Активные фильтры гармоник для энергосистем объектов разного назначения. Шунтирующие активные фильтры гармоник, их преимущества и недостатки.
Значительный прогресс в силовой электронике подстегнул интерес к использованию активных фильтров гармоник (АФГ, active power filter – APF) для уменьшения гармонических искажений. Основной принцип работы АФГ заключается в генерации токов частот разных порядков в «противофазе» токам гармоник нелинейной нагрузки, что приводит к взаимному «уничтожению» и очищает силовую сеть, но только выше места подключения активного фильтра гармоник.
Максимально упрощенно любой активный фильтр гармоник – ШИМ преобразователь с программно-логическим контроллером (ПЛК), причем силовой блок инвертора преобразователя построен на высокоскоростных полупроводниковых ключах, как правило биполярных транзисторах IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) с изолированным затвором. В отличие от пассивных фильтров на базе реакторов и силовых конденсаторов (см. предыдущий материал цикла) АФГ работают не с одной гармоникой и не «полосой» частот выше резонансной гармоники, а «избирательно» с частотами спектра до 50 порядка, устанавливаемыми настройкой ПЛК.
В целом для активных фильтров нет «разницы» в фундаментальной и нефундаментальных частотах, т.е. обратные по фазе токи могут генерироваться на любой частоте, что привело к появлению так называемых генераторов реактивной мощности (Static var generator – SVG). SVG ориентированы на компенсацию реактивной мощности на фундаментальной частоте, как индуктивного, так и емкостного характера, а параллельно могут нивелировать искажения на других нефундаментальных частотах.
Т.е., по сути, SVG выступают в роли альтернативы, как конденсаторным установкам, так и синхронным машинам, реакторам, используемым для компенсации потребности в (соответственно) индуктивной и емкостной реактивной энергии, отличаются быстродействием, однако не конкурентные тем же УКРМТ (конденсаторные установки с тиристорным переключением ступеней) из-за очень высокой цены.
Важно: число «обрабатываемых» АФГ(или SVG) частот и сама возможность генерации значительных по амплитуде реактивных токов на фундаментальной частоте определяется числом и мощностью очень дорогих на текущий момент IGBT транзисторов в силовом блоке инвертора, т.е. чем больше спектр гармоник и выше потребность в реактивной энергии на фундаментальной частоте, тем дороже активный фильтр.
Кроме того:
- место и способ подключения (параллельное, последовательное, вблизи или на удалении от нагрузки-источника эмиссии гармоник) АФГ (или SVG) будет влиять, как на цену фильтра, так и на степень очистки силовой сети, поскольку (условно) чистой сеть будет исключительно выше места интеграции АФГ;
- как и любое оборудование с преобразователем АФГ является источником эмиссии гармоник в сеть выше места подключения, а потому должно комплектоваться (или проектироваться) с соответствующей защитой (обычно пассивным фильтром или реактором).
Шунтирующие активные фильтры гармоник, их преимущества и недостатки
Сегодня вне зависимости от торговых названий в целом все АФГ можно разделить на шунтирующие, последовательного подключения (series) и гибридные – комбинации АФГ последовательного, параллельного подключения и пассивных фильтров гармоник (см. рис. ниже).
Шунтирующий АФГ включает ШИМ преобразователь напряжения или тока, а фильтры на базе на основе инвертора напряжения (voltage source inverter – VSI) на сегодняшний день наиболее распространены благодаря своей топологии, достаточно лояльной цене (в сравнении с другими АФГ) и простой процедуре установки. Такой фильтр (упрощенно) состоит из конденсатора в звене постоянного тока (Cf), силовых электронных IGBT переключателей и сопряженных катушек индуктивности (Lf) (см. рис. ниже).
Генерация токов в противофазе компенсируемым токам гармоник достигается за счет «формирования» формы сигнала IGBT вентилями, которые могут быть изначально подобраны с «небольшой» мощностью (в сравнении с вентилями АФГ последовательного подключения), а это позволит снизить цену активного фильтра. Такие АФГ предпочтительно ставить максимально ближе к нагрузке – источнику эмиссии, а перед интеграцией (в случае отсутствия или сомнений в достоверности информации от производителя) проверить наличие и амплитуду гармоник, генерируемых самим преобразователем при переключении IGBT вентилей в силовом блоке.
Об активных фильтрах гармоник последовательного подключения и гибридных АФГ смотреть в следующем материале цикла.
