Динамические фильтрокомпенсирующие устройства

Динамические фильтрокомпенсирующие устройства

(ДФКУ) 0,4 кВ

Назначение

  В настоящее время большая часть промышленной и коммерческой нагрузки является нелинейной, что увеличивает уровень высших гармоник тока в низковольтных распределительных сетях и во всей системе электроснабжения. Это выражается в перегрузке трансформаторов, увеличении потерь мощности, ускоренном старении оборудования, ложных срабатываниях устройств защиты и т.д. Соответственно устройства сглаживания или компенсации гармонических составляющих тока приобретают все большую значимость как для производителей и поставщиков электроэнергии, так и для их потребителей.

  В сетях с повышенным содержанием высших гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками, применение обычных средств компенсации реактивной мощности, рассчитанных на синусоидальные токи и напряжения, связано с техническими трудностями.

  При необходимости компенсации нагрузок с быстроизменяющейся реактивной мощностью применяемое повсеместно регулирование мощности конденсаторной батареи путем подключения или отключения ее секций с помощью механических выключателей оказывается затруднительным, а часто и невозможным в связи с высокой стоимостью, малым быстродействием и низкой механической прочностью выключателей, а также ступенчатым характером регулирования мощности батареи. Возможно, кроме того, возникновение ударных коммутационных сверхтоков, зависящих от момента подключения батареи конденсаторов к питающей сети, а также неблагоприятное воздействие на конденсаторы токовых перегрузок при частоте высших гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками.

  Практика работы промышленных предприятий свидетельствует о том, что батареи конденсаторов, работающие при несинусоидальном напряжении, в ряде случаев быстро выходят из строя в результате вспучиваний и взрывов. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка их токами высших гармоник, которая возникает, как правило, из-за того, что конденсаторные батареи изменяют частотные характеристики систем и способствуют возникновению резонанса токов. При подключении батареи конденсаторов к шинам подстанции, питающей мощную вентильную нагрузку, какое бы ни было значение емкости батареи, всегда найдется такая группа гармоник, при которых конденсаторы вступают в режим резонанса токов (или близкий к нему) с индуктивностью сети.

  Токи резонансной группы гармоник, генерируемые вентильным преобразователем в сеть, приложены к батарее конденсаторов непосредственно. В то же время емкостное сопротивление батареи конденсаторов уменьшается с увеличением номера гармоники. Это приводит к тому, что через БК протекают значительные токи резонирующих гармоник, соизмеримые, а иногда и значительно превосходящие ток первой гармоники. Перегрузки по току на конденсаторы допускают до 30%, по напряжению – до 10% от номинальных значений. На самом деле за счет появления резонансных явлений перегрузка по току может достигать 400–500%, т.к. токи резонансных частот могут значительно превышать ток первой гармоники.

  Для приведения в соответствие с ГОСТ параметров электроэнергии в сетях любых объектов служат динамические фильтрокомпенсирующие установки – ДФКУ, (другие названия:

- активные фильтры гармоник -АФГ,

- в англоязычной литературе – AHC;

- динамические компенсаторы реактивной мощности с функцией фильтра высших гармоник – ДКРф;

- регулируемый источник реактивной мощности - ИРМ).

  Эти устройства предназначены для подавления гармоник до 25-ой включительно, компенсации реактивной мощности и контроля коэффициента мощности.

Принцип действия ДФКУ

  Электронная измерительная система контролирует активную и реактивную составляющую мощности путем измерения мгновенных значений напряжения и тока в силовой сети. Данные анализируются процессорной системой для определения картины спектра гармоник и фазового угла сдвига тока. Эта информация используется генератором импульсов, поступающих на мост широтно-импульсной модуляции преобразователя на основе IGBT для производства и выдачи в цепь именно такого гармонического тока (по амплитуде, форме и фазе), который необходим для компенсации искажений нагрузки и  реактивной составляющей, выходящей за установленные пределы в следующем цикле основной кривой тока (синусоиды).

Особенности и достоинства

- ДФКУ - это единственные устройства повышения качества электроэнергии, которые способны автоматически менять свои собственные характеристики при изменении параметров сети и динамически адаптироваться к изменениям в гармониках нагрузки и реактивной составляющей по каждой фазе;

- отсутствует риск резонанса с какой-либо гармонической частотой;

- устройство легко программируется на компенсацию только отдельных гармоник с целью обеспечения максимального КПД в пределах характеристик устройства;

- на практике величина гармонического тока уменьшается приблизительно на 90 %;

- компенсация реактивной мощности сверх заданной величины может осуществляться с точностью до десятых долей процента с миллисекундным быстродействием, что исключает возможность перекомпенсации, присущей статическим батареям конденсаторов;

- изделие автоматически ограничивает ток компенсации по своему максимальному номинальному значению, поэтому ДФКУ не может перегружаться и будет продолжать постоянно работать в таком состоянии без повреждений;

- ДФКУ имеют компактные габариты по сравнению с пассивными фильтрами гармоник;

- для оптимизации компенсации гармоник несколько ДФКУ могут быть соединены в различных конфигурациях, а также в комплексной схеме с пассивными фильтрами и другими устройствами компенсации реактивной мощности;

Результат применения ДФКУ

- поддержка требуемого коэффициента мощности установок нагрузки в строго заданных пределах;

- одновременное устранение несимметрии напряжения по фазам;

- устранение тока гармоник нулевой последовательности;

- подавление всего (либо заданного) спектра высших гармоник;

- компенсация просадок и скачков напряжения, уменьшение фликкер-эффекта;

- уменьшение потерь мощности;

- устранение ложных срабатываний устройств релейной защиты

- снижение общих расходов на электроэнергию за счёт снижение потерь электроэнергии в питающей и распределительной сети;

- уменьшение потерь активной мощности при максимуме нагрузки энергосистемы; снижение потерь реактивной мощности в питающей и распределительной сетях вследствие уменьшения токовых нагрузок средствами компенсации.

- подключение дополнительной активной нагрузки за счет частичной токовой разгрузки силовых трансформаторов и питающих кабелей;
- уменьшение нагрузки элементов распределительной сети (подводящих линий, трансформаторов и распределительных устройств), тем самым продление их срока службы;

- снижение стоимости оборудования вновь вводимых трансформаторных подстанций и стоимости сооружения питающей и распределительной сети, обусловленное уменьшением токовых нагрузок; - -

- максимальное использование мощности автономных дизель-генераторов (судовые установки, электроснабжение геологических партий, стройплощадок, установок разведочного бурения и т.д.);
- устранение глубокой "просадки" напряжения на линиях электроснабжения удаленных потребителей и исключение генерации реактивной энергии в сеть в часы минимальной нагрузки;
- обеспечение оперативной коррекции коэффициента мощности для устройств с сильнопеременной нагрузкой и стабилизацию питающего напряжения.

Конструкция

  ДФКУ изготавливаются в металлических 19-дюймовых шкафах (IP 21), внутри которых расположены специальные IGBT – модули, модуль индикации и управления и блок коммутации установки к сети. Модули снабжены системой принудительной вентиляции, что допускает работу в помещениях с температурой окружающей среды от +5 до +30 С.

Рис. 1   Блок-схема ДФКУ

Основные характеристики ДФКУ