Интенсивное распространение в электрических сетях предприятий минерально-сырьевого комплекса нелинейной нагрузки в виде преобразователей частоты регулируемого электропривода электроцентробежных насосов приводит к значительному увеличению уровня высших гармоник тока и напряжения, что оказывает негативное влияние на уровень качества электрической энергии и электромагнитную совместимость электрооборудования, и, как следствие, на уровень энергосбережения и энергетической эффективности. Также с учетом наличия в электрических сетях минерально-сырьевого комплекса резкопеременной нагрузки, такой как буровые установки, которые могут быть подключены к любой точке протяженных воздушных линий электропередачи, высока вероятность появления провалов и отклонений напряжения. Исходя из этого, актуальным является выбор наиболее эффективного технического средства или решения, направленного на коррекцию величины и гармонического состава тока и напряжения, и разработка методики выбора его параметров, структуры, режимов работы и места размещения с учетом территориальной рассредоточенности энергетических объектов минерально-сырьевого комплекса.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований [1], проведенных отечественными и зарубежными специалистами, показали, что наиболее эффективным и многофункциональным техническим средством компенсации высших гармоник тока и напряжения являются активные системы коррекции величины и гармонического состава тока и напряжения на основе активных фильтров различной структуры.

При разработке методики выбора структуры, режима работы, основных параметров и места размещения активных систем коррекции величины и гармонического состава тока и напряжения необходимо учитывать следующие особенности распределительных сетей 6(10) и 0,4 кВ предприятий минерально-сырьевого комплекса:

-          степень сосредоточения нелинейной нагрузки;

-          режим работы нелинейной нагрузки;

-          наличие локальных источников распределенной генерации;

-          параллельная работа централизованной энергосистемы с источниками распределенной генерации.

Выбор структуры активных систем коррекции величины и гармонического состава тока и напряжения на основе активных фильтров может проводиться по следующим основным критериям:

-          тип и число накопительных элементов;

-          топология инвертора;

-          наличие или отсутствие пассивного фильтра на выходе инвертора.

Основным накопительным элементом большинства активных фильтров является конденсатор, емкость которого выбирается исходя из мощности компенсируемой нелинейной нагрузки. Индуктивность в качестве накопительного элемента используется в специальных модификациях активных фильтров, область применения которых ограничена. Рассмотрим основные принципы методики выбора структуры, режима работы, основных параметров и места размещения активных систем коррекции величины и гармонического состава тока и напряжения на базе параллельного активного фильтра.

Изменение числа накопительных конденсаторов определяется необходимостью повышения уровня напряжения на стороне постоянного тока инвертора, увеличения номинального компенсационного тока параллельного активного фильтра, более плавного регулирования напряжения на стороне постоянного тока инвертора, применения многоуровневых инверторов [2].

Тип инвертора выбирается исходя из режима работы активной системы коррекции: режим управляемого источника тока или режим управляемого источника напряжения.

Наличие или отсутствие пассивного фильтра на выходе инвертора определяется резонансными условиями в точке подключения активной системы коррекции на базе параллельного активного фильтра. Результаты экспериментальных исследований [3] показали, что при наличии в месте подключения активной системы коррекции резонанса на частоте канонической гармоники, на выходе инвертора должен быть включен пассивный RC фильтр, настроенный на частоту резонанса. В противном случае установка пассивного RC фильтра не требуется.

Режим работы активной системы коррекции определяется необходимостью компенсации реактивной мощности основной составляющей помимо компенсации высших гармоник тока и напряжения. При отсутствии необходимости компенсации реактивной мощности основной составляющей, номинальный компенсационный ток параллельного активного фильтра i_ПАФ будет содержать только высшие гармонические составляющие:

(1)

где , n_max – максимальный порядок высших гармоник, компенсируемый параллельным активным фильтром, p – пульсность выпрямителя в составе преобразователя частоты, который рассматривается в качестве нелинейной нагрузки, k – положительное целое число, i_pk+1 и i_pk-1 – канонические высшие гармоники тока, генерируемые нелинейной нагрузкой в виде преобразователя частоты, φ _pk+1 и φ _pk-1 – фазовые углы канонических высших гармоник тока. При необходимости компенсации реактивной мощности основной составляющей, мгновенное значение компенсационного тока параллельного активного фильтра будет определяться следующим образом:

(2)

где i_1p – основная составляющая реактивного тока компенсируемой сети. 
Основными параметрами активной системы коррекции формы кривых тока и напряжения на базе параллельного активного фильтра являются:
номинальный компенсационный ток фильтра i_ПАФ;
номинальная реактивная мощность, компенсируемая фильтром;
номинальный частотный диапазон компенсируемых высших гармоник тока и напряжения;
номинальное быстродействие фильтра. 
В случае если нелинейная нагрузка представлена в виде преобразователя частоты с трехфазным мостовым выпрямителем, теоретически действующее значение величины номинального компенсационного тока параллельного активного фильтра определяется следующим образом:

(3)

где: α, γ – соответственно углы управления и коммутации ключей выпрямителя; n – порядок высших гармоник тока, I_ННmax – амплитудное значение тока, потребляемого нелинейной нагрузкой. В условиях идеальной коммутации:

(4)

По результатам экспериментальных исследований режимов работы параллельного активного фильтра и согласно данным, приведенным в [4], для определения номинального компенсационного тока с учетом неканонических высших гармоник используется следующее выражение [4]: 

(5)

где I_ННn – действующее значение тока n-ой гармоники, потребляемого нелинейной нагрузкой.

Существует выражение для определения компенсационного тока параллельного активного фильтра на стадии предварительных расчетов:
 (7)
где: THD_r(I) – суммарный коэффициент искажения по току (согласно стандартам МЭК), аналог коэффициента искажения синусоидальности формы кривой тока. 
По результатам проведенных экспериментальных исследований [5] установлена следующая эмпирическая зависимость между током нелинейной нагрузки и параллельного активного фильтра:
 (8)
которая также может быть использована на стадии предварительных расчетов. 
Выражения (3), (4) наиболее целесообразно использовать для теоретических исследований по анализу режимов работы силовых преобразователей совместно с активными фильтрами. Формула (5) наиболее эффективна для расчетов при наличии подробной информации о гармоническом спектре тока, потребляемого нелинейной нагрузкой. Выражения (7), (8) эффективнее использовать на стадии предварительных расчетов. 
Величина номинальной реактивной мощности, которую способен компенсировать параллельный активный фильтр зависит от режима его работы и алгоритмического обеспечения [6, 7]. 
При компенсации только высших гармоник без устранения реактивной мощности основной составляющей, компенсируемая параллельным активным фильтром реактивная мощность Q_ПАФ:

, (9)

где:  - действующее значение реактивной мощности, создаваемой высшими гармониками, D – мощность искажения. При компенсации реактивной мощности основной составляющей и устранении высших гармоник Q_ПАФопределяется следующим образом:

, (10)

где: Q₁ – величина реактивной мощности основной составляющей компенсируемой сети.
Критерием выбора частотного диапазона компенсируемых активной системой высших гармоник является следующее неравенство:

 (11)

где: n_max и n_min – соответственно максимальный и минимальный порядок компенсируемых фильтром высших гармоник напряжения, U_c(1) – основная составляющая напряжения сети, U_c(n) – n-ая гармоника напряжения сети. Неравенство (11) составлено согласно норме ГОСТ 32144-2013 для электрических сетей 0,4 кВ, для которых величина коэффициента искажения синусоидальности формы кривой напряжения (левая часть неравенства (11)) не должна превышать 8 % (правая часть неравенства (11)). Таким образом, если после установки параллельного активного фильтра в сети 0,4 кВ коэффициент искажения синусоидальности формы кривой напряжения сети, определенный в соответствии с левой частью неравенства (11), не превышает 8 %, следовательно, значения n_max и n_min выбраны надлежащим образом, в противном случае величину n_max необходимо увеличивать. Для высших гармоник тока диапазон компенсации совпадает с соответствующим диапазоном по напряжению. Также фильтры могут быть настроены на компенсацию отдельных высших гармоник тока или напряжения [8].
Номинальное быстродействие или непосредственно связанное с ним время реагирования активной системы коррекции определяется аппаратным обеспечением системы управления параллельным активным фильтром, ядром которой является цифровой сигнальный процессор (DSP – в зарубежной литературе). Для максимально точной и быстрой обработки измерительных сигналов и анализа уровня искажения время реагирования цифрового сигнального процессора должно быть не более 10-20 мкс. 
При выборе места размещения активной системы коррекции в распределительных электрических сетях необходимо учитывать следующие основные факторы:
степень сосредоточения нелинейной нагрузки в сети;
наличие конденсаторных установок компенсации реактивной мощности;
наличие резонансных явлений.
На примере электрических сетей нефтедобычи при сосредоточении группы однотипных маломощных нелинейных нагрузок в виде станций управления погружными двигателями электроцентробежных насосов на одном кусте скважин нефтепромысла активную систему коррекции следует устанавливать на сборных шинах 0,4 кВ кустовой подстанции, питающей эти нагрузки. При наличии мощных нелинейных нагрузок в пределах одного куста активную систему коррекции необходимо устанавливать у каждой нагрузки, так как максимальная мощность большинства серийно выпускаемых параллельных активных фильтров напряжением 0,4 кВ не превышает 630 кВА.
Таким образом, приведенные результаты являются основой методики выбора структуры, режима работы, основных параметров и места размещения активных систем коррекции величины и гармонического состава тока и напряжения. 
Результаты исследований, приведенные в данной статье, получены в рамках реализации гранта СП-671.2015.1 «Энергоэффективная система повышения качества электрической энергии в условиях микросетей с распределенной генерацией на основе альтернативных и возобновляемых источников энергии» стипендии Президента Российской Федерации.