Способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии (вариант 1)


 


Владельцы патента RU 2459336:

Устименко Игорь Владимирович (RU)

Использование: в области электротехники. Технический результат - снижение в питающей энергосистеме уровней высших гармонических составляющих и повышение эффективности использования электроэнергии. Уровень упомянутой высшей гармоники в потоке мощности, отбираемом нелинейной нагрузкой, снижают посредством извлечения ее энергии в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, которым управляют модулирующим сигналом, пропорциональным току упомянутой высшей гармоники. Утилизируют извлеченную энергию высшей гармоники посредством ее использования для питания нагрузки постоянного тока и накопления в виде энергии постоянного тока. 1 ил.

 

Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения качества, эффективности использования и снижения непроизводительных потерь электроэнергии в основном потоке мощности энергосистемы, а также повышения экономичности за счет снижения ресурсоемкости при осуществлении перечисленных процессов.

Известен способ (1) повышения качества электроэнергии, 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 с частотой, равной частоте основной гармоники сети, и возвращают переменное напряжение в электрическую сеть». Известный способ, принятый в качестве аналога, обладает рядом недостатков, главные из которых заключаются в следующем. В известном способе для повышения качества электроэнергии 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. 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 также заключается в «снижении» уровней напряжений гармоник строго определенных частот. Кроме этого при осуществлении способа-аналога используется силовой трансформатор, что вызывает дополнительные непроизводительные потери мощности.

Известен способ (2) повышения качества электроэнергии, принятый в качестве прототипа, 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-прототип 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 связи с использованием в способе-прототипе для выделения высших гармоник комбинации напряжений - питающего и опорного, и факта трансформации высших гармоник напряжения, без «специальных» средств их обработки, способ-прототип обладает теми же недостатками, что и способ-аналог, в отношении решения им задачи снижения влияния высших гармоник напряжения, в то время как уже было указано на тот факт, что существенное влияние оказывают гармонические составляющие тока основной частоты, отбираемого нелинейной нагрузкой, спектр которых не совпадает со спектром гармоник напряжения. Ресурсоемкость известного способа-прототипа связана, в том числе, с использованием в нем силового трансформатора.

Далее следует отметить о недостатках способа-прототипа в отношении утилизации энергии высших гармоник. Так, в известном способе предлагается «полученное напряжение использовать после выпрямления» для «заряда аккумуляторных батарей, от которых питаются электроустановки постоянного тока, а также инверторы, от которых питаются электроустановки переменного тока и (или) с помощью которых электрическая энергия возвращается обратно в электрическую сеть, а также утилизировать в электроустановках, для которых качество электрической энергии не является значимым (различные электронагреватели)». Таким образом, в известном способе предлагается утилизировать гармоники напряжения, в то время как высших гармоник тока, генерируемых нелинейной нагрузкой, процесс утилизации никак не затрагивает. Таким образом, на основании указанных недостатков, способ-прототип обладает низкой эффективностью.

Задача, решаемая изобретением, - повышение качества, эффективности использования и снижение непроизводительных потерь электроэнергии в основном потоке мощности энергосистемы и повышение экономичности за счет снижения ресурсоемкости при осуществлении заявленного способа.

Это достигается тем, что согласно предложенному способу из энергосистемы энергию гармоники из ряда высших, долю которой необходимо уменьшить и величина которой равна или близка к заранее заданной, извлекают в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей тока упомянутой высшей гармоники, и утилизируют после ее преобразования в энергию постоянного тока посредством использования для питания нагрузки и накопления.

На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа. При этом введены следующие обозначения.

1 - энергосистема

2 - датчик тока

3 - полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель

4 - блок управления накопителем энергии

5 - емкостный накопитель

6 - нагрузка постоянного тока

7 - второй накопитель энергии

8 - нелинейная нагрузка

9 - датчик тока нагрузки

10 - фильтр доминирующей высшей гармоники в токе нагрузки

11 - фазосдвигающий блок

Суть способа заключается в следующем. Как известно, в энергосети при питании от нее нелинейных нагрузок форма тока искажается за счет появления в нем высших гармонических составляющих основной частоты. При этом при использовании в процессе извлечения энергии высших гармоник, транзисторного ШИМ-выпрямителя, построенного на IGBT модулях, в котором для формирования огибающей извлекаемого тока и регулирования его величины используются одновременно усилительные свойства IGBT-транзисторов и ШИМ-модуляция, такой выпрямитель является частотно избирательным и функционально может решать задачу извлечения энергии заданной гармонической составляющей, или их группы, из потока мощности энергосистемы, отбираемого нелинейной нагрузкой, в виде, пригодном для дальнейшего ее использования. При этом управление таким выпрямителем необходимо осуществлять с помощью модулирующего сигнала заданной частоты или формы.

В заявленном способе задача повышения эффективности в отношении снижения уровней высших гармоник в основном потоке мощности энергосистемы решается посредством извлечения энергии высшей гармоники, имеющей доминирующую мощность, достаточную для питания нагрузки, посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя, основой которого являются IGВТ-транзисторы. В этом случае, кроме того, что последние используются как управляемые вентили, предлагается использовать их усилительные (управляющие) свойства относительно токов. Управление работой транзисторного выпрямителя осуществляют посредством модулирующего сигнала, пропорционального высшей гармонике, энергию которой необходимо извлечь из потока мощности энергосистемы. При этом осуществляется избирательное выпрямление составляющей тока только той частоты, которая содержится в сигнале управления. Таким образом, упомянутой высшей гармонике управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель оказывает минимальное сопротивление, в то время как гармоники, не содержащиеся в спектре управляющего сигнала, управляемые вентили вообще не пропускают. На выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых, за период их повторения, эквивалентна энергии высшей гармоники, извлекаемой из энергосистемы. При этом основная часть энергии высшей гармоники, извлекаемой из потока мощности энергосистемы, расходуется на питание нагрузки постоянного тока, а оставшаяся часть накапливается в виде энергии постоянного тока.

Рассмотрим пример осуществления способа. В случае если процесс генерирования мощности высших гармоник в энергосети стационарен, предварительно ориентировочно оценивают мощность доминирующей гармоники и соотносят ее с мощностью, необходимой для питания одной или нескольких имеющихся нагрузок постоянного тока. Если мощность упомянутой гармоники в основной энергосистеме достаточна, т.е. больше или близка к мощности, необходимой для нормального функционирования имеющихся нагрузок постоянного тока, основную часть энергии доминирующей гармоники используют для их питания, а оставшуюся ее часть накапливают в виде энергии постоянного тока. Таким образом, посредством датчика тока нагрузки 9 и фильтра доминирующей высшей гармоники в токе нагрузки 10, из сигнала, пропорционального несинусоидальному току, отбираемому нелинейной нагрузкой 8, формируют сигнал, пропорциональный высшей гармонике, доминирующей по величине в токе нагрузки, который затем одновременно поступает на вход фазосдвигающего блока 11 и на управляющий вход полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, посредством которого из напряжения энергосистемы 1, поступающего на его вход, формируют ток заданной высшей гармонической составляющей, питающий через емкостный накопитель 5 нагрузку постоянного тока 6. Фазосдвигающим блоком 11 сигнал, пропорциональный току доминирующей высшей гармоники, инвертируется и поступает на один из сигнальных входов блока управления накопителем энергии 4, на второй сигнальный вход которого, посредством датчика тока 2, поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой постоянного тока 6. При этом в блоке управления накопителем энергии 4 упомянутые синусоидальные сигналы суммируются (данная операция суммирования с инверсным сигналом эквивалентна операции вычитания) и преобразуются в сигнал, управляющий работой накопителя энергии 7. В случае когда упомянутая сумма принимает отрицательное значение, соответствующее случаю, когда мощность доминирующей высшей гармоники, генерируемой нелинейной нагрузкой, превышает мощность, необходимую нагрузке постоянного тока для ее нормальной работы, т.е. соответствует факту неполного использования нагрузкой 6 мощности доминирующей гармоники из ряда высших, блоком управления накопителем энергии 4 формируется сигнал, разрешающий утилизировать оставшуюся часть энергии доминирующей гармоники в накопителе энергии 7 посредством преобразования ее в энергию постоянного тока (например, посредством ее аккумулирования).

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 благодаря тому, что полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель позволяет произвольно, в зависимости от поставленной задачи, формировать огибающую выпрямленного тока, потребляемого из питающей сети, доля энергии гармоники, перенаправленная для утилизации, максимальна, а доля энергии, оставшаяся в энергосети, сведена к минимуму. Таким образом, практически вся мощность доминирующей высшей гармоники, генерируемая нелинейной нагрузкой, утилизируется (преобразуется для дальнейшего полезного использования), разгружая, тем самым, от себя энергосистему. Помехи от работы полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя могут быть отфильтрованы посредством стандартных решений при минимальных энерго - и материальных затратах.

В предложенном способе полностью управляемый ШИМ-выпрямитель, одновременно, приобретая частотно избирательные свойства, используется как выпрямитель без искажений, с минимальными коммутационными потерями. В связи с этим применение полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя для процесса управляемого отбора энергии высшей гармоники является необходимым условием его реализуемости и одновременно решает задачу повышения его эффективности. Необходимо отметить также следующий факт. Одним из преимуществ извлечения тока заданной частоты посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя является простота его перестройки при смене номера гармоники. Для этого достаточно изменить модулируемый сигнал управления. Кроме этого исключается возможность возникновения резонанса. Для исполнения других блоков, используемых для реализации заявленного способа, используются известные стандартные решения.

Таким образом, в результате последовательности действий, воспроизведенных в соответствии с заявленным способом повышения качества и эффективности использования электроэнергии, процентное содержание мощности высшей гармоники в основной энергосети может быть сведено к минимуму. При этом практически вся энергия доминирующей по величине гармоники, в спектре тока, отбираемого нелинейной нагрузкой, извлекается и утилизируется посредством ее использования для питания нагрузки постоянного тока и накопления в виде энергии постоянного тока. Кроме этого повышения эффективности при осуществлении заявленного способа добиваются повышением его экономичности за счет снижения ресурсоемкости, посредством снижения непроизводительных потерь и материалоемкости в процессе осуществления способа.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2237334, опубликовано: 2004.05.20.

2. Патент РФ №2320067, опубликовано: 2007.01.20.

Способ повышения качества и эффективности использования электроэнергии, при котором в основном потоке мощности энергосистемы уменьшают долю высших гармонических составляющих тока основной частоты, а их энергию утилизируют, отличающийся тем, что энергию высшей гармонической составляющей тока, долю которой необходимо уменьшить в основном потоке мощности энергосистемы, и величина которой больше или близка к заранее заданной, извлекают в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей тока упомянутой высшей гармоники посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, и утилизируют в два этапа, причем первоначально одну ее часть после преобразования в емкостном накопителе используют для питания нагрузки постоянного тока, а оставшуюся часть накапливают в виде энергии постоянного тока, при этом управление процессом извлечения энергии упомянутой высшей гармоники осуществляют посредством пропорционального ей сигнала, который предварительно выделяют из тока, отбираемого нелинейной нагрузкой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в цепях питания различной аппаратуры. .

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для повышения эффективности использования электроэнергии в энергосистемах, с преобладающими активными нагрузками.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в системах электроснабжения электрифицированного транспорта и, в частности, на тяговых подстанциях переменного тока, а также для симметрирования трансформаторов общего назначения.

Изобретение относится к технике передачи электроэнергии переменным током, а именно к электропередачам сверхвысокого напряжения (СВН). .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для симметрирования многофазных и однофазных нагрузок с изменяющимися во времени параметрами. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электрификации железных дорог на переменном токе. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для межфазного распределения тока в магнитно-неуравновешенных трехфазных устройствах, например, для нейтрализации вредного воздействия на питающую сеть тока нулевой последовательности в преобразователях трехфазного переменного напряжения в постоянное или/и переменное.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания технических средств, улучшающих качество и уменьшающих потери напряжения и электрической энергии при ее транспортировке в трехфазных четырехпроводных электрических сетях за счет уменьшения несинусоидальности и несимметрии.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в цепях питания различной аппаратуры

Изобретение относится к устройству электропитания для подачи электрической мощности к трубопроводу

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для саморегулируемого симметрирования токов и напряжений в трехфазных сетях с нулевым проводом при подключении к ним несимметричной нагрузки

Изобретение относится к системам питания для использования в электрифицированном железнодорожном транспорте. Стабилизатор напряжения для системы питания, который стабилизирует нагрузку активной мощности, содержит первый AC-DC и DC-AC преобразователь для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока; и никель-металлогидридную батарею, расположенную между и соединенную с кабелем высокого напряжения на стороне постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и кабелем низкого напряжения на стороне постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя. Технический результат - снижение массогабаритных параметров устройства. 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения для летательных аппаратов. Предложенная система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвертором напряжения содержит трехфазный синхронный генератор, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного мостового выпрямителя, входы которого подключены к выходам синхронного генератора, двух конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, соединенных последовательно и включенных параллельно выходным зажимам выпрямителя, и трехфазного мостового инвертора напряжения, входы которого подключены к выходам выпрямителя, а выходы - к входам трех низкочастотных LC фильтров, нулевой провод нагрузки системы генерирования соединен со средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, введена катушка индуктивности, которая одним выводом подключается к нулевому проводу нагрузки системы генерирования, а другим - к нулевому выводу статорной трехфазной обмотки синхронного генератора. Технический результат - уменьшение электрических потерь в элементах и повышение коэффициента полезного действия системы в целом. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройстве и способе управления, используемых при шунтировании блоков питания. Технический результат - уменьшение пульсации выходного напряжения. Способ управления при шунтировании блока питания включает в себя: измерение первого трехфазного выходного электрического сигнала; вычисление соответственно составляющих первых прямой и обратной последовательностей первого трехфазного выходного электрического сигнала; формирование заданных составляющих прямой и обратной последовательностей фаз, чтобы соответственно выполнить автоматическую компенсацию составляющих первых прямой и обратной последовательностей, таким образом, выводя составляющие вторых прямой и обратной последовательностей; сложение вторых составляющих прямой и обратной последовательностей и вывод второго трехфазного выходного электрического сигнала в заданном режиме. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области электротехники. Заявлено трехфазное симметрирующее устройство, в котором трехфазный трехстержневой трансформатор содержит обмотки, соединенные встречно в зигзаг. Свободные выводы первых обмоток подключаются к выходным зажимам, а свободные выводы вторых обмоток соединяются в одну общую нулевую точку для подключения фазных нагрузок. В каждую фазу введены одна или две последовательно соединенные вольтодобавочные обмотки, включенные со стороны питающей сети через двух- или трехпозиционный переключатель последовательно с нагрузкой. Технический результат - обеспечение симметрирования фазных напряжений. 1ил.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение быстродействия и расширение функциональных возможностей. Устройство представляет собой заземляющий двухполюсник - следящий широтно-модулированный конвертор напряжения (следящий PWM-конвертор), соединяющий нейтраль питающего сеть трансформатора с землей и формирующий отстающий ток для компенсации опережающего емкостного тока однофазного замыкания на землю, а также датчик тока нейтрали, трансформатор напряжения сети, генератор тестовых сигналов для измерения емкости сети и вычислительный блок для определения требуемого адмиттанса упомянутого двухполюсника. Следящий PWM-конвертор в дополнение к обычному набору функциональных блоков снабжен блоком задатчика тока, входами которого являются напряжение нейтрали и требуемый адмиттанс, выходом является задание тока, поступающее на вход регулятора тока следящего PWM-конвертора, а передаточная функция задатчика тока обеспечивает отстающий сдвиг фазы около 90 градусов на сетевой частоте. 8 з.п. ф-лы, 46 ил.

Использование: в области электротехники. Технический результат - уменьшение несимметрии в трехфазной сети переменного напряжения. Способ включает в себя этапы: образование компонента системы прямой последовательности фаз, предназначенного для подвода тока, образование компонента системы обратной последовательности фаз, предназначенного для подвода тока, наложение компонента системы прямой последовательности фаз и компонента системы обратной последовательности фаз с получением предназначенного для подвода тока и подвод такого составного тока в трехфазную сеть переменного напряжения. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ и устройство относятся к области электротехники и могут быть использованы для автоматического симметрирования нагрузки линий трехфазной четырехпроводной сети, по меньшей мере, часть потребителей которой являются однофазными. Техническим результатом предлагаемого решения является снижение уровня несимметрии, при котором осуществляется симметрирование фазных токов, а также упрощение реализации и повышение эксплуатационной надежности. Это достигается за счет того, что в способе, предполагающем переключение, по меньшей мере, части однофазных нагрузок к наименее загруженной фазе, для каждой из переключаемых однофазных нагрузок в месте ее присоединения к линии определяют значения активной мощности, соответствующие каждому из фазных напряжений и току нулевого провода линии без учета тока однофазной нагрузки, причем в качестве наименее нагруженной принимают фазу линии с максимальным значением модуля активной мощности, знак которого противоположен знаку активной мощности наиболее нагруженной фазы. Реализующее способ устройство содержит блок (1) коммутации, четыре входа (7, 8, 9 и 10) которого являются входами устройства и служат для подключения к фазным F1, F2, F3 и нулевому N проводам линии, а два (11) и (12) выхода блока коммутации служат выходами устройства и предназначены для подключения однофазной нагрузки. Устройство также содержит датчик (3) тока, подключаемый к нулевому N проводу линии тока, и первый (4), второй (5) и третий (6) датчики фазных напряжений, подключенные к входам устройства, а также блок 2 определения наименее нагруженной фазы, выходная шина (20) которого соединена с управляющим входом блока 1 коммутации. Блок (2) определения наименее нагруженной фазы содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь (17), подключенный к входу (19) блока (18) математической обработки сигналов, причем входы многоканального аналого-цифрового преобразователя (17) подключены к первому (13), второму (14), третьему (15) и четвертому входам блока (2) определения наименее нагруженной фазы, выходной шиной (20) которого является выход блока (18) математической обработки сигналов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх