Компенсация высших гармоник в электрической сети при различных источниках их возникновения

Compensation of high-order harmonics in electric network at various sources of their arising

Daria Batueva

master student, 2^nd year, Saint Petersburg mining university, Russia, Saint Petersburg

Аннотация. Статья посвящена исследованию влияния высших гармоник на элементы электротехнического комплекса при подключении фильтрокомпенсирующих устройств. Целью исследования являлось обеспечение необходимых параметров качества на шинах питания, а также обеспечение ограничения предельно допустимого тока конденсаторных батарей. На основе разработанной имитационной модели, которая включала в себя линейные и нелинейные нагрузки, определены зависимости напряжения и тока, потребляемые нелинейной нагрузкой и конденсаторными батареями, и определено место, где необходима компенсация высших гармоник.

Abstract. The article is dedicated to research of influence of the high-order harmonics on elements of an electrotechnical complex at connection to the filter compensating device. The purpose of research is providing of required quality parameters of the bus section and the limitation of maximum permissible current of capacitor batteries. The dependences of voltage and current consumed by non-linear loading and capacitor batteries are defined on the basis of the developed simulation model which included linear and non-linear loads; also the place where compensation of the high-order harmonics it is required is defined.   

Ключевые слова: электроснабжение, высшие гармоники, фильтрокомпенсирующие устройства, конденсаторные батареи.

Keywords: electric power supply, high-order harmonics, filter compensating device, capacitor batteries.

Постоянное увеличение нелинейных нагрузок в сети электропитания, к которым, например, относятся регулируемые приводы, приводит к необходимости контроля качества электроэнергии и обеспечения надежности функционирования оборудования.

В связи с этим большая часть усилий инженеров сосредоточена на проблеме снижения гармоник, которые стали одними из наиболее значительных нарушений качества электроэнергии в связи с интенсивным распространением полупроводниковой преобразовательной техники, а также наличием и постоянным увеличением различных нелинейных нагрузок в энергосистеме, т.е. нагрузок, которые потребляют несинусоидальный ток сети питания при подаче синусоидального напряжения, что приводит к появлению высших гармоник тока, также этот несинусоидальный ток создает искажения в напряжении питания. Эти помехи также распространяются на другие нагрузки, подключенные к сети, чей потребляемый ток может быть искажен, даже если они являются линейными.

Наиболее уязвимым приемником относительно высших гармоник являются КБ, предназначенные для компенсации реактивной мощности, поскольку их сопротивление обратно пропорционально частоте питающего напряжения.

При несинусоидальном напряжении на зажимах батареи конденсаторов в их диэлектрике появляются дополнительные активные потери, обусловленные высшими гармониками. Дополнительные потери в электрических конденсаторах приводят к их перегреву. В общем случае конденсаторы проектируются так, чтобы допускать определенную токовую перегрузку. Конденсаторы, выпускаемые в Великобритании, допускают перегрузку 15%, в Европе и Австралии – 30%, в СНГ – 30% [1]. При превышении этих величин, наблюдающихся в условиях повышенных напряжений высших гармоник на вводах конденсаторов, последние перегреваются и выходят из строя.

Из литературных источников [2; 3] известно, что перегрузка по току КБ от несинусоидальности напряжения может достигать величины в несколько раз превышающей допустимое значение.

Из вышесказанного следует, что от высших гармоник, прежде всего, подвержены выходу из строя КБ. Поскольку КБ представляют собой часть всего электротехнического комплекса предприятия, включая электрические сети, то необходимо хорошо представлять природу возникновения высших гармоник в электрической сети, что является существенным фактором при изучении их влияния на работу конденсаторов.

Современные стандарты на качество электроэнергии ограничивают содержание высших гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения. В настоящее время предпринимаются меры по снижению уровня гармоник, чтобы решить эту проблему и удовлетворить национальным и международным стандартам на каждом уровне сетевой инфраструктуры.

Минимизация высших гармоник на предприятиях минерально-сырьевого комплекса

Нерациональное управление потоками реактивной мощности, низкая надежность электротехнического комплекса предприятий минерально-сырьевого комплекса, наличие высших гармоник в сети приводят к увеличению оплаты за электроэнергию, затрат на техническое обслуживание и ремонт электрооборудования, ухудшению качества электроэнергии, как в системе, так и в сетях предприятия.

Очень часто требования межгосударственного стандарта ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» не выполняются, ввиду сложного решения задачи повышения качества электроэнергии в различных условиях возникновения высших гармоник (ГОСТ предусматривает искажение несинусоидальности кривой напряжения в пределах от 5 до 8 %) [4].

Одним из параметров качества электрической энергии, по которому оценивается эффективность работы средств снижения уровня высших гармоник, является коэффициент несинусоидальности, значение которого регламентируется в [4]. Расчет данного коэффициента осуществляется по формуле:

,                                                (1)

где U_n – действующее значение напряжений n-й гармоники; U_ном – номинальное напряжение сети; n – порядковый номер последней из учитываемых гармоник. В зарубежной литературе такому параметру качества электроэнергии соответствует коэффициент Total Harmonic Distortion (THD), допустимые и предельные значения которого регламентируются в [5].

Снижение несинусоидальности напряжения обеспечивается либо рациональным построением системы электроснабжения предприятия, при которой параметры, характеризующие несинусоидальность напряжения, будут находиться в допустимых пределах, либо применением специальных схем коммутации нелинейных нагрузок, а также корректирующих устройств.

В различных ситуациях на предприятиях требуется снизить уровень искажения формы кривой питающего напряжения до допустимых значений. Для этих целей применяются различные установки компенсации высших гармоник, а именно фильтрокомпенсирующие устройства, которые, помимо фильтрации гармоники, будут генерировать реативную мощность, и компенсировать потери мощности в сети и напряжения.

Выбор типа устройства, его параметров и способа управления им является сложной инженерной задачей. Причем важным фактором является их расположение в электрической сети, что существенно влияет на эффективность компенсации высших гармоник.

Из всего выше сказанного следует, что целью данной работы является обеспечение необходимых параметров качества на шинах питания, а также обеспечение ограничения предельно допустимого тока конденсаторных батарей.

Объект исследования

Основными особенностями системы электроснабжения предприятий минерально-сырьевого комплекса являются значительные мощности технологических установок и узлов нагрузки, специфический характер нагрузки многочисленных электроприемников и их большая территориальная разбросанность.

В качестве исследуемой схемы выбрана обобщенная принципиальная однолинейная схема электроснабжения предприятия минерально-сырьевого комплекса, представленная на рисунке 1. На схеме представлено головное распределительное устройство подстанции 6 кВ, от которой питается линейная и нелинейная нагрузка, а также установка конденсаторных батарей. К секции шин 6 кВ подключена линейная нагрузка через трансформатор 6/0,4 кВ в виде насоса М3 мощностью 75 кВт и линейная нагрузка в виде насоса М4 мощностью 315 кВт непосредственно к шине 6 кВ; подключена нелинейная нагрузка через трансформатор 6/0,4 кВ в виде вентилятора М5 мощностью 45 кВт, а также установка конденсаторных батарей. К секции шин 0,4 кВ трансформаторной подстанции ТП1 подключена нелинейная нагрузка в виде вентилятора М1 мощностью 45 кВт, линейная нагрузка в виде насоса М2 мощностью 75 кВт и установка конденсаторных батарей.

Рисунок 1. Обобщенная принципиальная однолинейная схема исследуемого объекта

Агрегаты М2, М3, М4 имеют нагрузку в виде насоса и работают в постоянном режиме. Нагрузка двигателей М1, М5 имеет переменный характер и зависит от скорости вращения вентилятора, варьируется в зависимости от температуры окружающей среды и параметров технологического процесса на установке.

Математическое моделирование электротехнического комплекса при наличии высших гармоник

При помощи пакета прикладных программ MATLAB Simulink была смоделирована электрическая схема предприятия минерально-сырьевого комплекса. Модель представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Модель электрической схемы предприятия минерально-сырьевого комплекса

С помощью математической модели были получены зависимости активной и реактивной мощности при запуске системы только с линейной нагрузкой. Данные, полученные в результате расчета системы, показывают, что установившийся (номинальный) режим наступает в момент времени t = 4c. Время обусловлено запуском двигателя.

Графики потребляемых мощностей на вводе СШ 6 кВ, линейных нагрузок и конденсаторных батарей представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Активные и реактивные мощности на вводе СШ 6 кВ, линейных нагрузок КБ (синим цветом обозначены активные мощности, фиолетовым – реактивные)

Далее к системе была подключена нелинейная нагрузка на СШ 6 кВ и СШ 0,4 кВ. Подавался заданный сигнал и сначала подключалась нелинейная нагрузка М5 на СШ 6 кВ (время работы двигателя t = 5c), затем, после отключения нагрузки М5, подключалась нагрузка М1 на СШ 0,4 кВ. Третьим вариантом была одновременная работа нагрузок М5 и М1.

Были получены напряжения на СШ 6 кВ и СШ 0,4 кВ, токи, потребляемые нелинейной нагрузкой на обеих секциях шин, а также токи на КБ на СШ 6 кВ и СШ 0,4 кВ (рисунок 4):

Рисунок 4. Напряжения, токи, питающие нелинейную нагрузку, и токи на КБ на СШ 6 кВ и СШ 0,4 кВ

Исходя из полученных зависимостей, можно сделать следующие выводы:

·     ток на КБ на СШ 6 кВ изменяется в малых пределах, нелинейная нагрузка практически не влияет на СШ 6 кВ;

·     нелинейная нагрузка, питающаяся от секции шин 6 кВ, практически не влияет на ток, протекающий через конденсаторные батареи, установленные на СШ 6 кВ и СШ 0,4 кВ;

·     максимальное значение искажения тока достигается в режиме, когда нелинейная нагрузка включена одновременно на СШ 6 кВ и 0,4 кВ (t > 14c).

Проанализировав данные зависимостей, представленных на рисунке 5.2.3, сделан вывод, что необходимо компенсировать высшие гармоники на секции шин 0,4 кВ.

Спектральный анализ до подключения ФКУ

На рисунке 4 в период времени, выделенный красными вертикальными линиями, был произведен спектральный анализ. Спектральный анализ был использован для того, чтобы определить количество гармоник на определенном отрезке данного сигнала, коэффициент искажения кривых (THD) и для каждой гармоники ее амплитуду.

Во-первых, был произведен спектральный анализ напряжения на СШ 6 кВ и СШ 0,4 кВ. Исходя из спектрального анализа, коэффициент гармонических искажений напряжения на СШ 6 кВ THD = 0,66%, а напряжения на СШ 0,4 кВ THD = 9.42%, что является несущественными значениями искажений и можно сделать вывод о том, что нелинейная нагрузка практически не влияет на кривую напряжения.

Во-вторых, был произведен спектральный анализ тока, протекающего через КБ на СШ 6 кВ и СШ 0,4 кВ. Исходя из спектрального анализа, коэффициент гармонических искажений тока, протекающего через КБ на СШ 6 кВ, THD = 9,05%, а тока, протекающего через КБ на СШ 0,4 кВ, THD = 90,44%, что является очень серьезными значениями искажений тока, и можно сделать вывод о том, что нелинейная нагрузка оказывает сильное влияет на КБ на СШ 0,4 кВ. Это подтверждает, что есть необходимость установки ФКУ на СШ 0,4 кВ.

В-третьих, был произведен спектральный анализ тока, протекающего через нелинейную нагрузку на СШ 6 кВ и СШ 0,4 кВ. Исходя из спектрального анализа, коэффициент гармонических искажений тока, протекающего через нелинейную нагрузку на СШ 6 кВ, составляет THD = 39,24%, а тока, протекающего через нелинейную нагрузку на СШ 0,4 кВ, THD = 61,88%, что является достаточно серьезными значениями искажений тока, и можно сделать вывод, что нелинейная нагрузка на СШ 0,4 кВ оказывает более значительное влияние на систему в целом.

Подытожив вышесказанное, следует отметить, что высшие гармоники на СШ 6 кВ не требуют компенсации, исходя из полученных данных; высшие гармоники на СШ 0,4 кВ превышают допустимые значения в несколько раз.

Выбор параметров ФКУ

Одним из средств компенсации высших гармоник являются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). ФКУ, также известные как пассивные фильтры гармоник, представляют собой особый тип конденсаторных установок, задачей которых является фильтрация гармоник совместно с компенсацией реактивной мощности. ФКУ представляют собой LC цепочки, настроенные на резонанс с определенной гармоникой. Был разработан алгоритм выбора параметров ФКУ, который представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. Алгоритм выбора параметров ФКУ

Подключение ФКУ

Проанализировав данные спектрального анализа, было выявлено, что наибольший вклад в искажение формы кривой тока и напряжения вносят 5, 7, 11,13,19 гармоники. В связи с этим необходимо компенсировать именно эти гармоники в электрической сети. Применение пассивного ФКУ позволяет настраивать фильтр на определенные частоты гармоник тока и напряжения, которые необходимо уменьшить.

Сопротивления СШ 0,4 кВ были представлены следующим образом:

Рисунок 6. Сопротивления СШ 0,4 кВ

Так как сопротивления системы Z_S и двигателей Z_дв значительно меньше сопротивления конденсаторной батареи Z_КБ и одной из целей работы было снижение тока через КБ, то расчет параметров ФКУ ориентирован на сопротивление Z_КБ.

Схема замещения ФКУ представлена на рисунке 7:

Рисунок 7. Схема замещения для расчета ФКУ

Рассчитанные параметры представлены в таблице.

Таблица 1.

Параметры ФКУ

По результатам расчетов в среде MathCad были построены зависимости сопротивления КБ и ФКУ от номера гармоники на СШ 0,4 кВ:

Рисунок 8. Зависимости сопротивления КБ и ФКУ от номера гармоники

На первой гармонике сопротивление ФКУ значительно больше сопротивления КБ, поэтому первая гармоника тока протекает через КБ. ФКУ настроено таким образом, что на 5, 7, 11, 13, 19 гармониках сопротивление ФКУ очень мало, и гармонические составляющие тока протекают через ФКУ, а не через КБ.

Добавив в имитационную модель на СШ 0,4 кВ фильтрокомпенсирующее устройство, были получены следующие зависимости, представленные на рисунке 9, после компенсации гармонических составляющих:

Рисунок 9. Напряжение на СШ 0,4 кВ, токи, протекающие через КБ и ФКУ на СШ 0,4 кВ, и ток, потребляемый нелинейной нагрузкой на СШ 0,4 кВ

Из полученных графиков можно сделать следующий вывод – ток, протекающий через КБ на СШ 0,4 кВ, уменьшился в 1,5 раза.

Спектральный анализ после подключения ФКУ

После подключения ФКУ к СШ 0,4 кВ был повторно проведен спектральный анализ. Во-первых, был произведен спектральный анализ напряжения на СШ 0,4 кВ, данные представлены на рисунке 10:

Рисунок 10. Спектральный анализ напряжения на СШ 0,4 кВ

Исходя из спектрального анализа на рисунке 10, коэффициент гармонических искажений напряжения на СШ 0,4 кВ составляет THD = 3,36% по сравнению с коэффициентом гармонических искажений до подключения ФКУ равным THD = 9.42%.

Во-вторых, произведен спектральный анализ тока, протекающего через КБ, и представлен на рисунке 11:

Рисунок 11. Спектральный анализ тока, протекающего через КБ

Исходя из спектрального анализа на рисунке 11, коэффициент гармонических искажений тока, протекающего через КБ на СШ 0,4 кВ, составляет THD = 5,70% по сравнению с коэффициентом гармонических искажений до подключения ФКУ равным THD = 90,44%, что является существенным снижением гармонических искажений тока, протекающего через КБ.

Спектральный анализ тока, протекающего через ФКУ на СШ 0,4 кВ, представлен на рисунке 12:

Рисунок 12. Спектральный анализ тока, протекающего через ФКУ на СШ 0,4 кВ

Коэффициент гармонических искажений тока, протекающего через ФКУ, составляет THD = 431,30%, что доказывает протекание высших гармоник тока не через КБ, а через ФКУ на СШ 0,4 кВ.

Спектральный анализ тока, питающего нелинейную нагрузку на СШ 0,4 кВ, представлен на рисунке 13:

Рисунок 13. Спектральный анализ тока, питающего нелинейную нагрузку на СШ 0,4 кВ

Исходя из спектрального анализа на рисунке 13, коэффициент гармонических искажений тока, протекающего через нелинейную нагрузку на СШ 0,4 кВ, составляет THD = 96,70%. 

Заключение

Целью данной работы являлось обеспечение необходимых параметров качества на шинах питания, а также обеспечение ограничения предельно допустимого тока конденсаторных батарей.

Сделан вывод о целесообразности применения ФКУ на СШ 0,4 кВ и рассчитаны параметры ФКУ. Проведен спектральный анализ до и после подключения к системе ФКУ. Результат подключения ФКУ следующий:

· ток, протекающий через КБ на СШ 0,4 кВ, уменьшился более чем в 1,5 раза;

· коэффициент гармонических искажений напряжения на СШ 0,4 кВ составляет THD=3,36% по сравнению с коэффициентом гармонических искажений до подключения ФКУ равным THD = 9.42%;

· коэффициент гармонических искажений тока, протекающего через КБ на СШ 0,4 кВ, составляет THD = 5,70% по сравнению с коэффициентом гармонических искажений до подключения ФКУ равным THD = 90,44%, что является существенным снижением гармонических искажений тока, протекающего через КБ.

Установка ФКУ на предприятиях минерально-сырьевого комплекса целесообразна. Повышается качество электроэнергии, снижается стоимость реактивной мощности, уменьшается количество ремонтов конденсаторных батарей.