Страница 2

Активные фильтры. Практика компенсации высших гармоник в электроустановках
Увеличение количества и мощности нелинейных потребителей повышает уровень высших гармоник в сети, что негативно влияет на такой показатель качества электроэнергии, как синусоидальность напряжения. Эта проблема и возможности ее преодоления с помощью активных фильтров не раз обсуждалась, в том числе и в нашем журнале, например в [1, 2].
Игорь Борисович Зобов и Александр Сергеевич Мелентьев приводят примеры применения активных фильтров для повышения надежности работы электроустановок в условиях промпредприятий.
Энергетики сегодня нередко сталкиваются с проблемами, возникающими вследствие искажения формы сетевого напряжения из-за гармоник, вызываемых нелинейными нагрузками. Цель данной статьи – привлечь их внимание к возможностям относительно новых устройств силовой электроники – активных фильтров (АФ). Опыт показал, что с помощью АФ легко решаются задачи, казавшиеся ранее весьма сложными [3].
В качестве аргумента против использования активных фильтров обычно выступает цена. Действительно, активные фильтры дороже пассивных, хотя при этом нужно учесть, что сравнивать цены на изделия с одинаковым номинальным током в корне неверно. Вместе с тем сумма затрат на решение проблемы в электроустановке с помощью активных фильтров может быть в разы ниже, чем при использовании пассивных фильтров или других традиционных средств.

Высшие гармоники в электроустановках
С проявлениями высших гармоник тока и напряжения в электроустановках могут сталкиваться специалисты разных подразделений и разных специальностей:
– Перегрев трансформаторов и кабелей, отключение коммутационных аппаратов без видимых причин, перегрев конденсаторов установок компенсации реактивной мощности, перегорание нулевых жил кабелей и др. привлекут прежде всего внимание оперативного персонала.
– Отключения преобразователей частоты встроенными защитами и выход из строя силовых элементов (диодных мостов, конденсаторов и др.) добавят работы специалистам по электроприводу.
– Ложные срабатывания реле контроля напряжения и устройств автоматического ввода резерва коснутся службы РЗА.
– Сбои синхронизации генераторов и нештатная работа защит, нарушение распределения нагрузок при параллельной работе проявятся на автономной электростанции.
– Сбои в работе установок бесперебойного питания при переключении режимов вызовут вопросы к поставщику UPS или к сервисной организации.
Проявления высших гармоник могут быть связаны с наступлением событий, случающихся с большей или меньшей вероятностью, что затрудняет их фиксацию:
– Включение конкретного электроприемника может резко изменить спектр высших гармоник тока на присоединении и связанных с этим искажений напряжения на сборных шинах.
– Включение дополнительных секций конденсаторов в установках компенсации реактивной мощности чревато возникновением резонанса. При изменении количества задействованных ступеней резонанс может наступать на частотах гармоник разного порядка.
– Переключение питания с двух вводов на один (например, при выводе в ремонт трансформатора) увеличит внутреннее сопротивление цепи источника и искажения формы напряжения в электроустановке.
– Перевод объекта на питание от автономного источника (например, ДЭС) может кратно увеличить искажения напряжения при неизменном составе потребителей.
Проявления высших гармоник в электроустановках и способы борьбы с ними зависят от места нахождения источника искажений.
Плохо, если в составе объекта есть нелинейные нагрузки, влияющие на соседние присоединения. Такую проблему часто удается снять компенсацией высших гармоник тока, потребляемого из сети нелинейными электроприемниками. Решается эта задача путем установки дополнительных дросселей или специальных пассивных фильтров на входе статических преобразователей, применения 12-пульсных схем выпрямления, использования активных выпрямителей и др.
Гораздо хуже, если искажения напряжения поступают извне, со стороны объектов электроснабжающей организации. Эти искажения оказываются данностью для электроустановок потребителей, и повлиять на ситуацию на местах сложно.
Проблемы, связанные с высшими гармониками, не всегда удается предвидеть на стадии проектирования. Кроме того, обстановка может сильно измениться в процессе эксплуатации объекта. Так, на одном из предприятий проблемы с гармониками начались лишь после изменения схемы электроснабжения, когда для разгрузки подстанции часть цехов перевели на питание от газопоршневых машин.
Характер неприятностей, доставляемых высшими гармониками энергетикам и представителям родственных специальностей, чрезвычайно разнообразен. Это побуждает инженеров искать технические средства, помогающие комплексно решать проблемы электромагнитной совместимости. Такие средства должны обладать следующими функциями и свойствами:
– Компенсация высших гармоник во всем спектре, установленном ГОСТ 32144–2013 [4] (до 40-го порядка), а лучше – и в более широком диапазоне.
– Компенсация высших гармоник токов, потребляемых из сети нелинейными электроприемниками, и компенсация высших гармоник напряжения (искажений напряжения), поступающих извне, со стороны объектов электроснабжающей организации.
– Исполнение устройств компенсации в виде стандартных изделий, которые просто выбрать, «привязать» на объекте и ввести в эксплуатацию.
– Возможность размещения и подключения оборудования системы компенсации без значительных изменений в действующей электроустановке.
– Возможность настройки и изменения режимов компенсации пользователем самостоятельно, без привлечения специализированных организаций.
– Модульная конструкция, обеспечивающая широкий диапазон токов компенсации.
– Возможность применения в электроустановках выше 1000 В.
– Большой срок полезного использования оборудования и простота эксплуатации.
Перечисленными свойствами в полной мере обладают активные фильтры (рис. 1). Построение силовой части АФ, элементная база и внешний вид во многом аналогичны преобразователям AFE (Active Front End), применяющимся в частотно-регулируемом приводе. Специфическим является программное обеспечение. Изменение его настоек придает АФ различные свойства, при этом не требует каких-либо изменений в силовых цепях.