CC BY
29
Устройство подавления высших гармоник тока
Н.Н. Вихорев, А.И. Чивенков, Д.А. Алешин, Е.А. Чернов Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Аннотация: В статье описан способ подавления гармонических искажений тока в линии электропередач без непосредственного их измерения, с помощью устройства не требующего непрерывного спектрального анализа тока. Приведены осциллограммы токов в узле подключения устройства подавления высших гармонических тока, полученные в результате имитационного моделирования работы энергосистемы с нелинейной нагрузкой и фильтром в среде Matlab/Simulink. Представлено математическое описание предлагаемого принципа подавления высших гармоник тока.
Ключевые слова: устройство подавления, гармоническое искажение, имитационное моделирование, линия электропередач, импеданс, электромагнитная помеха.
Приоритетным направлением развития науки и техники в области контроля, диагностики и обеспечения точности, надежности работы является совершенствование существующих, создание новых энерго- и ресурсосберегающих установок, технического оснащения, систем измерения и управления качеством напряжения в системах электроснабжения общего назначения, с целью улучшения формы несинусоидальных напряжений.
Подключение к системе электроснабжения потребителей с нелинейной рабочей характеристикой приводит к протеканию в линиях электропередач высших гармонических составляющих тока (ВГТ), что негативно сказывается на работе других устройств. ВГТ приводят к ложным срабатываниям защитных систем, возникновению электромагнитных помех, влияющих на работу расположенных рядом устройств, снижению нагрузочной способности электромагнитных устройств (двигателей, трансформаторов), а также дополнительному нагреву и ускоренному износу батарей конденсаторов, входящих в состав устройств компенсации реактивной мощности.
Снижение негативного влияния ВГТ на работу электрических устройств, подключенных к энергосистеме, достигается применением
фильтров, устанавливаемых как в узлах подключения источника высших гармонических составляющих тока, так и в узлах потребителей с высокими требованиями к качеству потребляемой электроэнергии [1, 2].
Фильтрующие устройства (ФУ) подразделяются на два крупных класса: неуправляемые и управляемые. Первых класс в подавляющем большинстве случаев представляют комбинации реактивных элементов (индуктивности и конденсаторы), параметры которых рассчитаны для подавления отдельно взятой гармонической составляющей тока, либо полосы значимых ВГТ (под номерами 3, 5, 7 и т.д.)
В управляемых ФУ соотношения реактивных элементов могут быть изменены с помощью контролирующих органов, что в результате приводит к смещению фильтруемой полосы частот. Такие устройства выполняются с применением тиристорных ключей, коммутирующих ступени реактивных элементов, либо регулирующих ток фильтра посредством системы импульсно-фазового управления (СИФУ).
Развитием идеи управляемых ФУ является применение ведомых сетью высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения (тока) постоянного в переменное (инвертор), работающих под управлением системы импульсной модуляции задающего сигнала [3].
Снижение уровня ВГТ осуществляется генерацией в узле подключения ФУ равных по амплитуде и частоте, а также противоположных по знаку токов. Осуществление такого способа фильтрации требует предварительного измерения и расчета параметров гармонических составляющих тока в линии электропередач.
Динамическое изменение ВГТ, приводит к переходным процессам в работе энергосистемы с ФУ, в результате которых ФУ может выступать как источник гармонических составляющих, до тех пор, пока параметры его
работы не будут изменены в соответствие с новым установившимся режимом энергосистемы.
Предлагаемым способом подавления ВГТ является подключение к линии электропередач ведомого сетью высокочастотного транзисторного инвертора напряжения с установленными на выходе реактивными элементами (например, сетевыми реакторами) [7]. Структурная схема предлагаемого фильтрующего устройства приведена на рисунке 1.
ЛоВ оС
СУ
Н
гу-ул
ь
ьс
УТ
г * г 2, е
^ ^ к *
с
I
Рис. 1 - Структурная схема фильтра ВГТ
К линии электропередач А, В, С подключена нелинейная нагрузка Н. Параллельно линии электропередач, вблизи нагрузки Н подключен фильтр ВГТ образованный инвертором напряжения VT, питающимся от емкостного накопителя С, напряжение на котором поддерживается на неизменном уровне, выходного LC-фильтра, отсекающего напряжением модулирующей
частоты, и реактивного элемента Ь установленного между выходом инвертора напряжения и узлом подключения фильтра ВГТ. Система управления СУ обеспечивает синхронную работу фильтрующего устройства и электрической сети, определение, формирование и стабилизацию первой гармонической составляющей напряжения.
На выходе инвертора формируется напряжение равное по фазе, амплитуде и частоте первой гармонической составляющей напряжения линии электропередач в узле подключения ФУ [9, 10]. Таким образом, через реактивный элемент будет протекать лишь ток, обусловленный высшими гармоническими составляющими, в то время как по основной гармонике ток будет равен нулю.
(1)
При формировании на выходе преобразователя фильтра напряжения, равного основной гармонике сетиЕ/и = А ■ зш(«£;), ток, протекающий через
выходные каскады фильтра 1Ф, представляет собой сумму ВГТ
пропорциональных импедансу реактивного элемента Ъ между преобразователем и узлом подключения:
(2)
На рисунке 2 приведена имитационная модель энергосистемы с фильтром ВГТ, разработанная в среде Ма^аЬ/БтиПпк, позволяющая проанализировать работу устройства подавления при различных параметрах реактивных сопротивлений линий электропередач и уровнях гармонических искажений тока [5, 8].
Блок А1 позволяет задавать напряжение источника питания; Ь1и R1 -параметры сопротивления линии электропередач; A4, A6, A7 -позволяют задавать параметры гармонических составляющих тока нагрузки. A2,R, L задают параметры элементов фильтра ВГТ. С помощью идеального контактора и органа управления Step фильтр может быть подключен или отключен в любой момент моделирования [4].
Рис. 2 - Имитационная модель энергосистемы с устройством подавления
ВГТ
Токи, протекающие в узле подключения А устройства подавления, при электрическом соединении ФУ и линии электропередач приведены на рисунке 3.
Рис. 3 - Токи сети, фильтра и общей нагрузки
До момента коммутации, производящегося через 0,04с после начала моделирования, в линии электропередач протекает ток сформированный основной, третьей и пятой гармонической составляющей, с амплитудами 10, 3 и 1 А соответственно.
После коммутации ФУ, высшие гармонические составляющие тока нагрузки, замыкаются в контуре «ФУ - Нагрузка», в то время как основная гармоника тока продолжает потребляться из линии электропередач.
Подавление гармонических составляющих тока в линии электропередач Iпроисходит благодаря различию в импедансах питающей
линии Zc и реактивного элемента введенного между ФУ и узлом подключения:
Z = 4 TTTt"?7, (3)
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает подавление ВГТ тем эффективнее, чем ближе оно установлено к источнику искажений и для своего функционирования требует лишь определения параметров основной гармоники напряжения в узле подключения. Помимо простоты реализации описываемый принцип фильтрации ВГТ исключает режимы генерации в сеть гармонических искажений при изменении спектрального состава тока нагрузки.
Литература
1. Akagi H. Generalized theory of the instantaneous power in three phase circuit / H.Akagi, Y. Kazanava, A. Nubae // Int. Power Electronics Conf, Tokio, Japan, 1983. - pp. 1375 - 1386.
2. Akagi H. Instantaneous power theory and applications to power conditioning / H. Akagi, H. Vatanable, M. Aredes // N.Y., IEEE Press, 2007. - 389 p.
3. Борисов А.С., Алешин Д.А., Вихорев Н.Н. Широтно-импульсная модуляция при параллельной работе инверторов напряжения на общую нагрузку // Актуальные проблемы электроэнергетики: сборник научно-технических статей. Посвящается 80-летию со дня рождения проф. С.В. Хватова. - Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева; Образовательно-научный институт электроэнергетики. 2018.
- С.62-65.
4. Вихорев Н.Н., Чивенков А.И., Панфилов И.С., Панфилов С.Ю. Моделирование работы автономного источника электропитания в среде MATLAB/Simulink // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. - НГТУ им. Р.Е. Алексеева, Н. Новгород, 2015. №4(111). С. 94-101.
5. Герман-Галкин С.Г. Matlab&Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК //Учебное пособие. - СПб.: Корона-Век, 2008. - 368 с.
6. Мелешин В.И., Овчинников Д. А. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии // Москва: Техносфера, 2011. - 576 с.
7. Ромаш Э.М., Драбович Ю.И., Юрченко Н.Н., Шевченко П.Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. - М.: Радио и связь, 1988.
- 288 с.
8. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс; Питер, 2008. - 288 с.
9. Чивенков А.И., Гребенщиков В. И., Антропов А.П., Михайличенко Е.А. Расширение функциональных возможностей инвертора напряжения систем интеграции возобновляемых источников энергии и промышленной сети // Инженерный вестник Дона, 2013, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1564.
10. Чивенков А.И., Севастьянов В.В., Трофимов И.М., Вихорев Н.Н., Гедифа А. Соотношение параметров входных цепей UPFC // Инженерный вестник Дона, 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3788.
References
1. Akagi H. Generalized theory of the instantaneous power in three-phase circuit. Tokio, Japan. 1983. pp. 1375-1386.
2. Akagi H. Instantaneous power theory and applications to power conditioning. H. Akagi, H. Vatanable, M. Aredes. N.Y., IEEE Press. 2007, 389 p.
3. Borisov A.S., Aleshin D.A., Vihorev N.N. Shirotno-impul'snaja moduljacija pri parallel'noj rabote invertorov naprjazhenija na obshhuju nagruzku. N. Novgorod: NGTU, 2018, pp.62-65.
4. Vihorev N.N., CHivenkov A.I., Panfilov I.S., Panfilov S.YU. Modelirovanie raboty avtonomnogo istochnika jelektropitanija v srede MATLAB/Simulink. Novgorod: NGTU, 2015, №4 (111), pp. 94-101.
5. German-Galkin S.G. Matlab&Simulink. Proektirovanie mehatronnyh system na PK [Matlab&Simulink. Design of mechatronic systems on PC]. SPb.: Korona-Vek, 2008, 368 p.
6. Meleshin V.I., Ovchinnikov D.A. Upravlenie tranzistornymi preobrazovateljami jelektrojenergii [Transistor power converter control]. Moscow: Tehnosfera, 2011, 576 p.
7. Romash Je.M. Vysokochastotnye tranzistornye preobrazovateli [High frequency transistor converters]. Je.M. Romash, Ju.I. Drabovich, N.N. Jurchenko, P.N. Shevchenko. Moscow: Radio isvjaz', 1988, 288 p.
8. Chernyh I.V. Modelirovanie jelektrotehnicheskih ustrojstv v MATLAB, SimPowerSystemsi Simulink [Modeling of electrotechnical devices in MATLAB, SimPowerSystemsi Simulink]. Moscow: DMK Press; Piter, 2008, 288 p.
9. ^^епк^ А.1., Grebenshhikov VI., Antropov А.Р., МШа]НЛепко Е.А. 1пйепегпу| vestnik Dona (Яш), 2013, №1. ЦЯЬ: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1564.
10. Chivenkov А.1., Sevastyanov V.V., Trofimov 1.М., Vikhorev К.К, Gedifa А. ТП^^ШУ^ vestnik Dona, (Rus), 2016, №4. ЦЯЪ: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3788.
