Способы и средства уменьшения высших гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения.

Способы снижения несинусоидальности напряжения можно разделить на три группы:

а) схемные решения:

— выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин;

— рассредоточение нагрузок по различным узлам СЭС с подключением параллельно им электродвигателей;

— подключение нагрузки к системе с большей мощностью S_КЗ.

б) использование фильтровых устройств:

— включение параллельно нагрузке узкополосных резонансных фильтров;

— включение фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ);

— применение фильтросимметрирующие устройств (ФСУ);

— применение ИРМ, содержащих ФКУ.

в) применение специального оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник; например многофазных преобразователей с улучшенными энергетическими показателями.

Выделение нелинейных нагрузок на отдельную секцию шин электрически удаляет чувствительные к внешним гармоникам потребители от источников гармоник и уровни напряжений высших гармоник U_n на зажимах этих потребителей снижается.

Рассредоточение нелинейных потребителей по различным узлам электрической сети, приводит к уменьшению их мощности в узлах и тем самым уровней U_n.

Типовая схема выполнения силового резонансного фильтра и его частотные характеристики приведены на рис. 5.1. ω

Рис. 5.1 – Схема замещения силового резонансного фильтра (а) и его частотные характеристики (б)

Известно, что сопротивление фильтра X_ф на частоте ω равно

При X _L=X_C или ωL =1/ ωC на частоте ω наступает резонанс напряжений, означающий что сопротивление фильтра для гармонической составляющей напряжения с частотой ω равно нулю. При этом гармонические составляющие с частой ω будут поглощаться фильтром и не проникать в сеть. На этом явлении основан принцип построения резонансных фильтров.

В сетях с нелинейными нагрузками возникают, как правило, гармоники канонического ряда, порядковый номер которых n =3, 5, 7…. Уровни гармоник с таким порядковым номером, как правило, убывают с увеличением частоты. Поэтому на практике применяют цепочки из параллельно включенных фильтров, настроенных на 3-ю, 5-ю, 7-ю и 11-ю гармоники. Такие устройства называют узкополосными резонансными фильтрами.

Учитывая, что X _{L n} = X _L· n, X _{С n} = X _С/ n, где X _L и X _C – сопротивление реактора и КБ на основной частоте, а так же выражение (5.1), получаем

 

Такой фильтр будет генерировать реактивную мощность на частоте 50 Гц помимо фильтрации высшей гармоники и компенсировать потери мощности в сети и напряжения, поэтому такие устройства носят название фильтрокомпенсирующих.

Фильтросимметрирующие устройства помимо фильтрации высших гармоник выполняют функции симметрирования напряжения. Конструктивно ФСУ представляют собой несимметричный фильтр, который подключается на линейное напряжение сети.

Выбор линейных напряжений, на которые подключаются фильтрующие цепи ФСУ, а также соотношения мощностей конденсаторов, включенных в фазы фильтра, определяются условиями симметрирования напряжения.

Из вышесказанного следует, что устройства типа ФКУ и ФСУ воздействуют одновременно на несколько показателей качества электрической энергии (несинусоидальность, несимметрия, отклонение напряжения). Такие устройства получили название многофункциональных устройств повышения качества электрической энергии.

Целесообразность в разработке таких устройств возникла в связи с тем, что резкопеременные нагрузки типа ДСП вызывают одновременное искажение напряжения по ряду показателей. Применение многофункциональных устройств позволяет комплексно решать проблему обеспечения качества электроэнергии, т. е. по нескольким показателям. К категории таких устройств относятся быстродействующие статические ИРМ. По принципу регулирования реактивной мощности ИРМ можно разделить па две группы: ИРМ прямой компенсации; ИМР косвенной компенсации. Структуры ИРМ соответственно представлены на рис. 5.2.

Такие устройства, обладая высоким быстродействием, позволяют снижать колебания напряжения. Пофазное регулирование и наличие фильтров обеспечивают симметрирование и снижение уровней высших гармоник.

На рис. 5.2 а «управляемым» источником реактивно мощности является коммутируемая с помощью тиристоров конденсаторная батарея. Батарея имеет несколько секции и позволяет дискретно изменять генерируемую реактивную мощность. На рисунке 5.2 б мощность ИРМ меняется с помощью регулирования реактора. При таком способе управления реактор потребляет избыток реактивной мощности, генерируемой фильтрации, поэтому способ носит название косвенной компенсации.

 

Рис. 5.2 – Структурные схемы многофункциональных ИРМ прямой (а) и косвенной (б) компенсации

Косвенная компенсация имеет два основных недостатка: поглощение избытка мощности вызывает дополнительные потери; изменение мощности реактора с помощью угла управления вентилей приводит к дополнительной генерации высших гармоник.

К специальному оборудованию, имеющему улучшенные энергетические показатели следует отнести при меньше 12-фазных преобразователей вместо 6-фазных. Шестифазные преобразователи генерируют в сеть следующие канонические гармоники: 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 и т.д. Двенадцатифазные преобразователи генерируют в сеть гармоники: 11, 13, 23, 25 и т.д. То есть количество генерируемых в сеть гармоник уменьшается в два раза. При этом несинусоидальность напряжения сети уменьшается примерно в 2 раз.

Эффективным способом снижения уровней высших гармоник тока и напряжения является применение двенадцатифазного эквивалентного режима работы преобразователей, (рис. 5.3).

Рис. 5.3 – Схема с двенадцатифазными преобразователями

Поясним принцип создания многофазного эквивалентного режима работы преобразователей на примере образования 12-фазного эквивалентного режима. Этот режим может быть осуществлен на базе двух одинаковых 6-фазных преобразователей при соединении сетевой обмотки одного трансформатора в звезду, а другого — в треугольник или путем применения специального трансформатора, имеющего два магнитопровода, размещенных в одном баке. На одном магнитопроводе сетевая обмотка соединяется в звезду, на другом - в треугольник. Векторы одноименных фазных напряжений вторичных обмоток трансформаторов преобразователей оказываются сдвинутыми при этом на 30⁰. Это приводит в свою очередь к сдвигу фаз гармоник порядков n = 6 (2k ± 1) ± 1 линейных токов преобразователей на 180°, а гармоник порядков n = 12k ± 1 — на 360°.

При условном 12-фазном режиме выпрямления в отличие от безусловного режима в первичных обмотках трансформаторов обоих агрегатов гармоники порядков n = 6 (2 ± 1) ± 1 (n = 5; 7; 17; 19) имеются, но, если агрегаты питаются от общих шин переменного тока, в питающую сеть не проникают, а циркулируют между первичными обмотками анодных трансформаторов. Таким образом, условный 12-фазный режим эквивалентен безусловному лишь по воздействию на питающую сеть.

Недостатком эквивалентного многофазного режима работы преобразователей является зависимость его эффективности от графиков нагрузки преобразователей. Наибольший эффект имеет место при одинаковых графиках нагрузки обоих преобразователей и работе их с одинаковыми углами регулирования и коммутации. Эти условия легко выполняются при параллельной работе преобразователей на стороне выпрямленного напряжения. Рассмотренный способ снижения уровней высших гармоник нашел широкое распространение.

За рубежом для мощных преобразовательных подстанций с большим числом вентильных агрегатов применяются эквивалентные многофазные режимы с числом фаз выпрямления, значительно превышающим 12 при 6-фазном режиме выпрямления каждого агрегата. Такие режимы возможны как за счет использования описанного выше соединения обмоток для получения 12-фазного режима выпрямления, так и за счет дополнительного сдвига токов одноименных фаз различных агрегатов с помощью специальных фазоповоротных трансформаторов или соединением в зигзаг обмоток регулировочных автотрансформаторов, включенных перед анодным трансформатором агрегатов. В результате этого векторы фазных напряжений всех N агрегатов подстанции образуют симметричную звезду с числом лучей, равным 6N, и сдвигом между векторами напряжения на угол 360⁰ / N, а вся выпрямительная установка в целом будет работать в этом случае при 6N -фазном эквивалентном режиме.