О важности хорошего качества электроэнергии

От чего зависит правильность выбора системы управления для оборудования компенсации реактивной мощности?

В идеальном случае система электроснабжения должна обеспечивать постоянство величины и частоты напряжения питания, а также синусоидальность его формы.Однако из-за ненулевого импеданса компонентов системы, резких изменений нагрузки и других явлений, например, переходных процессов и аварийных отключений,реальность часто бывает другой. Понятие "качества электроэнергии" используется для описания того, насколько реальная система энергоснабжения отличается от идеальной:

• если качество электроэнергии в сети высокое, все нагрузки, подключенные к ней, будут работать правильно и с максимальным к.п.д. Стоимость эксплуатации установки и ее влияние на экологию будут минимальными;
• если качество электроэнергии сети низкое, у нагрузок, подключенных к ней, будут наблюдаться отказы в работе, а срок службы этих нагрузок будет уменьшаться. К.п.д. электроустановки будет снижен, стоимость эксплуатации будет высокой, возрастет негативное влияние на окружающую среду, а в определённых случаях работа будет вообще невозможна.

Для определения качества электроэнергии были введены различные показатели, которые предлагаем рассмотреть далее.

Издержки при низком качестве электроэнергии

Низкое качество электроэнергии может быть определено как возможность возникновения любого события, связанного с сетью электропитания, которое приводит кэкономическим потерям. Возможные последствия низкого качества электроэнергии:

• неожиданные отключения энергоснабжения (отключения автоматических выключателей, перегорание предохранителей и т.п.);
• выход из строя или неправильная работа оборудования;
• перегрев оборудования (трансформаторов, двигателей и т.п.), приводящий к сокращению их срока службы;
• повреждение чувствительного оборудования (компьютеры, системы управления технологических линий и т.п.);
• помехи для электронных средств связи;
• увеличение потерь в системе;
• необходимость применения завышенных типономиналов электрических установок для того, чтобы они могли выдерживать дополнительную электрическую нагрузку, с соответствующим увеличением габаритов установки, стоимости эксплуатации и экологических последствий;
• штрафы, накладываемые поставщиками электроэнергии при повышенном негативном влиянии нагрузок на сеть энергоснабжения;
• невозможность подключения новых объектов из-за того, что они будут чрезмерно влиять на систему энергоснабжения;
• негативное влияние на зрение, связанное с флуктуациями яркости или спектра источников света (фликер);
• проблемы со здоровьем и снижение производительности персонала и т.п.

Основной вклад в снижение качества электроэнергии низкого напряжения вносят следующие факторы:

• реактивная мощность, которая бесполезно нагружает систему энергоснабжения;
• загрязнение гармониками, которое приводит к дополнительной нагрузке на сеть и снижает эффективность работы электроустановок;
• неравномерность нагрузки, особенно в офисных зданиях; несбалансированность нагрузок может привести к чрезмерной асимметрии напряжения, которая воздействует на другие нагрузки, подключенные к той же сети, а также к увеличению тока нейтрали и напряжения между нейтралью и землёй;
• быстрые изменения напряжения (фликер).

Все эти явления являются потенциальными причинами неэффективной работы электроустановок, неработоспособности системы, снижения срока службы оборудования и, соответственно, высокой стоимости эксплуатации электроустановок.

Остановка производства из-за низкого качества электроэнергии приводит к экономическим потерям. Это иллюстрируется Таблицей № 1, в которой приводятсятиповые данные об экономических потерях в различных отраслях при авариях (отключениях) из-за низкого качества электроэнергии в электроустановках.

Таблица № 1. Примеры значений экономических потерь из-за аварий по причине низкого качества электроэнергии

Данные, помеченные в Таблице № 1 (*), получены с помощью опроса, касающегося качества электроэнергии, проведённого в Европе Европейским институтом меди в2002 г. Остальные данные являются результатами исследований ABB.

В дополнение к экономическим потерям из-за остановок производства можно определить ещё один фактор издержек при низком качестве электроэнергии, связанный с дополнительными потерями активной мощности, причиной которых является наличие гармонических искажений в компонентах сети, то есть в трансформаторах, кабелях и двигателях. Так как эти потери должны возмещаться электростанциями поставщика электроэнергии, экономические потери и дополнительные выбросы CO ₂ могут быть возложены на него. Точные значения этих потерь зависят от конкретных тарифов на электроэнергию и способов генерации электроэнергии. Например, атомные электростанции почти не имеют выбросов CO₂ в отличие от угольных электростанций, для которых выбросы составляют около 900 –1000 г на 1 кВт произведённой мощности.

Один из возможных методов теоретической оценки дополнительных потерь из-за гармоник в трансформаторах приведён в стандарте IEEE C57.110 Результаты расчёта будут зависеть от конкретных местных условий, при этом сумма может составить порядка нескольких тысяч евро в год. Это соответствует эмиссии CO₂в количестве нескольких тонн за год. Поэтому можно сделать вывод, что в установках с нагрузками, дающими существенные загрязнения гармониками, эксплуатационные расходы могут быть значительными.

В настоящее время основной причиной гармонических искажений являются токи гармоник нагрузок в отдельных электроустановках. Эти токи гармоник, проходящиечерез импеданс сети, в соответствии с законом Ома создают напряжение гармоник, которое будет поступать ко всем нагрузкам, подключенным к электроустановке. В результате пользователь, имеющий нагрузки, создающие гармоники, может иметь проблемы с качеством электроэнергии. Кроме того, неотфильтрованные токи гармоник электроустановки попадают через питающие трансформаторы к поставщику электроэнергии и создают гармонические искажения в общей сети. В результатевсе пользователи этой сети будет испытывать влияние гармонических искажений, созданных другим пользователем сети, которые могут воздействовать на работу их электроустановок.

Для ограничения влияния этой проблемы большинство поставщиков имеют стандарты или правила, относящиеся к качеству электроэнергии, которые должны соблюдаться пользователями сети электропитания. В крайних случаях несоблюдение этих правил приводит к отказу в подключении новой установки. Это может сказаться на производстве и привести к потерям дохода компании.

Терминология параметров качества электроэнергии

Реактивная мощность и коэффициент мощности (cosφ)

В сети переменного тока часто ток имеет сдвиг по фазе относительно напряжения сети. Это приводит к появлению различных типов мощности (см. рис. 1):

- активная мощность Р (кВт), выполняющая полезную работу, соответствует части тока, которая находится в фазе с напряжением;

- реактивная мощность Q (квар), которая поддерживает электромагнитное поле, используемое, например, для работы двигателей, представляет собой энергию обмена между реактивными компонентами электрической системы (конденсаторами и индуктивностями) за единицу времени. Она соответствует части тока, которая имеет сдвиг по фазе с напряжением на 90°;

- полная мощность S (кВА), то есть геометрическая сумма активной и реактивной мощностей, является полной мощностью, потребляемой из сети.

Отношение активной мощности к полной мощности – это коэффициент реактивной мощности или cos φ. Этот параметр является мерой эффективности использования электрической энергии. При cos φ, равном 1, полезная энергия передаётся наиболее эффективно. Если cosφ равен нулю, это свидетельствует о крайне неэффективной передаче полезной энергии.

Гармонические искажения

Гармоническое загрязнение часто характеризуется с помощью коэффициента гармонических искажений (КГИ), который равен отношению действующего значения высших гармоник к действующему значению сигнала основной частоты:

,

где V_k – k-й гармонический компонент сигнала V.

Эта величина, выраженная в процентах, имеет смысл, когда значение компонента основной частоты неявно задано или известно. Поэтому КГИ уместен в первую очередь для напряжения, т.к. номинальное значение напряжения известно. Чтобы оценить значение КГИ тока, важно, чтобы было определено значение тока основной частоты.

Небаланс напряжения

В теории симметричных составляющих Фортескью говорится, что любая трёхфазная система может быть представлена как сумма трёх симметричных наборов сбалансированных векторов. Первый набор имеет ту же последовательность фаз, что и исходная система - прямая последовательность. Второй набор имеет обратную последовательность фаз - обратная последовательность. Третий набор состоит из трёх векторов в фазе - нулевая последовательность или униполярные составляющие.

Нормальная трёхфазная сеть имеет три фазы с одинаковой амплитудой со сдвигом фаз на 120°. Любое отклонение (амплитуды или фазы) приводит к возникновению составляющих обратной последовательности и (или) составляющей нулевой последовательности.

Небаланс напряжения обычно определяется как отношение составляющей обратной последовательности к составляющей прямой последовательности и выражается в процентах. Строго говоря, униполярная часть тоже должна учитываться в определении. Однако поскольку обратная последовательность является наиболее существенной с точки зрения отрицательного влияния на работу двигателей с прямым пуском от сети (за счет создания обратного момента), исторически определение небаланса часто ограничивается приведённым в этом разделе.

Фликер

Согласно Международному электротехническому словарю Международной электротехнической комиссии (МЭК), фликер определяется как «восприятие нестабильности визуального ощущения, вызванное освещением, яркость или спектральное распределение которого изменяется во времени». Практически колебания напряжения сети приводят к изменению яркости свечения ламп, что в свою очередь приводит визуальному явлению, называемому фликером (мерцанием). Небольшой уровень мерцаний может быть приемлемым, но если он выше определённого уровня, то начинает раздражать людей, присутствующих в данном помещении. Степень раздражения очень быстро растёт с увеличением амплитуды колебаний. При определённых частотах повторения колебаний напряжения даже малые их амплитуды могут быть заметными.

Анализ влияния фликера на людей сложен, так как он зависит не только от технических аспектов, например, характеристик ламп, на которые подаётся флуктуирующее напряжение, но также от индивидуального восприятия данного явления глазами/мозгом человека. В этой области проводились многочисленные исследования, например, Международным союзом электронагрева (UIE). Результатами проделанной работы стали кривые фликера и технические характеристики фликерметра. Исходные характеристики были представлены в стандарте МЭК 868, который в настоящее время заменён на стандарт МЭК 61000-4-15.

Был определён уровень фликера P¹. P может оцениваться за 10 мин. (Pst – кратковременная доза фликера) или за 2 ч (Plt – длительная дозафликера). Уровень фликера, равный 1, соответствует величине фликера, которая раздражает 50% испытуемых, и определяется как порог раздражения. Кривые фликера в общем случае показывают амплитуду прямоугольных колебаний напряжения, при которой на определённой частоте колебаний уровень фликера равен 1.Иногда также показывается порог восприятия фликера, который ниже порога раздражения. На рис. 2 приведён пример кривой фликера Pst = 1 для системы 220 В.

Нормативные документы

Правила поставщиков электроэнергии в отношении гармонических искажений обычно основываются на признанных результатах работы, проделанной авторитетным и независимыми органами, которые определили максимально допустимые уровни искажений, при которых оборудование может работать нормально.

Основными принципами правил являются следующее:

· ограничение общего уровня гармонических искажений (КГИ напряжения), создаваемых потребителем. При этом считается, что если общий допустимый уровень гармонических искажений напряжения составляет, например, 5% (от напряжения основной гармоники), это ограничение должно быть разделено между всеми подключенными пользователями. Могут также устанавливаться предельные значения для отдельных гармонических компонентов (например, предельный уровень 3% дляотдельных гармоник напряжения);

· преобразование допустимых пределов ограничения напряжения в пределы тока, который может протекать в системе энергоснабжения. Пределы тока могут бытьлегко проверены путём измерений.

Ограничения, налагаемые поставщиками, всегда применяются в точке присоединения к энергосистеме, которая определяется как точка соединения между поставщиком электроэнергии и электроустановкой пользователя. В большинстве случаев это уровень среднего напряжения. Однако часто консультанты проекта считают, что стандартные ограничения поставщика должны применяться на уровне низкого напряжения, так как их основная задача – иметь допустимый уровень искажений именнов этой точке сети, поскольку в этом случае низковольтные нагрузки будут работать без проблем.

Для ограничения величины реактивной мощности многие поставщики устанавливают минимальные значения cos φ для электроустановки. Если cos φ установки меньше этого значения, будет взиматься штраф. Особой проблемой в этой области является ситуация, когда локально используются генерирующие мощности навозобновляемых источниках энергии (например, солнечные батареи) для выработки активной мощности. Это приводит к уменьшению значения cos φ мощности,потребляемой от энергосистемы (потребление активной мощности уменьшается на величину мощности солнечных батарей, а реактивная мощность не изменяется).Поэтому в некоторых странах компании, инвестирующие в экологически чистую энергию, при таком подходе косвенно штрафуются поставщиками электроэнергии.

Для ограничения проблем, связанных с несимметрией напряжений и токов, поставщики обычно ограничивают максимальный небаланс напряжений сети (к примеру, до2%). В низковольтных конденсаторных установках (например, в центрах обработки данных) нередко встречаются ограничения по напряжению между нейтралью иземлёй (например, не более 2 В), так как это необходимо для правильной работы подключенного оборудования.

Для обеспечения соответствия нормам на гармоники, заданным поставщиками электроэнергии или консультантами, и повышения надёжности и эффективности электроустановки может потребоваться установка оборудования для компенсации. Схема такой установки будет выглядеть следующим образом:

Решение при стабильном уровне потребления реактивной мощности

На практике большинство обычных не производящих гармоники нагрузок, которые имеются в электроустановке (например, асинхронные двигатели, трансформаторы ит. п.), потребляют активную и индуктивную реактивную мощность. Поэтому значение их cos φ находится в пределах от 0 до 1 (индуктивный).

Если cos φ низкий, эффективность передачи энергии снижается. У некоторых современных нагрузок, таких как регулируемые приводы или оборудование компьютерныхдатацентров, cos φ может также стать и емкостным (например, 0,9 емкостной). Это может создать определённые проблемы, к примеру, привести к необходимости снижения мощности систем бесперебойного питания этих нагрузок или невозможности работы этих нагрузок от генератора при определённых условиях.

Если нагрузка является индуктивной и относительно постоянной, обычной практикой является установка конденсаторной установки, коммутируемых с помощью контактора (рис. 4). Реакторы используются только при наличии в сети гармонических искажений.

Контроллер коэффициента мощности сравнивает величину реактивной мощности, имеющейся в сети, с заданным значением (например, заданная величина cos φ = 0,95)и коммутирует ступени конденсаторов для достижения этого значения.

При использовании этой технологии необходимо обращать внимание на следующие аспекты:

• используемый контроллер коэффициента мощности должен правильно работать при наличии гармонических искажений и должен поддерживать работу с регенеративными нагрузками;
• пусковые токи при коммутации конденсаторных ступеней с помощью контакторов могут быть очень большими, это может привести к значительным искажениям напряжения сети. Пример такой ситуации изображён на рис. 6, на котором показан результат подключения конденсатора 50 квар к слабой сети.

На рис. 5 видно, что максимальное значение тока при переходном процессе достигает 4000 A. Подобные значения тока приводят к возникновению переходного процесса напряжения со значительными изменениями его величины. Такой переходной процесс напряжения может сказываться на работе чувствительного оборудования, которое используется, к примеру, в больницах. Поэтому некоторые поставщики электроэнергии не разрешают коммутацию мощных конденсаторных ступеней при помощи контакторов.

При наличии в сети гармонических искажений имеется большая вероятность того, что имеются гармоники на частотах, равных или близких к резонансной частоте конденсаторной установки. Это может привести к усилению гармоник из-за резонанса и создать в системе много технических проблем. В качестве примера рассмотрим гармонические искажения напряжения и перегрузку конденсаторной ступени, когда трансформатор 600 кВА питает нагрузку в виде привода постоянного тока 200 кВт.

Система электропривода постоянного тока заменена нагрузкой в виде двигателя, которая успешно скомпенсирована конденсаторной батареей 125 квар (5 ступенейпо 25 квар). В Таблице № 2 приводятся результирующие значения cos φ, коэффициента гармонических искажений напряжения (КГИU) и перегрузки по току конденсаторной батареи при подключении её ступеней для достижения заданного значения cos φ = 0,92.

Таблица № 2. Значения cosφ, КГИU и перегрузки конденсаторной ступени при различных конфигурациях конденсаторной батареи 125 квар

Из Таблицы № 2 видно, что из-за резонанса на различных частотах при подключении различного числа ступеней гармонические искажения напряжения сети значительно увеличиваются. Это приводит к нарушениям в работе других нагрузок, подключенных к данной сети. Кроме того, в каждом цикле коммутации происходит перегрузка по току конденсатора, значительно превышающая его номинальный ток. Это обычно приводит к преждевременным отказам емкостных элементов.

Проблемы можно избежать, оборудовав конденсаторные батареи антирезонансными дросселями. Дроссель подключается последовательно с конденсатором, при этом частота резонанса цепи конденсатора и дросселя выбирается значительно ниже частоты первого гармонического компонента, имеющегося в сети. Практическое значение коэффициента расстройки р составляет 7% для промышленных сетей и 12,5 или 14% для коммерческих сетей. Соотношение между значением р и резонансной частотой контура определяется выражением (1).

(1)

где f₁ – частота сети в Гц, f_tuning – резонансная частота LC-контура в Гц, р – коэффициент расстройки LC-контура в абсолютном значении (к примеру, 0,07).

В Таблице № 3 приведены параметры сети и батареи для того же примера, когда имеющаяся конденсаторная батарея была заменена конденсаторной батареей с антирезонансными дросселями с коэффициентом расстройки 7%.

Таблица № 3. Значения cosφ, КГИU и перегрузки конденсаторной ступени при различных конфигурациях конденсаторной батареи 125 квар с антирезонансными дросселями

Из Таблицы № 3 можно сделать вывод, что использование соответствующего антирезонансного дросселя уменьшает нагрузку на конденсатор ступени до допустимых уровней. Также видно, что конденсаторная батарея с соответствующими антирезонансными дросселями может уменьшать гармонические искажения напряжения сети.

Решения при быстро меняющихся уровнях потребления реактивной мощности

Если величина необходимой реактивной мощности быстро меняется или очень велика, конденсаторные батареи, коммутируемые с помощью контакторов, по причинам, описанным выше, применяться не могут. В этом случае обычно используются конденсаторные батареи с тиристорным управлением. В таких приложениях часто:

• эффективность передачи энергии очень мала из-за низкого cos φ установки (к примеру, 0,3–0,5);
• максимальный ток потребления настолько высок, что это приводит к недопустимому падению напряжения, к примеру, при пуске двигателя, и (или) квозникновению фликера.

На рис. 6 показан пример графика потребления реактивной мощности портового крана, которая в большинстве случаев не может быть скомпенсирована обычными конденсаторными батареями с управлением с помощью контакторов.

Существуют различные типы систем управления конденсаторных батарей с тиристорным управлением. В некоторых устройствах контактор просто заменяется тиристором без оптимизации момента включения. В этом случае переходный процесс подобен переходному процессу батареи с управлением при помощи контакторов(см. рис. 4). Это видно из анализа эквивалентной схемы цепи включения.

Характеристику переходного процесса этой схемы можно определить с помощью выражения:

,(2)

где V_N – мгновенное значение напряжения сети, V_C – мгновенное значение напряжения на конденсаторе, С – значение ёмкости, Ф, L –значение индуктивности, Гн.

Переходный процесс наблюдается, если момент коммутации не соответствует моменту времени, когда V_N равно V_C. На рис. 9 показан видпереходного процесса при правильном включении ступени батареи с тиристорным управлением.

В отличие от примера рис. 5 здесь нет существенного переходного процесса, если конденсаторная батарея спроектирована должным образом. Такое решение также подходит при наличии чувствительных нагрузок, даже если нагрузки сильно не изменяются.

Кроме обеспечения мягкого подключения реактивной мощности большой величины конденсаторные батареи с тиристорным управлением также применяются для компенсации падения напряжения и устранения фликера.

Следует отметить, что причиной падения напряжения в системе является не только реактивная мощность, но также и активная. Поэтому лучшие конденсаторные батареи с тиристорным управлением имеют функцию компенсации падения напряжения, возникающего из-за обоих компонентов тока. Это особенно важно при слабойсети с низким отношением реактивного сопротивления к активному и при относительно высоком cos φ нагрузки (к примеру, дробилки). В этих условиях изменения напряжения чаще возникают из-за изменения активной мощности. Использование конденсаторной батареи, которая не может компенсировать падение напряжения из-запередачи активной мощности, обычно приводит к неудовлетворительным результатам.

Для компенсации фликера очень важными для получения идеальной характеристики компенсации являются достаточно малое время отклика конденсаторной батареи икак можно меньшая величина ступени. На рис. 10 показана характеристика компенсации падения напряжения для конденсаторной батареи с тиристорным управлением, которая предполагает, что при включении компенсатора падение напряжения полностью сводится к нулю. Однако компенсатор имеет определённое время реакции вначале и конце цикла. Предполагается, что падение напряжения происходит мгновенно из-за резкого изменения нагрузки (например, если нагрузкой является сварочная установка).

В Таблице № 4 приведены значения коэффициента уменьшения фликера, которые могут быть получены с помощью конденсаторной батареи с тиристорным управлениемпри использовании метода прямоугольной компенсации (рис. 10) с задержкой ΔT = ΔT₁ = ΔT₂. Эти результаты были получены для нагрузок, которые запускаются и останавливаются мгновенно и которые являются причиной колебаний напряжения из-за потребления мощности на основной частоте. Подразумевается, что основная частота равна 50 Гц. Приведённые значения являются приблизительными и относятся к случаям, когда задержка компенсации является частью цикла нагрузки. Коэффициент уменьшения фликера определяется как отношение значений Pst с компенсатором и без него.

Таблица № 4. Зависимость коэффициента уменьшения фликера от задержки компенсации ΔТ (метод прямоугольной компенсации)

Из Таблицы № 4 можно сделать вывод, что в данных условиях конденсаторная батарея с тиристорным управлением со временем отклика больше 20 мс будет неуменьшать, а увеличивать уровень фликера. Наилучшие результаты могут быть получены с помощью устройств, которые могут включаться мгновенно при увеличении нагрузки.

Другой стратегией компенсации является метод треугольной компенсации. При этой стратегии компенсатор при появлении нагрузки реагирует немедленно. Вначальный момент уровень компенсации является низким, а после завершения времени переходного режима ΔТ достигается полная компенсация. При резком пропадании нагрузки компенсатор вновь реагирует немедленно и после завершения переходного времени ΔТ компенсация полностью отключается.

Принцип метода треугольной компенсации показан на рис. 11, а полученные результаты представлены в Таблице № 5.

Таблица № 5. Зависимость коэффициента уменьшения фликера от задержки компенсации ΔТ (метод треугольной компенсации)

При сравнении результатов компенсации фликера с помощью метода треугольной компенсации и обычного метода прямоугольной компенсации преимущества первого очевидны, так как при той же задержке компенсатора может быть достигнут более высокий коэффициент уменьшения фликера. Так как необходима мгновенная реакция компенсатора, понятно, что он не может быть реализован только с помощью оборудования с тиристорной коммутацией. Реализация такого устройства возможна спомощью IGBT-преобразователя.

Из этого раздела можно сделать вывод, что для эффективной работы конденсаторной батареи с тиристорным управлением в широком спектре приложений она должна иметь коммутатор без переходных процессов, быть способна компенсировать падение напряжения из-за потока активной мощности и, в зависимости от приложения, иметь высокое быстродействие.

Решение при наличии гармонических искажений и небалансе нагрузки

Для уменьшения гармонических искажений много лет использовались и предлагаются в настоящее время пассивные фильтры. В низковольтных установках это решение становится всё менее и мене применимым по следующим причинам:

• мощность низковольтных установок растёт, это относительно быстро приводит к перегрузке пассивного фильтра;
• современные нагрузки (например, регулируемые приводы, современные системы освещения) имеют очень хороший cos φ (иногда даже емкостный). При установке пассивного фильтра это может привести к перекомпенсации. Такая ситуация в сочетании с ограниченной способностью типовых резервных генераторов работать приемкостном cos φ может привести к снижению надёжности установки;
• пассивные фильтры в низковольтных электроустановках обычно предназначены для гармоник низких порядков, тогда как в настоящее время имеется тенденция к появлению проблем из-за высокочастотных гармоник. Поэтому пассивный фильтр может не решить технические проблемы, связанные с такими гармониками;
• эффективность фильтрации пассивного фильтра определяется соотношением импедансов пассивного фильтра и сети и поэтому не может быть гарантирована. В связис этим при использовании пассивных фильтров практически невозможно обеспечить соответствие нормативным документам.

По перечисленным выше причинам в приложениях для среднего и низкого напряжения существует общемировая тенденция отхода от применения пассивных фильтров впользу решений, основанных на активной фильтрации.

Наиболее распространенные активные фильтры основаны на применении силовой электроники. Они устанавливаются параллельно фидерам, питающим "загрязнённые" нагрузки (рис. 12).

Активный фильтр состоит из силовой части и системы управления.

В силовой части, как правило, применяется ШИМ-преобразователь на IGBT, подключенный к сети через согласующую схему. IGBT-ключи используются для усиления управляющих сигналов, являющихся компенсирующими сигналами токов и напряжений. Схема связи содержит выходной фильтр нижних частот, который поглощает высокочастотные компоненты, создающиеся при коммутации ШИМ-преобразователя, и пропускает токи компенсации гармоник.

Система управления на основании измерений тока получает информацию о том, какие гармоники имеются в сети. Затем система управления вычисляет величины управляющих сигналов, представляющих собой токи компенсации, которые должны быть введены в сеть. Эти управляющие сигналы подаются на ШИМ-преобразователь, который их усиливает и вводит в сеть.

В более функциональных фильтрах ABB серии PQF контроллер также анализирует требования, задаваемые пользователем, и может генерировать для каждой частоты ток гармоники (ток компенсации), противоположный по фазе измеренному току искажений.

Благодаря своему принципу работы активные фильтры при увеличении нагрузки выше номинальной мощности фильтра не перегружаются, а продолжают работать своей на номинальной мощности. Кроме того, активные устройства можно довольно легко наращивать в отличие от устройств на пассивных фильтрах, при попытках наращивания которых часто встречаются определённые трудности.

Для получения хорошего результата во всей рабочей полосе частот фильтра имеют решающее значение два фактора:

• использование системы управления с обратной связью;
• использование частотного метода при обработке и контроле тока искажений.

Эти факторы, присутствующие в устройствах ABB серии PQF, подробно рассматриваются далее. Активные фильтры с обратной связью и без обратной связи отличаются местом установки измерительных трансформаторов тока (рис. 13).

В системах с обратной связью измеряются ток нагрузки и ток коррекции фильтра, и при этом вносятся поправки. Благодаря обратной связи могут быть исправленыили устранены любые погрешности измерений или другие ошибки.

В системах без обратной связи происходит измерение и обработка результатов измерения тока нагрузки. Затем сигнал задания, находящийся в противофазе к измеренному подаётся на IGBT-мост. Так как обратной связи нет, результирующий ток линии может содержать компоненты ошибки, которые не видны системе управления.

Таким образом, к системе управления с обратной связью могут быть отнесены следующие свойства, отличающие её от системы управления без обратной связи:

• системы управления с обратной связью позволяют избавиться от ошибок в контуре управления и из-за внешних возмущений, а системы управления без обратной связи не имеют такой возможности;
• системы управления с обратной связью могут реагировать так же быстро, как системы без обратной связи, при условии соответствующего выбора параметров контура управления.

Другим аспектом системы управления активным фильтром является выбор между методом анализа во временной области или методом анализа в частотной области.

В методе анализа во временной области из измеренного сигнала тока удаляется компонент основной частоты. Затем получившийся сигнал инвертируется и подаётсяна IGBT-мост активного фильтра. При этом не учитывается то, что характеристики сети, измерительных трансформаторов тока, а также характеристики аппаратнойчасти и программного обеспечения активного фильтра отличаются на разных частотах. В результате на практике активные фильтры, в которых используется этотметод, при увеличении частоты ухудшают свои характеристики.

В методе анализа в частотной области каждая гармоника и её соответствующие характеристики системы рассматриваются отдельно, и работа устройства может быть оптимизирована для гармонических компонентов в рабочей полосе частот фильтра. Поэтому одинаково высокое качество фильтрации может быть достигнуто во всей рабочей полосе частот. На рис. 14 схематически представлен метод фильтрации с анализом в частотной области.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что наилучшую фильтрацию можно получить с помощью активного фильтра со схемой управления, имеющей обратную связь и использующей индивидуальный частотный метод. Такие фильтры имеют также следующие преимущества:

• для каждой гармоники можно задать пользовательские требования (к примеру, соблюдение требований стандарта);
• можно выбирать отдельные гармоники с целью оптимального использования ресурсов фильтра (к примеру, случай, когда не требуется фильтровать 5-ю гармонику,которая уже устранена другим фильтрующим устройством);
• могут поддерживаться точные заданные значения cos φ. Это позволяет использовать такие фильтры в приложениях, где необходим точный контроль cos φ, чтобы избежать нарушений в работе установки (например, отключения генератора);
• может быть реализована точная балансировка нагрузки, это позволит разгрузить нейтраль системы и обеспечить поддержание минимального уровня напряжения между нейтралью и землёй. Также можно обеспечить сбалансированность нагрузки, к примеру, ИБП. На рис. 15 приведён пример балансировки с использованием активного фильтра с обратной связью ABB серии PQF.

В дополнение к перечисленным функциям более продвинутые фильтры позволяют минимизировать потери работающего оборудования и обеспечить увеличение надёжности благодаря дополнительным функциям (например, уменьшение номинальных параметров при повышенной температуре и т.п.).

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Устройства, предназначенные для повышения качества электроэнергии, широко применяются для выполнения различных задач. В этом разделе представлены некоторые реальные результаты, достигнутые с помощью высокоэффективных конденсаторных батарей с тиристорным управлением Dynacomp и активных фильтров PQF производстваABB.

В первом примере рассматривается качество электроэнергии на морских буровых установках. Такие энергосистемы часто имеют низкое значение cos φ, большое потребление реактивной мощности и высокое содержание гармоник напряжения и тока. Это, как правило, приводит к снижению производительности буровой установкис возможными остановками работы и связанными с этим экономическими потерями, а также к несоответствию требованиям по сертификации. Типовая схема такой установки показана на рис. 16 (см. также Таблицу № 1).

С учётом характера проблем было решено установить конденсаторную батарею с тиристорным управлением типа Dynacomp производства ABB с антирезонансными реакторами 7%. Основной задачей конденсаторной установки было резкое увеличение cos φ, а также снижение гармонических искажений до допустимого уровня. В Таблице № 6 приведены основные параметры установки с компенсатором и без него.

Таблица 6. Основные параметры установки с компенсатором и без компенсатора

Ток установки с компенсатором и без компенсатора показан на рис. 17.

Анализ Таблицы № 6 и рис. 17 позволяет сделать вывод, что качество электроэнергии в установке благодаря установке компенсатора резко увеличилось, а потребление мощности и тока от энергоустановки сильно сократилось. Гармонические искажения напряжения снизились до допустимого уровня. Результатом этого явилась более эффективная и бесперебойная работа с более высокой производительностью: в нормальных условиях один генератор может быть отключен, при этом может поддерживаться работа без проблем при нагрузке 110% в течение нескольких недель. Аналогичные применения на морских буровых установках иногда включают в себя активные фильтры в случае, если искажения очень сильные и не могут быть устранены только с помощью конденсаторной батареи с тиристорным управлениемили при наличии особых требований по содержанию гармоник.

Другой проблемой, часто встречающейся на морских платформах, является невозможность включения дополнительных двигателей из-за низкого значения cos φ. Эта ситуация иллюстрируется рис. 18, на котором показана попытка пуска двигателя на морской буровой установке. Из-за ограничения мощности электростанции и низкого cos φ установки пуск двигателя невозможен, при этом возникает потенциально опасный эффект качания, и поэтому двигатель необходимо отключить.

С установленным компенсатором мощность, потребляемая от энергоустановки, резко снижается, и имеющийся запас мощности позволяет успешно запустить двигатель.При этом установка может работать при номинальных параметрах более эффективно, чем до установки компенсатора.

В качестве другого примера повышения качества электроэнергии рассмотрим разработку нефтяного месторождения, где имеется одна центральная энергоустановка, питающая кустовые бурильные и насосные станции. Подавляющим большинством нагрузок были регулируемые приводы переменного тока. Имелось около 40 кустов,каждый с нагрузкой порядка 2 МВт. Без активных фильтров на стороне низкого напряжения куста КГИU = 12%, КГИI = 27% (рис. 19).

После установки активных фильтров КГИU упал до 2%, а КГИI – до 3% (рис. 20). Это привело к значительному улучшению качества электроэнергии кустов ипозволило предприятию добиться соответствия ограничениям стандарта IEEE 519 и обеспечить бесперебойную работу кустов.

В следующем примере рассматривается качество электроэнергии на судне. Судно имеет силовую энергоустановку, содержащую два генератора, вырабатывающих по 600А. Основными нагрузками были два привода постоянного тока двигателей. Без компенсации КГИ тока составлял примерно 25%, а соответствующий КГИ напряжения –около 22%. Значение cosφ установки было около 0,76. Типовой расход топлива корабля находился в пределах 14 000 – 15 000 л/мес.

Требованиями заказчика были снижение гармонических искажений до допустимого уровня, чтобы избежать технических проблем с двигателями корабля, и компенсация реактивной мощности без риска перекомпенсации. Исходя из этого были выбраны и установлены активные фильтры ABB. После установки фильтров все технические проблемы оказались решены, но кроме этого, к удовлетворению заказчика, оказалось, что он смог сэкономить порядка 10% затрат на горючее. В годовом исчислении экономия составила около 18 000 л. Причиной явилось несколько факторов, основным из которых считается то, что один генератор мог отключаться более часто благодаря улучшению качества электроэнергии.

Как показано в предыдущих примерах, проблемы качества электроэнергии из-за наличия больших загрязняющих нагрузок часто возникают в промышленных сетях.Однако и в коммерческих приложениях качество электроэнергии тоже имеет значение. В таких сетях обычно имеется много однофазных загрязняющих нагрузок,которые создают следующие проблемы:

• увеличение гармонической нагрузки на оборудование, которое, как правило, является более уязвимым, чем промышленное оборудование;
• возникновение резонанса с конденсаторными батареями из-за наличия 3-й гармоники при неправильно выбранном антирезонансном дросселе или при егоотсутствии;
• превышение номинального тока проводника нейтрали;
• повышенное напряжение между нейтралью и землёй, величина которого может быть недопустимой для работы оборудования и (или) с точки зрения безопасности;
• наличие емкостного cos φ у современного серверного оборудования. Это потенциально может привести к необходимости снижения номинальных параметров систем бесперебойного питания и т.д.

На рис. 21 показано офисное здание, в котором наблюдались проблемы с качеством электроэнергии. Периодически происходили остановки лифтов, это вызывало недовольство пользователей, администрации объекта и владельца. Кроме того, при работе перегревались кабели питания, а также имелись другие технические неполадки.

ABB были установлены батареи компенсации реактивной мощности в сочетании с активными фильтрами. Это решило все проблемы. Кроме того, применённое решение оценил местный поставщик электроэнергии. Согласно его заключению, повышение качества электроэнергии привело к уменьшению величины выброса газов с тепличным эффектом, эквивалентному выбросам при движении 25 больших грузовых автомобилей.

В последнем примере рассмотрим качество электроэнергии в престижном многозвёздочном отеле. В отеле имеются номера-люкс, обычные номера, залы ибизнес-центры. Типовыми нагрузками являются скоростные лифты, светорегуляторы и другое сложное осветительное оборудование, а также типовое офисное оборудование, включая компьютеры, принтеры и т.п.

Результатом работы с такими нагрузками было ухудшение качества электроэнергии, в частности, стабильности напряжения. При этом изменение параметров нагрузокв одной части здания влияло на работу нагрузок в других помещениях. Такая ситуация была совершенно недопустимой, потому что приводила к снижению качества оказываемых услуг. Были проведена работа по поиску решения, и после установки фильтрующего оборудования ABB проблемы качества электроэнергии исчезли.

Мы рассмотрели с вами аспекты, касающиеся важности хорошего качества электроэнергии, разные оценки экономических потерь при плохом качестве электроэнергиии возможные решения. Мы выяснили, что качество электроэнергии определяется с помощью параметров, которые характеризуют степень загрязнения гармониками, реактивную мощность и небаланс нагрузки.