Глава пятая
СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ
ВЫСШИХ ГАРМОНИК В НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
Средства снижения уровня высших гармоник в сетях низкого напряжения
В результате исследований, проведенных в настоящей работе, установлено, что в трехфазных четырехпроводных сетях при доле нелинейной нагрузки а, менее 12 % уже нарушаются требования ГОСТ 13109—97 к напряжениям высших гармоник. Для сравнения, анализ аналогичных результатов, полученных для трехпроводных сетей, показывает, что доля потребляемой преобразователями мощности не должна превышать 20—30 % мощности генератора (трансформатора) для обеспечения допустимых параметров КЭ [141, 208].
Для повышения суммарной установленной мощности нелинейной нагрузки сети НН при одновременном соблюдении требований к КЭ и обеспечении ЭМС электропотребителей необходимо выполнение ряда дополнительных мероприятий, которые более подробно рассмотрены ниже. При этом предлагается рассматриваемые мероприятия по уменьшению отрицательного влияния высших гармоник разделить на две группы.
- Изменение условий распространения токов высших гармоник.
- Минимизация уровня высших гармоник, генерируемых каждым электроприемником.
К первой группе, в первую очередь, относятся различные организационно-технические мероприятия. Например, в трехпроводных сетях применяется выделение нелинейной нагрузки на отдельные секции шин, электрическое удаление источника гармоник от шин системы путем увеличения сопротивления рассеивания выпрямительного трансформатора или включения дополнительных реакторов [24, 81] и т. д. В сетях НН одним из подобных методов решения проблемы роста уровня высших гармоник могут стать мероприятия (см. четвертую главу), направленные на снижение эквивалентного сопротивления нулевой последовательности сети.
Однако в условиях эксплуатируемой электрической сети объекта осуществлять такие мероприятия весьма затруднительно. Поэтому возникает необходимость в установке дополнительных технических средств снижения уровня высших гармоник в уже эксплуатируемую сеть.
При этом известно много способов, позволяющих понизить уровень гармоник тока [53, 94, 165]. Они могут быть разделены на пассивные и активные методы подавления гармоник с применением соответствующих корректирующих устройств. Это в основном различные пассивные и активные фильтры [53, 94].
Наибольшее распространение в низковольтных и высоковольтных сетях получили в настоящее время так называемые силовые резонансные фильтры [62, 145]. Эти фильтры обычно состоят из реакторов и конденсаторов, соединенных последовательно, параметры которых подбираются так, чтобы для выбранных частот выполнялся резонанс напряжений. Резонансный контур напряжения, как правило, выполняет двойную функцию [32, 57]. Во-первых, он генерирует на основной частоте реактивную мощность, что позволяет улучшить коэффициент мощности, во-вторых, — частично шунтирует высшие гармоники, на частоту которых он настроен. Следует отметить, что в настоящее время фильтры гармоник собираются также на базе батарей конденсаторов симметрирующих устройств. Такие фильтросимметрирующие устройства наряду со снижением несинусоидальности осуществляют симметрирование напряжений сети [52].
Главной особенностью применения фильтров высших гармоник в сетях НН является необходимость учета активных сопротивлений всего электрооборудования, подключенного к сети 0,38 кВ, соотношение эквивалентного реактивного и активного сопротивлений которой более, чем на порядок меньше соответствующего значения для сетей напряжением выше 1000 В. Как показали проведенные авторами статьи [55] расчеты, неучет активных сопротивлений сетей 0,38 кВ приводит к погрешностям в определении коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения, достигающим в ряде случаев 50 %. В результате проведенных исследований было определено, что эффективность работы фильтра в сетях НН в значительной степени зависит от активного сопротивления его цепи. При этом значения соотношений активного сопротивления фильтра и питающей сети с нагрузкой накладывают ограничения на области целесообразного применения фильтров высших гармоник в сетях НН.
Пассивные фильтры обладают рядом серьезных недостатков, таких, как паразитное активное сопротивление; технологический разброс значения емкости конденсатора и индуктивности реактора фильтра, а также изменение их значений в процессе эксплуатации и негативное влияние на переходные процессы в сети. Поэтому их использование часто не дает желаемого эффекта [183].
В связи с этим представляет несомненный интерес информация о совместной разработке Института электродинамики НАН Украины и канадской компании «MIRUS Int. Corporation». В работе [26] сообщается о создании «Universal Harmonic Mitigator (UHM)», представляющего собой пассивную трехфазную электрическую цепь, эффективно снижающую уровень гармоник, генерируемых в сеть выпрямителями, в частности, систем регулируемого электропривода. В ряде случаев, когда имеется большое количество однотипных нагрузок (например, персональных компьютеров), которые можно распределить равномерно между фазами питающего трансформатора, подавление высших гармоник можно осуществить, используя принцип сдвига по фазе гармоник в различных вторичных обмотках специального трансформатора в целях их взаимного уничтожения [199]. Обобщению теории и практики таких устройств подавления высших гармоник тока и принципов их построения посвящена работа [126].
Следует отметить, что главная особенность современных фильтров — это их многофункциональность, т.е. позитивное воздействие на несколько параметров КЭ систем электроснабжения [144, 167, 186]. Так, фильтрокомпенсирующие устройства на базе простых режекторных или сложных комбинированных фильтров обеспечивают фильтрацию высших гармоник и компенсацию реактивной мощности. Еще более широкими возможностями обладают активные и гибридные фильтры.
Применение силовых активных фильтров [59, 78, 110, 143, 144, 146] позволяет устранить недостатки, характерные для резонансных фильтров. Силовой активный фильтр представляет собой дополнительный источник токов высших гармоник, равных по амплитудному значению и противоположных по фазе токам высших гармоник нелинейной нагрузки. При этом активный фильтр подключается к узлам питающей сети параллельно нелинейной нагрузке и осуществляет компенсацию генерируемых ею токов высших гармоник. Одновременно происходит компенсация мощности искажения, определяемой высшими гармониками нелинейной нагрузки, поэтому подобные устройства часто называют компенсаторами или корректорами мощности искажения.
Основные типы активных корректоров искажений рассмотрены в обзоре [186]. Отметим, что к 1990 г. XX века, когда был сделан этот обзор, работы находились на стадии экспериментальных образцов и не вышли за пределы научных лабораторий.
В настоящее время только в США эти устройства находятся в номенклатуре около 200 промышленных компаний. Необходимо указать, что в отличие от резонансных фильтров силовые активные фильтры позволяют:
- производить одновременную компенсацию нескольких высших гармоник, что приводит к существенному улучшению массогабаритных показателей аппаратуры;
- осуществлять эффективную компенсацию высших гармоник независимо от колебаний их амплитуд и частот, при этом не требуется дополнительная подстройка элементов фильтра;
- наращивать мощность компенсации до требуемого уровня за счет параллельного подключения идентичных активных фильтров.
Вместе с тем при использовании активных фильтров необходимо учитывать, что их применение наряду со значительным ослаблением амплитуд высших гармоник расширяет их частотный спектр за счет гармоник, генерируемых самим корректором. Как правило, для ослабления этих гармоник достаточно включить небольшую емкость параллельно его входу, однако в некоторых случаях требуется применение более сложных фильтров радиопомех.
Кроме того, поскольку резонансные явления в системе возникают на одной или нескольких частотах, то необходимость фильтрации во всем диапазоне, возможная при использовании активных фильтров-преобразователей с импульсной модуляцией, позволяющих реализовывать управляемые по требуемому закону источники тока или источники напряжения, отсутствует. Поэтому установка активного фильтра в этом случае экономически нецелесообразна. Таким образом, для устранения резонансных явлений в СЭС наиболее перспективным является использование так называемых гибридных фильтров. При этом гибридный фильтр представляет собой комбинацию пассивного и активного фильтра, тем самым, объединяя их преимущества — высокое качество фильтрации и невысокую стоимость [142, 207].
Очевидно, что все рассмотренные фильтрующие устройства представляют собой дополнительное оборудование по обеспечению КЭ (с дополнительными капитальными вложениями, потерями электроэнергии, эксплуатационными затратами и т.д.). Поэтому в ряде случаев их применение с экономической точки зрения оказывается нецелесообразным, так как затраты на их установку и эксплуатацию могут превышать убытки от понижения КЭ. Следовательно, одним из наиболее перспективных путей решения проблемы высших гармоник является метод, не связанный с применением дополнительных устройств. При таком подходе положительный эффект достигается за счет совершенствования схемотехнических решений и конструкции нелинейных нагрузок электрических сетей. В первую очередь это относится к устройствам преобразовательной техники, которые, как известно, являются главным источником высших гармоник в современных СЭС. Поэтому совершенствование принципов их построения с точки зрения решения проблемы улучшения ЭМС потребителей с питающей сетью является актуальной научно- технической задачей. При этом осуществляется минимизация уровня высших гармоник, генерируемых каждым электроприемником, что относится ко второй группе мероприятий по уменьшению отрицательного влияния высших гармоник.
Нетрудно понять, что лучше устранять причины появления высших гармоник, чем бороться с их последствиями. Существует технология преобразования параметров электроэнергии, которая не вызывает искажений. Суть этой технологии заключается во введении индуктивности во входную цепь источника электропитания и принудительном формировании кривой потребляемого от сети тока, совпадающего по фазе и форме с питающим напряжением. В середине 80-х годов XX века работы по созданию подобных источников электропитания проводились практически во всех промышленно развитых странах [173, 196, 202, 213, 214, 218, 219]. Отметим, что в Украине подобные работы проводятся с 1984 г. в Институте электродинамики НАН Украины и были начаты по инициативе академика А.К. Шидловского [114, 132, 133, 138, 160]. В результате проведения этих работ были созданы выпрямители, у которых коэффициент искажения синусоидальности кривой потребляемого тока находится в пределах 2—3 %, чем достигается практически идеальная ЭМС преобразователя с питающей сетью [160].
Очевидно, что исключение «искажающих» энергопотребителей, генерирующих реактивную мощность и высшие гармоники, является наиболее перспективным направлением повышения КЭ в электрических сетях.
Технически это возможно осуществить за счет широкого использования выпрямителей с принудительным формированием кривой входного тока (с улучшенной ЭМС). По экономическим показателям такие выпрямители не дороже любых других стабилизированных выпрямителей. Однако реальная ситуация, существующая в распределительных сетях НН, далека от совершенства. Несмотря на все ограничения и запреты, устанавливаемые действующими стандартами, найдется тысяча причин, по которым уже разработанные «искажающие» потребители нецелесообразно модернизировать и необходимо продолжать эксплуатировать.
Поэтому в электрических сетях пока осуществляются выборочные мероприятия по снижению уровня высших гармоник с применением дополнительных технических средств. При этом известно, что для электроснабжения наиболее чувствительного к снижению КЭ электронного оборудования (вычислительные комплексы, автоматизированные системы управления, телевизионные комплексы, цифровые датчики и т. п.) в ряде случаев применяют источники бесперебойного питания (ИБП). Очевидно, что подобные устройства комплексно решают задачи обеспечения ЭМС в сети, но их применение не всегда оправдано по экономическим соображениям (цена наиболее совершенных ИБП составляет примерно 500—700 дол. за 1 кВт установленной мощности). В связи с этим в низковольтных сетях с нелинейными электроприемниками целесообразно применение современных фильтрующих устройств, осуществляющих эффективную фильтрацию высших гармоник в широком спектре частот. Одним из преимуществ данных устройств, например, по сравнению с преобразователями с улучшенной ЭМС является то, что их установку можно как предусмотреть на этапе проектирования, так и осуществить при строительстве или во время эксплуатации электрической сети здания.
В заключение следует отметить, что рекомендации по использованию способов и средств обеспечения ЭМС должны базироваться на анализе процессов в электрической сети конкретного объекта. При этом практический интерес представляют анализ эффективности применения технических средств повышения КЭ и разработка научно обоснованных рекомендаций по организации самой распределительной сети НН.
