ДИНАМИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ПОДАВЛЕНИЯ ГАРМОНИК ДЛЯ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
HARMONIC SUPPRESSION DYNAMIC FILTER FOR AC ELECTRICAL POWER SYSTEM

Область техники
Данное изобретение относится к динамическому фильтру подавления гармоник, предназначенному для энергосистемы переменного тока.
Также оно относится к энергосистеме переменного тока, содержащей указанный динамический фильтр подавления гармоник.
Уровень техники
С повышением доли нелинейных нагрузок возрастает загрязнение гармониками электроэнергетических систем, что ведет к увеличению потерь мощности, перегрузке и нарушениям функционирования силового оборудования, а также к снижению его надежности. Из-за полного сопротивления системы гармонические токи, создаваемые различными нагрузками, проявляются в виде гармоник напряжения, что приводит к еще более сильному ухудшению качества электроэнергии и к отказам различных компонентов оборудования - конденсаторных батарей, трансформаторов и пр. В целом можно говорить о том, что большая часть гармонических искажений, имеющих место в энергосистемах, обусловлена нагрузками, создающими гармонические токи. Такие нагрузки принято называть нелинейными нагрузками. В энергосистемах переменного тока используется несколько видов фильтров подавления гармоник тока.
Работа одного из таких фильтров основана на использовании особой конфигурации обмоток трансформатора, предотвращающей протекание гармонических токов от нагрузки к источнику. В качестве примера этой конфигурации можно привести случай, когда одна из обмоток двухобмоточного трансформатора подсоединена треугольником, что позволяет подавлять гармоники, кратные трем (третьего или нулевого порядка). Другой пример, параллельное соединение двух трансформаторов при конфигурации обмоток по схеме треугольник-звезда и звезда-звезда с запитыванием двух нагрузок и с эффективным использованием фазового сдвига, что позволяет подавлять гармоники на стороне источника напряжения. К сожалению, такие фильтры довольно дороги и, как правило, эффективно фильтруют только гармоники определенного типа (3-го порядка), в силу чего они не пригодны для нагрузок всех видов. Кроме того, поскольку в этих фильтрах токи протекают по обмоткам, соединенным треугольником, для этих фильтров требуются трансформаторы, рассчитанные на токи значительной величины. Наконец, в результате циркуляции токов происходит искажение магнитного потока, а следовательно, искажается напряжение.
Фильтры подавления гармоник тока другого типа основаны на принципе последовательных резонансных LC-контуров, настраиваемых на частоту гармоники и подсоединяемых параллельно гармоническим нагрузкам. Подобные фильтры распространены довольно широко и оказывают очень низкое полное сопротивление протеканию гармонических токов, что позволяет эффективно отводить большую часть гармонических токов и тем самым уменьшать гармонические токи, протекающие в энергосистему. Однако для таких фильтров требуется наличие значительного количества настраиваемых секций, соединяемых контуром, поскольку каждая настраиваемая секция способна фильтровать лишь один гармонический ток. Как правило, используют от двух до пяти таких секций, отфильтровывая посредством их наиболее часто возникающие гармоники. Помимо этого, эффективность фильтрации, обеспечиваемая такими фильтрами, зависит от частоты энергосистемы, поэтому в тех энергосистемах, где частота изменяется в широких пределах, возможно снижение эффективности фильтров.
Третий тип фильтра подавления гармоник тока предполагает использование последовательных резонансных LC-контуров, настраиваемых на частоты гармоник и подсоединяемых параллельно гармоническим нагрузкам. Резонансные частоты контуров можно изменять путем изменения значения L (индуктивности) или С (емкости) с применением специальных схем управления, которые отслеживают частоты системы и поддерживают эффективность фильтрации на постоянном уровне. Для этих фильтров требуется ряд ступеней для фильтрации множественных гармоник. Кроме того, указанные схемы управления, предназначенные для изменения резонансных частот, довольно сложны и дороги.
Еще один тип фильтра подавления гармоник тока предполагает использование параллельных резонансных LC-контуров, настраиваемых на частоты гармоник и подсоединяемых последовательно нагрузке и источнику. Параллельные настраиваемые контуры обеспечивают более высокое полное сопротивление протеканию гармонических токов от нагрузки к источнику напряжения. В этом случае для отвода гармонических токов требуется использовать шунтирующие фильтры, установленные параллельно нагрузке. Рабочая характеристика фильтров зависит от частоты в системе, причем эта характеристика ухудшается, если указанная частота изменяется в широких пределах. Кроме того, этим фильтрам свойственно значительное полное сопротивление протеканию тока промышленной частоты, особенно в случае изменяющихся частот в системе, что отрицательно влияет на возможности регулирования напряжения в системе. Исключительно велики и потери мощности, связанные с использованием таких фильтров, особенно при более значительных нагрузках.
Еще один тип фильтра подавления гармоник тока предполагает использование последовательных резонансных LC-контуров, настроенных на промышленную (базисную) частоту энергосистемы и подсоединенных последовательно нагрузке и источнику напряжения. Такие контуры характеризуются пренебрежимо малым полным сопротивлением протеканию тока промышленной частоты и очень большим полным сопротивлением протеканию гармонических токов, что обеспечивает эффективное ограничение гармонических токов, текущих в источник напряжения. Кроме того, в подобных фильтрах требуется использовать шунтирующие фильтры, чтобы отводить гармонические токи. Рабочая характеристика этих фильтров зависит от изменений частоты в системе. С этим связаны значительные потери мощности, которые оказывают отрицательное воздействие на возможности регулирования напряжения в системе.
Рассмотренные выше фильтры известны как пассивные фильтры подавления гармоник тока. Однако также существуют активные фильтры подавления гармоник тока/напряжения, содержащие датчики тока/напряжения, предназначенные для обнаружения/восприятия присутствующих в токе/напряжении гармоник; электронные устройства питания; сложные электронные схемы управления, предназначенные для генерации гармоник тока/напряжения нужного вида; и пассивные устройства, предназначенные для ввода генерируемых гармоник тока/напряжения в заданную область энергосистемы. Такие активные фильтры подавления гармоник генерируют токи/напряжения, совпадающие с фильтруемыми гармоническими токами/напряжениями по амплитуде, но противоположные им по фазе. Гармонические токи/напряжения генерируются путем коммутации электронных устройств питания, причем последовательность коммутации управляется сложным электронным оборудованием с использованием программных средств. Ввод таких токов/напряжений в систему позволяет эффективно подавлять нежелательные гармоники тока/напряжения. Несмотря на то что подобные фильтры обладают некоторыми преимуществами, например, всего один фильтр обеспечивает фильтрацию широкого спектра гармоник тока/напряжения, а их характеристика не зависит от частоты в системе и ее изменений, их использование не всегда целесообразно, поскольку они достаточно дороги, требуют применения сложных схем управления и им присущи значительные потери мощности. Кроме того, в таких фильтрах используются сложные и дорогостоящие электронные устройства питания, высокопроизводительные аппаратные и программные средства, а также сложные схемы контроля и управления.
Известны также различные сочетания активных фильтров подавления гармоник тока и активных фильтров подавления гармоник напряжения, предназначенные для устранения гармоник как тока, так и напряжения. Такие комбинированные устройства содержат как подключаемые последовательно, так и параллельно устройства восприятия и ввода, сложные электронные схемы питания, программные и аппаратные средства и т.д. Их относят обычно к категории унифицированных устройств защищенного от помех питания. Их недостатками являются высокая стоимость, повышенная сложность и значительные потери мощности.
В случае комбинирования одного или нескольких устройств подавления гармоник упомянутого выше типа для улучшения рабочих характеристик энергосистем подобные комбинации обычно называют "гибридными фильтрами". Они состоят из нескольких секций пассивных и нескольких секций активных фильтров, совмещая преимущества низкой стоимости, свойственной пассивным фильтрам, и высокой эффективности, характерной для активных фильтров. В большинстве случаев в них используются шунтирующий пассивный фильтр для устранения гармоник тока и последовательный активный фильтр для устранения гармоник напряжения. Недостатками подобных фильтров являются высокая стоимость, сложность, связанная с применением активной секции фильтрации, и необходимость использования для их функционирования сложных программных и аппаратных средств.
Задачи изобретения
Одной из задач изобретения является разработка динамического фильтра подавления гармоник, предназначенного для энергосистемы переменного тока, который обеспечивал бы фильтрацию множества или достаточно широкого спектра гармоник тока и/или напряжения с помощью всего лишь одного фильтра, имел бы простую конструкцию и был бы достаточно экономичным.
Другая задача изобретения состоит в разработке динамического фильтра подавления гармоник, предназначенного для энергосистемы переменного тока, который снижал бы воздействие гармоник на находящееся перед ним по контуру подключения силовое оборудование в энергосистеме, чтобы та вырабатывала энергию более высокого качества.
Еще одна задача заключается в разработке динамического фильтра подавления гармоник, предназначенного для энергосистемы переменного тока, рабочие характеристики которого были мало чувствительны к изменениям частоты в системе.
Следующая задача - разработка динамического фильтра подавления гармоник, предназначенного для энергосистемы переменного тока, который обеспечивал бы уменьшение гармонических искажений напряжения, подаваемого на находящееся после него по контуру подключения оборудование системы, и подачу в подключаемые нагрузки чистого напряжения.
Следующая задача - разработка динамического фильтра подавления гармоник, предназначенного для энергосистемы переменного тока, который обеспечивал бы ослабление гармоник в энергосистеме, а также не допускал нарушений функционирования и неисправностей оборудования энергосистемы, обусловленных наличием этих гармоник.
Следующая задача - разработка динамического фильтра подавления гармоник, предназначенного для энергосистемы переменного тока, который обеспечивал бы возможность поддержания нормального функционирования энергосистемы в случае повреждения этого фильтра подавления гармоник.
И, наконец, еще одна задача изобретения состоит в разработке энергосистемы переменного тока, содержащей описанный выше динамический фильтр подавления гармоник.
Описание изобретения
В изобретении предложен динамический фильтр подавления гармоник, предназначенный для энергосистемы переменного тока, содержащей по меньшей мере один источник напряжения и по меньшей мере одну нагрузку, причем этот динамический фильтр подавления гармоник содержит трансформатор для восприятия тока или ввода напряжения, последовательно соединенный с источником напряжения и нагрузкой, причем один конец первичной обмотки этого трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения соединен с источником напряжения, а другой конец первичной обмотки трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения соединен с нагрузкой; трансформатор для ввода тока или восприятия напряжения, параллельно соединенный с источником напряжения, причем один конец первичной обмотки этого трансформатора для ввода тока или восприятия напряжения соединен с общей точкой связи источника напряжения с первичной обмоткой трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения, а другой конец первичной обмотки трансформатора для ввода тока или восприятия напряжения заземлен, причем коэффициент трансформации между двумя указанными трансформаторами равен единице; и параллельный резонансный LC-контур, настроенный на базисную частоту энергосистемы, причем один конец вторичной обмотки трансформатора для ввода тока или восприятия напряжения соединен с одной узловой точкой параллельного резонансного LC-контура, а другой конец вторичной обмотки трансформатора для ввода тока или восприятия напряжения соединен с другой узловой точкой параллельного резонансного LC-контура через вторичную обмотку трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения.
В изобретении также предложена энергосистема переменного тока, содержащая по меньшей мере один источник напряжения, по меньшей мере одну нагрузку и динамический фильтр подавления гармоник, включающий в себя трансформатор для восприятия тока или ввода напряжения, последовательно соединенный с источником напряжения и нагрузкой, причем один конец первичной обмотки этого трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения соединен с источником напряжения, а другой конец первичной обмотки трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения соединен с нагрузкой; трансформатор для ввода тока или восприятия напряжения, подсоединенный параллельно источнику напряжения, причем один конец первичной обмотки трансформатора для ввода тока или восприятия напряжения соединен с общей точкой связи источника напряжения с первичной обмоткой трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения, а другой конец первичной обмотки трансформатора для ввода тока или восприятия напряжения заземлен, причем коэффициент трансформации между двумя указанными трансформаторами равен единице; и параллельный резонансный LC-контур, настроенный на базисную частоту энергосистемы, причем один конец вторичной обмотки трансформатора для ввода тока или восприятия напряжения соединен с одной узловой точкой этого параллельного резонансного LC-контура, а другой конец вторичной обмотки трансформатора для ввода тока или восприятия напряжения соединен с другой его узловой точкой через вторичную обмотку трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения.
В соответствии с одним из вариантов изобретения динамический фильтр подавления гармоник содержит последовательный резонансный LC-контур, настроенный на базисную частоту энергосистемы и подсоединенный параллельно вторичной обмотке трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения.
В соответствии с другим вариантом изобретения динамический фильтр подавления гармоник содержит последовательный резонансный LC-контур, настроенный на базисную частоту энергосистемы и подсоединенный параллельно вторичной обмотке трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения, и первый обходной ключ, подсоединенный параллельно первичной обмотке трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения.
В соответствии с еще одним вариантом изобретения динамический фильтр подавления гармоник содержит последовательный резонансный LC-контур, настроенный на базисную частоту энергосистемы и подсоединенный параллельно вторичной обмотке трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения, первый обходной ключ, подсоединенный параллельно первичной обмотке трансформатора для восприятия тока или ввода напряжения, и второй обходной ключ, последовательно соединенный с одним концом первичной обмотки трансформатора для ввода тока или восприятия напряжения.
Коэффициент трансформации двух трансформаторов является изменяемым таким образом, чтобы результирующий коэффициент трансформации между двумя трансформаторами был равен единице. В предпочтительном случае коэффициент трансформации между трансформаторами изменяется с помощью переключателей ответвлений под нагрузкой или переключателей ответвлений без нагрузки. Частота настройки последовательного резонансного LC-контура или частота настройки параллельного резонансного LC-контура является изменяемой. В предпочтительном случае частота настройки последовательного резонансного LC-контура или частота настройки параллельного резонансного LC-контура изменяется посредством изменения емкости или индуктивности контура. Предпочтительно, чтобы трансформатор для восприятия тока или ввода напряжения представлял собой трансформатор тока, а трансформатор для ввода тока или восприятия напряжения - трансформатор напряжения. Предложенный фильтр подавления гармоник представляет собой фильтр подавления гармоник тока, или фильтр подавления гармоник напряжения, или комбинированный фильтр подавления гармоник, обеспечивающий одновременную фильтрацию как гармоник тока, так и гармоник напряжения. Энергосистема переменного тока является однофазной, трехфазной или многофазной, соответствующую конфигурацию имеет и фильтр подавления гармоник.
Ниже изобретение описано более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает принципиальную схему динамического фильтра подавления гармоник, включенного в энергосистему переменного тока и соответствующего одному из вариантов изобретения;
фиг.2 изображает принципиальную схему динамического фильтра подавления гармоник, включенного в энергосистему переменного тока и соответствующего другому варианту изобретения;
фиг.3 изображает принципиальную схему динамического фильтра подавления гармоник, включенного в энергосистему переменного тока и соответствующего еще одному варианту изобретения;
фиг.4 изображает принципиальную схему динамического фильтра подавления гармоник, включенного в энергосистему переменного тока и соответствующего еще одному варианту изобретения;
фиг.5 изображает принципиальную схему типового фильтра подавления гармоник, показанного на фиг.4, используемую для компьютерного моделирования его рабочих характеристик;
фиг.6 изображает смоделированные на компьютере колебания токов нагрузки и источника для случая использования фильтра подавления гармоник, работающего по показанной на фиг.5 схеме;
фиг.7 изображает смоделированные на компьютере гармонические спектры колебаний токов нагрузки и источника для случая использования фильтра подавления гармоник, работающего по показанной на фиг.5 схеме;
фиг.8 изображает смоделированные на компьютере колебания токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора для ввода тока для случая использования фильтра подавления гармоник, работающего по показанной на фиг.5 схеме;
фиг.9 изображает смоделированные на компьютере гармонические спектры колебаний токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора для ввода тока в случае использования динамического фильтра, работающего по показанной на фиг.5 схеме;
фиг.10 изображает смоделированные на компьютере колебания токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора для ввода тока и в первичной обмотке трансформатора для восприятия тока в случае использования динамического фильтра, работающего по показанной на фиг.5 схеме;
фиг.11 изображает смоделированные на компьютере гармонические спектры тока, протекающего в первичной и вторичной обмотках трансформатора для ввода тока и в первичной обмотке трансформатора для восприятия тока в случае использования фильтра подавления гармоник тока, работающего по показанной на фиг.5 схеме;
фиг.12 изображает смоделированные на компьютере колебания токов нагрузки и источника в случае не использования фильтра подавления гармоник тока, работающего по показанной на фиг.5 схеме;
фиг.13 изображает смоделированные на компьютере гармонические спектры токов нагрузки и источника в случае неиспользования фильтра подавления гармоник тока, работающего по показанной на фиг.5 схеме;
фиг.14 изображает сгенерированные на компьютере колебания токов, протекающих в первичной обмотке трансформатора для восприятия тока и в первичной и вторичной обмотках трансформатора для ввода тока в случае неиспользования фильтра подавления гармоник тока, работающего по показанной на фиг.5 схеме.
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
2
1
1
1
1
1
Показанный на фиг.1 фильтр подавления гармоник содержит трансформатор T для восприятия тока или ввода напряжения (его первичная и вторичная обмотки обозначены как P и S соответственно), последовательно соединенный с источником V напряжения и нагрузкой, причем один конец первичной обмотки трансформатора T соединен с источником напряжения, а другой ее конец - с нагрузкой. Имеется также трансформатор Т для ввода тока или восприятия напряжения (его первичная и вторичная обмотки обозначены как P и S соответственно), подсоединенный параллельно источнику напряжения, причем один конец первичной обмотки трансформатора Тсоединен с общей точкой связи источника напряжения с первичной обмоткой трансформатора T, а другой ее конец заземлен. В схеме предусмотрен параллельный резонансный контур LC, настроенный на базисную частоту энергосистемы. Один конец вторичной обмотки трансформатора Т соединен с одной узловой точкой контура LC, а ее другой конец - с другой узловой точкой этого контура LC через вторичную обмотку трансформатора T. Коэффициент трансформации между двумя трансформаторами равен единице (т.е. 1).
2
2
1
2
2
1
1
1
1
Фильтр подавления гармоник, представленный на фиг.2, включает в себя последовательный резонансный контур LC, настроенный на базисную частоту энергосистемы и подсоединенный параллельно вторичной обмотке трансформатора T. Этот контур LC образует замкнутую цепь с вторичной обмоткой трансформатора T, обеспечивая таким образом ветвь низкого сопротивления для базисных токов, циркулирующих в цепи, содержащей вторичную обмотку трансформатора T и последовательный настроенный контур LC.
2
2
1
В схему, показанную на фиг.3, кроме контура LC, дополнительно входит первый обходной ключ Sa, подсоединенный параллельно первичной обмотке трансформатора T и предназначенный для обхода схемы фильтрации с целью обеспечения непрерывной работы энергосистемы в случае неисправности этой схемы.
2
2
2
Схема, показанная на фиг.4, помимо контура LC и обходного ключа Sa содержит второй обходной ключ Sb, последовательно соединенный с первичной обмоткой трансформатора Т и предназначенный для изоляции схемы фильтрации от энергосистемы, если это требуется в случае неисправности схемы фильтрации и поддержания непрерывного функционирования энергосистемы.
а) Работа фильтра подавления гармоник, показанного на фиг.1-4, применительно к случаю подавления гармоник тока происходит следующим образом.
1
2
1
1
1
1
1
1
1
2
i
1
1
1
1
2
2
2
2
2
1
2
2
1
2
1
1
Трансформаторы T и Т представляют собой соответственно трансформатор для восприятия тока и трансформатор для ввода тока. Ток, протекающий через нагрузку, содержит как основную составляющую тока, так и гармонические составляющие. Циркулируя в сторону источника напряжения через первичную обмотку трансформатора T, этот ток генерирует во вторичной обмотке трансформатора T пропорциональный сигнал тока. Степень пропорциональности этого сигнала тока определяется коэффициентом трансформации трансформатора T. Ток, индуцируемый во вторичной обмотке трансформатора T, также содержит как основную составляющую, так и гармонические составляющие. Параллельный резонансный контур LC, настроенный на базисную частоту энергосистемы, создает исключительно большое полное сопротивление протеканию базисного тока по цепи, содержащей две вторичные обмотки трансформаторов T, Т и параллельный настроенный контур LC. Полное сопротивление, оказываемое протеканию гармонических составляющих через контур LC и вторичные обмотки трансформаторов T и Т, довольно невелико, вследствие чего эти гармонические составляющие протекают во вторичную обмотку трансформатора Т. Гармонический ток, протекающий во вторичной обмотке трансформатора Т, индуцирует в первичной обмотке трансформатора Тпропорциональный ток, при этом степень его пропорциональности зависит от коэффициента трансформации трансформатора Т. Коэффициенты трансформации двух трансформаторов T и Т выбирают таким образом, чтобы результирующий коэффициент трансформации был равен единице. Первичная обмотка трансформатора Т подсоединена параллельно источнику напряжения в общей точке связи источника напряжения с одним из концов первичной обмотки трансформатора T. Полярность трансформатора Т выбирают таким образом, чтобы гармонические токи вводились в противофазе гармоническим токам, протекающим к источнику напряжения через первичную обмотку трансформатора T (т.е. с фазовым сдвигом 180 градусов). Такое поступление в противофазе гармонического тока в общую точку связи между источником напряжения и одним концом первичной обмотки трансформатора Tобеспечивает эффективное динамическое подавление гармонических токов, ограничивая тем самым суммарные гармонические искажения тока в расположенной выше по схеме подключения системе.
б) Работа фильтров подавления гармоник, показанного на фиг.1 - 4, применительно к случаю подавления гармоник напряжения происходит следующим образом.
1
2
2
2
2
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
Трансформаторы T и Т, показанные на фиг.1, представляют собой соответственно трансформатор для ввода напряжения и трансформатор для восприятия напряжения. Напряжение источника напряжения имеет как основную, так и гармонические составляющие. Это напряжение, возникающее на первичной обмотке трансформатора Т, создает в его вторичной обмотке пропорциональный сигнал напряжения. Степень пропорциональности определяется коэффициентом трансформации трансформатора Т. Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке трансформатора Т, также имеет основную и гармонические составляющие. Параллельный резонансный контур LC, настроенный на базисную частоту энергосистемы, создает исключительно большое полное сопротивление воздействию базисного напряжения через цепь, содержащую две вторичные обмотки трансформаторов T, T и параллельный настроенный контур LC. Полное сопротивление, оказываемое протеканию гармонических составляющих через контур LC и вторичные обмотки трансформаторов T и T, довольно невелико, так что эти гармонические составляющие протекают через вторичную обмотку трансформатора T. Гармоническое напряжение, появляющееся во вторичной обмотке трансформатора T, индуцирует в первичной обмотке трансформатора T пропорциональное напряжение, при этом степень пропорциональности зависит от коэффициента трансформации трансформатора T. Коэффициенты трансформации двух трансформаторов T и T выбирают таким образом, чтобы результирующий коэффициент трансформации поддерживался равным единице. Полярность трансформатора T выбирают таким образом, чтобы гармонические напряжения вводились в противофазе (т.е. с фазовым сдвигом 180 градусов) гармоническому напряжению источника, с тем чтобы обеспечить динамическое подавление гармоник и ограничить суммарные гармонические искажения напряжения, возникающие в нагрузке.
в) Работа фильтров подавления гармоник, показанных на фиг.1-4, в качестве комбинированных или составных фильтров, обеспечивающих подавление гармоник как тока, так и напряжения, происходит следующим образом.
1
2
1
2
1
i
1
2
1
2
2
1
1
1
Трансформаторы T и T представляют собой соответственно трансформатор для восприятия тока/напряжения и трансформатор для ввода тока/напряжения. В случае, когда трансформаторы Т и Т действуют соответственно как трансформатор для восприятия тока и трансформатор для ввода тока, они используют общий ток нагрузки (базисный ток плюс гармонический ток) и обеспечивают его трансформацию на вторичную сторону трансформатора T для извлечения гармонических токов настроенным контуром LC и ввода гармонического тока в соответствующей фазе в общую точку связи через трансформатор T, чтобы добиться ограничения искажений тока в энергосистеме, как описано выше. В то же самое время указанные трансформаторы T и T действуют в качестве соответственно трансформатора для ввода напряжения и трансформатора для восприятия напряжения, обеспечивая соответственно использование общего напряжения (как базисного, так и гармонического) и его трансформацию на вторичную сторону трансформатора Т для извлечения гармоник резонансным контуром LC и ввода гармонического напряжения в соответствующей фазе в общую точку связи через трансформатор T, чтобы добиться ограничения искажений напряжения в энергосистеме, как описано выше.
1
1
Ниже следует разъяснение теоретических основ функционирования предложенного фильтра подавления гармоник. Полное сопротивление параллельного резонансного контура LC, настроенного на базисную частоту энергосистемы, очень велико (теоретически бесконечно в случае параллельного соединения идеальной катушки индуктивности и идеального конденсатора) и характеризуется следующими уравнениями:
L
C
где Z - полное сопротивление переменному току, R - активное сопротивление, Х - реактивное сопротивление переменному току, L - индуктивность, С - емкость, X - индуктивное сопротивление и X - емкостное сопротивление.
L
C
При настройке частоты с обеспечением X=X полное сопротивление параллельного резонансного контура, настроенного на базисную частоту энергосистемы, исключительно велико, так что оно обеспечивает эффективное блокирование протекания базисного тока на настроенной частоте через фильтр подавления гармоник.
2
2
По аналогии с вышесказанным последовательный резонансный контур LC, настроенный на базисную частоту энергосистемы, создает очень малое (в идеальном случае нулевое) полное сопротивление на настроенной частоте согласно следующим уравнениям:
L
C
При частоте, настроенной на частоту энергосистемы, X=X, полное сопротивление на настроенной частоте равно нулю, если пренебречь активным сопротивлением.
2
1
1
2
2
Коэффициент трансформации трансформатора T выбирают исходя из коэффициента трансформации трансформатора T, с тем чтобы обеспечить поддержание равным единице коэффициента трансформации между двумя трансформаторами T и T. Полярность трансформатора T выбирают таким образом, чтобы обеспечить ввод сигналов гармонического тока/напряжения в противофазе с исходными сигналами гармонического тока/напряжения, с тем чтобы добиться динамического подавления гармонических токов/напряжений, поступающих в источник напряжения.
1
1
1
1
1
2
2
1
2
Ток нагрузки, имеющий как основную, так и гармонические составляющие, протекает через первичную обмотку трансформатора T для восприятия тока (фиг.6). Этот ток создает пропорциональный ток во вторичной обмотке трансформатора для восприятия тока. Ток во вторичной обмотке трансформатора для восприятия тока замыкает свой путь через вторичную обмотку трансформатора для ввода тока и параллельный настроенный контур LC. Параллельный контур LC, настроенный на базисную частоту, оказывает высокое полное сопротивление протеканию базисного тока, вследствие чего по этому контуру и по вторичной обмотке трансформатора для ввода тока циркулируют только гармонические составляющие (фиг.10 и 11). Последовательный настроенный контур LC создает лишь пренебрежимо малое полное сопротивление протеканию основной составляющей, циркулирующей во вторичной обмотке трансформатора для восприятия тока, что приводит к уменьшению напряжения, развиваемого на вторичной обмотке трансформатора для восприятия тока, и к дальнейшему ослаблению циркуляции основной составляющей тока через вторичную обмотку трансформатора для ввода тока. Гармонические составляющие, протекающие во вторичной обмотке трансформатора для ввода тока, создают пропорциональный ток в первичной обмотке трансформатора для ввода тока. Коэффициент трансформации и полярности двух трансформаторов (T и T) выбирают таким образом, чтобы получить результирующий коэффициент трансформации, равный единице, и инверсию фазы (на 180 градусов), которая обеспечила бы ввод гармонических составляющих, извлекаемых из тока нагрузки, в противофазе с целью подавления гармоник (фиг.8, 9, 10 и 11). В соответствии с изобретением гармонические составляющие извлекаются из тока нагрузки и вводятся в соответствующую точку в схеме/системе с инверсией их фазы, но сохранением величины, что позволяет уничтожить гармонические токи.
1
2
2
2
1
1
В показанном на фиг.5 типовом фильтре подавления гармоник, который используется для компьютерного моделирования, коэффициент трансформации трансформатора T составляет 5/1, а коэффициент трансформации трансформатора Т равен 1/5. Последовательный резонансный контур LC содержит катушку с индуктивностью 22,02 мГн, последовательно соединенную с батареей конденсаторов емкостью 460 мкФ. Параллельный резонансный контур LC содержит катушку с индуктивностью 22,02 мГн, параллельно соединенную с конденсатором емкостью 460 мкФ. Добротность обеих катушек индуктивности равна 12. Схема, используемая для компьютерного моделирования, включает в себя активное сопротивление схемы и собственное сопротивление катушки индуктивности, конденсатора и трансформатора, а также другие компоненты, например внутреннее сопротивление источника питания, с тем чтобы можно было отразить реальные состояния. Кроме того, в схеме, показанной на фиг.5, используется дополнительный ключ So. Фильтр подавления гармоник был протестирован на фактической нагрузке с общим гармоническим искажением тока, равным 22%. Благодаря введению фильтра удалось снизить общее гармоническое искажение тока с исходного значения 22% до 2%. Кроме того, фильтр подавления гармоник был протестирован на фактической нагрузке с общим гармоническим искажением напряжения, равным 20%. Введение фильтра позволило снизить общее гармоническое искажение напряжения с исходных 20% до 3%. Тестирование фильтра было произведено для частот гармоник от 150 до 6000 Гц, при этом было установлено, что он обеспечивает эффективное устранение гармоник по всему диапазону проверяемых частот. Осуществлялось оперативное присоединение фильтра к схеме и его отсоединение от нее путем воздействия на ключи Sa, Sb и So с целью исследования эксплуатационных показателей фильтра.
1
1
2
Из картины колебаний тока, показанных на фиг.6, с очевидностью следует (для случая, когда в показанной на фиг.5 схеме ключ Sb замкнут, а Sa разомкнут), что фильтр подавления гармоник способен эффективно отфильтровывать все создаваемые нагрузкой гармоники. Из колебаний тока, показанных на фиг.7, с очевидностью следует (для случая, когда в показанной на фиг.5 схеме ключ Sa разомкнут, а Sb замкнут), что фильтр подавления гармоник обеспечивает исключительно эффективную фильтрацию всех гармоник (использованных при моделировании 3-й, 5-й, 7-й и 11-й гармоник), что позволяет обеспечить источнику напряжения правильную синусоидальную форму колебаний тока. Реверсирование фазы легко определить по формам колебаний, показанным на фиг.8, где продемонстрирован ток, циркулирующий в первичной и вторичной обмотках трансформатора для ввода тока в процессе работы фильтра подавления гармоник (т.е. в случае, когда в показанной на фиг.5 схеме ключ Sa разомкнут, a Sb замкнут). Из спектра гармоник, представленного на фиг.9, 10 и 11 (т.е. в случае, когда в показанной на фиг.5 схеме ключ Sa разомкнут, а Sb замкнут), четко видно, что параллельный настроенный контур LC эффективно блокирует основную составляющую, при этом во вторичной обмотке трансформатора для ввода тока циркулируют только гармонические составляющие (3-я, 5-я, 7-я и 11-я, использованные при моделировании). На фиг.8-11 (т.е. в случае, когда в показанной на фиг.5 схеме ключ Sa разомкнут, а ключ Sb замкнут) четко продемонстрирована инверсия фазы гармонических токов во вторичной и первичной обмотках трансформатора для ввода тока и блокирование основной составляющей тока, которая протекает в первичной обмотке трансформатора для восприятия тока. Из форм колебаний тока во вторичной и первичной обмотках трансформатора T виден фазовый сдвиг, обеспечиваемый этим трансформатором для подавления гармоник. Из формы колебаний тока, индуцируемого в противофазе с токами нагрузки, видно, что извлечение гармонических составляющих и их ввод в противофазе с целью подавления гармоник в токе нагрузки обеспечивают источнику напряжения четко синусоидальный ток базисной частоты. Из фиг.8-11 (т.е. в случае, когда в показанной на фиг.5 схеме ключ Sa разомкнут, а Sb замкнут) четко видно блокирование основной составляющей тока, протекающего в первичной обмотке трансформатора для восприятия тока, и наличие только лишь гармонических составляющих (3-й, 5-й, 7-й и 11-й, использованных при моделировании) во вторичной и первичной обмотках трансформатора для ввода тока. Из форм колебаний тока, представленных на фиг.12 и 13 (т.е. в случае, когда в показанной на фиг.5 схеме ключ Sb разомкнут, Sa замкнут и So разомкнут), с очевидностью следует, что без работающего динамического фильтра подавления гармоник генерируемые нагрузкой гармоники тока протекают в источник напряжения и отрицательно влияют на качество энергии. На фиг.12 и 13 (т.е. в случае, когда в показанной на фиг.5 схеме ключ Sb разомкнут, 3а замкнут и So разомкнут) видно, что без работающего динамического фильтра подавления гармоник генерируемые нагрузкой гармоники тока (3-я, 5-я, 7-я и 11-я, использованные при моделировании) протекают в источник напряжения и отрицательно влияют на качество энергии. Из форм колебаний, показанных на фиг.14 (т.е. в случае, когда ключ Sb разомкнут, Sa замкнут и So разомкнут), в сочетании с формами колебаний, приведенными на фиг.12 и 13 (полученными в тех же рабочих режимах), четко прослеживаются высокие эксплуатационные характеристики и эффективное функционирование динамического фильтра подавления гармоник.
1
1
1
1
2
2
В зависимости от конфигурации предлагаемого фильтра подавления гармоник он обеспечивает либо фильтрацию широкого спектра отдельно гармоник тока или гармоник напряжения, либо одновременную фильтрацию как гармоник тока, так и гармоник напряжения. Он довольно прост в конструкции и экономичен, поскольку в нем применены несложные обычные пассивные компоненты типа катушек индуктивности, конденсаторов и двухобмоточных трансформаторов. Благодаря фильтрации гармоник он обеспечивает снижение воздействия гармоник на находящееся выше по схеме подсоединения силовое оборудование энергосистем. Таким образом, подаваемая на нагрузку энергия имеет более высокое качество. Рабочие характеристики предлагаемого фильтра подавления гармоник не слишком чувствительны к изменениям частоты в системе, так как эти характеристики зависят от параллельного настроенного блокирующего фильтра, т.е. контура LC, чье полное сопротивление не столь сильно изменяется с изменением частоты, как в последовательных настроенных фильтрах. Он обеспечивает уменьшение гармонических искажений напряжения, подаваемого на находящееся после него в схеме подключения оборудование системы. В результате напряжение, подаваемое на нагрузку, обладает более высоким качеством. Учитывая, что предложенный фильтр подавления гармоник обеспечивает эффективную фильтрацию широкого спектра гармонических составляющих, удается предотвратить нарушения работы и отказы оборудования энергосистемы. Кроме того, предлагаемый фильтр подавления гармоник обеспечивает поддержание непрерывной нормальной работы энергосистемы в случае неисправности этого фильтра. Более того, благодаря этому фильтру удается изолировать его от энергосистемы в случае неисправности схемы фильтрации и поддерживать непрерывное функционирование энергосистемы. Рассматриваемый фильтр является по своей природе динамическим, поскольку он обеспечивает фильтрацию множества гармоник в исключительно широком диапазоне частот, причем эффективность фильтрации можно довести до максимума, настраивая параллельный и последовательный контуры LC и LCпутем изменения значений индуктивности и емкости.