Способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии (вариант 9)


 


Владельцы патента RU 2447562:

Устименко Игорь Владимирович (RU)

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение эффективности использования и снижение непроизводительных потерь электроэнергии при осуществлении процесса регулируемой компенсации высших гармоник. Способ заключается в том, что компенсацию группы высших гармонических составляющих осуществляют за счет реактивной составляющей энергии гармоники основной частоты, извлекаемой из энергосистемы посредством транзисторного ШИМ-выпрямителя, в виде энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых формируют по закону изменения модулирующего сигнала, огибающую которого формируют пропорционально огибающей упомянутой реактивной составляющей. При этом в качестве дополнительного регулируемого источника мощности используют ШИМ-инвертор. 1 ил.

 

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.

Способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии, при осуществлении которого группу высших гармонических составляющих в потоке мощности энергосистемы уменьшают посредством их регулируемой компенсации, отличающийся тем, что процесс регулируемой компенсации группы высших гармонических составляющих осуществляют за счет энергии реактивной составляющей гармоники основной частоты, которую извлекают в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей упомянутой реактивной составляющей, посредством пропорционального ей модулирующего сигнала, управляющего ШИМ-выпрямителем транзисторного типа и после преобразования в энергию постоянного тока используют для питания дополнительного регулируемого источника мощности, посредством которого формируют компенсирующие токи, эквивалентные токам упомянутой группы высших гармонических составляющих и противоположные им по фазе, причем управление упомянутым дополнительным регулируемым источником мощности осуществляют посредством модулирующего сигнала, огибающую которого формируют пропорционально сигналу, являющегося геометрической суммой всех гармонических составляющих, подлежащих компенсации в спектре тока, отбираемого нелинейной нагрузкой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике. .

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

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.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - уменьшение потерь энергии, обусловленных постоянным подключением к сети резонансных фильтров-подавителей, гармоники которых в данный момент отсутствуют. Устройство фильтрации гармоник сетевого напряжения содержит включенный в сеть последовательно с нагрузкой, датчик тока (резистор), измерительный трансформатор, напряжение на первичной обмотке которого создается датчиком тока, а вторичная обмотка подключена ко входу анализатора гармоник с числом выходов, равным числу гармоник, подлежащих подавлению, компараторы, устройство, задающее пороговый уровень (УЗПУ), коммутаторы фильтров, LC фильтры-подавители. Управляющие входы коммутаторов соединены с выходами компараторов уровней отдельных гармоник. 1 ил.

Использование: в области электротехники и электроэнергетики. Технический результат - снижение коэффициента несинусоидальности напряжения сети и уменьшение влияния высших гармоник тока при наличии переменной нелинейной нагрузки. Способ заключается в том, что при возникновении высших гармоник со стороны нелинейной нагрузки исследуемого предприятия на выходе понижающего трансформатора устанавливают емкостное сопротивление, параметры которого выбирают из условия снижения несинусоидальности напряжения на нагрузке. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при передаче электрической энергии потребителю с помощью неизолированной несимметричной линии электропередачи трехпроводного исполнения. Технический результат - согласование несимметричной трехфазной трехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой на частотах различных гармоник - достигается в результате выполнения определенных условий, заключающихся в сопоставлении действительного и эталонного сопротивлений нагрузки, напряжений в конце линии или токов на частотах гармонических составляющих, поступающих в нагрузку. При этом реализация согласования на частоте одной гармоники приведет к изменению спектра гармонических составляющих токов и напряжений, а значит, согласование должно быть реализовано поэтапно, где поочередно будет происходить согласование на частоте каждой явно выраженной гармоники. Исходные данные о напряжениях и токах в линии могут быть получены через устройства сопряжения или датчики, выполненные в виде трансформаторов напряжения и тока или в виде делителей напряжения и шунтов переменного тока, анализаторов спектра и т.д. В результате обработки исходных данных в процессоре формируются управляющие сигналы для корректирующих органов, в качестве которых могут быть использованы устройства РПН силовых трансформаторов, регулировочные автотрансформаторы, автоматизированные технологические комплексы, накопители электроэнергии, источники активной мощности, такие как маломощные гидроэлектростанции или электростанции других типов, синхронные компенсаторы, фильтры высших гармонических составляющих токов и напряжений различных модификаций. 5 ил.

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока, в частности к системе автоматизации устройств фильтрации высших гармоник тока и напряжения и компенсации реактивной мощности тяговой нагрузки (ФКУ). В ФКУ содержатся фильтры на 150 и 250 Гц, а также полосовой фильтр с резистором для фильтрации гармоник 350 Гц и выше. Технический результат - снижение потерь мощности в ФКУ. Для снижения потерь мощности в ФКУ предлагается ввести контактор для отключения резистора полосового фильтра при малых значениях напряжения высших гармоник. 1 ил.
Наверх