Влияние силовых электронных преобразователей на качество электроэнергии в системах электроснабжения

Расширение внедрения силовых электронных преобразователей породило проблему их негативного влияния на качество электроэнергии. Причиной этому явился нелинейный и импульсный характер процессов преобразования электроэнергии посредством ключевых элементов, дискретно управляющих потоками электрической энергии. В результате работы ключевых элементов происходит искажение токов в цепях переменного тока и кроме активной мощности, потребляемой из сети (или передаваемой в сеть), также возрастают реактивная мощность, обусловленная фазовым сдвигом основных гармоник тока и напряжения, и мощность искажения. Появление в системе электроснабжения высших гармоник тока и напряжения приводит к росту потерь мощности, перегреву оборудования, старению изоляции, сбою аппаратуры и т.п.Поэтому современные стандарты на качество электроэнергии ограничивают содержание высших гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения.

Для преобразователей большой мощности наибольшее распространение получили преобразователи повышающие число фаз. Использование многофазовых схем одновременно позволяет снизить уровень высших гармоник в первичном токе и решить задачу наращивания мощности при ограниченной мощности единичного вентильного прибора. Эффективность этого способа в технико -экономических критериях можно оценить очень высоко. В то же время применение этого способа ограничивает управляемость энергетического потока и его параметров при изменении условий работы энергосистемы.

Реализация способа управления при использовании низкочастотных вентильных приборов с неполной управляемостью затруднительна. Использование же схем с принудительной коммутацией в большинстве случаев экономически нецелесообразно.

Использование внешних фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) позволяет наиболее эффективно решать задачу компенсации реактивной мощности, что также получило распространение в электроэнергетике. Однако эффективное подавление этими устройствами высших гармоник тока связано с известными трудностями, обусловленными противоречивыми требованиями к добротности (отношение значения активного сопротивления к полному сопротивлению звеньев резонансных фильтров). Такие фильтры в основном состоят из реактивных элементов и называются пассивными, так как не содержат управляющих элементов. Как следствие они могут вызывать нежелательные резонансные явления, опасные для энергосистемы, при высокой добротности или не выполнять своих функций при низкой.

Создание и освоение промышленностью в середине 90-х годов нового поколения полностью управляемых и быстродействующих полупроводниковых приборов: IGBT, запираемых тиристоров (GTO) и силовых модулей на их основе, принципиальным образом изменило ситуацию в решении проблемы влияния преобразователей на качество электроэнергии. Применение этих приборов позволяет эффективно использовать методы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для реализации различных законов изменения потребляемых из сети токов. В результате появилась возможность создания преобразователей переменного/постоянного тока, формирующих напряжения и токи с нужными параметрами.

С учетом новых возможностей получили развитие следующие направления решения проблемы влияния прео бразователей на качество электроэнергии:

  1. Обеспечение синусоидальной формы переменных токов и значения cos φ = 1 (или с адаптивно изменяющимся значением) устройствами силовой электроники.
  2. Активная фильтрация (компенсация) высших гармоник тока, генерируемых преобразователем с одновременной компенсацией реактивной мощности основной гармоники.
  3. Управление добротностью и резонансной частотой пассивных LC- фильтров.

Методы первого направления основаны на непосредственном использовании преобразователя переменного/постоянного тока, выполненного на полностью управляемых ключевых элементах. Посредством ШИМ в таком преобразователе формируются токи и напряжения с низким содержанием высших гармоник.

Сравнительно новым методом является использование в неуправляемых выпрямителях «корректора коэффициента мощности». Основой такого корректора служат накопительный реактор и ключ, работающий в режиме ШИМ.

Методы второго направления являются наиболее эффективными для улучшения качества электроэнергии в системах, находящихся в эксплуатации и питающих потребители с искажающим током, например мощные выпрямители или электротранспорт. В этом случае необходимо использование независимых устройств, устраняющих их отрицательное влияние на энерго систему. Такими устройствами являются активные фильтры, в основе принципа действия которых лежит компенсация разности несинусоидального тока нелинейного потребителя и синусоидального тока, который должен протекать в энергосистеме.

Активный фильтр выполняется на основе преобразователя переменного/постоянного тока на полностью управляемых ключах, например запираемых тиристорах (т.е. работающего как в выпрямительном, так и в инверторном режиме с любым углом управления). При этом следует учитывать, что генерируемая им мощность является компенсирующей мощность искажения или реактивную. Поэтому на стороне постоянного тока активного фильтра устанавливается накопитель электроэнергии, например конденсатор. Энергия, запасаемая в этом конденсаторе, должна быть достаточной для обеспечения обмена неактивной мощностью за период основной частоты. Незначительные активные потери компенсируются коррекцией алгоритма управления ключами.

Схема подключения активных фильтров весьма разнообразна. Достаточно нагляден принцип действия фильтра при параллельном подключении к шинам искажающего потребителя. Упрощенная схема такой системы представлена на рисунке 1.

Выпрямитель в энергосистеме потребляет искаженный ток İв с формой, близкой к прямоугольной. В этом случае для сохранения синусоидальности тока в системе ic необходимо, чтобы активный фильтр генерировал ток İа.ф, равный разности İа.ф = ⅛ - ic, при этом энергообмен активного фильтра и системы энергоснабжения будет осуществляться реактивной мощностью и мощностью искажений.

В Японии в настоящее время на базе GTO разработаны активные фильтры мощностью от 40 мВА до 60 мВА, устраняющие негативное влияние высокоскоростных электропоездов на качество электроэнергии.

Основным недостатком активных фильтров является их высокая стоимость, о бусловленная необходимостью иметь мощность активного фильтра, соизмеримую с мощностью потребителей, искажающих качество электроэнергии.

Менее эффективными, но относительно недорогими являются гибридные фильтры ГФ. Принцип действия гибридных фильтров основан на подключении к пассивным звеньям активных элементов (активных фильтров АФ небольшой мощности), настроенных на собственную частоту. Схема пассивного звена LC-фильтра изображена на рисунке 2.

В этом случае активный элемент является регулируемым полным сопротивлением, способным корректировать параметры пассивного фильтра: понижать его добротность в переходных процессах, повышать ее для улучшения фильтрации, производить подстройку резонансной частоты.

Большинство видов нетрадиционных источников электроэнергии (топливные элементы, солнечные батареи, МГД-генераторы и др.) вырабатывают электроэнергию на постоянном токе. При этом, как правило, прямые нетрадиционные источники имеют неудовлетворительные внешние и регулировочные характеристики, а также нуждаются в дополнительных преобразователях при объединении их в какую-либо, например автономную, систему. Эти задачи сегодня решаются исключительно средствами силовой электроники, что позволяет получить дополнительные мощности электроэнергии на отдаленных или специальных объектах.

 

Литература

  1. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Изд. Дом Додэка-XXI, 2001.
  2. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992.
  3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982.
  4. Силовая электроника – краткий терминологический словарь / Под. ред. док. техн. наук, проф. Ф. И. Ковалева. М.: Изд. «Информэлектро», 2001.
  5. Уильяме Б. Силовая электроника: приборы, применение, управление: Справочное пособие: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1993.
Год: 2012
Город: Костанай