СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (ВАРИАНТ 4)
METHOD TO INCREASE QUALITY AND EFFICIENCY OF ELECTRIC ENERGY USAGE (VERSION 4)

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, 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) 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 прототипа, 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-прототипа не произойдет. Ограниченность известного способа также заключается в «снижении» уровней напряжений гармоник строго определенных частот. Кроме этого при осуществлении способа-прототипа используется силовой трансформатор, что вызывает дополнительные непроизводительные потери мощности.
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 после ее преобразования возвращают в энергосистему в виде тока гармоники основной частоты.
На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа. При этом введены следующие обозначения:
1 - энергосистема
2 - датчик тока нагрузки
3 - полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель
4 - управляемый преобразователь мощности
5 - фильтр гармоники тока основной частоты
6 - фазосдвигающее устройство
7 - смеситель
8 - нелинейная нагрузка
9 - датчик напряжения
10 - выпрямитель
11 - управляемый масштабный усилитель
12 - блок управления
13 - датчик тока
14 - емкостный накопитель.
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 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, а длительность которых за период их повторения изменяется по закону изменения огибающей суммарного тока, извлекаемого из энергосистемы. Решение той части задачи, которая касается преобразования энергии высших гармоник в ток гармоники основной частоты и последующего ее возврата в энергосистему, осуществляют посредством использования управляемого преобразователя мощности. При этом в качестве упомянутого управляемого преобразователя мощности оптимально применить ШИМ-инвертор, получающий питание от емкостного накопителя, в котором извлеченная из энергосистемы эквивалентная энергия высших гармоник накапливается в необходимом количестве и далее, после преобразования, возвращается в энергосистему в виде тока гармоники основной частоты.
Способ осуществляется следующим образом. Сигнал, пропорциональный току, отбираемому нелинейной нагрузкой 8, в котором присутствуют основная гармоника и все ее высшие составляющие, посредством датчика тока нагрузки 2 одновременно поступает на вход фильтра тока гармоники основной частоты 5 и на один из входов смесителя 7, на второй вход которого поступает сигнал с выхода фазосдвигающего устройства 6, пропорциональный току гармоники основной частоты и инверсный по отношению к нему. Таким образом, фазосдвигающим устройством 6 сигнал, пропорциональный току гармоники основной частоты, поступающий на его вход с выхода фильтра тока гармоники основной частоты 5, инвертируется. На выходе смесителя 7 формируется сигнал управления полностью ШИМ-выпрямителем 3 и пропорциональный упомянутой геометрической разности сигналов, спектр которого содержит все высшие гармоники, мощность которых подлежит извлечению из потока мощности энергосистемы, посредством емкостного накопителя 14 поступает в управляемый преобразователь мощности 4, в качестве которого используется ШИМ-инвертор. В емкостном накопителе эквивалентная энергия высших гармоник, извлеченная посредством управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, накапливается в виде энергии постоянного тока. Полученное таким образом напряжение питает управляемый преобразователь мощности 4, посредством которого накопленная энергия высших гармоник преобразуется в энергию гармоники основной частоты. При этом управление блоком 4 осуществляют сигналом, эквивалентным гармонике основной частоты. Очевидно, что мощность гармоники основной частоты, возвращаемая в энергосистему, должна быть меньше суммарной мощности высших гармоник, накопленной в емкостном накопителе, на величину потерь, связанных с преобразованием энергии. В связи с этим величина сигнала, управляющего ШИМ-инвертором, должна обеспечивать это соотношение, в противном случае поток мощности в цепи «ШИМ-инвертор-ШИМ-выпрямитель-система энергоснабжения» не будет непрерывным. Таким образом, посредством датчика напряжения 9 формируют сигнал, заранее задаваясь его минимальным значением, пропорциональный суммарной мощности высших гармоник, извлеченной из энергосистемы, поступающий на один из входов блока управления 12, на второй вход которого поступает сигнал, сформированный цепочкой, состоящей из датчика тока 13 и выпрямителя 10, посредством сигнала гармоники основной частоты и пропорциональный мощности, возвращаемой в энергосистему, посредством управляемого преобразователя мощности 4. При этом в блоке управления 12 упомянутые сигналы сравниваются по величине, и их разница преобразуется в пропорциональный ей сигнал, который поступает на управляющий вход управляемого масштабного усилителя 11, коэффициент усиления которого задается с расчетом упомянутых потерь при преобразовании энергии, и который управляет сигналом, пропорциональным току гармоники основной частоты, поступающим на его сигнальный вход. Таким образом, величина сигнала, управляющего работой ШИМ-инвертора, и следовательно, управляющая величиной мощности, возвращаемой в энергосистему посредством тока гармоники основной частоты, формируется в зависимости от соотношения мощностей: суммарной мощности высших гармоник и мощности, возвращаемой в энергосистему. При этом величина тока, генерируемого в энергосистему, увеличивается до тех пор, пока напряжение в емкостном накопителе 14 не достигнет заданной минимальной величины. Таким образом, снижение напряжения в емкостном накопителе 14 до минимального уровня отражает тот факт, что практически вся суммарная мощность высших гармоник преобразуется в энергию гармоники основной частоты.
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 модулирующего 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 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 группы высших гармоник в основной энергосети может быть сведено к минимуму. При этом практически вся извлеченная из энергосистемы энергия упомянутой группы гармоник, спектра тока, отбираемого нелинейной нагрузкой, возвращается назад в виде энергии тока основной частоты. 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 №2320067, опубликовано 2007.01.20.
2. Патент РФ №2237334, опубликовано 2004.05.20.