В промышленных сетях переменного тока широкое использование силовых электронных устройств, таких как выпрямители и тиристорные схемы, часто приводит к проблемам с качеством электроэнергии, таким как гармонические искажения, дисбаланс реактивной мощности и колебания напряжения. Эти проблемы не только увеличивают потери в оборудовании, но и могут привести к перерывам в производстве. Активный сетевой фильтр (APF) , являясь основным компонентом унифицированного стабилизатора качества электроэнергии (UPQC) , работает в синергии с UPQC, обеспечивая комплексное решение проблем качества электроэнергии. В данной статье, на основе данных лабораторных испытаний, подробно рассматривается, как APF позволяет UPQC обеспечивать стабильное и эффективное качество электроэнергии в сетях переменного тока, включая функциональное позиционирование APF, топологическую конструкцию, эффекты компенсации и ключевые аспекты применения.
I. Проблемы сетей переменного тока: целевые решения от APF
Промышленные сети переменного тока сталкиваются со сложными и разнообразными проблемами качества электроэнергии, которые сложно полностью решить с помощью одного устройства. APF , являясь основным функциональным модулем UPQC, способен эффективно решать следующие ключевые проблемы:
1. Гармоническое загрязнение: APF снижает потери
Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители и преобразователи частоты, генерируют нечётные гармоники (3-ю, 5-ю, 7-ю и т.д.), значительно увеличивая коэффициент гармонических искажений тока (THDi). Лабораторные испытания показывают, что коэффициент гармонических искажений тока шестипульсного мостового выпрямителя достигает 27%, при этом на долю 3-й гармоники приходится 14,19%, 5-й гармоники – 21,35%, а на долю 13-й и 15-й гармоник каждая превышает 2%. Высокое содержание гармоник увеличивает потери в сердечниках двигателей и трансформаторов, ускоряет старение изоляции и повышает частоту отказов оборудования более чем на 30%. Однако фильтр APF может собирать ток нагрузки в режиме реального времени, генерировать компенсирующий ток, равный по величине току гармоники, но противоположный по направлению, и полностью подавлять гармоники, предотвращая повреждение оборудования, вызванное гармониками.
2. Дисбаланс реактивной мощности: APF улучшает коэффициент
Промышленные нагрузки (например, асинхронные двигатели, реакторы) потребляют большое количество реактивной мощности, что приводит к низкому коэффициенту мощности сети. Лабораторные данные показывают, что трёхфазные коэффициенты мощности определённой нелинейной нагрузки типа RL составляют 0,96 (фаза A), 0,90 (фаза B) и 0,83 (фаза C) соответственно, при этом минимальное значение значительно ниже стандарта 0,9, требуемого для промышленных потребителей. Низкий коэффициент мощности не только влечет за собой штрафы за электроэнергию для предприятий, но и увеличивает ток в линии, увеличивая потери в ней примерно на 35%. Автоматизированный фильтр реактивной мощности (APF ) (особенно шунтирующий APF в системе UPQC) позволяет в режиме реального времени определять потребность в реактивной мощности, быстро выдавать компенсирующий реактивный ток и равномерно повышать коэффициент мощности до значения выше 0,95, тем самым избегая штрафов и снижая потери в линии.
3. Проблемы с напряжением: APF обеспечивает стабильное
электроснабжение
В сетях переменного тока часто наблюдаются провалы напряжения, колебания напряжения и асимметрия трёхфазного тока. Лабораторное моделирование показывает, что при падении напряжения сети на 10% (продолжительностью 200 мс) происходит сбой в работе прецизионного оборудования (например, ПЛК); падение напряжения фазы B на 20% и фазы C на 40% также приводит к дисбалансу токов трёхфазной нагрузки и ненормальному шуму двигателя. Последовательный фильтр APF в системе UPQC позволяет быстро подавать компенсирующее напряжение в сеть через последовательный инжекционный трансформатор для компенсации провалов и колебаний напряжения, стабилизируя напряжение на стороне нагрузки в пределах ±2% от номинального значения и обеспечивая бесперебойную работу производственного оборудования.
II. Ядро топологии UPQC: функциональное разделение и совместная логика APF
UPQC представляет собой интегрированную систему «последовательный АПФ + шунтирующий АПФ», энергетическое взаимодействие которой осуществляется через звено постоянного тока. Топологическая структура и функциональное разделение АПФ напрямую определяют эффективность управления качеством электроэнергии:
1. Двойная роль APF: взаимодействие между последовательной и шунтирующей конфигурациями
UPQC состоит из двух инверторов напряжения (VSI), которые действуют как последовательный и шунтирующий фильтры напряжения соответственно. Их функции следующие:
- Шунтирующий фильтр (APF) : подключаемый параллельно нагрузке, он собирает ток нагрузки, разделяет гармоники тока и реактивный ток, используя теорию мгновенной реактивной мощности, а затем подает в сеть обратный компенсирующий ток. Его основные функции включают: фильтрацию гармоник нагрузки (снижение THDi с 27% до 2,38%), компенсацию реактивной мощности (повышение коэффициента мощности до значения выше 0,95) и балансировку трехфазных токов (повышение симметрии тока до более чем 98%).
- Последовательный фильтр с обратной связью (APF ): подключенный к сети через трансформатор с последовательным инжектированием, он собирает сигналы напряжения сети. При обнаружении гармоник, провалов или асимметрии напряжения он быстро генерирует и подает в сеть компенсирующее напряжение, обеспечивая стабильную форму напряжения на стороне нагрузки. Например, если напряжение сети содержит 10% третьей гармоники, последовательный фильтр с обратной связью (APF) может подавать напряжение третьей гармоники, снижая коэффициент гармонических искажений напряжения (THDu) на стороне нагрузки с 11,36% до 1,89%.
- Преимущество совместной работы : один фильтр APF может решить только один тип проблемы (например, шунтирующий фильтр APF не может справиться с провалами напряжения). Однако последовательный и шунтирующий фильтры APF в системе UPQC обеспечивают энергетическую взаимодополняемость благодаря конденсаторам постоянного тока, что позволяет одновременно управлять проблемами тока и напряжения и охватывает все сценарии повышения качества электроэнергии.
2. Топологическая классификация APF: адаптация к различным сценариям
В зависимости от относительного расположения APF и нагрузки UPQC делится на две основные топологии, отвечающие потребностям различных промышленных сценариев:
- Топология UPQC-L : последовательный фильтр APF расположен близко к нагрузке, а шунтирующий фильтр APF — близко к сети. Такая топология предотвращает появление гармонических токов и реактивной мощности в трансформаторе, снижает потери в трансформаторе, продлевает срок его службы и подходит для старых промышленных предприятий с ограниченной мощностью трансформатора.
- Топология UPQC-R : шунтирующий фильтр (APF) расположен близко к нагрузке, а последовательный фильтр (APF) — близко к сети. Поскольку шунтирующий фильтр (APF) расположен ближе к нагрузке, он обеспечивает более высокую скорость реакции (≤50 мкс) на изменения тока нагрузки, что делает его пригодным для использования в условиях частых колебаний нагрузки (например, сварочные аппараты, линии штамповочных прессов).
- Адаптация трехфазной четырехпроводной схемы : для сетей, требующих подключения как однофазных, так и трехфазных нагрузок (например, сценарии смешанного электроснабжения в промышленных парках), UPQC проводит нейтральную линию через делитель напряжения в звене постоянного тока, гарантируя, что гармоники и реактивная мощность, генерируемые однофазными нагрузками (например, освещение, небольшие двигатели), также могут быть точно компенсированы с помощью APF .
III. Эффект компенсации АПФ: подтверждено данными
Обширные лабораторные испытания подтвердили превосходные компенсационные эффекты АПФ в системах UPQC, при этом основные данные приведены ниже:
1. Фильтрация гармоник: APF значительно снижает коэффициент гармонических искажений
В качестве нелинейной нагрузки в тесте использовался шестипульсный мостовой выпрямитель. Без АПФ коэффициент гармонических искажений напряжения со стороны нагрузки составил 11,36% (10% для 3-й гармоники, 5% для 5-й, 2% для 7-й), а коэффициент гармонических искажений тока – 27% (14,19% для 3-й гармоники, 21,35% для 5-й, 2,26% для 13-й). После включения АПФ :
Гармоники напряжения: коэффициент нелинейных искажений (THDu) снизился до 1,89%, при этом 3-я гармоника снизилась до 0,42%, 5-я – до 1,62%, 7-я – до 1,50%. Доля каждой гармоники составила менее 2%.
- Гармоники тока: коэффициент гармонических искажений тока (THDi) снизился до 2,38%, 3-я гармоника снизилась до 0,42%, 5-я до 1,62% и 13-я до 0,19%, что полностью соответствует требованиям к качеству электроэнергии стандарта PN-EN 50160.
2. Реактивная мощность и баланс тока: APF оптимизирует
параметры
При несимметричной нагрузке типа RL, без АПФ, трёхфазные коэффициенты мощности составили 0,96, 0,90 и 0,83 при разнице трёхфазных токов более 20%. После включения АПФ :
Коэффициент мощности: все трехфазные коэффициенты мощности были увеличены до уровня выше 0,95, что соответствует стандарту коэффициента мощности для промышленных потребителей и позволяет избежать штрафов за электроэнергию;
- Баланс тока: формы трёхфазных токов стали симметричными, разность фазных токов снизилась до менее 3%. Потери в линии сократились примерно на 30%, а напряжение в звене постоянного тока оставалось постоянным без заметных колебаний.
3. Управление напряжением: APF стабилизирует напряжение на стороне нагрузки
В лаборатории моделировались различные проблемы с напряжением для проверки компенсационной способности АПФ :
Провал напряжения: при падении напряжения сети на 10% (продолжительностью 200 мс) последовательный APF в течение 20 мс подает компенсирующее напряжение, стабилизируя напряжение со стороны нагрузки на уровне более 99% от номинального значения без отключения оборудования;
- Колебания напряжения: после наложения на сеть колебаний напряжения частотой 2,5 Гц и амплитудой 20% последовательный фильтр APF быстро компенсирует колебания, контролируя амплитуду колебаний напряжения со стороны нагрузки в пределах ±2%;
- Трехфазная асимметрия: при моделировании 20%-ного проседания напряжения в фазе B и 40%-ного проседания напряжения в фазе C серия APF добилась трехфазной независимой компенсации, увеличив симметрию трехфазного напряжения со стороны нагрузки до более чем 98% и обеспечив плавную работу двигателя без аномального шума.
IV. Ключевые точки применения АПФ: обеспечение стабильной работы УПКК
Чтобы в полной мере раскрыть роль APF в UPQC, следует обратить внимание на следующие ключевые моменты применения, основанные на выводах технической практики:
1. Выбор топологии: соответствие характеристикам
- Если мощность трансформатора ограничена или требуется её увеличение, следует отдать предпочтение топологии UPQC-L. Последовательный фильтр APF изолирует гармоники нагрузки и реактивную мощность, снижая нагрузку на трансформатор;
- Если нагрузка часто колеблется (например, высокочастотные пробивные прессы на производственных линиях), следует выбрать топологию UPQC-R. Шунтирующий фильтр, расположенный близко к нагрузке, обеспечивает более быструю реакцию на ток;
- Для трехфазных четырехпроводных сетей следует использовать топологию UPQC с нейтральной линией, чтобы гарантировать, что проблемы качества электроэнергии однофазных нагрузок также могут быть эффективно решены с помощью APF .
2. Сопоставление параметров: емкость АПФ и адаптация
- Расчет мощности АПФ : мощность шунтирующего АПФ должна покрывать максимальный гармонический ток и потребность в реактивной мощности (например, для гармонического тока 100 А и потребности в реактивной мощности 200 квар следует выбрать мощность 250 квар, чтобы оставить запас 10–20 %); мощность последовательного АПФ должна соответствовать максимальной амплитуде компенсации напряжения (например, если падение напряжения сети составляет 15 %, номинальное напряжение АПФ должно быть ≥ 15 % от напряжения сети);
- Расчет параметров фильтра : АПФ должен быть оснащен LC-фильтром нижних частот для фильтрации высокочастотных гармоник (например, компонентов выше 10 кГц), генерируемых в процессе его собственного переключения, предотвращая вторичное загрязнение сети. Частота среза фильтра обычно устанавливается в 5-10 раз выше частоты сети (например, 250-500 Гц для сети 50 Гц) для балансировки эффекта фильтрации и стабильности системы.
3. Стратегия контроля: повышение скорости
- Применение комплексной стратегии управления «прямая связь + обратная связь»: прямое управление позволяет быстро отслеживать изменения тока нагрузки и напряжения сети (например, регулировка компенсирующего тока в течение 0,1 мс при внезапном изменении тока нагрузки), в то время как управление с обратной связью корректирует отклонения компенсации, обеспечивая точность компенсации (погрешность ≤2%);
- Оптимизация алгоритма обнаружения гармоник: приоритет следует отдать алгоритму обнаружения, основанному на теории мгновенной реактивной мощности, чтобы обеспечить точность обнаружения (погрешность ≤1%) основных гармоник (3-я, 5-я, 7-я и т. д.), предоставляя основу для APF для генерации точных компенсирующих сигналов.
V. Заключение: APF – основа UPQC для оптимизации
В управлении качеством электроэнергии в промышленных сетях переменного тока фильтр APF является ядром UPQC, реализуя комплексное управление «фильтрация гармоник + компенсация реактивной мощности + стабилизация напряжения». Лабораторные данные показывают, что синергия APF и UPQC позволяет значительно снизить коэффициент гармонических искажений (THD), повысить коэффициент мощности и стабилизировать напряжение сети, отвечая высоким требованиям стандарта PN-EN 50160 к качеству электроэнергии.
Если в вашей электросети переменного тока наблюдаются такие проблемы, как повышенные гармоники, провалы напряжения или штрафы за коэффициент мощности, пожалуйста, предоставьте информацию о типе сети (например, трёхфазная трёхпроводная/четырёхпроводная), характеристиках нагрузки (например, мощность выпрямителя, количество двигателей) и ключевых проблемах (например, частота провалов напряжения, значение THD). Компания Hengrong Electric CO., LTD. разработает для вас эксклюзивное решение по оптимизации качества электросети переменного тока на основе технологии APF!