ПАРАМЕТРЫ И РЕЖИМ РАБОТЫ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.31

Зимин Р.Ю.

канд. тех. наук, заместитель директора по подготовке кандидатов в аспирантуру

Санкт-Петербургский горный университет Императрицы Екатерины II (г. Санкт-Петербург)

ПАРАМЕТРЫ И РЕЖИМ РАБОТЫ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Аннотация: в работе представлено определение несинусоидальных искажений в системах электроснабжения на примере работы частотно-регулируемого электропривода с использованием широтно-импульсной модуляции. Методика выбора и расчета параметров активного фильтра. Анализ воздействия активного фильтра на искажения в электроэнергетических сетях. Высшие гармоники тока снижают КПД трансформатора, увеличивают потери и нагрев электрооборудования, то есть являются вредными, наличие их является важнейшим недостатком неуправляемого выпрямителя.

Ключевые слова: активный фильтр, высшие гармоники, электроэнергетическое оборудование.

Для снижения величины ВГС необходимо применять различные специализированные устройства. Такими устройствами могут быть активные фильтры [1].

Принцип активного фильтра гармоник шунтирующего типа может быть представлен посредством электроакустической аналогии (Рисунок 1) [7,8]. Наблюдатель не услышит шум от источника S, если второй источник 5 генерирует шум, обратный по спектральному составу шуму источника 5. Давления генерируемых громкоговорителями от обоих источников волн имеют одинаковую амплитуду и противоположные фазы: это явление называется

ослабляющей (разрушающей) интерференцией. Данная технология известна как активное подавление шума [5].

Рис. 1. Электроакустическая аналогия активного фильтра гармоник.

Представленная аналогия - точная иллюстрация активного фильтра гармоник шунтирующего типа, целью которого является ограничение или устранение гармоник тока (или напряжения) в точке общего присоединения, путем генерирования соответствующего тока (или напряжения) (Рисунок 2)

Таким образом, цель активного фильтра достигается в соответствии с местом установки в системе электроснабжения:

1. Локальная (местная) компенсация гармоник, связанная с одной нелинейной нагрузкой

2. Общая компенсация гармоник: если присоединение осуществлено, например, в главном распределительном щите низкого напряжения (ГРЩНН)

Контролирующий микрофон —

Микр о ф он ошибки —

[4,9,10].

[8,11,15]. 3.

Рис. 2. Принцип компенсации гармоник шунтирующим активным фильтром.

Активный фильтр - источник тока, который не зависит от сопротивления электрической сети и имеет следующие внутренние характеристиками:

1. Достаточная ширина диапазона частот, гарантирующая подавление большинства гармонических составляющих (в статистических пределах) тока нагрузки.

2. Время реагирования фильтра выбирается таким, чтобы компенсация гармоник была эффективна как в установившемся режиме, так и в «медленном» переходном процессе (несколько долей мс).

3. Мощность позволяет откорректировать гармоническую составляющую в соответствии с поставленными задачами [12,13,14].

Главное назначение устройства - устранение высших гармоник, но также устройство может компенсировать коэффициент мощности. В данном случае - реактивный ток, который может быть пропорционально высоким и должен учитываться в номинальном значении тока компенсации активного фильтра [16,18].

Активный фильтр гармоник можно условно разделить на два основных

блока:

1. Силовая часть: входной фильтр, инвертор, накопительные устройства

2. Система управления: обработка данных (процессор ссылок), датчики тока и напряжения, преобразователь низкого уровня управляющего сигнала (усилитель) [17,19].

Система управления активным фильтром реализуется исходя из уровня компенсации высших гармоник, который сопоставим с мощностью искажения в системе электроснабжения [20,22].

Мощность искажения согласно методу ортогональных временных координат с использованием векторного произведения определяется следующим образом [21]:

Б =

1

1 Т ад ад

1 ЦК^ (' X (')-(' К (' № . (1)

2Т

^1 о т=0 п=0

Применение выражения (1) для практических расчетов достаточно затруднительно и связано с большим объемом вычислений. С другой стороны, зная действующие значения п-ых ВГС ип и 1п из результатов экспериментальных исследований выражение для определения Б можно упростить следующим образом [23]:

Б = 7 и 22 (122 + /з2 + ... + 11)+ и32 (122 + /з2 + ... + Iп2 )+ ... + и] (122 + /з2 + ... + Iп2 ) = ^ ^ ■ £ (2)

I п=2 п=2

Коэффициент мощности cosф 1 в формуле определяется следующим образом:

соэ^ =(3)

где 51 = ^112 + 02 , Р - активная мощность, Q - реактивная мощность, S -полная мощность.

Таким образом, ток активного фильтра будет определяться следующими выражениями [24,25]:

ОпАФ _ д/бдвгс + В2 _ \

т _ ^ПАФ V ПАф

ОТ ОТ

Кил )2+1и2 Т2

п_ 2 п_ 2

л/Зц. Suc л/3и

(4)

I ОТ ОТ ОТ

п О2 + о2 + в2 М^ъ)2 +Е(и«Тп)2 +£и2 тп

т _ °ПАФ _ V ^двгс_ _ Л_п=2_п_2 п_2 (5)

тПАФ _л/3и _ Яие ~ 43ис ()

Выводы:

На основании проведенных исследований представлены основные составляющие активного фильтра.

По результатам математического и имитационного моделирования, были выявлены уровни эффективности работы активных фильтрокомпенсирующих устройств. Данные устройства обеспечивают значительное улучшение качества электроэнергии, а именно, значение суммарного коэффициента гармонических составляющих и значение коэффициентов гармонических составляющих от 2 до 40 порядка, обеспечивают компенсацию реактивной мощности и увеличивают коэффициент мощности (cosф).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Клюев Р.В., Босиков И.И., Гаврина О.А. Повышение эффективности релейной защиты на горно-обогатительном комбинате // Записки Горного института. - 2021. - Т. 248. - С. 300-311. 001: 10.31897/РМ1.2021.2.14;

2. Жуковский Ю.Л., Королев Н.А., Малькова Я.М. Мониторинг состояния измельчения в барабанных мельницах по результирующему моменту на валу // Записки Горного института. 2022. Т. 256. С. 686-700. Б01: 10.31897/РМ1.2022.91;

3. Мардашов Д.В., Бондаренко А.В., Раупов И.Р. Методика расчета технологических параметров закачки в нефтяную скважину неньютоновских

жидкостей при подземном ремонте // Записки Горного института. 2022. Т. 258. С. 881-894. DOI: 10.31897/PMI.2022.16;

4. Абрамович Б. Н., Богданов И. А. Повышение эффективности автономных электротехнических комплексов нефтегазовых предприятий // Записки Горного института. - 2021. - Т. 249. - С. 408 - 416. DOI: 10.31897/PMI.2021.3.10;

5. Dobroskok N., Lavrinovskiy V.S., Trusova E.S. Simplified control system for grid-tied modular multilevel based energy storage. International Journal of Power Electronics and Drive Systems Vol. 14, No. 1, March 2023;

6. Zhukovskiy Y.L., Batueva D.E., Buldysko A.D. et al. Fossil Energy in the Framework of Sustainable Development: Analysis of Prospects and Development of Forecast Scenarios // Energies. 2021. Vol. 14. Iss. 17. № 5268. DOI: 10.3390/en14175268;

7. Litvinenko V. The role of hydrocarbons in the global energy agenda: The focus on liquefied natural gas // Resources. 2020. Vol. 9. Iss. 5. No. 59. DOI: 10.3390/resources9050059;

8. Queen H.J., Jayakumar J., Deepika T.J. Comparative techno-economic analysis of power system with and without renewable energy sources. Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. Vol. 24, No. 3, December 2021, pp. 1260-1268, DOI: 10.11591/ijeecs.v24.i3. pp 1260-1268;

9. Ustinov D.A., Shafhatov E.R. Assessment of Reliability Indicators of Combined Systems of Offshore Wind Turbines and Wave Energy Converters. Energies 2022, 15(24), 9630 https://doi.org/10.3390/en15249630;

10. Korolev N., Kozyaruk A., Morenov V. Efficiency increase of energy systems in oil and gas industry by evaluation of electric drive lifecycle // Energies. 2021, vol. 14, article 6074. DOI: 10.3390/en14196074;

11. Madhavan M., Anandan N. Unified power quality control based microgrid for power quality enhancement using various controlling techniques. Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. Vol. 29, No. 1, January 2023, pp. 75-84. DOI: 10.11591/ijeecs.v29.i1. pp 75-84;

12. Somsai K. Controller Design of UPQC for Enhancing Power Quality in Distribution System. International Journal of Power Electronics and Drive System. Vol. 9, No. 4, December 2018, pp. 1591-1606. DOI: 10.11591/ijpeds.v9.i4.pp1591-1606;

13. Gomez Y.A.G., Garcia N.T., Hoyos F.E. Unit vector template generator applied to a new control algorithm for an UPQC with instantaneous power tensor formulation, a simulation case study. International Journal of Electrical and Computer Engineering. Vol. 10, No. 4, August 2020, pp. 3889-3897. DOI: 10.11591/ijece.v10i4.pp3889-3897;

14. Rao K.V.G., Kumar M.K. The harmonic reduction techniques in shunt active power filter when integrated with non-conventional energy sources. Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. Vol. 25, No. 3, March 2022, pp. 1236-1245. DOI: 10.11591/ijeecs.v25.i3.pp1236-1245;

15. Yousfi A., Bot Y., Mehedi F., Chaker A. Current model predictive control for three-phase active power filter using cascaded H-bridge multilevel converter. Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. Vol. 21, No. 2, February 2021, pp. 714-722. DOI: 10.11591/ijeecs.v21.i2.pp714-722;

16. Rao N.S., Rao P.V.R. Novel multi-device unified power quality conditioner for power quality improvement. International Journal of Power Electronics and Drive Systems. Vol. 13, No. 1, March 2022, pp. 390-400. DOI: 10.11591/ijpeds.v13.i1.pp390-400;

17. Hasan K., Othman M.M., Rahman N.F.A., Hannan M.A., Musirin I. Significant implication of unified power quality conditioner in power quality problems mitigation. International Journal of Power Electronics and Drive System. Vol. 10, No. 4, December 2019, pp. 2231-2237. DOI: 10.11591/ijpeds.v10.i4.pp2231-2237;

18. Thamizh Thentral T.M., Vijayakumar K., Jegatheesan R. Performance comparison of hybrid active power filter for P-Q theory and SVPWM technique. International Journal of Electrical and Computer Engineering. Vol. 11, No. 1, February 2021, pp. 84-93. DOI: 10.11591/ijece.v11i1.pp84-93;

19. Sychev Y.A., Aladin M.E., Abramovich B.N. The Method of Power Factor Calculation under Non-Sinusoidal Conditions. 2020 IEConference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). 27-30 January

2020. St. Petersburg and Moscow, Russia, INSPEC Accession Number: 19471654. DOI: 10.1109/EIConRus49466.2020.9039427;

20. Vorontsov A.G., Pronin M.V. Calculation of systems with electric machines and solid-state converters on high-speed dual models. Russian Electrical Engineering.

2021. Т. 92. № 1. С. 18-23;

21. Shamala N., Lakshminarayana C. Performance Enhancement in Active Power Filter (APF) by FPGA Implementation. International Journal of Electrical and Computer Engineering. Vol. 8, No. 2, April 2018, pp. 689-698. DOI: 10.11591/ijece.v8i2.pp689-698;

22. Hoo D.S., Chua K.H., Lim Y.S., Lim B.H., Bonab M.B., Wang L. Mitigation of harmonic distortions in third rail electrical systems. International Journal of Power Electronics and Drive Systems Vol. 14, No. 1, March 2023, pp. 348-357, DOI: 10.11591/ijpeds.v14.i1.pp348-357;

23. Ляхомский А. В., Фащиленко В. Н. Исследование энергоэффективного управляемого электромеханического резонанса для процессов резания и разрушения горного массива // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № 10. - С. 223-234. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-10-0-223234;

24. Воронин В. А., Непша Ф. С. Выбор оптимальной конфигурации конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения выемочных участков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. - № 12. - С. 94-108. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_12_0_94;

25. Порсев Е.Г., Кравченко Д.П. Применение электроосмоса в геологоразведке и на нефтепромыслах // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. - № 12-2. - С. 229-240. DOI: 10.25018/0236 1493 2022 122 0 229

Zimin R.Yu.

St. Petersburg Mining University of Empress Catherine II

(St. Petersburg)

PARAMETERS AND OPERATING MODE OF ACTIVE FILTER TO ENSURE RELIABLE OPERATION OF ELECTRICAL EQUIPMENT

Abstract: paper presents the definition of non-sinusoidal distortions in power supply systems using the example of a frequency-controlled electric drive using pulse width modulation. The method of selecting and calculating the parameters of the active filter. Analysis of the effect of an active filter on distortions in electric power networks. Higher current harmonics reduce the efficiency of the transformer, increase losses and heating of electrical equipment, that is, they are harmful, their presence is the most important disadvantage of an uncontrolled rectifier.

Keywords: active filter, higher harmonics, electric power equipment.