На страницах нашего онлайн портала alivahotel.ru мы расскажем много самого интересного и познавательного, полезного и увлекательного для наших постоянных читателей.
Об активных фильтрах гармоник для «чайников» и правилах выбора фильтрокомпенсирующих устройств.
Анонс:Простые для понимания концепции гармоник и технических средств для их подавления. Особенности применения активных фильтров гармоник для устранения искажений в сети. Физическая аналогия работы активного фильтра.
Для тех, кто пока не может достаточно полно (в техническом аспекте) разобраться с вопросом гармоник и их фильтрации в силовых сетях низкого напряжения, достаточно принять на веру факт:
Поэтому в подавляющем большинстве случаев экономически выгодно:
— «глушить» гармоники прямо возле генерирующей их нагрузки (или группы нагрузок), что снижает мощность АФКУ и локализует «токи-противотоки» на небольшом участке, освобождая силовую сеть выше места подключения от гармонических искажений;
— настраивать АФКУ на работу не со всем возможным спектром искажающих частот, а только с интенсивными гармониками.
Т.е. желательно исключить гармоники малозначимые по амплитуде и/или частоте (не влияющие на передачу по сети управляющих сигналов), но суммарно «оттягивающие» на себя часть мощности АФКУ.
И вот здесь важно решить вопрос стоит ли тратить очень дорогую мощность АФКУ на:
Физическая аналогия работы активного фильтра на участке силовой сети.
Условно работу активного фильтра на участке силовой сети можно сравнить с организацией выращивания эко продуктов (овощей, зелени) в масштабах большого разнопланового фермерского хозяйства. Использование органических удобрений, современных технологий и оборудования для культивации и т.д. (аналог современного оборудования с нелинейными ВАХ) создает отличные условия для выращивания растений (аналог производственно-технологического процесса) и, попутно для жизнедеятельности вредителей, паразитов, сорняков, болезнетворных микроорганизмов и пр. (аналог гармоники).
Масштабное использование пестицидов недопустимо и поэтому приходится бороться с вредителями практически вручную и локально, а для этого нанимать штат сотрудников (АФКУ) непосредственно для этого участка, причем можно:
Т.е. в идеале нужно определить какие угрозы действительно нанесут вред определенной культуре на конкретном участке и под их устранение нанимать людей, которым под силу любые работы (собирать жуков, гусениц, локально обрызгивать растения, рыхлить почву) так же, как и АФКУ в плане генерации противотоков на любых превентивно заданных частотах.
Активный фильтр гармоник как средство повышения качества электрической энергии
Авторы: К.В. Замула, Ю.В. Соколов, А.В. Карманов, ООО «Энергия-Т»
На сегодняшний день большинство энергоснабжающих организаций не обладают необходимым оборудованием, обеспечивающим в автоматическом режиме требуемого уровня содержания высших гармоник в сетях. Это порождает острую проблему негативного взаимовлияния технических средств между собой.
Современные комплексы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) работают в сложной электромагнитной обстановке, обусловленной, в том числе, необеспеченностью отдельных показателей качества электроэнергии. Это вызвано ростом удельных характеристик устройств, имеющих низкий коэффициент мощности и работающих по резкопеременным графикам нагрузки. Особо осложняет электромагнитную обстановку работа электроприемников, генерирующих высшие гармонические составляющие (ВГС), с уровнем электромагнитной совместимости, выходящим за рамки диапазонов, определенных ГОСТ 32144-2013 [1]
Перечисленное приводит к неконтролируемым изменениям величины и формы напряжения в точках присоединения потребителей. Ухудшение качества электроэнергии напрямую влияет на снижение срока службы РЭА, является наиболее вероятной причиной ее отказов и выхода из строя, приводит к увеличению потерь энергии во всех элементах системы электроснабжения и, соответственно, влечет к увеличению расхода топливных ресурсов.
Негативные факторы возникающие при эксплуатации современного электрооборудования
Основными негативными факторами при эксплуатации современного электрооборудования являются:
Современное универсальное средство повышения качества электроэнергии
Для компенсации высших гармоник, вызванных действием нагрузки, традиционно применялись и применяются резонансные фильтры. Для энергетических установок это, как правило, последовательные индуктивно-емкостные резонансные цепи, настроенные на соответствующие номера гармоник. Обычно резонансные L-C фильтры настраиваются на гармоники с номерами n = 5, 7, 11, 13.
Такие фильтры выпускаются, как правило, на значительные токи и напряжения, их типоряд существенно дискретный. Для выбора таких фильтров требуется информация о предполагаемом спектре компенсируемых гармоник, величинах токов по каждой гармонике.
Использование резонансных фильтров для компенсации широкого спектра высших гармонических составляющих приводит к неоправданному удорожанию и повышению материалоёмкости всей установки. При этом, номинальные характеристики фильтра могут либо не быть востребованы вовсе, либо реальная нагрузка будет генерировать спектр гармоник, на который не рассчитывался фильтр, и они не будут в должной мере скомпенсированы, так как пассивные фильтры не в состоянии изменять регулируемые ими параметры в режиме «on-line» в резко меняющейся электромагнитной обстановке. [6]
Авторами разработаны активные фильтры гармоник (АФГ), способные обеспечить заданный коэффициент мощности электроустановок и существенно улучшить качество электроэнергии на входе энергетических комплексов мощностью до 10 МВт в режиме «on-line». Таким образом, АФГ может являться элементом SMART GRID.
АФГ является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники (управляемые выпрямители, преобразователи частоты, привода электродвигателей, импульсные источники питания). АФГ компенсирует высшие гармонические составляющие (ВГС) тока нагрузки, генерируя равные им по амплитуде, но противоположные по фазе токи, снижая, таким образом, коэффициент несинусоидальности тока и напряжения сети.
В соответствии с назначением АФГ выполняет следующие функции:
АФГ имеют возможность параллельной работы с целью увеличения суммарной компенсируемой мощности.
Основные технические характеристики АФГ:
Наименование параметра
АФГ-25
АФГ-100
АФГ-200
АФГ-300
Номинальное напряжение сети
Номинальный компенсируемый фазный ток, А
Частота сетевого напряжения
Компенсируемые гармоники тока
Индивидуально, до 50-й включительно
Компенсация реактивной мощности по коэффициенту мощности
До 1,0 включительно
Уровень шума, дБ не более
Рассеиваемая мощность, Вт не более
Устройство активного фильтра гармоник
Мостовой инвертор выполнен на основе модулей IGBT – транзисторов с обратными диодами, рассчитанными на полный ток транзистора. IGBT-транзисторы работают одновременно в режиме инвертора и в режиме активного выпрямителя для обеспечения работы звена постоянного тока.
Емкостной накопитель энергии выполнен на основе низкоиндуктивных электролитических конденсаторов, имеет среднюю точку, которая подключается к нейтрали сети при четырехпроводном подключении активного фильтра к нелинейной нагрузке.
В силовой схеме АФГ предусмотрены:
Функциональная схема АФГ показана на рисунке 3, где:
Принципы построения инверторов делятся на несколько основных типов:
Для построения схемы АФГ подходят только инвертора с произвольной формой выходного напряжения, так как только они могут формировать необходимые параметры выходного тока.
Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи различных схем получают напряжение постоянного тока, значение которого близко к амплитудному значению выходного напряжения инвертора. Затем это напряжение постоянного тока с помощью, мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение по форме, близкое к необходимому, за счет применении соответствующих принципов управления транзисторами этого мостового инвертора. Принцип так называемой «многократной широтно-импульсной модуляции» заключается в том, что на интервале каждого полупериода выходного напряжения инвертора соответствующая пара транзисторов мостового инвертора многократно коммутируется на высокой частоте при широтно-импульсном управлении. Причем длительность этих высокочастотных импульсов коммутации изменяется по закону необходимому для компенсации гармоник. Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется необходимая составляющая выходного тока инвертора.
Активный выпрямитель (АВ), выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока UD на конденсаторе. Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный автономный инвертор напряжения, также работающий в режиме ШИМ. Так же, как и автономный инвертор, АВ инвертирует постоянное напряжение конденсатора UD в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока. Эти зажимы связаны с питающей сетью через ШИМ дроссели. В отличие от регулируемой рабочей частоты напряжения на зажимах переменного тока инвертора, рабочая частота напряжения на зажимах переменного тока АВ постоянна и равна частоте питающей сети. Разность мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети и импульсного напряжения на зажимах переменного тока АВ воспринимаются ШИМ дросселями, являющимися неотъемлемыми элементами системы, индуктивность обеспечивает повышающий режим работы преобразователя. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое АВ на стороне переменного тока, имеет благоприятный гармонический состав, в котором присутствует преимущественно основная (полезная) гармоника, а высшие гармоники (на частоте коммутации ключей) подавляются выходным фильтром. Таким образом решается задача потребления из сети практически синусоидального тока, для заряда накопительного конденсатора.
Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к дросселям со стороны сети и со стороны активного выпрямителя, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) дросселя. Изменяя с помощью системы управления АВ параметры основной гармоники его переменного напряжения на сетевых зажимах, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу АФГ с заданным значением коэффициента мощности, например равным единице, либо емкостным, либо индуктивным коэффициентом мощности. Поэтому АФГ с активным выпрямителем в принципе может быть использован в системе электроснабжения либо как нейтральный элемент, либо как источник, либо как потребитель реактивной мощности.
Алгоритмы управления активным фильтром гармоник
Основным алгоритмом анализа гармоник и выделения сигнала ошибки для управления фильтром является разложение общего сигнала на высшие гармонические составляющие c использованием быстрого преобразования Фурье и выделение из общего сигнала сигналов основной частоты и высших гармоник.
Анализ входящих аналоговых сигналов
Получение дискретизации сигнала осуществляется встроенным в микроконтроллер АЦП. Чтобы взять дискретизацию за 1 период сигнала с частотой 50Гц, через равные промежутки времени АЦП со всех каналов синхронно снимает выборки (условно, т.к. время взятие одной выборки пренебрежимо мало по отношению к интервалу между точками дискретизации). В качестве триггера АЦП выступает аппаратный таймер контроллера.
Расчет спектра сигнала
Спектр сигнала получается выполнением прямого Дискретного Преобразование Фурье (ДПФ). Для вычисления спектра на микроконтроллере в реальном времени, используется Быстрое Преобразование Фурье БПФ.
Когда в дискретизации нет целого числа периодов синусоидального сигнала, разрывы, которые образуются в конечных точках выборки, приводят к расширению спектра анализируемого сигнала вследствие появления дополнительных гармоник.
В случаях когда полученная дискретизация содержит не целое количество периодов, краевые точки не будут совпадать. В этом случае спектр полученный применением БПФ, не будет верным, т. к. из-за изменения временного интервала основные гармоники перераспределяются по высшим частотам. Это влечет за собой расчет гармоник, которых на самом деле не содержится в сигнале и которые могут значительно превышать частоту Найквиста.
Из теоремы Котельникова следует, что при дискретизации аналогового сигнала потерь информации не будет только в том случае, если наивысшая частота полезного сигнала равна половине или меньше частоты дискретизации. В противном случае при восстановлении аналогового сигнала будет иметь место наложение спектральных «хвостов» (подмена частот, маскировка частот, алиасинг).
Это выглядит будто амплитуда с одних гармоник растекается по другим. Для минимизации эффекта растекания спектра применяется техника оконного преобразования.
Так как в случае изменения частоты сети период сигнала так же незначительно изменяется необходимо изменение размерности дискретизации, для этого применяется интерполяция сигнала. Для уточнения расчета спектра сигнала, снятую с АЦП дискретизацию необходимо интерполировать по количеству точек и по времени для передачи в расчет ДПФ, так как расчет ДПФ выполняется только на дискретизациях размерности кратной 2.
Так же с помощью интерполяции можно эффективно решать проблему растекания спектра, при условии, что временной интервал дискретизации близок к измеряемому периоду.
Блок управления выполняет следующие операции:
Осциллограмма включения АФГ в работу:
Опыт эксплуатации АФГ в действующих электроустановках
Лабораторные испытания АФГ-25 и АФГ-100 при мощности нелинейной нагрузки соизмеримой с установленной мощностью фильтра подтвердили возможность устойчивой работы разработанных изделий в электроустановках с изменяемой по величине нелинейной нагрузкой типа: неуправляемый выпрямитель различной пульсности. Удалось достичь существенного улучшения синусоидальности потребляемого тока и кривой напряжения в точке присоединения АФГ (см. рисунок 4).
После включения АФГ в работу (появление сигнала тока компенсации) форма кривой тока со стороны источника электроэнергии стала практически синусоидальной при неизменной существенно несинусоидальной кривой тока нагрузки.
Некоторые результаты проведенных испытаний на функционирование АФГ приведены ниже. Показания приборов ПКЭ во время испытаний до и после включения АФГ в работу приведены в таблице, на рисунке 5 а, б. В результатах приведены доминирующие гармоники.
Суть работы активного фильтра состоит в формировании тока с требуемой частотой, формой и углом фазового сдвига по отношению к напряжению сети. Этот ток носит в основном реактивный характер и создаётся статическим преобразователем.
Принципиальная схема силовой части активного фильтра (упрощенная)
Активный фильтр в шкафу напольного исполнения IP 54
Схема силовой части активного фильтра аналогична схеме модуля AFE (Active Front End) преобразователя частоты.
Программное обеспечение активного фильтра отвечает за формирование требуемого тока.
При компенсации реактивной мощности индуктивного характера это будет синусоидальный ток, «опережающий» по отношению к напряжению сети.
При компенсации реактивной мощности ёмкостного характера – ток фильтра будет отставать от напряжения.
При компенсации высших гармоник ток фильтра течёт в противофазе по отношению к току гармоник тех порядков, которые требуется устранить, и т.д.
Настройка (параметрирование) фильтра выполняется с панели местного управления или при помощи компьютера.
Главное меню панели местного управления активного фильтра
Экран текущих параметров панели местного управления активного фильтра
Активные фильтры чаще всего представляют собой законченные изделия, готовые к использованию после подключения силовой цепи и цепей от стандартных измерительных трансформаторов тока (с выходным током 0 – 5 А).
Активный фильтр в шкафу напольного исполнения IP 23
Блок активных фильтров на раме в помещении ГРЩ
В некоторых типах активных фильтров силовой модуль и модуль управления выполняются в отдельных конструктивах. Это позволяет реализовывать различные компоновочные решения.
Силовой преобразователь активного фильтра подключается в сети параллельно по отношению к электроприёмникам.
Схема включения активного фильтра в трехфазной сети (упрощенная).
Это дает возможность оптимизировать номинальный ток системы компенсации и обеспечить высокую надёжность электроустановки (по сравнению с решениями на базе пассивных фильтров). В случае неисправности силовой модуль активного фильтра отключается встроенной защитой и в дальнейшем не влияет на работу электроустановки.
Активные фильтры могут быть с воздушным и с водяным охлаждением.
Активный фильтр с водяным охлаждением.
Предложения Инженерного центра «АРТ».
Полный комплекс работ по созданию систем динамической компенсации на базе активных фильтров с воздушным и с водяным охлаждением.
Аннотация: активные, пассивные фильтры и гармоники в силовых сетях с учетом цифровой трансформации. Что такое пассивные фильтры гармоник и как они работают.
Резкое изменение вектора развития энергетики в сторону цифровой трансформации электросетей после утверждения новой Энергетической стратегии страны в прошлом году обусловило внесение корректив в концепцию качества электроэнергии и электромагнитной совместимости силового оборудования. Причем на фоне стимулирующего влияния введенных в действие с начала текущего года новых версий ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 и ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020, определяющих и нормы электромагнитной эмиссии гармоник, сверх- и интергармоник в сетях разного уровня напряжения, и ответственности сетевой организации и абонента сети:
Справка В силовой электронике для низковольтных сетей большая доля отечественных и зарубежных пассивных фильтров предлагается в виде «дросселей» для нивелирования рисков перегрузки по току конденсаторов установок компенсации реактивной мощности, часто асинхронных двигателей, иногда ШИМ-преобразователей, что по терминологии технически безграмотно и существенно ограничивает реальные возможности всех фильтров.
Таблица. Силовые фильтры для сетей низкого и среднего напряжения
Defacto пассивные фильтры при правильном проектировании на базе энергоаудита объекта с определением спектра и интенсивности высших гармоник позволяют эффективно нивелировать эмиссию и трансмиссию канонических и неканонических гармоник в сегментах сетей и сетях, причем при несоизмеримых с АФГ инвестициях в реализацию проектов.
Что такое пассивные фильтры гармоник и как они работают
Пассивные фильтры гармоник — колебательные контура из индуктивности L и емкости С (по факту RLC — цепи), в которых (упрощенно) происходит трансформация энергии электрического поля (при разряде конденсатора) в энергию магнитного поля (при протекании тока по катушке индуктивности) и наоборот. По сути, после разряда конденсатора ток идет в катушку, где возникает противодействующее ЭДС с противоположным по знаку напряжением, что приводит к перезарядке конденсатора и т. д. «по кругу» до полного затухания колебаний из-за потерь энергии на активном сопротивлении.
Емкостное сопротивление контура ХС=1/2πfС=1/ωС, индуктивное ХL=2πfL=ωL (угловая частота ω=2πf), а модуль комплексного сопротивления контура:
При последовательном соединении в цепочку емкости и индуктивности и параллельном присоединении контура в сеть комплексное сопротивление контура может быть или индуктивным, или емкостным, поскольку с повышением частоты индуктивное сопротивление увеличивается, а емкостное уменьшается.
На определенной частоте f0 (или ω0), называемой резонансной ХС=1/2πf0С=ХL=2πf0L и комплексное сопротивление равно активному, т. е. минимально. Тогда токи резонансной (или близкой к ней) частоты пойдут от нагрузки не в сеть, а через контур, где будут «гаситься» активным сопротивлением цепочки, при частотах больше резонансной контур будет работать, как насыщающийся реактор с ослаблением гармонических колебаний, при более низких частотах — как компенсатор реактивной мощности емкостного характера.
По этому принципу построены большинство пассивных шунтирующих фильтров, подключаемых параллельно в силовую сеть, а резонансная частота подбирается в зависимости от частоты гармоники с максимальной амплитудой по IEC 61642, где определены безопасные (для информационных каналов телекоммуникаций) частоты резонанса для промышленных и аналогичных им по характеру нагрузок сетей.
В целом мощность фильтра зависит от нагрузки, амплитуды шунтируемых токов и основным элементом контура считается индуктивность, а конденсатор (или модуль, батарея) подбирается по реактору для вывода RLC — цепи на требуемую резонансную частоту.
В следующей статье этой серии пойдет речь о резонансе напряжений, токов, фильтрах различного уровня и их применении.
Концепция фильтрации гармонических возмущений и фильтров гармоник для неспециалистов
Публикация освещает несколько достаточно распространённых вопросов. Первый — что такое пассивные и активные способы фильтрации гармонических искажений и какие пассивные фильтры сегодня наиболее популярны на промышленных объектах, а второй — чем выгодно использование пассивных настроенных и расстроенных фильтров гармоник.
В общем контексте можно называть фильтры гармоник пассивными и активными, а их главное различие заключается в том, обеспечивают ли они пассивное фильтрующее действие в пределах выбранной полосы пропускания или в результате активного процесса мониторинга искажений параметров сети в реальном времени и генерации токов в противофазе токам гармонических возмущений.
На практике одним из наиболее распространенных методов контроля гармонических искажений в промышленности пока остается использование методов пассивной фильтрации с использованием двух видов фильтров.
Резонансные или антирезонансные узкополосные фильтры
Упрощенно, состоят из последовательно соединенных емкости и индуктивности, формирующих колебательный контур, настраиваются на резонанс и имеют нулевое (условно) сопротивление на частоте гармоники искажений. Максимально просто для понимания процесса фильтрации — гармонические токи резонансной частоты идут по пути наименьшего сопротивления в контур фильтра и там «мечутся» между емкостью и индуктивностью, постепенно «угасая» из-за преодоления активного сопротивления и ЭДС-индуктивности.*
Широкополосные, формально демпфирующие фильтры
Широкополосные, формально демпфирующие (или damped filter) фильтры имеют комплексное сопротивление колебательного контура ниже импеданса сети на частотах выше резонансной.
*Справка IEC 61642 дают определение настроенного (tuned filter) и расстроенного (detuned filter) фильтров (на сленге соответственно резонансного и антирезонансного), ключевые отличия между которыми — частота настройки, которая для tuned filter находится в пределах до 10 %, а для detuned filter — на 10 и более процентов ниже частоты фильтруемой гармоники. По сути tuned filter имеет более узкую полосу «захвата» частот фильтруемых гармоник и более высокую добротность, но и большую зависимость от сопротивления сети, а detuned filter — наоборот меньшую добротность, большую полосу частот и меньшие риски резонанса с индуктивностью сети. Выбор того или иного типа фильтра определяется характером, режимом нагрузки, а на практике чаще всего пользуются рекомендациями IEC 61642 и новых IEEE 1531-2020, определяющих правила проектирования и применения пассивных фильтров в силовых промышленных сетях.
Т. е. эти контуры «оттягивают» на себя токи гармоник с частотами выше резонансной, но эффективность их работы существенно меньше, чем у узкополосных настроенных и расстроенных, и снижается с ростом частоты.
Справка Чаще всего для решения проблемы гармонических искажений в силовой сети (сегменте сети) используются комплектные устройства из двух и более узкополосных фильтров, настроенных на частоты разных гармоник, плюс один широкополосный фильтр, нивелирующий гармонические искажения высоких порядков частот. Зависимость колебательных контуров и сопротивления сети и, собственно, добротность каждого фильтра снижают интеграцией в контур резистивного сопротивления, но RLC-контура рассчитаются так же, как и LC- по резонансной частоте и комплексному сопротивлению колебательного контура.
Чем выгодно использование пассивных настроенных и расстроенных фильтров гармоник
Если абстрагироваться от маркетинговых интересов производителей активных фильтров гармоник (Аctive filter harmonic — AFG), поставляющих свои АФГ в виде пакетных сборок (для компенсации реактивной мощности на фундаментальной частоте и нивелирования гармоник до 39-40 или 24 порядка), а потому безумно дорогих, то следует признать очевидными факты:
*В свою очередь установка АФГ в местах присоединения групп нагрузок и тем более у единичной мощной нагрузки явно экономически нецелесообразна, ведь задействовать пакет частот АФГ для нивелирования нескольких гармоник так же разумно, как и «стрелять из пушки по воробьям». В противовес этому недорогие и компактные пассивные однозвенные и/или многозвенные фильтры можно подобрать по максимальной амплитуде гармонического тока и подключить непосредственно возле нагрузки (или группы нагрузок), т. е. реально очистить сеть и обезопасить другое оборудование, кабельные линии от перегрева и выхода из строя.
Устранить эти проблемы реально нерегулируемыми УКРМ и/или пассивными фильтрами гармоник, емкость которых на фундаментальной частоте работает, как конденсаторная батарея для повышения коэффициента мощности.
Авторы: К.В. Замула, Ю.В. Соколов, А.В. Карманов, ООО «Энергия-Т»
