СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В n-ФАЗНОЙ СИСТЕМЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ (ВАРИАНТ 1)
METHOD FOR INCREASING QUALITY AND EFFICIENCY OF POWER USAGE IN n-PHASE POWER SUPPLY SYSTEM (VARIANT 1)

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для повышения качества и эффективности использования электроэнергии в n-фазных системах энергоснабжения.
Известно устройство (1), используемое для повышения качества электрической энергии, содержащее тиристорный источник реактивной мощности, выполненный в виде тиристорного моста, в одну диагональ которого включены две обмотки управления управляемого реактора, а в другую - резистор. Способ-аналог обладает недостатками, основными из которых являются низкая экономичность и ограниченный диапазон регулирования реактивной мощности.
Известен способ (2) повышения качества электроэнергии, заключающийся в том, что из «напряжения электрической сети выделяют первую и высшие гармонические составляющие, выпрямляют их, 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 компенсация 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 заключается: в «снижении» уровней напряжений гармоник строго определенных частот; невозможности компенсации в энергосистеме реактивной мощности. Кроме того, дополнительные непроизводительные потери мощности, при осуществлении способа-прототипа, обусловлены использованием силового трансформатора.
Задача, решаемая изобретением, - повышение качества и эффективности использования электроэнергии посредством: повышения эффективности процесса компенсации высших гармонических составляющих (за счет компенсации высших гармонических составляющих в спектре тока, отбираемого нелинейной нагрузкой); снижения непроизводительных потерь электроэнергии, вызванных реактивными токами основной и высших гармоник; использования для осуществления процесса компенсации высших гармонических составляющих тока, реактивной энергии гармоники основной частоты.
Это достигается тем, что согласно предложенному способу эквивалентный компенсирующий ток, включающий токи группы высших гармонических составляющих, эквивалентных токам высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить, для каждой из фаз n-фаз системы энергоснабжения, формируют либо за счет извлекаемой самостоятельно реактивной составляющей мощности, отбираемой нелинейной нагрузкой, либо за счет извлекаемых совместно реактивной и доли активной составляющих. При этом последние извлекают посредством n-фазного полностью управляемого ШИМ-выпрямителя, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, которую после преобразования в энергию постоянного тока используют для формирования упомянутого эквивалентного компенсирующего тока.
Суть способа заключается в следующем. Очевидно что при питании нелинейной активно-реактивной нагрузки, от n-фазной системы энергоснабжения, в каждой из ее фаз, протекают активно-реактивные токи, спектр которых составляют основная и высшие гармоники. При этом знак мгновенной мощности их реактивных составляющих в течение четверти своего периода изменяется на противоположный. Этот факт связан с тем, что часть энергии, запасенная в электрическом или магнитном поле реактивной составляющей нагрузки, возвращается назад в источник в виде упомянутых реактивных токов, протекание которых в индуктивных нагрузках обеспечивается действием ЭДС самоиндукции, в емкостных - напряжением, накопленным в электрическом поле емкости. Знаки питающего напряжения и ЭДС самоиндукции, а также питающего напряжения и напряжения на емкостной составляющей нагрузки, противоположны. При этом отрицательный эффект, связанный с реактивными токами, как известно, заключается в дополнительных непроизводительных потерях энергии. В соответствии с заявленным способом задача повышения качества и эффективности использования электроэнергии решается, с одной стороны, путем снижения ее непроизводительных потерь, обусловленных реактивной составляющей тока гармоники основной частоты, с другой стороны - регулируемой компенсацией высших гармоник. При этом предлагается, что в те моменты времени, когда нагрузка в энергосистеме проявляет реактивный характер, из потока мощности извлекать реактивный ток основной частоты с целью дальнейшего использования его энергии, либо самостоятельно, либо совместно с активной энергией гармоники основной частоты, для формирования эквивалентного компенсирующего тока, включающего токи группы высших гармонических составляющих, эквивалентных токам высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить. Упомянутый компенсирующий ток формируют и генерируют в энергосистему посредством дополнительного источника мощности, в качестве которого предлагается использовать ШИМ-инвертор, управляемый модулирующим сигналом, формируемым для каждой из фаз отдельно, посредством сигналов, пропорциональных геометрической сумме токов компенсируемых высших гармонических составляющих. В случае если в энергосистеме суммарная мощность группы компенсируемых гармоник больше мощности реактивной составляющей гармоники тока основной частоты, последняя извлекается из энергосистемы совместно с долей его активной составляющей, и при этом обе составляющие, после преобразования в энергию постоянного тока, используются для питания упомянутого дополнительного источника мощности.
Задача пофазного извлечения из энергосистемы упомянутой реактивной и доли активной составляющих тока основной частоты 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. При этом на выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, энергия которых эквивалентна, соответственно: или извлекаемой из энергосистемы, самостоятельно, реактивной составляющей энергии тока гармоники основной частоты, или, при совместном извлечении реактивной и доли активной составляющих, - энергии последних.
Заявленный способ описан на примере трехфазной системы. На чертеже представлена схема, поясняющая его сущность. При этом введены следующие обозначения.
1 - n-фазная энергосистема
2 - нелинейная нагрузка
3 - n-фазный полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель
4 - емкостный накопитель
5 - n-фазный дополнительный источник мощности
6, 7, 8 - датчики тока фаз
9, 10, 11 - датчики питающего напряжения
12, 13, 14 - блоки формирования логического сигнала
15, 16, 17 - блоки формирования модулирующего сигнала
18 - датчик напряжения
19 - n-фазный блок смесителей
20 - n-фазный блок емкостных накопителей
21, 22, 23 - фильтры гармоники тока основной частоты
24 - n-фазный блок формирования активной составляющей сигнала управления
25 - n-фазный блок задания групп компенсируемых гармоник
26 - n-фазный блок фазоинверторов
27 - n-фазный блок выпрямителей
Способ осуществляется следующим образом. В связи с тем что для любой n-фазной системы энергоснабжения заявленный способ реализуется аналогичным образом, далее он рассматривается относительно трехфазной системы. Способ осуществляется следующим образом. С выходов датчиков 6, 7, 8, сигналы, пропорциональные несинусоидальным токам, отбираемым нелинейной нагрузкой 2 от фаз «А, В и С», поступают, в том числе, на вход n-фазного блока задания групп компенсируемых гармоник 25, посредством которого, для каждой из фаз, заранее, задают спектр гармоник, долю которых необходимо уменьшить, посредством снижения их уровней, методом регулируемой компенсации. При этом блок 25 может представлять собой группу фильтров (по числу фаз), посредством которых из сигнала, отбираемого нагрузкой 2, из каждой из фаз, выделяют спектр компенсируемых гармоник. Далее, сформированные таким образом сигналы поступают на соответствующие входы n-фазного блока (по числу фаз) фазоинверторов 26, посредством которого инвертируются на 180 эл. градусов, и далее, с его выходов, поступают на управляющие входы n-фазного (по числу фаз) дополнительного источника мощности 5, соответствующие фазам «А, В и С», посредством которого в каждую из них генерируются эквивалентные компенсирующие токи, включающие токи группы высших гармонических составляющих, эквивалентных токам высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить, и находящиеся по отношению к ним в противофазе. Сформированные таким образом, управляющие соответствующими фазами источника мощности 5, модулирующие сигналы управления пропорциональны геометрической сумме токов компенсируемых высших гармонических составляющих, спектр которых задается изначально, для каждой из соответствующих фаз энергосистемы, описанным выше способом, посредством блока 25. Для каждой из фаз энергосистемы упомянутые эквивалентные компенсирующие токи формируются либо за счет извлекаемой из энергосистемы самостоятельно энергии реактивной составляющий гармоники основной частоты, либо за счет совместно извлекаемых реактивной и активной составляющих ее мощности. При этом упомянутые составляющие мощности тока основной частоты извлекают из каждой из фаз энергосистемы 1 посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, и после преобразования в энергию постоянного тока посредством емкостного накопителя 4 используют для питания n-фазного дополнительного источника мощности 5. Состав энергии, используемой для его питания, определяется посредством датчика 18, в зависимости от соотношения мощностей: реактивной составляющей мощности гармоники основной частоты и мощности, необходимой для компенсации гармонических составляющих, путем измерения последним, снимаемого с емкостного накопителя 4, - напряжения. При этом изначально его величину ставят в зависимость от извлекаемой из энергосистемы мощности, таким образом, что если извлекаемой реактивной составляющей мощности достаточно для формирования эквивалентных компенсирующих токов, то на выходе емкостного накопителя 4 присутствует напряжение, блокирующее присутствие активной составляющей гармоники тока основной частоты в составе модулирующего сигнала управления ШИМ-выпрямителем 3, и при этом посредством последнего из энергосистемы 1 извлекается только реактивная составляющая мощности гармоники основной частоты, энергия которой используется для питания n-фазного (для данного рассматриваемого случая - трехфазного), дополнительного источника мощности 5, и, следовательно, для формирования эквивалентных компенсирующих токов. Рассмотрим подробней случай формирования эквивалентного тока компенсации спектра высших гармоник, посредством дополнительного источника мощности 5, только за счет энергии реактивной составляющей гармоники тока основной частоты, что характеризует ее извлеченную мощность, как достаточную для формирования эквивалентных компенсирующих токов. С выходов датчиков тока 6, 7 и 8 сигналы, пропорциональные несинусоидальным токам, пофазно отбираемым нелинейной нагрузкой, поступают в том числе на входы блоков 21, 22, 23, представляющих собой, для каждой из них, фильтры тока основной частоты, с выхода которых сигналы, пропорциональные токам гармоники основной частоты, поступают на входы блоков 12, 13 и 14 (количество которых соответствует количеству фаз) формирования логического сигнала, которые совместно с блоками 15, 16, и 17, формирования модулирующего сигнала, участвуют в формировании последнего. Очевидно что количество блоков 6-8, 21-23, 12-14, 15-17 соответствует количеству фаз в энергосистеме. При этом посредством упомянутых блоков реактивная составляющая модулирующего сигнала фаз «А, В и С» формируется следующим образом. Посредством блоков: датчиков тока 6-8, блоков 21-23, и датчиков питающего напряжения 9-11 (по числу фаз энергосистемы), - формируют сигналы, пропорциональные токам основной часты и питающему напряжению. При этом в сигналах, присутствующих на выходе блоков 21-23, отсутствует синфазность по отношению к «своим» питающим напряжениям. В связи с тем что процесс формирования реактивной составляющей модулирующего сигнала аналогичен для всех фаз энергосистемы, рассмотрим его на примере фазы «А». В блоке формирования логического сигнала 12 сравниваются знаки сигналов, поступающих на его входы: с выхода блока 21 и датчика питающего напряжения 9; и на его выходе формируется цифровая последовательность нулей и единиц, причем при совпадении знаков сигналов, пропорциональных току и напряжению, на выходе блока 12 формируется логическая единица, а в остальных случаях - логический ноль. Таким образом, логическая единица соответствует той части периода, в течение которого нагрузка 2 отбирает из энергосистемы активную мощность. Далее, сигнал с выхода блока 12, поступает на один из входов блока 15 формирования модулирующего сигнала, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой 2, от соответствующей фазы, в данном случае от фазы «А». Таким образом, в те моменты, в течение которых логический ноль, поступающий с выхода блока 12, совпадает на входе блока 15, с положительной полуволной отбираемого нагрузкой 2 тока, на выходе блока 15 формируются модулирующие импульсы напряжения, пропорциональные реактивной составляющей тока, отбираемого нагрузкой 2, и синфазные по отношению к ней. Далее, сформированные для каждой из фаз, описанным способом, модулирующие сигналы управления ШИМ-выпрямителем, пропорциональные реактивной составляющей тока гармоники основной частоты поступают на первую группу сигнальных входов n-фазного блока смесителей 19, и затем на соответствующие управляющие входы полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3. При этом вторая группа сигнальных входов блока смесителей 19, соответствующих активной составляющей гармоники тока основной частоты, блокируется посредством сигнала, с выхода блока 18. Сигнал блокировки формируется в результате соответствия уровня напряжения в емкостном накопителе 4, заданному значению, что свидетельствует о достаточности величины мощности реактивной составляющей гармоники основной частоты, пофазно извлекаемой из энергосистемы 1, для пофазного формирования эквивалентных компенсирующих токов. При этом сигнал с выхода блока 18 блокирует n-фазный (для рассматриваемого случая - трехфазный) блок формирования активной составляющей сигнала управления 24, и на его выходах сигналы отсутствуют. В течение времени действия импульсов напряжения, сформированных блоком 15, на управляющих входах полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3 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 3 осуществляется извлечение реактивной составляющей тока, отбираемого активно-реактивной нагрузкой 2, в форме, способствующей ее накоплению. Далее, в соответствии с заявленным способом, извлеченная описанным способом, энергия реактивного тока основной частоты накапливается в виде энергии постоянного тока в емкостном накопителе 4 и далее используется для питания n-фазного (по числу фаз энергосистемы) дополнительного источника мощности 5, в качестве которого используется ШИМ-инвертор, посредством которого, описанным выше способом, формируют и генерируют в энергосистему эквивалентный компенсирующий ток, включающий токи группы высших гармонических составляющих, эквивалентных токам высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить. Формирование компенсирующего тока, как уже было показано выше, осуществляют для всех фаз энергосистемы аналогичным образом посредством формируемого индивидуально, для каждой из них, модулирующего сигнала, управляющего соответствующей фазой упомянутого n-фазного ШИМ-инвертора.
В том случае если извлекаемой реактивной составляющей мощности недостаточно для формирования эквивалентных компенсирующих токов, то величина напряжения в емкостном накопителе 4, контролируемого посредством датчика напряжения 18, становится ниже заранее заданного значения. Таким образом, в случае если напряжение в емкостном накопителе 4 становится ниже заранее заданного значения, посредством датчика напряжения 18, на одной из групп управляющих входов блока 24, формируется напряжение, разрешающее его работу в принципе. Блок 24 может быть сформирован из группы усилителей (по одному на фазу) с возможностью управления их коэффициентами усиления по одной группе управляющих входов и с возможностью их блокировки по другой группе управляющих входов. При этом на другой группе управляющих входов блока 24 присутствуют напряжения, поступающие с выхода n-фазного (по числу фаз энергосистемы) блока емкостных накопителей 20, и сформированные посредством n-фазного (по числу фаз энергосистемы) блока выпрямителей 27, пропорциональные мощностям групп компенсируемых высших гармоник, оставшимся в каждой из фаз энергосистемы, после их компенсации, посредством эквивалентных компенсирующих токов, сформированных за счет энергии реактивной составляющей токов основной частоты. Мощность оставшихся в каждой из фаз упомянутых высших гармоник очевидно равна разности: суммарной мощности группы компенсируемых высших гармоник и мощности реактивной составляющей гармоники тока основной частоты (или мощности эквивалентных токов компенсации, сформированных за счет упомянутых реактивных составляющих). При этом в связи с тем что управляющие блоком 24 напряжения, сформированные для каждой из фаз, посредством n-фазного блока задания групп компенсируемых гармоник 25, выделяющего из тока, пофазно отбираемого нагрузкой 2, спектр компенсируемых гармоник, и, следовательно, определяющего в каждой из фаз их остаточный уровень, - пропорциональны упомянутой разности, то формируемые коэффициенты усиления для сигналов, пропорциональных активным токам гармоник основной частоты соответствующих фаз, поступающих на информационные входы блока 24, с выходов блоков 21, 22 и 23, - также пропорциональны разности суммарной мощности группы компенсируемых высших гармоник и мощности реактивной составляющей гармоники тока основной частоты, для соответствующей питающей фазы. Таким образом, в случае если на выходе блока 18 присутствует сигнал разрешения работы блока 24, поступающий на одну из групп управляющих его работой входов, и на другую группу его управляющих входов поступают сигналы, пропорциональные разности суммарной мощности группы компенсируемых высших гармоник и мощности реактивной составляющей гармоники тока основной частоты, для соответствующей питающей фазы, на выходе блока 24, присутствуют сигналы тока гармоники основной частоты, доля которых равны упомянутой разности мощностей. Сформированные таким образом в блоке 24 сигналы поступают в смеситель 19, где смешиваются с сигналами соответствующей фазы, пропорциональными реактивной составляющей тока гармоники основной частоты. Таким образом, посредством блока 19 формируется огибающая модулирующего сигнала управления n-фазного полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, посредством которого из каждой фазы энергосистемы извлекается реактивная и активная составляющие тока гармоники основной частоты, за счет энергии которых формируются эквивалентные компенсирующие токи, включающие токи группы высших гармонических составляющих, эквивалентных токам высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить, и находящиеся по отношению к ним в противофазе, для случая, если извлекаемой из энергосистемы, самостоятельно, реактивной составляющей энергии гармоники тока основной частоты не хватает для формирования упомянутых компенсирующих токов.
Таким образом, в результате последовательности действий, осуществляемых в соответствии с заявленным способом, повышения эффективности использования электроэнергии добиваются повышением эффективности процесса компенсации высших гармонических составляющих (за счет компенсации высших гармонических составляющих в спектре тока, отбираемого нелинейной нагрузкой); снижением непроизводительных потерь электроэнергии, вызванных реактивными токами основной и высших гармоник; использованием для осуществления процесса компенсации высших гармонических составляющих тока, реактивной энергии гармоники основной частоты. При этом указанной цели достигают тем, что согласно предложенному способу эквивалентный компенсирующий ток, включающий токи группы высших гармонических составляющих, эквивалентных токам высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить, для каждой из фаз n-фаз системы энергоснабжения, формируют либо за счет за счет извлекаемой самостоятельно реактивной составляющей мощности, отбираемой нелинейной нагрузкой, либо за счет извлекаемых совместно реактивной и доли активной составляющих. При этом последние извлекают посредством n-фазного полностью управляемого ШИМ-выпрямителя, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, которую после преобразования в энергию постоянного тока используют для формирования упомянутого эквивалентного компенсирующего тока.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.С. СССР №1823072, Бюл. №23, 23.06.1993, Кл. Н02J 3/18, 3/26, 1993.
2. Патент РФ №2237334, опубликовано: 2004.05.20.