Ю О Варецький, Т І Наконечний - Особливості вибору силових фільтрів для систем електропостачання змінних нелінійних навантажень - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 621.316.761.2

Ю.О. Варецький, Т.І. Наконечний

Національний університет "Львівська політехніка",

кафедра ЕСМ

ОСОБЛИВОСТІ ВИБОРУ СИЛОВИХ ФІЛЬТРІВ ДЛЯ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ЗМІННИХ НЕЛІНІЙНИХ НАВАНТАЖЕНЬ

© Варецький Ю.О., Наконечний Т.І., 2008

Розглянуто особливості вибору фільтро-компенсувальних пристроїв у системах електропостачання змінних нелінійних навантажень на прикладі системи електро­постачання з частотно-регульованими електроприводами. Обґрунтовано необхідність врахування можливих відхилень параметрів фільтрів від номінальних під час проектування та вибору фільтро-компенсувальних пристроїв.

The paper describes the peculiarities of multiply filters and capacitor selecting procedure for industrial power systems supplying nonlinear time-varying loads by example of power system consisting of variable speed drives. Necessity of considering possible variation of filter parameters at the time of design of multiply filters is shown.

Постановка проблеми. Останніми роками вищі гармоніки в електричних мережах привер­тають до себе все більшу увагу. Це пов'язано з тим, що частка споживачів з нелінійними навантаженнями у живильних мережах постійно зростає. Значною мірою це обумовлено стрімким розвитком напівпровідникової техніки та істотною економічною вигодою від її застосування як у промисловій, так і у комунальній сферах. З іншого боку, практично всі електричні мережі характе­ризуються постійними змінами навантаження, такі зміни можуть мати як добовий чи сезонний характер, так і випадковий, тобто, залежати від потреб виробництва і змінюватись навіть кілька разів протягом хвилини. Якщо ж у такій системі електропостачання застосовують конденсатори для покращання коефіцієнта потужності, то без належного розгляду несинусоїдних режимів проблема гармонік може бути згубною навіть для силового обладнання: конденсаторів, трансформаторів чи двигунів.

Аналіз останніх досліджень. Норми якості електроенергії в системах електропостачання загального призначення [1] контролюють два показники стосовно гармонік - це Kv коефіцієнт спотворення синусоїдності кривої міжфазної (фазної) напруги та KUn - коефіцієнт nгармонічної складової напруги. Чинні норми встановлюють нормально і граничнодопустимі значення цих показників для різних класів напруг. Ці величини повинні бути зазначені в умовах з користування електричною енергією між енергопостачальною компанією і споживачем, де вказується також відповідальність сторін за їх порушення. Оцінку відповідності показників якості електроенергії вказаним нормам виконують протягом розрахункового періоду часу - 24 год. Найбільше значення коефіцієнта спотворення синусоїдності кривої напруги та коефіцієнта n-ї гармонічної складової напруги, що визначається протягом вищевказаного періоду часу, не повинно перевищувати встановленого граничнодопустимого значення, а визначене з 95 % імовірністю за цей самий період -нормально допустимого значення.

Незважаючи на те, що технологія виготовлення фільтрів постійно удосконалюється все ж існує відхилення параметрів конденсаторів та реакторів від номінальних значень [2]. Наслідком цього є розлаштування фільтрів. Наприклад, ємність конденсаторів може змінюватись у межах ±2 % від номінальної залежно від сезонних змін (зима - літо). Крім того, пов'язані з технологією виробництва відхилення параметрів оцінюються значеннями -5...+10 %. Отже, ймовірні результуючі зміни ємності конденсаторів є в межах

-7 % < AC/C < 12 % . (1)

Оскільки більшість реакторів виконується з повітряним сердечником, то їх індуктивність практично не залежить від температури навколишнього середовища. Проте є відхилення параметрів, пов'язане з технологією виробництва і переважно становить ±3 %.

-3% < AL/L < 3 % . (2) Окрім змін у номінальних параметрах фільтрів потрібно пам'ятати про можливі коливання частоти мережі, які переважно є в межах ±1 %.

\Aflf | < 1 % . (3) Якщо розглянути фільтр, налаштований на певну гармоніку, то відносну резонансну частоту можна обчислити за формулою

 

 

 

З (4) очевидно, що відносна резонансна частота налаштування фільтра hpe3 є функцією від частоти мережі f, індуктивності L та ємності C фільтра, і будь-які відхилення цих параметрів можуть змістити цю частоту. Можливі відхилення частоти налаштування фільтра щодо бажаного значення порядку налаштування h можна отримати, підставивши рівняння   (1)-(3) в (4):

11

h х------- ,             = £ h„a„ £ hx

1,01x71,03 х 1,12     рез          0,99х70,97 х 0,93 ' (5)

0,92 х h £ h    £ 1,06 х h .

Тобто, можливі відхилення частоти налаштування фільтрів перебувають в межах від -8 до +6 %. Підставивши у (5) значення бажаної резонансної частоти, отримуємо, що, наприклад, для 5-ї гармоніки можливе відхилення становить від 4,6 < 5 < 5,3, а для 7-ї гармоніки - 6,44 < 7 < 7,42.

Якщо коливаннями частоти в мережі знехтувати, то отримаємо дещо менші результуючі відхилення

11

h х---- ,             = £ h„a„ £ hx

1х,\ 1,03х 1,12     рез          1х^/0,97х0,93 ' (6)

0,93 х h £ hpe3 £ 1,05 х h.

Отже, під час проектування фільтрів обов'язково необхідно враховувати можливі відхилення параметрів конденсаторів та реакторів від номінальних значень, оскільки це може істотно вплинути на ефективність їх застосування.

Варто також зазначити, що вибір силових фільтрів для систем електропостачання змінних нелінійних навантажень з врахуванням відхилень параметрів від номінальних недостатньо окреслений у дослідженій літературі [2-5]. Тобто проблема вимагає додаткового вивчення.

Завдання дослідження. Завданням дослідження є обґрунтування підходів до вибору засобів компенсації реактивної потужності в системах електропостачання, що містять частотно-регульовані електроприводи (ЧРП). Зміна режимів роботи ЧРП спричиняє необхідність зміни реактивної потужності компенсувальних пристроїв, що накладає особливі вимоги до врахування змін несинусоїдності режиму. При тому необхідно також враховувати можливі відхилення параметрів фільтро-компенсувальних пристроїв від номінальних.

Опис системи електропостачання. Приклад аналізованої системи електропостачання пока­зано на рис. 1. Споживачі живляться від секції шин 6 кВ. Навантаженням секції шин 6 кВ є асинхронні двигуни, навантаження 0,4 кВ, що живиться від трансформатора 10МВА, та частотно регульовані електроприводи, які є джерелом гармонік у цій системі. З боку мережі частотно-регульовані приводи живляться від 12-пульсного перетворювача. Теоретичний спектр такого перетворювача - це гармоніки (12±1) порядку, проте, як зрозуміло з табл. 1, реально такі перетворювачі генерують також 5-ту та 7-му гармоніки.

Двигуни 6 кВ обладнано конденсаторними батареями сумарною потужністю 2,8 Мвар. Для компенсації реактивної потужності ЧРП передбачено компенсувальні пристрої (КП) потужністю

3,6 (2x1,8) Мвар. Режим роботи КП залежить від реактивної потужності ЧРП, що ускладнює проблему компенсації гармонік, оскільки у разі ввімкнення КП максимум частотної характеристики системи зміщується в бік 5-ї гармоніки, зумовлюючи її резонансне підсилення у мережі.

Мережа 110
-------
1------


110 кВ, 50 Гц, Бкз = 2370 МВА



',4    I                  ~7 ~7

І        1   І              J~ ' ' ' JL

Рнав= 2,0 МВт

]       ©        © ©

Речрп = 8 МВт

Рдвг = 3,6 МВт

Рис. 1. Досліджувана система електропостачання


Дослідження несинусоїдних режимів системи електропостачання. З метою дослідження несинусоїдних режимів системи електропостачання здійснено моделювання її частотних характеристик для можливих варіантів схем фільтро-компенсувальних пристроїв. Під час побудови заступної схеми системи електропостачання нелінійний споживач подають джерелом струму вищих гармонік, а параметри інших елементів враховують їх частотними характеристиками.

Схема розглядається окремо для кожної гармоніки зведенням опору мережі чи її ділянки щодо джерела гармонік. Заступна схема системи електропостачання показана на рис. 2. Тут усі опори та струми мають індекс n, що вказує на залежність їх величин від частоти.

Аналізуючи частотні характеристики системи електропостачання та використовуючи задані значення струмів гармонік ЧРП, можемо визначити коефіцієнти nгармонічної складової напруги та коефіцієнти спотворення синусоїдності кривої напруги для різних варіантів схем фільтро-компенсувальних пристроїв.

На рис. 3 зображено частотні характеристики досліджуваної системи електропостачання, які характеризують вплив увімкнення компенсувальних пристроїв .

Для кількісної оцінки несинусоїдного режиму визначимо показники якості електроенергії на шинах. Коефіцієнти nгармонічної складової напруги KUn обчислюють за формулою

U                 I7

-100 = -п--- - 100, (7)

ином

опір схеми, зведений до виводів

де Іп - струм п-ї гармоніки частотно-регульованого приводу; 7п ЧРП на частоті nгармоніки; ином - номінальна фазна напруга.

Коефіцієнт спотворення синусоїдності кривої напруги (KU) визначається за формулою

25

Z U


n


£(In 7n)2

Ku =


n=2

Uн


•100


n=2


Uн


•100.

 

 

In

Джерело гармонік


±


 

7nM6


Л 7-t1


7-s


7-с6


7-l

7-r Л


7-m0

7-c


13

Рис. 3. Частотна характеристика системи електропостачання: 1 - схема, без увімкнення КП; 2-схема з увімкненими компенсувальними пристроями потужністю 3,6 Мвар.

 

Результати розрахунку наведено в табл. 2. Отже, як бачимо з рис. 3 та табл. 2 у разі ввімкнення компенсувальних пристроїв на шини 6 кВ відбувається зміщення піка частотної характеристики в зону 5-ї гармоніки і, як наслідок, значне зростання коефіцієнта 5-ї гармонічної

складової напруги та коефіцієнта спотворення синусоїдності кривої напруги на шинах 6 кВ. Відповідно до [1] нормальнодопустимі значення цих показників для напруги 6 кВ не повинні перевищувати KU(5) < 4,0 % та KU < 5,0 %; граничнодопустимі значення відповідно становлять 6 % та 8 %. Тому зрозуміло, що для цієї системи електропостачання з використанням КП необхідно вживати заходи для зниження рівнів гармонік для покращання показників якості електроенергії відповідно до чинних норм. Тому було розглянуто кілька варіантів використання фільтро-компен-сувальних пристроїв з врахуванням можливих відхилень параметрів фільтрів від номінальних.

 

 

Результати розрахунків впливу КП

У табл. 3 наведено результати розрахунків коефіцієнтів nгармонічної складової напруги та коефіцієнта спотворення синусоїдності кривої напруги для випадку налаштування двох фільтрів на 5-ту гармоніку, які реалізовані на базі даного КП (QKn = 2x1,8 Мвар), з розглядом можливих граничних відхилень їх параметрів.

 

 

Результати розрахунку з встановленням фільтрів 5-ї гармоніки

 

Як очевидно з табл. 3, увімкнення лише фільтра 5-ї гармоніки не дозволяє повною мірою вирішити проблему гармонік для цієї системи електропостачання, оскільки під час ввімкнення такого фільтра пік частотної характеристики наближається до частоти 11-ї гармоніки, значення струму якої є значним, що призводить до великих значень коефіцієнта 11-ї гармонічної складової напруги. Тривалодопустиме значення цього коефіцієнта для 11-ї гармоніки становить 2 %, граничнодопустиме - 3 %. Проте ввімкнення такого фільтра дає змогу обмежити значення коефіцієнта спотворення синусоїдності кривої напруги нижче від тривалодопустимого значення. Також потрібно зазначити, що за умови максимальних відхилень параметрів фільтра від номінальних, у бік збільшення резонансної частоти, можливе перевищення тривалодопустимого значення коефіцієнта спотворення синусоїдності кривої напруги. Тому було розглянуто можливість застосування двох фільтрів, налаштованих на 5-ту та 7-му гармоніки; потужність кожного з фільтрів на частоті мережі 1,8 Мвар. Також було враховано вплив відхилення параметрів фільтрів від номінальних. Результати розрахунків наведено в табл. 4.

Ввімкнення фільтрів 5-ї та 7-ї гармоніки зміщує пік частотної характеристики в зону 11-ї та 13-ї гармонік, що призводить до значних спотворень синусоїдності кривої напруги та великих значень коефіцієнтів складових напруг цих гармонік. Якщо при цьому врахувати можливі відхи­лення параметрів фільтрів від номінальних, то очевидно, що значення коефіцієнта 11-ї гармонічної

складової напруги може сягати майже п'ятикратного перевищення граничнодопустимого значення. Зрозуміло, що працювати в таких умовах є небезпечно, тому було розглянуто варіант включення фільтрів 5-ї і 11-ї гармонік, потужність кожного з фільтрів на частоті мережі 1,8 Мвар. Також було враховано можливість відхилення параметрів фільтрів від номінальних. Результати розрахунків наведено в табл. 5. Аналіз показує, що у цьому разі вдається забезпечити вимоги якості електроенергії на шинах 6 кВ. Проте необхідно ретельно вибирати параметри фільтрів з огляду на конструктивні відхилення ємностей та індуктивностей від номінальних. Враховуючи той факт, що проектуючи задані резонансні властивості фільтра, ці відхилення можуть спричинити його "переналаштування", тобто дійсна резонансна частота фільтра буде вищою від проектної, варто завжди вибирати цю резонансну частоту нижчою від точної заданої частоти гармоніки мережі. Причому це зниження повинно бути тим більшим, чим більшими є конструктивні відхилення параметрів конденсаторів і реакторів цього фільтра. З іншого боку, розташування фільтрів внаслідок відхилень їх параметрів від номінальних робить проблематичною паралельну роботу однойменних фільтрів (двох фільтрів налаштованих на одну гармоніку), оскільки може викликати перевантаження одного з цих фільтрів. Це особливо небезпечно тоді, коли фільтрові реактори виготовляють з магнітними осердями. Збільшення струму гармоніки налаштування такого фільтра спричиняє істотне зростання втрат від вихрових струмів в обмотках, що може стати причиною його перегрівання.

Результати розрахунку впливу встановлення фільтрів 5-ї та 11-ї гармонік



 

Результати розрахунку впливу встановлення фільтрів 5-ї та 7-ї гармонік

Висновки. Розглянуто особливості вибору фільтро-компенсувальних пристроїв для компенсації реактивної потужності змінних нелінійних навантажень на прикладі системи електропостачання з частотно регульованими електроприводами. Особливістю цієї системи електропостачання є наявність конденсаторних батарей, що істотно ускладнює проблему вибору фільтрів вищих гармонік.

Показано підхід до вибору можливих варіантів налаштування фільтрів у такій системі електропостачання з урахуванням конструктивних відхилень параметрів конденсаторів та реакторів від номінальних значень. Проаналізовано можливі впливи таких розташувань фільтрів на ефективність покращання показників якості напруги в системі.

1. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Межгосударственный стандарт. - Киев: Госстандарт Украины, 1999.

2.   Kun-Ping Lin, Ming-Hoon Lin, and Tung-Ping Lin "An Advanced Computer Code for Single-Tuned Harmonic Filter Design", IEEE Transactions on industry applications, vol. 34, no. 4, July/August 1998.

3.   Medora N.K., Kusko A.Computer-Aided Design and Analysis of Power-Harmonic Filters // IEEE Transactions on industry applications. - March/Fpril 2000. - Vol. 36, no. 2. - Р. 604-6123 4. Lemieux G. Power system harmonic resonance - A documented case // IEEE Trans. Ind. Applicat. - May/June 1990. -Vol. 26. - Р. 483-488. 5. Gonzalez D.A. andMcCall J.C. Design of filters to reduce harmonic distortion in industrial power systems //IEEE Trans. Ind. Applicat. - May/June 1987. - Vol. IA-23. - Р. 504-511.

 

 

 

 

УДК 62-83: 621.382 1.1. Веклинець

Національний університет "Львівська політехніка",

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Ю О Варецький, Т І Наконечний - Особливості вибору силових фільтрів для систем електропостачання змінних нелінійних навантажень