СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ОДНОЙ ИЛИ НЕСКОЛЬКИХ ФИКСИРОВАННЫХ ЧАСТОТ
METHOD FOR EXTRACTING HIGHER HARMONIC CURRENT ENERGY OF ONE OR SEVERAL FIXED FREQUENCIES

Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения эффективности при извлечении из потока мощности энергосистемы эквивалентной энергии высших гармонических составляющих одной или нескольких фиксированных частот, а также для повышения эффективности процесса извлечения энергии высших гармоник.
Известен способ (1), принятый в качестве аналога, при осуществлении которого энергию высших гармоник из потока мощности, отбираемого нелинейной нагрузкой, извлекают посредством ее использования совместно с энергией «нулевой последовательности … первой гармоники», «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)». При этом эквивалентную энергию высших гармоник выделяют «путем сравнения напряжения сети и напряжения эталонного источника качественной энергии». Полученное таким образом напряжение «определяется разностью напряжений некачественной электрической энергии (напряжение сети) и качественной электрической энергии (напряжение эталонного источника качественной электрической энергии)» и «полностью определяется электрической энергией искажения, в котором присутствуют системы всех последовательностей для всех высших гармоник и системы обратной и нулевой последовательностей для первой гармоники». Используемый при этом способ извлечения энергии высших гармоник имеет следующие недостатки. «Некачественная энергия», извлекаемая таким образом из энергосистемы, определяется разностью упомянутых напряжений, а следовательно, определяется высшими гармониками напряжений и различного вида асимметриями напряжений. В то же время известно, что основной вред наносят гармоники тока, спектр которых не совпадает со спектром гармоник напряжения. В связи с этим следует также отметить, что если питание нелинейной нагрузки осуществляется от энергосистемы большой мощности (практически бесконечной), напряжение этой системы можно, с большой степенью вероятности, считать синусоидальным, в то время как токи останутся несинусоидальными. На основании перечисленных фактов, способ-аналог не решает поставленной задачи выделения и извлечения из общего потока мощности энергосистемы - потока «ее некачественной составляющей», включающей «системы всех последовательностей для всех высших гармоник и системы обратной и нулевой последовательностей для первой гармоники».
Известен способ, извлечения энергии высших гармоник, описанный в (2), принятый в качестве прототипа, посредством резонансных фильтров, каждый из которых настроен на гармонику строго определенной частоты. Известный способ-прототип обладает рядом недостатков, заключающихся в следующем:
- С целью обеспечения надежности и эффективности при осуществлении способа секции фильтров настраивают на резонансные частоты, немного более низкие, чем частоты соответствующих гармоник. В связи с этим эквивалентная мощность высших гармоник, извлекаемая пассивными фильтрами из энергосистемы, не соответствует (ниже) эквивалентной мощности высших гармоник, генерируемой нелинейной нагрузкой.
- Изменение импеданса системы или реактивных сопротивлений компонентов фильтра вследствие их старения или воздействия повышенной температуры приводит к чрезмерному уходу резонансной частоты от частоты соответствующей гармоники, что вызывает ухудшение параметров фильтра и соответственно уменьшение величины извлекаемой мощности.
- В периоды малых нагрузок, из-за несоответствия им емкости фазосдвигающих конденсаторов, возможен риск увеличения напряжения в точках присоединения фильтров.
- При осуществлении известного способа, как известно, в энергосистеме возможно возникновение резонансов на отдельных гармониках, что в свою очередь еще больше ухудшает электромагнитную обстановку.
- Пассивные фильтры фактически замыкают гармоники тока, извлекаемые из энергосистемы, на землю, что в свою очередь делает невозможным дальнейшее использование их энергии.
- При использовании известного способа для извлечения энергии ряда гармоник требуется использование набора фильтров, что повышает его ресурсоемкость.
- В случае использования фиксированного набора фильтров при осуществлении известного способа его эффективность, в отношении извлечения энергии высших гармоник, снижается при изменении их спектра. Кроме этого пассивные фильтры, используемые в известном способе для целей извлечения энергии высших гармоник, дорогостоящи.
Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности при извлечении из потока мощности энергосистемы энергии высших гармонических составляющих одной или нескольких фиксированных частот, за счет увеличения ее доли, повышение эффективности процесса извлечения энергии высших гармоник, за счет расширения его функциональных возможностей путем сохранения извлекаемой энергии, а также за счет повышения надежности, посредством исключения резонансов, снижения ресурсоемкости и повышения экономичности 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 сигнала, пропорционального току, извлекаемому из энергосистемы.
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 - фильтр высших гармоник,
5 - нелинейная нагрузка,
Wн - извлеченная энергия.
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.
Таким образом, в заявленном способе задача повышения эффективности в отношении увеличения доли, извлекаемой из потока мощности, отбираемого от энергосистемы нелинейной нагрузкой, энергии высших гармонических составляющих одной или нескольких фиксированных частот, а также задача сохранения извлеченной энергии, решается посредством применения 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 модулирующего сигнала заданной формы, состоящего из 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 извлеченную таким образом, энергию возможно использовать в дальнейшем, после ее накопления, например в емкостном накопителе.
Способ осуществляют следующим образом. Посредством датчика тока нагрузки 2, из тока, отбираемого нелинейной нагрузкой 5, формируют пропорциональный ему сигнал, из которого, посредством фильтра высших гармоник 4, формируют сигнал управления транзисторным ШИМ-выпрямителем 3. При этом упомянутый сигнал управления, содержащий все гармонические составляющие, энергию которых необходимо извлечь из энергосистемы, формирует огибающую сигнала тока, который отбирают посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3. Таким образом, на выходе упомянутого блока 3 присутствует, сформированная им, последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, эквивалентная энергия которых, за период их повторения, пропорциональна энергии тока, извлекаемого из энергосистемы. При этом в полученном виде извлеченная из энергосистемы энергия высших гармоник может быть утилизирована.
Таким образом, в результате последовательности действий, осуществляемых в соответствии с заявленным способом, энергию высших гармоник одной или нескольких фиксированных частот из потока мощности энергосистемы извлекают в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока. При этом повышения эффективности при осуществлении заявленного способа добиваются увеличением доли извлекаемой энергии, а повышения эффективности процесса извлечения энергии высших гармоник добиваются посредством снижения его ресурсоемкости и повышения его экономичности, а также расширением его функциональных возможностей за счет повышения его надежности путем исключения резонансов в системе энергоснабжения, а также за счет преобразования энергии высших гармоник в вид, обеспечивающий ее дальнейшее использование.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2237334, опубликован 2004.05.20.
2. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий [Текст] / И.В.Жежеленко. - М.: Энергоатомиздат, 1984, с.109.