способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии (вариант 2)

Формула изобретения

Способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии, при котором в основном потоке мощности энергосистемы уменьшают долю высших гармонических составляющих основной частоты, а их энергию утилизируют, отличающийся тем, что энергию группы высших гармонических составляющих, долю которой необходимо уменьшить в потоке мощности энергосистемы, отбираемом нелинейной нагрузкой, извлекают в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей суммарного тока упомянутой группы высших гармоник, посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, и утилизируют посредством ее накопления в виде энергии постоянного тока, при этом управление процессом извлечения энергии упомянутой группы высших гармоник осуществляют сигналом, предварительно сформированным как геометрическая разность: сигнала, пропорционального току, отбираемому нелинейной нагрузкой, и сигнала, пропорционального току гармоники основной частоты.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения качества, эффективности использования и снижения непроизводительных потерь электроэнергии в основном потоке мощности энергосистемы, а также повышения экономичности за счет снижения ресурсоемкости при осуществлении перечисленных процессов.

Известен способ [1] 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 аналога, 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-аналога, не произойдет. Ограниченность известного способа также заключается в «снижении» уровней напряжений гармоник строго определенных частот. Кроме того, при осуществлении способа-аналога используется силовой трансформатор, что вызывает дополнительные непроизводительные потери мощности.

Известен способ [2] повышения качества электроэнергии, принятый в качестве прототипа, 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-прототип 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 связи с использованием в способе-прототипе для выделения высших гармоник комбинации напряжений - питающего и опорного и факта трансформации высших гармоник напряжения, без «специальных» средств их обработки, способ-прототип обладает теми же недостатками, что и способ-аналог, в отношении решения им задачи снижения влияния высших гармоник напряжения, в то время как уже было указано на тот факт, что существенное влияние оказывают гармонические составляющие тока основной частоты, отбираемого нелинейной нагрузкой, спектр которых не совпадает со спектром гармоник напряжения. Ресурсоемкость известного способа-прототипа связана, в том числе, с использованием в нем силового трансформатора.

Далее следует отметить о недостатках способа-прототипа в отношении утилизации энергии высших гармоник. Так, в известном способе предлагается «полученное напряжение использовать после выпрямления» для «заряда аккумуляторных батарей, от которых питаются электроустановки постоянного тока, а также инверторы, от которых питаются электроустановки переменного тока и (или) с помощью которых электрическая энергия возвращается обратно в электрическую сеть, а также утилизировать в электроустановках, для которых качество электрической энергии не является значимым (различные электронагреватели)». Таким образом, в известном способе предлагается утилизировать гармоники напряжения, в то время как высших гармоник тока, генерируемых нелинейной нагрузкой, процесс утилизации никак не затрагивает. Таким образом, на основании указанных недостатков способ-прототип обладает низкой эффективностью.

Задача, решаемая изобретением, - повышение качества, эффективности использования и снижение непроизводительных потерь электроэнергии в основном потоке мощности энергосистемы и повышение экономичности за счет снижения ресурсоемкости при осуществлении заявленного способа.

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 суммарного тока упомянутых высших гармоник, и утилизируют посредством накопления в виде энергии постоянного тока.

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

1 - энергосистема

2 - датчик тока нагрузки

3 - фильтр тока гармоники основной частоты

4 - фазосдвигающее устройство

5 - смеситель

6 - полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель

7 - накопитель энергии

8 - нелинейная нагрузка

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 при использовании в процессе извлечения энергии высших гармоник, транзисторного ШИМ-выпрямителя, построенного на IGBT модулях, в котором для формирования огибающей извлекаемого тока и регулирования его величины используются одновременно усилительные свойства IGВТ-транзисторов и ШИМ-модуляция, такой выпрямитель является частотно-избирательным и функционально может решать задачу извлечения энергии заданной гармонической составляющей, или их группы, из потока мощности энергосистемы, отбираемого нелинейной нагрузкой, в виде, пригодном для дальнейшего ее использования. При этом управление таким выпрямителем, необходимо осуществлять с помощью сигнала заданной формы.

В заявленном способе задача повышения эффективности в отношении снижения уровней высших гармоник в основном потоке мощности энергосистемы решается посредством извлечения суммарной энергии высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить, посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя, основой которого являются IGBT-транзисторы. В этом случае, кроме того, что последние используются как управляемые вентили, предлагается использовать их усилительные (управляющие) свойства относительно токов. Управление работой транзисторного выпрямителя осуществляют посредством сигнала заданной формы, содержащего спектр гармоник, энергию которых необходимо извлечь из потока мощности энергосистемы. При этом осуществляется избирательное выпрямление составляющих тока только тех частот, которые содержатся в сигнале управления. Таким образом, 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. На выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых за период их повторения эквивалентна энергии токов высших гармоник, извлекаемых из энергосистемы. При этом извлеченная таким образом энергия высших гармоник утилизируется посредством ее накопления в виде энергии постоянного тока.

Способ осуществляется следующим образом. Сигнал, пропорциональный току, отбираемому нелинейной нагрузкой 8, в котором присутствуют высшие гармоники основной частоты, посредством датчика тока нагрузки 2, одновременно поступает на вход фильтра тока гармоники основной частоты 3, и на один из входов смесителя 5, на второй вход которого поступает сигнал с выхода фазосдвигающего устройства 4, пропорциональный току гармоники основной частоты и инверсный по отношению к нему. Таким образом, фазосдвигающим устройством 4 сигнал, пропорциональный току гармоники основной частоты, поступающий на его вход с выхода фильтра тока гармоники основной частоты 3, инвертируется. На выходе смесителя 5 формируется сигнал управления полностью управляемым транзисторным ШИМ-выпрямителем 6, пропорциональный геометрической разности сигналов: сигнала, эквивалентного сигналу несинусоидального тока нагрузки, и сигнала, эквивалентного сигналу тока гармоники основной частоты. Ток, сформированный полностью управляемым транзисторным ШИМ-выпрямителем 6 и пропорциональный упомянутой геометрической разности сигналов, спектр которого содержит все высшие гармоники, мощность которых подлежит извлечению из потока мощности энергосистемы, поступает в накопитель энергии 7. В результате процентное содержание мощности высших гармоник в основной энергосети может быть сведено к нулю, а их энергия утилизирована посредством накопления.

О реализации заявленного способа необходимо отметить следующее. Использование в заявленном способе полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, работающего в ключевом режиме на частотах, превышающих частоту модулируемого управляющего сигнала, является оптимальным. При этом благодаря тому, что полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель позволяет произвольно, в зависимости от поставленной задачи, формировать огибающую выпрямленного тока, потребляемого из питающей сети, доля энергии группы гармоник, перенаправленная для утилизации максимальна, а доля их энергии, оставшаяся в энергосети, - сведена к минимуму. Таким образом, практически вся мощность группы высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой, утилизируется (преобразуется для дальнейшего полезного использования), разгружая, тем самым, от себя основную энергосистему. Помехи от работы полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя могут быть отфильтрованы посредством стандартных решений при минимальных энерго- и материальных затратах.

В предложенном способе полностью управляемый ШИМ-выпрямитель, одновременно, приобретая частотно избирательные свойства, используется как выпрямитель без искажений, с минимальными коммутационными потерями. В связи с этим применение полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя для процесса управляемого отбора энергии высшей гармоники является необходимым условием его реализуемости и одновременно решает задачу повышения его эффективности. Необходимо отметить также следующий факт. Одним из преимуществ извлечения тока заданной частоты посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя является простота его перестройки при изменении условий поставленной задачи. При этом возможно извлекать энергию как одной, так и группы гармоник. Для этого достаточно изменить модулирующий сигнал управления. Кроме этого исключается возможность возникновения резонанса. Для исполнения других блоков, используемых для реализации заявленного способа, используются известные стандартные решения.

Таким образом, в результате последовательности действий, воспроизведенных в соответствии с заявленным способом повышения качества и эффективности использования электроэнергии, процентное содержание группы высших гармоник в основной энергосети может быть сведено к минимуму. При этом практически вся энергия упомянутой группы гармоник, спектра тока, отбираемого нелинейной нагрузкой, утилизируется посредством накопления в виде энергии постоянного тока. Кроме того, повышения эффективности при осуществлении заявленного способа добиваются повышением его экономичности за счет снижения ресурсоемкости, посредством снижения непроизводительных потерь и материалоемкости в процессе осуществления способа.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ № 2237334, опубликовано 2004.05.20.

2. Патент РФ № 2320067, опубликовано 2007.01.20.