Способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии (вариант 7)

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение качества и эффективности использования электроэнергии посредством снижения в потоке мощности энергосистемы непроизводительных потерь. Согласно способу из потока мощности, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой, посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя извлекают энергию реактивных составляющих токов: основной частоты и группы высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей суммарного извлекаемого реактивного тока, и, после преобразования, посредством управляемого источника мощности, в качестве которого предлагается использовать ШИМ-инвертор, питание которого осуществляют за счет извлекаемой реактивной энергии, возвращают в энергосистему в виде активной энергии посредством гармоники тока основной частоты. 1 ил.

 

Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения качества и эффективности использования электроэнергии.

Известен способ компенсации реактивной мощности (1), принятый в качестве аналога, при осуществлении которого индуктивная составляющая тока, генерируемая нелинейной нагрузкой, компенсируется емкостным током батарей конденсаторов (БК). Известный способ-аналог обладает недостатками, главными из которых являются зависимость реактивной мощности, генерируемой БК, от напряжения и их чувствительность к искажениям формы питающего напряжения. При этом имеет место малый срок службы БК и их недостаточная электрическая прочность.

Известен способ (2), принятый в качестве прототипа, при осуществлении которого из потока мощности, отбираемого неактивной нагрузкой, извлекают часть энергии, обуславливающую ее непроизводительные потери, и после преобразования в гармонику основной частоты возвращают в энергосистему. В известном способе 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. При этом 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-прототипа, не произойдет. Кроме этого в способе-прототипе не предусмотрена компенсация реактивной «мощности», и, таким образом, имеют место непроизводительные потери энергии, обусловленные реактивными токами.

Задача, решаемая изобретением, - повышение качества и эффективности использования электроэнергии.

Это достигается тем, что согласно предложенному способу из потока мощности, отбираемого нелинейной активно-индуктивной нагрузкой, его реактивную составляющую, определяемую индуктивной составляющей гармоники основной частоты, и суммарную реактивную 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, извлекаемой реактивной составляющей тока, и, после ее преобразования, возвращают в энергосистему в виде активной энергии посредством тока основной частоты.

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 - управляемый преобразователь мощности;

5 - фильтр гармоники тока основной частоты;

6 - блок формирования логического сигнала;

7 - блок формирования модулирующего сигнала;

8 - нелинейная нагрузка;

9 - датчик напряжения;

10 - выпрямитель;

11 - управляемый масштабный усилитель;

12 - блок управления;

13 - датчик тока;

14 - емкостный накопитель;

15 - датчик питающего напряжения.

Суть способа заключается в следующем. Как известно, в энергосети при питании от нее нелинейных активно-индуктивных нагрузок имеют место следующие факты: форма тока искажается за счет появления в нем 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 магнитном поле реактивной нагрузки, возвращается назад в источник в виде реактивной составляющей тока. Протекание реактивного тока обеспечивается ЭДС самоиндукции. При этом знаки питающего напряжения и ЭДС самоиндукции, как известно, противоположны. Реактивными являются также токи высших гармоник. Отрицательный эффект, связанный с реактивными токами, как известно, заключается в дополнительных непроизводительных потерях энергии в энергосистеме.

В заявленном способе задача повышения качества и эффективности использования электроэнергии решается путем снижения ее непроизводительных потерь. При этом предлагается из потока мощности, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой, извлекать индуктивную составляющую тока гармоники основной частоты и реактивные токи высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить, и, после преобразования, возвращать в энергосистему в виде активной энергии посредством тока основной частоты. Задача извлечения упомянутых реактивных составляющих решается применением полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, построенного на IGBT-модулях. Протекание реактивных токов в каждом из плеч полностью управляемого транзисторного выпрямителя обеспечивается, в каждый полупериод питающего напряжения, действием ЭДС самоиндукции. При этом транзисторы каждого из плеч управляемого моста открываются под воздействием ЭДС самоиндукции, на время, в течение которого в энергосистеме протекают реактивные составляющие токов гармоник: основной частоты и высших составляющих. Управление транзисторами осуществляют посредством модулирующего сигнала с заданными характеристиками. Использование IGBT-транзисторов при выпрямлении тока позволяет использовать их управляющие свойства относительно токов. При этом осуществляется избирательное выпрямление только тех составляющей тока, которые задаются сигналом управления. На выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых эквивалентна извлекаемой из энергосистемы энергии реактивной составляющей токов: основной и высших гармоник; а длительность которых изменяется по закону изменения ее огибающей. Далее, извлеченная энергия накапливается в емкостном накопителе и после преобразования посредством дополнительного источника мощности, в качестве которого предлагается использовать ШИМ-инвертор, возвращается в энергосистему в виде активной энергии посредством тока основной частоты. При этом контур, в котором замыкается реактивная энергия тока основной частоты и высших гармоник, генерируемая нагрузкой, ограничивается точкой подсоединения устройства, обеспечивающего ее извлечение. Таким образом, энергосистема разгружается от индуктивной составляющей тока.

Способ осуществляется следующим образом. Нелинейная активно-индуктивная нагрузка 8 отбирает из энергосистемы вместе активной индуктивную составляющую энергии и генерирует высшие гармонические составляющие. При этом энергосистема загружается реактивными токами гармоники основной частоты и высших гармоник, обуславливающими непроизводительные потери мощности. Посредством датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 15 формируют пропорциональные им сигналы. При этом на выходе датчика тока 2 сигнал, пропорциональный несинусоидальному току, отбираемому нагрузкой 8, отстает от напряжения на ее зажимах на некоторый угол, определяющий коэффициент мощности в энергосистеме, относительно гармоники основной частоты. В блоке формирования логического сигнала 6 сравниваются знаки поступающих на его входы с выходов датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 15 сигналов, и на его выходе формируется цифровая последовательность нулей и единиц, причем при совпадении знаков сигналов, пропорциональных току и напряжению, на выходе блока 6 формируется логическая единица, а в остальных случаях - логический ноль. Таким образом, логическая единица соответствует той части периода, в течение которого нагрузка 8 отбирает из энергосистемы активную мощность. Далее, сигнал с выхода блока 6 поступает на один из входов блока формирования модулирующего сигнала 7, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой 8. Таким образом, в те моменты, в течение которых логический ноль, поступающий с выхода блока 6, совпадает на входе блока 7 с положительной полуволной отбираемого нагрузкой 8 тока, на выходе блока 7 формируются модулирующие импульсы напряжения, пропорциональные индуктивной составляющей тока, отбираемого нагрузкой 8, и синфазные по отношению к ней. В течение времени действия импульсов напряжения, сформированных блоком 7, на управляющих входах полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, питание последнего осуществляется за счет ЭДС самоиндукции. Таким образом, посредством управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3 осуществляется извлечение индуктивной составляющей тока, включающей реактивные токи гармоники основной частоты и высших гармоник, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой 8, в форме, способствующей ее накоплению. При этом на его выходе формируется последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, которая посредством емкостного накопителя 14 поступает на вход управляемого преобразователя мощности 4, в качестве которого используется ШИМ-инвертор. В емкостном накопителе последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, энергия которых эквивалентна извлекаемому из энергосистемы реактивному току, включающему индуктивную составляющую тока гармоники основной частоты и реактивные составляющие токов высших гармоник, отбираемому активно-индуктивной нагрузкой, а их длительность изменяется по закону изменения огибающей упомянутой реактивной составляющей тока, накапливается в виде энергии постоянного тока. Полученное таким образом напряжение используется для питания управляемого преобразователя мощности 4, посредством которого накопленная энергия преобразуется в энергию гармоники основной частоты и возвращается в энергосистему. При этом управление блоком 4 осуществляют сигналом, сформированным посредством питающего напряжения, задающим фазу (равную нулю по отношению к питающему напряжению) возвращаемого в энергосистему тока. Очевидно, что мощность, затрачиваемая на формирование тока основной частоты, должна быть больше суммарной реактивной мощности гармоники основной частоты и высших гармоник, извлекаемых из энергосистемы, и, соответственно, накопленной в емкостном накопителе 14 на величину потерь, имеющих место при преобразовании энергии. В связи с этим величина сигнала, управляющего ШИМ-инвертором, должна обеспечивать это соответствие, в противном случае поток мощности в цепи «ШИМ-инвертор - ШИМ-выпрямитель - система энергоснабжения» не будет непрерывным. Величина сигнала, обеспечивающего соответствие упомянутых мощностей, формируется следующим образом. Посредством датчика напряжения 9 формируют сигнал, заранее задаваясь его минимальным значением, пропорциональный извлекаемой из энергосистемы суммарной реактивной мощности высших гармоник и реактивной мощности гармоники основной частоты, поступающий на один из входов блока управления 12, на второй вход которого поступает сигнал, сформированный цепочкой, состоящей из датчика тока 13 и выпрямителя 10, посредством сигнала гармоники основной частоты и пропорциональный мощности, возвращаемой в энергосистему, с помощью управляемого преобразователя мощности 4. При этом в блоке управления 12 упомянутые сигналы сравниваются по величине и их разница преобразуется в пропорциональный ей сигнал, который поступает на управляющий вход управляемого масштабного усилителя 11, коэффициент усиления которого выбирают из расчета на упомянутые потери мощности, и который управляет сигналом, сформированным описанным выше способом, из питающего нагрузку поступающего на его сигнальный вход напряжения. Таким образом, величина сигнала, управляющего работой ШИМ-инвертора, и следовательно, управляющая величиной мощности, возвращаемой в энергосистему, формируется пропорционально соотношению мощностей: извлекаемой из энергосистемы суммарной реактивной мощности высших гармоник и реактивной мощности гармоники основной частоты, и мощности, возвращаемой в энергосистему. При этом величина тока, генерируемого в энергосистему, увеличивается до тех пор, пока напряжение в емкостном накопителе 14 не достигнет минимальной величины. Таким образом, снижение напряжения в емкостном накопителе 14 до минимального уровня отражает тот факт, что практически вся извлекаемая из энергосистемы реактивная мощность преобразуется в энергию гармоники основной частоты.

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 модулируемого управляющего сигнала, является оптимальным. При этом полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель позволяет произвольно, в зависимости от поставленной задачи, формировать огибающую выпрямленного тока, потребляемого из питающей сети. Помехи от работы полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя могут быть отфильтрованы посредством стандартных решений при минимальных энерго- и материальных затратах. Необходимо отметить также следующий факт. Одним из преимуществ извлечения тока заданной частоты посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя является простота его перестройки при изменении текущего коэффициента мощности в энергосистеме. Для этого достаточно изменить модулирующий сигнал управления.

Таким образом, в результате последовательности действий, воспроизведенных в соответствии с заявленным способом повышения качества и эффективности использования электроэнергии, из энергосистемы извлекается и утилизируется индуктивная составляющая тока основной частоты и реактивная энергия высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить в потоке мощности, отбираемом нелинейной активно-индуктивной нагрузкой.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Рекус Г.Г. Электрооборудование производств: Справ, пособие [Текст] / Рекус Г.Г. М.: Высш. шк., 2007, с.334.

2. Патент РФ №2237334, опубликовано: 2004.05.20.

Способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии, при котором из потока мощности, отбираемого неактивной нелинейной нагрузкой, извлекают часть энергии, обуславливающую ее непроизводительные потери, и после преобразования в гармонику основной частоты генерируют в энергосистему, отличающийся тем, что генерируемый в энергосистему ток основной частоты формируют как активный за счет извлекаемой из энергосистемы энергии реактивных составляющих токов основной частоты и группы высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей извлекаемого из энергосистемы суммарного реактивного тока, посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, управляемого модулирующим сигналом, который предварительно формируют по результату сравнения знаков двух составляющих - аналоговой, пропорциональной извлекаемой реактивной составляющей тока, и составляющей, которую в случае равенства знаков сравниваемых напряжений: питающего нагрузку и пропорционального упомянутой аналоговой составляющей - формируют в виде логического сигнала, при этом в случае, если знаки составляющих противоположны, упомянутый модулирующий сигнал формируют и посредством его в каждый полупериод питающего нагрузку напряжения осуществляют извлечение упомянутого реактивного тока, при этом генерируемый в энергосистему активный ток основной частоты формируют посредством дополнительного управляемого источника мощности, питание которого осуществляют за счет извлеченной реактивной составляющей энергии, а управление которым осуществляют посредством модулирующего сигнала, сформированного из напряжения, питающего упомянутую нелинейную нагрузку, величину которого предварительно формируют пропорционально геометрической разности сигналов, пропорциональных составляющим мощностей: извлекаемой из энергосистемы реактивной составляющей и генерируемой в энергосистему активной составляющей тока основной частоты.