CC BY
339
УДК 621.31
А. Г. ЛЮТАРЕВИЧ С. Ю. ДОЛИНГЕР
Омский государственный технический университет
ОЦЕНКА
ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА ГАРМОНИК В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Данная статья посвящена оценке эффективности использования технических средств, снижающих уровень высших гармоник в узлах нагрузок систем электроснабжения. В заключение приведён критерий использования силового активного фильтра гармоник, полученной в результате расчётов времени окупаемости активного и пассивного фильтров в зависимости от коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и доли 5-й, 7-й, 11-й и 13-й гармоник из общего гармонического содержания.
Ключевые слова: силовые фильтры гармоник, эффективность использования фильтров гармоник.
Электрическая энергия является товаром и используется во всех сферах жизнедеятельности человека. а также непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. В силу своей специфики понятно качества электрической энергии отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник рассчитан для работы при определённых параметрах электрической энергии, поэтому для его нормальной работы должно быть обеспечено требуемое качество. Таким образом, качество электроэнергии определяется совокупностью её характеристик, при которых электроприёмники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции. Особенность электрической энергии заключается в том, что её качество на месте производства не гарантирует качества на месте потребления. Качество электроэнергии до и после подключения электроприемника к сети также может быть различно. Поэтому надлежащее качество электрической энергии — это один из её главных показателей эффективности производства, передачи, распределения и потребления.
В данной статье будет уделено внимание вопросу снижения уровня высших гармонических составляющих тока и напряжения, как наиболее сложному для инженерной оценки фактору.
Необходимо отметить, что основными формами воздействия высших гармонических составляющих тока и напряжения на элементы системы электроснабжения являются:
— 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.
В настоящее время все способы снижения несину-соидальности можно разделить на две группы: схемные решения и применение специальных технических средств.
К схемным решениям можно отнести рациональное пост роение сети, которое включает в себя:
— увеличение установленной мощности силовых •трансформаторов систем электроснабжения;
— применение разделигельиыхтрансформаторов с обмотками «треугольник-звезда» позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки по фазам и уменьшения тока, протекающего в нейтральном проводе, применяют зигзагообразную систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разби та на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора.
— выделение крупной нелинейной нагрузки на отдельные секции шин;
— подключение нелинейной нагрузки к системе с большей мощностью короткого замыкания
Выше перечисленные способы должны использоваться как на этапе проектирования, так и па этапе эксплуатации электроэнергетических систем.
К современным техническим средствам, снижающим уровень гармоник в системах электроснабжения, относятся:
— линейные дроссели;
— магнитные синтезаторы;
— пассивные фильтры;
— СТАТКОМ (статический компенсатор);
— гибридные фильтры;
— активные фильтры.
Результаты исследований в различных системах электроснабжения, проведённые испытательной лабораторией по качес тву электроэнергии при кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического уииверси-
а) б) в)
Рис.!. Схемы пассивных фильтров параллельного типа: а — одночастотнмй фильтр; б - широкополосный фильтр; и -широкополосный фильтр типа С
тета, показывают необходимость использования различных технических средств, снижающих уровень высших гармоник.
В большинстве случаев возникает задача наиболее рационального использования того или иного технического средства, другими словами, необходимо оценить, в каких случаях нужно применять пассивные фильтры, а в каких — активные. Силовой активный фильтр гармоник является наиболее перспективным средством обеспечения синусоидальности кривой напряжения 11. 2]. а пассивный фильтр — наиболее распространенное техническое средство, применяемое в настоящее время в распределительных сетях для ограничения уровня высших гармоник. Поэтому для сравнения эффективности использования были выбраны именно эти технические средства.
Пассивные фильтры выполнены на основе индуктивных и ёмкостных элементов. Принцип фильтрации пассивных фильтров основан на зависимости сопротивлений их элементов от частоты протека-емыхвнихтоков и, на использовании явлений резонанса в последовательных и параллельных цепях, содержащих такие конденсаторы и реакторы. Принято различать следующие варианты схем пассивных фильтров параллельного типа (рис. 1).
Имея минимальное сопротивление на частоте настройки, такие пассивные фильтры шунтируют токи высших гармоник, генерируемые нелинейной нагрузкой. В результате токи высших гармоник не попадают в питающую сеть.
В зависимости от схемы пассивные фильтры, параллельного типа могут быть настроены на одну или несколько отдельных частотвысших гармоник, атак-же осуществлять фильтрацию в полосе частот [3].
Наиболее распространенными из представленных являются простые одночастотные фильтры (рис. 1а), при этом часто их объединяют в группы, фильтрующие несколько гармоник, например, 5,7, 11, 13 гармоники.
Фильтры, продета пленные на рис. 16, удобны п эксплуатации, но основным их недостатком являются большие потери на основной частоте по сравнению с фильтром, представленным на рис. 1в.
Основным преимуществом фильтра С-типа (рис. 1 в) является наличие наибольших потерь на основной частоте из-за того, что па этой частоте Сфг и последовательно настроены. Такие фильтры очень чувствительны к изменениям основной частоты и отклонениям параметров элементов.
Также различают расстроенные и настроенные пассивные фильтры. Расстроенные фильтры имеют резонанс на частоте ниже частоты фильтруемой гармоники. Коэффициент, характеризующий степень расстройки, определяется из соотношения
где о>| и о>п — угловые частоты основной 1 -й и фильтруемой п-й гармоник тока или напряжения [4].
Причём секции фильтров необходимо настраивать на резонансные частоты, немного более низкие, чем частоты соответствующих гармоник. Это необходимо для сохранения их эффективности при старении конденсаторов п батарее, что сопровождается уменьшением ёмкости и сдвигом резонансной частоты фильтра вверх [5].
Расстроенные филь тры рассчитаны не только на фильтрацию высших гармонических составляющих тока и напряжения, но и на компенсацию реактивной мощности на частоте основной гармоники.
Пассивные фильтры являются простыми и надёжными устройствами повышения качества электроэнергии. Их целесообразно применять на крупных промышленных объектах с достаточно постоянной потребляемой мощностью и д\я подавления всего нескольких гармоник.
Развитие силовой электроники: СТО-тиристоров, ГСВТ-траизисторов, определило элементную базу, являющуюся основой для построения ак тивных фильтров гармоник. Это название является общим и не отражает существенных признаков фильтра. Дадим более точное определение «силового активного фильтра».
Силовой активный фильтр — это преобразователь переменного/ постоянного тока с ёмкостным или индуктивным накопителем электрической энергии на стороне постоянного тока, формирующий методами импульсной модуляции усреднённое значение тока (напряжения), равное разности нелинейного (фильтруемого) тока или напряжения и синусоидального тока (напряжения) его основной гармоники [4.5].
Идея активной филь трации рассматривается в работах не только зарубежных, но и российских ученых |2, 6, 7]. Анализ данных работ показывает, чго активная фильтрация является новым и перспективным направлением развития полупроводниковой преобразовательной техники, улучшающей качество электроэнергии в узлах нагрузок.
В качестве исследуемой схемы будет использоваться схема электроснабжения, представленная на рис. 2.
Рассмотрим два варианта: в первом случае в качестве технического средства снижения уровня гармоник будет использоваться набор пассивных фильтров, настроенных на наиболее значимые гармоники (п = 5, 7, 11, 13), а во втором случае будет использоваться силовой активный фильтр.
В качестве критерия оценки будем брать срок окупаемости. Для этого рассчитаем величину потерь ОТ ВЫСШИХ гармоник, используя существующие методики (8]. В качестве исходных данных будуг использоваться значения, полученные в результате моделирования различных режимов нагрузки, основанные на реальных измерениях, проведенных испытательной лабораторией по качеству электроэнергии при кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета.
В расчётах в качестве пассивного фильтра будем использовать резонансный ЬС-фильтртипа 4ЯР'14 — 03, обеспечивающий подавление 5-й, 7-й, 11-й и 13-й гармоник, номинальный ток до 42 Л. Стоимость пассивного резонансного ЬС-фильтра тина 411Р14 -03 составляет 44 тыс. рублей. В качестве силового
Рис. 2. Исследуемая схема электроснабжения
Рис. 3. Зависимость времени окупаемости от коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения
Таблица I
Результаты расчётов времени окупаемости при использовании фильтров гармоник
к,.% Доля 5-й, 7-й. 11-й. 13-й гармоник от общего гармонического содержания, %
40 50 60
Т<МС А*- г- Ток *»• г- Тик ЛИ- Г. Т<* г. Ток ЛИ» г- 1 СЖ *Л» Г-
3 7,10 9.80 7,30 7.00 7.40 5,60
4 5.20 7.60 5.40 5.20 5.50 4.10
5 3.65 5.70 3,70 3.60 3,80 2.90
6 2.50 4,10 2,50 2.40 2.60 2.00
7 2.10 3.40 2.10 2.00 2,20 1.70
активного фильтра будем использовать фильтр типа НС50, номинальный ток до 50 А. Стоимость да! того фильтра составляет 151 тыс. рублей. Результаты расчётов времени окупаемос ти активного и пассивного фильтров в зависимости от коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и доли 5-й, 7-й, 11-й и 13-й гармоник из общего гармонического содержания сведём п табл. 1. По результатам расчётов, представленных в табл. 1, построим зависимости времени окупаемости от ко:к|х1)ициента искажения синусоидальности кривой напряжения (рис. 3).
В результате анализа кривых, представленных на рис. 3. можно сделать вывод о том, что активный фильтр целесообразно применять при доле 5-й, 7-й, 11-й, 13-й гармоник от общего гармонического содержания менее чем 50 %. Значение доли <*5 ? 113 = 50 % указывает па эффективность применения как активных, так и пассивных фильтров, в этом случае требуется технико-экономическое обоснование.
Анализ кривых, представленных на рис. 3, позволяет вывести критерий использования активного фильтра гармоник. Зная, чго
тогда
ки = и— и и.
к
5.7,11.13
_М*иЬииЧз
(2)
(3)
5,7,11,13
-<50%. (4)
ки
I и;
п — 2
Выражение (4) представляет собой критерий использования активного фильтра гармоник.
Кроме того, при использовании пассивных фильтров необходимо учитывать их недостатки: возможность перекомпенсации при мощности потребителя ниже установленной и недокомпенсации при увеличении потребляемой мощности выше номинального значения, т.е. эффективность пассивных фильтров ограничена за счёт постоянной установленной мощности И невозможности слежения изменений процессов сети. Также к недостаткам можно отнести большую потребляемую мощность и высокие массогабаритные показатели.
Вывод. В результате численных экспериментов были получены зависимости времени окупаемости при использовании фильтров гармоник от коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и доли 5-й, 7-й, 11 -й и 13-й гармоник из общего гармонического содержания. Указанные зависимости позволяют сделать вывод что чем больше величина коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, тем меньше время окупаемости фильтра. Кроме того, выведен критерий использования активного фильтра гармоник, который указы-
•Т„, гад
— Активный фигцтр ({1=404] —ГЬкспеиый фильтр .<1-40Ч|
— Активным фильтр <й=50*А)
— Поссжмый фильтр (<1=50%)
— Активный фильтр (а-вО*А)
— Пассивный фильтр 1<1=6СГ4|
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ИСТНМК М» 1 »7) 2010
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК М* 1 (8?) 2010
каст 11а эффективность применения активных фильтров гармоник при значениях доли 5-й, 7-й, 11 -й и 13-й гармоник от общего гармонического содержания,
раПНОЙ <*5.7.11.13 ** ■
Библиографический список
1. Лютаревич. А.Г.. Ощепков R.A., Петрова Е.В. Анализ совре-мемпых методов и средств повышения качества электроэнергии / A.I'. Лютаревич, В.А. Ощепков Е.В. 11етрова // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: 3-я Междунар. науч.-техн. конф - Омск, 2007 - С. 11 4- 118.
2. Parkatti P.. Salo М.. Tuusa Н. Experimental results fora current source shunt active power filter with series capacitor / IEEE Power Electronics Specialists Conference, 15— 19June 2008, pp. 3814 — 3818.
3. Аррилага, Дж. Гармоники u электрических системах: нор. с англ. /Дж Аррнлага.Д. Брэдли. П. Боджер. - М.:Энергоатом-издат, 1990. - 320 с.
4. Розанов, Ю.К. Силовая электроника : учебник для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчинский, А.А Квас шок. — М.: Иядател».-ский дом МЭИ. 2007. - 632 с.
5. Куско, А Качество энергии и электрических сетях / А Куско. М. Томпсон : пер. с англ. Рободзея А.Н. — М.: Додэк.1-ХХ1. 2008. - 336 с.
6. Jain Shailendra Kumar. Agarwal Pramod, Gupta H. О A
УДК 621.3.08
control algorithm for compensation ol customer-genera ted harmonics and reactive power//IEEE Trans. Power. Dehv. — 2004. - No l. -C. 357 - 366.
7 Ortuzar М.. Carmi R., Dixon J.. Мотбп L. Voltage source active power filter, based on multi-stage converter and ultiacapacltor DC-link / IEEE Power Electronics Specialists Conference. 15— 19 June 2008, pp. 2300 — 2305. - Режим доступа: http://www2.ing. puc.cl/power/paperspdf/dixon/61a.pdf.
8. Лютаревич, А.Г. Оценка дополнительных потерь мощности от высших гармоник в элементах систем электроснабжения / АГ. Лютаревич [и др.) // Омский научный вестник. - 2009. -Nel (77). - С. 109-113.
ЛЮТАРЕВИЧ Александр Геннадьевич, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
Адрес для переписки: e-mail: l.alexander@inbox.ru ДОЛИН ГЕР Станислав Юрьевич, аспирант, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 06.11.2009 г.
© А. Г. Лютаревич, С. Ю. Долннгер
С. Ю. ДОЛИНГЕР А. Г. ЛЮТАРЕВИЧ
Омский государственный технический университет
ПРИМЕНЕНИЕ ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Данная статья посвящена проблеме контроля качества электроэнергии, которая, как и всякий товар, должна удовлетворять определенным требованиям. Применение вейвлет-анализа для олредепения показателей качества электроэнергии позволит создать приборы способные непрерывно отслеживать качество электроэнергии. В статье рассмотрены теоретические основы использования вейвлетов для анализа нестационарных сигналов. Ключевые слова: качество электроэнергии, вейвлет-анализ, вейвлет, Фурье, измерение показателей качества.
В настоящее время в электроэнергетике огромное внимание уделяется обеспечению качества электроэнергии, которая, безусловно, является товаром и должна удовлетворять определенным требованиям. Значительная часть используемого в настоящее время оборудования восприимчива к плохому качеству элек троэнергии, несоблюдение которого приводит к снижению производительности и качества выпускаемой продукции, а также повреждению оборудования и увеличению потерь электроэнергии в распределительных сетях.
Постоянный рост доли и мощности электроприём-ников с нелинейными вольтамперными характеристиками приводит к возникновению высших гармонических составляющих тока и напряжения и. как следствие, к проблеме качества электроэнергии. Для этих потребителей проблема повышения качества элек-
троэиергии становится особенно острой из-за постоянно растущей стоимости электроэнергии и требований к ее качеству со стороны энергоснабжающих организаций.
Нормативно-правовые документы, обеспечивающие регулирование взаимоотношений между энергоснабжающей организацией и потребителем, устанавливают скидки и надбавки за оплату электроэнергии. Также как к производителю некачественного товара, который нанес потребителю ущерб, можно выставить требование о материальном и моральном возмещении. Но отсутствие непрерывного мониторинга и наблюдений за качеством электрической энергии не дает возможности пострадавшим потребителям получения материальной компенсации от энергоснабжающей организации, являющейся коммерческой, продающей и произведенную электроэнергию. В связи
