СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В МНОГОФАЗНОЙ СИСТЕМЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПРИ СИММЕТРИРОВАНИИ ПО ОДНОЙ ИЗ ФАЗ
METHOD FOR IMPROVEMENT OF QUALITY OF ELECTRIC ENERGY OF MULTIPHASE SYSTEM IN BALANCING BY ONE OF PHASES

Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения качества электроэнергии в многофазных сетях энергоснабжения путем устранения в последних высших гармонических составляющих и осуществления симметрирования токов многофазных и однофазных несимметричных нагрузок.
Известен способ (1) повышения качества электрической энергии, 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 напряжение с частотой, равной частоте первой гармоники сети, и возвращают переменное напряжение в электрическую сеть. Указанный известный способ, принятый в качестве аналога, обладает следующими существенными недостатками.
1. В известном способе для уменьшения гармоник напряжения и снижения напряжения асимметрии используется комбинация напряжений первой и высших гармоник, хотя достоверно известно, что именно токи нелинейных нагрузок в основном определяют гармонический состав и процентное содержание гармоник в питающем напряжении, и, кроме того, «процентное содержание гармоник тока», определяемое нелинейной нагрузкой, «не повторяет процентного содержания гармоник напряжения» (3). Из этого ясно, что о выделении высших гармоник, в известном смысле, речь идти не может. Таким образом, существенного уменьшения амплитуд гармоник в фазах системы при использовании способа-аналога не произойдет.
2. При реализации известного способа-прототипа осуществляется фильтрация напряжений гармоник только определенных частот.
Известен способ (2) повышения качества электрической энергии, в котором при использовании энергии электрической сети осуществляют выделение первой и высшей гармоник и в котором с целью обеспечения компенсации высших гармонических составляющих электроэнергии генерирует в сеть высшие гармонические составляющие тока, действующие в противофазе с высшими гармониками основной сети.
Известный способ-прототип обладает следующими недостатками. Если учесть тот факт, что согласно п.2 ст.1375 «Кодекса» формула изобретения полностью основывается на его описании, необходимо отметить следующее. Основываясь на описании к упомянутому изобретению можно сделать следующие выводы.
1. Для выделения из кривой тока в трехфазной сети высших гармоник используется только одна «любая фаза», и далее по тексту описания «ввиду симметрии высших гармоник во всех фазах». Таким образом, в случае несимметричной трехфазной нагрузки или в случае загрузки трехфазной цепи несимметричными однофазными нагрузками, способ-прототип использоваться не может. Это связано с тем, что при несимметричной нагрузке несинусоидальные токи всех трех фаз отличны друг от друга как по амплитуде, так и по фазе. Таким образом, чтобы компенсировать высшие гармоники в сетях с такими свойствами, их необходимо компенсировать в каждой из несимметрично нагруженных фаз, что, в свою очередь, возможно только в случае использования для формирования токов компенсации датчики тока во всех трех фазах. Если этого не сделать, то генерация «компенсирующих» токов высших гармоник в фазы, в которых отсутствуют датчики тока (трансформаторы тока), будет осуществляться вслепую, со всеми вытекающими последствиями, т.е. «управление начальной фазой и уровнем высших гармоник.....» уже не «будет осуществляться по принципу обратной связи», как пишут авторы. Таким образом, главным недостатком способа-прототипа является его неуниверсальность в отношении многофазных систем, нагруженных несимметричными нагрузками.
2. Кроме того, при осуществлении генерации высших гармоник вслепую посредством «управляемого тиристорного преобразователя» увеличивается несимметрия системы и ухудшается ее коэффициент мощности за счет перекомпенсации.
Задача, решаемая изобретением, - повышение качества электрической энергии в многофазной системе энергоснабжения путем повышения в ней эффективности компенсации высших гармонических составляющих и осуществления ее симметрирования, а также путем расширения области применения способа, используемого для целей компенсации высших гармоник.
Это достигается тем, что в основной n-фазной сети процесс компенсации высших гармонических составляющих ставят в зависимость от характеристик последних в каждой из фаз и осуществляют совместно с симметрированием токов в упомянутых фазах. При этом в соответствии с заявленным способом последовательно в каждой из n-фаз основной n-фазной сети выделяют сигнал, спектр которого составляют первая и высшие гармоники тока нагрузки, разделяют полученный сигнал на два, первый из которых содержит сигнал, пропорциональный току первой (основной) гармоники, второй содержит все высшие гармоники основной частоты, подлежащие компенсации, затем из n-фаз основной n-фазной сети выбирают любую, определяют ее в качестве опорной фазы и с помощью дополнительного n-фазного источника мощности симметрируют несимметричную n-фазную нагрузку основной n-фазной сети относительно тока основной гармоники опорной фазы посредством сигнала, пропорционального току первой (основной) гармоники, и при этом с помощью упомянутого дополнительного источника мощности в зависимости от уровней и фазовых углов высших гармоник в каждой из фаз основной сети генерируют в последние сигналы, спектры которых аналогичны спектрам сигналов соответствующих фаз основной n-фазной сети, содержащих высшие гармоники, подлежащие компенсации, при этом величины каждой из соответствующих высших гармоник в упомянутых спектрах равны, а фазовые углы между ними составляют 180 эл. градусов.
На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявляемого способа. На схеме введены следующие обозначения.
1 - опорная фаза
2 - несимметричная нагрузка
3 - датчик формы тока опорной фазы
4, 5 - датчики формы тока симметрируемых фаз
6 - первый фазосдвигающий блок
7 - второй фазосдвигающий блок
8 - блок формирования разностных сигналов
9 - дополнительный источник мощности
10 - блок разделения сигналов
11 - третий фазосдвигающий блок
12 - сумматор
Пример осуществления способа рассмотрен относительно трехфазной системы. Предварительно, произвольно, в качестве опорной фазы выбирают фазу «А». Сигналы, пропорциональные несинусоидальным токам фаз, поступают в блок разделения сигналов 10, в котором из них выделяются две группы сигналов. В первую группу входят три сигнала, пропорциональные токам основных гармоник питающих фаз. Вторая группа содержит три сигнала, каждый из которых содержит спектр высших гармоник соответствующей фазы, подлежащих компенсации. В блоке 10 могут быть использованы селективные и полосовые фильтры. С первой группы выходов блока 10 первая группа сигналов поступает на датчик 3 формы опорной фазы и датчики 4 и 5 формы токов симметрируемых фаз. Одновременно со второй группы выходов блока 10 вторая группа сигналов поступает на вход третьего фазосдвигающего блока 11, в котором каждый из трех сигналов инвертируется по фазе. С выхода блока 11 сигналы, пропорциональные токам соответствующих фаз трехфазной системы, содержащие спектры высших гармоник, подлежащих компенсации, и сдвинутые по отношению к ним на 180 эл. градусов, поступают на первую группу входов сумматора 12. Далее, с выхода датчика формы тока опорной фазы 3 сигнал, пропорциональный сигналу тока опорной фазы, поступает в первый фазосдвигающий блок 6. В общем случае данный блок состоит из (n-1) фазосдвигающих цепочек, в каждой из которых сигнал, пропорциональный сигналу тока опорной фазы, сдвигается соответственно на угол , где m - порядковый номер фазы при прямой последовательности чередования фаз, n - количество фаз в системе. Для данного случая, при количестве фаз, равном трем, таких фазосдвигающих цепочек две: одной из цепочек упомянутый сигнал сдвигается соответственно на 120, другой - на 240 эл. градусов, в зависимости от номера фазы, для симметрирования которой он будет использован. С выхода блока 6 сигналы, пропорциональные току опорной фазы и сдвинутые на 120 и 240 эл. градусов соответственно, поступают на первую группу входов блока формирования разностных сигналов 8, на вторую группу входов которого поступают сигналы, пропорциональные форме токов нагрузок симметрируемых фаз, сформированные в датчиках формы тока симметрируемых фаз 4 и 5, и проинвертируемые на 180 эл. градусов во втором фазосдвигающем блоке 7. В блоке формирования разностных сигналов 8 сигналы, поступающие к первой и второй группам входов последнего, попарно сравниваются: опорный сигнал тока, сдвинутый на 120 эл. градусов, сравнивается с проинвертируемым на 180 эл. градусов сигналом, пропорциональным форме тока нагрузки фазы «В», а опорный сигнал тока, сдвинутый на 240 эл. градусов, сравнивается с проинвертируемым на 180 эл. градусов сигналом, пропорциональным форме тока нагрузки фазы «С». Таким образом, на выходе блока 8 формируются сигналы, пропорциональные векторной разности сигнала опорной фазы и сигналов нагрузки симметрируемых фаз. Данные две пары векторных разностей токов и являются сформированными сигналами симметрируемых фаз, геометрическая сумма которых и токов нагрузки каждой из соответствующих фаз и дает токи, пропорциональные току опорной фазы, а фазовый угол, образованный упомянутой геометрической суммой токов и током опорной фазы, составляет 120 эл. градусов. Таким образом, мы получаем полностью симметричную систему сформированных сигналов токов, пропорциональных токам симметрируемой трехфазной системы относительно тока фазы «А». С выхода блока 8 сформированные сигналы поступают на вторую группу входов сумматора 12. В общем случае, в блоке 12 происходит пофазное суммирование соответствующих пар сигналов, поступающих на его входы и относящихся к соответствующим фазам, - сигналов, пропорциональных токам основных гармоник соответствующих питающих фаз, и сигналов, содержащих спектр высших гармоник соответствующей фазы, подлежащих компенсации. При этом отсутствие одного из сигналов в соответствующей паре равносильно его равенству нулю. Таким образом, на выходе блока 12 формируются три сигнала управления дополнительным источником мощности 9: сигнал, соответствующий фазе «А», содержит только высшие гармонические составляющие, подлежащие компенсации и проинвертированные по фазе; сигналы, соответствующие фазам «В» и «С», содержат смесь сигналов, пропорциональных векторной разности сигнала опорной фазы и сигналов нагрузки симметрируемых фаз «В» и «С», и сигналов компенсации высших гармоник соответствующих фаз. С выхода блока 12 сформированные таким образом сигналы управления поступают на цепи управления токами соответствующих фаз дополнительного источника мощности 9, посредством которого подаются в симметрируемые фазы. В качестве дополнительного источника мощности может быть использована, например, система с двойным преобразованием энергии, включающая ШИМ-выпрямитель, ШИМ-инвертор и содержащая промежуточное звено постоянного тока.
Таким образом, в результате последовательности действий, произведенных в соответствии с заявленным способом, в основной n-фазной сети посредством дополнительного источника мощности осуществляется компенсация высших гармоник во всех ее фазах и одновременно осуществляется симметрирование токов последних относительно любой заранее выбранной фазы, принятой в качестве опорной. При этом повышения качества электрической энергии в многофазной системе энергоснабжения добиваются путем повышения эффективности компенсации в ней высших гармонических составляющих и осуществлением ее симметрирования, а также путем расширения области применения способа, используемого для целей компенсации высших гармоник.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2237334, опубликовано 2004.05.20.
2. Патент РФ №2294044, опубликовано 2007.02.20.
3. К.Г.Марквардт. Энергоснабжение электрических железных дорог. М.: Транспорт, 1965.