Активный фильтр как техническое средство обеспечения качества электроэнергии

ЭНЕРГЕТИКА «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1

УДК 6213161 В. Н. ГОРЮНОВ

А. Г. ЛЮТАРЕВИЧ И. Н. ЧЕТВЕРИК

Омский государственный технический университет

АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР КАК ТЕХНИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ_______________________________________

В статье рассматривается состояние качества электрической энергии в системах электроснабжения, также уделяется внимание последствиям, вызванным ухудшением качества электроэнергии, причем особое внимание уделяется высшим гармоническим составляющим тока и напряжения как наиболее сложному для инженерной оценки фактору. В результате анализа работ, посвященных улучшению качества электроэнергии, систематизируются основные негативные процессы, сопутствующие высшим гармоникам в электрических сетях, а также причины, вызывающие искажения синусоидальной формы кривой напряжения. В заключение проводится анализ существующих технических средств, применяемых для улучшения качества электрической энергии, особое внимание уделяется активному фильтру гармоник и определяются направления, в которых необходимо совершенствовать данные технические средства.

Качество электрической энергии — это совокупность ее свойств, при которых электрооборудование, приборы и аппараты способны нормально функционировать, выполнять заложенные в них функции. В процессе эксплуатации электрооборудования происходит его взаимодействие с окружающей средой. Это взаимодействие является обоюдным: не только среда может воздействовать на электрические аппараты и оборудование, но и последние также могут воздействовать на среду. Взаимодействие среды с электрооборудованием определяется посредством электромагнитных помех. Таким образом, электроэнергетическая система — это такая электромагнитная среда, в которой электромагнитные помехи создаются и воздействуют на электрические приборы, являющиеся, в свою очередь, источниками электромагнитных помех. Поэтому качество электрической энергии в системе электроснабжения характеризуют по уровню электромагнитных помех, называемых показателями качества электроэнергии [1].

В России нормы качества электрической энергии представлены в ГОСТ 13109 — 97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [2]. ГОСТ определяет следующие показатели качества электроэнергии:

— установившееся отклонение напряжения Ъи у ;

— размах изменения напряжения §и,;

— доза фликера Р{ ;

— коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Ки;

— коэффициент п-ой гармонической составляющей напряжения Ки(п);

— коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2и;

— коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0и;

— отклонение частоты А/ ;

— длительность провала напряжения Аtп;

— импульсное напряжение иимп;

— коэффициент временного перенапряжения

Кпери .

В данной работе особое внимание будет уделено показателям качества: коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения Ки и коэффициенту п-ой гармонической составляющей напряжения Ки(п) .

Вопросы по улучшению качества электрической энергии актуальны не только в России, но и за рубежом. Об этом свидетельствуют регулярно проходящие выставки, конгрессы и конференции, посвященные вопросам электромагнитной совместимости и качества электрической энергии: CIGRE (Международная конференция по большим электрическим системам), CIRED (Международная конференция по системам распределения электроэнергии) и др.

Далее рассмотрим основные элементы системы электроснабжения с точки зрения их чувствительности к высшим гармоникам. Основными формами воздействия высших гармонических составляющих тока и напряжения на элементы системы электроснабжения являются [3]:

— увеличение токов и напряжений гармоник вследствие резонанса;

— снижение эффективности процессов генерации, передачи и использования электроэнергии вследствие дополнительных потерь;

— ускоренное старение изоляции электрооборудования;

— ложная работа устройств релейной защиты и автоматики.

Влияние гармоник на вращающиеся машины.

Высшие гармоники в электродвигателях приводят к дополнительным потерям в обмотках статора, в цепях ротора, а также в стали ротора и статора. Эти потери являются наиболее значимым эффектом во вращающихся электрических машинах и приводят к

повышению общей температуры машины, а также к местным перегревам.

Кроме потерь вследствие нагрева, высшие гармоники создают вращающие моменты, направленные противоположно основному моменту, но т.к. значение скольжения для токов всех гармоник практически одинаково, относительные вращающие моменты весьма малы, к тому же они частично компенсируются вследствие различного направления. Поэтому влияние их на основной момент мало. Вместе с тем они могут привести к значительной вибрации вала электрической машины.

Влияние гармоник на трансформаторы. Высшие гармонические составляющие тока и напряжения вызывают в трансформаторах увеличение потерь на гистерезис, а также потерь, связанных с вихревыми токами в стали, и потерь в обмотках трансформатора. Кроме того, сокращается срок службы изоляции [4,5].

Влияние гармоник на линии электропередачи.

Гармоники тока и напряжения в линиях электропередачи также приводят к дополнительным потерям электроэнергии. В случае кабельных линий высшие гармоники воздействуют на диэлектрик. Это, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабельной линии. В воздушных линиях гармоники по той же причине могут вызывать увеличение потерь на корону [5].

Влияние гармоник на батареи конденсаторов.

В настоящее время батареи конденсаторов широко применяются в системах электроснабжения для компенсации реактивной мощности, следовательно, влияние высших гармоник должно учитываться как при проектировании, так и при эксплуатации всего электрооборудования. В случае превышения гармониками уровней, предельно допустимых для конденсаторов, последние не ухудшают свою работу, но через некоторое время выходят из строя по причине нагрева, вызванного дополнительными потерями. Как показано в [5] наличие высших гармоник даже в допустимых пределах приводит к значительному ускорению процесса старения диэлектрика конденсаторов, т.е. сокращению срока их службы.

Влияние гармоник на учет электрической энергии. Класс точности счетчиков электроэнергии, гарантируемый предприятием-изготовителем, определяется при нормальных условиях: синусоидальном токе и напряжении, а также других параметрах. Но на практике счетчики эксплуатируются в условиях, отличных от номинальных, поэтому наряду основной, появляется дополнительная погрешность, в том числе и от высших гармоник. В результате счетчики электроэнергии при несинусоидальных токах и напряжениях имеют большую погрешность. Исследования представленные в работах [3,5,6] показывают, что индукционные счетчики под влиянием высших гармоник имеют погрешность со смещением в минус, то есть недоучитывают электроэнергию в пользу потребителей.

Исследованию погрешности электронных счетчиков посвящены работы [7,8]. В данных работах показано, что суммарная предельная погрешность электронных счетчиков от высших гармоник и субгармоник может достигать двух или трех кратного увеличения, по сравнению с основной погрешностью счетчика.

Из вышесказанного вытекает необходимость ограничения уровня высших гармонических составляющих тока и напряжения на основные элементы системы электроснабжения.

В настоящее время для снижения уровня гармоник в системах электроснабжения используются следующие технические средства:

— линейные дроссели;

— разделительные трансформаторы;

— магнитные синтезаторы;

— пассивные фильтры;

— гибридные фильтры;

— статические компенсаторы;

— активные фильтры.

Наиболее простым и, как следствие, распространенным техническим средством снижения уровня гармоник является пассивный фильтр. Он эффективен при малом числе обособленных гармонических составляющих тока и напряжения и достаточно постоянной потребляемой мощности, но с увеличением числа гармоник его применение оказывается экономически невыгодным. В этом случае на первый план выходят активные фильтры, т.к. обладают рядом преимуществ [9]:

— возможность компенсации гармоник в режиме реального времени;

— возможность компенсации высших гармонических составляющих тока и напряжения независимо от амплитуд и начальных фаз гармоник;

— возможность управлять качеством электроэнергии в переходных режимах, обусловленных резкопеременной нагрузкой;

— отсутствие дополнительных настроек фильтра и др.

Развитие силовой электроники: GTO-тиристоров, ГСВТ-транзисторов, определило элементную базу, являющуюся основой для построения активных фильтров гармоник.

Принцип действия активного фильтра основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерации в сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. В результате высшие гармонические составляющие тока компенсируются в точке подключения активного фильтр и не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть. Ток нелинейной нагрузки содержит основную I] и высшие гп гармоники:

Ток активного фильтра содержит те же гармоники, что и нагрузка, но противофазные ей:

В результате ток, потребляемый от источника, имеет практически синусоидальную форму, так как содержит только основную гармонику:

Таким образом, источник обеспечивает только основную гармонику тока нагрузки, а активный фильтр покрывает практически весь спектр высших гармоник. Исследования, представленные в работах [9,10], показывают, что величина гармонического тока уменьшается приблизительно на 90 %.

Кроме того, если токи гармоник, генерируемые нагрузкой, превышают максимальное номинальное значение токов активного фильтра, то он автоматически ограничивает ток компенсации по своему максимальному номинальному значению. В таком режиме активный фильтр может работать длительное время без повреждений.

«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ЭНЕРГЕТИКА

ЭНЕРГЕТИКА «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1

ас

Идея активной фильтрации рассматривается в работах не только зарубежных, но и российских ученых [9—18]. Анализ данных работ показывает, что активная фильтрация является новым и перспективным направлением развития полупроводниковой преобразовательной техники.

Применение активных фильтров в качестве устройств коррекция кривых тока и напряжения в сетях предприятий, является важным фактором в обеспечении энергосбережения и позволяет осуществлять надежное и экономное энергоснабжение [10]. В данной работе рассматриваются топологии активных фильтров, а также алгоритмы управления последовательным активным фильтром и параллельным на основе гармонического прогнозирования.

Основные виды активных фильтров большой мощности и анализ их работы представлены в [15]. Рассматриваются многоуровневые, многотактные и каскадные полупроводниковые преобразователи. Также в работе описываются некоторые основные направления разработки фильтров, в которых осуществляется двукратное или однократное преобразование энергии.

Широкие возможности функциональных свойств активного фильтра позволяет применять его не только для снижения уровня гармоник, но и для энергосбережения [16]. В данной работе активный фильтр используется вместо силового полупроводникового преобразователя электропривода переменного тока, что позволяет обеспечить двухсторонний обмен энергией с питающей сетью, а также практически синусоидальный ток, потребляемый из сети.

Разработка мощных активных фильтров, а также исследование их свойств и режимов работы ведется сейчас во многих странах мира.

Вывод

Таким образом, если не ограничивать влияние высших гармоник на основные элементы системы электроснабжения, то это может привести к различным негативным последствиям, которые выражаются не только в качестве дополнительных потерь электроэнергии, но и в материальном ущербе в результате выхода из строя дорогостоящего оборудования, брака продукции и т.д. Данную проблему решают с помощью различных технических средств, снижающих уровень высших гармонических составляющих тока и напряжения. Наиболее перспективным средством является активный фильтр гармоник. Благодаря своим преимуществам он находит все большее применение в системах электроснабжения различных предприятий.

Библиографический список

4. Шишкин С.А. Оптимизация нагрузки силовых трансформаторов 10/0,4 кВ при наличии низковольтных источников высших гармоник / С.А. Шишкин. Статья с сайта www. transform.ru, адрес статьи: http://www.transform.ru/articles/ html/06exploitation/expl000063.article

5. Гармоники в электрических системах: Пер. с англ. / Дж. Аррилага, Д. Брэдли, П. Боджер. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 320 с. : ил.

6. Иванов Э.А., Трофимов Г.Г., Рыспаев М.Т., Бозжанова Р.Н. Дополнительные частотные погрешности индукционных счетчиков электрической энергии: Библ. указ. ВИНИТИ Деп. В «Научные труды», 1989. — №5(211). — С. 163.

7. Погрешности электронных счетчиков. Исследование и оценка / Гуртовцев А. // Новости электротехн. — 2007. — №1. - С. 68-71.

8. Погрешности электронных счетчиков. Исследование и оценка / Гуртовцев А. // Новости электротехн. - 2007. -№2. - С. 156-160.

9. Средства улучшения качества электрической энергии на сельскохозяйственных предприятиях / Литовкин Г.И., Орлов А.И., Третьяков А.Н. // Электротехника. - 2005. -№15. - С. 29-32.

10. Сычев Ю.А. Системы коррекции кривых тока и напряжения / Ю.А. Сычев. Статья с сайта http://www.msuie. ru. Адрес статьи: http: //www.msuie.ru/unesco.forum/dokl/ 39.doс

11. Active power filters for line conditioning: a critical evaluation / Barrero Fermnn, Mar^nez Salvador, Yeves Fernando, Martanez Pedro M. // IEEE Trans. Power. Deliv. -2000. - № 1. - С. 319-325.

12. Design and operation of cascaded active power filters for the reduction of harmonic distortions in power system / Huang S.-J., Wu J.-C. // IEE Proc. Generat., Transmiss. and Distrib. -1999. - №2. - С. 193-199.

13. А control algorithm for compensation of customergenerated harmonics and reactive power / Jain Shailendra Kumar, Agarwal Pramod, Gupta H. O. // IEEE Trans. Power. Deliv. - 2004. - № 1. - С. 357-366.

14. Инверторы напряжения со ступенчатой модуляцией и активная фильтрация высших гармоник / Кумаков Ю.// Новости электротехн. - 2005. - №6. - С.64-67.

15. Активные фильтры высших гармоник. Направления развития / Пронин М. // Новости электротехн. - 2006. -№2. - С. 102-104.

16. Активный фильтр как новый элемент энергосберегающих систем электропривода / Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А. // Электричество - 2000. - №3. - С. 46-54.

17. Современные технологии повышения качества электроэнергии при ее передачи и распределении /Куро Ж.//Новости электротехн. - 2005. - №1. - С. 22-26.

18. Оптимизация численной обработки сигнала потребляемого тока при работе активного фильтра / Киселев А.Н. // Электротехника. - 2003. - №10. - С. 60-61.

1. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др.; под ред. Ю.В. Шарова. — М.: Издательский дом МЭИ, 2006. — 320 с.: ил.

2. ГОСТ 13109 — 97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения / М.: Издательство стандартов 1998.

3. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Изд-во «Энергия», 1974.

ГОРЮНОВ Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, директор ЭнИ, заведующий кафедрой ЭсПП.

ЛЮТАРЕВИЧ Александр Геннадьевич, аспирант и ассистент кафедры «Электроснабжение». ЧЕТВЕРИК Иван Николаевич, студент группы Э-523.

Дата поступления статьи в редакцию: 23.04.2008 г.

© Горюнов В.Н., Лютаревич А.Г., Четверик И.Н.