На правах рукописи

КИРЮХИН АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИБРИДНОГО ФИЛЬТРА С КОМПЕНСИРУЮЩИМ ТРАНСФОРМАТОРОМ Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008 2

Работа выполнена на кафедре "Электроснабжения промышленных предприятий" ГОУВПО Московский энергетический институт (Технический университет)

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Ирина Георгиевна Буре

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Юрий Константинович Розанов кандидат технических наук Александр Васильевич Сокольников Ведущее предприятие - ЗАО МПП-Ирбис

Защита диссертации состоится л16 _мая_ 2008 г. в аудитории М-611 в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан л апреля 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.157.02 кандидат технических наук, доцент С.А.Цырук 3

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

На современных промышленных предприятиях значительное распространение получили нагрузки, характеристики которых нелинейны. К их числу относятся в первую очередь различного рода вентильные преобразователи, установки дуговой и контактной электросварки, электродуговые сталеплавильные (ЭДСП) и руднотермические печи, газоразрядные лампы и т.д. Эти нагрузки потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, а во многих случаях и непериодической; в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети, т.е. несинусоидальные режимы.

При несинусоидальных режимах высшие гармоники токов и напряжений неблагоприятно сказываются на работе силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Возникающие в результате воздействия высших гармоник экономические ущербы обусловлены, главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электрических сетей и сокращением срока службы электрооборудования. В некоторых случаях имеет место ухудшение качества и уменьшение количества выпускаемой продукции. Высшие гармоники приводят к ухудшению общей электромагнитной обстановки в электросетях, поэтому прогрессирующее внедрение вентильного электропривода и электротехнологии обусловило важность и актуальность решения проблемы высших гармоник в электрических сетях систем электроснабжения (СЭС).

Основной круг вопросов, составляющих содержание этой проблемы, сводится к следующим: оценка электромагнитной совместимости (ЭМС) источников высших гармоник и других нагрузок и возникающего при этом экономического ущерба; количественная оценка высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками, и прогнозирование значений высших гармоник тока и напряжения в электрических сетях;

снижение уровней высших гармоник.

Одним из традиционных способов уменьшения высших гармоник и снижения несинусоидальности кривых тока и напряжения является использование пассивных фильтров. Пассивные фильтры представляют собой LC-цепи, настроенные в резонанс на частоты высших гармоник. Главным достоинством пассивных фильтров является низкая стоимость. Однако, наличие ряда серьезных недостатков таких, как низкая добротность, технологический разброс параметров реакторов и конденсаторов фильтра, возможность возникновения опасных резонансных явлений и негативное влияние на переходные процессы в системах электроснабжения привели к ограниченному использованию пассивных фильтров.

С развитием средств силовой электроники появилась возможность создания силовых активных фильтров высших гармоник. Имея в своей основе четырехквадрантный преобразователь на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах, активный фильтр обеспечивает высокую эффективность фильтрации высших гармоник. Однако широкое применение активных фильтров ограничивает их высокая стоимость, связанная с большой установочной мощностью.

В связи с этим, наиболее перспективным направлением является разработка силовых гибридных фильтров, представляющих собой комбинацию пассивного фильтра и активного элемента на базе маломощного активного фильтра. Практика применения силовых фильтров показывает, что в большинстве случаев в СЭС необходимо подавлять одну или несколько высших гармонических составляющих. Не имея недостатков пассивного фильтра, силовой гибридный фильтр позволяет решить данную задачу при существенно меньшей стоимости устройства по сравнению с активным фильтром. Однако, существующие силовые гибридные фильтры имеют ряд недостатков, которые снижают эффективность их работы и повышают стоимость.

Поэтому совершенствование существующих гибридных фильтров и разработка на их основе устройств, позволяющих существенно снизить уровень высших гармоник тока и напряжения в трехфазных сетях переменного тока, является актуальной задачей.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы, принятые в электротехнике, теориях электрических фильтров и сетей. Для компьютерного моделирования использовался программный комплекс MatLab-Simulink.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов.

Справедливость теоретических положений и математических расчетов подтверждена результатами компьютерного моделирования и сравнения полученных теоретических и экспериментальных результатов, расхождение не превысило 10%.

Научная новизна заключается в следующем:

- предложена принципиальная схема гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором (КТ);

- разработана математическая модель активной и пассивной частей гибридного фильтра с КТ;

- показано, что компенсирующий трансформатор работает по принципу активного двухполюсника, управляемого с его вторичной стороны;

- предложено для уменьшения мощности активной части в канале активной фильтрации ввести пассивный фильтр основной гармоники 50Гц;

- разработана компьютерная модель гибридного фильтра с КТ;

- получено семейство характеристик, позволяющее проводить выбор оптимальных коэффициентов трансформации датчика тока (ДТ) и КТ;

- показана эффективность работы гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором, пассивная часть которого включает конденсатор, а в качестве индуктивности используется КТ;

- разработана инженерная методика расчета и оптимизации параметров гибридного фильтра с КТ.

Практическая ценность результатов работы.

- разработана схема силового гибридного фильтра с КТ для трехфазных сетей 0,4кВ;

- показано, что для оценки ЭМС в сетях 0,4кВ для отдельных ТС или групп ТС необходимо пользоваться нормами по эмиссии высших гармоник тока, а не напряжения;

- составлен алгоритм выбора оптимального значения емкости пассивной части гибридного фильтра с КТ, показано, что емкость конденсатора фильтра выбирается из условия резонанса, а компенсация реактивной мощности осуществляется за счет конденсаторов, установленных в цепи пассивных резонансных контуров;

- включение в схему резонансного фильтра основной гармоники позволяет уменьшить мощность активной части гибридного фильтра с КТ на 15-20%;

- разработаны алгоритмы расчета параметров трансформатора тока и компенсирующего трансформатора;

- оптимизация параметров фильтра позволяет снизить мощность активной части до 13% от мощности искажений;

- предложенная модель гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором позволяет проводить оптимизацию параметров фильтра и оценивать уровень высших гармоник в питающей сети;

- сравнение разработанного гибридного фильтра с комбинированным фильтром показало, что при одинаковых коэффициентах искажения синусоидальности токов в питающей сети, мощность активной части гибридного фильтра с КТ на 30% меньше, чем у комбинированного фильтра.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались:

- на ежегодных научно-технических конференциях, Москва, 2005-2007.

- на заседаниях кафедры Электроснабжения промышленных предприятий МЭИ(ТУ);

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, 1 из которых опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы из 72 наименований и приложение. Общий объем составляет 144 страницы текста компьютерной верстки.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая ценность работы, дана общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены источники высших гармоник в СЭС, нормаривные документы по ЭМС и выявлено, что зарубежные стандарты ограничивают токи высших гармоник, тогда как российские ГОСТ направлены, в основном, на снижение высших гармоник напряжения. Новый российский Регламент об электромагнитной совместимости в основном направлен на ограничение электромагнитных помех от технических средств, т.е. на снижение их токов высших гармоник и при исследовании электромагнитной совместимости в электрической сети целесообразно пользоваться оценкой токов высших гармоник от технических средств, а уже в зависимости от параметров сети определять высшие гармоники напряжения.

Во второй главе проведен анализ существующих устройств фильтрации высших гармоник тока в СЭС, выявлены основные достоинства и недостатки силовых гибридных фильтров.

Применение активных фильтров ограничено из-за большой установленной мощности, близкой к суммарной мощности подавляемых высших гармоник. Более перспективными являются гибридные фильтры, мощность активной части которых составляет от 10 до 20% от мощности компенсируемых гармоник. Гибридные и комбинированный фильтры имеют пассивный LC-контур, емкость которого выбирается из условия компенсации реактивной мощности по основной гармонике, а индуктивность - из условия резонанса на соответствующей частоте. При этом габариты специального реактора для фильтра получаются значительными.

На основе проведенного анализа схем гибридных и комбинированного фильтра была разработана схема ГФ без реактора, но с компенсирующим трансформатором (КТ), представленная на рис.1.

Рис.1. Принципиальная схема гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором.

Фильтр состоит из параллельно включенных резонансных контуров, настроенных на первые высшие гармоники. Ветвь гибридного фильтра настроена на самую мощную гармонику.

Принцип работы такого фильтра заключается в использовании двух известных методов:

- компенсации в замкнутой схеме (с отрицательной обратной связью);

- компенсации "положительного" падения напряжения на пассивном элементе "отрицательным" выходным напряжением активного элемента, т.е.

активный элемент выполняет роль "отрицательного сопротивления".

Из-за присутствия в сигнале задания основной гармоники 50Гц одним из недостатков работы ГФ является увеличенная мощность активной части фильтра. По разным оценкам доля основной гармоники составляет от 10 до 50%. Мощность активной части гибридного фильтра с КТ можно уменьшить, отфильтровав из ее входного сигнала основную гармонику, для чего на вторичной стороне датчика тока предложено установить фильтр основной гармоники. Такое решение позволяет улучшить массо-габаритные показатели и снизить мощность активной части фильтра.

Третья глава посвящена разработке математической модели гибридного фильтра с компенсирующим трансформатором.

На рис.2 представлена эквивалентная схема включения гибридного фильтра с КТ в цепи "источник питания U1 - сопротивление сети Zs источник высших гармоник i0". Фильтр состоит из конденсатора С, рассчитанного на компенсацию реактивной мощности, датчика токовой помехи (ДТ), являющегося датчиком напряжения, управляемого током, и компенсирующего трансформатора КТ. Вторичные обмотки ДТ и КТ связаны между собой усилителем У, имеющим отдельный источник питания.

Таким образом, датчик тока, компенсирующий трансформатор и усилитель являются каналом активной фильтрации в гибридном фильтре.

юбой трансформатор можно рассматривать как источник мощности по его вторичной стороне, как входное сопротивление двухполюсника (нагруженного внутри его схемы), как устройство для суммирования магнитных полей первичной и вторичной обмоток. При анализе гибридного фильтра компенсирующий трансформатор рассматривается как входное сопротивление двухполюсника, реализованного на основе схемы двойного питания. Составлена блок-схема и математическая модель компенсирующего трансформатора, описывающая принцип его работы.

Рис.2. Эквивалентная схема включения гибридного фильтра с КТ.

Уравнения в операторном виде для установившегося режима работы трансформатора можно записать в виде (все величины токов, напряжений, мощностей здесь и далее являются комплексными величинами):

U ( p) = I1( p) R + I1( p) pL - eM 1( p) (1) Z 0 = I2( p) R2 + I2( p) pL2( p) + I2( p) Z0( p) - eM 2( p) Ud ( p), (2) где: I1( p), I2( p) - токи в первичной и вторичной обмотках.

Дальнейший анализ свойств этой схемы как комплексного сопротивления "активного двухполюсника" позволяет получить регулировочную характеристику компенсирующего трансформатора, представленную выражением (6) j 2 Uz ( p) 1 e kM (1- kM ) I1 ( p) = (3) pL1 (1- kM ) j 2 Uz ( p) kM e (1- kM ) I2 ( p) = (4) pL1 (1- kM ) Входное сопротивление КТ равно:

Uz ( p) pL1 (1- kM ) Zwe ( p) = = (5) j I1( p) 1 e kM (1- kM ) Zwe ( p) Обозначив через = - кратность входного сопротивления получаем Z1( p) регулировочную характеристику КТ: