способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии (вариант 1)

Формула изобретения

Способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии, при котором в основном потоке мощности энергосистемы уменьшают долю высших гармонических составляющих тока основной частоты, а их энергию утилизируют, отличающийся тем, что энергию высшей гармонической составляющей тока, долю которой необходимо уменьшить в основном потоке мощности энергосистемы, и величина которой больше или близка к заранее заданной, извлекают в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей тока упомянутой высшей гармоники посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, и утилизируют в два этапа, причем первоначально одну ее часть после преобразования в емкостном накопителе используют для питания нагрузки постоянного тока, а оставшуюся часть накапливают в виде энергии постоянного тока, при этом управление процессом извлечения энергии упомянутой высшей гармоники осуществляют посредством пропорционального ей сигнала, который предварительно выделяют из тока, отбираемого нелинейной нагрузкой.

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 этого 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 энергию гармоники из ряда высших, долю которой необходимо уменьшить и величина которой равна или близка к заранее заданной, извлекают в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей тока упомянутой высшей гармоники, и утилизируют после ее преобразования в энергию постоянного тока посредством использования для питания нагрузки и накопления.

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

1 - энергосистема

2 - датчик тока

3 - полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель

4 - блок управления накопителем энергии

5 - емкостный накопитель

6 - нагрузка постоянного тока

7 - второй накопитель энергии

8 - нелинейная нагрузка

9 - датчик тока нагрузки

10 - фильтр доминирующей высшей гармоники в токе нагрузки

11 - фазосдвигающий блок

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 IGBT-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 модулирующего сигнала заданной частоты или формы.

В заявленном способе задача повышения эффективности в отношении снижения уровней высших гармоник в основном потоке мощности энергосистемы решается посредством извлечения энергии высшей гармоники, имеющей доминирующую мощность, достаточную для питания нагрузки, 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 осуществляют посредством модулирующего сигнала, пропорционального высшей гармонике, энергию которой необходимо извлечь из потока мощности энергосистемы. При этом осуществляется избирательное выпрямление составляющей тока только той частоты, которая содержится в сигнале управления. Таким образом, упомянутой высшей гармонике 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 высшей гармоники, извлекаемой из энергосистемы. При этом основная часть энергии высшей гармоники, извлекаемой из потока мощности энергосистемы, расходуется на питание нагрузки постоянного тока, а оставшаяся часть накапливается в виде энергии постоянного тока.

Рассмотрим пример осуществления способа. В случае если процесс генерирования мощности высших гармоник в энергосети стационарен, предварительно ориентировочно оценивают мощность доминирующей гармоники и соотносят ее с мощностью, необходимой для питания одной или нескольких имеющихся нагрузок постоянного тока. Если мощность упомянутой гармоники в основной энергосистеме достаточна, т.е. больше или близка к мощности, необходимой для нормального функционирования имеющихся нагрузок постоянного тока, основную часть энергии доминирующей гармоники используют для их питания, а оставшуюся ее часть накапливают в виде энергии постоянного тока. Таким образом, посредством датчика тока нагрузки 9 и фильтра доминирующей высшей гармоники в токе нагрузки 10, из сигнала, пропорционального несинусоидальному току, отбираемому нелинейной нагрузкой 8, формируют сигнал, пропорциональный высшей гармонике, доминирующей по величине в токе нагрузки, который затем одновременно поступает на вход фазосдвигающего блока 11 и на управляющий вход полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, посредством которого из напряжения энергосистемы 1, поступающего на его вход, формируют ток заданной высшей гармонической составляющей, питающий через емкостный накопитель 5 нагрузку постоянного тока 6. Фазосдвигающим блоком 11 сигнал, пропорциональный току доминирующей высшей гармоники, инвертируется и поступает на один из сигнальных входов блока управления накопителем энергии 4, на второй сигнальный вход которого, посредством датчика тока 2, поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой постоянного тока 6. При этом в блоке управления накопителем энергии 4 упомянутые синусоидальные сигналы суммируются (данная операция суммирования с инверсным сигналом эквивалентна операции вычитания) и преобразуются в сигнал, управляющий работой накопителя энергии 7. В случае когда упомянутая сумма принимает отрицательное значение, соответствующее случаю, когда мощность доминирующей высшей гармоники, генерируемой нелинейной нагрузкой, превышает мощность, необходимую нагрузке постоянного тока для ее нормальной работы, т.е. соответствует факту неполного использования нагрузкой 6 мощности доминирующей гармоники из ряда высших, блоком управления накопителем энергии 4 формируется сигнал, разрешающий утилизировать оставшуюся часть энергии доминирующей гармоники в накопителе энергии 7 посредством преобразования ее в энергию постоянного тока (например, посредством ее аккумулирования).

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 гармоники, перенаправленная для утилизации, максимальна, а доля энергии, оставшаяся в энергосети, сведена к минимуму. Таким образом, практически вся мощность доминирующей высшей гармоники, генерируемая нелинейной нагрузкой, утилизируется (преобразуется для дальнейшего полезного использования), разгружая, тем самым, от себя 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 смене номера гармоники. Для этого достаточно изменить модулируемый 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 мощности высшей гармоники в основной энергосети может быть сведено к минимуму. При этом практически вся энергия доминирующей по величине гармоники, в спектре тока, отбираемого нелинейной нагрузкой, извлекается и утилизируется посредством ее использования для питания нагрузки постоянного тока и накопления в виде энергии постоянного тока. Кроме этого 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.