Способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии (вариант 7)


 


Владельцы патента RU 2442260:

Устименко Игорь Владимирович (RU)

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для повышения качества и эффективности использования электроэнергии в n-фазных системах энергоснабжения.

Изобретение относится к электротехнике

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для повышения эффективности передачи электрической энергии путем снижения высших гармоник тока в трехфазных четырехпроводных электрических сетях

Изобретение относится к электроэнергетике и к электротехнике и может быть использовано для повышения качества электрической энергии в энергетических или автономных системах электроснабжения при наличии как симметричной, так и несимметричной нагрузок

Изобретение относится к области электротехники, а именно к повышению качества тока в электропитающих сетях

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в высокочастотных энергосистемах. Техническим результатом является улучшение массогабаритных показателей, уменьшение затрат и расширение области применения. Система для уменьшения резонанса, возникающего вследствие нелинейных гармонических искажений в высоковольтной энергосистеме, содержит гаситель скачков напряжения, подсоединенный к указанной высоковольтной энергосистеме между кабелем и цепью заземления и выполненный с возможностью предотвращения скачков напряжения. Система содержит преобразователь частоты, включенный параллельно с указанным гасителем скачков напряжения и выполненный с возможностью сдвига резонансной частоты высоковольтной энергосистемы. 5 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области электротехники, к устройствам подавления и компенсации высших гармоник в электрических сетях и может быть использовано в мощных регулируемых электроприводах переменного тока с двухзвенными преобразователями частоты, в которых входной диодный выпрямитель является нелинейной нагрузкой. Устройство компенсации содержит инвертор, повышающий трансформатор, датчик постоянного тока преобразователя частоты, датчик постоянного тока устройства компенсации, датчик переменного тока преобразователя частоты, датчик переменного тока устройства компенсации, датчик напряжения сети, блок вычисления среднего значения постоянного тока устройства компенсации, блок вычисления среднего значения постоянного тока преобразователя частоты, блок расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты, ПИ-регулятор, сумматор, блок расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети, блок умножения, блок вычитания, блок релейных регуляторов. Технический результат - повышение надежности. Устройство позволяет совместить звено постоянного тока преобразователя частоты и звено постоянного тока активного фильтра высших гармоник. 2 ил.

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение возможности прогнозирования распределения гармонических составляющих тока и напряжения по неразветвленным участкам шестипроводных линий электропередачи. Согласно способу исследуемую неразветвленную часть шестипроводной линии электропередачи разбивают на однородные участки, определяют спектральные составы напряжения и тока в какой-либо точке исследуемого участка, а также определяют место нахождения источников каждой гармонической составляющей электрической энергии. 1 ил.
Наверх