СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H02J3/01 

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к способам подавления высших гармоник в электрических сетях. Способ может быть использован в системах электроснабжения промышленных предприятий с неизменной нагрузкой для исключения перегрузок электрооборудования от высших гармоник.

Известен способ повышения качества электрической энергии (патент РФ №2237334, опубл. 27.09.2004 г.), заключающийся в выделении из напряжения электрической сети высших гармоник напряжения, а также первой гармоники, определяемой напряжением нулевой последовательности, выпрямлении выделенных гармоник напряжения, преобразовании выпрямленного напряжения в переменное напряжение с частотой, равной частоте первой гармоники сети, и возвращении переменного напряжения в электрическую сеть.

Недостатком способа является неполная компенсация высших гармоник, ограниченная характеристиками фильтров, входящих в его состав. Усложняет реализацию способа также то, что оборудование, входящее в состав устройства компенсации, требует точной настройки.

Известен динамический фильтр гармоник для систем электроснабжения переменного тока (патент US 20090206950 А1, опубликован 20.08.2009), заключающийся в том, что последовательно с источником напряжения включается вольто-добавочный трансформатор, состоящий из двух отдельных трансформаторов Т1 и Т2 с одинаковым коэффициентом трансформации, обмотки которых соединены друг с другом, вторичная Т1 к первичной Т2, посредством параллельного LC фильтра, настроенного на частоту основной гармоники. Предусмотрена возможность включения параллельно первичной обмотке Т2 последовательного заграждающего LC фильтра, настроенного на основную частоту основной частоты. Такое включение обеспечивает подавление гармоник напряжения в точке общего подключения как при источнике гармоник со стороны сети, так и при источнике гармоник со стороны нагрузки.

Недостатком данного способа помимо необходимости включения в сеть двух дополнительных трансформаторов является то, что эффективность работы рассматриваемого устройства чрезвычайно зависит от точности настройки LC фильтра, посредством которого соединены вторичная и первичная обмотки трансформаторов Т1 и Т2, так как при отклонениях частоты первой гармоники напряжения от номинального значения устройство будет ее подавлять.

Известен способ снижения уровня высших гармоник (патент US 20080129122 А1, опубликован 05.06.2008), который заключается в установке фильтров, состоящих из трех основных элементов: последовательно включенный реактор и резонансный шунтирующий фильтр. Последовательно включенный реактор ограничивает высшие гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой в сеть. Резонансный шунтирующий фильтр состоит из LC цепи с резонансной частотой, настроенной на частоту гармоники напряжения, которую необходимо ослабить. На резонансной частоте шунтирующий фильтр имеет минимальное сопротивление, соответствующее активному сопротивлению реактора. Поэтому фильтр потребляет почти все генерируемые гармонические токи резонансной частоты с низким гармоническим искажением напряжения на этой частоте (напряжение равно произведению сопротивления реактора на протекающий через фильтр ток).

Основным недостатком этого способа является то, что установка резонансного шунтирующего фильтра, настроенного лишь на одну гармонику, не позволяет уменьшить гармонические искажения до желаемых пределов. Для компенсации нескольких гармоник устанавливается несколько резонансных шунтирующих фильтров, что значительно увеличивает сложность устройства фильтрации, так как фильтры требуют точной настройки.

Известен способ снижения влияния высших гармоник на электрооборудование (патент РФ №2543075, опубликован 27.02.2015), заключающийся в установке на выходе понижающего трансформатора емкостного сопротивления, при наличии источника гармоник со стороны нелинейной нагрузки исследуемого предприятия, параметры которого выбираются исходя из условия снижения несинусоидальности напряжения на нагрузке.

Недостатком данного способа является необходимость установки дополнительного электрооборудования в систему электроснабжения. Установка емкостной нагрузки параллельно основной может привести к возникновению нежелательных резонансов и перекомпенсации реактивной мощности.

Известен способ снижения уровня высших гармоник (патент РФ №2416853, опубликован 20.04.2011), принятый за прототип, который заключается в установке реактора на вводе предприятия. Последовательно включенный реактор ограничивает высшие гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой в сеть. При этом достигается снижение коэффициента несинусоидальности напряжения в точке общего подключения. Способ основан на изменении амплитудно-частотной характеристики узла сети, так как сеть содержит как индуктивные, так и емкостные элементы. При фиксированном составе электрической нагрузки, определенном сочетании дополнительных реакторов ограничивается весь спектр высших гармоник до требуемых пределов.

Основным недостатком способа является то, что требуется установка дополнительного электрооборудования (реактора), на вводе предприятия, также может потребоваться замена электрических аппаратов в связи с увеличением сопротивления системы электроснабжения.

Техническим результатом изобретения является повышение качества электроэнергии за счет подавления высших гармонических составляющих напряжения в точке общего подключения и уменьшении влияния гармоник тока на работу электрооборудования.

Технический результат достигается тем, что импеданс электрической сети на частотах высших гармоник регулируется путем изменения коэффициента трансформации силового трансформатора на величину, определяемую по формуле:

где ΔTHDU - изменение коэффициента гармонических искажений;

kTHD - наклон кривой зависимости коэффициента гармонических искажений от напряжения на вторичной обмотке,

k ₁ - нормальный коэффициент трансформации;

k ₂ - требуемый коэффициент трансформации.

Способ уменьшения высших гармонических составляющих напряжения поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 - схема замещения электрической сети с трансформатором с коэффициентом трансформации k;

фиг. 2 - принципиальной, схема замещения сети электроснабжения, где:

- реактивные сопротивления линий электропередач для частоты гармоники h;

- активные сопротивления линий электропередач для частоты гармоники h, T₁ - понижающий трансформатор;

- сопротивление нагрузки, присоединенной к стороне высокого напряжения для частоты гармоники h;

- сопротивление нагрузки, присоединенной к стороне низкого напряжения для частоты гармоники h;

- источники высших гармоник, представленные источниками тока;

- источник напряжения частоты гармоники h, который совместно с сопротивлениями и представляет остальную часть рассматриваемой сети;

фиг. 3 - схема способа;

фиг. 4 - зависимость действующих значений напряжений вторичной обмотки силового трансформатора, от времени;

фиг. 5 - зависимость коэффициентов гармонических искажений напряжений вторичной обмотки силового трансформатора, от времени.

Способ осуществляется следующим образом. Производят изменение коэффициента трансформации (k на фиг. 1), при этом изменяется приведенное сопротивление системы по отношению к нагрузке , , фиг. 2. Амплитуды высших гармонических составляющих токов и напряжений системы, изменяется значительно, так как индуктивное сопротивление сети прямо пропорционально частоте тока.

Требуемый коэффициент трансформации определяется исходя из величины ожидаемого снижения коэффициента гармонических искажений ΔTHDU, определяемой по формуле 2:

Наклон кривой зависимости коэффициента гармонических искажений от коэффициента трансформации kTHD определяется по формуле 3:

где Δk - изменение напряжения вторичной обмотки в вольтах.

Так как в ходе регулирования коэффициента трансформации изменяется величина основной гармоники напряжения на вторичной обмотке, перед применением описываемого метода требуется установить максимально допустимое отклонение напряжения вторичной обмотки трансформатора ΔU_2max, при котором сохраняется нормальный режим работы энергосистемы.

В зависимости от того, находится источник гармоник на стороне нагрузки или на стороне питающей сети , относительно трансформатора, токи в обмотках трансформатора могут соответственно либо уменьшаться, либо увеличиваться. При уменьшении импеданса сети для составляющих тока сети высших частот уменьшаются высшие гармонические составляющие напряжения U₂, фиг. 1, в точке общего подключения. Таким образом, предлагаемый способ основан на изменении амплитудно-частотной характеристики узла сети.

Из полученных расчетным путем результатов следует, что при выборе определенного коэффициента трансформации приведенное к стороне низкого напряжения реактивное сопротивление системы изменяется так, что можно добиться уменьшения коэффициента несинусоидальности напряжения до допустимых значений. Схема применения способа приведена на фиг. 3.

Эффективность предложенного способа демонстрируется результатами эксперимента, проведенного в энергосистеме Сясьского ЦБК, с силовым трансформатором, оборудованным устройством регулирования под напряжением. Из фиг. 4 и фиг. 5 видно, что при снижении действующего значения напряжения вторичной обмотки силового трансформатора, его коэффициент гармонических искажений пропорционально увеличивается, и пропорционально уменьшается при увеличении напряжения на вторичной обмотке.

Достоинствами способа уменьшения влияния высших гармоник на электрооборудование промышленных предприятий являются подавление высших гармоник во всем спектре и простота его применения, это обусловлено тем, что для реализации способа не требуется установка дополнительного электрооборудования.

Использование: в области электротехники и электроэнергетики. Технический результат – повышение качества электроэнергии. Физически амплитуды высших гармоник напряжения уменьшаются вследствие изменения полного сопротивления системы электроснабжения. Так как индуктивное сопротивление увеличивается прямо пропорционально частоте тока, даже незначительное увеличение его на частотах высших гармоник приводит к значительным изменениям амплитуд гармоник напряжения в точке общего подключения. При регулировании числа витков обмоток трансформатора приведенное сопротивление системы меняется пропорционально квадрату коэффициента трансформации, поэтому изменение его отражается на величине индуктивного сопротивления. Для уменьшения искажений напряжения средствами переключения числа витков силового трансформатора экспериментально определяют коэффициент k_ТHD – наклон кривой зависимости коэффициента гармонических искажений от напряжения на вторичной обмотке. Затем по указанной формуле выбирается требуемый коэффициент трансформации. Коэффициент трансформации силового трансформатора изменяют на величину, определенную по формуле. 5 ил.

Способ уменьшения высших гармонических составляющих напряжения, заключающийся в уменьшении искажений напряжения и снижении их влияния на электрооборудование путем включения в сеть дополнительных реакторов, представляющих большое сопротивление для высших гармоник, отличающийся тем, что полное сопротивление электрической сети на частотах высших гармоник регулируется путем изменения коэффициента трансформации силового трансформатора на величину, определяемую по формуле:

где ΔTHD_U - изменение коэффициента гармонических искажений;

k_THD - наклон кривой зависимости коэффициента гармонических искажений от напряжения на вторичной обмотке,

k₁ - нормальный коэффициент трансформации;

k₂ - требуемый коэффициент трансформации.