СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (ВАРИАНТ 9)
METHOD FOR QUALITY AND EFFICIENCY IMPROVEMENT FOR ELECTRIC POWER USE (VERSION 9)

Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения эффективности использования 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. В связи с этим известный способ-аналог обладает низкой эффективностью 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 способ-прототип обладает низкой эффективностью в отношении использования электроэнергии. Следует также отметить, что ни способ-аналог, ни способ-прототип не предусматривают снижение непроизводительных потерь мощности в энергосистеме, обуславливаемых реактивными токами гармоники основной частоты.
Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности использования электроэнергии при осуществлении процесса регулируемой компенсации высших гармонических составляющих в токе, отбираемом нелинейной нагрузкой.
Это достигается тем, что процесс снижения уровней высших гармонических составляющих, реализуемый посредством их компенсации, осуществляется в энергосистеме за счет реактивной составляющей энергии гармоники основной частоты.
При этом реактивную составляющую мощности гармоники основной частоты извлекают в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей реактивного тока основной частоты, извлекаемого из энергосистемы посредством ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, и после преобразования в энергию постоянного тока используют для питания дополнительного регулируемого источника мощности, в качестве которого предлагается использовать ШИМ-инвертор, посредством которого формируют токи компенсации группы высших гармоник.
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 регулируемый источник мощности
7 - датчик питающего напряжения
8 - блок формирования логического сигнала
9 - блок формирования модулирующего сигнала
10 - фильтр гармоники основной частоты
11 - фильтр гармоник, подлежащих компенсации
12 - фазоинвертор
Суть способа заключается в следующем. Как известно, в энергосистеме, при питании от нее нелинейных нагрузок, имеют место следующие факты: форма тока искажается за счет появления в нем группы высших гармонических составляющих основной частоты; в энергосистеме появляется реактивная составляющая мгновенной мощности гармоники основной частоты. Последний факт связан с тем, что часть энергии, запасенная в электрическом или магнитном поле реактивной нагрузки, возвращается назад в источник в виде реактивной составляющей тока. Протекание реактивного тока в индуктивных нагрузках обеспечивается действием ЭДС самоиндукции, в емкостных - энергией, накопленной в электрическом поле емкости. При этом знаки питающего напряжения и ЭДС самоиндукции, а также питающего напряжения и напряжения на емкостном элементе, как известно, противоположны. Отрицательный эффект, связанный с реактивными токами, как известно, заключается в дополнительных непроизводительных потерях энергии в энергосистеме.
В заявленном способе задача повышения эффективности использования электроэнергии решается путем снижения ее непроизводительных потерь. При этом предлагается, в те моменты времени, когда нагрузка в энергосистеме проявляет реактивный характер, из потока мощности извлекать реактивную составляющую тока гармоники основной частоты и после преобразования использовать для питания дополнительного регулируемого источника мощности, в качестве которого предлагается использовать ШИМ-инвертор. При этом посредством последнего, за счет извлеченной реактивной энергии, формируют и генерируют в энергосистему ряд компенсирующих токов, эквивалентных токам группы высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой и находящихся по отношению к ним в противофазе. В результате извлечения из энергосистемы реактивной составляющей тока основной частоты, генерируемого нелинейной нагрузкой, контур, в котором он замыкается, ограничивается точкой подсоединения устройства, обеспечивающего его извлечение. Таким образом, энергосистема разгружается от реактивной составляющей мощности.
Задача извлечения упомянутых реактивных составляющих из фаз энергосистемы решается применением полностью управляемого n-фазного транзисторного ШИМ-выпрямителя, построенного на IGBT модулях. Протекание реактивных токов в каждом из его плеч, в каждый полупериод питающего напряжения, обеспечивается действием ЭДС самоиндукции или напряжением на емкостной составляющей нагрузки. Использование IGBT-транзисторов при выпрямлении тока позволяет использовать их управляющие свойства относительно токов. При этом осуществляется избирательное выпрямление только тех составляющих тока, которые задаются модулирующим сигналом управления, с заданными характеристиками. На выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых эквивалентна извлекаемой из энергосистемы энергии реактивной составляющей тока основной частоты, а длительность изменяется по закону изменения ее огибающей, формируемой посредством модулирующего сигнала.
Способ осуществляется следующим образом. Активно-реактивная нелинейная нагрузка 2 отбирает из энергосистемы вместе с активной реактивную составляющую энергии. При этом имеют место следующие факты: нагрузка 2 загружает энергосистему реактивным током и генерирует в энергосистему группу высших гармоник. Посредством датчика тока 3 из энергосистемы отбирается сигнал, пропорциональный току, питающему нагрузку 2, состоящий из спектра высших гармоник и гармоники основной частоты, которую выделяют посредством фильтра гармоники основной частоты 10. Таким образом, на выходе блока 10 и датчика питающего напряжения 6 присутствуют сигналы, пропорциональные соответственно: току гармоники основной частоты и питающему напряжению. При этом сигнал, пропорциональный реактивному току, на выходе блока 10, генерируемого нагрузкой 2, отстает от питающего ее напряжения на некоторый угол, определяющий коэффициент мощности в энергосистеме. В блоке формирования логического сигнала 8 сравниваются знаки сигналов, поступающих на его входы с выходов датчика тока 3 и датчика питающего напряжения 7 и на его выходе, при этом формируется цифровая последовательность нулей и единиц, причем при совпадении знаков сигналов, пропорциональных току и напряжению, на выходе блока 8 формируется логическая единица, а в остальных случаях - логический ноль. Таким образом, логическая единица соответствует той части периода, в течение которой нагрузка 2 отбирает из энергосистемы активную мощность. Далее, сигнал с выхода блока 8 поступает на один из входов блока формирования модулирующего сигнала 9, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току гармоники основной частоты, отбираемому нагрузкой 3. Таким образом, в те моменты, в течение которых логический ноль, поступающий с выхода блока 8, совпадает на входе блока 9, с положительной полуволной отбираемого нагрузкой 2 тока основной частоты, на выходе блока 9 формируются модулирующие импульсы напряжения, пропорциональные реактивной составляющей тока, отбираемого нагрузкой 2, и синфазные по отношению к ней. В течение времени действия импульсов напряжения, сформированных блоком 9, на управляющих входах полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 4, питание последнего осуществляется за счет: или ЭДС самоиндукции, или напряжения на емкостной составляющей нагрузки, в зависимости от ее характера. Таким образом, посредством управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 4 осуществляется извлечение реактивной составляющей тока основной частоты, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой 2, в форме, способствующей ее накоплению. При этом на его выходе формируется последовательность однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей извлекаемой реактивной составляющей тока. С выхода блока 4 последовательность широтно-модулированных импульсов тока, посредством емкостного накопителя 5, поступает на дополнительный регулируемый источник мощности 6, в качестве которого предлагается использовать ШИМ-инвертор. В емкостном накопителе упомянутая последовательность широтно-модулированных импульсов тока, энергия которых эквивалентна извлекаемому из энергосистемы реактивному току гармоники основной частоты, отбираемому активно-реактивной нагрузкой, накапливается в виде энергии постоянного тока. Полученное таким образом напряжение используется для питания дополнительного регулируемого источника мощности 6. При этом посредством последнего, за счет извлеченной реактивной энергии, формируют и генерируют в энергосистему ряд компенсирующих токов, эквивалентных токам группы высших гармоник генерируемых нелинейной нагрузкой, и находящихся по отношению к ним в противофазе. Формирование ряда компенсирующих токов высших гармоник осуществляют посредством фильтра гармоник, подлежащих компенсации, 11 и фазоинвертора 12, в которых соответственно задается: спектр компенсируемых гармоник и их фаза. При этом формируется огибающая модулирующего сигнала управления дополнительного регулируемого источника мощности 6.
Таким образом, в результате последовательности действий, воспроизведенных в соответствии с заявленным способом повышения эффективности использования электроэнергии при осуществлении процесса регулируемой компенсации высших гармонических составляющих в токе, отбираемом нелинейной нагрузкой, добиваются того, что регулируемую компенсацию группы высших гармонических составляющих осуществляют за счет извлекаемой реактивной составляющей энергии.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2320067, опубликовано: 2007.01.20.
2. Патент РФ №2294044, опубликовано: 2007.02.20.