способ повышения качества электрической энергии

Формула изобретения

Способ повышения качества электрической энергии, заключающийся в уменьшении амплитуд гармоник напряжения и снижения напряжения асимметрии, отличающийся тем, что выделяют из напряжения электрической сети высшие гармоники напряжения, а также первую гармонику, определяемую напряжением асимметрии, выпрямляют выделенные гармоники напряжения, преобразуют выпрямленное напряжение с помощью инверторов, ведомых опережающей и отстающей фазами сети с нагрузкой, в синусоидальные напряжения с частотой, равной частоте первой гармоники сети, указанные напряжения возвращают в соответствующие фазы сети в виде энергии основной гармоники через соответствующие однофазные трансформаторы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для повышения качества электрической энергии в системах электроснабжения, в том числе и системах электроснабжения электрифицированных железных дорог.

Появление в сети несимметричной и нелинейной нагрузки ведет в системах электроснабжения к ухудшению качества электрической энергии, определяемое коэффициентом несимметрии напряжения по нулевой последовательности K_ou и коэффициентом несинусоидальности К_u (ГОСТ 13109-97). Снижение этих показателей является актуальной задачей.

Известен способ повышения качества электрической энергии, заключающийся в снижении уровня высших гармоник и уменьшении напряжения несимметрии сети, для этого настраивают последовательный контур на резонанс напряжений по 3-й гармонике и включают контур в сеть (см. Маркварт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. -М.: Транспорт, 1982, с.249-251).

Наиболее близким к заявляемому является способ повышения качества электрической энергии, заключающийся в снижении уровня высших гармоник и уменьшении напряжения несимметрии сети путем настройки двух групп из последовательных контуров на резонанс напряжений по 5-й и 7-й гармоникам и включают эти группы контуров в сеть (см. Жежеленко И.В. и др. Качество электрической энергии на промышленных предприятиях. - Киев: Техника, 1981, с.134-135).

Основными недостатками известного способа является то, что при небольших нагрузках в местах подключения контуров возрастает напряжение сети вплоть до недопустимых значений, а также то, что снижение амплитуд высших гармоник обусловлено ростом активных потерь в сети за счет резкого возрастания тока по тем гармоникам на резонанс, по которым настроены последовательные контуры (сопротивление для этих контуров резко уменьшается, становясь чисто активным), причем электрическая энергия, обусловленная высшими гармониками, безвозвратно теряется.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение качества электрической энергии, при этом напряжение в сети в случае малых нагрузок не возрастает и активные потери от высших гармоник резко снижаются.

Это достигается тем, что в способе повышения качества электрической энергии, заключающемся в уменьшении амплитуд гармоник напряжения и снижении напряжения асимметрии, выделяют из напряжения электрической сети высшие гармоники напряжения, а также первую гармонику, определяемую напряжением асимметрии, выпрямляют выделенные гармоники напряжения, преобразуют выпрямленное напряжение в переменное напряжение с частотой, равной частоте первой гармоники сети, и возвращают переменное напряжение в электрическую сеть.

Заявляемый способ позволяет устранить основные недостатки, присущие известному способу, а именно при режиме малых нагрузок напряжение расти не будет, так как величины амплитуд высших гармоник и напряжение асимметрии незначительно и они не будут выпрямляться (работа вентилей выпрямителя на начальных участках), либо постоянное напряжение будет мало в “зоне нечувствительности” преобразователя и преобразовываться в переменное не будет. В известном способе уменьшение амплитуд высших гармоник осуществляется за счет создания цепей стока их на землю, при этом их энергия безвозвратно теряется в виде джоулевых потерь в проводах сети, реакторе, конденсаторной батарее и земле. В заявляемом способе за счет выделения высших гармоник и первой гармоники, определяемой асимметрией цепи, выпрямления их и преобразования из постоянного в переменное напряжение и включения этого напряжения в сеть существенная часть энергии перечисленных выше гармоник будет возвращаться в сеть.

На фиг.1 приведена схема одного из устройств, реализующего заявляемый способ.

На фиг.1 и 2 - соответственно опережающая и отстающая фазы, 3 - рельсовое полотно, 4 - трансформатор, первичная обмотка которого соединена в звезду, вторичная обмотка в открытый треугольник, 5 - выпрямитель, 6, 7 - соответственно инверторы, ведомые сетью опережающей и отстающей фаз, 8, 9 - однофазные трансформаторы.

Способ осуществляется следующим образом. В случае отсутствия нагрузки в контактной сети на выходе трансформатора 4, выпрямителя 5, инверторов 6 и 7 отсутствует напряжение, тем самым в режиме холостого хода напряжение контактной сети не растет (в известном способе напряжение увеличивается). В случае появления нагрузки в фазах 1 и 2, причем эта нагрузка, как правило, несимметричная и несинусоидальная (из-за нелинейного характера), это ведет к тому, что в напряжении контактной сети появляется асимметричная составляющая нулевой последовательности и высшие гармоники, тогда на выходе трансформатора 4 появляется напряжение первой гармоники, амплитуда которой определяется нулевой гармоникой напряжения асимметрии контактной сети, а также все высшие гармоники, кратные третьей, это напряжение выпрямителем 5 преобразуется в постоянное напряжение, подаваемое на входы инверторов 6, 7, с помощью которых постоянное напряжение преобразуется в синусоидальное промышленной частоты и возвращается в фазы 1 и 2 в виде энергии основной гармоники через однофазные трансформаторы 8 и 9.

Моделирование способа осуществлялось по схеме фиг.2, где 10, 11, 12 - фазы сети, 13 - асимметричный регулируемый участок сети, 14 - нелинейная регулируемая нагрузка (например, 3-фазный выпрямитель по схеме Ларионова, двигатель постоянного тока с регулируемым моментом на валу), 15 - 3-фазный трансформатор с первичными обмотками, соединенными в звезду, а вторичными в открытый треугольник, 16 - мостовой выпрямитель, 17 - инвертор, 18 - регулируемая нагрузка, 19 – анализатор характеристик электропотребления и измеритель параметров качества электрической энергии AR.5M, 20 - ваттметр, 21 - выключатель.

Результаты моделирования способа дали следующие параметры: при отключенном выключателе 21, максимальной асимметрии и нелинейности модели параметры качества электрической энергии были: K_ou=3,65%, K_u=18,2%, tq=1,02, при включении выключателя 21: K_ou=0,02%, K_u=1,79%, tq=0,13, мощность в нагрузке 18 составила ~17% от мощности электропотребления 13 и 14, что позволило сделать вывод о том, что при реализации заявляемого способа повышается качество электрической энергии и обеспечивается экономия электрической энергии.

Заявляемый способ может быть осуществлен на основе использования известных блоков в контактной сети электрифицированных железных дорог, а также в схемах электроснабжения промышленных предприятий.