СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (ВАРИАНТ 5)
METHOD TO INCREASE QUALITY AND EFFICIENCY OF POWER USAGE (VERSION 5)

Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения эффективности и снижения непроизводительных потерь электроэнергии, при осуществлении процесса регулируемой компенсации высших гармонических составляющих в токе, отбираемом нелинейной нагрузкой.
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) защиты потребителей электроэнергии от воздействия высших гармонических составляющих, заключающийся в том, что «генерируют в сеть высшие гармонические составляющие тока, действующие в противофазе с высшими гармониками основной сети». Основной недостаток известного способа, принятого в качестве прототипа, заключается в низкой эффективности использования электроэнергии в связи с тем, что для формирования компенсирующих токов высших гармоник используется энергия основной частоты, дополнительно извлекаемая из энергосистемы. При этом компенсируется весь спектр высших гармоник. Однако известно, что мощности высших гармоник, составляющих спектр тока, отбираемого нелинейной нагрузкой, могут значительно отличаться друг от друга. При этом при компенсации токов, например нулевой последовательности, мощность основной гармоники, затрачиваемая на формирование инверсных им токов и соответственно отбираемая из энергосистемы, достаточно велика. В этом случае непроизводительные потери энергии, имеющие место в процессе компенсации и являющиеся следствием процесса преобразования энергии (выпрямления посредством силового выпрямителя, генерации посредством управляемого тиристорного инвертора), также достаточно велики. Таким образом, другим недостатком способа-прототипа является наличие непроизводительных потерь энергии, являющихся следствием преобразования энергии при его осуществлении. Вследствие указанных недостатков способ-прототип обладает низкой эффективностью в отношении использования электроэнергии.
Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности использования и снижение непроизводительных потерь электроэнергии при осуществлении процесса регулируемой компенсации высших гармонических составляющих в токе, отбираемом нелинейной нагрузкой.
Это достигается тем, что процесс компенсации влияния одной из групп ряда высших гармонических составляющих осуществляется за счет энергии гармоник другой группы из этого же ряда, несущей основную его энергию. При этом энергию группы гармоник, несущей основную энергию ряда, извлекают в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей тока, извлекаемого из энергосистемы, посредством ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, и после преобразования в энергию постоянного тока используют для питания дополнительного источника мощности, в качестве которого используют ШИМ-инвертор, посредством которого формируют токи компенсации другой группы высших гармонических того же ряда.
На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа. При этом введены следующие обозначения.
1 - энергосистема
2 - нелинейная нагрузка
3 - датчик тока нагрузки
4 - полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель
5 - емкостный накопитель
6 - дополнительный источник мощности
7 - фильтр гармоник первой группы
8 - фильтр гармоники основной частоты
9 - первое фазосдвигающее звено
10 - второе фазосдвигающее звено
11 - смеситель
12 - фильтр гармоник, подлежащих компенсации
13 - фазоинвертор
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 часть из них, при определенных условиях, может обладать значительной мощностью. Согласно предложенному способу в спектре высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой, выделяют ряд гармоник, долю которых необходимо уменьшить, в этом ряду оценивают их мощность каждой, разделяют полученный ряд на две группы. При этом первую группу составляют высшие гармоники, несущие основную долю энергии ряда, а вторую - гармоники, эквивалентная мощность которых близка или равна мощности гармоник, составляющих первую группу. Далее, из потока мощности, отбираемого нелинейной нагрузкой, извлекают энергию гармоник, несущих основную мощность и составляющих первую группу.
Следует отметить, что в случае использования 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, осуществляют посредством модулирующего сигнала заданной формы, содержащего спектр гармоник, энергию которых необходимо извлечь из потока мощности энергосистемы.
Таким образом, в заявленном способе, при извлечении первой группы выбранного ряда гармоник, несущих основную долю энергии ряда, предлагается использовать транзисторный полностью управляемый ШИМ-выпрямитель, способный осуществлять избирательное выпрямление составляющих тока только тех частот, которые содержатся в сигнале управления. В данном случае сигнал управления содержит группу сигналов, пропорциональных первой группе высших гармоник. 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 первой группы высших гармоник, извлекаемых из энергосистемы. Извлеченную энергию первой группы гармоник накапливают в виде энергии постоянного тока в емкостном накопителе и далее используют для питания дополнительного источника мощности, в качестве которого предлагается использовать ШИМ-инвертор. При этом посредством последнего, используя накопленную энергию, формируют ряд компенсирующих токов высших гармоник, эквивалентных токам гармоник второй группы и находящихся по отношению к ним в противофазе, которые, в свою очередь, формируют посредством пропорционального им сигнала. Очевидно, что в процессе преобразования величина энергии компенсирующих токов, генерируемых в энергосистему, должна быть меньше величины энергии первой группы гармоник, извлеченных из энергосистемы на величину потерь на преобразование, только в этом случае возможно обеспечить непрерывность потока мощности. Следует также отметить, в том случае, если мощность одной из высших гармоник достаточно велика, (как, например, в тяговых сетях мощность третьей гармоники, входящей в нулевую последовательность, может быть сравнима с мощностью гармоники основной частоты), то в первую группу ряда высших гармоник может входить только одна из них.
Способ осуществляется следующим образом. Изначально, перед осуществлением способа компенсации, в спектре высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой, определяют ряд гармоник, долю которых необходимо уменьшить, оценивают их мощность, разделяют полученный ряд на две группы, к первой из которых относят минимум одну гармонику, несущую основную мощность, а ко второй - гармоники, эквивалентная мощность которых близка или равна гармонике первой группы. Таким образом, в результате описанной последовательности действий получают информацию, необходимую для дальнейшего осуществления заявленного способа. При этом в зависимости от результатов проведенных исследований назначают технические характеристики следующим блокам: фильтру гармоник, подлежащих компенсации 12 и фильтру гармоник первой группы 7. Таким образом, фильтр гармоник, подлежащих компенсации 12, пропускает все гармоники, которыми задаются изначально и которые необходимо компенсировать в спектре тока, отбираемого нелинейной нагрузкой, а фильтр гармоник первой группы 7 настраивается таким образом, чтобы на его выходе присутствовала группа гармоник, несущих основную энергию выбранного ряда гармоник, подлежащих компенсации. При этом в частном случае данная группа может состоять из одной гармоники, а в случае, если при осуществлении заявленного способа необходимо компенсировать все гармоники спектра тока нелинейной нагрузки, процесс фильтрации ряда гармоник, подлежащих компенсации, может отсутствовать, т.к. упомянутый ряд гармоник совпадает со спектром гармоник, отбираемых нелинейной нагрузкой. Рассмотрим общий случай, когда такого совпадения нет. Таким образом, посредством датчика тока 3 весь спектр высших гармоник, отбираемых нелинейной нагрузкой 2, поступает на вход фильтра гармоник, подлежащих компенсации 12, с помощью которого выделяют ряд гармоник, долю которых необходимо уменьшить. Из сформированного таким образом ряда гармоник, посредством фильтра гармоник первой группы 7, выделяют группу гармоник (первую группу гармоник), несущих основную энергию сформированного ряда, образующую сигнал управления полностью управляемым транзисторным ШИМ-выпрямителем 4, с помощью которого, посредством управляемого отбора тока, из тока, отбираемого нелинейной нагрузкой, извлекают энергию гармоник первой группы. Извлеченная таким образом энергия накапливается в виде энергии постоянного тока, в емкостном накопителе 5, и далее используется для питания дополнительного источник мощности 6, в качестве которого используется ШИМ-инвертор, посредством которого формируют и генерируют в энергосистему компенсирующие токи, эквивалентные высшим гармоникам второй группы упомянутого выбранного ряда гармоник, и противоположных им по фазе. Суммарная мощность гармоник, образующих вторую группу, близка к суммарной мощности гармоник, составляющих первую группу. При этом вторая группа, образованная токами компенсации, формируется следующим образом. С выхода фильтра гармоник, подлежащих компенсации 12, сигнал, пропорциональный гармоникам, подлежащим компенсации, поступает на один из входов смесителя 11, на два других входа поступают соответственно сигналы, первый из которых представляет собой сигнал, пропорциональный гармонике основной частоты, сформированный фильтром гармоники основной частоты 8, из сигнала пропорционального току, отбираемому нелинейной нагрузкой, посредством датчика тока нагрузки 3, и проинвертированный первым фазосдвигающим звеном 9, а второй - сигнал, сформированный из гармоник ряда гармоник, подлежащих компенсации, сформированный фильтром гармоник, подлежащих компенсации 12, и проинвертированный вторым фазосдвигающим звено 10. С выхода смесителя 11 сигнал, пропорциональный второй группе ряда гармоник, подлежащих компенсации, образованный из спектра гармоник тока, отбираемого нелинейной нагрузкой, путем исключения из последнего гармоники основной частоты и гармоник первой группы ряда, поступает на вход фазоинвертора 13, где сдвигается на 180 эл.градусов. Таким образом, на выходе фазоинвертора 13 формируется сигнал управления дополнительным источником мощности 6, посредством которого формируется сигнал компенсации высших гармоник второй группы. При этом в энергосистему генерируется сформированный сигнал компенсации, спектр которого содержит высшие гармоники второй группы, находящиеся в противофазе по отношению к высшим гармоникам, подлежащим компенсации в токе, отбираемом нелинейной нагрузкой.
Таким образом, в результате последовательности действий, осуществляемых в соответствии с заявленным способом, повышения эффективности использования и снижения непроизводительных потерь электроэнергии, при осуществлении процесса регулируемой компенсации высших гармоник, добиваются тем, что компенсацию одной из групп ряда высших гармонических составляющих осуществляют за счет энергии гармоник другой группы из этого же ряда, несущей основную его энергию. Непроизводительные потери энергии, при осуществлении процесса компенсации, сводят к минимуму за счет использования управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, а также за счет использования в качестве дополнительного источника мощности ШИМ-инвертора.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2320067, опубликовано: 2007.01.20.
2. Патент РФ №2294044, опубликовано: 2007.02.20.