Содержание к диссертации
Введение
1. Актуальность проблемы качества электроэнергии в сетях электроснабжения 0,4 - 10 кВ
1.1. Несинусоидальные режимы в сетях 0,4 - ЮкВ 13
1.2. Влияние высших гармоник на эффективность электроснабжения... 16
1.3. Источники высших гармоник в электрических сетях 18
1.4. Анализ качества напряжений и токов в сетях электроснабжения предприятий АПК (на примере ряда хозяйств центральных районов Красноярского края)
1.5. Выводы по главе 1 34
2. Спектральный анализ установившихся несинусоидальных режимов в электрических сетях 0,4-ЮкВ
2.1.Гармонический анализ цепей с вентильными преобразователями... 35
2.2 Модели коммутируемых устройств 36
2.3. Анализ спектрального состава токов и напряжений в сетях с вентильными преобразователями
2.4. Анализ цепей с вентильными преобразователями 42
2.5. Модели вентильных преобразователей для гармонических составляющих токов и напряжений
2.6. Энергетические соотношения при несинусоидальных режимах 51
2.7. Выводы по главе 2 з
3. Синтез пассивных фильтрокомпенсирующих устройств
3.1. Общие свойства пассивных фильтрокомпенсирующих устройств... 61
3.2. Процедура синтеза пассивных фильтрокомпенсирующих устройств
3.3. Расчет пассивных фильтрокомпенсирующих устройств для линий электроснабжения 0,4-10 кВ
3.4. Компенсация высших гармоник в сетях с осветительной нагрузкой 3.5.Практические рекомендации по расчету и проектированию пассивных фильтрокомпенсирующих устройств 3.6. Выводы по главе 3 90
4. Адаптивные алгоритмы управления качеством 92 электроэнергии в сетях 0,4-10 кВ
4.1. Общая характеристика активных фильтров гармоник 92
4.2. Классификация активных фильтрокомпенсирующих устройств 95
4.3. Алгоритмы формирования управляющих сигналов для силовой части активных фильтрокомпенсирующих устройств
4.4. Адаптивный алгоритм управления характеристиками активных фильтрокомпенсирующих устройств
4.5. Анализ характеристик режекторного цифрового фильтра,используемого в системе формирования управляющего сигнала
4.6. Методика экспериментальных исследований предложенного алгоритма
4.6.1. Описание экспериментальной установки 112
4.6.2. Эксперименты и расчеты 115
4.7. Выводы по главе 4 130
5. Заключение 132
Библиографический список
- Источники высших гармоник в электрических сетях
- Модели вентильных преобразователей для гармонических составляющих токов и напряжений
- Расчет пассивных фильтрокомпенсирующих устройств для линий электроснабжения 0,4-10 кВ
- Алгоритмы формирования управляющих сигналов для силовой части активных фильтрокомпенсирующих устройств
Введение к работе
Актуальность проблемы. Характерной особенностью современных систем электроснабжения является увеличение числа потребителей с нелинейными вольт-амперными характеристиками, создающих при своей работе токи и напряжения несинусоидальной формы, которые можно представить в виде суммы гармоник с частотами, кратными основной частоте питающей сети.
Высокий уровень содержания гармоник отрицательно влияет на
эффективность работы промышленного электрооборудования,
вычислительной техники, бытовых приборов, приводит к увеличению потерь электроэнергии, вызывает ускоренное старение изоляции. В связи с этим вопросам компенсации высших гармоник в электрических сетях уделяется значительное внимание.
Для обеспечения требуемого качества электрической энергии необходимо проведение комплекса организационных и технических мероприятий, включающих раздельное питание мощных нелинейных нагрузок, увеличение числа фаз в выпрямительных устройствах и т.д. Однако наибольший эффект дает использование специальных компенсирующих устройств - активных и пассивных фильтров гармоник.
Проблеме компенсации высших гармоник посвящены работы отечественных и зарубежных специалистов: Агунова А. В., Агунова М. В., Акаги X., Веникова В. А., Диксона Дж., Жежеленко И. В., Лабунцова В. А., Поссе А. В., Пенга Ф., Розанова Ю. К., Шидловского А. К., Чарнецки Л., Эмманюэля А. и других. Однако в большинстве работ рассматривается влияние на качество электроэнергии только крупных промышленных потребителей. Дополнительным фактором, способствующим ухудшению качества электроэнергии, является развитие энергосберегающих технологий, использование возобновляемых источников энергии, широкое распространение многочисленных распределенных нелинейных нагрузок малой мощности, характеристики которых могут быстро изменяться.
Основными фильтрокомпенсирующими устройствами в настоящее время являются пассивные фильтры гармоник (ПФГ). Недостаток пассивных фильтров заключается в возможности возникновения резонанса токов в параллельном колебательном контуре, образуемом фильтром и индуктивностью питающей сети, на частотах, близких к частотам высших гармоник. Поэтому при проектировании таких устройств очень важно контролировать частотную характеристику системы фильтр - питающая сеть во всем диапазоне частот. Однако большинство существующих методов проектирования позволяет контролировать частотные характеристики фильтров только на частотах резонансов отдельных ветвей.
Активные фильтры гармоник (АФГ) являются новыми и значительно более сложными устройствами, чем их пассивные аналоги. Многие вопросы
теории и практики применения этих устройств в электрических сетях 0,4-10 кВ еще не решены.
Сказанное требует дальнейшего развития методов анализа несинусоидальных режимов и проектирования пассивных и активных фильтрокомпенсирующих устройств для электрических сетей 0,4-10 кВ, совершенствования алгоритмов управления такими устройствами.
Цель работы - улучшение качества электроэнергии в сетях электроснабжения 0,4 - 10 кВ за счет совершенствования методов и средств компенсации высших гармоник.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
Проанализировать гармонический состав токов и напряжений в сетях электроснабжения 0,4-10 кВ (на примере ряда хозяйств агропромышленного комплекса Красноярского края).
Разработать метод анализа установившихся несинусоидальных режимов в сетях с вентильными преобразователями.
Разработать методы проектирования пассивных фильтрокомпенсирующих устройств на основе общей теории синтеза реактивных четырехполюсников.
Исследовать и развить адаптивные методы формирования управляющих сигналов для активных фильтрокомпенсирующих устройств.
Объект исследования.
Распределительные сети напряжением 0,4 - 10 кВ.
Предмет исследования.
Качество электроэнергии в распределительных электрических сетях и методы компенсации высокочастотных гармонических составляющих.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы основные положения теоретической электротехники, аппарат современных методов анализа и синтеза электрических цепей, элементы матричной алгебры, математического анализа, методы спектрального анализа. Теоретические решения сочетались с измерениями, экспериментальными исследованиями на основе имитационного моделирования, а также проверкой результатов с помощью современного программного обеспечения (пакеты MatLab, PSpice, среда визуального программирования Lab View).
Научная новизна:
1. Предложен метод анализа установившихся несинусоидальных режимов в сетях с вентильными преобразователями, основанный на спектральном представлении переменных и законов управления коммутируемыми элементами.
2. Разработан метод расчета пассивных фильтрокомпенсирующих устройств (ПФКУ), основанный на представлении фильтра в виде реактивного четырехполюсника, нагруженного на сопротивление питающей
сети. Это позволяет использовать для проектирования ПФКУ хорошо разработанные методы синтеза пассивных цепей.
3. Предложен адаптивный метод управления характеристиками активных фильтрокомпенсирующих устройств, использующий алгоритмы цифровой обработки сигналов.
Практическая значимость проведенных исследований заключается в следующем:
На основе предложенного метода анализа установившихся несинусоидальных режимов в сетях с вентильными преобразователями разработано программное обеспечение для расчета гармонического состава токов и напряжений.
На основе предложенного метода синтеза пассивных фильтров гармоник разработана инженерная методика проектирования пассивных фильтрокомпенсирующих устройств.
С помощью разработанной методики спроектированы пассивные фильтры для компенсации высших гармоник в сетях с осветительной нагрузкой. Выполнены расчеты пассивных фильтрокомпенсирующих устройств для типовых нелинейных нагрузок. Разработаны практические рекомендации по реализации систем компенсации высших гармоник.
Предлагаемый метод формирования управляющих сигналов для активных фильтрокомпенсирующих устройств не требует предварительной настройки АФКУ на спектр сетевых частот. Его характеристики могут изменяться в режиме реального времени при изменении спектров несинусоидальных напряжений и токов.
Достоверность полученных научных положений подтверждается их сравнением с результатами, полученными при моделировании и расчете с помощью апробированного программного обеспечения, результатами экспериментальных исследований, а также результатами, полученными другими авторами.
Основные положения, выносимые на защиту.
Процедура синтеза пассивных фильтров гармоник, позволяющая контролировать частоты параллельных резонансов системы фильтр-питающая сеть, что дает возможность исключить резонансное усиление гармоник.
Адаптивный метод управления характеристиками активных фильтрокомпенсирующих устройств, основанный на использовании алгоритмов цифровой обработки сигналов, не требует предварительной настройки фильтра на спектр сетевых частот. Характеристики фильтра могут изменяться в режиме реального времени при изменении спектров несинусоидальных напряжений и токов.
Метод анализа установившихся несинусоидальных режимов в сетях с вентильными преобразователями, который позволяет определить
гармонический состав напряжений и токов без проведения анализа во временной области.
Апробация работы. Результаты работы докладывались автором на научно-технических конференциях, семинарах и симпозиумах:
Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире», г. Красноярск, 2010 г.
9-м международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, С.-Петербург, 2011г.
Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы энергетики АПК», Саратов, 2010-2011 г.
XII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города», г. Красноярск, 2011г.
Межкафедральных семинарах Института энергетики и управления энергоресурсами АПК КрасГАУ в 2009 - 2011 годах.
6. Научных конференциях Красноярского государственного аграрного
университета в 2009-2011 годах.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в четырнадцати статьях, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора. Научные и практические результаты диссертации, положения, выносимые на защиту, разработаны и получены автором. Разработка и реализация общей научной идеи выполнена при участии научного руководителя.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 14 таблиц, 4-х приложений и библиографического списка использованной литературы из 105 наименований. Работа содержит 144 страницы основного текста, приложения - 36 страниц.
Источники высших гармоник в электрических сетях
Результаты исследования режимов трехфазных четырехпроводных сетей, основной нагрузкой которых являются однофазные выпрямители с емкостными сглаживающими фильтрами и люминесцентные лампы с электронным балластом, приведены в [82,90]. Серьезной проблемой таких систем являются большие уровни токов нейтрального провода даже при симметричной нагрузке. Преобладающими являются составляющие, имеющие частоту третьей гармоники, а они суммируются в нейтральном проводе. Дополнительным фактором, приводящим к еще большему увеличению тока в нейтральном проводе, может быть иесимметрия нагрузки. Это приводит к увеличению неконтролируемых потерь и в ряде случаев - к авариям, вызванным перегоранием нейтрального провода. Кроме того, большие уровни токов третьей гармоники приводит к дополнительному нагреву обмоток трансформаторов и повреждению их изоляции. В [90] отмечено, что включение компенсирующих конденсаторов приводит к увеличению коэффициента мощности и уменьшению фазных токов, имеющих частоту основной гармоники. Однако на величину тока в нейтральном проводе включение конденсаторов практически не влияет. Поскольку нагрузки в жилом секторе в подавляющем большинстве случаев однофазные, ток нейтрального провода может значительно превышать фазные токи даже при симметричной нагрузке. Например, если нагрузкой являются двухполупериодные выпрямители одинаковой мощности, включенные в каждую фазу, ток в нейтральном проводе в л/З раз превышает фазные токи. Это приводит к значительным дополнительным потерям. Весьма вероятны перегрев и разрушение нулевых проводников линий вследствие их перегрузки токами третьей гармоники. Ведь для нулевого провода никакими нормативными документами не предусматриваются аппараты защиты. Для обеспечения надежного электроснабжения в таких сетях требуется увеличение сечения нейтрального проводника.
Следует отметить, что внедрение энергосберегающих технологий стимулирует дальнейщий рост доли нелинейных нагрузок. Это может приводить к ухудшению качества электроэнергии для всех потребителей. Подробный анализ динамики роста нелинейных нагрузок, проведенный в [77], показал, что в последние годы проблема становится все более острой.
В современных условиях развития, все большее внимание уделяется использованию в бытовых устройствах и в промышленности так называемых «возобновляемых источников энергии». Имеются в виду источники электроэнергии прямого преобразования (гальванические, электрохимические элементы, термоэлектрические элементы) и источники с промежуточным преобразованием (ветроэнергетические преобразователи). Общей отличительной особенностью всех этих устройств является то, что электроэнергия в них вырабатывается в виде постоянного тока. В качестве интерфейсов между такими источниками и сетью используют инверторы тока. А инверторы, в свою очередь, в силу того, что имеют нелинейную вольтамперную характеристику, являются генераторами высших гармоник сети. Более подробно этот вопрос рассматривается в работах [45,47,67].
Рассмотрим подробнее те устройства, которые вызывают несинусоидальные режимы у сельскохозяйственных потребителей. Осветительные установки: Широкое применение в производственных и бытовых сетях находят светильники с газоразрядными лампами. Их удельный вес в осветительной нагрузке отдельных производств доходит до 80-85%. Такие лампы являются энергосберегающими, и, следовательно, их доля, в общем и специальном освещении, будет только возрастать. Но наряду с таким положительным показателем, как энергосбережение, такие лампы имеют существенный недостаток. Они имеют нелинейную вольтамперную характеристику цепи дугового разряда, которая вносит искажения в форму кривой тока, потребляемого из сети. Следует отметить, что светильники с газоразрядными лампами генерируют гармоники высших порядков в питающей сети даже при полностью симметричной нагрузке. Кроме того, в процессе эксплуатации ламп может возникать так называемый аномальный режим работы, при котором характеристики ламп значительно отличаются от паспортных значений. В спектре тока при этом режиме возникают нечетные гармоники и постоянная составляющая.
Относительная величина гармоник высших порядков (в процентах к 1-й гармонике) приведена в таблице 1.2 [28].
Использование светорегуляторов для ламп накаливания также способствует энергосбережению. Однако светорегуляторы на основе тиристоров имеют нелинейную вольтамперную характеристику регулирующего элемента - тиристора, что приводит к появлению в питающих освещение сетях высших гармоник тока. В основном это третья, пятая и седьмая гармоники. Относительные, (в процентах к току первой гармоники) величины этих гармоник составляют 1,5-11 %. №J
Модели вентильных преобразователей для гармонических составляющих токов и напряжений
Используем метод анализа установившихся режимов в электрических цепях с периодически коммутируемыми элементами, основанный на спектральном представлении переменных цепи и законов управления коммутируемыми элементами. Таким элементами могут быть вентильные преобразователи, управляемые и неуправляемые выпрямители и т.д. Форма напряжений и токов цепи может быть произвольной. Особенности предлагаемого метода заключаются в следующем. 1. Коммутируемые элементы представляются непрерывными моделями, содержащими зависимые источники напряжения и тока. 2. Используется спектральное представление переменных цепи, а также законов управления коммутируемыми элементами. 3. Существенное отличие предлагаемого метода от известных ранее заключается в том, что уравнения цепи формируются не во временной, а в частотной области. Это позволяет упростить анализ за счет исключения этапа формирования дифференциальных уравнений. Анализируемая цепь может содержать индуктивные, емкостные, резистивные элементы, независимые источники, а также коммутируемые элементы. Последние мы будем полагать идеальными. Это означает, что коммутация происходит мгновенно, сопротивление замкнутой ветви равно нулю, а разомкнутой - бесконечно велико.
Представим коммутируемый элемент многополюсником, переменные на внешних зажимах которого связаны компонентными уравнениями [x2]=[M][xJ. Здесь [xj - вектор входных (управляющих), а [хз] - вектор зависимых (выходных) переменных. Рассмотрим модели коммутируемых элементов, которые будут использоваться в дальнейшем. Будем считать, что коммутации в цепи происходят с периодом Т. Переменные цепи (токи, напряжения, законы управления коммутируемыми элементами) являются периодическими функциями времени. Они могут быть представлены рядом Фурье x{t)=1.{X)nе}noh (2.3) п Комплексная амплитуда п-й гармоники 40 Г х)п Гое Л. Частота основной гармоники сох = 2тг/Т. Коэффициент (х) равен среднему значению х(?) за период.
Точность результатов расчета зависит от числа гармоник, учитываемых при анализе. Амплитуды гармоник быстро убывают с ростом их порядкового номера. Кроме того, в большинстве случаев непрерывная подсхема вентильного преобразователя обладает частотно-селективными свойствами и ослабляет амплитуды большинства гармоник. Например, непрерывная подсхема резонансного конвертора представляет собой колебательный контур, настроенный на частоту основной гармоники, поэтому составляющие с частотами, отличными от ю , оказываются пренебрежимо малыми. Поэтому при расчетах в формуле (2.3) достаточно учитывать небольшое число гармоник, чаще всего - одну-две.
Представим анализируемую цепь в виде структуры, показанной на рис. 2.6. Здесь Я- непрерывная часть цепи, М- коммутируемый элемент.
Связь между спектральными составляющими переменных цепи представим компонентными уравнениями. Компонентные уравнения непрерывной части цепи (учтены гармоники с индексами -1, к, к + \) Ы -1 (х0 ! +!_ — diag\H]k_x [Н]к [H]k+l (Х2)к-1 (U)k-l 2 + (uh (Х2)к+\_ (u)t+i (2.4) В уравнении (2.4) (jq), , {х2)к _ комплексные амплитуды гармоник входных (управляющих) и выходных (управляемых) переменных коммутируемого элемента, - матрица иммитансов непрерывной части цепи для к-и гармоники, [(U)k\ - вектор внешних воздействий (токов и напряжений источников). Заметим, что компонентные матрицы пассивных элементов имеют диагональную структуру. При выводе компонентных уравнений для коммутируемых элементов учтем, что умножению функций времени соответствует свертка их спектров: -/)„ = ! )„-,-(/ (2.5) Поэтому компонентное уравнение коммутируемого элемента имеет следующий вид (учтены гармоники с индексами -1, О, 1); X. )! 2/ т\ (т) О\ /-1 т\ (т\ {т) О Н (т) х \ (2.6) В уравнении (2.6) (л:,) , (х2) - комплексные амплитуды гармоник входных (управляющих) и выходных (управляемых) переменных коммутируемого элемента. Заметим, что компонентная матрица в формуле (2.6) имеет теп лицеву структуру. Матрицы такой структуры часто встречаются в задаче спектрального оценивания при использовании параметрических моделей случайных процессов [37]. Таким образом, поведение цепи с коммутируемыми элементами описывается системой бесконечного числа связанных уравнений с постоянными коэффициентами. Фактическое число уравнений зависит от требуемой точности результатов и частотных характеристик непрерывной части цепи. Чем больше коэффициентов ряда Фурье учитывается при анализе, тем более точным будет решение. Эквивалентная схема, соответствующая равенству (2.6), представляет собой связанный многополюсник, имеющий 2п х {2к +1) зажимов. Здесь п -число управляющих переменных коммутируемого элемента, к- число учитываемых гармоник. Решая уравнения (2.4) и (2.6), получим: [Х, ] = ([і] - [я][М]У [U]. (2.7) Система уравнений (2.7) позволяет определить комплексные амплитуды гармоник управляющих переменных.
В приложении 2 выполнена реализация алгоритмов анализа, представленных выше. В качестве среды реализации программного обеспечения выбрана система многоцелевого назначения MatLab [27]. Разработанное программное обеспечение позволит автоматизировать алгоритмы расчета, понять особенности распространения гармоник токов и напряжений в сетях электроснабжения и исследовать влияние конфигурации сети на уровень гармоник. На программу расчета установившихся несинусоидальных режимов получено свидетельство о государственной регистрации [6].
Расчет пассивных фильтрокомпенсирующих устройств для линий электроснабжения 0,4-10 кВ
Основным средством уменьшения уровня высших гармоник в сетях электроснабжения является использование фильтрокомпенсирующих устройств. Это пассивные и активные фильтры гармоник [62-64,95].
Пассивный фильтр гармоник (ПФГ) представляет собой пассивную частотно-селективную цепь, обеспечивающую подавление или ослабление высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой. Основными достоинствами пассивных фильтров являются их простота и экономичность. Они дешевы, не требуют регулярного обслуживания, могут выполнять одновременно несколько функций: подавление гармоник, коррекция коэффициента мощности, уменьшение провалов напряжения при пуске мощных электродвигателей [95].
Недостаток пассивных фильтров заключается в возможности возникновения резонанса токов в параллельном колебательном контуре, образуемом фильтром и индуктивностью питающей сети, на частотах, близких к частотам высших гармоник. Другой недостаток ПФГ - через пассивный фильтр, устанавливаемый вблизи определенной нелинейной нагрузки, могут замыкаться токи гармоник других нелинейных потребителей, что может вызвать перегрузку отдельных элементов фильтра.
Активный фильтр гармоник представляет собой коммутируемое устройство, выполняющее одновременно несколько функций; подавление высших гармоник, коррекцию коэффициента мощности, снижение фликкера. В качестве коммутируемых элементов в активных фильтрах используются преимущественно мощные МОП-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Значительный прогресс, достигнутый в последние годы в совершенствовании характеристик силовых полупроводниковых приборов, а также уменьшение их стоимости привели к тому, что в ряде случаев активные фильтры гармоник становятся конкурентоспособными с их пассивными аналогами. Тем не менее, благодаря своей простоте и экономичности пассивные фильтры гармоник остаются основным видом фильтрокомпенсирующих устройств.
В настоящей главе проведен сравнительный анализ частотных характеристик основных структур пассивных фильтров гармоник, исследовано влияние питающей сети на характеристики фильтров, предложен регулярный метод проектирования фильтров гармоник, основанный на использовании методов синтеза реактивных четырехполюсников.
Представим систему фильтр гармоник - питающая сеть эквивалентной схемой, показанной на рис. 3.1. Здесь Zc=Rc+jmLc “ комплексное сопротивление сети со стороны шин, к которым присоединена нелинейная нагрузка, Z - комплексное сопротивление фильтра. Нелинейная нагрузка на частоте к-и гармоники моделируется источником тока JT. Будем считать, что питающая сеть линейна и не создает высшие гармоники, а ее параметры Zc и Rc постоянны и не зависят от частоты.
Комплексные сопротивления фильтра и сети на рис. 3.1 образуют делитель тока, коэффициенты передачи которого нАі(о) = л-= -с ; (3.1) Я( ) = / = - -; (3.2) Jr 2ГФ + Zc Коэффициенты Hjjd)) и ЯС(/Й ) определяют распределение тока к-й гармоники между фильтром и внешней сетью. Для коэффициентов распределения справедливо равенство: ЯфС/fflf +\Hc(jnf =1 Из формул (3.1) и (3.2) следует, что на передачу тока k-й гармоники во внешнюю сеть влияют не только характеристики фильтра, но и частотная характеристика сети. Для эффективного подавления тока к-й гармоники значение коэффициента Яс(усо) на частоте этой гармоники должно быть близко к нулю. Простейшим пассивным фильтром является компенсирующий конденсатор, включаемый параллельно нагрузке для компенсации реактивной мощности. Включение в сеть конденсаторов приводит к тому, что емкость СК образует параллельный колебательный контур с индуктивностью питающей сети Lc. Коэффициент передачи тока во внешнюю сеть -a 2LeC + ja)RC + 1 Модуль Hc(jco) имеет максимум на резонансной частоте со = 1/у[ЦС . Величина максимума равна добротности параллельного колебательного контура: Если частота т и частота гармоники, генерируемой нелинейной нагрузкой, близки или совпадают, ток соответствующей гармоники возрастает. При этом может произойти перегрузка компенсирующего конденсатора.
На высоких частотах, когда COXDQ коэффициент Яс(у со) можно представить приближенным выражением тт \ 1 co2ZcC Таким образом, наклон модуля Hc(ja) на частотах, превышающих резонансную, составляет -40 дБ на декаду. В [28] показано, что для эффективного подавления гармоник с помощью компенсирующего конденсатора необходимо, чтобы мощность батареи конденсаторов была сравнима с мощностью питающего трансформатора.
Алгоритмы формирования управляющих сигналов для силовой части активных фильтрокомпенсирующих устройств
Для уменьшения уровня высших гармоник в сетях электроснабжения используют фильтрокомпенсируюшие устройства (ФКУ). Такими устройствами являются пассивные и активные фильтры гармоник (ПФГ и АФГ) [43,44].
Традиционно для подавления высших гармоник в сетях электроснабжения используются пассивные фильтры гармоник (ПФГ). Достоинствами пассивных фильтров являются их простота и экономичность. Основной недостаток пассивных фильтров заключается в том, что они являются статическими устройствами. Их эффективность снижается при изменении гармонического состава токов и напряжений, а также при изменении параметров сети и в этом их основной недостаток. Другой недостаток - возможность возникновения резонанса токов в параллельном колебательном контуре, образуемого фильтром и индуктивностью питающей сети, на частотах, близких к частотам высших гармоник.
В последнее время значительный интерес проявляется к активным фильтрам гармоник (АФГ) [47,63,94]. Такой фильтр представляет собой коммутируемое устройство, характеристики которого формируются с Помощью специального закона управления. Активный фильтр гармоник может выполнять одновременно несколько функций; - подавление высших гармоник; - коррекция коэффициента мощности; - уменьшение фликкера; - коррекция частотных характеристик сети и исключение параллельных резонансов. Такой широкий спектр возможностей активных фильтров гармоник объясняется тем, что они представляют собой адаптивные устройства, характеристики которых изменяются в зависимости от режима работы сети и характеристик нагрузки. Поэтому более точное название таких устройств -активные фильтрокомпенсирующие устройства (АФКУ).
Принцип действия АФКУ основан на том, что они генерируют токи или напряжения гармоник в противофазе с ними, и тем самым компенсируют искажения потребляемых токов. Представим ток нелинейной нагрузки в виде суммы основной и высших гармоник: i{t)=i{(t)+ Yh(t). Ток, генерируемый активным фильтром, должен содержать высшие гармоники, находящиеся в противофазе с высшими гармониками нагрузки: k=2 В результате компенсации ток сети будет иметь практически синусоидальную форму. Значительный прогресс, достигнутый в последние годы в совершенствовании характеристик силовых полупроводниковых приборов, а также уменьшение стоимости последних делают активные фильтры гармоник конкурентоспособными с их пассивными аналогами. АФКУ используются на транспорте, а также крупными коммерческими и офисными потребителями [45,46,63].
Следует отметить, что силовые активные фильтры гармоник не имеют ничего общего с активными 7?С-фильтрами, используемыми в системах телекоммуникации для обработки сигналов.
Активные фильтрокомпенсирующие устройства классифицируют по следующим признакам [62,63,101]. По конфигурации силовой части: - инверторы с индуктивным накопителем; - инверторы с емкостным накопителем; По числу фаз: - однофазные; - трехфазные трехпроводные; - трехфазные четырехпроводные. По способу включения в сеть: - последовательные; - параллельные; - комбинированные; - гибридные. По способу формирования сигналов управления силовой частью: - в частотной области; - во временной области. Рассмотрим подробнее приведенную классификацию АФКУ. Силовая часть АФКУ представляет собой инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Последовательно с инвертором включают сглаживающий фильтр (рис. 4.1, 4.2). На выходе инвертора формируется ток и, изменяющийся по закону, задаваемому системой управления. На ранних этапах развития АФКУ в качестве коммутируемых элементов использовались тиристоры и биполярные транзисторы. Позднее их заменили силовые мощные МОП-транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Накопителями энергии в инверторе на стороне постоянного тока являются конденсаторы или реакторы. Схемы с емкостным накопителем имеют определенные техники-экономические преимущества и чаще используются на практике [45].
Преобразование управляющего сигнала в закон переключения вентилей инвертора может быть выполнено с помощью релейного управления или широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Релейное, или гиетерезисное управление заключается в том, что на входы компаратора, имеющего симметричную петлю гистерезиса, поступают сигналы, пропорциональные желаемому и реальному токам компенсатора. На выходе компаратора формируется сигнал, пропорциональный выходному току компенсатора с точностью, равной ширине петли гистерезиса. С выхода компаратора управляющий сигнал поступает на управляющие входы вентилей инвертора.
При использовании ТТТИМ для формирования управляющих сигналов желаемый сигнал сравнивается с опорным пилообразным сигналом. На выходе компаратора формируются импульсы, длительность которых пропорциональна амплитуде желаемого напряжения.
Структурная схема, иллюстрирующая последовательное включение АФКУ, показана на рис.4.3. Инвертор включается в сеть с помощью согласующего трансформатора. При последовательном включении АФКУ является источником дополнительной ЭДС, компенсирующей высшие гармоники напряжения в сети. Последовательные АФКУ не могут компенсировать токи гармоник, порождаемых нагрузками, эквивалентными источнику тока. Поэтому они используются совместно с пассивными фильтрами гармоник в гибридных фильтрокомпенсирующих устройствах.
Параллельное включение АФКУ показано на рис. 4.4. Параллельный фильтр генерирует в сеть несинусоидальный ток, компенсирующий спектр высших гармоник тока нагрузки. Параллельные схемы используются для компенсации гармоник тока, компенсации реактивной мощности, уменьшения небаланса токов, выбросов и провалов напряжения. Они устанавливаются на шинах, к которым подключена нелинейная нагрузка.
