Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема несинусоидальности кривых тока и напряжения в системах электроснабжения и способы ее решения 9
1.1. Источники высших гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения 9
1.2. Влияние высших гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения на работу электрооборудования 18
1.3. Электромагнитная совместимость и показатели качества электроэнергии 25
1.4. Существующие способы снижения высших гармоник в системах электроснабжения 36
Выводы по главе 1 40
Глава 2. Анализ существующих схем силовых фильтров высших гармоник 41
2.1. Основные типы силовых фильтров 41
2.1.1. Пассивные фильтры высших гармоник 41
2.1.2. Силовые активные фильтры высших гармоник 47
2.1.3. Гибридные фильтры высших гармоник 50
2.2. Комбинированный фильтр 59
2.3. Гибридный фильтр с компенсирующим трансформатором 63
Выводы по главе 2 66
Глава 3. Разработка математической модели гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором 67
3.1. Общая структура гибридного фильтра с КТ 67
3.2. Разработка математической модели активной части 68
3.2.1. Разработка математической модели компенсирующего трансформатора 68
3.2.2. Разработка математической модели усилителя 74
3.2.3. Определение граничных условий 81
3.3. Разработка математической модели пассивной части 83
3.3.1. Расчет основных параметров датчика тока и компенсирующего-трансформатора '
3.3.2. Расчет емкости пассивной части 85
Выводы по главе 3 '..'..'. 86
Глава 4. Разработка компьютерной модели гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором 87
4.1. Выбор среды моделирования 87
4.2. Разработка структуры модели 89
4.3. Расчет параметров модели 93
4.4. Результаты моделирования 96
Выводы по главе 4 103
Глава 5. Параметров гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором 104
5.1. Выбор параметров оптимизации 104
5.2.0птимизация параметров конденсатора пассивной части 105
5.3.Оптимизация параметров датчика тока 115
5.4.0птимизация параметров компенсирующего трансформатора 118
5.5.0птимизация коэффициентов трансформации КТ и ДТ 119
5.6. Разработка методики расчета и выбора параметров гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором 130
Выводы по главе 5 133
Заключение 135
Приложение 137
Список литературы 138
- Существующие способы снижения высших гармоник в системах электроснабжения
- Разработка математической модели компенсирующего трансформатора
- Выбор параметров оптимизации
- Разработка методики расчета и выбора параметров гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором
Введение к работе
На современных промышленных предприятиях значительное
распространение получили, нагрузки, вольт- или вебер-амперные
характеристики которых нелинейны. Обычно такие нагрузки называют
'' ' Hi I' нелинейными. К их числу относятся в первую очередь различного рода
вентильные преобразователи, установки дуговой и контактной
электросварки, электродуговые сталеплавильные (ЭДСП) и
руднотермические печи, газоразрядные лампы, силовые магнитные
усилители и трансформаторы. Эти нагрузки потребляют из сети ток,
кривая которого оказывается несинусоидальной, а во многих случаях и*
непериодической; в результате возникают нелинейные искажения кривой
напряжения сети или, другими словами, несинусоидальные режимы.
В< ЭЛеКТрИЧеСКИХ- СеТЯХ ПОЯВЛЯЮТСЯ ВЫСШИе ГарМОНИКИ ТОКОВ' и
напряжений, которые при несинусоидальных режимах неблагоприятно сказываются- на работе силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Возникающие в результате воздействия высших гармоник экономические ущербы обусловлены, главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электрических сетей и сокращением срока службы электрооборудования. В некоторых случаях имеет место ухудшение качества и уменьшение количества- выпускаемой продукции. Высшие гармоники приводят к ухудшению общей электромагнитной обстановки в электросетях, поэтому прогрессирующее внедрение вентильного электропривода и электротехнологии обусловило важность и актуальность решения проблемы высших гармоник в электрических сетях систем электроснабжения (СЭС).
Основной круг вопросов, составляющих содержание этой проблемы, сводится к следующим: оценка электромагнитной совместимости (ЭМС)
источников высших гармоник и других нагрузок, т. е. влияния гармоник на электроустановки, и возникающего при этом экономического ущерба; количественная оценка высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками, и прогнозирование значений высших гармоник тока и напряжения в электрических сетях; снижение уровней высших гармоник.
Одним* из традиционных способов снижения несинусоидальности кривых тока и напряжения является использование пассивных фильтров. Пассивные фильтры представляют собой LC-цепи, настроенные в резонанс на частоты высших гармоник. Главным достоинством пассивных фильтров является низкая стоимость. Однако, наличие ряда серьезных недостатков таких, как низкая добротность, технологический разброс параметров реакторов и конденсаторов фильтра, возможность возникновения опасных резонансных явлений и негативное влияние на переходные процессы в системах электроснабжения при установке фильтра привели к ограниченному использованию пассивных фильтров.
С развитием средств силовой электроники появилась возможность создания' силовых активных фильтров высших гармоник. Имея в своей основе четырехквадрантный преобразователь на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах, активный фильтр обеспечивает высокую эффективность фильтрации^ высших гармоник. Однако широкое применение* активных фильтров ограничивает их высокая стоимость, связанная с большойустановочной мощностью.
В' связи с этим, наиболее перспективным» направлением является разработка силовых гибридных фильтров, представляющих собой комбинацию пассивного фильтра и активного элемента на базе маломощного активного фильтра. Практика применения силовых фильтров показывает, что в большинстве случаев в СЭС необходимо подавлять одну или несколько высших гармонических составляющих. Не имея недостатков пассивного
фильтра, силовой гибридный фильтр позволяет решить данную задачу при существенно меньшей стоимости устройства по сравнению с активным фильтром. Однако, существующие силовые гибридные фильтры имеют ряд недостатков, которые снижают эффективность их работы и повышают стоимость.
Поэтому совершенствование существующих гибридных фильтров и разработок на их основе устройств, позволяющих существенно снизить уровень высших гармоник тока и напряжения в трехфазных сетях переменного тока, является актуальной задачей.
Целью работы является разработка гибридного силового фильтра с улучшенными характеристиками для трехфазных сетей переменного тока.
Для достижения поставленных целей в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:
- разработать принципиальную схему гибридного фильтра с
компенсирующим трансформатором (КТ);
составить математическую модель и провести схемо-техническое моделирование гибридного фильтра с КТ;
провести оптимизацию параметров пассивной и активной частей гибридного фильтра с КТ;
- оценить эффективность работы предлагаемого фильтра.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач
использовались методы, принятые в электротехнике, теориях электрических фильтров и сетей. Для компьютерного моделирования использовался программный комплекс MatLab-Simulink.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов. Справедливость теоретических положений и математических расчетов подтверждена результатами компьютерного моделирования и сравнения полученных теоретических и экспериментальных результатов, расхождение не превысило 10%.
Научная новизна заключается в следующем:
- предложена принципиальная схема гибридного фильтра с
компенсирующим трансформатором (КТ);
- разработана математическая модель активной и пассивной частей
гибридного фильтра с КТ;
- показано, что компенсирующий трансформатор работает по
принципу активного двухполюсника, управляемого с его вторичной
стороны;
предложено для уменьшения мощности активной части в канале активной фильтрации ввести пассивный фильтр основной гармоники 50Гц;
разработана компьютерная модель гибридного фильтра с КТ;
получено семейство характеристик, позволяющее проводить выбор оптимальных коэффициентов трансформации датчика тока (ДТ) и КТ;
показана эффективность работы гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором, пассивная часть которого включает конденсатор, а в качестве индуктивности используется КТ;
- разработана инженерная методика расчета и оптимизации
параметров гибридного фильтра с КТ.
Практическая ценность результатов работы
разработана схема силового гибридного фильтра с КТ для трехфазных сетей 0,4кВ;
показано, что для оценки* ЭМС в сетях 0,4кВ необходимо пользоваться нормами по эмиссии индивидуальными или групповыми ТС высших гармоник тока, а не напряжения;
- составлен алгоритм выбора оптимальной емкости пассивной части
гибридного фильтра с КТ, показано, что емкость выбирается из условия
резонанса, а компенсация реактивной мощности осуществляется за счет
конденсаторов, установленных в цепи пассивных резонансных контуров;
- включение в схему резонансного фильтра основной гармоники
позволяет уменьшить мощность активной части гибридного фильтра с КТ
на 15-20%;
- разработаны алгоритмы расчета трансформатора тока и
компенсирующего трансформатора;
оптимизация параметров фильтра позволяет снизить мощность активной части до 13% от мощности искажений;
предложенная модель гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором позволяет проводить оптимизацию параметров фильтра и оценивать уровень высших гармоник в питающей сети;
- сравнение разработанного гибридного фильтра с комбинированным
фильтром показало, что при одинаковых коэффициентах искажения
синусоидальности токов в питающей сети, мощность активной части
гибридного фильтра с КТ на 30% меньше, чем у комбинированного
фильтра.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались:
- на ежегодных научно-технических конференциях, Москва, 2005-
2007.
- на заседаниях кафедры Электроснабжения Промышленных
Предприятий.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, 1 из которых опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы из 72 наименований и 1 приложения. Общий объем составляет 144 страницы текста компьютерной верстки.
Существующие способы снижения высших гармоник в системах электроснабжения
Для снижения высших гармоник в электрических сетях существуют два основных метода: рациональное построение сети и улучшение формы кривой тока, потребляемого нелинейной нагрузкой из питающей сети.
Рациональное построение сети включает в себя:
! Увеличение установочной мощности трансформаторов СЭС.
Применение специальных разделительных трансформаторов. Разделительные трансформаторы имеют обмотки "треугольник-звезда", что позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при условии симметричной нагрузки. Для того, чтобы снизить влияние несимметрии нагрузки и уменьшить ток нейтрали используют специальную систему обмоток, называемую "перекрестной" или зигзагообразной; В зигзагообразной системе обмоток вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора;
Выделение нелинейной нагрузки на отдельные секции шин.
Подключение нелинейной нагрузки с наибольшей S . Помимо рационального построения СЭС снижение уровней высших гармоник достигается за счет использования потребителей с улучшенным гармоническим составом потребляемого тока и дополнительных устройств - фильтров высших гармоник, подключаемых к СЭС /1,4,5/. Эти способы используются, как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации.
Улучшение гармонического состава потребляемого тока обеспечивается специальными схемотехническими решениями и усовершенствованием алгоритмов управления преобразователями /1,2/.
В; частности, в преобразователях используют специальные трансформаторы, благодаря которым подавляются, как четные, так и нечетные гармоники. Однако, этот способ весьма дорогостоящий, поскольку требует специального трехобмоточного трансформатора и систему отбора высших гармоник с заграждающим фильтром /1,2/.
Распространенным способом улучшения гармонического состава потребляемого тока выпрямителей является использование многомостовых схем с одним или двумя и более трансформаторами, имеющими разные группы соединения обмоток /4,5/. Недостатком увеличения числа фаз выпрямителя, является существенное усложнение схемы и алгоритмов управления; отрицательно влияющие на надежность работы выпрямителя.
Другим способом улучшения гармонического состава потребляемого тока является использование в составе выпрямителей специальных устройств - корректоров мощности, обеспечивающих выпрямителю синусоидальность входного тока с одновременным повышением коэффициента мощности на основной частоте III.
В настоящее время существует большое разнообразие схем выпрямителей с корректорами мощности, как однофазных, так и трехфазных, при этом корректоры выполнены на базе различных схем импульсных регуляторов постоянного напряжения. В последнее время появились, и электронные балласты с корректорами мощности III.
Среди современных способов.снижения несинусоидальности входного тока также стоит выделить создание выпрямителей- на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах. Для управления выпрямителем применяется ШИМ, тем самым обеспечивая синусоидальность входного тока.
В целом/применение потребителей с улучшенным гармоническим-составом входного тока является- весьма перспективным, однако высокая стоимость, связанная с увеличением количества компонентов в составе устройства, более сложными алгоритмами управления и использованием новейших технологий препятствует широкому распространению подобных потребителей. Что касается рационального построения СЭС, то оно-ограничено в основном стадией проектирования. Таким образом, в связи с резким ростом числа нелинейных потребителей в существующих СЭС, уменьшение содержания высших гармоник не представляется1 возможным, без использования специальных устройств - фильтров высших гармоник /4,5,21-49/ Они используются- для снижения несинусоидальности тока и напряжения, вызываемой как отдельным потребителем, так и группой» потребителей. Существует несколько видов силовых фильтров высших гармоник:
- пассивные фильтры высших гармоник;
- активные фильтры высших гармоник;
- гибридные фильтры высших гармоник, Создание силовых активных и регулируемых фильтров высших гармоник стало возможным, также благодаря бурному развитию силовой электроники. Активные фильтры сочетают себе высокую эффективность и разнообразие выполняемых задач. Гибридные фильтры позволяют повысить эффективность работы и расширить функции традиционных пассивных фильтров, имея при этом малую установочную мощность силового электронного регулятора.
Поэтому для дальнейших исследований из рассматриваемых средств снижения уровня высших гармоник в сетях общего назначения выбраны силовые фильтры.
Разработка математической модели компенсирующего трансформатора
В предлагаемой к анализу схеме гибридного фильтра из пассивных элементов используется только конденсатор, а активным является, компенсирующий трансформатор /40/. В таком фильтре происходит резонанс напряжений независимо от частоты и величины токовой гармоники, которая проходит через фильтр. При резонансе сопротивление цепи фильтра стремится только к активному значению.
Принцип работы такого фильтра заключается в использовании двух известных методов:
- компенсации в замкнутой схеме (с отрицательной обратной связью);
- компенсации "положительного" падения напряжения на пассивном элементе "отрицательным" выходным напряжением активного элемента, т.е. активный элемент выполняет роль "отрицательного сопротивления".
На рис.3.1 представлена эквивалентная схема включения.гибридного фильтра с КТ в цепи "источник питания Ui - сопротивление сети Zs -источник высших гармоник i0". Фильтр состоит из конденсатора С, рассчитанного на компенсацию реактивной мощности, датчика токовой помехи (ДТ), являющегося датчиком напряжения, управляемого током, и компенсирующего трансформатора КТ. Вторичные обмотки ДТ и КТ связаны между собой усилителем У, имеющим отдельный источник питания.
.Эквивалентная схема включения гибридного фильтра с КТ. Таким образом, датчик тока, компенсирующий трансформатор и усилитель являются каналом активной фильтрации в гибридном фильтре.
3.2 Разработка математической модели активной части
3.2.1 Разработка математической модели компенсирующего трансформатора
Любой трансформатор можно рассматривать: как источник мощности по его вторичной стороне; как входное сопротивление двухполюсника (нагруженного внутри его схемы); как устройство для суммирования магнитных полей первичной и вторичной обмоток.
При анализе гибридного фильтра компенсирующий трансформатор будем рассматривать как входное сопротивление двухполюсника, реализованного на основе схемы двойного питания. Это сопротивление должно быть отрицательным для высших гармоник, генерируемых в питающую сеть нелинейной нагрузкой. Эквивалентная схема компенсирующего трансформатора приведена на рис.3.2. . Эквивалентная схема компенсирующего трансформатора. Уравнения в операторном виде для установившегося режима работы трансформатора можно записать в виде (все величины токов, напряжений, мощностей здесь и далее являются комплексными величинами, если не оговорено иначе): Uz(p) = Jl(p)-R + Il(p)-pL-em(p) (3.1) 0 = I2(p B3 + I2(p)-pL3(p) + I3(p) Z0(p)-eM2(p)±UllO ) (3-2) где: Ix(p),I2(p) - токи в первичной и вторичной обмотках; eMl(p) = pMI2(p) - активное напряжение в первичном контуре, управляемое с вторичного контура; ЄМЇІР) = РЩ(Р) реакция во вторичном контуре, вызванная током первичного контура; М - взаимная индуктивность обмоток трансформатора; Z0O) - комплексное сопротивление нагрузки во вторичном контуре; Z2(p) = R2+pL2+Z0(p) - суммарное комплексное сопротивление вторичного контура; Ud{p) - управляемое напряжение, создаваемое на основе способа рассмотренного ниже. На основании эквивалентной схемы можно составить блок-схему, представленную на рис.3.3.
Выбор параметров оптимизации
Эффективность работы силовых фильтрующих устройств оценивается рядом показателей, основными из которых являются:
- коэффициент искажения синусоидальности по току или
напряжению;
- массогабаритные показатели;
- мощность реактивных элементов пассивной части;
- мощность активной части;
- коэффициент мощности сети costp.
Для гибридных фильтров, в том числе и для. рассматриваемого фильтра с компенсирующим трансформатором, характерным является наличие наряду с высшими гармониками основной гармоники в токе, проходящем через резонансную цепь, обусловленной конечным значением
сопротивления Lv и Cv на частоте 50Гц, где условие cov -Lv = (V#l) не cov-Cv
выполняется. Эта составляющая тока фильтра существенно влияет на мощность усилителя и соответственно на мощность всей системы управления ГФ, добавляя примерно половину всей мощности активной части. Снижение тока основной гармоники приведет в конечном итоге к уменьшению массогабаритных показателей.
Поэтому для оптимизации параметров гибридного фильтра были выбраны следующие показатели:
- коэффициент искажения синусоидальности тока сети, зависящий как от параметров пассивной части, так и от параметров активной части;
- мощность активной части, значение которой должно стремиться к минимуму;
- составляющая тока основной гармоники І50 в первичной цепи фильтра, значение которой должно стремиться к нулю.
Обзор литературы показал, что одной из основных проблем снижения установленной мощности пассивной и активной частей гибридных фильтров является уменьшение тока основной гармоники 50Гц, ответвляющейся в ветвь фильтра при его работе /34,41,42,49,50,70,71/. Гармоника 50Гц, протекая по ветви фильтра, увеличивает мощность элементов пассивной части, кроме того, датчик тока трансформирует первичный ток, содержащий как высшие гармоники, так и основную в активную часть, что увеличивает ее мощность.
Значение тока, проходящего через фильтр, можно определить используя метод проводимостей и законы Кирхгоффа /51-54/. Согласно первому закону Кирхгоффа, сумма мгновенных значений токов, втекающих в узел цепи равна сумме мгновенных значений токов, вытекающих из этого же узла. Значения этих токов зависят от соотношения сопротивлений ветвей, подсоединенных к данному узлу.
Для исследуемого фильтра рассмотрим узел его подключения к сети, изображенный на рис. 5.1. Здесь ic- полный ток сети от источника мощности, /0 - ток высших гармоник нелинейной нагрузки, ій - ток,
проходящий через пассивную часть исследуемого фильтра, линейное напряжение сети 380В.
Ток іф зависит от соотношения полных сопротивлений сети Z,. и пассивной части фильтра Zr/Z . Чем больше величина Zr/Z , тем большая часть тока проходит через фильтр. Однако, при этом увеличивается и доля тока основной гармоники через фильтр.
Поэтому, поиску оптимальных соотношений величин полного сопротивления сети, емкости конденсатора и индуктивности обмоток датчика тока и компенсирующего трансформатора фильтра были посвящены дальнейшие исследования.
Система электроснабжения любого промышленного предприятия включает в себя множество станций и подстанций с большим количеством трансформаторов, двигателей, кабелей и является крайне сложной для анализа и расчета. Поэтому для дальнейших исследований примем
Разработка методики расчета и выбора параметров гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором
В нашем случае, определяющее значение, имеет мощность активной части. Используя семейство характеристик рис.5.14 и 5.15 выбираем коэффициенты трансформации:/Sf7T и #АТ5, равные 10. При этом мощность активной части рассчитывается согласно выражению (3.28) и составляет 240,5BAj.a отношение мощностей активной;и;пассивной частей фильтра рассчитывается; согласно (3.30) и, составляет 13%. Коэффициент Ё,%
равен 2,5%.
По сравнению с фильтром с параметрами пассивной части, принятыми ранее в главе 4, фильтр с оптимизированными параметрами пассивной части уменьшает коэффициент искажения синусоидальности сети до 2,5%, против 7,62% при подключении неоптимизированного фильтра. Таким образом, удается снизить Щ примерно в 3 раза.
Необходимо отметить что пол ученные результаты справедливы для нелинейных нагрузок с большими мощностями с поправкой на масштаб;
Сравнение разработанного гибридного фильтра с комбинированным. фильтром /59/ показало,- что при одинаковых коэффициентах искажения синусоидальности токов в питающей сети, мощность активной части. гибридного фильтра с КТ на 30% меньше, чем у комбинированного фильтра.
5.6 Разработка методики расчета и выбора параметров гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором
Вышеприведенные:расчеты и исследования позволили разработать инженерную методику расчета и выбора параметров пассивной и активной частей гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором; Она заключается в следующем.
1. По любой из известных методик /5/ определяется необходимая реактивная мощность, подлежащая компенсации«О.
2. Исходя из мощности нелинейной нагрузки и мощности искажений, выбираются предварительные параметры датчика тока и компенсирующего трансформатора с произвольными коэффициентами трансформации;
3. По выражениями (3.40) и (4.7) определяются емкости конденсатора, пассивной! части из условий компенсации- реактивной; мощности и резонанса пассивного LG-контура:. Совместное решение выражений (3.40) и (4.7) определяет оптимальную емкость конденсатора из вышеуказанных условий.
4. Выбираются конструктив, размеры и материал магнитопровода датчика тока используя; методику и выражения (5.4-5.10), представленные в разделе 53: По выбранным значениям: рассчитываются оптимальные значения индуктивности: обмоток датчика тока, используя выражения (5: 8) и(4.3) и корректируютсязначения, рассчитанные по пункту 2. Количество витков: рассчитывается из выражения (4.2). Рассчитывается активное сопротивление провода обмотки по любой из известных методик.
5; Выбираются конструктив, размеры и материал магнитопровода компенсирующего трансформатора используя методику и выражения (5:11-5.13), представленные в разделе 5:4. По выбранным значениям; рассчитываются оптимальные значения индуктивности! обмоток компенсирующего трансформатора, используя выражения (5.8) и (4.3) и корректируются значения, рассчитанные по пункту 2. Количество витков рассчитывается из выражения (4.2). Рассчитывается активное сопротивление провода обмотки по любоШиз известных методик.
6. Рассчитывается значение взаимной индуктивности обмоток датчика тока М\ и обмоток компенсирующего трансформатора М согласно выражению (3.35), коэффициент магнитной связи обмоток датчика тока А, #« # (при допущении что км -» 1) по выражению (3.13).
7. Определяем активное сопротивление и индуктивность пассивной части фильтра согласно выражениям R = RKJ. + Rrr;
8. При известных сопротивлениях сети и пассивной части фильтра, используя законы Кирхгофа, рассчитываем значение гармоники 50Гц проходящей в ветвь фильтра. Согласно выражениям (4.6) и (4.7) и описанной в главе 4 методике, выбираются параметры емкости и индуктивности пассивного фильтра основной гармоники.
