CC BY
6
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-519-524
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СБОРКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ИНТЕРГАРМОНИК
А.В. Вынгра, Б.А. Авдеев
Рассмотрен вопрос повышения качества электроэнергии в судовых электроэнергетических системах путем применения активных фильтров интергармоник. Произведено предварительное моделирование судовой сети с синхронным генератором для определения параметров интергармонического искажения. На основании данных моделирования произведено проектирование параллельного активного фильтра, работающего по заданному алгоритму компенсации интергармоник. Проведены лабораторные и промышленные испытания, проанализирован опыт эксплуатации разработанного устройства.
Ключевые слова: качество электроэнергии, интергармонические составляющие тока, активный фильтр интергармоник.
Повышение качества электроэнергии на судне является весьма актуальной задачей ввиду действия требований Российского морского регистра судоходства и международной ассоциацией классификационных обществ) относительно показателей синусоидальность тока и напряжения судовой электроэнергетической станции (СЭЭС) в любых режимах эксплуатации. Одним из факторов, снижающий показатели качества электроэнергии является наличие гармонических и интергармонических составляющий тока и напряжения сети.
Источниками искажений напряжения на судне могут быть статические преобразователи (частотные преобразователи, устройства платного пуска, регуляторы или импульсные источники питания), балласты освещения, и электроприемников с нелинейной нагрузкой. В автономных системах электроснабжения в качестве последних могут выступать электроприводы поршневых компрессоров, которые могут иметь сравнительно большую мощность относительно всей СЭЭС. Нелинейность нагрузки электроприводов поршневых компрессоров заключается в том, то они приводят в движение механическую нагрузку с неравномерным моментом сопротивления, тем самым создавая пульсации тока в обмотках электродвигателя. Согласно произведённым экспериментальным и аналитическим исследованиям выявлено, что искажения тока при работе поршневых компрессоров являются интергармоническими и наибольшей амплитуды достигают при частоте меньше частоты сети.
Немалое количество работ отечественных и зарубежных ученых посвящено проблеме повышения качества электрической энергии. В работе [1] рассматривается применение активных и пассивных фильтрокомпенсирующих устройств, эффективность компенсации ими высших гармонических составляющих в условиях предприятий минерально-сырьевого комплекса. В работах [2] производится анализ показателей качества электроэнергии в судовой сети 0.38 кВ с выводом соотношений между относительной амплитудой импульсной помехи и гармоническим составом помех, допускаемых Российским морским регистром судоходства [3], а так же анализ существующих методов и алгоритмов подавления кон-дуктивных помех в электрической сети. Автор работы [4] рассматривает системы активной фильтрации гармонических искажений, актуальные в наибольшей степени для автономных электроэнергетических систем, включая большинство систем водного транспорта. Следует заметить, что проблеме компенсации интергармонических составляющих (ИГС) напряжения и тока посвящено недостаточно внимания, и существует необходимость разработки устройства компенсации ИГС электроприводов поршневых компрессоров.
Проектирование активного фильтра. Активные фильтры подразделяются на два функциональных типа - фильтры напряжения нагрузки и фильтры тока нагрузки (последовательные и параллельные активные фильтры). Текущая задача состоит проектировании активного фильтра, снижающего интергармонические составляющие напряжения в общей судовой сети, следовательно необходимо использовать структуру параллельного активного фильтра. Проектирование происходит на основе данных математического имитационного моделирования с использованием современного программно-аппаратной и компонентой базы отечественного зарубежного производства [5].
Моделирование СЭЭС для определения проектных параметров активного фильтра. Для создания алгоритмов работы активного фильтра необходимо исследования показателей качества электроэнергии при запуске и работе мощных электроприводов поршневых компрессоров на основе имитационная модели СЭЭС с ключевыми элементами системы.
Модель составлена в среде Simulink. Так как основным источником электроэнергии на судне является синхронных генератор, в модели используется блок синхронной машины. Номинальная активная мощность генератора составляет 375 кВт. Номинальная мощность аснхронного двигателя (АД) компрессора 11 кВт, постоянная нагрузка на шинах главного распределительного щита (ГРЩ) - 10 кВт.
Модель учитывает динамику обмоток статора, возбуждения и демпферной обмотки. Эквивалентная схема модели представлена в системе отсчета ротора (d,q). Все параметры ротора и электрические величины приведены к обмоткам статора.
Моделирование производилось для трех этапов - пуск синхронного генератора, подключение первого и подключение второго АД. Провал синусоиды напряжения при подключении первого АД показан на рис. 1.
* т Trace Selection
Трехфазный измеритель
+ т Cursor Measurements 71 х ► Settings * Measurements
Time Value
1 9.905 5 034e+02
2 10 005 4.343e+02
ДТ 20 045 ms ДУ 6 915e+01
1 / ДТ ДУ/ДT 49.887 Hz 3 450 (/ms)
Рис. 1. Напряжение ГРЩ при подключении первого АД
Провал напряжения составил 13,7 %, что удовлетворяет требованиям РМРС. Однако, согласно Г21 компрессор является неравномерной нагрузкой на валу АД, что производит интергармонические составляющие тока статора. Следовательно, провал напряжения дает недостаточно информации об удовлетворении требованиям показателей качества электроэнергии для данного случая. На рис. 2 и рис. 3 приведен анализ выделенных интергармонических составляющий тока шин ГРЩ [6].
к
н
пг
пг
J"
s -г. rw-:'.-K'
г
_г
_г Fnurier2i1:5
_г
j Fourcf2;1:7
t * Cursor Measurements " x
► Settings
т Measurements
Time Value
1 I 13.704 5.405e-01
2 I 13.712 5 761e-01
ДТ 7.078 ms ДУ 3.6E2e-02
1 /AT 141.280 Hz
ДУ/ДТ 5.033 {/s)
Рис. 2. Анализ ИГС тока ГРЩ при работе одного АД
Л/Ч'\1Л-'Ч'А
S Fou wll 1
г FouwZn 2
Fovf*r2M.3
_r У 2 ' 4
FourcrfZ/liS
_r Four*r2>l 6
J-
* * Trace Selection
Sum?
> 4 Cursor Measurements
* Settings
» Measure rmnls
Time Value
1[ 14.361 1 4 71 e* 00
г: 14.368 1 0(Set00
йТ 6 706 ms ДУ J651B-01
1/йТ 149 115 Hz
ЛУГЛТ 69 348 (/s)
14.34 14.35 14 36 Г4.37 14.38 14.39 14.4 14.41 14.42 14 43 14.44
Рис. 3. Анализ ИГС тока при работе двух АД
Амплитуды ИГС тока шин ГРЩ при работе двух поршневых компрессоров составляют около 1.5 А, а суммарный коэффициент гармонических составляющих (СКГС) по току составляет 15% что существенно влияет на искажение синусоиды напряжения. Таким образом СКГС напряжения шин ГРЩ повышается до 1.5 %.
При моделировании также получены данные о частоте интергармонических составляющий тока, необходимых при создании алгоритма компенсации искажений. Средняя частота интергаромниче-ских составляющих наибольшей амплитуды составила 141 Гц [7-8].
Экспериментальные исследования внедрения активного фильтра. При выполнении работы произведены лабораторные и промышленные исследования применения активного фильтра, работающего по возмущению, как устройства повышения качества потребляемого электрического тока судовыми электроприводами поршневых компрессоров.
Функционально-структурная схема реализации лабораторной установки приведена на рис. 4. Возникновение и компенсация интергармонических составляющих реализуется следующим образом.
При подаче напряжения на асинхронный двигатель, вращающий неравномерную нагрузку на валу, происходит нелинейное потребление электрического тока. Нелинейность тока заключается в появлении некратных основной составляющей тока гармоник. Таким образом, при подаче трёхфазного напряжения на электродвигатель, описываемого по (1) момента нагрузки, описываемого относительно угла поворота вала по (2) происходит потребление нелинейного электрического тока, который, как и нагрузку на валу, можно представить в виде ряда Фурье (3).
UL1(t) = 220 • sinat; (1)
UL2(t) = 220 • sin(at + к / 3);
UL3 (t) = 220 • sin(at + 2k / 3), где Uli, Ul2 ,Ul3- фазные напряжения сети, В, ю - угловая частота сети, рад/с, t = время, с.
Mst (д>) = 68.319 - 23.5235 sin(4p +1.53) + 9.3475 sin(8p - 0.802) - (2)
-1,637 n(12p +1.331) + 2.636sin(1-1.469) +1.1605 sin(20p - 0.656), где Mst- момент нагрузки на валу электродвигателя, Nm, ф - угол поворота вала, рад.
IL1(t) = 24.3 • sinat + 3.187 • sin(0.54at + к) + 2.549 • sin(1.44at + к);
IL2(t) = 24.3 • sin(at + к / 3) + 3.187 • sin(0.54at + 4к / 3) + (3)
+2.549 • sin(1.44at + 4к/3);
IL3 (t) = 24.3 • sin(at + 2к / 3) + 3.187 • sin(0.54at + 5к / 3) +
+2 549 • sind 44a + 5к / 3) где Ili, Il2 , Il3 - фазные токи электродвигателя, А.
Электрический ток (3) имеет интергармонические составляющие. Трансформаторы тока T2 считывают электрический ток и подают в блок управления активного фильтра. Программное обеспечение выделяет только интергармонические составляющие и отправляет их в инвертор активного фильтра в противофазе (4).
Инвертор генерирует сигнал с помощью гистерезисного регулятора и обратной связи по току. Сгенерированный электрический ток добавляется к основному с помощью трансформатора T3 [9].
Idi (t) = -3.187 • sin(0.54at + к) - 2.549 • sin(1.44at + к);
Id2(t) = -3.187 • sin(0.54at + 4к / 3) - 2.549 • sin(1.44at + 4к / 3);
3 (t) = -3.187 • sin(0.54at + 5к / 3) - 2.549 • sin(1.44at + 5к / 3), где Idi, Id2, Id3 - фазные токи инвертора активного фильтра, А.
В установке предусмотрен пассивный фильтр, защищающий сеть от высокочастотных помех, генерируемых инвертором активного фильтра. В качестве основного измерительного прибора используется анализатор качества электроэнергии, позволяющий передавать данные на ПК для их дальнейшей обработки.
Результаты экспериментальных измерений представлены в таблице.
Результаты экспериментальных измерений
Параметр Сеть Холостой ход С пассивным фильтром С активным фильтром
THDi - 0,1% 11 3,5%
THDu 2% 2% 7,5% 4%
В реальном устройстве не происходит полного подавления интергармонического искажения из-за ряда допущений и округлений при работе измерительной аппаратуры и вычисления спектра. На основании полученных данных следует подчеркнуть эффективность применения разработанного активного фильтра.
Эксплуатация активного фильтра интергармоник в производственных условиях и на судне. Промышленные испытания и дальнейшая эксплуатация разработанного устройства производились на таких предприятиях, как ГУМ РК «Крымские морские порты», ООО «ВОСТОК ТРАНСГРОУП» а также на автомобильном пароме «НИНА МАЛКОВА» (рис. 5).
Опыт эксплуатации показал эффективность применения устройства компенсации ИГС тока судовой сети. Повышение качества электроэнергии и снижение амплитуд ИГС на 45% позволили более эффективно использовать генерируемую электроэнергию, снизив потребление топлива на 0,2%. В ходе применения устройства так же отмечено снижение количества ложных срабатываний защитной аппаратуры СЭЭС. По итогам проектирования получен патент на изобретение [10].
и и 13
Рис. 5. Компрессор пускового воздуха и шкаф управления с добавлением активного фильтра
на а/п «Нина Малкова»
Заключение. Произведено проектирование и экспериментальное исследование применения активного фильтра, работающего по возмущению в лабораторных и промышленных условиях. Исследования показали высокую эффективность применения такого устройства для повышения качества электроэнергии в сетях ограниченной мощности. Повышение качества электрической энергии позволит уменьшить негативное воздействие гармоник и интергармоник на цифровые информационные и управляющие системы судна, тем самым продлевая срок службы и обеспечивая больший коэффициент безотказности работы электронного и силового оборудования.
Список литературы
1. Сычев Ю.А. Фильтрокомпенсирующие устройства с активными преобразователями для повышения качества электроэнергии в электротехнических комплексах нефтегазовых предприятий. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова. Санкт-Петербург. 2021.
522
2. Вынгра А.В. Автономный инвертор для однофазного активного фильтра гармонических искажений судовой сети // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2021. №. 2. С. 82-89.
3. Герман-Галкин С.Г. Школа Matlab виртуальные лаборатории устройств силовой электроники в среде Matlab-Simulink урок 15. Исследование однофазного активного выпрямителя. Силовая электроника. 2012. Т. 4. № 37. С. 72-79.
4. Викулин В.Б., Устинов А.А. Некоторые вопросы оценки несинусоидальности напряжения судовой электростанции // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. 2018. №50/51. С. 63-69.
5. Вынгра А.В. Разработка алгоритмов и программного обеспечения для силовых активных фильтров судовых электроэнергетических систем // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2022. № 2. С. 73-79. DOI 10.24143/2073-15742022-2-73-79. EDN FGXORJ.
6. Бабиков А.В., Осипов А.С. Активный фильтр гармоник // Инновации. Наука. Образование. 2021. № 47. С. 2065-2068. EDN HHXXTB.
7. Авдеев Б.А., Черный С.Г., Моисеев И.С., Жиленков А.А. Определение интергармоник тока асинхронного двигателя с переменной периодической нагрузкой // Электротехника. 2022. № 6. С. 39-44. DOI 10.53891/00135860_2022_6_39. EDN QJGBTW.
8. Чаплыгин Е.Е. Активный фильтр с индуктивным накопителем для компенсации неактивной мощности выпрямителей с емкостным фильтром // Электротехника. 2017. № 1. С. 22-27. EDN XEEVYD.
9. Поднебенная С.К., Бурлака В.В., Гулаков С.В. Силовой параллельный активный фильтр с повышенной эффективностью // Электротехника. 2013. № 6. С. 15-20. EDN QAGMJB.
10. Патент № 2772983 C1 Российская Федерация, МПК H02M 5/451. Трехфазное вольтодоба-вочное устройство с высокочастотной гальванической развязкой: № 2021128492: заявл. 27.09.2021: опубл. 30.05.2022 / Б.А. Авдеев, А.В. Вынгра; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Керченский государственный морской технологический университет". EDN AIBQSM.
Вынгра Алексей Викторович, преподаватель, [email protected], Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет,
Авдеев Борис Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
DESIGN, ASSEMBLY AND OPERATION OF AN ACTIVE FILTER FOR INTERHARMONIC COMPENSATION
A.V. Vyngra, B.A. Avdeev
The issue of improving the quality of electricity in ship power systems by using active interharmonics filters is considered. Preliminary modeling of the ship's network with a synchronous generator was carried out to determine the parameters of interharmonic distortion. Based on the simulation data, a parallel active filter was designed that operates according to a given interharmonic compensation algorithm. Laboratory and industrial tests have been carried out, and the operating experience of the developed device has been analyzed.
Key words: power quality, interharmonic current components, active interharmonic filter.
Vyngra Aleksei Viktorovich, lecturer, [email protected], Russia, Kerch, Kerch State Maritime Technological University,
Avdeev Boris Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, dirigeant@mail. ru, Russia, Kerch, Kerch state maritime technological university
