THE CALCULATION METHOD OF PASSIVE FILTERS TO COMPENSATE HIGHER HARMONICS CURRENT IN POWER SUPPLY SYSTEMS OF INDUSTRIAL ENTERPRISES

Коваленко Д.В.¹, Киселёв Б.Ю.¹ , Плотников Д.И.², Шакенов Е.Е.², Кулинич И.О.²

¹Ассистент, ²Студент

Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий»

Омский государственный технический университет

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАССИВНЫХ ФИЛЬТРОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Аннотация

В статье рассматривались негативные последствия влияния высших гармоник (ВГ) на различные элементы системы электроснабжения (СЭС) и источники ВГ в электрических сетях.

Также в статье рассмотрены осциллограммы токов всех трех фаз СЭС с подключенной к ней нелинейной нагрузкой. На осциллограммах цветами обозначены токи фаз: желтым – ток фазы А, зеленым – фазы В, красным – фазы С. Исследование велось для двух случаев: при отсутствии пассивных фильтров гармоник и при наличии фильтров. Сделаны выводы о работе сети с помощью полученных осциллограмм токов.

Ключевые слова: система электроснабжения, высшие гармоники, фильтры гармоник, качество электрической энергии.

Kovalenko D.V.¹, Kisselyov B.Yu.¹, Plotnikov D.I.², Shakenov Y.Y.², Kulinich I.O.²

¹Assistant, ²Student

Department «Electrical supply of industrial enterprises»

Omsk State Technical University

THE CALCULATION METHOD OF PASSIVE FILTERS TO COMPENSATE HIGHER HARMONICS CURRENT IN POWER SUPPLY SYSTEMS OF INDUSTRIAL ENTERPRISES

Abstract

The article describes the negative consequences from the influence of higher harmonics of the various elements of the power supply system and sources of higher harmonics in electric networks.

The article describes the waveforms of the currents of all three phases of the power supply system with connected nonlinear load. On the waveform the colors stand for the phase currents: yellow current of phase A, green phase B red phase C. The study was conducted for two cases: in the absence of passive harmonic filters and when filters. The findings of the network through the received waveform currents.

Keywords: power supply system, higher harmonics, harmonic filters, the quality of electric power.

В настоящее время существует проблема негативного воздействия ВГ на различные элементы СЭС. Актуальность такой проблемы уже не ставится под сомнение, так как нелинейные нагрузки получили повсеместное распространение, которые ухудшают показатели качества электроэнергии. Не подвергается никакому сомнению, что ВГ влияют не только на какие-либо элементы СЭС в отдельности, но и на всю СЭС при её рассмотрении целиком. ВГ способны вызвать дополнительные потери активной мощности в линиях электропередач (ЛЭП); нагрев проводов воздушных, а также нагрев металлических жил и изоляции кабельных ЛЭП (КЛЭП); способны уменьшить пропускную способность ЛЭП и снизить устойчивость нагрузки в узлах СЭС. Также они создают чрезмерный нагрев с последующим выходом из строя нулевых рабочих проводников КЛЭП вследствие перегруза линий токами ВГ, кратных трем. Кроме того, присутствие ВГ в СЭС приводит к повышенному нагреву (и, следовательно, износу) электрических машин, батарей статических конденсаторов (БСК), которые перегружаются и выходят из строя, возникают условия для неправильной работы устройств релейной защиты и автоматики, происходит отказ электронной аппаратуры и увеличивается погрешность учета электроэнергии. Вышеуказанные проблемы были освещены в статьях и других научных работах, таких как [1–4]. Коллектив авторов работы [3] выполнил расчет потерь мощности и энергии в КЛЭП при наличии нелинейной нагрузки в СЭС. При изучении этой работы можно сказать, что потери мощности и энергии в присутствии токов ВГ в сети достаточно высоки и их необходимо снижать. Добиться ощутимого снижения потерь можно при применении специальных фильтров ВГ.

Существует большое количество источников ВГ. Их можно отнести к одной из трех групп:

1. Силовые электронные устройства, частотнорегулируемый электропривод, системы бесперебойного питания, преобразовательные установки различного назначения, импульсные источники питания, индукционные печи, устройства FACTS, СТАТКОМ и т.п.
2. Установки, в рабочем режиме которого возникает электрическая дуга: дуговые сталеплавильные печи, сварочное оборудование и системы освещения со светодиодными и ртутными лампами.
3. Устройства, магнитопровод которых может перейти в состояние насыщения (все электрические машины).  Если оборудование не переходит в такой режим, то амплитуды гармоник, возникающие при работе этих электрических машин пренебрежимо малы по сравнению с гармониками, возникающими при работе сварочных установок и силовых преобразователей.

В данной работе рассматривается возможность подавления токов ВГ в СЭС.

К секции шин 0,4 кВ (рис.1) при помощи коммутационных аппаратов SF₁ и SF₂ подключаются две нагрузки: линейная и нелинейная. Линейной нагрузкой будем считать асинхронный двигатель (нагрузка S на схеме), а нелинейной – шестипульсный преобразователь (нагрузка В на схеме).

                               

Рис. 1 – Схема СЭС (а), схема СЭС с фильтром ВГ (б), упрощенная схема замещения фильтра (в)

В программе «MATLAB-Simulink» была разработана имитационная математическая модель, соответствующая рассматриваемой СЭС. Полученная модель СЭС приведена на рис. 2. (Обратим внимание, что работа шестипульсного преобразователя имитируется источниками тока с частотами генерации 250 и 350 Гц, соответствующих 5 и 7 гармоникам.) Для визуальной фиксации сигнала трехфазного тока, протекающего в системе, предусмотрен осциллограф I (рис.3).

Рис. 2 – Модель СЭС, выполненная в приложении Simulink (при отсутствии фильтра ВГ)

Рис. 3 – Осциллограмма трехфазного тока сети (с искажениями кривых тока)

Из рассмотрения осциллограммы следует, что ток, проходящий через элементы СЭС, содержит в себе не только основную (50 Гц) гармонику, но и высшие гармоники. Следовательно, для уменьшения потерь мощности и энергии в элементах СЭС имеет смысл установить параллельно источнику ВГ фильтры гармоник, которые ослабляют их (рис. 1б). На рис. 1в приведена схема замещения простейшего фильтра, состоящего из дросселя (катушки индуктивности L), БСК (емкость C) и активного сопротивления R (оно имитирует потери активной мощности в фильтре, в качестве упрощения примем 0,01 Ом). В усложненном виде рассмотренная нами конструкция превращается в фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ). ФКУ представляет собой БСК с фильтром гармоник. В этом случае ФКУ выполняет не только компенсацию реактивной мощности в СЭС, но и подавляет ВГ. Каждый блок ФКУ настраиваются на частоту определенной гармоники (резонансный режим) и работает как поглотитель, преобразуя токи ВГ в тепло, выделяемое на реактивных элементах фильтра. Последнее обстоятельство нам говорит о том, что необходимо принимать во внимание следующее: 1) нелинейная нагрузка генерирует определенный спектр гармоник, который необходимо учитывать; 2) фильтр должен иметь столько же секций, сколько ВГ вырабатывается нагрузкой. В рассматриваемом случае роль нелинейной нагрузки играет шестипульсный преобразователь, который генерирует 5 и 7 гармоники. Иными словами, для корректной работы проектируемого фильтра мы должны выполнить расчет параметров фильтра для подавления этих гармоник. При эксплуатации СЭС (раздельное включение секций фильтра) необходимо подключать секции с ростом частоты подавляемых гармоник, отключать – в обратной последовательности.

Для того, чтобы рассчитать параметры секции фильтра (элементы L и C), воспользуемся методикой [5]. Однако, непосредственное применение такой методики вызывает трудности, так как в этой методике не приведена связь реактивной мощности БСК с её емкостью. Эту связь отражает следующая формула:

где

Q_Кn – реактивная мощность, вырабатываемая БСК на n-й гармонике, вар,

C_n – емкость БСК на n-й гармонике, Ф,

U_Ф – фазное напряжение сети, В,

f – частота сети, Гц,

n – номер гармоники.

В качестве примера рассчитаем секцию фильтра для подавления 5 гармоники тока.

Амплитудное значение тока 5 гармоники преобразователя: А. Тогда действующее значение тока вычислим по формуле: А.

Затем найдем мощность БСК на фазу: вар.

Определяем емкость БСК:  мкФ.

Зная емкость БСК, вычислим емкостное сопротивление БСК на 5 гармонике:  Ом.

Исходя из условия резонанса , находим индуктивность секции фильтра (L):  мГн.

Аналогично определяем параметры элементов секции фильтра, предназначенного для подавления 7 гармоники тока (амплитудное значение тока 7 гармоники:  А).

Подведем итог и приведем параметры элементов фильтра.

Для 5 гармоники: L₅=21,765 мГн, С₅=18,621 мкФ.

Для 7 гармоники: L₇=21,739 мГн, С₇=9,512 мкФ.

На основании полученных значений параметров элементов фильтра была создана математическая модель, имитирующая работу такого фильтра. Модель приведена на рис. 4, а осциллограмма токов в фазах A, B и C – на рис.5.

Рис. 4 – Модель СЭС (с учетом фильтра ВГ)

Рис. 5 – Осциллограмма фазных токов СЭС (при включенном фильтре)

Рассматривая полученную осциллограмму фазных токов, можно отметить, что токи ВГ в нашей сети практически отсутствуют. Об этом нам говорят кривые тока, которые имеют форму очень близкую к синусоиде. Также улучшаются и другие показатели качества электрической энергии, и, кроме того, уменьшаются потери мощности и энергии в элементах СЭС.

При применении описанной методики можно произвести расчет параметров фильтра для подавления любой из ВГ тока.

Список литературы / References

1. Жежеленко, И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И. В. Жежеленко. – М.: Энергоатомиздат, 2000 – 331 с.
2. Куско, А. Качество энергии в электрических сетях / А. Куско, М. Томпсон; пер. с англ. А. Н. Рабодзея. – М.: Издательский дом «Додэка – XXI», 2008. – 333 с.
3. Осипов, Д. С. Расчет потерь энергии в кабельной линии электропередачи при наличии нелинейной нагрузки методом пакетного вейвлет-преобразования / Д. С. Осипов, Д. В. Коваленко, Б. Ю. Киселев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. – 2016. – № 4 (148). – С. 84-89.
4. Шидловский, А. К. Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях / А. К. Шидловский, А. Ф. Жаркин. – Киев: Наукова Думка, 2005. – 211 с.
5. Лукутин, Б. В. Силовые преобразователи в электроснабжении. Расчет режимов работы выпрямителя: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов спец. 140211 «Электроснабжение» ИДО / Б. В. Лукутин, И. О. Муравлев.– Томск: Изд. ТПУ, 2009. – 28 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Zhezhelenko, I. V. Vysshie garmoniki v sistemah jelektrosnabzhenija prompredprijatij [Higher harmonics in power supply systems of industrial enterprises] / I. V. Zhezhelenko – M.: Jenergoatomizdat, 2000 – 331 p. [in Russian]
2. Kusko, A. Kachestvo jenergii v jelektricheskih setjah [The quality of energy in electrical networks] / A. Kusko, M. Tompson: per. s angl. A. N. Rabodzeja. – M.: Izdatel'skij dom «Dodjeka – XXI», 2008. – 333 p. [in Russian]
3. Osipov, D. S. Raschet poter' jenergii v kabel'noj linii jelektroperedachi pri nalichii nelinejnoj nagruzki metodom paketnogo vejvlet-preobrazovanija [Calculation of energy losses in the cable transmission line in the presence of nonlinear load method batch wavelet transform] / D. S. Osipov, D. V. Kovalenko, B. Ju. Kiselev // Omskij nauchnyj vestnik. Ser. Pribory, mashiny i tehnologii [Omsk scientific Bulletin. Ser. Appliances, machines and technology]. – 2016. – № 4 (148). – P. 84-89. [in Russian]
4. Shidlovskij, A. K. Vysshie garmoniki v nizkovol'tnyh jelektricheskih setjah [Higher harmonics in low voltage electrical networks] / A. K. Shidlovskij, A. F. Zharkin. – Kiev: Naukova Dumka, 2005. – 211 p. [in Russian]
5. Lukutin B. V. Silovye preobrazovateli v jelektrosnabzhenii. Raschet rezhimov raboty vyprjamitelja [Power converters in the power supply. Calculation of operation modes of the rectifier]: Methodical instructions to performance of course work for students majoring 140211 «Energy Supply» IDO / B. V. Lukutin, I. O. Muravlev.– Tomsk: Izd. TPU, 2009. – 28 p. [in Russian]