УДК 621.398

ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВНЫХ СИСТЕМ КОРРЕКЦИИ ВЕЛИЧИНЫ И ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОГО КОМПЛЕКСА С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ

Абрамович Борис Николаевич1, Сычев Юрий Анатольевич2
1ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», д.т.н., профессор, профессор кафедры Электротехники, электроэнергетики и электромеханики
2ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», к.т.н., доцент кафедры Электротехники, электроэнергетики и электромеханики

Аннотация
Статья посвящена проблеме в области повышения качества электрической энергии в системах с распределенной генерацией и в микросетях с интенсивным распространением нелинейной нагрузки. Выявлены основные типы активных систем коррекции величины и гармонического состава тока и напряжения. Приведен метод выявления и компенсации высших гармоник параллельным активным фильтром, описан способ коррекции коэффициента мощности статическим компенсатором реактивной мощности, определены основные типы гибридных активных систем коррекции.х

Ключевые слова: активная, гармоники, КАЧЕСТВО, коррекция, микросеть, отклонение, провал, распределенная


THE APPLICATION OF ACTIVE SYSTEMS OF VOLTAGE AND CURRENT HARMONIC CONTENT AND VALUE CORRECTION IN POWER SUPPLY SYSTEMS OF RAW MINERAL ENTERPRISES WITH DISTRIBUTED GENERATION SYSTEMS

Abramovich Boris Nikolaevich1, Sychev Yuriy Anatolievich2
1National Mineral Resources University "University of Mines", Dr.Tech., professor, professor of Department of Electric Engineering, Electrical Energetics and Electromechanics
2National Mineral Resources University "University of Mines", Ph.D., associated professor of Department of Electric Engineering, Electrical Energetics and Electromechanics

Abstract
The article covers power quality increasing problem in distributed generation power supply systems and microgrids with intensive non-linear load spread. The main types of active correction systems for voltage and current value and harmonic content are presented. The harmonic determining and compensation method for shunt active filter is described, the power factor correction method for static reactive power compensator is presented, and the main types of hybrid active correction systems are detected.

Keywords: active, correction, deviation, dip, distributed, harmonics, microgrid, quality


Библиографическая ссылка на статью:
Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А. Применение активных систем коррекции величины и гармонического состава тока и напряжения в системах электроснабжения предприятий минерально-сырьевого комплекса с распределенной генерацией // Современная техника и технологии. 2015. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/03/6252 (дата обращения: 02.10.2017).

В промышленных условиях суммарные затраты на электрическую энергию включают в себя три основных составляющих: плата за установленную мощность силовых трансформаторов, плата за заявленный максимум нагрузок и плата за уровень качества [1]. В настоящее время энергетическая составляющая в общих затратах на добычу, переработку и транспортировку твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых составляет 15% и более [1], одним из способов снижения которой является повышение уровня качества электрической энергии и приведение его в соответствие с нормами ГОСТ 32144-2013 и ведущих международных стандартов. Уровень качества электрической энергии является важным фактором обеспечения непрерывности технологического процесса добычи, переработки и транспортировки полезных ископаемых.

Несоответствие уровня качества электрической энергии нормам ГОСТ 32144-2013 приводит к сокращению срока службы основного электрооборудования, нарушениям в работе систем релейной защиты, электросетевой и технологической автоматики, помехам в системах связи, управления и телемеханики, а также к возникновению аварийных ситуаций и длительным перерывам электроснабжения ответственных по критерию устойчивости технологического процесса потребителей [1]. Результаты исследований [2] показывают, что даже кратковременные перерывы электроснабжения длительностью от 0,15-0,2 с могут привести к нарушению непрерывности технологического процесса на примере погружных электроцентробежных насосов нефтедобычи.

В условиях интенсивного распространения нелинейной нагрузки в виде различного типа силовых преобразователей частоты систем регулируемого электропривода технологического оборудования коррекция формы кривых тока и напряжения для повышения качества электрической энергии и обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования с помощью различных технических средств и решений является актуальной. Это вносит значительный вклад в повышение уровня энергосбережения и энергетической эффективности предприятий минерально-сырьевого комплекса.

С другой стороны, при комплексном использовании альтернативных и возобновляемых источников энергии в рамках распределенной генерации для энергообеспечения территориально-рассредоточенных и удаленных потребителей минерально-сырьевого комплекса растет число силовых преобразователей для управления потоками энергии, что также негативно сказывается на уровне качества электрической энергии [3]. На рисунке 1 приведена обобщенная структура системы распределенной генерации при взаимодействии и параллельной работе с централизованной энергосистемой. В этом случае для передачи электроэнергии от альтернативных и возобновляемых источников используется электротехнический комплекс, состоящий из вольтодобавочного преобразователя В (при необходимости повышения напряжения от фотоэлементов), конденсатора звена постоянного тока C и инвертора И. Подобный электротехнический комплекс аналогичен структуре преобразователя частоты, который является основным источником канонических высших гармоник.

Рисунок 1 Обобщенная структура системы распределенной генерации при взаимодействии с централизованной энергосистемой

Таким образом, как в условиях традиционных централизованных энергосистем, так и в условиях распределенной генерации проблема повышения качества электрической энергии является актуальной. При этом в условиях минерально-сырьевого комплекса особое внимание необходимо уделять уровню высших гармоник тока и напряжения, несимметрии напряжений, провалам, отклонениям и прерываниям напряжения.

Недостатками существующих традиционных технических средств и решений, предназначенных для повышения качества электрической энергии, является ограниченность спектра компенсируемых гармоник, воздействие на электрическую сеть, и возможное изменение ее конфигурации [4]. Пассивный фильтр можно настроить только на одну гармонику, для компенсации нескольких порядков гармоник требуется установка нескольких пассивных фильтров, что не всегда экономически целесообразно. Сглаживающие дроссели могут стать причиной возникновения резонансных явлений, если к сети подключены конденсаторные установки компенсации реактивной мощности. Установка разделительного трансформатора для питания нелинейной нагрузки связана с изменением конфигурации сети предприятия, что также не всегда целесообразно [4]. Традиционные вольтодобавочные трансформаторы не обладают достаточным уровнем быстродействия.

За последние 20 лет разработан ряд активных технических средств различной конфигурации и функционального назначения, способных в определенных условиях эффективно компенсировать высшие гармоники тока и напряжения, величину и длительность провалов, отклонений и прерываний напряжения. Среди этих средств в первую очередь необходимо выделить параллельные и последовательные активные фильтры, активные выпрямители, статические компенсаторы реактивной мощности (СТАТКОМ) и динамические компенсаторы искажения напряжения (ДКИН). Эффективность применения указанных технических средств определяется местом их размещения в компенсируемой электрической сети, структурой системы электроснабжения, типом, режимом работы и степенью рассредоточения нелинейной нагрузки.

При выборе основных параметров, режимов работы, структуры, компонентного состава, алгоритмического обеспечения и места размещения активных систем коррекции необходимо учитывать следующие классификационные признаки [5]:

  • корректируемый показатель качества электрической энергии;
  • способ подключения к электрической сети;
  • число и тип накопительных элементов;
  • тип силового преобразователя;
  • наличие гальванической развязки с сетью.

Режим работы активной системы коррекции определяется основной целью ее применения: компенсация высших гармоник тока и напряжения, устранение отклонений и провалов напряжения, компенсация несимметричных режимов нагрузки и источника, коррекция коэффициента мощности сети.

Различные способы соединения активных систем с пассивными фильтрами образуют гибридные системы, функциональные возможности которых значительно шире, но и алгоритмическое обеспечение более сложное. Способ подключения активной системы к электрической сети определяет величину генерируемого тока или напряжения.

При выборе номинального значения генерируемого параллельным активным фильтром компенсационного тока должны быть учтены следующие особенности [4]:

  • амплитуды высших гармоник, генерируемых основными типами нелинейных нагрузок, превышают установленные нормативными документами уровни в диапазоне порядков от 3 до 17;
  • необходимость не полной, а частичной компенсации высших гармоник до уровня, определенного стандартами (например, для сетей напряжением 0,4 кВ коэффициент искажения синусоидальности напряжения должен быть не более 8 %) [1, 4].

Также при выборе номинального компенсационного тока параллельного активного фильтра необходимо учитывать полноту информации о спектральном составе гармоник со стороны нелинейной нагрузки и сети.

Устройство СТАТКОМ по аналогии с параллельным активным фильтром состоит из трехфазного мостового преобразователя напряжения, выполненного на основе IGBT транзисторов и параллельно включенных диодов, и работающего в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), конденсаторную батарею на стороне постоянного напряжения, фазный реактор и широкополосный пассивный фильтр, настроенный на подавление высших гармоник [6]. Предполагая, что реактивная мощность устройства, которую оно может генерировать или потреблять, равна QСТ, то тогда реактивная мощность узла нагрузки может изменяться в пределах от Qmax=Qн+QСТ до Qmin=Qн-QСТ. Для гарантированного поддержания необходимого коэффициента мощности нагрузки QСТ должна быть несколько больше Qн. При существенном снижении напряжения в узле нагрузки компенсатор становится источником тока и генерируемая им реактивная мощность не уменьшается [6].

Среди множества функций таких компенсаторов классическими являются: подавление колебаний напряжения в узле нагрузки за счет компенсации резкопеременной реактивной мощности Qн; регулирование напряжения в узле нагрузки путем изменения потоков реактивной мощности; устранение несимметрии напряжения, вызванной неравномерным распределением реактивной мощности по фазам; повышение устойчивости узла нагрузки благодаря тому, что при провалах напряжения устройство работает в режиме источника тока независимо от напряжения в узле нагрузки [6].

Преимущество СТАТКОМа перед синхронными компенсаторами заключается в более высокой эксплуатационной надежности. По сравнению с тиристорно-реакторными группами оно снижает вероятность возникновения резонансных явлений, обусловленных наличием конденсаторных установок. Использование полностью управляемых силовых ключей создает предпосылки для разработки схем преобразователей с качественно иными энергетическими характеристиками.

ДКИН представляет собой преобразователь напряжения [6], содержащий выпрямитель и инвертор с пофазным управлением на базе полностью управляемых выпрямителей, который подключен к питающей сети потребителя и через вольтодобавочный трансформатор (ВДТ) перераспределяет активную и реактивную мощности таким образом, чтобы добавка напряжения ∆U на вторичной обмотке полностью компенсировала провал напряжения при внешнем коротком замыкании или провале напряжения.

Существующие модификации ДКИН классифицируются [6] по следующим основным техническим характеристикам:

  • по диапазону регулирования напряжения;
  • по входному напряжению;
  • по мощности устройств.

Основное назначение активных выпрямителей – обеспечение единичного коэффициента мощности на подключенной нагрузке. Последовательный активный фильтр как на основе ВДТ, так и на основе силового преобразователя предназначен для изоляции чувствительной нагрузки от гармонических искажений со стороны питающей сети.

Гибридные системы классифицируются в зависимости от способа соединения пассивной и активной части [5]. Наибольшее применение получили схемы с параллельным подключением активной части к пассивной. Гибридные системы обладают следующими основными преимуществами [7]:

  • повышение эффективности компенсации высших гармоник за счет управления частотной характеристикой активного фильтра;
  • демпфирование резонансных явлений;
  • исключение возникновения антирезонанса.

Таким образом, существующие разновидности и модификации активных систем коррекции уровня и формы кривых тока и напряжения позволяют в полной мере управлять уровнем качества электрической энергии как в централизованных энергосистемах, так и в микросетях с распределенной генерацией.


Библиографический список
  1. Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А., Гульков Ю.В. Системы коррекции кривых тока и напряжения в электротехнических комплексах нефтедобывающих предприятий. // Энергетика в нефтегазодобыче. 2005. № 1-2., С. 43-45.
  2. Минимизация ущерба при добыче нефти из-за кратковременных перерывов электроснабжения / Абрамович Б.Н., Муратбакеев Э.Х., Медведев А.В., Старостин В.В. // Промышленная энергетика. 2009. № 7. С. 25-28.
  3. P. Salmeron, S. P. Litran. Improvement of the Electric Power Quality Us-ing Series Active and Shunt Passive Filters. IEEE transactions on power delivery, vol. 25, no. 2, April 2010, pp. 1058-1067.
  4. Абрамович Б.Н., Полищук В.В., Сычев Ю.А. Система контроля и повышения качества электрической энергии в сетях предприятий минерально-сырьевого комплекса. // Горное оборудование и электромеханика. 2009. № 9. С. 42-47.
  5. N. A. Hidayatullah, Z. J. Paracha, A. Kalam. Impact of Distributed Gen-eration on Smart Grid Transient Stability. Smart Grid and Renewable Energy, 2011, vol. 2, pp. 99-109.
  6. Гамазин С.И., Пупин В.М., Марков Ю.В. Обеспечение надежности электроснабжения и качества электроэнергии. // Промышленная энергетика. 2006. №11. С. 51-56.
  7. T. Nageswara Prasad, V. Chandra Jagan Mohan, V.C. Veera Reddy. Harmonic Reduction in Hybrid Filters for Power Quality Improvement in Distribu-tion Systems. Journal of Theoretical and Applied Information Technology, 15th January 2012. Vol. 35 No.1, pp. 44-55.


Все статьи автора «Сычев Юрий Анатольевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: