Активное фильтро-демпфирующее устройство для средневольтных сетей

Page 1

Page 2

оборудование

Активное фильтро-
демпфирующее устройство
для средневольтных сетей

УДК 621.311

Мустафа

к.т.н., научный

руководитель ООО

«НПП ЛМ Инвертор»

Гусев

к.т.н., генеральный

директор ООО

«НПП ЛМ Инвертор»

Сеннов

начальник отдела ООО

«НПП ЛМ Инвертор»

Чистилин

директор по развитию

ООО «НПП ЛМ

Инвертор»

Шиянов

начальник группы

программирования ООО

«НПП ЛМ Инвертор»

Миночкин

заместитель главного

энергетика НИЦ

«Курчатовский

институт» — ИФВЭ

Цыганков

главный инженер УЗЧ

У-1.5 НИЦ «Курчатовский

институт» — ИФВЭ

Рассматриваются

вопросы

использования

гибридных

активных

фильтров

для

фильтрации

высших

гармоник

демпфирования

переходных

процессов

элек

трических

сетях

3–35

кВ

как

недорогой

альтернативы

пассивным

резонансным

фильтрам

Показано

что

гибридный

активный

фильтр

типа

АФД

-10-3600-

УХЛ

установленный

на

шинах

кВ

питающих

мощный

выпрямитель

работающий

циклическом

режиме

нагрузки

снижает

уровень

канонических

неканониче

ских

гармоник

более

чем

раза

интергармонических

составляющих

напря

жения

—

до

несущественных

значений

Ключевые

слова

пассивные фильтры,

активные фильтры,

динамические искажения

роблема фильтрации

гармоник в электричес-

ких сетях обострилась

и стала актуальной в свя-

зи с нарастающим распростране-

нием вентильных преобразовате-

лей электрической энергии, иска-

жающих сеть, таких как:

– электроприводы

грузоподъ-

емных механизмов (шахтный

подъем), прокатных станов;

– тиристорные выпрямители, ра-

ботающие в циклично-импульс-

ном режиме потребления элек-

троэнергии (на электровозах

переменного тока, в мощных

электрофизических

установ-

ках);

– электродуговые печи постоян-

ного тока;

– многочисленные выпрямители

частотно-регулируемого элек-

тропривода;

– многие другие.

Для фильтрации высших гар-

моник в электрических сетях при-

менялись и продолжают приме-

няться комбинации резонансных

LC-цепей. Если применяемая LC-

цепь имеет высокую добротность,

то ее остаточное сопротивление

мало, и она эффективно шунти-

рует соответствующую сетевую

гармонику в стационарных усло-

виях. Однако когда амплитуды

или фазы сетевых гармоник из-

меняются в условиях динамично

меняющейся нагрузки, высокодо-

бротные резонансные цепи филь-

трации не способствуют и могут

даже ухудшать ситуацию [1]. Раз-

решить проблему эффективной

фильтрации гармоник в электри-

ческой сети при меняющихся ус-

ловиях позволяют активные филь-

тры на основе высокочастотных

следящих широтно-модулирован-

ных преобразователей, постро-

енных на транзисторах типа IGBT

[2]. Такие преобразователи могут

функционировать в качестве ши-

рокополосных усилителей, дей-

ствие которых не сопровождается

потерями энергии. Способность

таких усилителей осуществлять

свои функции без активных по-

терь мощности открывает им до-

рогу для широкого использования

в электрических сетях в качестве

эффективных фильтро-компенси-

рующих устройств [3].

Для осуществления требуемой

фильтрации напряжения в усло-

виях динамично меняющейся

нагрузки может быть применен

шунтирующий активный фильтр,

который может действовать в за-

висимости от нахождения источ-

ника искажений:

– либо в функции тока нагрузки;

– либо в функции напряжения

в точке присоединения.

В первом случае напряжение

активного элемента устанавлива-

ется регуляторами таким, чтобы

втянуть гармоники тока потребите-

ля в ветвь фильтра, не пропуская

их в сеть. Во втором — активный

фильтр действует как источник

регулируемого тока, который ав-

томатически подается в систему,

обеспечивая компенсацию гармо-

ник напряжения в режиме реаль-

ного времени посредством соз-

Page 3

дания соответствующего падения

напряжения на суммарном реак-

тансе в точке присоединения.

При этом возможны два вари-

анта шунтирующих АФ:

– на основе СТАТКОМ — в слу-

чаях комплексного решения

задачи компенсации реактив-

ной мощности, фильтрации

гармоник и симметрирования

напряжения;

– на основе более экономичного

решения — гибридного филь-

тра, состоящего из конденса-

торной батареи и активного

элемента, соединенных после-

довательно (для решения

частной задачи фильтрации

высших гармоник).

В данной статье рассмотрено

применение гибридного активного

фильтра как альтернативы исполь-

зованию пассивных резонансных

фильтров, для нормализации на-

пряжения на шинах 10 кВ в основ-

ной системе питания кольцевого

электромагнита ускорителя У-1,5

Бустер (ОСП КЭМ, г. Протвино), ра-

ботающей в режиме циклического

потребления электроэнергии.

В схеме питания кольцевого

электромагнита ускорителя У-1,5

Бустер используются 12-пульсные

выпрямители с полной мощностью

18 МВА. Выпрямители обеспечи-

вают протекание постоянного тока

специальной колоколообразной

формы длительностью 50–55 мс

через электромагниты Бустера

(рисунок 1).

Импульсы тока следуют пач-

ками длительностью порядка

1–2 секунд. Длительность паузы

после пачки импульсов составля-

ет 8–9 секунд. Как показано в [1],

применение пассивных резонанс-

ных фильтров для компенсации

гармоник в таком режиме работы

выпрямителей не только не улуч-

шает, но может даже ухудшить си-

туацию. Понижение добротности

применяемых резонансных цепей

дает только весьма ограниченный

эффект, не позволяет достичь ка-

чественной фильтрации при ме-

няющейся загрузке сети, а также

сопровождается еще и увеличени-

ем потерь мощности в демпфиру-

ющих резисторах.

Для фильтрации гармоник на-

пряжения на шинах 10 кВ систе-

мы электроснабжения ускорителя

У-1,5 Бустер и демпфирования

переходных процессов, возника-

ющих при работе выпрямителей,

в ФГУП «Институт физики высоких

энергий имени А.А. Логунова» вне-

дрен шунтирующий гибридный ак-

тивный фильтр АФД-10-3600-УХЛ4

(далее АФД), действующий в функ-

ции компенсации искажающего

действия тока выпрямителей. Ос-

новная цепь его (рисунок 2) состо-

Рис

. 1.

Импульс

тока

выпрямителей

под

качки

ОСП

КЭМ

Рис

. 2.

Структурная

схема

АФД

4000

3000

2000

1000

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 мс

№

3 (54) 2019

Page 4

ит из последовательно включен-

ных батареи конденсаторов КБ

и активного элемента АЭ, обеспе-

чивающего селективную фильтра-

цию заданного спектра высших

гармоник в точке присоединения

АФД. Конденсаторная батарея от-

деляет АЭ от сети и обеспечива-

ет нерегулируемую компенсацию

реактивной мощности. Активные

фильтры способны обеспечить

фильтрацию канонических и не-

канонических гармоник вплоть до

49-й. С этой целью частота широт-

но-импульсной модуляции, опре-

деляемая как произведение ча-

стоты коммутации транзисторов

на число транзисторно-конденса-

торных ячеек, должна в 8–10 раз

превышать частоту высшей из

фильтруемых гармоник. Количе-

ство ячеек, в значительной сте-

пени влияющее на стоимость

гибридного активного фильтра,

определяется исходя из миниму-

ма затрат, необходимых для реше-

ния поставленной задачи. В АФД

каждая фаза активного элемента

составляется из двух последова-

тельных транзисторно-конденса-

торных модулей (ТКМ), каждый из

которых выполнен по однофазной

мостовой схеме, действующих

в режиме широтной модуляции

так, что среднее выходное напря-

жение АЭ устанавливается рав-

ным входной управляющей пере-

менной (заданию напряжения).

Частота модуляции равна 14 кГц,

что позволяет обеспечить актив-

ное подавление гармоник вплоть

до 31-й. Вспомогательная парал-

лельная RC-цепь устраняет более

высокочастотные

резонансные

колебания напряжения, обуслов-

ленные паразитными емкостями

электрической сети.

Формирование задания на-

пряжения осуществляется путем

селективного выделения и обра-

зования суммы всей совокупности

избранных для селективной филь-

трации гармоник. Неотъемлемой

функцией активного элемента,

обеспечивающей режим селек-

тивной фильтрации, является его

способность демпфировать высо-

кочастотные переходные процес-

сы, в том числе, возникающие при

коммутации тиристоров выпрями-

телей. Функция демпфирования

реализуется на основе организа-

ции обратной связи по току с коэф-

Рис

. 3.

Упрощенная

расчетная

схема

АФД

фициентом пропорциональности,

равным сопротивлению «вирту-

ального» демпфирующего рези-

стора. Наличие у активных филь-

тров такой функции позволяет

обеспечить устранение паразит-

ных высокочастотных колебаний,

возникающих при коммутации ти-

ристоров. Искажения формы на-

пряжения, возникающие при ком-

мутации тиристоров, относятся

к разряду ненормируемых интер-

гармонических искажений [4] и не

фиксируются стандартными ана-

лизаторами качества напряжения,

поскольку частоты переходных

колебаний, возникающих при ком-

мутации тиристоров, не связаны

с основной частотой сети. При

этом их влияние на электромаг-

нитную совместимость проявля-

ется в сильной степени, вызывая

технологические нарушения в ра-

боте цифровых систем, находя-

щихся в окружении тиристорных

выпрямителей.

Построение автоматических

регуляторов селективного по-

давления

демпфирования

осуществляется на основе DSB-

алгоритма [2], который дополня-

ется специфическим регулятором

поддержания баланса энергии на

конденсаторах постоянного на-

пряжения транзисторно-конден-

саторных модулей, составляющих

активный элемент фильтра.

Напряжение АЭ определяется

из условия равенства нулю напря-

жения каждой гармоники в точке

присоединения (рисунок 3):

uae

= 0.

(1)

Отсюда напряжение

-й гар-

моники напряжения активного

фильтра:

uae

= –

∙

). (2)

Ток АФД в первом приближе-

нии равен току искажений iw, соз-

даваемых выпрямителем. Выбор

напряжения активного элемента

и емкости конденсаторной ба-

тареи осуществляется на осно-

вании формулы (2), корректиру-

емой с учетом емкости фильтра

широтно-импульсной модуляции

и индуктивности реактора

включаемого последовательно

с АЕ, для снижения ударных то-

ков при включении АФД и 2-фаз-

ном коротком замыкании сети.

Для обеспечения безударного

ввода АЭ в работу используется

тиристорный ключ ТК, шунтиру-

ющий АЭ при пуске. ТК осущест-

вляет защиту АЭ и при 2-фазном

коротком замыкании сети.

Подключение шунтирующего

активного фильтра ЛМ-АФД-10-

3600-УХЛ4 к сети 10 кВ осущест-

вляется через внешнюю комму-

тационную ячейку с вакуумным

или масляным выключателем,

управляемым сигналами из шка-

фа управления (ШУ) АФД. Вклю-

чение питающей ячейки осущест-

вляется из системы управления

верхнего уровня (СВУ) при на-

личии разрешающего сигнала из

ШУ АФД. Отключение осущест-

вляется из СВУ, а в случае ава-

рийной ситуации — из ШУ АФД.

Датчики токов и напряжений, не-

обходимые для выполнения сво-

их функций, входят в состав АФД.

Фотография АФД на объекте

эксплуатации приведена на ри-

сунке 4.

Основные параметры ЛМ-

АФД-10-3600-УХЛ4, предназна-

ченного для фильтрации высших

гармоник напряжения на шинах

10 кВ, от которых питается ОСП

Рис

. 4.

АФКУ

типа

ЛМ

АФД

-10-3600-

УХЛ

на

объекте

ОБОРУДОВАНИЕ

Page 5

кольцевого электромагнита уско-

рителя У-1,5, приведены в таб-

лице 1.

АФД обеспечивает поглоще-

ние канонических и неканони-

ческих высших гармоник тока

выпрямителей ОСП КЭМ, пони-

жая их содержание в сетевом

токе, и снижение гармонических

составляющих напряжения до

нормативных уровней согласно

ГОСТ 32144-2013 [4].

На рисунках 5 и 6 приведены

осциллограммы, иллюстрирую-

щие действие АФД при работе

в режиме компенсации искаже-

ний, возникающих при работе

выпрямителей. Ярко выражен

Табл. 1. Основные технические параметры ЛМ-АФД-10-3600-УХЛ4

Наименование параметра

Значение

Номинальное напряжение сети

10 кВ

Число фаз входного напряжения

Наибольшее рабочее напряжение сети

12 кВ

Номинальная частота напряжения сети

50 Гц

Номинальная мощность КБ

3000 квар

Номинальное напряжение активного элемента

2000 В

Полоса частот активного поглощения высших гармоник

250 … 1550 Гц

Номинальный ток АЕ, действующее значение

260 А

Периодически повторяющийся пиковый ток АЕ

550 А

Напряжение питания собственных нужд

3 × 380 В, 50±2 Гц

Охлаждение

принудительное,

воздушное

Габаритные размеры

7800

800 ×

2000 мм

Рис

. 6.

Гармонический

состав

напряжения

сети

кВ

Искажающие

выпрямители

включены

АФД

работает

режи

ме

демпфирования

селективной

фильтрации

Номер гармоники

Гармонический состав напряжения

Амплит

уда г

армоники, %

Амплит

уда г

армоники, %

Амплит

уда г

армоники, %

Номер гармоники

Рис

. 5.

Гармонический

состав

напряжения

сети

кВ

Искажающие

выпрямители

включены

АФД

отключен

Номер гармоники

Гармонический состав напряжения

Амплит

уда г

армоники, %

Амплит

уда г

армоники, %

Амплит

уда г

армоники, %

Номер гармоники

№

3 (54) 2019

Page 6

циклический характер искажений

напряжения, возникающих при

изменении нагрузки выпрямите-

лей. В результате действия АФД

общий коэффициент гармониче-

ских искажений по фазам снижа-

ется с THDA = 4,7%, THDB = 4,7%,

THDC = 4,4% (до включения АФД)

до THDA = 1,5%, THDB = 1,2%,

THDC = 1,0% (после включения

АФД), то есть более чем в 3 раза.

Как следует из рисунка 6, за

счет демпфирующего действия

АФД интергармонические иска-

жения, вызываемые коммутацией

тиристоров, также снижаются до

несущественных значений.

ВЫВОДЫ

В условиях действия искажений,

создаваемых нелинейными по-

требителями, такими как: тирис-

торные выпрямители, работаю-

щие в циклическом режиме

потребления электроэнергии (на

электровозах переменного тока,

в мощных электрофизических

установках, на прокатных станах,

в электроприводе шахтных подъ-

емников и т.п.), электродуговые

печи постоянного тока, многочис-

ленные выпрямители частотно-

регулируемого

электропривода

и т.п., эффективно использова-

ние шунтирующих гибридных ак-

тивных фильтров, позволяющих

обеспечить автоматически под-

страиваемую фильтрацию и демп-

фирование высших гармоник как

альтернативу использованию пас-

сивных резонансных фильтров.

При динамическом изменении

амплитуд или фаз сетевых гармо-

ник, когда высокодобротные ре-

зонансные цепи не способствуют

устранению искажений даже при

наличии демпфирования, гибрид-

ные активные фильтры являются

единственным средством, позво-

ляющим привести показатели ка-

чества напряжения к нормативно-

му уровню.

П р о вед е н н а я а п р о ба ц и я

и опыт создания транзисторных

преобразователей мощностью до

10 МВт и выше делают техноло-

гию активной фильтрации доступ-

ной для широкого распростра-

нения в электроэнергетических

системах. АФД могут использо-

ваться для фильтрации гармоник

в сетях класса 3–20–35 кВ в широ-

ком диапазоне мощностей, в том

числе в качестве составной части

статических тиристорных компен-

саторов.

ЛИТЕРАТУРА
1. Мустафа Г.М., Гусев С.И. Фильтрация высших

гармоник в электрических сетях при динамично-

меняющихся условиях // Энергия единой сети,

2017, №4 (33). С. 44–52.

2. Мустафа Г.М., Гусев С.И. Активные фильтро-сим-

метрирующие устройства для электроэнергети-

ки. LAP Lambert Academic Publishing, 2016. 114 с.

3. Мустафа Г.М., Гусев С.И. Особенности использо-

вания модульных многоуровневых преобразова-

телей для нормализации показателей качества

напряжения электрической сети // ЭЛЕКТРО-

ЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2018,

№ 4(49). С. 58–65.

4. ГОСТ 32144-2013. Нормы качества электри-

ческой энергии в системах электроснабжения

общего назначения. М.: Стандартинформ, 2014.

16 с.

REFERENCES
1. Mustafa G.M., Gusev S.I. Higher harmonics ﬁ ltration under dynam-

ically changing conditions in electrical networks. Energiya edinoy

seti [Energy of uniﬁ ed grid], 2017, no. 4, pp. 44–52. (in Russian)

2. Mustafa G.M., Gusev S.I. Aktivnyye ﬁ ltro-simmetriruyushchiye us-

troystva dlya elektroenergetiki. Teoreticheskiye i prikladnyye aspe-

kty ispolzovaniya [Active ﬁ lter-balancing devices for electric power

industry. Theoretical and practical aspects of application]. LAP

Publ., 2016. 114 p.

3. Mustafa G.M., Gusev S.I. Features of modular multilevel convert-

ers application for power quality indexes normalization in electrical

network. ELEKTROENERGIYa: peredacha i raspredelenie [ELEC-

TRIC POWER: Transmission and Distribution], 2018, no. 4(49), pp.

58–65. (in Russian)

4. State Standard 32144-2013. Electric energy. Electromagnetic com-

patibility of technical equipment. Power quality limits in the public

power supply systems. Moscow, Standartinform Publ., 2014. 16 p.

(in Russian)

ОБОРУДОВАНИЕ

Доставка осуществляется
Почтой России простой бандеролью.
Стоимость доставки включена
в стоимость подписки.
Чтобы подписаться на журнал,
заполните форму заявки на
подписку на сайте

www.eepir.ru

или направьте заявку
по электронной почте:

[email protected]

Телефон редакции:

+7 (495) 645-12-41

Стоимость подписки на журнал

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача

и распределение» на 2019 год осталась

без изменений:
• год (шесть номеров)—

11 250

руб

• полгода (три номера) —

5 625

руб

• один выпуск —

1 875

руб

Цена указана с учетом НДС.
Форма оплаты —

безналичный

расчет.

подписка – 2019

Оригинал статьи: Активное фильтро-демпфирующее устройство для средневольтных сетей

Ключевые слова: пассивные фильтры, активные фильтры, динамические искажения

Читать онлайн

Рассматриваются вопросы использования гибридных активных фильтров для фильтрации высших гармоник и демпфирования переходных процессов в электрических сетях 3–35 кВ как недорогой альтернативы пассивным резонансным фильтрам. Показано, что гибридный активный фильтр типа АФД-10-3600-УХЛ4, установленный на шинах 10 кВ, питающих мощный выпрямитель, работающий в циклическом режиме нагрузки, снижает уровень канонических и неканонических гармоник более чем в 3 раза, а интергармонических составляющих напряжения — до несущественных значений.