способ повышения качества электрической энергии в многофазной системе энергоснабжения при симметрировании по одной из фаз и комбинированном отборе мощности

Формула изобретения

Способ повышения качества электроэнергии у потребителей с различными характеристиками, при котором в основной n-фазной сети осуществляют регулируемую компенсацию высших гармонических составляющих, отличающийся тем, что в основной n-фазной сети процесс компенсации высших гармонических составляющих ставят в зависимость от их характеристик в каждой из фаз и осуществляют совместно с симметрированием токов в упомянутых фазах, при этом в каждой из n фаз основной n-фазной сети выделяют сигнал, спектр которого составляют первая и высшие гармоники тока нагрузки, разделяют полученный сигнал на две части, первая из которых содержит ток, пропорциональный току основной гармоники, вторая содержит все высшие гармоники основной частоты, подлежащие компенсации, затем из n фаз основной n-фазной сети выбирают любую и определяют ее в качестве опорной фазы, и с помощью дополнительного n-фазного источника мощности генерируют в каждую из (n-1) фаз токи, пропорциональные току основной гармоники, предварительно формируя их таким образом, чтобы в каждой из симметрируемых (n-1) фаз основной n-фазной сети геометрическая сумма токов - генерируемого в симметрируемую фазу и тока основной гармоники ее нагрузки - была бы равна по модулю току опорной фазы, а угол, образованный током последней и суммарным током симметрируемой фазы, следующей за опорной при прямом чередовании фаз, а также между суммарными токами соседних (n-1) симметрируемых фаз, был бы равен эл. градусов, одновременно с помощью упомянутого дополнительного n-фазного источника мощности генерируют в каждую из n фаз основной сети токи высших гармоник, являющиеся сигналами компенсации, модули которых равны модулям соответствующих токов высших гармоник в основной n-фазной сети, подлежащих компенсации, и сдвинуты по отношению к последним на 180 эл. градусов, причем упомянутые сигналы компенсации формируют в зависимости от величин и фазовых углов высших гармоник в каждой из n фаз основной сети, а отбор мощности в упомянутый дополнительный n-фазный источник мощности осуществляют от комбинации минимум двух, наименее нагруженных фаз, которые определяют заранее по условию уменьшения несимметрии в симметрируемой n-фазной системе.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения качества электроэнергии в многофазных сетях энергоснабжения путем устранения в последних высших гармонических составляющих и осуществления симметрирования токов многофазных и однофазных несимметричных нагрузок.

Известен способ (1) повышения качества электрической энергии, 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 напряжение с частотой, равной частоте первой гармоники сети, и возвращают переменное напряжение в электрическую сеть. Указанный известный способ, принятый в качестве аналога, обладает следующими существенными недостатками.

1. В известном способе для уменьшения гармоник напряжения и снижения напряжения асимметрии используется комбинация напряжений первой и высших гармоник, хотя достоверно известно, что именно токи нелинейных нагрузок в основном определяют гармонический состав и процентное содержание гармоник в питающем напряжении, и, кроме того, «процентное содержание гармоник тока», определяемое нелинейной нагрузкой, «не повторяет процентного содержания гармоник напряжения» (3). Из этого ясно, что о выделении высших гармоник, в известном смысле, речь идти не может. Таким образом, существенного уменьшения амплитуд гармоник в фазах системы при использовании способа-аналога не произойдет.

2. При реализации известного способа-прототипа осуществляется фильтрация напряжений гармоник только определенных частот.

Известен способ (2) повышения качества электрической энергии, в котором при использовании энергии электрической сети осуществляют выделение первой и высшей гармоник и в котором с целью обеспечения компенсации высших гармонических составляющих электроэнергии генерируют в сеть высшие гармонические составляющие тока, действующие в противофазе с высшими гармониками основной сети.

Известный способ-прототип обладает следующими недостатками. Если учесть тот факт, что согласно п.2 ст.1375 «Кодекса» формула изобретения полностью основывается на его описании, необходимо отметить следующее. Основываясь на описании к упомянутому изобретению, можно сделать следующие выводы.

1. Для выделения из кривой тока в трехфазной сети высших гармоник используется только одна «любая фаза», и далее по тексту описания «ввиду симметрии высших гармоник во всех фазах». Таким образом, в случае несимметричной трехфазной нагрузки или в случае загрузки трехфазной цепи несимметричными однофазными нагрузками способ-прототип использоваться не может. Это связано с тем, что при несимметричной нагрузке несинусоидальные токи всех трех фаз отличны друг от друга как по амплитуде, так и по фазе. Таким образом, чтобы компенсировать высшие гармонические составляющее в сетях с такими свойствами, их необходимо компенсировать в каждой из несимметрично нагруженных фаз, что, в свою очередь, возможно только в случае использования для формирования токов компенсации датчиков тока во всех трех фазах. Если этого не сделать, то генерация «компенсирующих» токов высших гармоник в фазы, в которых отсутствуют датчики тока (трансформаторы тока), будет осуществляться вслепую, со всеми вытекающими последствиями, т.е. «управление начальной фазой и уровнем высших гармоник » уже не «будет осуществляться по принципу обратной связи», как пишут авторы. Таким образом, главным недостатком способа-прототипа является его неуниверсальность в отношении многофазных систем, нагруженных несимметричными нагрузками.

2. Кроме того, при осуществлении генерации высших гармоник вслепую посредством «управляемого тиристорного преобразователя» увеличивается несимметрия системы и ухудшается ее коэффициент мощности за счет перекомпенсации.

Задача, решаемая изобретением, - повышение качества электрической энергии в многофазной системе энергоснабжения путем повышения в ней эффективности компенсации высших гармонических составляющих и осуществления ее симметрирования, а также путем расширения области применения и повышения экономичности при осуществлении способа, используемого для целей компенсации высших гармоник.

Это достигается тем, что в основной n-фазной сети процесс компенсации высших гармонических составляющих ставят в зависимость от характеристик последних в каждой из фаз и осуществляют совместно с симметрированием токов в упомянутых фазах. При этом в соответствии с заявленным способом, последовательно, в каждой из n фаз основной n-фазной сети выделяют сигнал, спектр которого составляют первая и высшие гармоники тока нагрузки, разделяют полученный сигнал на два, первый из которых содержит сигнал, пропорциональный току первой (основной) гармоники, второй содержит все высшие гармоники основной частоты, подлежащие компенсации, затем из (n-1) фаз основной n-фазной сети выбирают любую, и определяют ее в качестве опорной фазы, и с помощью дополнительного n-фазного источника мощности симметрируют несимметричную n-фазную нагрузку основной n-фазной сети относительно тока основной гармоники опорной фазы посредством сигнала, пропорционального току первой (основной) гармоники, и при этом с помощью упомянутого дополнительного источника мощности, в зависимости от уровней и фазовых углов высших гармоник в каждой из фаз основной сети, генерируют в последние сигналы, спектры которых аналогичны спектрам сигналов соответствующих фаз основной n-фазной сети, содержащих высшие гармоники, подлежащие компенсации, при этом величины каждой из соответствующих высших гармоник в упомянутых спектрах равны, а фазовые углы между ними составляют 180 эл. градусов. При этом отбор мощности в упомянутый дополнительный источник мощности, используемый для формирования токов компенсации несимметрии и токов компенсации высших гармонических составляющих, осуществляют от комбинации минимум двух наименее нагруженных фаз, которые определяют заранее, по условию уменьшения несимметрии в симметрируемой n-фазной системе.

Использование для питания дополнительного n-фазного источника мощности комбинации наименее нагруженных фаз увеличивает степень уравновешивания симметрируемой основной n-фазной системы энергоснабжения, в результате чего эффективность симметрирования возрастает.

На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявляемого способа.

На схеме введены следующие обозначения:

1 - опорная фаза;

2 - несимметричная нагрузка;

3 - датчик формы тока опорной фазы;

4, 5 - датчики формы тока симметрируемых фаз;

6 - первый фазосдвигающий блок;

7 - второй фазосдвигающий блок;

8 - блок формирования разностных сигналов;

9 - дополнительный источник мощности;

10 - блок разделения сигналов;

11 - третий фазосдвигающий блок;

12 - сумматор;

13 - блок формирования комбинации минимально загруженных фаз.

Пример осуществления способа рассмотрен относительно трехфазной системы.

Предварительно, произвольно, в качестве опорной фазы выбирают фазу «А». Сигналы, пропорциональные несинусоидальным токам фаз, поступают в блок разделения сигналов 10, в котором из них выделяются две группы сигналов. В первую группу входят три сигнала, пропорциональные токам основных гармоник питающих фаз. Вторая группа содержит три сигнала, каждый из которых содержит спектр высших гармоник соответствующей фазы, подлежащих компенсации. В блоке 10 могут быть использованы селективные и полосовые фильтры. С первой группы выходов блока 10 первая группа сигналов поступает на датчик 3 формы опорной фазы и датчики 4 и 5 формы токов симметрируемых фаз. Одновременно со второй группы выходов блока 10 вторая группа сигналов поступает на вход третьего фазосдвигающего блока 11, в котором каждый из трех сигналов инвертируется по фазе. С выхода блока 11 сигналы, пропорциональные токам соответствующих фаз трехфазной системы, содержащие спектры высших гармоник, подлежащих компенсации и сдвинутых по отношению к ним на 180 эл. градусов, поступают на первую группу входов сумматора 12. Далее, с выхода датчика формы тока опорной фазы 3 сигнал, пропорциональный сигналу тока опорной фазы, поступает в первый фазосдвигающий блок 6. В общем случае данный блок, состоит из (n-1) фазосдвигающих цепочек, каждой из которых сигнал, пропорциональный сигналу тока опорной фазы, сдвигается соответственно на угол , где m - порядковый номер фазы при прямой последовательности чередования фаз, n - количество фаз в системе. Для данного случая при количестве фаз, равном трем, таких фазосдвигающих цепочек две: одной из цепочек упомянутый сигнал сдвигается соответственно на 120, другой - на 240 эл. градусов, в зависимости от номера фазы, для симметрирования которой он будет использован. С выхода блока 6 сигналы, пропорциональные току опорной фазы и сдвинутые на 120 и 240 эл. градусов соответственно, поступают на первую группу входов блока формирования разностных сигналов 8, на вторую группу входов которого поступают сигналы, пропорциональные форме токов нагрузок симметрируемых фаз, сформированные в датчиках формы тока симметрируемых фаз 4 и 5 и проинвертируемые на 180 эл. градусов во втором фазосдвигающем блоке 7. В блоке формирования разностных сигналов 8 сигналы, поступающие к первой и второй группам входов последнего, попарно сравниваются: опорный сигнал тока, сдвинутый на 120 эл. градусов сравнивается с проинвертируемым на 180 эл. градусов, сигналом, пропорциональным форме тока нагрузки фазы «В», а опорный сигнал тока, сдвинутый на 240 эл. градусов, сравнивается с проинвертируемым на 180 эл. градусов сигналом, пропорциональным форме тока нагрузки фазы «С». Таким образом, на выходе блока 8 формируются сигналы, пропорциональные векторной разности сигнала опорной фазы и сигналов нагрузки симметрируемых фаз. Данные две пары векторных разностей токов и являются сформированными сигналами симметрируемых фаз, геометрическая сумма которых и токов нагрузки каждой из соответствующих фаз и дает токи, пропорциональные току опорной фазы, а фазовый угол, образованный упомянутой геометрической суммой токов и током опорной фазы, составляет 120 эл. градусов. Таким образом, мы получаем полностью симметричную систему сформированных сигналов токов, пропорциональных токам симметрируемой трехфазной системы относительно тока фазы «А». С выхода блока 8 сформированные сигналы поступают на вторую группу входов сумматора 12. В общем случае, в блоке 12 происходит пофазное суммирование соответствующих пар сигналов, поступающих на его входы и относящихся к соответствующим фазам - сигналов, пропорциональных токам основных гармоник соответствующих питающих фаз, и сигналов, содержащих спектр высших гармоник соответствующей фазы, подлежащих компенсации. При этом отсутствие одного из сигналов в соответствующей паре равносильно его равенству нулю. Таким образом, на выходе блока 12 формируются три сигнала управления дополнительным источником мощности 9: сигнал, соответствующий фазе «А», содержит только высшие гармонические составляющие, подлежащие компенсации и проинвертированные по фазе; сигналы, соответствующие фазам «В» и «С», содержат смесь сигналов, пропорциональных векторной разности сигнала опорной фазы, и сигналов нагрузки симметрируемых фаз «В» и «С», и сигналов компенсации высших гармоник соответствующих фаз. С выхода блока 12 сформированные таким образом сигналы управления поступают на цепи управления токами соответствующих фаз дополнительного источника мощности 9, посредством которого подаются в симметрируемые фазы. В качестве дополнительного источника мощности может быть использована, например, система с двойным преобразованием энергии, включающая ШИМ - выпрямитель, ШИМ - инвертор и содержащая промежуточное звено постоянного тока. Питание дополнительного источника мощности 9 осуществляют от комбинации минимум двух фаз, выбор которых осуществляется в блоке формирования комбинации минимально нагруженных фаз 13, таким образом, чтобы уменьшить несимметрию основной n-фазной системы энергоснабжения.

Таким образом, в результате последовательности действий, произведенных в соответствии с заявленным способом, в основной n-фазной сети посредством дополнительного источника мощности, питание которого осуществляют от комбинации минимум двух минимально загруженных фаз, осуществляется компенсация высших гармоник во всех ее фазах и одновременно осуществляется симметрирование токов последних относительно любой заранее выбранной фазы, принятой в качестве опорной. При этом повышения качества электрической энергии в многофазной системе энергоснабжения добиваются путем повышения эффективности компенсации в ней высших гармонических составляющих и осуществления ее симметрирования, а также путем расширения области применения способа, используемого для целей компенсации высших гармоник.

Источники информации

1. Патент РФ № 2237334, опубликовано 2004.05.20.

2. Патент РФ № 2294044, опубликовано: 2007.02.20.

3. К.Г.Марквардт. Энергоснабжение электрических железных дорог. М.: Транспорт, 1965, стр.1965.