27 лет на рынке силовой электроники и электротехники

Каталог продукции

Активный фильтр гармоник как средство повышения качества электрической энергии

Внешний вид активного фильтра гармоник АФГ-25-400-4Авторы: К.В. Замула, Ю.В. Соколов, А.В. Карманов, ООО «Энергия-Т»

На сегодняшний день большинство энергоснабжающих организаций не обладают необходимым оборудованием, обеспечивающим в автоматическом режиме требуемого уровня содержания высших гармоник в сетях. Это порождает острую проблему негативного взаимовлияния технических средств между собой.

Ключевые слова: активный фильтр гармоник, симметрирование нагрузок фаз, компенсация высших гармоник, компенсация реактивной мощности, быстрое преобразование Фурье, SMART GRID.

Введение

Современные комплексы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) работают в сложной электромагнитной обстановке, обусловленной, в том числе, необеспеченностью отдельных показателей качества электроэнергии. Это вызвано ростом удельных характеристик устройств, имеющих низкий коэффициент мощности и работающих по резкопеременным графикам нагрузки. Особо осложняет электромагнитную обстановку работа электроприемников, генерирующих высшие гармонические составляющие (ВГС), с уровнем электромагнитной совместимости, выходящим за рамки диапазонов, определенных ГОСТ 32144-2013 [1]

Перечисленное приводит к неконтролируемым изменениям величины и формы напряжения в точках присоединения потребителей. Ухудшение качества электроэнергии напрямую влияет на снижение срока службы РЭА, является наиболее вероятной причиной ее отказов и выхода из строя, приводит к увеличению потерь энергии во всех элементах системы электроснабжения и, соответственно, влечет к увеличению расхода топливных ресурсов. 

Негативные факторы возникающие при эксплуатации современного электрооборудования

Основными негативными факторами при эксплуатации современного электрооборудования являются:

  1. Гармонические составляющие напряжения, как правило, обусловлены нелинейными нагрузками пользователей электрических сетей, подключаемыми к электрическим сетям различного напряжения. Гармонические токи, протекающие в электрических сетях, создают падения напряжений на полных сопротивлениях электрических сетей. Гармонические токи, полные сопротивления электрических сетей и, следовательно, напряжения гармонических составляющих в точках передачи электрической энергии изменяются во времени.
    Дополнительные потери - одно из самых отрицательных явлений, вызываемое гармониками во вращающихся машинах.
    Наибольший ущерб от высших гармоник составляет увеличение активных потерь и сокращение срока службы изоляции электродвигателей и силовых трансформаторов. [10]
  2. Реактивная мощность. Влияние реактивной мощности на режимы энергосбережения состоит в том, что ее наличие в элементах сети увеличивает значение полного тока и, соответственно, влияет на активные потери электроэнергии в данном элементе сети. [9]
  3. Несимметрия. В электроустановках потребителей находят все большее применение однофазные приемники (крупные электропечи, электронные аппараты, осветительные приборы), что вызывает несимметричный режим питания. Несимметрия токов обусловливает несимметрию напряжения, которая в свою очередь приводит к возникновению дополнительных фазных и междуфазных напряжений. Несимметрия влечет за собой появление очагов местных перегревов роторов синхронных генераторов, нежелательные вибрации их отдельных узлов, в линиях электропередачи и трансформаторах несимметрия снижает пропускную способность трехфазной системы, отрицательно влияет на работу асинхронных двигателей, ухудшает режим работы выпрямителей, делает менее эффективным использование регулирующих и компенсирующих установок. При этом создаются дополнительные потери активной энергии в сетях. [8]

Современное универсальное средство повышения качества электроэнергии

Для компенсации высших гармоник, вызванных действием нагрузки, традиционно применялись и применяются резонансные фильтры. Для энергетических установок это, как правило, последовательные индуктивно-емкостные резонансные цепи, настроенные на соответствующие номера гармоник. Обычно резонансные L-C фильтры настраиваются на гармоники с номерами n = 5, 7, 11, 13.

Такие фильтры выпускаются, как правило, на значительные токи и напряжения, их типоряд существенно дискретный. Для выбора таких фильтров требуется информация о предполагаемом спектре компенсируемых гармоник, величинах токов по каждой гармонике.

Использование резонансных фильтров для компенсации широкого спектра высших гармонических составляющих приводит к неоправданному удорожанию и повышению материалоёмкости всей установки. При этом, номинальные характеристики фильтра могут либо не быть востребованы вовсе, либо реальная нагрузка будет генерировать спектр гармоник, на который не рассчитывался фильтр, и они не будут в должной мере скомпенсированы, так как пассивные фильтры не в состоянии изменять регулируемые ими параметры в режиме «on-line» в резко меняющейся электромагнитной обстановке. [6]

Авторами разработаны активные фильтры гармоник (АФГ), способные обеспечить заданный коэффициент мощности электроустановок и существенно улучшить качество электроэнергии на входе энергетических комплексов мощностью до 10 МВт в режиме «on-line». Таким образом, АФГ может являться элементом SMART GRID.

АФГ является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники (управляемые выпрямители, преобразователи частоты, привода электродвигателей, импульсные источники питания). АФГ компенсирует высшие гармонические составляющие (ВГС) тока нагрузки, генерируя равные им по амплитуде, но противоположные по фазе токи, снижая, таким образом, коэффициент несинусоидальности тока и напряжения сети.

В соответствии с назначением АФГ выполняет следующие функции:

АФГ имеют возможность параллельной работы с целью увеличения суммарной компенсируемой мощности.

Наименование параметра

АФГ-25

АФГ-100

АФГ-200

АФГ-300

Номинальное напряжение сети

0,4 кВ

Номинальный компенсируемый фазный ток, А

25

100

200

300

Частота сетевого напряжения

50 Гц

Перегрузочная способность

120 %

Компенсируемые гармоники тока

Индивидуально, до 50-й включительно

Компенсация реактивной мощности по коэффициенту мощности

До 1,0 включительно

Уровень шума, дБ не более

60

Рассеиваемая мощность, Вт не более

650

1900

3800

5700

Охлаждение

Принудительное воздушное

Устройство активного фильтра гармоник

АФГ выполнен по схеме трехфазного мостового инвертора с емкостным накопителем энергии (ЕНЭ) на стороне постоянного тока со средней точкой, и Т-образным LCL - фильтром со стороны питания переменного тока. Схема показана на рисунке 2.

Мостовой инвертор выполнен на основе модулей IGBT – транзисторов с обратными диодами, рассчитанными на полный ток транзистора. IGBT-транзисторы работают одновременно в режиме инвертора и в режиме активного выпрямителя для обеспечения работы звена постоянного тока.

Емкостной накопитель энергии выполнен на основе низкоиндуктивных электролитических конденсаторов, имеет среднюю точку, которая подключается к нейтрали сети при четырехпроводном подключении активного фильтра к нелинейной нагрузке.

В силовой схеме АФГ предусмотрены:

Функциональная схема АФГ показана на рисунке 3, где:

Принципы построения инверторов делятся на несколько основных типов:

Для построения схемы АФГ подходят только инвертора с произвольной формой выходного напряжения, так как только они могут формировать необходимые параметры выходного тока.

Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи различных схем получают напряжение постоянного тока, значение которого близко к амплитудному значению выходного напряжения инвертора. Затем это напряжение постоянного тока с помощью, мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение по форме, близкое к необходимому, за счет применении соответствующих принципов управления транзисторами этого мостового инвертора. Принцип так называемой «многократной широтно-импульсной модуляции» заключается в том, что на интервале каждого полупериода выходного напряжения инвертора соответствующая пара транзисторов мостового инвертора многократно коммутируется на высокой частоте при широтно-импульсном управлении. Причем длительность этих высокочастотных импульсов коммутации изменяется по закону необходимому для компенсации гармоник. Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется необходимая составляющая выходного тока инвертора.

Активный выпрямитель (АВ), выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока UD на конденсаторе. Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный автономный инвертор напряжения, также работающий в режиме ШИМ. Так же, как и автономный инвертор, АВ инвертирует постоянное напряжение конденсатора UD в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока. Эти зажимы связаны с питающей сетью через ШИМ дроссели. В отличие от регулируемой рабочей частоты напряжения на зажимах переменного тока инвертора, рабочая частота напряжения на зажимах переменного тока АВ постоянна и равна частоте питающей сети. Разность мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети и импульсного напряжения на зажимах переменного тока АВ воспринимаются ШИМ дросселями, являющимися неотъемлемыми элементами системы, индуктивность обеспечивает повышающий режим работы преобразователя. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое АВ на стороне переменного тока, имеет благоприятный гармонический состав, в котором присутствует преимущественно основная (полезная) гармоника, а высшие гармоники (на частоте коммутации ключей) подавляются выходным фильтром. Таким образом решается задача потребления из сети практически синусоидального тока, для заряда накопительного конденсатора.

Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к дросселям со стороны сети и со стороны активного выпрямителя, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) дросселя. Изменяя с помощью системы управления АВ параметры основной гармоники его переменного напряжения на сетевых зажимах, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу АФГ с заданным значением коэффициента мощности, например равным единице, либо емкостным, либо индуктивным коэффициентом мощности. Поэтому АФГ с активным выпрямителем в принципе может быть использован в системе электроснабжения либо как нейтральный элемент, либо как источник, либо как потребитель реактивной мощности.

Алгоритмы управления активным фильтром гармоник

Основным алгоритмом анализа гармоник и выделения сигнала ошибки для управления фильтром является разложение общего сигнала на высшие гармонические составляющие c использованием быстрого преобразования Фурье и выделение из общего сигнала сигналов основной частоты и высших гармоник.

Анализ входящих аналоговых сигналов

Получение дискретизации сигнала осуществляется встроенным в микроконтроллер АЦП. Чтобы взять дискретизацию за 1 период сигнала с частотой 50Гц, через равные промежутки времени АЦП со всех каналов синхронно снимает выборки (условно, т.к. время взятие одной выборки пренебрежимо мало по отношению к интервалу между точками дискретизации). В качестве триггера АЦП выступает аппаратный таймер контроллера.

Расчет спектра сигнала

Спектр сигнала получается выполнением прямого Дискретного Преобразование Фурье (ДПФ). Для вычисления спектра на микроконтроллере в реальном времени, используется Быстрое Преобразование Фурье БПФ.

Алгоритм быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье (ДПФ) позволяет вычислять спектр сигнала за существенно меньшее количество операций. Сложность БПФ , против  у ДПФ.

Когда в дискретизации нет целого числа периодов синусоидального сигнала, разрывы, которые образуются в конечных точках выборки, приводят к расширению спектра анализируемого сигнала вследствие появления дополнительных гармоник.

В случаях когда полученная дискретизация содержит не целое количество периодов, краевые точки не будут совпадать. В этом случае спектр полученный применением БПФ, не будет верным, т. к. из-за изменения временного интервала основные гармоники перераспределяются по высшим частотам. Это влечет за собой расчет гармоник, которых на самом деле не содержится в сигнале и которые могут значительно превышать частоту Найквиста.

Из теоремы Котельникова следует, что при дискретизации аналогового сигнала потерь информации не будет только в том случае, если наивысшая частота полезного сигнала равна половине или меньше частоты дискретизации. В противном случае при восстановлении аналогового сигнала будет иметь место наложение спектральных «хвостов» (подмена частот, маскировка частот, алиасинг).

Это выглядит будто амплитуда с одних гармоник растекается по другим. Для минимизации эффекта растекания спектра применяется техника оконного преобразования.

Так как в случае изменения частоты сети период сигнала так же незначительно изменяется необходимо изменение размерности дискретизации, для этого применяется интерполяция сигнала. Для уточнения расчета спектра сигнала, снятую с АЦП дискретизацию необходимо интерполировать по количеству точек и по времени для передачи в расчет ДПФ, так как расчет ДПФ выполняется только на дискретизациях размерности кратной 2.

Так же с помощью интерполяции можно эффективно решать проблему растекания спектра, при условии, что временной интервал дискретизации близок к измеряемому периоду.

Блок управления выполняет следующие операции:

 Опыт эксплуатации АФГ в действующих электроустановках

Лабораторные испытания АФГ-25 и АФГ-100 при мощности нелинейной нагрузки соизмеримой с установленной мощностью фильтра подтвердили возможность устойчивой работы разработанных изделий в электроустановках с изменяемой по величине нелинейной нагрузкой типа: неуправляемый выпрямитель различной пульсности. Удалось достичь существенного улучшения синусоидальности потребляемого тока и кривой напряжения в точке присоединения АФГ (см. рисунок 4).

После включения АФГ в работу (появление сигнала тока компенсации) форма кривой тока со стороны источника электроэнергии стала практически синусоидальной при неизменной существенно несинусоидальной кривой тока нагрузки.

Некоторые результаты проведенных испытаний на функционирование АФГ приведены ниже. Показания приборов ПКЭ во время испытаний до и после включения АФГ в работу приведены в таблице 2, на рисунке 5 а, б. В результатах приведены доминирующие гармоники.

I1, А

I5, %

I7, %

I11, %

I13, %

I19, %

THD I, %

Комплексная компенсация ВГС Idc= 70А

с АФГ

25,8

1,0

1,1

0,9

<1

 

3,6

без АФГ

24,9

21,5

9,6

7,7

4,9

2,4

25,9

Выборочная компенсация 5-й, 7-й, 11-й гармоники Idc= 70А

с АФГ

26,4

1,4

1,2

1,1

4,3

2,4

8,2

Выборочная компенсация 5-й, 13-й гармоники Idc= 70А

с АФГ

26,3

1,4

9,9

7,3

0,9

2,4

11,1

где THDI - Коэффициент нелинейных искажений по току

Idc - ток потребляемый нагрузкой от управляемого выпрямителя

I1- ток основной гармоники

IN - ток гармоники, где N-порядок гармоники

Заказать звонок