Показатели качества электроэнергии

Конденсаторы в схемах ФКУ могут  соединяться в треугольник или  звезду. Выбор способа включения  определяется соотношением номинальных  напряжений сети и конденсаторов. Заземлять  нулевую точку БК ФКУ в сетях 6–10 кВ недопустимо.

При включении в звезду реакторы могут подключаться либо после конденсаторов  к нулевой точке, либо до них. При  подключении БК после реакторов  они могут быть разделены на две  группы; в нейтральный провод через  трансформатор тока или напряжения включается реле аварийной сигнализации, срабатывающее при выходе из строя  одного конденсатора. Батареи конденсаторов  целесообразно набирать из конденсаторов  напряжением выше 1кВ большой единичной  мощности (50–100 квар).

Мощность БК ФКУ, квар, определяется по выражению 

(12.6)

где U_номБК – номинальное напряжение БК, кВ; I_nS – действующее значение ВГ тока, проходящих через ФКУ n_р-й гармоники, А; – при соединении БК в звезду; – при соединении в треугольник.

Ток I_nS определяется по формуле (при n учитываемых гармониках):

(12.7)

где I_nq – ток n_q-й гармоники; s_nq – доля тока n_q-й гармоники, проходящего через ФКУ n_р-й гармоники.

Коэффициенты s_nq находятся по следующим выражениям:

(12.8)

где .

При установке  двух ФКУ с частотами настройки n_р1 и n_р2:

(12.9)

(12.10)

где ; ; ; .

При установке  одного ФКУ и отдельной БК

(12.11)

(12.12)

Отсутствие перегрузки БК по мощности и превышения напряжения на них сверх  номинального проверяются с помощью  неравенства

,        (12.13)

где n_р – номер гармоники, на которую настроено ФКУ; – наибольшее возможное в условиях эксплуатации значение линейного напряжения на шинах подстанции; – ток n-й гармоники, протекающий через БК;  
с_u – коэффициент допустимости перегрузки БК по напряжению.

Для n > 3 вторым слагаемым можно пренебречь, и условие (12.13) примет вид

.

Условие отсутствия перегрузки по току

,

где  с_i – коэффициент допустимости перегрузки БК по току.

Если требуемая мощность БК ФКУ  превосходит оптимальную величину РМ Q_к.у, ФКУ настраивается на частоту гармоники порядка

(12.14)

где n_нм – наименьший порядок гармоники из имеющихся в амплитудном спектре тока нелинейных нагрузок; Q_p(n_нм) – мощность БК, определенная по выражению (12.6).

Относительное значение остаточного напряжения -й гармоники после установки ФКУ

.(12.15)

При возможности параллельной работы ФКУ, подключенных к разным секциям (системам шин) подстанции и настроенных  на частоту одной и той же гармоники, каждое из ФКУ выбирается по мощности КЗ при параллельной работе их с  учетом суммарного тока ВГ источников.

 

Лекция 13

 

Продолжение лекции 12

В практике электроснабжения предприятий наибольшее распространение получила система  местной или локальной компенсации  ВГ и РМ, когда корректирующие устройства (как правило, ФКУ) подключаются непосредственно  к узлу питания нелинейных нагрузок. Такой подход обеспечивает в ряде случаев снижение уровней ВГ до значений даже меньших, чем ПДЗ согласно стандарту, однако оказывается весьма дорогостоящим. В последние годы по рекомендации СИГРЭ на предприятиях начинает использоваться иной подход к корректировке уровней  ВГ и КРМ, называемый централизованной компенсацией (или коррекцией) указанных  параметров [81]. Как следует из названия, идея централизованной компенсации  заключается в размещении ФКУ  на одной из подстанций СЭС предприятия; параметры ФКУ выбираются таким  образом, чтобы уровни ВГ на всех подстанциях  СЭС были в допустимых пределах и  обеспечивался необходимый уровень  КРМ.

Задача выбора места установки, числа и мощности ФКУ в СЭС  с несколькими нелинейными нагрузками решается методом последовательных приближений. На первом этапе производятся расчеты несинусоидальности при  последовательной установке в каждом узле идеальных ФКУ 5, 7, 11 и 13-й ВГ; мощности ФКУ принимаются в предположении, что через ФКУ протекают только токи ВГ, на которые они настроены (другими словами, рассматривается  режим КЗ в узлах для каждой ВГ). Далее выбираются те узлы, при  установке идеальных ФКУ в  которых обеспечивается снижение несинусоидальности до допустимого уровня. Операция повторяется; как правило, можно ограничиться вторым приближением.

Структурная схема алгоритма  расчета снижения несинусоидальности путем централизованной коррекции  представлена на рис. 13.1.

Централизованное использование  ФКУ для снижения несинусоидальности наиболее эффективно в СЭС со стабильными  конфигурацией и нагрузками. Приведенные  затраты при централизованной коррекции  несинусоидальных режимов оказываются  на 15–20 % меньше в сравнении с  вариантом локальной установки  ФКУ.

В последние годы в СЭС предприятий  и, особенно, ЭЭС получают распространение  так называемые комбинированные  или сложные фильтры ВГ. Они  представляют собой комбинации ФКУ  и БК и обладают свойствами узко- или широкополосных фильтров и источников РМ.

При  этом  уменьшаются мощность реакторных групп, загрузка конденсаторов по току и напряжению и в целом потери в фильтре.

 

Рисунок 13.1- Структурная схема расчета снижения несинусоидальности путем централизованной коррекции

В качестве примера на рис. 3.19 приведена схема  комбинированного фильтра, который  по своим свойствам эквивалентен сочетанию резонансного фильтра  и отдельной БК; на рис. 3.20 представлена схема комбинированного фильтра  шести ВГ. добротности всех полосных фильтров.

 

Рисунок 13.2- Схема комбинированного фильтра ВГ

Рисунок 13.3- Схема комбинированного фильтра шести ВГ

 

Каждое из звеньев этого устройства является фильтром двух ВГ; частоты этих ВГ устанавливаются  соответствующим выбором параметров ректоров LR1, LR2, LR3, LR4, LR5, LR6. Резисторы обеспечивают снижение добротности всех полосных фильтров.

Пример 2. Выбрать ФКУ для подстанции, питающей электролизное производство. Исходные данные: мощность КЗ S_к = 185 МВ^_.А; мощность 12-пульсного преобразователя 15 МВ^_.А; U_ном = 10,5 кВ; оптимальное значение РМ Q_о = 3,1 Мвар; K_U(11) = = 5,8 %; K_U(13)  = 4,3%; K_U = 7,3 %. Номинальное напряжение конденсаторов U_{ном БК} = 6,6 кВ.

Решение.

1. Токи ВГ преобразователей:

; .

2. Принимаем к установке один  ФКУ, настроенный на частоту  11-й гармоники. Мощность БК  принимаем равной оптимальному  значению РМ:

Q_р = 3,1 Мвар;

.

3. Находим  долю тока 13-й гармоники, протекающего  через ФКУ:

.

Ток ВГ в  цепи БК

 А.

Минимальная мощность БК ФКУ на три фазы

Q_р = 3 ×1,2 ×93 ×6,6 = 2210 квар < 3000 квар,

что подтверждает допустимость установленной  мощности БК.

При установке ФКУ 11-й и 13-й гармоник мощность БК фильтров Q_р = 3(1,2×6,6×75+1,2×6,6×63) = 3279 квар > 3100 квар, т.е. значительно больше оптимального значения РМ.

4. Фильтро-компенсирующее  устройство 12-й гармоники при k_р = 1,42×10^-2 будет загружено токами 11-й и 13-й гармоник:

;

.

Ток ВГ через  ФКУ

.

Минимальная мощность БК ФКУ

Q_р = 3×1,2×104×6,6 = 2474 квар < 3000 квар.

Таким образом, возможна также установка ФКУ, настроенного на частоту 12-й гармоники. Вариант установки ФКУ 11-й гармоники является предпочтительным, так как БК загружены по току на % меньше, что благоприятно сказывается на их температурном режиме и сроке службы.

Лекция 14

Активные  фильтры и фильтры высоких  порядков

Опыт использования  ФКУ в СЭС показал, что эти  устройства, наряду с их несомненными достоинствами, имеют ряд недостатков: значительная установленная мощность, особенно в случае использования  нескольких ФКУ; влияние АЧХ входного сопротивления питающей сети со стороны узла на качество фильтрации, в наибольшей мере – при нестабильности этой характеристики; вероятны значительные перегрузки ФКУ и их повреждения (например, в сетях ДСП) в случае, когда нельзя исключить появление ВГ более низкого порядка, чем частота настройки ФКУ. Имеются и другие недостатки.

Наиболее перспективным решением явилось применение активных и гибридных  фильтров.

Рисунок 14.4- Структурная схема активного фильтра

Активный  фильтр (АФ) является источником тока , который компенсирует реактивную составляющую (по Фризе) и ВГ тока нагрузки . Последнее обеспечивается с помощью устройства управления (на схеме не показано).

Активные  фильтры включаются либо параллельно, как показано на рис. 3.21, либо предусматривается  продольное включение – в рассечку линии.

Идентификация (выделение) реактивной составляющей и ВГ тока нагрузки основывается на определении активной мощности, потребляемой нагрузкой и, соответственно, активной составляющей этого тока. Путем вычитания этой составляющей из тока нагрузки находится «нежелательный»  ток – реактивные составляющие первой гармоники и высших, подлежащие компенсации  с помощью АФ.

На рис. 14.5 представлены осциллограммы токов i_L, i_к, i_S, полученные авторами на модели в лабораторных условиях, иллюстрирующие эффективность рассмотренного устройства параллельного АФ.

На рис. 14.5 представлена принципиальная схема продольной системы компенсации и фильтрации с использованием АФ.

 

Рисунок 14.5- Осциллограммы токов, иллюстрирующие эффективность устройства параллельного АФ

 

Рис. 14.6- Схема продольной системы компенсации и фильтрации с использованием АФ

 

Подобные системы позволяют  обеспечить не только минимизацию ВГ и интергармоник, но и регулирование  напряжения у потребителя, поскольку  напряжение U_к может изменяться по амплитуде и фазе. Соответственно система продольного включения АФ может иметь характер индуктивного или емкостного сопротивления на основной частоте. В последнем случае она может рассматриваться как конденсатор в установке ПК.

Гибридные фильтры. Активные фильтры лишены ряда недостатков, присущих ФКУ. Однако установленная мощность АФ оказывается значительной, сравнимой с мощностью нелинейных нагрузок, уровень ВГ которых минимизируется с помощью АФ. Поэтому при больших мощностях ВП использование АФ может оказаться экономически нецелесообразным. Альтернативным решением является использование так называемых гибридных фильтров (ГФ), в которых АФ включается последовательно либо параллельно резонансным фильтрам.

На рис. 14.7 представлена схема параллельной гибридной системы компенсации ВГ и РМ.

Система рис. 14.7  называется параллельной, поскольку совокупность активных и резонансных фильтров включена параллельно источнику питания. Трехфазная сеть с индуктивностями L_S нагружена мостовым ВП, питающим потребителя с параметрами R₀, L₀. Установлены ФКУ 5-й и 7-й ВГ и один демпфированный широкополосный фильтр. Активный фильтр включен последовательно с ФКУ через трансформаторы тока с k_тр = 1.

В схеме последовательного (продольного) ГФ включается АФ последовательно с  нагрузкой через специальные  трансформаторы.

В обеих системах установленная  мощность АФ оказывается значительно  меньшей, чем при использовании  только АФ, т.е. АФ играет роль вспомогательного устройства, обеспечивающего как  бы дополнительную «подчистку» кривых напряжения и тока источника, искажаемых нелинейным потребителем.

Рекомендуемые способы подключения в конкретных случаях представлены в табл. 14.1.

 

 

Рисунок 14.7-Схема параллельного ГФ

Таблица 14.1

 

Способ подключения активного  фильтра	Источник проблемы
	Влияние нагрузки на сеть	Влияние сети на нагрузку
Параллельно	фильтрация гармоник тока компенсация реактивной мощности несимметрия тока колебания напряжения
Последовательно	фильтрация гармоник тока компенсация реактивной мощности несимметрия тока колебания напряжения несимметрия напряжения	провалы/броски напряжения несимметрия напряжения искажения напряжения перерыв электроснабжения несимметрия напряжения
Последовательно-параллельно	фильтрация гармоник тока компенсация реактивной мощности несимметрия тока колебания напряжения несимметрия напряжения	провалы/броски напряжения несимметрия напряжения искажения напряжения перерыв электроснабжения колебания напряжения