Применение электронных силовых устройств в составе активных фильтров для повышения качества электроэнергии

Технические средства для фильтрации гармонических искажений можно разделить на три типа:

1. Пассивные.

2. Активные.

3. Гибридные.

Пассивные электронные фильтры

В электротехнике стандартно использовались пассивные фильтры для устранения ненужных гармоник напряжения и тока. Эти фильтры включают индуктивные (L) и емкостные (С) элементы, объединенные по определенной топологии двухполюсника или четырехполюсника.

Из-за того, что электрическое сопротивление пассивных фильтров меняется в зависимости от частоты, они могут влиять на гармонические компоненты несинусоидальных напряжений, токов.

Фильтры в электрических системах, занимающихся преобразованием электроэнергии, используются большей частью для того, чтобы гарантировать, что силовые цепи переменного тока имеют синусоидальную форму напряжения (или тока), а цепи постоянного тока имеют меньшую пульсацию.

На чаше весов у пассивных фильтров:

1. Основные недостатки: отсутствие управления и малые возможности по функционалу.

2. Достоинства: простота реализации по схемотехнике.

И недостатки играют существенную роль, ухудшая работу пассивных фильтров при изменении гармонического состава фильтруемых токов или напряжений, а также при колебаниях частоты и изменениях параметров электрической сети, к которой они подключены. Кроме того, переходные процессы могут вызывать непозволительные перенапряжения и сверхтоки в электросети.

Таким образом, пассивные фильтры, несмотря на свою простоту, имеют свои ограничения и не всегда идеально справляются с коррекцией гармоник в электрических системах.

Гармонические искажения в электрических сетях ранее не получали достаточного внимания несмотря на то, что еще в советское время на промышленных объектах использовались пассивные фильтры, которые позволяли снизить искажения на гармониках первых порядков (до 11-13).

И только в последние два десятилетия в развитых странах обнаружена прямая связь между увеличением числа аварий в силовых сетях и уровнем гармонических искажений. Это соотношение подтверждается научными исследованиями.

Активные силовые электронные фильтры

Для контроля частотных характеристик были разработаны силовые активные фильтры – AHF (Active Harmonic Filter), которые могут регулироваться и приспосабливаться к изменениям. Тем самым они сильно превосходят чувствительные к колебаниям своих параметров пассивные фильтры.

Основное отличие силовых активных фильтров заключается в их базе — скоростные и полностью управляемые ключи нового поколения — силовые транзисторы и запираемые тиристоры, что позволяет обеспечивать контроль частотных характеристик. Именно эти ключи и позволили создать активные силовые фильтры для силовой электроники.

АФ ― активный (силовой) фильтр, представляет собой преобразователь переменного/постоянного тока, имеющий более широкий спектр функций и характеристик, чем обычный фильтр.

Термин "активный фильтр" не полностью описывает важные особенности и функции этого устройства. Это преобразователь, который использует методы импульсной модуляции для формирования усредненного значения тока (напряжения), равного разности между нелинейным (фильтруемым) током или напряжением и синусоидальным током (напряжением) его основной гармоники. Это достигается с помощью использования емкостного или индуктивного накопителя электрической энергии на стороне постоянного тока.

Активный фильтр выполняет функции не только фильтрации, но и компенсации, управления гармониками и регулирования мощности. Это устройство способно компенсировать реактивную мощность, снижать гармоники тока и напряжения, обеспечивать стабильность напряжения и регулировать форму волны.

Активные фильтры гармоник AHF выполняют следующие функции:

• компенсируют токи высших гармоник, которые находятся в диапазоне от 2-го до 50-го порядка;

• создают реактивную мощность, которая может быть как индуктивного, так и ёмкостного характера, и вводят ее в электрическую сеть;

• поддерживают требуемое значение коэффициента мощности;

• компенсируют несимметрию токов, поступающих от источника электроэнергии.

Гибридные фильтры

Фильтры, основанные на пассивных фильтрах с активной частью, аналогичной активным фильтрам. Эти фильтры объединяют преимущества пассивной и активной фильтрации, обеспечивая более эффективное и стабильное электроснабжение.

Гибридные фильтры можно разделить на источники тока и источники напряжения в зависимости от схемы и принципов управления.

Появление возможности управления параметрами пассивных фильтров с развитием активной фильтрации позволяет использовать методы активной фильтрации в практических целях.

Применение активных силовых фильтров ограничено их высокой стоимостью из-за необходимости использования больших мощностей элементов. Эти фильтры предназначены для работы с максимальными значениями напряжения и тока, определяемыми полной мощностью нелинейных нагрузок, которые создают высшие гармоники тока.

Пассивные фильтры остаются популярными и широко применяемыми. Их преимущество в том, что при их производстве не требуются новые технологии и эти фильтры являются общепринятым и стандартным решением для повышения качества электроэнергии. Они широко используются практически во всех электрических сетях.

В последнее время были разработаны новые методы управления пассивными фильтрами, которые используют активные фильтры для регулировки их параметров. Это снижает затраты энергии на активные фильтры более чем в 10 раз по сравнению с традиционными активными фильтрами, которые работают параллельно с пассивными фильтрами. Такой подход совмещает преимущества пассивной и активной фильтрации и позволяет автоматически корректировать параметры фильтра по мере его использования, что приносит большую гибкость и эффективность в регулировании качества электроэнергии и позволяет достичь нужного уровня фильтрации с гораздо меньшими затратами на активные компоненты.

Применение активных фильтров для повышения качества электроэнергии

В силовых электронных устройствах используются электронные ключи (существенно нелинейные элементы), которые могут вызывать искажения в потребляемом из сети токе из-за периодической коммутации ключей в преобразователях электроэнергии.

Иногда к значительным искажениям может приводить и работа ключей совместно с LC-фильтрами.

К примеру, использование емкостных фильтров в выпрямителях при внедрении силовых электронных устройств в различные области техники вызывало искажение потребляемого переменного тока, что отражалось на увеличении искажений тока потребителей.

Далее по цепочке: искажение тока искажает напряжение в сети, вызывая потери мощности, сокращение срока службы оборудования, возникновение сбоев в его работе и другие негативные последствия.

Необходимость снижения гармонических искажений стимулировала разработку активных фильтров и их применение в различных областях техники.

Промышленность, транспорт, центры управления с большим количеством компьютеров и другие секторы начали широко использовать активные фильтры. Крупные компании по производству электротехники стали массово выпускать активные фильтры. Япония стала одной из наиболее успешных стран, где эти фильтры активно применяются.

В Японии был разработан активный фильтр мощностью 300 кВА для ретрансляционной станции, питаемой четырехпроводной линией. Система питания станции использует однофазные выпрямители с емкостным фильтром. Это приводит к перегрузке нейтрального провода высшими гармониками тока, кратными трем.

Однако использование однофазных активных фильтров позволяет компенсировать гармонические искажения тока и обеспечивает более сглаженную форму фазных токов, близкую к синусоидальной. Кроме того, значительно сокращается ток, протекающий через нулевой провод, что является дополнительным преимуществом.

Еще одно удачное достижение применения мощных активных фильтров –это фильтры, используемые для устранения искажений в токах и напряжениях, вызванных работой скоростных электропоездов. Эти электропоезда оказывают воздействие на электрическую сеть не только в форме искажений токов, но и приводят к провалам напряжения, колебаниям и несимметрии. Установка активных фильтров дает возможность эффективно бороться с этими проблемами.

20 скоростных электропоездов проходят в течение одного дневного часа на участке рядом с электрической подстанцией. Каждый из этих поездов потребляет значительное количество электроэнергии, достигающее 12 МВт.

Что сделали: для борьбы с негативным влиянием тяговой линии электропередачи на качество электроэнергии, транслируемой по трехфазной линии переменного тока напряжением 154 кВ, на подстанциях установили параллельные активные фильтры (мощность от 40 до 60 МВА) на основе инверторов напряжения с ШИМ.

Для достижения стабильности напряжения, улучшения коэффициента мощности до cosφ = 1 и устранения провалов напряжения до нуля продолжительностью несколько периодов и более могут быть эффективно применены кондиционеры сети. Они основаны на использовании параллельных активных фильтров и последовательных регуляторов напряжения. Такой подход позволит эффективно решать проблемы и обеспечивать надежную и стабильную работу электрической сети.