Нелинейные нагрузки и проблемы гармонических искажений в низковольтных сетях объектов. Пассивные фильтры для подавления гармоник в энергосистемах объектов разного назначения.
Достижения в технологии полупроводниковых устройств вызвали революцию в силовой электронике за последнее десятилетие, однако электроприводы с регулируемой скоростью, электронные источники питания, приводы двигателей постоянного тока, зарядные устройства, электронные балласты и т.д. ответственны за рост проблем, связанных с качеством электроэнергии. Эти нелинейные нагрузки являются основными источниками гармонических искажений в системе, а гармонические токи, генерируемые нелинейными нагрузками, подаются обратно в системы распределения через точку общего присоединения (point of common coupling – PCC) и далее уходят трансмиссией в другие потребительские сети.
Гармоники оказывают ряд нежелательных эффектов на распределительную систему, которые в целом делят на две основные категории: кратковременные и долгосрочные. Кратковременные эффекты, как правило, наиболее заметны и проявляются чрезмерными искажениями напряжения, а долгосрочные часто остаются незамеченными и обычно связаны с увеличением резистивных потерь или перенапряжений.
Кроме того, гармонические токи, создаваемые нелинейными нагрузками, могут:
- негативно влиять на широкий спектр оборудования (и элементов) энергосистемы, и в первую очередь на конденсаторы, трансформаторы и двигатели, вызывая дополнительные потери, перегрев и перегрузку;
- вызывать помехи передачи информации по телекоммуникационным линиям и ошибки приборов учета, что в целом обусловило разработку стандартов, устанавливающих предельные нормы гармонических искажений, как для распределительных компаний, так и для их потребителей.
Пассивные фильтры для подавления гармоник в энергосистемах объектов разного назначения
Проблемы гармонических возмущений в энергосистемах могут быть решены с помощью пассивного и активного способа фильтрации, причем пассивная является простейшим традиционным решением для подавления гармонических токов и уменьшения искажений напряжения.
Обычные пассивные фильтры состоят из элементов индуктивности, емкости и сопротивления, сконфигурированных и настроенных на резонанс на одной частоте или в полосе частот.
Наиболее распространенным и экономичным типом пассивного фильтра является «режекторный» фильтр, соединенный параллельно с системой питания и имеющий низкое сопротивление (импеданс) на определенной («резонансной») гармонической частоте (на 3–15% ниже частоты наиболее значимой (по амплитуде) гармоники согласно Руководству по применению фильтров гармоник, включая пассивные шунтирующие – IEEE 1531-2020).
Достаточно популярны полосовые фильтры (high-pass filter – HPF), подавляющие спектр гармоник выше резонансной частоты, причем фильтры первого порядка из-за значительных потерь мощности на основной (фундаментальной) частоте используются сравнительно редко, а HPF третьего порядка с самой высокой эффективностью фильтрации обычно не рекомендуют для низковольтных сетей вследствие сложности проектирования, довольно большой стоимости и, соответственно, малой экономической целесообразности.
HPF фильтры второго порядка простые в проектировании, применении, обеспечивают хорошую фильтрацию гармоник, но имеют ряд недостатков, в целом характерных для всех пассивных фильтров. Так, компоненты фильтра большие по мощности и, соответственно, очень громоздкие, так как гармоники, которые необходимо подавить, обычно низкого порядка и с большими амплитудами. Кроме того, компенсационные характеристики этих фильтров зависят от импеданса источника и часто из-за неправильного подбора компонентов пассивные фильтры вызывают резонанс, тем самым влияя на стабильность систем питания. Поэтому при проектировании проводят энергетический аудит объекта с определением спектра гармоник, локализации источников эмиссии гармонических искажений, сбором информации о режиме работы, конфигурации энергосистемы, расположении (например, в помещении или на улице) и текущем рабочем цикле оборудования, скорости переключения, эксплуатационных ограничениях, окружающей среде и пр.
Об активных и гибридных фильтрах гармоник в следующем материале цикла.
