В настоящее время проблема наличия высших гармоник (ВГ) в системах электроснабжения (СЭС) не вызывает сомнений. ВГ негативно влияют, как на отдельные элементы СЭС, так и на всю СЭС целиком. Они вызывают дополнительные потери в линиях электропередач (ЛЭП); нагрев ЛЭП; снижают устойчивость нагрузки в узлах СЭС; могут вызвать перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных ЛЭП в результате перегрузки линий токами ВГ, кратных трем (гармоники, кратные трем, образуют систему нулевой последовательности, в любой момент времени они имеют одинаковые значения и фазы); ускоряют старение изоляции вследствие повышенного нагрева кабеля. Все это происходит по причине того, что нулевые рабочие проводники не защищаются автоматическими выключателями или другими коммутационными аппаратами от перегрева. Кроме того, они создают дополнительный нагрев электрических машин, ухудшают условия работы батарей статических конденсаторов (БСК), создают условия для ложных срабатываний устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА), создают высокочастотные помехи в сетях телекоммуникаций, вызывают повреждение чувствительного электронного оборудования и снижают точность систем учета электрической энергии. Этим проблемам посвящено достаточно большое количество работ, например [1–4]. В работе [4] авторы выполнили расчет потерь мощности в кабельной ЛЭП при наличии ВГ в сети. Анализируя эту работу можно сделать вывод, что потери мощности при наличии ВГ в сети значительные, и имеет смысл их минимизировать, применяя фильтры ВГ.
Существует множество источников ВГ в СЭС, которые можно разделить на 3 основные группы:
- Силовые электронные устройства: различные приводы (частотно-регулируемые приводы переменного тока, приводы постоянного тока, приводы с ШИМ и другие), системы бесперебойного питания, выпрямители, импульсные источники питания, статические преобразователи, тиристорные системы, диодные мосты, индукционные печи и другие системы с тиристорным управлением.
- Оборудование, в работе которого возникает электрическая дуга: дуговые печи, сварочное оборудование, системы освещения (ртутные лампы, люминесцентные лампы).
- Устройства, которые способны работать в режиме насыщения (например, трансформаторы, двигатели, генераторы). Если такое оборудование не насыщается, амплитуды создаваемых ими гармоник обычно незначительны по сравнению с гармониками, создаваемыми силовыми полупроводниковыми преобразователями и дуговыми устройствами.
Настоящая работа, предлагаемая вниманию читателей, посвящена проблеме компенсации ВГ в СЭС.
К секции шин 0,4 кВ СЭС (рис.1) посредством выключателей SF1 и SF2 подключаются 2 нагрузки: спокойная и нелинейная. В качестве спокойной нагрузки будет пониматься асинхронный двигатель (представлен нагрузкой S), в качестве нелинейной — 6-пульсный выпрямитель (В).
Рис. 1. Схема СЭС (а), схема СЭС с фильтром ВГ (б), упрощенная схема замещения фильтра (в)
Моделирование работы такой электрической сети было выполнено в программном комплексе MATLAB с помощью приложения Simulink. Имитационная модель СЭС рисунка 1а показана на рис. 2 (6-пульсный выпрямитель представлен источниками тока, генерирующие 5 и 7 гармоники тока, кратные основной частоте сети). Осциллограммы токов трех фаз, протекающих через сеть по кабельной линии, фиксируются осциллографом I, (рис.3).
Рис. 2. Модель сети (без фильтров ВГ)
Рис. 3. Осциллограммы фазных токов сети (без компенсации токов ВГ)
Глядя на эти осциллограммы, видно, что ток, протекающий через кабельную ЛЭП, очень далек от синусоидального. Поэтому, для улучшения технико-экономических показателей (например, для уменьшения потерь мощности и энергии) необходимо установить параллельно нелинейной нагрузке фильтры гармоник, как показано на рис 1б. На рисунке 1в показана упрощенная схема замещения фильтра, который состоит из дросселя с индуктивностью L, батареи статических конденсаторов с емкостью C. Активное сопротивление R моделирует активные потери в фильтрах, примем равным 0,01 Ом. Силовые фильтры ВГ в самом простейшем случае представляют собой RLC цепочки. В более сложных случаях они представляют собой фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ) — конденсаторные установки (БСК), которые выполняют задачу компенсации реактивной мощности совместно с фильтрацией гармоник. Они настраиваются на подавляемую гармонику в резонанс и работают как поглотитель, превращают гармоники в тепло, которое выделяется на индуктивности или емкости. Именно по этой причине необходимо проектировать фильтры, принимая во внимание все гармоники, которую может генерировать нелинейная нагрузка (в нашем случае роль нелинейной нагрузки выполняет 6-пульсный выпрямитель, следовательно, для эффективной работы фильтра нам необходимо произвести расчет фильтра, принимая во внимание, что выпрямитель является источником 5 и 7 гармоники. Следовательно, нам нужно рассчитать параметры фильтров для подавления соответствующих гармоник). Во время эксплуатации СЭС (при условии раздельного подключения, как секций фильтра, так и нелинейной нагрузки) необходимо производить включение фильтров, начиная с фильтра гармоники низкого порядка, отключать — в обратной последовательности.
Для расчета параметров фильтра (индуктивности и емкости) использовалась методика, приведенная в [5]. Однако, в этой методике не оговорена связь между реактивной мощностью батареи конденсаторов и её емкостью. Она может быть выражена следующим образом:
,
где
QК — реактивная мощность БСК на n-й гармонике, вар,
Cn — емкость БСК на n-й гармонике, Ф,
UФ — фазное напряжение сети, В,
f — частота сети, Гц,
n — номер гармоники.
Рассмотрим для примера расчет фильтра для компенсации 5 гармоники тока в сети.
Амплитудное значение тока 5 гармоники выпрямителя
А. Тогда действующее значение тока найдем как 
А.
Определим мощность БСК на фазу 
вар.
Определим емкость БСК на 5 гармонике 
мкФ.
Емкостное сопротивление БСК на 5 гармонике равно 
Ом.
Исходя из равенства емкостного и индуктивного сопротивлений 
(условие резонанса), можно найти индуктивность дросселя (L) как 
мГн.
Параметры фильтра (индуктивность и емкость) для компенсации 7 гармоники тока определяются аналогично. (Амплитудное значение тока 7 гармоники выпрямителя 
А.)
В итоге получаем следующие значения индуктивности (L) и емкости (C) фильтра.
Для 5 гармоники: L5=21,765 мГн, С5=18,621 мкФ.
Для 7 гармоники: L7=21,739 мГн, С7=9,512 мкФ.
Полученная таким образом имитационная модель и осциллограммы фазных токов показаны на рисунках 4 и 5 соответственно.
Рис. 4. Модель исследуемой сети (с учетом фильтров ВГ)
Рис. 5. Осциллограммы фазных токов рассматриваемой сети (с учетом компенсации токов ВГ)
Глядя на новые осциллограммы видно, что форма тока при использовании фильтров стала значительно ближе к синусоидальной, чем на осциллограммах рис. 3. Одновременно с этим улучшаются и другие показатели качества электрической энергии, а также уменьшаются потери мощности и энергии от ВГ сети.
Пользуясь такой методикой, можно рассчитать параметры любого пассивного фильтра для компенсации любой из гармоник тока, кратной основной частоте сети.
Литература:
- Куско А., Томпсон М. Качество энергии в электрических сетях / А. Куско, М. Томпсон: пер. с англ. Рабодзея А. Н. — М.: Издательский дом «Додэка — XXI», 2008. — 333 с.
- Шидловский А. К., Жаркин А. Ф. Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях / А. К. Шидловский, А. Ф. Жаркин — Киев: Наукова Думка, 2005. — 211 с.
- Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И. В. Жежеленко — М.: Энергоатомиздат, 2000–331 с.
- Осипов Д. С., Коваленко Д. В., Киселев Б. Ю. Расчет потерь энергии в кабельной линии электропередачи при наличии нелинейной нагрузки методом пакетного вейвлет-преобразования / Д. С. Осипов, Д. В. Коваленко, Б. Ю. Киселев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2016. — № 4(148). — С. 84–89.
- Силовые преобразователи в электроснабжении. Расчет режимов работы выпрямителя: Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов спец. 140211 «Электроснабжение» ИДО / сост. Б. В. Лукутин, И. О. Муравлев.– Томск: Изд. ТПУ, 2009. — 28 с.
