В современную эпоху, когда силовая электроника полностью проникла в промышленное производство и бытовое электропотребление, широкое применение нелинейных нагрузок привело к всё более заметному загрязнению сети гармониками. Это не только влияет на стабильную работу электрооборудования, но и приводит к потерям энергии, что противоречит глобальной цели «углеродной нейтральности». Активный фильтр мощности (АФП), как ключевое устройство для подавления гармоник, стал важным фактором повышения качества электроэнергии и оптимизации коррекции коэффициента мощности благодаря своим преимуществам: низким требованиям к компонентам хранения энергии и отсутствию дополнительных помех от сети. В данной статье будет подробно проанализирована инновационная технология управления АФП и рассмотрено, как комбинированная стратегия селективного повторяющегося управления гармониками (SHRC) и пропорционально-интегрального (PI) управления позволяет АФП добиться значительного повышения эффективности компенсации гармоник.
АФП: ключевой элемент подавления гармоник сети и коррекции коэффициента мощности.
Активный фильтр мощности (АФМ) — это компенсационное устройство, основанное на технологии силовой электроники, выполняющее двойную функцию подавления гармоник и компенсации реактивной мощности, играющее незаменимую роль в оптимизации качества электроэнергии в сети. В таких условиях, как промышленные производственные линии, электростанции на новых источниках энергии и коммерческие здания, нелинейные нагрузки, такие как преобразователи частоты и выпрямители, генерируют большое количество гармоник, что приводит к искажению тока в сети, снижению коэффициента мощности, увеличению потерь мощности и потенциальным отказам оборудования. Путем обнаружения гармоник и реактивного тока в сети в режиме реального времени АФМ активно вводит обратный компенсационный ток, который не только точно компенсирует гармонические составляющие, но и оптимизирует эффект коррекции коэффициента мощности, обеспечивая эффективное использование электроэнергии.
На фоне стратегии «углеродной нейтральности» энергосберегающая ценность АФМ становится еще более очевидной. Благодаря эффективному подавлению гармоник и коррекции коэффициента мощности АФМ может уменьшить бесполезные потери мощности в сети, повысить эффективность передачи электроэнергии и косвенно сократить потребление ископаемого топлива и выбросы углекислого газа. В то же время, AHF обладает высокой адаптивностью к новым системам генерации электроэнергии, что позволяет эффективно решать проблемы гармоник, возникающие при подключении к сети новых источников энергии, таких как фотоэлектрические и ветроэнергетические установки, способствовать широкомасштабному внедрению чистой энергии и помогать трансформации энергетической структуры в сторону снижения выбросов углерода.
Ограничения традиционных схем управления: технические узкие места, которые AHF необходимо срочно преодолеть.
Несмотря на то, что основная схемная структура АХВ (автоматического гармонического подавления) становится все более совершенной, стратегия управления всегда оставалась ключевым фактором, определяющим его возможности по подавлению гармоник. Традиционные методы управления, обычно используемые в АХВ, такие как гистерезисное управление и управление с синхронными вращающимися координатами, имеют очевидные недостатки: гистерезисное управление обладает быстрым откликом, но нестабильной частотой переключения и высокой сложностью проектирования; управление с синхронными вращающимися координатами недостаточно практично для отслеживания многочастотных гармоник, что затрудняет удовлетворение потребностей в компенсации сложных энергосистем.
Ранние технологии повторяющегося управления позволяют достичь отслеживания периодических сигналов с нулевой статической ошибкой, но традиционное повторяющееся управление обрабатывает все гармоники «одинаково», не учитывая степень их воздействия, что приводит к низкой динамической характеристике отклика и неспособности справляться со сценариями мгновенного изменения нагрузки в сети. Простое ПИ-регулирование, несмотря на простоту структуры и быстрый динамический отклик, с трудом обеспечивает высокоточное отслеживание гармонических сигналов и не соответствует требованиям АХВ к точности компенсации в установившемся режиме. Эти технические ограничения затрудняют для традиционных систем AHF достижение баланса между скоростью динамического отклика и точностью компенсации в установившемся режиме, что ограничивает их применение в сценариях с высокой потребностью в электроэнергии.
Инновационная стратегия комбинированного управления: основной код для повышения производительности AHF.
Для преодоления узких мест традиционных технологий управления и обеспечения большей роли AHF в снижении гармоник и коррекции коэффициента мощности, в соответствии с требованиями времени, появилась комбинированная стратегия управления, сочетающая селективное гармоническое повторяющееся управление (SHRC) и ПИ-регулирование. Эта инновационная схема объединяет преимущества двух технологий управления, решая проблему недостаточной точности ПИ-регулирования и компенсируя медленную динамическую реакцию повторяющегося управления, что обеспечивает качественный скачок в комплексных характеристиках AHF.
Селективное гармоническое повторяющееся управление (SHRC) — это точная технология управления, разработанная для основных потребностей AHF. Основанная на принципе внутренней модели, она точно блокирует гармонические составляющие, наносящие значительный вред и имеющие высокую долю в энергосистеме (такие как распространенные гармоники порядка 6k±1), путем построения внутренних моделей, соответствующих конкретным порядкам гармоник, обеспечивая целевую компенсацию. В отличие от традиционного повторяющегося управления, которое «охватывает все» гармоники, SHRC фокусируется на ключевых гармониках, уменьшает внутреннюю задержку модели, значительно повышает скорость динамического отклика AHF и позволяет AHF быстро реагировать на колебания гармоник при мгновенном изменении нагрузки сети.
ПИ-регулирование обеспечивает стабильную динамическую поддержку AHF. ПИ-регулирование имеет простую структуру и удобную настройку параметров, что позволяет эффективно повысить динамические возможности и стабильность системы AHF. При внезапном изменении нагрузки сети или гармонических составляющих ПИ-регулирование может быстро скорректировать стратегию компенсации, предотвратить колебания системы и обеспечить работу AHF в реальном времени. Сочетание SHRC и ПИ-регулирования образует составной контур управления током AHF, при этом SHRC отвечает за повышение точности компенсации в установившемся режиме и снижение общего коэффициента гармонических искажений, а ПИ-регулирование — за оптимизацию скорости динамического отклика. Эти два подхода работают синергетически, позволяя AHF не только достигать точной компенсации гармоник и эффективной коррекции коэффициента мощности, но и адаптироваться к динамическим изменениям сложных энергосетей.
Кроме того, внедрение улучшенной системы SHRC дополнительно оптимизирует характеристики управления AHF. Благодаря добавлению вспомогательных компенсаторов, соединительных проводников и фильтров нижних частот, улучшенная система SHRC эффективно повышает стабильность и помехоустойчивость системы, позволяя AHF поддерживать превосходные эффекты компенсации гармоник даже в неидеальных условиях сети, что еще больше расширяет сценарии применения AHF.
Выдающаяся практическая ценность: AHF помогает энергосистеме перейти в новую эру высокой эффективности и низкого уровня выбросов углерода.
Применение комбинированной стратегии управления SHRC+PI позволяет AHF играть более значительную роль в снижении гармоник, коррекции коэффициента мощности и достижении цели углеродной нейтральности. В промышленных условиях AHF, оснащенный этой комбинированной стратегией управления, может точно управлять гармониками, генерируемыми нелинейными нагрузками на производственной линии, оптимизировать коэффициент мощности, снижать потери мощности, уменьшать затраты на техническое обслуживание оборудования и повышать эффективность производства; на электростанциях, работающих на возобновляемых источниках энергии, AHF может эффективно решать проблемы гармоник при подключении к сети, обеспечивать стабильную работу энергосистемы и способствовать потреблению чистой энергии; в коммерческих зданиях и жилых комплексах AHF может улучшать качество электроэнергии в сети, предотвращать повреждение бытового электрооборудования гармониками и снижать энергопотребление, способствуя низкоуглеродной жизни.
С точки зрения развития отрасли, эта инновационная технология управления не только повышает ключевую конкурентоспособность AHF, но и способствует технологической модернизации отрасли силовой электроники. С углублением стратегии «углеродной нейтральности» требования к качеству электроэнергии и энергоэффективности энергосистемы будут продолжать расти. Как ключевое энергосберегающее и снижающее потребление оборудование, рыночный спрос на АГП будет продолжать расти. Усовершенствованная стратегия управления SHRC+PI сделает АГП более эффективными в подавлении гармоник и коррекции коэффициента мощности, обеспечивая надежную гарантию эффективной, низкоуглеродной и стабильной работы энергосистемы.
В будущем технологическое развитие АГП будет в большей степени сосредоточено на интеллектуальных, высокочастотных и интеграционных решениях. Благодаря интеграции цифрового управления, искусственного интеллекта и других технологий, АГП смогут осуществлять адаптивное обнаружение и точную компенсацию гармоник, что позволит еще больше повысить точность управления и скорость реакции; одновременно с модернизацией силовых электронных устройств, объем АГП будет продолжать уменьшаться, а эффективность — повышаться, лучше адаптируясь к различным сценариям применения. Как основное оборудование для подавления гармоник и коррекции коэффициента мощности в энергосистеме, АГП будут играть все более важную роль в процессе энергетического перехода и достижения углеродной нейтральности, внося ключевой вклад в создание чистой, низкоуглеродной, безопасной и эффективной энергетической системы.
В компании HengRong Electrical мы понимаем, что каждая деталь в системах управления электропитанием имеет значение. От передового дизайна продукции до инновационных решений в области фильтрации, мы стремимся предоставлять надежные, эффективные и перспективные технологии. Выбирая Hengrong, вы получаете не просто продукцию — вы получаете надежного партнера, который поможет вашему бизнесу добиться более разумных, безопасных и экологичных результатов.
www.hengrong-electric.com