения. Таким образом, существенного уменьшения амплитуд высших гармоник в фазах энергосистемы, при осуществлении известного способа-прототипа, не произойдет. Ограниченность известного способа также заключается в «снижении» уровней напряжений гармоник строго определенных частот. Кроме этого, при осуществлении способа-прототипа используется силовой трансформатор, что вызывает дополнительные непроизводительные потери мощности. Следует также отметить, что ни способ-аналог, ни способ-прототип не позволяют корректировать в энергосистеме коэффициент мощности.

Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности использования электроэнергии, повышение ее качества посредством снижения в потоке мощности, отбираемом нелинейной нагрузкой, уровней высших гармонических составляющих и стабилизации коэффициента мощности на уровне заранее заданного значения посредством его регулируемой коррекции.

Это достигается тем, что согласно предложенному способу из энергосистемы суммарную энергию высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить, извлекают в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей сигнала, пропорционального суммарному току упомянутых высших гармоник, и после ее преобразования возвращают в энергосистему в виде тока гармоники основной частоты таким образом, чтобы скорректировать коэффициент мощности, формируемый нелинейной нагрузкой, до заданной величины.

На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа. При этом введены следующие обозначения.

1 - энергосистема

2 - датчик тока нагрузки

3 - полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель

4 - управляемый преобразователь мощности

5 - фильтр гармоники тока основной частоты

6 - первое фазосдвигающее звено

7 - смеситель

8 - нелинейная нагрузка

9 - датчик напряжения

10 - выпрямитель

11 - управляемый масштабный усилитель

12 - блок управления

13 - датчик тока

14 - емкостный накопитель

15 - датчик питающего напряжения

16 - эквивалент активной нагрузки

17 - фазосдвигающее звено

18 - блок формирования коэффициента мощности энергосистемы

Суть способа заключается в следующем. Как известно, в энергосети при питании от нее нелинейных нагрузок форма тока искажается за счет появления в нем высших гармонических составляющих основной частоты. При этом мощность высших гармоник может достигать значительных величин. При использовании предложенного способа повышения качества и эффективности использования электроэнергии добиваются посредством извлечения энергии всех высших гармоник из основного потока мощности энергосистемы путем управляемого отбора их токов и последующего возврата в энергосистему преобразованной энергии высших гармоник в виде тока основной частоты с заданными значениями величины и фазы. При этом величина и фаза тока основной гармоники, генерируемого в энергосистему, задаются такими, чтобы коэффициент мощности, отбираемой нелинейной нагрузкой, имел бы заданную величину. При этом за счет оттока мощности упомянутых гармоник из энергосистемы улучшаются ее показатели относительно содержания в ней высших гармонических составляющих, а за счет генерации в энергосистему тока основной гармоники, сформированного посредством суммарной энергии, извлеченных из энергосистемы высших гармоник и имеющего заданные значения величины и фазы, улучшается коэффициент мощности, отбираемой нелинейной нагрузкой, и повышается эффективность использования электроэнергии.

Далее следует отметить следующее. Вопрос эффективной утилизации энергии высших гармоник находится в неразрывной связи с процессом ее извлечения. Это объясняется тем, что в соответствии с постановкой задачи утилизации энергии высших гармоник, во время процесса ее извлечения из потока мощности энергосистемы, ставится задача такого ее преобразования, которое бы могло способствовать ее дальнейшему использованию. При этом дополнительно возникает необходимость в снижении непроизводительных потерь энергии высших гармоник в процессе ее преобразования. Кроме этого, процесс преобразования энергии при осуществлении способа повышения качества электроэнергии не должен сопровождаться добавлением в энергосистему высших гармоник, для снижения мощности которых используется способ.

В заявленном способе задача извлечения энергии высших гармоник решается посредством использования управляемого отбора тока их токов посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя, основой которого являются IGВТ-транзисторы. В этом случае, кроме того, что последние используются как управляемые вентили, предлагается использовать их усилительные (управляющие) свойства относительно токов. Управление работой транзисторного выпрямителя при этом осуществляют посредством модулирующего сигнала, форма которого пропорциональна форме несинусоидального тока, отбираемого нелинейной нагрузкой, не содержащего гармоники основной частоты, и синфазного по отношению к нему. Таким образом, осуществляется избирательное выпрямление составляющих спектра тока, отбираемого нелинейной нагрузкой, только тех частот, которые содержатся в сигнале управления. При этом упомянутым высшим гармоникам управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель оказывает минимальное сопротивление, в то время как гармоники, не содержащиеся в спектре управляющего сигнала, управляемые вентили вообще не пропускают. В этом случае на выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых за период их повторения эквивалентна энергии высших гармоник, извлекаемых из энергосистемы. После соответствующего преобразования извлеченная энергия высших гармоник преобразуется и возвращается в энергосистему в виде тока гармоники основной частоты с заданными значениями величины и фазы. При этом величина и фаза тока основной гармоники, генерируемого в энергосистему, задаются такими, чтобы коэффициент мощности, отбираемой нелинейной нагрузкой, имел бы заданную величину.

Решение той части задачи, которая касается преобразования энергии высших гармоник в ток гармоники основной частоты, осуществляет управляемый преобразователь мощности, получающий энергию от полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, которую последний извлекает из энергосистемы в виде эквивалентной энергии высших гармоник. При этом в качестве упомянутого управляемого преобразователя мощности оптимально применить ШИМ-инвертор, получающий питание от звена постоянного тока, в котором извлеченная эквивалентная энергия высших гармоник накапливается в необходимом количестве и далее после преобразования возвращается в энергосистему в виде тока гармоники основной частоты с заданными значениями величины и фазы.

Способ осуществляется следующим образом. Сигнал, пропорциональный току, отбираемому нелинейной нагрузкой 8, в котором присутствуют основная гармоника и все ее высшие составляющие, посредством датчика тока нагрузки 2 одновременно поступает на вход фильтра тока гармоники основной частоты 5 и на один из входов смесителя 7, на второй вход которого поступает сигнал с выхода первого фазосдвигающего звена 6, пропорциональный току гармоники основной частоты и инверсный по отношению к нему. Таким образом, первым фазосдвигающим звеном 6 сигнал, пропорциональный току гармоники основной частоты, поступающий на его вход с выхода фильтра тока гармоники основной частоты 5, инвертируется. На выходе смесителя 7 формируется сигнал управления полностью управляемым транзисторным ШИМ-выпрямителем 3, пропорциональный геометрической разности сигналов: сигнала, пропорционального несинусоидальному току нагрузки, и сигнала, пропорционального току гармоники основной частоты. При этом суммарная энергия высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить в потоке мощности, отбираемом нелинейной нагрузкой, посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3 извлекается из энергосистемы в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока и посредством емкостного накопителя 14 накапливается в виде энергии постоянного тока. При этом полученное таким образом постоянное напряжение используется для питания управляемого преобразователя мощности 4, в качестве которого применяется ШИМ-инвертор и посредством которого накопленная энергия высших гармоник преобразуется в энергию гармоники основной частоты. Управление блоком 4 осуществляют сигналом, пропорциональным гармонике основной частоты и сформированным в блоке формирования коэффициента мощности энергосистемы 18, как геометрическая разность: эталонного сигнала, сформированного из напряжения энергосистемы посредством датчика питающего напряжения 15, эквивалента активной нагрузки 16 и второго фазосдвигающего звена 17, и сигнала, пропорционального току гармоники основной частоты, отбираемому нелинейной нагрузкой, сформированного посредством датчика тока нагрузки 2 и фильтра гармоники тока основной частоты 5.

Очевидно, что мощность гармоники основной частоты, возвращаемая в энергосистему, в случае, если она формируется за счет суммарной энергии извлеченных из энергосистемы высших гармоник, и если другие источники энергии для ее формирования отсутствуют (что соответствует случаю отбора нагрузкой мощности от источника с ограниченным запасом энергии), должна быть меньше эквивалентной мощности высших гармоник, накопленной в емкостном накопителе. В связи с этим величина сигнала, управляющего ШИМ-инвертором, должна обеспечивать это условие, в противном случае поток мощности в цепи «ШИМ-инвертор - ШИМ-выпрямитель - система энергоснабжения» не будет непрерывным. Величина сигнала, обеспечивающего соотношение упомянутых мощностей, т.е. стабилизацию процесса генерирования в энергосистему гармоники основной частоты, формируется следующим образом.

Посредством датчика напряжения 9 формируют сигнал, пропорциональный суммарной мощности высших гармоник, извлекаемых из энергосистемы, заранее задаваясь его минимальным значением (с учетом потерь мощности на процесс преобразования энергии), который затем поступает на один из входов блока управления 12, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный мощности, возвращаемой в энергосистему посредством управляемого преобразователя мощности 4 в виде энергии гармоники основной частоты, и сформированный цепочкой, состоящей из датчика тока 13 и выпрямителя 10. При этом в блоке управления 12 упомянутые сигналы сравниваются по величине, и их разница преобразуется в пропорциональный ей сигнал, который поступает на управляющий вход управляемого масштабного усилителя 11 и который управляет сигналом, пропорциональным току гармоники основной частоты, поступающим на его сигнальный вход. Таким образом, величина сигнала, управляющего работой ШИМ-инвертора и, следовательно, управляющего величиной мощности, возвращаемой в энергосистему посредством тока гармоники основной частоты, формируется в зависимости от соотношения мощностей: эквивалентной мощности высших гармоник и мощности, возвращаемой в энергосистему.

При этом величина тока, генерируемого в энергосистему, увеличивается до тех пор, пока напряжение в емкостном накопителе 14 не достигнет заданной минимальной величины. Таким образом, снижение напряжения в емкостном накопителе 14 до минимального значения отражает тот факт, что практически вся эквивалентная мощность высших гармоник преобразуется в энергию гармоники основной частоты.

Таким образом, в результате последовательности действий, воспроизведенных в соответствии с заявленным способом, процентное содержание высших гармоник в основной энергосети может быть сведено к минимуму посредством извлечения их энергии в виде энергии, эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, и после преобразования, последующего ее возврата в энергосистему в виде энергии тока основной частоты.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2320067, опубликовано 2007.01.20.

2. Патент РФ №2237334, опубликовано 2004.05.20.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - снижение в потоке мощности, отбираемом нелинейной нагрузкой, уровней высших гармонических составляющих и коррекция коэффициента мощности энергосистемы до заданного значения. Для снижения уровней высших гармоник их суммарную энергию извлекают в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей сигнала, пропорционального току, извлекаемому из энергосистемы, и после ее преобразования возвращают в энергосистему в виде тока гармоники основной частоты таким образом, чтобы скорректировать коэффициент мощности, формируемый нелинейной нагрузкой, до заданной величины. 1 ил.

Способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии, при котором из потока мощности энергосистемы, отбираемом нелинейной нагрузкой, извлекают энергию высших гармонических составляющих, долю которых необходимо уменьшить, и после преобразования возвращают в энергосистему в виде тока основной частоты, отличающийся тем, что энергию, необходимую для формирования тока основной частоты, извлекают из энергосистемы в виде энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, суммарная энергия которых, за период их повторения, эквивалентна энергии группы высших гармонических составляющих, долю которой необходимо уменьшить в потоке мощности энергосистемы, отбираемом нелинейной нагрузкой, а длительность которых изменяется по закону изменения огибающей сигнала, пропорционального извлекаемому из энергосистемы току, при этом управление процессом извлечения энергии упомянутой группы высших гармоник осуществляют посредством сигнала, предварительно сформированного как геометрическая разность: сигнала, пропорционального току нелинейной нагрузки, и сигнала, пропорционального току гармоники основной частоты, а генерацию в энергосистему тока основной частоты осуществляют таким образом, чтобы скорректировать коэффициент мощности, формируемый нелинейной нагрузкой, до значения, которое задают изначально, причем упомянутый генерируемый в энергосистему ток формируют как геометрическую разность: эталонного сигнала, сформированного из напряжения энергосистемы и характеризующего ее нагрузки как чисто активные, и сигнала, пропорционального току гармоники основной частоты, отбираемому нелинейной нагрузкой, причем величину упомянутой разности, формируют, в свою очередь, пропорционально разности величин мощностей: извлекаемой из энергосистемы суммарной мощности высших гармоник и генерируемой в энергосистему мощности гармоники основной частоты.