Мазур Д.К. ПЗ и приложения (Разработка мероприятий по повышению надёжности работы устройств электроснабжения СЦБ на участке Хабаровск II), страница 7

Таблица 3.1 – Показания вольтметров в различных точках линии автоблокировки на станциях

Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения состоит в исключении использования отдельного симметрирующего трансформатора и выполнении его функций трансформатором трехфазного стабилизатора напряжения, который в свою очередь значительно удобнее для потребителя, с одновременным уменьшением стоимости, а это делает его доступнее для наиболее широкого использования.

3.2 Активные фильтры гармоник

Повышение количества электрических нагрузок с резко нелинейными характеристиками в низковольтных распределительных сетях вызывается, в первую очередь, широким применением тиристорноуправляемого электропривода и преобразовательной техники, что приводит к существенному ухудшению показателей качества электроэнергии, снижая, подобным образом, не только технико-экономические показатели работы основного оборудования, но и его надежность и долговечность. Наличие в питающем напряжении высокого уровня высших гармонических составляющих (ВГС) вызывает повышение тепловой нагрузки на электрические двигатели, трансформаторы, конденсаторы, кабели и силовое коммутационное оборудование.

Чувствительные системы электронных защит, дистанционного измерения и управления, импульсные системы контроля и мониторинга могут работать с существенными искажениями при наличии высокого уровня ВГС в питающем напряжении. Более эффективным методом устранения ВГС являются активные фильтры.

Концепция активного фильтра гармоник не нова, но отсутствие эффективной технологии производства по приемлемой стоимости замедлило ее развитие на долгое время. На сегодняшний день широкая доступность биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) и цифровых процессоров сигнала (ЦПС, DSP) превратили АФГ в практическое решение проблемы [15].

Принцип применения АФГ прост: силовая электроника используется для генерирования гармонических токов, необходимых для питания нелинейных нагрузок таким образом, чтобы синусоида сохраняла максимально правильную форму. На рисунке 3.2 показана принципиальная схема подключения такого устройства.

Рисунок 3.2 – Параллельный активный фильтр гармоник

Ток нагрузки измеряется катушкой-трансформатором, данные которой анализируются ЦПС с целью определения картины спектра гармоник. Данные сведения используются генератором тока для производства и выплескивания в цепь именно такого гармонического тока (по амплитуде, форме и фазе), который необходим для компенсации искажений нагрузки в следующем цикле основной кривой тока (синусоиды). На практике величина гармонического тока снижается приблизительно на 90 %.

В связи с тем, что АФГ управляется на основе данных, получаемых от катушки-трансформатора, он динамически адаптируется к изменениям в гармониках нагрузки. Так как процессы анализа и генерирования контролируются программным обеспечением, то устройство легко программируется на компенсацию только отдельных гармоник с целью обеспечения максимального КПД в пределах характеристик устройства.

Существует несколько типов фильтров:

– последовательные фильтры. Этот тип фильтра, соединенный последовательно в распределительной сети, компенсирует как гармонические токи, генерируемые нагрузкой, так и искажение напряжения, уже присутствующее в системе электропитания. Это решение с технической точки зрения напоминает линейный фильтр и должно быть подобрано исходя из полной нагрузки.

– параллельные фильтры. Параллельные фильтры, также называемые шунтирующими, соединяются параллельно линий переменного тока и должны быть подобраны только для величин гармонических токов от нелинейной нагрузки. Этот тип детально описывается позже.

– гибридные фильтры. Это решение, совмещающее в себе активный и пассивный фильтры, может быть либо последовательного, либо параллельного типа. В некоторых случаях это может быть выгодным решением. Пассивный фильтр выполняет основную фильтрацию (например, 5-го порядка), а активный, благодаря своему точному и динамическому методу, охватывает другие порядки гармоник.

Активный кондиционер соединен параллельно электропитанию и постоянно выплескивает гармонические токи, которые точно соответствуют гармоническим компонентам, генерируемым нагрузкой. В результате ток, который поставляется источником, остается синусоидальным.

При этом поддерживается весь низкочастотный спектр от второй до двадцать пятой гармоники.

Если гармонические токи, генерируемые нагрузкой, превышают максимальное номинальное значение АФГ, изделие автоматически ограничивает ток компенсации по своему максимальному номинальному значению: фильтр не может перегружаться и будет продолжать коррекцию до максимального номинального значения тока, а любой превосходящий гармонический ток вернется в систему электропитания. АФГ может постоянно работать в таком состоянии без повреждений.

Следует отметить, что фильтр реагирует только на гармоники «ниже по течению». Фильтр в позиции В, например, будет корректировать только гармонический ток нагрузок на фидере S 3 и не будет реагировать на нагрузки любого другого фидера. Это позволяет достичь большей гибкости в проектировании схемы коррекции.

Как и в случае со всеми фильтрами гармоник, сторона нагрузки все равно имеет гармонические токи. Очищается только сторона электропитания цепи. Из этого следует, что кабели стороны нагрузки необходимо подбирать, учитывая гармоники и поверхностный эффект.

В идеале компенсация гармонических составляющих должна происходить в точке их появления. Для оптимизации компенсации гармоник несколько фильтров могут быть соединены в различных конфигурациях. Эти конфигурации могут использоваться в любой точке распределительной сети, предлагая полную гибкость и огромный выбор компенсационных стратегий.

Наиболее распространенные конфигурации:

1) Параллельная конфигурация. Данная конфигурация, изображенная на рисунке (3.3 а), отвечает следующим требованиям:

- увеличенная способность коррекции в определенной точке системы переменного тока путем соединения до четырех фильтров с одинаковым номиналом;

- увеличенная способность коррекции для целей последующего увеличения нагрузки;

- повышенная надежность из-за использования запаса значения номинала фильтра.

2) Каскадная конфигурация. Эта конфигурация, изображенная на рисунке (3.3 б), имеет следующие преимущества:

- увеличение общей компенсационной способности путем использования фильтров с одинаковым или различными номиналами;

- компенсация определенной нагрузки или местная компенсация гармоник, а также общая компенсация гармонических составляющих группы нелинейных нагрузок.

Рисунок 3.3 – Конфигурации активных фильтров а) параллельная; б) каскадная

АФГ имеют следующие преимущества:

- устраняют ВГС;

- уменьшают потери мощности;

- не подвергаются влиянию колебаний частоты – например при работе от резервного генератора;

- отсутствует риск резонанса с какой-либо гармонической частотой;

- не подвержены перегрузке;

- гибкость в применении;

- в случае необходимости могут программироваться пользователем для выбора конкретных особенных гармонических частот.

Борьба с гармоническими искажениями – один из элементов мероприятий по повышению как надежности, так и энергоэффективности в энергоснабжении.

Широкое применение нашли активные фильтры типа MaxSine производства компании Nokian Capacitors.

Принцип действия которых основан на запатентованной технологии прямой компенсации высших гармонических составляющих фазных токов, генерируемых нагрузкой, в темпе процессов их изменения. Активные фильтры MaxSine обеспечивает эффективное снижение уровня гармоник в сети, а также компенсацию реактивной мощности, потребляемой нагрузкой. Возможности активных фильтров MaxSine:

– отличные динамические характеристики со временем реагирования менее чем 1 мсек;

– трехфазная компенсация ВГС тока до 50-ой гармоники включительно;

– четырехпроводный вариант схемы подключения позволяет исключить 3-ю и другие нуль последовательные гармоники тока нейтрали;

– возможности выбора эксплуатационного режима работы для компенсации ВГС или для компенсации ВГС и потребляемой реактивной мощности;

– низкие потери мощности (<3 % от номинальной мощности нагрузки);

– в эксплуатационном режиме компенсации ВГС и реактивной мощности возможно обеспечение коэффициент мощности cos φ близким к 1;

– отсутствие помех, влияющих на работу систем управления;

– встроенная электронная цифровая защита от перегрузки;

– применение MaxSine является одним из наиболее эффективных средств экономии электроэнергии и повышения ее качества в широком диапазоне.

а)

б)

Рисунок 3.4 – Гармонический анализ

работы линии автоблокировки

а) без установки АФГ;