CC BY
1УДК 621.316.722.076.12
Сериков В.А.
канд. техн. наук, ассистент кафедры электроэнергетики и электромеханики Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II (г. Санкт-Петербург, Россия)
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В СЕТИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Аннотация: в работе приведен анализ научной проблема обеспечения качества электроэнергии в системах электроснабжения частно-регулируемого электропривода. Показан метод расчета параметров пассивных фильтров гармоник. Построена имитационная модель системы электроснабжения узла питания частно-регулируемого электропривода, на основе которой рассмотрены режимы работы узкополосных пассивных фильтров гармоник. В результате моделирования установлено, что пассивные фильтры гармоник снижают гармонические искажения тока и напряжения и потребление реактивной мощности в узле питания частно-регулируемого электропривода.
Ключевые слова: качество электроэнергии, система электроснабжения, частно-регулируемый электропривод, высшие гармоники, пассивные фильтры гармоник, имитационное моделирование.
Проблема качества электрической энергии и энергосбережения продолжает оставаться одной из самых актуальных, определяющих энергоэффективность систем электроснабжения потребителей [1].
Основа промышленности города Санкт-Петербурга - тяжёлая индустрия, в том числе энергетическое машиностроение. Практически во всех системах электроснабжения промышленных предприятий Санкт-Петербурга все более широкое применение находят системы мощного высоковольтного частотно-регулируемого электропривода технологических установок. Наряду с
несомненными достоинствами частотно-регулируемого электропривода имеет существенный недостаток, являясь источником высших гармоник тока, негативно влияющих на качество электроэнергии, электромагнитную совместимость электрооборудования и энергоэффективность производства. Высшие гармоники искажают форму напряжения, приводят к дополнительному нагреву проводников, снижению срока службы электрооборудования, ложному срабатыванию релейной защиты и автоматики, помехам в системах связи, резонансным и другим негативным явлениям [2].
Для снижения негативных последствий от высших гармоник успешно применяется ряд технических и схемных решений, включая фильтры гармоник и увеличение, часто необоснованное, мощности источников питания систем электроснабжения с частотно-регулируемым электроприводом. В частности, таким техническим решением является установка фильтрокомпенсирующих устройств на шинах питания частотно-регулируемым электропривода [3].
Следует отметить, что подавление высших гармоник тока с помощью фильтрокомпесирующих устройств обусловливает снижение потерь электроэнергии в электрической сети предприятия и, соответственно, экономию энергоресурсов и повышение конкурентоспособности продукции.
Исследование режимов работы системы электроснабжения частотно-регулируемого электропривода проводилось на основе имитационного моделирования в программной среде MATLAB Simulink. Компьютерная модель участка сети, которая определяет гармонические искажения тока и напряжения, вносимые частотно-регулируемым электроприводом приведена на рисунке 1.
На рисунке 1: источник приведенного напряжения 1140 В питает частотно-регулируемым электропривод и вспомогательное оборудование через понижающий трансформатор и линию электропередачи, которые в модели представлены эквивалентным активно-индуктивным сопротивлением.
Параметры режимов работы сети контролировались с помощью осциллографа, измерителя мощности и анализатора показателей качества электроэнергии. Исследования проводились в двух режимах работы сети: при
отсутствии пассивных фильтров гармоник и при их включении на параллельную работа с узлом нагрузки.
В'сп ом огател ь нов обо рудо ва н и е
Рисунок 1. Компьютерная модель участка сети, питающий частотно-регулируемый электропривод.
Пассивные фильтры гармоник выбирались таким образом, чтобы они одновременно компенсировали гармонические искажения тока (К1 %) и напряжения (Ки %) и величину потребляемой реактивной мощности из сети. На практике, в узел питания электропривода устанавливают два или четыре узкополосных пассивных фильтра, настроенные на подавления основных канонических гармоник (п) - п = 5, 7, 11 и 13. Конфигурация пассивного фильтра определяется пульсностью частотно-регулируемого электропривода, уровнем гармонического искажения и потребления реактивной мощности сети. Расчет пассивных фильтров производился по следующей методики [4]: На первом шаге выбирают реактивную мощность каждой ветви блока фильтра QФ нач, а также задают начальную емкость конденсатора фильтра на п-й гармонике О нач, которая обеспечивает компенсацию реактивной мощности.
Тогда начальная индуктивность фильтра Li нач определяется по следующему выражению (1):
Анач =_1__
Сгнач ■ (2П) (1)
где й - частота фильтруемой гармоники.
Генерируемая реактивная мощность фильтра QФ с параметрами О нач и Ы нач будет определяться по выражению (2):
т тт 2
^ ном сети
оф=!—г
1=---2пЛети 1г
2п/сетиС г (2)
Затем полученные начальные параметры фильтра корректируют с целью более точной компенсации реактивной мощности, как показано в источнике [4].
Для исследуемой схемы было установлено, что для улучшения показателей качества электроэнергии достаточно двух узкополосных пассивных фильтра, настроенных на п = 5, 7. Результаты моделирования режимов работы системы электроснабжения сведены в таблицу 1.
Таблица 1. Результаты моделирования режимов работы системы электроснабжения.
Р сети, кВт Q сети, квар ки % К1 %
Режим работы сети при отсутствии пассивных фильтров гармоник
2170 270 8,3 15,7
Режим работы сети при включении пассивных фильтров гармоник
2190 30 3,7 8,6
Таким образом, по результатам таблицы 1 видно, пассивные фильтры гармоник позволяют обеспечить показатели качества электроэнергии в системе электроснабжения частотно-регулируемого электропривода и снизить уровень потребления реактивной мощности из питающей сети.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1984;
2. В.Н. Костин, Ю.А. Сычев, В.А. Сериков. Анализ качества электроэнергии в системе электроснабжения горно-обогатительного комбината с мощной нелинейной нагрузкой // Промышленная энергетика. 2024. № 5. С. 50-57. DOI: 10.34831/EP.2024.79.14.007;
3. Ю.А. Сычев, В.Н. Костин, В.А. Сериков, М.Е. Аладьин. Анализ несинусоидальных режимов в системах электроснабжения горных предприятий с нелинейной нагрузкой и конденсаторными установками // ГИАБ. - 2023. - № 1. - С. 159-179. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_1_0_159;
4. Синтез фильтрокомпенсирующих устройств для систем электроснабжения: коллективная монография / Н.П. Боярская, В.П. Довгун, Д.Э. Егоров [и др.], под ред. В.П. Довгуна. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2014. - 192 с.
Serikov V.A.
Saint Petersburg Mining University (Saint-Petersburg, Russia)
SIMULATION OF OPERATING MODES FILTER-COMPENSATING DEVICES IN NETWORK FREQUENCY-CONTROLLED ELECTRIC DRIVE
Abstract: paper presents an analysis of the problem of ensuring the quality of electricity in power supply systems of a privately controlled electric drive. A method for calculating the parameters of passive harmonic filters is shown. A simulation model of the power supply system of a privately controlled electric drive is constructed, on the basis of which the operating modes of narrowband passive harmonic filters are considered. As a result of the simulation, it was found that passive harmonic filters reduce harmonic current and voltage distortions and reactive power consumption in the power supply unit of a privately controlled electric drive.
Keywords: power quality, power supply system, privately regulated electric drive, higher harmonics, passive harmonic filters, simulation modeling.
