Аннотация
Ю. В. Шевырёв Повышение качества электрической энергии в сетях с полупроводниковыми преобразователями. Рассмотрены основные средства, улучшающие качество электроэнергии в электрических сетях с полупроводниковыми преобразователями. Показано влияние на качество электроэнергии управляемых выпрямителей и преобразователей частоты. Приведены основные положения по выбору фильтрокомпенсирующего устройства.
Электроэнергия – это продукт производства, и как всякий продукт он должен обладать определённым качеством. Однако применение нелинейных потребителей обострило проблему качества электроэнергии в связи с искажением синусоидальной формы напряжения сети и ухудшения коэффициента мощности потребителей. Страны Европейского Союза (ЕС), например, от некачественного электроснабжения теряют в год около 10 млрд евро [1].
К потребителям, ухудшающим синусоидальную форму напряжения сети и коэффициент мощности, относятся электротехнические комплексы (ЭТК) многих объектов, которые характеризуются применением регулируемых электроприводов с полупроводниковыми преобразователями. Распространённым типом преобразователей, оказывающих существенное влияние на показатели качества электроэнергии систем электроснабжения, являются выпрямители. Выпрямители применяются для питания электродвигателей постоянного тока, используются в качестве звена постоянного тока преобразователей частоты при регулировании скорости электродвигателей переменного тока. Поэтому решение проблемы повышения энергетических показателей полупроводниковых преобразователей во многом зависит от методов и средств, применяемых для уменьшения отрицательного воздействия выпрямителей на питающую сеть [2].
Искажение напряжения сети, ухудшая качество электроэнергии, приводит к ряду нежелательных воздействий на потребителей и на работу самой системы электроснабжения. Это проявляется в увеличении потерь электроэнергии в электрооборудовании, сокращении срока службы электроприёмников за счёт дополнительного старения изоляции, увеличении погрешности электроизмерительных приборов, ухудшении работы систем автоматики, телемеханики и связи и т. п.
Увеличение потребления реактивной мощности приводит к возрастанию потерь в питающей сети, дополнительным отклонениям и колебаниям напряжения сети. При значительных отклонениях напряжения происходит срабатывание релейной защиты и отключение электрооборудования, что приводит к нарушению технологических процессов, сокращению выпуска продукции и потерям сырья.
Искажения синусоидальной формы напряжения сети, возрастание потребления реактивной мощности особенно ощутимы, когда полупроводниковый преобразователь питается от сети, мощность которой соизмерима с мощностью, потребляемой преобразователем.
Для оценки влияния регулируемого электропривода с полупроводниковым преобразователем на систему электроснабжения используются такие показатели качества электроэнергии ПКЭ, как отклонение напряжения и коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения [3].
Распространены три основные группы методов повышения качества электроэнергии [4]. В первую группу входят методы, основанные на рациональном построении схемы электроснабжения. Методы второй группы направлены на совершенствование самих потребителей. Третья группа предполагает использования регуляторов одного или нескольких показателей качества электроэнергии.
Наиболее экономически предпочтительной сегодня является третья группа методов, так как изменение структуры сети или обновление всех потребителей приведет к значительным затратам. В то же время проектирование новых сетей и преобразовательных устройств необходимо вести с учетом современных требований к качеству электроэнергии.
Одним из основных вопросов, решаемых при проектировании электроприводов с полупроводниковыми преобразователями, является вопрос о компенсации реактивной мощности, включающий расчёт реактивной мощности преобразователя, расчёт и выбор компенсирующих устройств, их регулирование и размещение. Основной целью автоматического регулирования реактивной мощности в распределительных сетях является обеспечение такого показателя качества электроэнергии у потребителей, как уровень напряжения при минимуме потерь в сетях.
Применение полупроводниковых преобразователей вызывает увеличение потребления реактивной мощности, генерацию токов высших гармоник и искажение формы питающего напряжения. Не синусоидальность напряжения и тока усложняет проблему компенсации реактивной мощности.
Строгое определение реактивной мощности имеется только для случая, когда токи и напряжения в цепях синусоидальны по форме. Понятие реактивной мощности при несинусоидальных режимах в течение многих лет является предметом научных дискуссий [5]. Многие авторы рекомендуют при практических расчётах под реактивной мощностью понимать реактивную мощность по основной гармонике, которую и следует компенсировать. Одновременно необходимо осуществлять фильтрацию высших гармоник [5].
В сетях с повышенным содержанием высших гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками, применение обычных средств компенсации реактивной мощности, рассчитанных на синусоидальные токи и напряжения, наталкивается на серьёзные технические трудности. В частности, применяемые для компенсации реактивной мощности конденсаторные батареи изменяют частотные характеристики систем и способствуют возникновению параллельного резонанса токов на частотах до 1000 Гц. Это в свою очередь приводит к дополнительному искажению формы напряжения сети и аварийным повреждениям конденсаторных батарей. Поэтому установка конденсаторных батарей в системах электроснабжения при наличии полупроводниковых преобразователей может оказаться недопустимой. В связи с этим в сетях с полупроводниковыми преобразователями применяются фильтро компенсирующие устройства (ФКУ), которые обеспечивают одновременно компенсацию реактивной мощности основной частоты и фильтрацию высших гармонических.
Основным средством улучшения качества электроэнергии в системе электроснабжения, содержащей электроприводы с полупроводниковыми преобразователями, является применение ФКУ.
В тех случаях, когда по условиям требований обеспечения качества напряжения требуется регулирование реактивной мощности, возможны два варианта схем ФКУ:
- ФКУ со ступенчатым регулированием реактивной мощности (ФКУ-С), содержащее несколько конденсаторно-реакторных групп (ступеней), включаемых в работу путем автоматического или ручного управления;
- ФКУ с непрерывным «косвенным» регулированием реактивной мощности (ФКУ-К), содержащее постоянно подключенную к сети фильтро-конденсаторную группу (ФКГ) и параллельно включенный управляемый регулятор реактивной мощности.
Опытные устройства ФКУ-К с тиристорно-реакторной регулирующей группой проходили промышленные испытания на крупном карьерном экскаваторе ЭКГ-20. Такие системы используются на современных буровых установках. Их применение обеспечило нормальную работу буровых установок при питании от «слабых» линий электропередач до 9–11 км, что превышает общепринятые в настоящее время нормы (6–8 км) [6, 7]. Некоторые предположительные недостатки ФКУ-К (потери в тиристорной регулирующей группе ТРГ и дополнительные искажения напряжения) в количественном отношении несущественны и поэтому практически не должны являться препятствием для применения.
Перспективным средством улучшения качества электроэнергии являются активные силовые фильтры. Регулирование напряжения в таких преобразователях осуществляется методами широтноимпульсной модуляции. Это позволяет работать как в режиме генерирования реактивной мощности, так и в режиме её потребления. Кроме того, при соответствующем законе управления, они позволяют генерировать высшие гармоники тока в противофазе с высшими гармониками вентильных преобразователей и тем самым осуществлять фильтрацию высших гармоник преобразователя.
Принято считать, что одно из преимуществ частотнорегулируемого электропривода перед тиристорным электроприводом постоянного тока заключается в возможности поддержания коэффициента мощности близкого к 1. Тем самым делается вывод, что применение частотно-регулируемого электропривода может позволить обойтись без ФКУ. Однако в ряде случаев для получения нормативных ПКЭ также необходимо применение ФКУ.
Для подтверждения сказанного, по методике, изложенной в [7], проведено сравнение энергетических показателей ЭТК буровых установок с электроприводом переменного тока и с электроприводом постоянного тока для одинаковых режимов работы электроприводов и отсутствии ФКУ.
Расчёты проводились на вводе питания 6 кВ в буровую установку, на стороне высокого напряжения преобразовательного трансформатора, от которого получают питание электроприводы. Режим работы электроприводов – турбинное бурение.
На рисунке приведены графики функций расчётных параметров от длины линии L: отклонение напряжения от номинального δU и коэффициент искажения синусоидальности напряжения сети KU на вводе буровой установки.
Анализ полученных графиков позволяет сделать вывод, что при длине линии больше 6–7 км отклонение напряжения при работе частотно-регулируемого электропривода превышает предельно допустимое значение 10%. Коэффициент искажения синусоидальной формы напряжения сети превышает нормально допустимое значение 5%.
Следовательно, для обеспечения работоспособности буровой установки с частотно-регулируемым электроприводом переменного тока при питании от существующих маломощных линий 6 кВ длиной до 10–12 км необходимо применение ФКУ, также как и в случае электропривода постоянного тока.
При произвольном выборе параметров элементов ЭТК из-за наличия конденсаторов на стороне переменного тока возможно возникновение резонанса токов на высших гармониках. Это приводит к значительному искажению формы напряжения сети. Тем самым нормальная работа электроприводов и другого электрооборудования становится невозможной.
Усиление гармоник тока и напряжения в питающей сети происходит при совпадении резонансной частоты системы с частотой одной из гармоник тока, генерируемых преобразователем, происходит.
Влияние на качество электроэнергии тиристорного электропривода постоянного тока (ТП-ДПТ) и частотно-регулируемого асинхронного электропривода (ПЧN-АД): а) отклонение напряжения от номинального ΔU; б) коэффициент искажения синусоидальности напряжения сети KU.
Настройка ступеней ФКУ на фильтрацию начального спектра канонических высших гармоник исключает возникновение опасных резонансных режимов.
Выбор ФКУ должен осуществляться на основе расчёта ПКЭ в точке присоединения преобразователя к сети с учётом взаимозависимости работы всех элементов системы электроснабжения. Только такой подход позволит выбрать ФКУ, которое обеспечит требуемое качество электро-энергии при минимальных стоимости и массогабаритных показателях.
При проектировании ФКУ следует иметь в виду, что необходимость полного снижения уровней гармоник практически отсутствует; достаточно снизить их до предела, определяемого техническими требованиями, например до значения, допустимого согласно ГОСТ 13109–97.
В связи с тем, что расчет режимов и нахождение параметров ФКУ представляет собой сложную многофакторную задачу, при практических разработках целесообразно проводить исследования систем электропривода с ФКУ в два этапа [6].
На первом этапе, на основе упрощенных расчетов и инженерных соображений, выбираются один-два типовых режима, наиболее тяжелых по отклонению напряжения питания на вводе установки, реактивной мощности и коэффициента искажения синусоидальности напряжения, и для них предварительно выбираются параметры ФКУ.
На втором этапе на ЭВМ выполняются точные расчеты для каждого типового режима работы электроприводов по всем интересующим энергетическим показателям. В случае неудовлетворительного результата следует скорректировать параметры ФКУ и выполнить повторные расчеты, которые требуют уже небольших затрат времени.
Список использованной литературы
1. Чэпмэн Д. Цена низкого качества электроэнергии. // Энергосбережение. – 2004 – № 1. – с. 66 – 69.
2. Добрусин Л. А. Фильтрокомпенсирующие устройства для преобразовательной техники. – М.: НТФ «Энергопрогресс», 2003. – 84 с.
3. ГОСТ 13109–97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
4. Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В. Современные методы улучшения качества электроэнергии.// Электротехника. – 1998. – № З. – с. 10 – 17.
5. Солодухо Я. Ю. Тенденции компенсации реактивной мощности. Ч.1. Реактивная мощность при несинусоидальных режимах работы. – М.: Информэлектро, 1987. – 50 с.
6. Парфёнов Б. М., Шевырёв Ю. В. Статические режимы фильтрокомпенсирующих устройств в системах электропривода соизмеримой мощности// Автоматизированный электропривод. Сб. науч. тр. ОАО «Электропривод» – М.: 2002. – с. 134 – 153.
7. Шевырёв Ю. В. Методы моделирования и повышения электроэнергетических показателей электротехнических комплексов буровых установок. – М.: Московский государственный геологоразведочный университет, 2005. – 177 с.