RU2237334C2

RU2237334C2 - Method for enhancing quality of electric energy

Info

Publication number: RU2237334C2
Application number: RU2002131599/09A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Машкин (RU); А.Г. Машкин; Н.Ю. Буглак (RU); Н.Ю. Буглак; В.Б. Тан-Цай (RU); В.Б. Тан-Цай; С.Д. Сапунов (RU); С.Д. Сапунов
Original assignee: Машкин Анатолий Геннадьевич
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2004-09-27

Abstract

FIELD: electric power production, namely processes for enhancing quality of electric energy in power supply systems, possibly in power supply systems of electrified railway roads.

SUBSTANCE: method comprises steps of separating out of supply voltage higher harmonics and first harmonic determined by voltage of zero order; formation of constant voltage out of it and conversion of it to voltage of basic harmonic of network and returning it to network. It lowers asymmetry voltage of network and electric power consumption.

EFFECT: enhanced quality, less losses of electric energy in electric power supply systems.

2 dwg

Description

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.The invention relates to the electric power industry and can be used to improve the quality of electric energy in power supply systems, including power supply systems of electrified railways.

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.The appearance in the network of asymmetric and non-linear load leads to a deterioration in the quality of electric energy in power supply systems, determined by the voltage asymmetry coefficient of the zero sequence K _ou and the coefficient of non-sinusoidality K _u (GOST 13109-97). Reducing these indicators is an urgent task.

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).There is a method of improving the quality of electrical energy, which consists in lowering the level of higher harmonics and decreasing the voltage of the asymmetry of the network, for this they set up a serial circuit to resonate the voltage at the 3rd harmonic and include the circuit in the network (see Markvart K.G. Power supply of electrified railways. -M.: Transport, 1982, p. 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).Closest to the claimed is a method of improving the quality of electric energy, which consists in lowering the level of higher harmonics and decreasing the voltage of the asymmetry of the network by adjusting two groups of consecutive circuits to the voltage resonance at the 5th and 7th harmonics and include these groups of circuits in the network (see Zhezhelenko IV and others. The quality of electric energy in industrial enterprises. - Kiev: Technics, 1981, p.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.The main disadvantages of this method is that with small loads in the connection points of the circuits the network voltage increases up to unacceptable values, and also that the decrease in the amplitudes of the higher harmonics is due to the increase in active losses in the network due to the sharp increase in current at those harmonics for resonance, which are configured in series circuits (the resistance for these circuits decreases sharply, becoming purely active), and the electric energy due to higher harmonics irretrievably loses Xia.

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.The technical result of the proposed method is to improve the quality of electric energy, while the voltage in the network in the case of small loads does not increase and active losses from higher harmonics are sharply reduced.

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.This is achieved by the fact that in the method of improving the quality of electric energy, which consists in decreasing the amplitudes of the voltage harmonics and decreasing the asymmetry voltage, higher voltage harmonics are isolated from the voltage of the electric network, as well as the first harmonic, determined by the asymmetry voltage, the selected voltage harmonics are rectified, and the rectified voltage is converted to alternating voltage with a frequency equal to the frequency of the first harmonic of the network, and return the alternating voltage to the electrical network.

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.The inventive method allows to eliminate the main disadvantages inherent in the known method, namely, under low load conditions, the voltage will not increase, since the magnitudes of the amplitudes of the higher harmonics and the asymmetry voltage are insignificant and they will not be rectified (operation of the rectifier valves in the initial sections), or a constant voltage will a little in the “dead zone” of the converter and will not be converted to variable. In the known method, the amplitudes of the higher harmonics are reduced by creating their drain circuits to the ground, while their energy is irretrievably lost in the form of joule losses in the network wires, reactor, capacitor bank and earth. In the inventive method, due to the separation of higher harmonics and the first harmonic, determined by the asymmetry of the circuit, rectifying them and converting them from constant to alternating voltage and including this voltage into the network, a significant part of the energy of the above harmonics will be returned to the network.

На фиг.1 приведена схема одного из устройств, реализующего заявляемый способ.Figure 1 shows a diagram of one of the devices that implements the inventive method.

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.1 and 2, respectively, leading and lagging phases, 3 - rail track, 4 - transformer, the primary winding of which is connected to a star, the secondary winding into an open triangle, 5 - rectifier, 6, 7 - inverters, respectively, driven by the leading and lagging phases, 8, 9 - single-phase transformers.

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.The method is as follows. In the absence of load in the contact network at the output of the transformer 4, rectifier 5, inverters 6 and 7, there is no voltage, thereby in idle mode the voltage of the contact network does not increase (in the known method, the voltage increases). In the case of a load in phases 1 and 2, and this load, as a rule, is asymmetric and non-sinusoidal (due to the non-linear nature), this leads to an asymmetric component of the zero sequence and higher harmonics appearing in the voltage of the contact network, then the output transformer 4 appears the voltage of the first harmonic, the amplitude of which is determined by the zero harmonic of the voltage of the asymmetry of the contact network, as well as all the higher harmonics that are multiples of the third, this voltage is rectified by the rectifier 5 is constantly converted voltage applied to the inputs of inverters 6, 7, via which the DC voltage is converted to a sinusoidal power frequency and returns to phase 1 and 2 in the form of energy of the fundamental harmonic through a single-phase transformers 8 and 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.Modeling of the method was carried out according to the scheme of figure 2, where 10, 11, 12 are the phases of the network, 13 is an asymmetric regulated section of the network, 14 is a nonlinear adjustable load (for example, a 3-phase rectifier according to the Larionov scheme, a DC motor with an adjustable torque on the shaft ), 15 - 3-phase transformer with primary windings connected to a star, and secondary to an open triangle, 16 - bridge rectifier, 17 - inverter, 18 - adjustable load, 19 - analyzer of characteristics of power consumption and meter of quality parameters of electric energy and AR.5M, 20 - wattmeter, 21 - switch.

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%, tqφ=1,02, при включении выключателя 21: K_ou=0,02%, K_u=1,79%, tqφ=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.The simulation results of the method gave the following parameters: when the switch 21 was turned off, the maximum asymmetry and non-linearity of the model, the parameters of the electric energy quality were: K _ou = 3.65%, K _u = 18.2%, tqφ = 1.02, when the switch 21 was turned on: K _ou = 0.02%, K _u = 1.79%, tqφ = 0.13, power at load 18 was ~ 17% of the power consumption of 13 and 14, which allowed us to conclude that when implementing the proposed method increases the quality of electrical energy and provides energy savings.

Заявляемый способ может быть осуществлен на основе использования известных блоков в контактной сети электрифицированных железных дорог, а также в схемах электроснабжения промышленных предприятий.The inventive method can be implemented based on the use of known units in the contact network of electrified railways, as well as in power supply schemes of industrial enterprises.

Claims

A way to improve the quality of electrical energy, which consists in reducing the amplitudes of the voltage harmonics and reducing the asymmetry voltage, characterized in that higher voltage harmonics are isolated from the voltage of the electric network, as well as the first harmonic, determined by the asymmetry voltage, the selected voltage harmonics are rectified, and the rectified voltage is converted using inverters driven by the leading and lagging phases of the network with the load, in sinusoidal voltages with a frequency equal to the frequency of the first harmonic of the network, decree These voltages are returned to the corresponding phases of the network in the form of the fundamental energy through the corresponding single-phase transformers.