СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (ВАРИАНТ 3)
METHOD TO INCREASE QUALITY AND EFFICIENCY OF POWER USAGE (VERSION 3)

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 недостатки 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 энергию гармоники из ряда высших, долю которой необходимо уменьшить и величина которой равна заранее заданной или меньше нее, извлекают из энергосистемы соответственно или индивидуально, или совместно с энергией основной гармоники, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей сигнала, пропорционального току, извлекаемому из энергосистемы, утилизируют посредством ее использования для питания нагрузки постоянного тока.
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 - емкостный накопитель
5 - нагрузка постоянного тока
6 - датчик напряжения
7 - блок управления сигналом основной частоты
8 - нелинейная нагрузка
9 - фильтр гармоники тока основной частоты
10 - фильтр доминирующей высшей гармоники в токе нагрузки
11 - смеситель
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 частоты или формы.
В заявленном способе, та часть задачи, которая касается повышения эффективности в отношении снижения уровней высших гармоник в основном потоке мощности энергосистемы, решается посредством извлечения энергии высшей гармоники, имеющей доминирующую мощность, 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. Повышения эффективности использования электроэнергии добиваются утилизацией извлекаемой энергии упомянутой гармоники, посредством ее использования для питания нагрузки постоянного тока. При этом в случае, если мощность, необходимая нагрузке постоянного тока, меньше мощности доминирующей высшей гармоники, извлекаемой из энергосистемы, извлечением ее тока управляют посредством пропорционального ей сигнала. В случае если величина мощности, необходимой упомянутой нагрузке постоянного тока, превышает величину извлекаемой мощности высшей гармоники, из энергосистемы, дополнительно, извлекают мощность гармоники основной частоты, в доле, равной мощности, недостающей нагрузке постоянного тока. При этом управление работой транзисторного выпрямителя осуществляют посредством модулирующего сигнала, включающего, в том числе, две составляющих, одна из которых пропорциональна току упомянутой высшей гармоники, а другая - току гармоники основной частоты. Таким образом, из энергосистемы извлекается как мощность высшей гармоники, так и дополнительная мощность гармоники основной частоты, в долях, необходимых для осуществления заявленного способа. При этом осуществляется избирательное выпрямление составляющих тока только тех частот, которые содержатся в сигнале управления, а на выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых, за период их повторения, эквивалентна (в зависимости от соотношения энергий - извлекаемой из энергосистемы энергии доминирующей высшей гармоники и энергии, необходимой нагрузке постоянного тока) или энергии высшей доминирующей по мощности гармоники, извлекаемой из энергосистемы, или сумме энергий - энергии высшей доминирующей по мощности гармоники и доле дополнительной энергии гармоники основной частоты, недостающей для нормального функционирования нагрузки постоянного тока. Таким образом, вся энергия высшей гармоники, извлекаемая из потока мощности энергосистемы, расходуется на питание нагрузки постоянного тока, а в случае, если этой энергии недостаточно, т.е. если ее величина меньше величины энергии, необходимой для питания упомянутой нагрузки, то дополнительно используют энергию гармоники основной частоты.
Рассмотрим пример осуществления способа. 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 больше мощности, необходимой для нормального функционирования имеющихся нагрузок постоянного тока, энергию доминирующей гармоники утилизируют, посредством ее использования для питания нагрузки постоянного тока, самостоятельно. В соответствии с заявленным способом в этом случае утилизацию энергии извлекаемой из энергосистемы гармоники осуществляют следующим образом. Из напряжения энергосистемы 1, посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, формируют последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, который после преобразования в емкостном накопителе 4 используется для питания нагрузки постоянного тока 5. Сигнал, эквивалентный току высшей гармоники, доминирующей в токе, отбираемом нелинейной нагрузкой 8, с выхода датчика тока нагрузки 2, через фильтр доминирующей высшей гармоники в токе нагрузки 10, поступает на один из входов смесителя 11, на второй вход которого, если этого требует алгоритм реализации заявленного способа (если мощность высшей гармоники меньше мощности, требуемой нагрузке), посредством фильтра гармоники тока основной частоты 9 и блока управления сигналом основной частоты 7, с выхода датчика тока нагрузки 2 поступает сигнал, эквивалентный току гармоники основной частоты. При этом на управляющий вход блока управления сигналом основной частоты 7 поступает сигнал от датчика напряжения 6, посредством которого определяют уровень напряжения в емкостном накопителе 4, соответствующий степени использования энергии высшей гармоники. В данном случае, посредством блока 6, блокируется работа цепочки блоков 9 и 7 и посредством смесителя 11 (на втором входе которого сигнал отсутствует) формируется сигнал управления полностью управляемым транзисторным ШИМ-выпрямителем 3, пропорциональный току высшей, доминирующей по мощности гармоники, извлекаемой из энергосистемы.
В случае если процессы генерирования нелинейной нагрузкой мощности высших гармоник или отбора мощности нагрузкой постоянного тока не стационарны, заявленный способ осуществляют следующим образом. При этом, если энергии высшей доминирующей гармоники не достаточно для питания нагрузки постоянного тока 5, формирование сигнала, управляющего работой транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, осуществляется следующим образом. Сигнал, эквивалентный току высшей гармоники, отбираемому нелинейной нагрузкой 8, и сформированный посредством датчика тока нагрузки 2 и фильтра доминирующей высшей гармоники в токе нагрузки 10, поступает на один из входов смесителя 11, на второй вход которого, с выхода блока управления сигналом основной частоты 7, работой которого управляют посредством сигнала, сформированного датчиком напряжения 6 и характеризующего степень использования мощности доминирующей гармоники нагрузкой постоянного тока 6, поступает сигнал, эквивалентный току гармоники основной частоты, сформированный посредством цепочки, состоящей из датчика тока нагрузки 2, фильтра гармоники тока основной частоты 9. Рассматриваемый режим несоответствия мощностей нагрузки постоянного тока 5 и высшей гармоники, используемой для ее питания, определяется по факту снижения напряжения в емкостном накопителе 4 меньше заданного. В этом случае, на выходе датчика напряжения 6, формируется сигнал, управляющий работой блока управления сигналом основной частоты 7, поступающий на его управляющий вход и разрешающий прохождение через него сигнала, эквивалентного току гармоники основной частоты с выхода фильтра гармоники тока основной частоты 9 на второй вход смесителя 11, осуществляющего управление транзисторным ШИМ-выпрямителем 3, посредством которого из энергосистемы полностью отбирается энергия высшей гармоники, доминирующей в токе нелинейной нагрузки, и доля энергии гармоники основной частоты, недостающая нагрузке постоянного тока 5 для нормальной работы.
В случае если напряжение в емкостном накопителе 4 выше или равно заданному значению (данный факт означает, что энергии высшей доминирующей гармоники достаточно для питания нагрузки постоянного тока 5), на выходе датчика напряжения 6 формируется сигнал, блокирующий прохождение сигнала, эквивалентного току основной гармоники, сформированного цепочкой, состоящей из блоков 2 и 9, на второй вход смесителя 11. В этом случае на выходе смесителя 11 формируется модулирующий сигнал управления транзисторным ШИМ-выпрямителем 3, пропорциональный току доминирующей высшей гармоники в токе нагрузки. При этом посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3 из энергосистемы отбирается только энергия высшей гармоники, доминирующей в токе нелинейной нагрузки, и далее утилизируется посредством использования для питания нагрузки постоянного тока 5.
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 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 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 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 энергосистеме может быть сведено к минимуму. При этом энергию доминирующей по мощности гармоники, в спектре тока энергосистемы, утилизируют: в зависимости от ее величины используют для питания нагрузки постоянного тока либо самостоятельно, либо совместно с энергией основной гармоники. Кроме этого, повышения эффективности при осуществлении заявленного способа добиваются повышением его экономичности за счет снижения ресурсоемкости, посредством снижения непроизводительных потерь в процессе осуществления способа.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2237334, опубликовано 2004.05.20.
2. Патент РФ №2320067, опубликовано 2007.01.20.