Анализ влияния силовых полупроводниковых преобразователей на качество электрической энергии

УДК 629.9:502.14:62-83

А.В. Фомин, канд. техн. наук, лаборант,

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Рассмотрено влияние силовых преобразователей на функционирование электроприемников при помощи моделирования.

Ключевые слова: качество электрической энергии, фильтрокомпенсирующие устройства, энергосбережение, статический тиристорный компенсатор.

Энергоснабжающие организации и потребители электрической энергии несут значительные экономические потери от нарушения ее качества. Соответствие качества электроэнергии стандартам необходимо для нормальной жизнедеятельности граждан, повышения технико-экономических показателей производства и качества выпускаемой продукции.

Качество электрической энергии неразрывно связано с понятием электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств.

Правовые отношения в области требований к продукции, процессам производства в России определены Федеральным законом «О техническом регулировании» № 184- ФЗ от 27 декабря 2002 года [1]. Требования, которые в нем содержатся в части электромагнитной совместимости электротехнических средств, являются обязательными и подлежат подтверждению соответствия. Данные положения распространяются и на требования к показателям качества электроэнергии.

Как известно, существенным источником помех снижающих качество электрической энергии являются силовые полупроводниковые преобразователи [2]. При создании электротехнических комплексов и систем с применением силовой полупроводниковой преобразовательной техники вопросы электромагнитной совместимости с питающей сетью рассматриваются как второстепенные. Однако генерируемые преобразователями высшие гармоники, резкопеременный характер нагрузки электропривода приводят к снижению показателей качества электроэнергии в питающих сетях. Особенно остро это сказывается на других нагрузках, подключенных к той же обмотки силового трансформатора, что и электропривод.

Силовые полупроводниковые преобразователи являются источниками высших гармоник тока, которые определяют искажения синусоидальности напряжения в точках подключения к питающей сети. Порядок высших гармоник тока, ряд которых содержит нечетные гармоники, кроме гармоник кратных трем, зависит от схемы преобразователя и его пульсно-

сти или числа фаз преобразователя. Этот ряд определяется следующим выражением:

n = pk ± 1,

где n - отношение частоты высшей гармоники к частоте сети; p - пульс-ность преобразователя; k = 1,2,3.

Порядки высших гармоник, которые компенсируются в преобразователе, определяются следующим выражением:

n = 2 •

Следовательно, 6-пульсный преобразователь генерирует нечетные гармоники, начиная с 5-й, а 12-пульсный - начиная с 11-й. При этом 5, 7, 17, 19, 29 и 31-ая компенсируются в схеме преобразователя. Некомпенсированные высшие гармоники достаточно значительны, чтобы, как показали измерения, создавать искажения напряжения в точках общего подключения, превышающие допустимые значения по ГОСТ 13109-97 [3].

Амплитуды высших гармоник тока, генерируемые преобразователями, зависят от ряда факторов (отклонения напряжения, угол коммутации и т.д.) [4]. Однако в соответствии с рекомендациями IEEE [5] для практических расчетов приняты амплитуды гармоник тока, обозначенные в табл. 1.

Таблица 1

Амплитуды высших гармоник тока, генерируемые преобразователями _по рекомендации IEEE_

6-пульсная схема

Номер гармоники 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37

Амплитуда гармоники в процентах от первой гармоники, % 20 14 9 8 6 5 4 4 3 3 3 3

12-пульсная схема

Номер гармоники 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37

Амплитуда гармоники в процентах от первой гармоники, % - - 9 8 - - 4 4 - - - -

Основным средством компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник тока и напряжения на входе и выходе силовых полупроводниковых преобразователей являются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ) [4]. Выбор параметров ФКУ определяются на основе результатов анализа электромагнитных процессов, происходящих в электротехнической системе и анализа состава гармоник тока и напряжения в

точке подключения электропривода, и в точке общего подключения. ФКУ состоит из совокупности фильтрокомпенсирующих цепей (ФКЦ) - резонансные цепи (фильтры), настроенные на необходимую частоту и на частоте сети является генератором реактивной мощности. Для схем ФКУ применяют в основном следующие типы фильтров: узкополосный, широкополосный и С-типа. Схемы данных фильтров представлены на рис. 1.

/

С /?

а

б

в

Рис. 1. Схемы фильтров: а - узкополосного; б - широкополосного; в - С-типа

Для определения мощность ФКУ используют следующее выраже-

ние

Яфку=01 + Яу,

где реактивная мощность на основной частоте;реактивная мощность на частоте настройки V.

Реактивная мощность, генерируемая ФКУ на основной частоте

где U — линейное напряжение на шинах подключения ФКУ; ХC — сопротивление фазы конденсаторной батареи ФКУ.

Реактивная мощность на частоте настройки

ШшШ

где I, — ток частоты гармоники настройки.

Индуктивное сопротивление фильтрового реактора (РФ).

В случае периодических (циклических) графиков нагрузки электропривода, например шахтных подъемных установок, прокатные станы и т.д. целесообразно применение статических тиристорных компенсаторов (СТК). СТК представляет собой ФКУ с тиристорно-реакторной группой. ТРГ, соединенная в треугольник является плавно регулируемым потребителем реактивной мощности. ТРГ состоит из трехфазного состоит из тири-сторных вентилей и трех сдвоенных компенсирующих реакторов (РК).

Структурная однолинейная электрическая схема СТК для электроприводов представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная однолинейная электрическая схема СТК

для электроприводов

СТК и ФКУ проектируются с учетом следующих документов:

- ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»;

- приказ Минпромэнерго №49 от 22.02.07 с «Положением о порядке расчетазначений соотношения активной и реактивной мощности ...», в котором прописаны требования к соотношению активной и реактивной мощности в точке присоединения потребителей.

ФКУ предназначен для обеспечения следующих показателей качества электрической энергии (ПКЭ) согласно ГОСТ 13109-97 в точке подключения СТК:

- коэффициент п- гармонической составляющей напряжения;

- коэффициент искажения синусоидальности напряжения.

СТК предназначен для обеспечения следующих ПКЭ согласно ГОСТ 13109-97 в точке подключения СТК:

- установившееся отклонение напряжения;

- размах изменения напряжения (колебания напряжения);

- коэффициент п- гармонической составляющей напряжения;

- коэффициент искажения синусоидальности напряжения.

Очевидно, что СТК за счет ТРГ позволяет обеспечить более широкий спектр ПКЭ в отличие от ФКУ. Однако наличие ТРГ существенно удорожает компенсирующее устройство и сама ТРГ является источником гармоник.

Также стоит отметить, что в периоды остановки электропривода ФКУ будет генерировать в сеть реактивную мощность и соблюдение соотношения активной и реактивной мощности в точке присоединения может оказаться проблематичным. Однако при наличии ТРГ такая проблема отсутствует.

При обосновании параметров ФКУ или СТК необходимо анализировать вопросы ЭМС силовых преобразователей с питающей сетью. Для решения этой задачи целесообразно применять компьютерные модели. Теоретические аспекты расчетов несинусоидальных режимов приведены в [4]. В настоящей статье рассмотрена универсальная эффективная модель электротехнического комплекса «Система электроснабжения (СЭС) - СТК (ФКУ) - Силовой преобразователь (электропривод)».

Универсальная модель предназначена для анализа гармоник тока и напряжения в электротехническом комплексе. Модель поддерживается программой №р1ап. Модель включает в себя графические символы и макромодели компонентов электротехнического комплекса.

Универсальность модели обеспечивается следующим:

- моделирование элементов электротехнического комплекса производится на базе специализированных библиотек, что упрощает процедуру составления расчетной схемы;

- редактирование параметров схемы производится на основе диалога;

- возможности вывода результатов анализа схемы в графическом и текстовом формате на основе использования стандартного интерфейса.

Достоинством данной модели является максимальное использование стандартных библиотек компонентов, что позволяет моделировать электротехнический комплекс любой сложности и избежать при этом ошибок.

Для иллюстрации возможностей предложенной модели рассмотрим пример моделирования влияния на питающую сеть тиристорного преобразователя частоты для синхронного двигателя, генерирующий гармоники тока, как 6-пульсный преобразователь.

Функциональная однолинейная схема модели электротехнического комплекса «СЭС - СТК - Силовой преобразователь», созданная в среде №р1ап, представлена на рис. 3, где Источник бескон. мощн., Источник бескон. мощн.-1 - источник ЭДС- 110кВ; Хкз сети, Хкз сети-1 - реактивные сопротивления короткого замыкания (КЗ), соответствующие мощности КЗ 1200 МВА; Трансф. 110/6 кВ, Трансф. 110/6 кВ-1 - силовые трансформаторы номинальной мощностью 12,5 МВА; ЖД 12 пульс 4 МВА, 6 пульс- 0,3 МВт, 6 пульс- 0,8 МВт, 6 пульс-1- 0,8 МВт, 6 пульс-1- 0,3 МВт,

ТРГ, Преобразователь 6 пульн - 4МВт, 6 пульс-1- 1 МВт - источники тока, генерирующие гармонические составляющие в соответствии с обозначенной в наименовании пульсностью (см.табл. 1) и мощностью; КЛ 700 м, КЛ-100 м, КЛ 700 м - кабельные линии соответствующей длины; КБ 2200кВар, КБ 2200кВар - конденсаторные батареи соответствующей мощности; ФКЦ-3, ФКЦ-5, ФКЦ-7 - ФКЦ, которые настроены на частоты -3 - 150 Гц, -5 - 250 Гц, -7 - 350 Гц и генерируют реактивные мощности на частоте сети соответственно - 2 МВар, 2 МВар и 8 МВар; ТП-1 - ТП-5 - статические нагрузки.

Рис. 3. Функциональная однолинейная схема модели электротехнического комплекса «СЭС - СТК - Силовой

преобразователь»

Как отмечалось выше при проектировании электротехнических комплексов с силовыми преобразователями необходимо тщательно подходить к вопросу ЭМС. При подключении КБ 2200 кВар-1 на модели (см. рис. 3) на частоте 730 Гц возникает резонанс токов. Как видно из сравнения результатов расчета, приведенных в табл. 2 и 3 подключение КБ увеличивает коэффициент несинусоидальности напряжения почти в 2 раза по сравнению с отключенной КБ.

Рис. 4. Частотная зависимость сопротивления на шинах РП-2 секции1

6 кВ при подключении КБ 2200 кВар-1

Рис. 5. Частотная зависимость сопротивления на шинах РП-2 секции1 6 кВ

Результаты расчета работы электротехнического комплекса с СТК и при отключенном СТК приведены в табл. 2.

Рассмотренная универсальная модель является эффективным и удобным средством для анализа влияния преобразователей на качество электроэнергии в электротехническом комплексе «Система электроснабжения (СЭС) - СТК (ФКУ) - Силовой преобразователь (электропривод)».

Рис. 6. Частотная зависимость сопротивления на шинах РП-2 секции 1 6 кВ при подключении КБ 2200 кВар-1

Таблица 2

Расчетные значения коэффициентов несинусоидальности напряжения

Номер гармоники Допустимое ФКЦ-3, ФКЦ-5, ФКЦ-7, ТРГ- отключена и КБ 2200 кВар-1- подключена ФКЦ-3, ФКЦ-5, ФКЦ-7, ТРГ - подключены, КБ 2200 кВар-1- отключена

РП-2 секция 1

Расчетное, % 53,4 11,97

ГОСТ 13109-97 допустимое

ГПП-110 кВ

Расчетное, % 5,7 0,99

ГОСТ 13109-97 допустимое

Таблица 3

Расчетные значения коэффициентов несинусоидальности напряжения

Номер гармоники Допустимое ФКЦ-3, ФКЦ-5, ФКЦ-7, ТРГ и КБ 2200 кВар-1- отключены ФКЦ-3, ФКЦ-5, ФКЦ-7, ТРГ - подключены, КБ 2200 кВар-1- отключена

РП-2 секция 1

-Расчетное, % 27,39 5,99

ГОСТ 13109-97 допустимое

ГПП-110 кВ

-Расчетное, % 2,9 0,45

ГОСТ 13109-97 допустимое

Предложенную методологию моделирования целесообразно применять для выбора схем и параметров СТК (ФКУ) на этапе проектирования электротехнических комплексов и систем, содержащих преобразователи.

Список литературы

1. О техническом регулировании; Федеральный закон №184- ФЗ от 27 декабря 2002 года // Российская газета. 31 декабря 2002 , №245 (3113).

2. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2000. 252 с.

3. Эффективность использования многофазных схем преобразователей для обеспечения качества электроэнергии/ И.И. Карташев [и др.] // Электро. 2003. №5. С. 23-27.

4. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергоатомиздат. 1984, 160 с.

5. Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis (IEEE Brown book) (ANSI) / IEEE STD 399-1997, IEEE.

A. Fomin

The analysis of influence power semi-conductor converter on quality of electric energy

Influence of power converters on functioning of electroreceivers by means of modelling is considered.

Keywords: quality of electric energy, the filter compensating devices, energy savings, static thyristor compensator.

Получено 06.07.10

УДК 629.9:502.14:62-83

В.М. Степанов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,

СОВРЕМЕННЫЕ ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Рассмотрены влияние качества электрической энергии на функционирование электроприемников, способы улучшения качества электроэнергии, экономические и правовые аспекты качества электроэнергии.

Ключевые слова: качество электрической энергии, фильтрокомпенсирующие устройства, энергосбережение.

Электрическая энергия используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью определенных свойств и непосредственно участвует при создании других видов продукции.

140