Способ фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения (варианты)



Способ фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения (варианты)
Способ фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения (варианты)
Способ фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения (варианты)

 


Владельцы патента RU 2485657:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ИрГТУ") (RU)

Изобретение относится к электроэнергетике. Техническим результатом заявляемых решений является повышение качества электрической энергии в сети за счет уменьшения несинусоидальности тока и напряжения. Для достижения технического результата в качестве индуктивности в последовательной цепочке фильтра используют индуктивность низкой обмотки трехфазного трехобмоточного силового трансформатора или автотрансформатора. В другом случае для достижения технического результата рассчитывают фильтруемую частоту, находящуюся в диапазоне этих двух частот, подбором с использованием схемы замещения сети высокого напряжения и настраивают емкость конденсаторной батареи по условию резонанса последовательного резонансного контура на рассчитанной фильтруемой частоте. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к промышленной электроэнергетике, и может быть использовано для повышения качества электрической энергии в системах электроснабжения промышленных предприятий с трехобмоточными силовыми трансформаторами.

Изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий "Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии", так как решает проблему повышения качества напряжения в системах электроснабжения промышленных предприятий со значительной нелинейной нагрузкой, например, таких как алюминиевые, медные, сталеплавильные заводы и др.

Улучшение одного из показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения достигается фильтрацией высших гармоник.

Известно, что для фильтрации высших гармоник используется последовательное соединение реактора и конденсаторной батареи, индуктивность и емкость которых настроены в резонанс на частоте фильтруемой гармоники.

Известен способ, реализованный в фильтрокомпенсирующем устройстве (патент РФ №2046489, H02J 3/01, H02J 3/18, опубл. 20.10.1995 г.), в котором к трем обмоткам на каждом стержне трехстержневого трансформатора подсоединяют по специальной схеме конденсаторные батареи, реакторы и резисторы. Данное техническое решение позволяет выполнять, наряду с компенсацией реактивной мощности, фильтрацию широкого диапазона гармоник.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемых по пп.1 и 2 способов, являются, во-первых, назначение - фильтрация высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения, а также создание резонансных контуров на частотах фильтруемых гармоник.

Недостатком способа по патенту РФ №2046489 является частичная фильтрация отдельных гармоник и соответственно не полное достижение параметров качества электрической энергии в сети за счет уменьшения несинусоидальности тока и напряжения.

Следует также отметить, что для реализации способа по патенту РФ №2046489 используют дополнительно, кроме конденсаторных батарей, еще трехстержневой трансформатор и реакторы, что приводит к дополнительным материальным затратам.

Известен способ повышения качества электрической энергии в электрической сети (патент РФ №2317625, H02J 3/18, опубл. 20.02.2008 г.), в котором последовательно с конденсаторными батареями включают однофазные тороидальные дроссели.

Признаками аналога по патенту РФ №2317625, совпадающими с существенными признаками заявляемых по пп.1 и 2 способов, являются, во-первых, назначение - фильтрация высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения, а также создание резонансных контуров на частотах фильтруемых гармоник.

Данное предложение позволяет обеспечить защиту конденсаторов компенсирующей установки от токов высших гармоник и лишь частично снизить уровень содержащихся в сети высших гармоник.

Кроме того, для реализации способа по патенту РФ №2317625 используют дополнительно, кроме конденсаторных батарей, еще тороидальные дроссели, что приводит к дополнительным материальным затратам.

Известен способ фильтрации высших гармоник, реализованный в трехфазном комбинированном фильтрокомпенсирующем устройстве (авторское свидетельство СССР №1718328, H02J 3/18, опубл. 07.03.1992 г.), в котором конденсаторы и реакторы включают по специальной схеме. Данное техническое решение позволяет расширить функциональные возможности уменьшением числа типоисполнений фильтровых реакторов при обеспечении эффективной фильтрации заданных высших гармоник.

Признаками аналога по авторскому свидетельству СССР №1718328, совпадающими с существенными признаками заявляемых по пп.1 и 2 способов, являются: назначение - фильтрация высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения, а также создание резонансных контуров на частотах фильтруемых гармоник.

Недостатком способа по авторскому свидетельству СССР №1718328 является сложность создания резонансных контуров.

Кроме того, для реализации способа по авторскому свидетельству СССР №1718328 используют дополнительно, кроме конденсаторных батарей, еще реакторы, что приводит также как и в предыдущих аналогах к дополнительным материальным затратам, а конструктивная сложность способа снижает надежность.

За прототип заявляемых способов по независимым пунктам 1 и 2 формулы изобретения принят способ фильтрации высших гармоник, реализованный в Г-образном фильтре низших частот (Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. - М.: Энергоатомиздат, 2000 г., с.185), в котором контур образуют индуктивностью трансформатора и емкостью батарей конденсаторов, т.е. вместо реактора используют специально выделенный трансформатор.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемых по пп.1 и 2 способов, являются: назначение - фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения, а также создание последовательного резонансного контура из индуктивности трансформатора и емкости конденсаторной батареи на фильтруемой частоте.

Недостатком способа прототипа является неполное использование мощности трансформатора при использовании его в качестве индуктивности резонансного контура. Кроме того, дополнительное использование трансформатора как элемента фильтра приводит к дополнительным материальным затратам.

В общем случае при фильтрации высших гармоник для обеспечения индуктивности в цепи последовательного резонанса используется отдельный реактор или трансформатор, что приводит к дополнительным материальным затратам на его приобретение.

Изобретение направлено на решение задачи энергосбережения и энергоэффективности в системах электроснабжения.

Техническим результатом решения является повышение качества электрической энергии в сети за счет уменьшения несинусоидальности тока и напряжения.

Технический результат достигается тем, что в способе фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения путем создания последовательного резонансного контура из индуктивности и емкости конденсаторной батареи на фильтруемой частоте согласно изобретению по п.1 формулы изобретения в качестве индуктивности последовательного резонансного контура используют обмотку низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора сети высокого напряжения и настраивают емкость конденсаторной батареи по условию резонанса последовательного резонансного контура.

Технический результат достигается тем, что в способе фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения путем создания последовательного резонансного контура из индуктивности и емкости конденсаторной батареи на фильтруемой частоте согласно изобретению по п.2 формулы изобретения в качестве индуктивности последовательного резонансного контура используют обмотку низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора сети высокого напряжения, выбирают две близкие частоты соседних гармоник, рассчитывают фильтруемую частоту, находящуюся в диапазоне этих двух частот, подбором с использованием схемы замещения сети высокого напряжения и настраивают емкость конденсаторной батареи по условию резонанса последовательного резонансного контура на рассчитанной фильтруемой частоте.

Для достижения технического результата в качестве индуктивности в последовательной цепочке фильтра используют индуктивность обмотки низкого напряжения трехобмоточного силового трансформатора или автотрансформатора.

Использование обмотки низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора сети высокого напряжения позволяет реализовать резонансный контур фильтра высших гармоник.

Настройка емкости конденсаторной батареи по условию резонанса последовательного резонансного контура позволяет обеспечить фильтрацию высших гармоник и повышение качества электрической энергии.

Расчет фильтруемой частоты, находящейся в диапазоне двух выбранных частот, подбором с использованием схемы замещения сети высокого напряжения и настройка емкости конденсаторной батареи по условию резонанса последовательного резонансного контура на рассчитанной фильтруемой частоте позволяет более эффективно повышать качество электрической энергии за счет расширения диапазона воздействия на две гармонические составляющие.

Необходимость и достаточность указанного подтверждается следующим. Имеет место, когда на подстанциях устанавливаются трехобмоточные трансформаторы (автотрансформаторы), обмотка низкого напряжения которых не нагружена или нагружена незначительно. В прототипе конденсаторные батареи, создающие емкость, включают последовательно со специально установленным трансформатором, создающим индуктивность в резонансной цепочке. В предлагаемом решении конденсаторные батареи, создающие емкость, включают последовательно с обмоткой низкого напряжения трехобмоточного силового трансформатора (автотрансформатора), индуктивность которой обеспечивает индуктивность в резонансной цепочке фильтра высших гармонических составляющих.

Отличия от прототипа заявляемых по пп.1 и 2 способов подтверждают их новизну.

Из уровня техники неизвестно использование в качестве индуктивности последовательного резонансного контура обмотки низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора самой сети высокого напряжения. Другими словами, для специалиста в данной области техники явным образом не следует возможность использования в качестве индуктивности последовательного резонансного контура обмотки низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора самой сети высокого напряжения для уменьшения несинусоидальности тока и напряжения и, в конечном счете, для повышения качества электрической энергии в сети. Следовательно, заявляемые способы по пп.1 и 2 соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема заявляемых способов;

- на фиг.2 представлена схема замещения трехфазного трехобмоточного трансформатора с подключенной конденсаторной батареей на низкой стороне и нагрузкой на средней стороне в однолинейном виде;

- на фиг.3 представлена принципиальная схема сети 35 кВ с подключенными потребителями.

Элементы на чертежах обозначены следующими позициями:

1 - силовой трехобмоточный трансформатор;

2 - обмотка низкого напряжения;

3 - конденсаторная батарея;

4 - емкостное сопротивление конденсаторной батареи в схеме замещения сети;

5 - индуктивное сопротивление обмотки низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора в схеме замещения сети.

В способе к обмотке низкого напряжения 2 силового трехобмоточного трансформатора 1 (или автотрансформатора) подключают конденсаторную батарею (БСК) 3, емкость (емкостное сопротивление ХБСК 4) которой рассчитывают по условию последовательного резонанса на частоте фильтруемой гармоники по индуктивности (индуктивному сопротивлению) обмотки низкого напряжения (ХНН) 5.

По способу фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения по п.1 формулы изобретения в качестве индуктивности последовательного резонансного контура используют обмотку низкого напряжения 2 силового трехобмоточного трансформатора 1 сети высокого напряжения и настраивают емкость конденсаторной батареи 3 по условию резонанса последовательного резонансного контура.

По способу фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения по п.2 формулы изобретения в качестве индуктивности последовательного резонансного контура используют обмотку низкого напряжения 2 силового трехобмоточного трансформатора 1 сети высокого напряжения, выбирают две близкие частоты, рассчитывают фильтруемую частоту, находящуюся в диапазоне этих двух частот, подбором с использованием схемы замещения сети высокого напряжения и настраивают емкость конденсаторной батареи 3 по условию резонанса последовательного резонансного контура на рассчитанной фильтруемой частоте.

Для повышения эффективности фильтра путем обеспечения одновременной фильтрации двух соседних гармоник, например 11 и 13 или 5 и 7, настраиваем фильтр на промежуточную частоту. Для 11 и 13 гармоник в расчетном примере методом подбора получено значение 11,5.

Принцип действия изобретения состоит в следующем - при появлении в сети токов высших гармоник токи распределяются в ветвях сети обратно пропорционально сопротивлениям ветвей, то есть больший ток потечет в ветви, которые обладают наименьшим сопротивлением на частоте фильтруемой гармоники. Соответственно, напряжение гармоники в точке подключения фильтра будет минимальным (здесь в средней точке схемы замещения), то есть будет обеспечено минимальное напряжение на частоте фильтруемой гармоники для нагрузки, подключенной к средней стороне трансформатора.

Для подтверждения эффекта снижения уровня высших гармоник на нагрузке (сеть 35 кВ с подключенными потребителями) были проведены расчеты участка сети. Принципиальная схема сети показана на Фиг.3. Источником высших гармоник (одиннадцатой и тринадцатой) в сети является алюминиевый завод, который подключен непосредственно на шины ГЭС. Подстанция №1 подключена к шинам ГЭС через ЛЭП-220 кВ общей протяженностью 150 км.

Сопротивление генераторов I секции 220 кВ ГЭС на частоте первой гармоники (для расчетного режима) равно:

Сопротивление генераторов II секции 220 кВ ГЭС равно:

Токи n-й гармоники (расчет проводим для 11 и 13 гармоник) In получены в результате измерений (для каждой секции 220 кВ ГЭС отдельно):

;

;

;

Параметры схемы замещения для элементов сети (на частоте первой гармоники) рассчитаны по формулам:

- для ВЛ-220 кВ I секция ГЭС - Подстанция №6:

X=Xo×l=0,422×93,62=39,5 Ом,

b=bo×l=2,684×93,62=251,3 мкСм,

- для ВЛ-220 кВ II секция ГЭС - Подстанция №6:

X=Xo×l=0,422×93,96=39,6 Ом,

b=bo×l=2,684×93,96=252,2 мкСм,

- для ВЛ-220 кВ Подстанция №6 - Подстанция №1:

X=Xo×l=0,419×56,45=23,6 Ом,

b=bo×l=2,705×56,45=152,7 мкСм,

- для трансформатора Подстанция №1 реактивное сопротивление обмотки высшего напряжения:

- реактивное сопротивление обмотки среднего напряжения:

ХТС≈0,

- реактивное сопротивление обмотки низшего напряжения:

- для батареи статических конденсаторов реактивное сопротивление:

ХБСК=XТНn2=135,4×11,52=17910 Ом,

где n - гармоника, на которую настроен фильтр (для повышения эффективности фильтра путем обеспечения одновременной фильтрации 11 и 13 гармоник настраиваем фильтр на частоту 11,5 - здесь получено методом подбора);

- для нагрузки:

Рассчитаем мощность конденсаторной батареи 3:

- ток основной гармоники (первой гармоники), протекающий через фильтр, рассчитан по формуле:

- токи одиннадцатой и тринадцатой гармоник, протекающие через фильтр, получены в результате расчета:

I11=1,231 А,

I13=0,838 A,

- полный ток, протекающий через фильтр, равен:

,

- мощность конденсаторной батареи (с учетом параметров резонансной настройки последовательного колебательного контура):

Получены следующие расчетные значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Кu и гармонических составляющих KU(n) на подстанциях (в %) до и после установки фильтра специальной настройки на шинах 6 кВ Подстанции №1 (таблица 1).

Таблица 1
Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения KU и гармонических составляющих KU(n) на подстанциях
Подстанция До установки фильтра специальной настройки После установки фильтра специальной настройки
KU (%) KU(n), % KU (%) KU(n), %
11 13 11 13
№1 шины 220 кВ 3,08 1,35 2,78 3,54 1,66 3,12
№1 шины 35 кВ 6,93 5,47 4,25 1,08 1,02 0,36
№2 шины 35 кВ 7,08 5,57 4,38 1,10 1,04 0,37
№3 шины 35 кВ 10,52 7,70 7,17 1,56 1,44 0,60
№4 шины 35 кВ 10,41 7,62 7,09 1,54 1,42 0,60
№5 шины 35 кВ 10,41 7,62 7,09 1,54 1,42 0,60

Установка фильтра с настройкой по заявляемым способам на шинах 6 кВ Подстанции №1 снижает коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения KU в сети, питающейся от шин среднего напряжения (35 кВ) Подстанции №1 в 5-8 раз, то есть до значений, не превышающих по ГОСТ 13109-97 норм (таблица 2).

Таблица 2
Нормируемые по ГОСТ 13109-97 значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, KU %
Нормально допустимое значение при Uном, кВ Предельно допустимое значение при Uном, кВ
0,38 6-20 35 110-330 0,38 6-20 35 110-330
8,0 5,0 4,0 2,0 12,0 8,0 6,0 3,0

Таким образом, расчеты показали, что применение предлагаемого способа приводит к снижению коэффициентов несинусоидальности кривой напряжения KU и коэффициентов n-х гармонических составляющих KU(n) в системах электроснабжения с трехобмоточными трансформаторами. Обеспечивается экономический эффект, который заключается в существенном снижении стоимости мероприятий по нормализации коэффициентов искажения синусоидальности и коэффициентов n-й гармонической составляющей кривой напряжения.

В результате использования изобретения уменьшаются затраты на оборудование фильтра за счет использования в качестве индуктивности низкую обмотку силового трехобмоточного трансформатора, а не специально устанавливаемого реактора.

1. Способ фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения путем создания последовательного резонансного контура из индуктивности и емкости конденсаторной батареи на фильтруемой частоте, отличающийся тем, что в качестве индуктивности последовательного резонансного контура используют обмотку низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора сети высокого напряжения и настраивают емкость конденсаторной батареи по условию резонанса последовательного резонансного контура.

2. Способ фильтрации высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения путем создания последовательного резонансного контура из индуктивности и емкости конденсаторной батареи на фильтруемой частоте, отличающийся тем, что в качестве индуктивности последовательного резонансного контура используют обмотку низкого напряжения силового трехобмоточного трансформатора сети высокого напряжения, выбирают две близкие частоты соседних гармоник, рассчитывают фильтруемую частоту, находящуюся в диапазоне этих двух частот подбором с использованием схемы замещения сети высокого напряжения, и настраивают емкость конденсаторной батареи по условию резонанса последовательного резонансного контура на рассчитанной фильтруемой частоте.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электроснабжению и может использоваться в народном хозяйстве для передачи электрической энергии на расстояние без проводов. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в энергосистемах. .

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

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системе электроснабжения потребителей, расположенных вдоль трасс. .

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в автоматизированных системах управления (АСУ) электростанций собственных нужд (ЭСН) компрессорных станций магистральных трубопроводов и небольших предприятий.

Изобретение относится к области автоматического управления электрическими генераторами. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам компенсации реактивной мощности в сетях переменного тока высокого напряжения, и может быть использовано на подстанциях воздушных линий передач с установленными на них шунтирующими реакторами и батареями статических конденсаторов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано и может быть использовано в силовой электронике. .

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах автоматического управления (САУ) газотурбинными двигателями (ГТД) со свободной турбиной, применяемыми в составе газотурбинных установок (ГТУ) для привода электрогенераторов (ЭГ) газотурбинных электростанций (ГТЭС) малой и средней мощности.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для компенсации реактивной мощности трехфазных потребителей, преимущественно промышленных предприятий. .

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для регулирования реактивной мощности резкопеременных нагрузок (РПН)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании, монтаже, наладке и эксплуатации линий электропередачи (ЛЭП) при передаче электрической энергии к потребителю

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 области электротехники и может быть использовано для энергопитания

Использование: в области электротехники и может быть использовано для синхронизации синхронных генераторов с сетью. Технический результат - повышение быстродействия включения синхронного генератора в сеть с малым ударным током. Согласно способу момент включения генератора в сеть определяется в процессе его разгона под действием приводного двигателя. Возбуждение генератора выставляется таким образом, чтобы при синхронной скорости вращения напряжение генератора равнялось напряжению сети. По мере разгона генератора напряжение на якорной обмотке генератора увеличивается пропорционально скорости вращения, и непрерывно сравнивается с напряжением сети. Поскольку частоты и амплитуды напряжений генератора и сети не одинаковы, то разность мгновенных значений напряжений генератора и сети (напряжение биения) изменяется от максимального до минимального значений. Генератор включается в сеть при подходе к номинальной скорости вращения в момент, когда минимум напряжения биения становится меньше или равным 10% номинального напряжения генератора, что свидетельствует о сближении фаз напряжений генератора и сети. 1 ил.

Использование: в области электротехники. Технический результат - упрощение конструкции и уменьшение потери мощности. Источник питания содержит первичный преобразователь (2), который образован кольцевым магнитопроводом (3), замкнутым вокруг фазного провода (1), на котором размещена вторичная обмотка (4), выходные зажимы (5) и (6) которой образуют выходные зажимы первичного преобразователя (2), выпрямительный диодный мост (7), сглаживающий полярный конденсатор (8), преобразователь-стабилизатор напряжения (9), выполненный по схеме DC-DC конвертора, выходные зажимы (10) и (11) DC-DC конвертора подключены к нагрузке (12), аккумуляторную батарею (13)(АБ), зарядное устройство (14), неполярный конденсатор (15), разрядник газовый (16), стабилизатор напряжения (17), ограничитель тока (18), токовый шунт (19) для контроля тока АБ, токовый шунт (20) для контроля тока нагрузки (12), диод (21) автоматического подключения АБ, аналого-цифровый преобразователь (22) контроля напряжения АБ, аналого-цифровой преобразователь (23) контроля тока АБ, аналого-цифровой преобразователь (24) контроля напряжения нагрузки, аналого-цифровой преобразователь (25) контроля тока нагрузки, аналого-цифровой преобразователь (26) контроля напряжения сглаживающего конденсатора (8). 1 ил. .

Использование: в области электротехники. Технический результат - сглаживание пульсаций в коммунальной электрической сети. Способ заключается в том, что энергопотребляющие устройства выполнены с возможностью работы в диапазоне значений физического параметра, ограниченном минимальным и максимальным значениями физического параметра, при этом принимают команды от управляющего устройства либо на уменьшение потребления энергии, либо на увеличение потребления энергии, и осуществляют уменьшение или увеличение потребления энергии путем изменения значения физическою параметра так, что каждое энергонотребляющее устройство, работающее в режиме увеличения значения своего физического параметра, при получении команды на уменьшение энергопотребления прекращает увеличение значения своего физического параметра, а каждое энергопотребляющее устройство, работающее в режиме уменьшения значения своего физического параметра, при получении команды на увеличение энергопотребления, начинает увеличение своею физического параметра. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх