Стартовая >> Книги >> Разное >> Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях

Моделирование фильтрации высших гармоник - Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях

Оглавление
Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях
Введение
Причины образования высших гармоник в сетях низкого напряжения
Влияние высших гармоник на различные виды электрооборудования
Электромагнитная совместимость
Моделирование нелинейных нагрузок
Моделирование и расчет токов и напряжений сетей НН с нелинейными нагрузками
Модели низковольтных сетей, в которых нелинейные нагрузки задаются источниками токов
Анализ зависимостей высших гармоник тока и напряжения с помощью традиционных моделей
Математическая модель электрической сети здания
Методология определения параметров схемы замещения сети
Расчет несинусоидальности токов и напряжений в сетях общественных зданий
Анализ несинусоидальности напряжений с помощью схем замещения с источниками токов высших гармоник
Метод оценки влияния потерь напряжения в линиях на значение несинусоидальности
Анализ влияния параметров нагрузки и сети
Влияние мощности и схемы соединения обмоток трансформатора
Моделирование и анализ влияния параметров нагрузочных режимов
Анализ несимметрии нелинейных электроприемников
Методика определения коэффициента искажения синусоидальности кривых фазных напряжений
Средства снижения уровня высших гармоник
Синтез схем корректирующих устройств для трехфазных четырехпроводных сетей
Моделирование фильтрации высших гармоник
Анализ эффективности фильтрации с использованием фильтров токов гармоник нулевой последовательности
Применение средств обеспечения электромагнитной совместимости
Построение систем электропитания с улучшенной электромагнитной совместимостью
Организация искусственного нулевого провода
Технические средства защиты от электромагнитных помех в сетях собственных нужд
Заключение
Список литературы

Очевидно, что проверку предполагаемых возможностей и анализ эффективности рассматриваемых фильтров следует проводить с учетом результатов исследований электрической сети конкретного объекта. При этом необходимо применять модели сети НН с нелинейными нагрузками, которые учитывают параметры основных элементов сети и электроприемников, а также модели фильтров.
В предыдущих главах была рассмотрена модель низковольтной сети с нелинейными нагрузками, которая позволяет определить значения искажений синусоидальности кривых токов и напряжений на зажимах электроприемников, подключенных в любой точке моделируемой сети НН.

Схема подключения фильтров к сети НН
Рис. 5.4. Схема подключения фильтров к сети НН

В работе [42] предлагается дополнить указанную модель сети моделью фильтров, что позволит провести анализ эффективности их использования в различных режимах электрической сети здания. На рис. 5.4 приведен фрагмент рассмотренной ранее (рис.3.1) схемы замещения сети, но с учетом подключения фильтров Ф1, Ф2. Из рисунка видно, что рассматриваемые фильтры имеют четыре зажима и могут подключаться только к четырехпроводным элементам сети НН (внешняя питающая сеть и стояки). В связи с этим и с учетом того, что наибольшая эффективность фильтрации высших гармоник достигается при подключении фильтра на зажимы нелинейной нагрузки, рассматриваются два варианта их подключения: в нагрузочных узлах ГРЩ или РЩ.
Для разработки модели фильтра следует напомнить о полученных в данной работе результатах, которые показали, что напряжение гармоник, кратных трем, является определяющим для искажения синусоидальности кривых фазных напряжений в сетях НН. Представим суммарное гармоническое содержание кривой фазного напряжения в произвольном нагрузочном узле сети в следующем виде:

где U(n=3k) и U(n=\3k)— суммарные действующие значения напряжений гармоник, кратных и не кратных трем, соответственно.

Рис. 5.5. Схема замещения сети с источником тока п-п гармоники  при подключении фильтра


(5.19)
На рис. 5.5 показана однолинейная схема замещения сети с источником тока п-й гармоники для гармоник, кратных трем. Здесь Z(n) и Ζφ(n=3) — эквивалентное сопротивление сети и фильтра для гармоник, кратных трем. Из рисунка видно, что для выполнения условия (5.19) необходимо, чтобы Z(n=U) = 0. Иными словами, для эффективной фильтрации высших гармоник в сетях НН необходимо использовать устройства с малым сопротивлением для токов гармоник, кратных трем. Очевидно, что указанному требованию в полной мере соответствуют электромагнитные фильтры, синтез схем которых был проведен в предыдущем параграфе. В связи с этим возникает задача разработки схемы замещения упомянутых фильтров для использования ее в развернутой схеме замещения сети.
Как было показано в третьей главе, в схеме замещения элементы сети и нагрузки представляются соответствующими сопротивлениями, а процессы в моделируемой сети НН описываются очевидными системами дифференциальных уравнений. Решая тем или иным методом эти дифференциальные уравнения, можно найти все токи и напряжения данной сети, причем расчет проводится на основной частоте. В то же время, рассматриваемые фильтры, из-за своих конструктивных особенностей, должны иметь сопротивление на частотах гармоник, кратных трем, очень малое, а на частотах гармоник, не кратных трем, очень большое. Поэтому представление такого фильтра в схеме замещения в виде сочетания активных и реактивных элементов, а также его математическое описание — очень непростая задача.
Решить эту задачу позволяют возможности, которые предоставляет компьютерная программа схемотехнического моделирования PSpice. Предположим, что фильтр Ф1 осуществляет успешную фильтрацию токов гармоник, кратных трем, в нагрузочном узле ГРЩ. Тогда мгновенные значения фазных токов рассматриваемого фильтра представим в форме


где_ _ — мгновенные значения фазных токов нагрузки Н1 и стояка соответственно; к — коэффициент, учитывающий неидеальность элементов фильтра. Аналогично мгновенные значения фазных токов фильтра Ф2 имеют вид

где  мгновенные значения фазных токов нагрузки Н2 и головных участков линий, отходящих от РЩ, соответственно.
Программа PSpice среди прочих содержит в библиотеке моделей электрических компонентов модель аналогового компонента «источник тока, управляемый током». Подключив на рабочем поле построения модели данные компоненты к интересующим нас нагрузочным узлам схемы замещения сети НН и описав их (компоненты) соответствующим образом, можно реализовать выражения (5.20) и (5.21). Таким образом, мы получаем имитационную модель фильтрации токов высших гармоник для трехфазных четырехпроводных сетей с помощью фильтров токов гармоник нулевой последовательности.
Следует отметить, что входное сопротивление нулевой последовательности рассматриваемого фильтра, составленного из идеальных элементов, равно нулю, что при моделировании соответствует к = 1. Однако, на практике элементы фильтра с электромагнитными связями обладают активными сопротивлениями обмоток и сопротивлением рассеяния, т.е. 1. Опыт разработки и эксплуатации корректирующих устройств для снижения несимметрии в сетях НН показывает, что практически сопротивление нулевой последовательности КУ, в основном, определяется омическим сопротивлением обмоток. Тогда, учитывая, что, как правило, для осуществления эффективной фильтрации указанное сопротивление должно составлять около 10 % сопротивления нулевой последовательности сети, примем при моделировании к = 0,9.

Для иллюстрации возможностей предложенной модели проведем расчет искажения синусоидальности кривых токов и напряжений для базового варианта схемы замещения сети НН (см. параграф 3.3) при подключении фильтра в нагрузочном узле РЩ. Во-первых, необходимо сказать о влиянии неидеальности фильтра на эффективность фильтрации. Следует отметить, что, фильтруя токи гармоник, кратных трем, устройство влияет на форму кривых напряжений на зажимах нелинейных электроприемников. При этом изменяется режим работы выпрямителей, которые определяют нелинейность нагрузки, что приводит к изменению формы кривых токов и, соответственно, значению их высших гармоник. В результате в идеальном режиме, k= 1, при снижении токов внешней и внутренней питающей (стояков) сети гармоник, кратных трем, уровень соответствующих токов пятой, седьмой, одиннадцатой, тринадцатой гармоник увеличивается в 2 и более раз. По сравнению с идеальным режимом при к= 0,9 происходит не только предсказуемое увеличение токов гармоник, кратных трем, но и одновременное уменьшение токов остальных гармоник. Поэтому не происходит ожидаемое ощутимое увеличение несинусоидальности фазных напряжений и соответствующее снижение эффективности фильтрации из-за неидеальности фильтра. Даже при уменьшении к до 0,8 эффективность фильтрации снижается незначительно, если оценивать ее интегрально по значению искажений синусоидальности кривых фазных напряжений в характерных нагрузочных узлах сети.
Во-вторых, при подключении фильтра токов гармоник, кратных трем, наблюдается значительное снижение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Ки в характерных узлах сети. Если в рассматриваемом варианте сети НН без подключения устройств обеспечения ЭМС значение Ки на ГРЩ Кт = 7,38 %, на РЩ групповой сети Кт = 7,96 %, в розетках ближней комнаты Кт = 8,60 %, в розетках дальней комнаты Кт = = 8,62 %, то в результате фильтрации токов гармоник, кратных трем, эти значения составляют соответственно 2,74; 2,89; 3,48; 3,52 %. Очевидно, что данные значения в полной мере соответствуют требованиям ГОСТ 13109—97.
В-третьих, в результате подключения фильтра за счет изменения форм кривых токов и напряжений происходит перераспределение токов высших гармоник по элементам сети НН, что приводит в случае его подключения в узле РЩ к некоторому увеличению токов высших гармоник в линиях групповой сети. По этой причине в рассматриваемом варианте сети значение коэффициента искажения синусоидальности кривой тока головного участка линии питания розеток увеличилось от 29,54 до 39,08 %.

В заключение, в результате расчетов можно получить значение фазного тока фильтра (в рассматриваемом случае его действующее значение равно 12,7 А) и оценить его с точки зрения нормальности режима функционирования и определения установленной мощности реального устройства.
Таким образом, с учетом показанных возможностей модели можно провести анализ эффективности фильтра в любом другом варианте схемы замещения. При этом предложенная имитационная модель фильтрации высших гармоник позволяет получить результаты, с помощью которых можно определить оптимальные места установки, оценить эффективность фильтров данного типа в различных вариантах исполнения, состава электроприемников и нагрузочных режимов, а также разработать рекомендации по их применению в сетях НН.



 
« Ведение оперативной документации на подстанциях   Защита шин 6-10 кВ »
электрические сети