На текущий момент для потребительских сетей низкого (до 1 кВ) напряжения характерны как минимум 2 противоречия:
Парадокс первый: при безусловной эволюции нагрузки (оборудования) в плане функциональности, точности контроля и управления, надежность силовой сети и качество потребляемой электроэнергии становится все хуже, а формальная и реальная ответственность за негативные явления лежит на потребителе, который сегодня должен и de facto может это устранить.
Так, насыщение силовых сетей сложными нелинейными нагрузками вдобавок к проблемам компенсации реактивной мощности привело к засорению гармониками разных порядков и немалых амплитуд, а правительство РФ в своим постановлением N 937 от 13.08.2018 внесло в «Правила недискриминационного доступа» изменения (пп. е п. 14), согласно которым потребитель по договору обязан обеспечить качество электроэнергии на границе балансовой принадлежности.
Парадокс второй: при доступности на национальном и региональных электротехнических рынках эффективных технических средств повышения качества электроэнергии и стабильности силовой сети, востребованность этих устройств пока ограничена, причем связано это не столько с большой ценой на активные фильтры гармоник, сколько с непониманием принципа работы этих устройств и правильного подхода к выбору.
Здесь следует отметить, что зарубежные производители, их дилеры в нашей стране и единичные (пока) компании-сборщики комплектных активных фильтрокомпенсирующих устройств (АФКУ) отнюдь не облегчают выбора, заявляя свои продукты под разными маркетинговыми названиями аналогично автоматическим конденсаторным установкам повышения коэффициента мощности УКМ (УКРМ), предлагаемым под аббревиатурами АКМ, АКУ, ДФКУ и т. п.
Что такое активные фильтры гармоник и активные компенсаторы реактивной мощности
Важно понимать, что существующие на рынке и активные фильтры гармоник, и активные компенсаторы реактивной мощности, предлагаемые как генераторы реактивной энергии (Static var generator, SVG), по факту — фильтрокомпенсирующие устройства типа Shunt Active Power Filter (SAPF), подключаемые к сети параллельно нелинейной нагрузке в отличие от устройств последовательной компенсации, которые «не прижились» в низковольтных сетях из-за большой мощности (и не менее мощной нагрузки) и, соответственно, очень высокой цены. Различия между активными фильтрами гармоник и компенсаторами реактивной мощности (упрощенно) в предустановках по приоритету рабочих частот заключаются в следующем: активные фильтры охватывают спектр частот до 24/25-49 гармоники, но могут работать и с частотой 50 Гц, активные компенсаторы реактивной мощности настроены с прерогативой фундаментальной частоты (50 Гц), хотя могут компенсировать и токи гармоник высших порядков.
Наряду с этим, любой активный фильтр или компенсатор реактивной энергии типа SAPF включает в себя измерительную аппаратуру (обычно трансформаторы тока, реже напряжения), интеллектуальный контроллер для обработки данных и силовую часть в виде трехуровневого (3L) инвертора со скоростными ключами на базе IGBT (insulated gate bipolar transistor), иногда MOSFET (metal-oxid-semiconductor-field-effect-transistor) биполярных транзисторов, стоимость которых, по сути, и определяет высокую цену фильтрокомпенсирующего устройства. В комплект обычно включают накопители энергии, роль которых могут играть катушки или косинусные конденсаторы, но присоединение к сети происходит через «сглаживатели» в виде индуктивностей, чтобы устранить риски токов больших амплитуд.
Любое АФКУ не генерирует энергию, а преобразовывает в инверторе и выплескивает в силовую сеть противотоки (с обратной формой синусоиды) на частотах и амплитуды, заданных контроллером по данным измерительных трансформаторов. Проще говоря — нелинейная нагрузка вбрасывает в сеть токи гармоник и смещенные по фазе реактивные токи основной частоты (индуктивные или емкостные), трансформаторы их измеряют, контроллер обрабатывает данные, а инвертор с задержкой всего в четверть-полпериода синусоиды выплескивает противотоки, которые устраняют или гасят искажения.
По сути, аналогичный процесс компенсации происходит при работе установок УКМ, УКРМ, где косинусные конденсаторы батарей при разряде выбрасывают в сеть емкостные токи фундаментальной частоты, противофазные реактивным токам индуктивной нагрузки. Однако АФКУ:
- работают и на фундаментальной частоте, и на частотах гармоник вплоть до 50 порядка;
- компенсируют и индуктивные, и емкостные токи, т. е. по факту индифферентны к характеру нагрузки;
- срабатывают в несколько раз быстрее благодаря высокоскоростным электронным ключам и более точно, что исключает риски пере- или недо- компенсации.
Выбор активного фильтрокомпенсирующего устройства
К основным недостаткам АФКУ относят:
- фильтрацию искажений только от места присоединения, т. е. на участке АФКУ-нагрузка на сеть будет засорена, а выше — чистой от токов гармоник и, при необходимости, перетоков реактивной мощности;
- высокую стоимость, которая зависит от ширины диапазона рабочих частот, скорости срабатывания (типа ключей), но больше от мощности полупроводников IGBT.
Т. е. вполне разумно предположить, что:
- чем ближе место присоединения АФКУ к нагрузке, тем больший объем сети останется чистым от искажений и тем меньше будет мощность и стоимость устройства;
- чем меньше частот нужно компенсировать, тем меньше суммарная мощность АФКУ и, соответственно, стоимость;
- чем больше искажений на разных частотах, в том числе фундаментальной, можно погасить другими, менее дорогими средствами, к примеру, такими как пассивными фильтрами на гармониках первых порядков, УКРМ на фундаментальной частоте, тем дешевле обойдется АФКУ.
Поэтому выбор АФКУ должен базироваться на профессиональном энергоаудите сети, который позволит выявить:
- необходимость компенсации реактивной мощности нагрузки и возможность использования для этих целей традиционных конденсаторных установок, причем в паре с УКРМ АФКУ может выполнять свои функции на гармониках высших порядков и параллельно «срезать» излишки индуктивных и емкостных токов в сети при недо- и пере- компенсации из-за подключения ступеней УКРМ с фиксированной мощностью;
- необходимость компенсации токов гармоник 3, 5, 7, 9, 11 порядков, что может быть сделано с помощью пассивных фильтров при заказе АФКУ гибридного типа с силовой активной частью и пассивными колебательными контурами;
- спектр частот, подлежащих компенсации, что даст возможность снижения мощности ключей, общей мощности и цены АФКУ.
