CC BY
41
УДК 621.311.1
И.Н. Четверик, А.В. Радченко
Омский государственный технический университет, г. Омск
РЕЗОНАНС НА ВЫСШИХ ГАРМОНИКАХ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ С КОСИНУСНЫМИ КОНДЕНСАТОРАМИ
Резонансные явления возникают при наличии высших гармоник в электрических цепях с сосредоточенными и распределенными параметрами, каковыми можно представить оборудование распределительных сетей системы электропитания.
Одновременное использование емкостных и индуктивных устройств в распределительных сетях приводит к параллельному или последовательному резонансу, который проявляется соответственно в очень больших и очень малых значениях полного сопротивления. Изменения сопротивления вызывают изменения тока и напряжения в распределительной сети [1].
В результате токи гармоник могут быть усилены в 10-15 раз, что приводит к таким серьезным проблемам, как перегрев конденсаторов, электродвигателей, понижающих трансформаторов, к сбоям в работе электронного оборудования.
Значение гармоники, на которой может возникнуть резонанс токов, можно определить из соотношения:
V
n ~ Smp /(Uk3QKPM )
где S-rp — номинальная мощность трансформатора, кВА;
205
QkpM — реактивная мощность включенных ступеней КРМ, кВАр;
икз — относительное значение напряжения короткого замыкания трансформатора.
Приведем анализ публикаций на тему возникновения резонансных режимов на высших гармониках в системах электроснабжения, методов поиска данных режимов и способов борьбы с ними, также сравним варианты подходов к решению данной проблемы зарубежных и российских специалистов.
Основным способом ограничения резонанса на высших гармониках является установка линейных реакторов (антирезонансных дросселей) последовательно с БСК. В публикациях Schneider Electric [1,2] подробно рассмотрены теоретические аспекты применения данного способа. В публикациях российских изданий [3,4], также рассматривается данный способ, предлагаются методики выбора параметров антирезонансного дросселя.
Установка реакторов последовательно с батареями конденсаторов для подавления гармоник увеличивает полное сопротивление комбинации «реактор-конденсатор» для высших гармоник. Это устраняет резонанс и защищает конденсаторы.
Таким образом, применение защитного реактора дает два преимущества: 1) устраняется опасность протекания больших токов гармоник через конденсаторную батарею КБ; 2) частично снижаются значительные искажения синусоидальности кривой напряжения, не приводя все же коэффициент искажения в допустимые границы.
В то же время данный технический способ имеет следующие недостатки: 1) ограниченное применение других КБ в сети, которые придают дополнительный емкостный характер сопротивлению; 2) в результате сдвига резонансной частоты возможность совмещения с частотой телеуправления; 3) сложность применения реакторов в сетях с дуговыми печами из-за непрерывного спектра гармоник.
Следующим способом ограничения резонанса на высших гармониках, является применение фильтров. Самым распространенным является пассивный фильтр. Потребителя привлекает низкая стоимость, компенсация реактивной мощности и эффективная фильтрация гармоник, а также снижение уровня гармоник напряжения в электроустановках с формой напряжения питания отличающейся от синусоидальной. Однако, несмотря на все видимые достоинства, пассивные фильтры обладают значительными недостатками. Их ограниченное ис-
пользование связано с низкой добротностью, технологическим разбросом параметров реакторов и конденсаторов, возможностью возникновения опасных резонансных явлений и негативным влиянием на переходные процессы в системах электроснабжения.
Также используются активные фильтры, подавляющие гармоники в широком диапазоне частот и работающие с любым типом нагрузки. Обладая функциональными возможностями лучшими по сравнению с пассивным фильтром, он имеет высокую стоимость. Это самый существенный недостаток активного фильтра. Также они создают высокий уровень высокочастотных помех в сети и чувствительны к дисбалансу сетевого напряжения.
Наиболее перспективным направлением в области фильтрации гармоник считается разработка и усовершенствование силовых гибридных фильтров, дающих преимущество в соотношении цена/производительность. Подробное описание принципов работы данного фильтра приведены во многих иностранных публикациях [6,7]. Целесообразность применения и экономическая эффективность подтверждается разработанными теоретическими анализами.
Кроме того учитывая тенденцию совершенствования данных аппаратов, можно рассчитывать на улучшения технологических параметров гибридных фильтров и таким образом широкого универсального применения данных устройств.
В качестве примера усовершенствования гибридного фильтра можно привести содержание статьи [10] российского издания, где предлагается математическая модель активной и
206
пассивной частей гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором. В данном случае компенсирующий трансформатор работает по принципу активного двухполюсника, управляемого с его вторичной стороны. Математическую модель подтверждает компьютерная модель и инженерная методика расчета оптимизации параметров гибридного фильтра.
Уделяя пристальное внимание практическим способам ограничения резонанса, необходимо также помнить про теоретические методы поиска и прогнозирования резонансных режимов на высших гармониках. Часто именно они оказываются самыми эффективными, определяя какие сетевые компоненты имеют значительный вклад в появление данных режимов. Один из таких принципиально новых методов - модальный анализ, рассмотрен в статье [9]. Интересны представленные вариации данного метода.
Определить, на каких узлах сети и при каких гармониках возник или возникнет резонансный режим при минимальных затратах труда и времени, поможет способ, описанный в статье российского издания [11]. Для сети малой размерности резонансные узлы и резонансные частоты можно определить, если рассчитать частотные характеристики входных сопротивлений или проводимостей узлов сети. Для сети большой размерности все расчеты можно выполнить с помощью программно-вычислительного комплекса (ПВК) ГАРМОНИКИ на основе искажающих мощностей и их частотных характеристик. При анализе режимов для каждого узла сети на п-й гармонике вычисляются пять величин: напряжение, генерация искажающей мощности, реактивное, активное и полное поглощение искажающей мощности.
Выводы:
Проанализировав основные способы ограничения резонанса на высших гармониках можно сделать следующие выводы:
1) в зарубежных и российских изданиях большое внимание уделяется явлению резонанса и способам борьбы с ним, предлагаются новые разработки и усовершенствования приборов фильтрации, установка антирезонансных дросселей;
2) разрабатываются теоретические способы, позволяющие заранее определить в каких узлах сети возникнет или какие компоненты сети способствуют возникновению резонанса;
3) подтверждается необходимость проведения дальнейших исследований с целью разработки теоретического способа, который позволит более точно выявить возникновение резонанса при различных режимах сети.
Библиографический список
1. Руководство по устройству электроустановок 2009 // Техническая коллекция
«Schneider Electric». — Режим доступа: http://schneider-electric.ru.
2. Гармонические искажения в электрических сетях и их снижение // Техническая коллекция «Schneider Electric». - 2008. - № 22. - Режим доступа: http://schneider-electric.ru.
3. Климов, В. Компенсаторы реактивной мощности и мощности искажения в системах гарантированного электропитания промышленного назначения / В. Климов, Ю. Карпиленко,
В. Смирнов // Силовая электроника. - 2008. - № 3.
4. Шишкин, С. Защитные антирезонансные дроссели низковольтных конденсаторных батарей / С. Шишкин // Силовая электроника. - 2007. - № 4.
5. Tuomainen, М. Harmonics and reactive power compensation in practice / Tuomainen, М.
// Nokian capacitors, EN-TH04. - 2004.
6. Fujita, H. A hybrid active filter for damping of harmonic resonance in industrial power system / Fujita, H., Yamasaki T., Akagi H. // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2000. -Vol.15, no. 2.
207
7. Suggested hybrid active power filter for damping harmonic resonance in power distribution systems / El-Sadek M. Z., Wahab M. A., Hamada M., Ghallab M. R // Paper 277, CIRED -Vienna, 2007.
8. Doyle P. Field measurements, modelling and simulation for harmonic analysis of a large industrial power system / Doyle P., Burke O., Phang W. // Paper 0516, CIRED - Prague, 2009.
9. Zhenyu, Huang. Application of modal sensitivity for power system harmonic resonance analysis / Zhenyu Huang, Yu Cui, Wilsun Xu // IEEE Transactions on Power Systems. - 2007. -Vol. 22, no. 1.
10. Кирюхин, А. Ю. Разработка и оптимизация параметров гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором / А. Ю. Кирюхин. - М. : МЭИ, 2008.
11. Смирнов, С. С. Один из подходов к поиску резонансных режимов на высших гармониках / С. С. Смирнов, Л. И. Каверникова // Электричество. - 2005. - №10. - С.62.
