Анонс: эмиссия и трансмиссия гармоник промышленными и непромышленными (коммерческими, жилыми) объектами. Спектры гармоник наиболее популярных устройств и нагрузок в промышленных силовых сетях.
Повсеместное внедрение силовой электроники в потребительские сети разной балансовой принадлежности с одной стороны и практически доказанная трансмиссия гармоник через ТП распределительных сетей с другой привели к тому, что уже сейчас оборудование промышленных объектов стало отнюдь не главным и далеко не единственным источником гармонических возмущений в энергосистемах.
Так, сложно контролируемые по параметрам качества электроэнергии коммерческие и жилые объекты с растущими объемами нелинейных нагрузок (источники бесперебойного питания, персональные компьютеры, энергосберегающие лампы, кондиционеры, электронные развлекательные устройства и т. п.) вносят свой и весомый вклад в искажения сетевого напряжения, тока и пока эта проблема остается «за бортом» интересов регулирующих органов из-за «несущественной» нагрузки.
Хотя, например, простой источник питания домашнего настольного компьютера может потреблять около 4 А от сети напряжением 220 В или около 900 ВА, а в часы «пика выхода» только 2500 потребителей в глобальную сеть для проверки электронной почты, серфинга, просмотра потокового видео и пр. перед или после работы фидер ТП среднего напряжения будет обеспечивать около 2,25 МВА компьютерной мощности, причем с гармониками четных, нечетных порядков и широкого спектра.
Вместе с тем, трансформаторы, приводы, электродвигатели, многоимпульсные преобразователи, системы освещения с электронным балластом и твердотельные реле промышленных силовых сетей остаются наиболее значительными источниками эмиссии (а сети, соответственно — трансмиссии) гармонических искажений и даже по наиболее оптимистичным прогнозам ситуация в перспективе будет ухудшаться, причем и со стороны:
- потребительских сетей, ориентированных на более широкое использование чувствительной электроники, а тем более при трендах цифровизации за рубежом и в нашей стране, предполагающих интеграцию АСУ с аппаратными комплексами на преобразователях, программно-логическими контроллерами на тиристорах, транзисторах и т. д.;
- генерирующих электроэнергию компаний, где популяризуется переход на фотоэлектрические, ветряные, газовые станции, по сути, построенные на многоимпульсных преобразователях, твердотельных устройствах, тех же АСУ, т. е. являющиеся источниками эмиссии гармонических возмущений сложного спектра.
Спектры гармоник наиболее популярных устройств и нагрузок в промышленных силовых сетях
Промышленным сетям характерно все более широкое использование преобразователей мощности, в которых напряжение и частота варьируется для адаптации к конкретным производственным и технологическим процессам. В процессе выпрямления ток может проходить через полупроводниковые приборы в течение только части цикла основной частоты и такие преобразователи мощности часто заявляются, как энергосберегающие, а если энергия используется как переменный ток, но с другой частотой, то выходной постоянный ток преобразователя пропускается через электронный инвертор, который конвертируемого в переменный.
В целом все конвертеры можно сгруппировать в следующие категории:
- преобразователи большой мощности, подобные тем, которые используются в металлургической промышленности и системах передачи HVDC;
- преобразователи мощности средней мощности, характерные для обрабатывающей промышленности, приводов регулирования скорости электродвигателя и т. д.;
- выпрямители малой мощности, используемые в бытовых приборах, компьютерах, зарядных устройствах аккумуляторов и пр.
Регулирование конвертеров происходит за счет вентильных полупроводниковых ключей, как правило или недорогих GTO тиристоров (Gated Turn-Off), или полупроводников с лучшей функциональностью, но и высокой стоимостью -биполярных транзисторов IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) или коммутируемых через затвор интегрированных тиристоров IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor).
Важно
Те же GTO, IGCT-тиристоры и IGBT-транзисторы используются в блоках программно-логических контроллеров тиристорных установок компенсации реактивной мощности (УКРМТ), активных фильтрах гармоник (АФГ) и генераторах реактивной мощности (версии АФГ для работы с перетоком реактивной мощности на фундаментальной частоте).
Несмотря на безусловные преимущества вентильных бесконтактных ключей, в том числе GTO, IGCT тиристоров, IGBT транзисторов, они являются источниками эмиссии гармонических возмущений в сеть, причем:
- IGCT тиристоры и IGBT транзисторы генерируют гармоники более «редкого» спектра, но и более высоких амплитуд. Так, амплитуда мгновенного значения наброса тока 3 гармоники может достигать 90 % от номинального тока фундаментальной частоты (см. рис. 1).
- GTO тиристоры вызывают гармонические возмущения меньших амплитуд, но частого спектра и с значительными величинами в области частот до 9 порядка (см. рис. 2).
Сами преобразователи имеют несколько иные спектры генерируемых гармоник, зависящие от импульсности, мощности и особенностей используемых в схемах устройств подавления гармоник (как правило, «сглаживающих» реакторов). В целом гармонический спектр преобразователя определяется по формуле n=(P·i±1), где Р — «пульсность» преобразователя, а i — целое число, большее или равное единице.
Так, для 6-импульсного ШИМ-конвертера спектр будут формировать гармоники порядков 5, 7, 11, 13 и т. д., для 12-импульсного — 11, 13, 23, 25, 35, 37 и т. д.
