Перспективы применения параллельных активных фильтров гармоник в распределительных сетях низкого напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

¹ФГБОУ «Марийский государственный университет» Йошкар-Ола, Россия

²ООО «ПКФ Пересвет» Йошкар-Ола, Россия

Перспективы применения параллельных активных фильтров гармоник в распределительных сетях низкого напряжения

А.И.Орлов¹, Д.В.Бортник²

E-mail: karlorlov@gmail.com

E-mail: bortnik_denis16@mail.ru

Аннотация

бытовой потребитель низковольтный электроэнергия

Развитие и широкое распространение устройств силовой и микроэлектроники, современных осветительных приборов и других потребителей электроэнергии с нелинейными вольт-амперными характеристиками приводит к снижению качества электроэнергии, особенно в электрических сетях напряжением 0,4 кВ. Известны ряд способов решения проблем качества электроэнергии, однако, как показывают результаты измерений, проблемы качества электроэнергии остаются нерешенными. Работа посвящена оценке одного из перспективных способов минимизации проблемы качества электроэнергии - применению параллельных активных фильтров гармоник в распределительных сетях низкого напряжения. Методы исследования основывались анализе экспериментально полученных осциллограмм потребителей электроэнергии, а также на численном компьютерном моделировании низковольтной распределительной сети при наличии нелинейных нагрузок и фильтрокомпенсирующих устройств различных типов. Методологическую основу исследования составляла теоретическая электротехника и методическое обеспечение обработки статистических данных. Выполнен анализ влияния типичных коммунально-бытовых потребителей на показатели качества электроэнергии. На основе результатов компьютерного моделирования выполнен сравнительный анализ способов повышения качества электроэнергии в низковольтных распределительных сетях с технико-экономической точки зрения. Дана оценка перспективы применения параллельных активных фильтров гармоник в этих условиях. Установлено, что применение параллельных активных фильтров гармоник, размещаемых на вводах в здания является перспективным способом решения проблем низкого качества электроэнергии.

Ключевые слова -- активный фильтр, пассивный фильтр, гармоники, реактивная мощность, качество электрической энергии.

Abstract

Prospects of application of parallel active filters of harmonics in distribution networks of low voltage

A.I. Orlov¹, D.V. Bortnik²

¹FGBOU "Mari State University", Yoshkar-Ola, Russia

E-mail: karlorlov@gmail.com

²ZAO "PKF" Peresvet ", Yoshkar-Ola, Russia

E-mail: bortnik_denis16@mail.ru

The development and widespread of power and microelectronics devices, modern lighting devices and other consumers of electric power with nonlinear volt-ampere characteristics, leads to a decrease in the quality of electricity, especially in 0.4 kV electric networks. A number of ways of solving power quality problems are known, however, as the measurement results show, power quality problems remain unresolved. The work is devoted to the evaluation of one of the most promising ways to minimize the problem of power quality - the use of parallel active harmonic filters in low voltage distribution networks. The research methods were based on the analysis of the experimentally obtained oscillograms of electric power consumers, also on numerical computer simulation of the low-voltage distribution network in the presence of nonlinear loads and filter compensating devices of different operating principles. The methodological basis of the research was theoretical electrical engineering and methodological support for the processing of statistical data. Analysis of the impact of typical household consumers on electricity quality indicators is done. A comparative analysis of ways to improve the quality of electricity in low-voltage distribution networks from the technical and economic point of view based on the results of computer modeling is done. Estimated еhe prospects of using parallel active harmonic filters under these conditions. A promising way of solving the problem of power quality is using of parallel active harmonic filters placed at the inputs into buildings is established.

Key-words: Active filter, passive filter, harmonics, reactive power, quality of electrical energy.

Широкое распространение электронных устройств, несмотря на повышение производительности труда, вызывает проблемы качества электроэнергии. Мощные единичные нелинейные нагрузки, такие как выпрямители, инверторы, а также множество маломощных нелинейных потребителей могут потреблять значительное количество гармоник тока различного спектра. В результате падений напряжения на полных сопротивлениях электрической сети, гармонические составляющие тока вызывают искажения напряжения в точках общего присоединения нагрузки, в которых нормируется предельный уровень гармоник по ГОСТ 32144-2013. Превышение этого уровня вызывает ряд проблем, связанных с потерями в трансформаторах, ложными срабатываниями релейной защиты. Балластные устройства люминесцентных и ртутных ламп в некоторых схемах содержат конденсаторы. При определенных условиях может возникнуть резонанс, приводящий к выходу ламп из строя. Высшие гармоники отрицательно влияют на работу другой электроники и электроприборов. Отсутствие общепринятого универсального подхода к решению проблемы качества электроэнергии, вызванной нелинейными нагрузками, определяет актуальность темы исследования.

Целью работы является анализ гармонических составляющих тока бытовых потребителей электроэнергии, а также оценка возможности компенсации гармонических искажений тока и напряжения, вызванных такими потребителями.

Влияние бытовых потребителей электроэнергии на качество электроэнрегии

На рис. 1 представлены экспериментально полученные осциллограммы токов типичных бытовых потребителей электроэнергии и амплитуды гармонических составляющих по отношению к основной гармонике. Лампа накаливания мощностью 60 Вт, график тока которой приведен на рис. 1 (а), является линейной нагрузкой. Фактически кривая напряжения повторяет по форме представленную кривую тока. Наличие 3 и других гармоник, доля которых по отношению к основной менее 5 %, связано с несинусоидальностью питающего напряжения в точке общего присоединения рассматриваемого потребителя.

Осциллограмма тока микроволновой печи показана на рис. 1 (б). Данная осциллограмма получена через 25-30 с после включения печи. В этом режиме преобладают нечетные гармоники порядка 3, 5 и 7. В начальный момент времени после включения печь потребляет значительный ток 5 гармоники. Гармонический состав тока жидкокристаллического телевизора, представленный на рис. 1 (в), включает 3, 5, 9 и 13 гармоники. Присутствуют также гармоники высших порядков с амплитудой более 1 % от основной.

Компьютер, а также нелинейные источники света, графики тока которых представлены на рис. 1 (г, д, е, ж), потребляют резко несинусоидальный ток, гармонический состав которого включает большое число высших гармоник.

а) Осциллограмма лампы накаливания мощностью 60 Вт

б) Микроволновая печь мощностью 700 Вт

в) ЖК телевизор установленной мощностью 65 Вт

г) компьютер

д) светодиодная лампа мощностью 7 Вт

е) светодиодная лампа мощностью 15 Вт

ж) люминесцентная лампа мощностью 18 Вт

Рис.1 - Осциллограммы тока типичных бытовых потребителей электроэнергии, а также их гармонический состав в процентах по отношению к основной гармонике.

Среди рассмотренных потребителей с нелинейной вольтамперной характеристикой к наиболее мощным устройствам относятся микроволновая печь и ЖК телевизор. Несмотря на то, что светодиодные и люминесцентные лампы потребляют резко несинусоидальный ток, их влияние не так велико по причине незначительной мощности. Однако совокупность большого количества таких электроприемников способно оказать существенное влияние на качество электроэнергии. Таким образом, большинство бытовых потребителей электроэнергии потребляет несинусоидальный ток и создают проблемы качества электроэнергии. Очевидно, что в будущем доля таких электроприемников будет возрастать, что подтверждает важность разработки и выбора рациональных методов компенсации высших гармоник в электрических сетях с коммунально-бытовой нагрузкой.

Способы снижения влияния высших гармоник на электрическую сеть.

Распространенным решением обозначенной проблемы является применение пассивных фильтров. Несмотря на простоту конструкции, относительно невысокую стоимость, высокую эффективность подавления отдельных гармоник и возможность компенсации реактивной мощности индуктивной нагрузки данный способ имеет недостатки:

1) проектирование пассивных фильтров требует выполнения анализа рассматриваемой электрической сети и определение характера нагрузки;

2) существует опасность возникновения параллельных и/или последовательных резонансов между пассивным фильтром и сопротивлением энергосистемы, что приводит к его перегрузке и падению эффективности;

3) зависимость параметров фильтра от температуры, допусков индукторов и конденсаторов (обычно в диапазоне 5 %) и других рабочих параметров;

4) необходимость наличия узкополосного фильтра на каждую доминантную гармонику и, следовательно, неудовлетворительные массогабаритные показатели;

5) ограниченный частотный диапазон эффективной работы.

Комплексным решением проблемы качества может быть применение активных фильтров гармоник, которые лишены указанных недостатков. Возможности активных фильтров включают подавление всего спектра или отдельных высших гармоник, коррекцию коэффициента мощности, симметрирование многофазной нагрузки, регулирование напряжения, уменьшение фликера напряжения и/или их комбинаций.

Коммунально-бытовая нагрузка имеет, как правило, активно-индуктивный характер с достаточно высоким коэффициентом мощности. Для решения проблемы качества электроэнергии в этих условиях походит параллельный активный фильтр гармоник. Другие типы активных фильтров, такие как последовательный активный фильтр или комбинированный активный фильтр (сетевой кондиционер) не подходят в силу своих функциональных возможностей, более высокой стоимости и сложности. [1]

В работе предложено использовать малогабаритный параллельный активный фильтр гармоник, с возможностью подключения как у потребителей так и на шинах трансформаторной подстанции.

Структура и принцип работы параллельного активного фильтра гармоник

Параллельный активный фильтр гармоник, структура которого показана на рис. 2, включается параллельно нелинейной нагрузке как можно ближе к ее вводу. Силовая часть фильтра включает инвертор, накопительный конденсатор, токоограничивающую индуктивность в виде реактора или трансформатора. Напряжение накопительного конденсатора на стороне постоянного напряжения поддерживается системой управления на уровне выше линейного напряжения сети - более 550 В в сетях 0,4 кВ. Конденсатор обеспечивает необходимую разность потенциалов для создания тока требуемой величины и направления при коммутации силовых ключей инвертора. Измерительная часть включает датчики и измерительные преобразователи тока нагрузки и фильтра, напряжения фильтра и накопительного конденсатора. [2, 3] Выбранная структура системы управления, показанная на рис. 2, включает регулятор напряжения накопительного конденсатора DC, генератор эталонного тока G, сумматоры, контроллер тока CC, ШИМ-модулятор PWM.

Рис.2 - Блок-схема параллельного активного фильтра гармоник.

Основным блоком в системе управления, который определяет характеристики фильтра, является генератор эталонного тока G [2]. Известны исполнения генераторов эталонного тока, принцип работы которых основан на использовании теории мгновенной мощности [5], синхронной (dq0) системы отсчета [4], на минимизации среднеквадратичного значения тока [5]. Форма кривой питающего напряжения в электрических сетях 0,4 кВ близка к синусоидальной, поэтому оптимальной с точки зрения сложности реализации является схема генератора эталонного тока, принцип работы которой основан на использовании теории мгновенной мощности. [5]

Результаты компьютерного моделирования распределительной сети.

С целью исследования степени влияния нелинейных нагрузок коммунально-бытового характера на качество электроэнергии у потребителей и на шинах трансформаторной подстанции (ТП) выполнено моделирование распределительной сети микрорайона № 9а г. Йошкар-Олы в программе MATLAB Simulink. На рис. 3 приведен фрагмент компьютерной модели ТП-3 с подключенными параллельными активными фильтрами на вводе в дома - блоки «3ph ActiveFilter». Нагрузка жилого дома скомбинирована на основе данных, полученных экспериментальным путем.

Рис 3. Фрагмент компьютерной модели нагрузки ТП-3 при наличии параллельных активных фильтров гармоник: ZTP - двухтрансформаторноя подстанция мощностью 2x800 кВА; ZTP-32a, ZTP-32b - блоки, замещающие полное сопротивление кабеля от ТП до потребителей; 32а,32b - потребители (жилой дом или общественное здание); Three phase nonlinear current source - управляемый источник высших гармоник.

Результаты моделирования распределительной сети без фильтрокомпенсирующих устройств, при наличии пассивных фильтров 3 и 5 гармоник, а также при наличии параллельных активных фильтров показаны соответственно на рис. 4 (а, б, в). Приведенные кривые тока получены на вводе одного и того же потребителя.

(а)(б)(в)

Рис. 4. Осциллограммы тока жилого дома № 32а без фильтрокомпенсирующих устройств (а), при наличии пассивных фильтров (б), параллельных активных фильтров (в).

Согласно нормам ГОСТ 32144-2013 [7] значения суммарных коэффициентов гармонических искажений напряжения k_U, усредненных в интервале времени 10 мин не должны превышать 8 % в течении 95 % времени интервала в одну неделю и 12 % в течении 100 % времени интервала в одну неделю. По данным рис. 4 видно, что без применения фильтрокомпенсации требования стандарта не выполняются. Применение активных фильтров у потребителей позволяет снизить суммарный коэффициент искажения синусоидальности тока с 12 % до 1,07 % и ниже, что положительно влияет на качество напряжения в точке общего присоединения потребителей.

Заключение

1. Экспериментально установлено, что большинство коммунально-бытовых электроприемников имеют нелинейные вольт-амперные характеристики и в совокупности отрицательно влияют на качество электрической энергии в точках общего присоединения потребителей.

2. Результаты моделирования показывают, что применение пассивных фильтров не в полной мере решает задачу улучшения качества электрической энергии по следующим причинам. Во-первых, пассивные фильтры устанавливаются в трансформаторных подстанциях, а потребитель может находится на значительном расстоянии от ТП. Во-вторых, для эффективного подавления заданных гармоник пассивные фильтры имеют достаточно узкую полосу пропускания в окрестности 3 и 5 гармоник. Кроме того, пассивные фильтры, в отличие от активных фильтров, становятся неэффективными при кратковременном или перманентом изменении спектра высших гармоник, генерируемых нагрузкой.

3. Применение активных фильтров, устанавливаемых в местах присоединения нагрузки, при сопоставимой с пассивными фильтрами цене позволяет сократить суммарные коэффициенты гармонических искажений напряжения на шинах подстанций с 11,52-16,0 до 0,25-1,07, тока с 13,66-24,98 до 0,16-0,31 по результатам моделирования при выбранных параметрах нагрузки.

4. Таким образом, применение активных фильтров гармоник в условиях увеличения разнообразия нелинейных потребителей и их мощностей, является перспективным направлением развития городских распределительных сетей. В будущем установка устройств такого класса может стать повсеместной производственной необходимостью.

Список литературы

Орлов А.И., Бортник Д.В. Параллельный активный фильтр гармоник как агент системы фильтрокомпенсации в низковольтных распределительных сетях // Материалы Девятой международной научной школы «Наука и инновации-2014». Йошкар-Ола, 2014, С. 126-134.

Бортник Д.В., Орлов А.И. Методы управления параллельными активными фильтрами гармоник / Материалы докладов X Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». В 3 т.; Т. 1. Казань, 2015. С. 105.

Заявка на пат. № 2015104364, 10.02.2015. Однофазный активный фильтр / Бортник Д.В., Орлов А.И.; опубл. 27.08.2016 Бюл. № 24 2015. 8 с.

Цzkaya Н. Parallel Active Filter Design, Control, and Implementation. Msc Thesis, 2007, 361 p.

Akagi, H. Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning, 2007, 314 p.

Бортник Д.В. Автоматическое фильтрокомпенсирующее устройство для линий электропередачи 0,4 кВ / Студенческая наука. - МарГУ, 2013, 580 с.

ГОСТ Р 54149-2013. «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Госстандарт России.

Размещено на Allbest.ru