Вентильные компенсаторы неактивных составляющих полной мощности

ЛЕКЦИЯ 13

Все классические схемы преобразования переменного напряжения, т.е. выпрямители, регуляторы переменного напряжения, непосредственные преобразователи частоты, имеют, как было показано выше, несинусоидальный входной ток, сдвинутый по фазе в сторону отставания от напряжения сети. Это означает, что вентильные преобразователи, потребляя из сети активную мощность, необходимую для нагрузки, загружают питающую сеть реактивной мощностью и мощностью искажений, которые являются здесь паразитными для сети. Колебания реактивной мощности приводят к колебаниям уровня напряжения в сети, а искажения тока вызывают искажения формы напряжения в сети (см. раздел 3.13 части 1), т.е. вентильный преобразователь, вопреки пословице «не кусать руку, которая кормит», портит качество электрической энергии в сети, от которой питается.

Возможны два пути ослабления негативного обратного влияния вентильных преобразователей на питающую сеть. Первый путь связан с построением новых схем преобразования или модернизацией прежних с целью улучшения формы тока, потребляемого преобразователями из сети. Второй связан с нахождением ориентированных на решение этой проблемы специальных преобразовательных устройств, позволяющих управляемо генерировать отдельные или все сразу неактивные составляющие полной мощности, имеющиеся в питающей сети в точке присоединения нелинейной нагрузки, которые надо частично или полностью компенсировать. Такие преобразовательные устройства и получили название вентильных компенсаторов неактивных составляющих полной мощности. Таким образом, силовая электроника сама дала решение той проблемы, которую во многом породила (наряду с другими нелинейными нагрузками).

Ниже рассмотрены:

• компенсаторы реактивной мощности как наиболее распространенный вид вентильных компенсаторов;

• компенсаторы мощности искажений, получившие название «активные фильтры»;

• компенсаторы всех неактивных составляющих полной мощности.

КОМПЕНСАТОРЫ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

КОНДЕНСАТОРЫ, КОММУТИРУЕМЫЕ ТИРИСТОРАМИ (ККТ)

В том случае, если компенсатор должен добавить в питающую сеть только емкостной реактивный ток, используют коммутацию групп конденсаторов с помощью встречно-параллельно соединенных тиристоров, как показано на рис. 5.1.1. В установившемся режиме ток в конденсаторе опережает напряжение на нем на четверть периода. Тогда если включать тиристоры в моменты переходов тока емкости через нуль, т.е. в максимумы положительной и отрицательной полуволн, то не будет никакого искажения тока емкости (рис. 5.1.2). Но для ликвидации броска тока заряда емкости при первом включении в момент максимума напряжения сети необходимо принять превентивные меры. Например, можно держать отключенные емкости заряженными до максимума напряжения вторичной обмотки трансформатора Т, что легко обеспечивается с помощью отдельного маломощного выпрямителя, не показанного на схеме.

Достоинство такого компенсатора – простота, недостатки – дискретность регулирования величины реактивной мощности, выдаваемой в питающую сеть, и определенная задержка подключения очередных ступеней, которое возможно не раньше ближайшего максимума напряжения сети. Если последовательно с конденсаторами включить реакторы для ограничения тока заряда конденсатора при его включении в произвольный момент времени, то указанной динамической задержки не потребуется.

РЕАКТОРЫ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ТИРИСТОРАМИ (РУТ)

В тех случаях, когда в сетях или линиях электропередачи требуется компенсация их емкостных (зарядных) токов, используют компенсатор индуктивной реактивной мощности в виде реактора, регулируемого встречно-параллельными тиристорами (регулятором переменного напряжения, см. раздел 3). Схема такого компенсатора показана на рис. 5.1.3, а диаграмма его токов для двух значений угла регулирования – на рис. 5.1.4. При регулировании угла плавно, но нелинейно от α изменяется величина первой гармоники тока компенсатора, но появляются высшие гармоники тока нечетного порядка 3, 5, 7, 9, 11, 13 …

Для исключения гармоник в токе, кратных трем в трехфазных сетях, указанные компенсаторы соединяют в звезду без нулевого провода. Тогда форма тока компенсатора становится в каждой полуволне двухимпульсной (рис. 5.1.5). При этом исчезает возможность раздельного регулирования реактивных мощностей по каждой фазе питающей сети, т.е. компенсатор лишается способности компенсировать реактивные мощности несимметрии каждой фазы (по первым гармоникам).

Другая возможность управлять напряжением на реакторе, а значит, и его током связана с включением реактора в цепь постоянного тока на выходе выпрямителя, как показано на рис. 5.1.6 для случая трехфазного компенсатора. Один реактор для цепи постоянного тока выполнить дешевле, чем три реактора для цепи переменного тока, но при этом опять исчезает возможность пофазного регулирования реактивных мощностей в трехфазной сети. Входной ток такого компенсатора аналогичен входному току трехфазного мостового выпрямителя, работающего на индуктивную нагрузку. Отсутствие активного сопротивления в нагрузке выпрямителя, кроме малого активного сопротивления обмотки реактора и внутреннего сопротивления выпрямителя (см. раздел 3.1 части 1), при условии непрерывности выпрямленного тока в реакторе требует в соответствии с регулировочной характеристикой выпрямителя (формула (2.9.2) части 1) значений углов регулирования выпрямителя около для получения малого выпрямленного напряжения на покрытие потерь в указанных сопротивлениях. При этом фаза входного тока выпрямителя, определяемая углом α, также практически равна . Выпрямитель здесь потребляет реактивную мощность из сети, величина ее регулируется небольшим изменением угла вблизи за счет изменения выпрямленного тока (рис. 5.1.7). Если постоянная времени цепи реактора существенно больше периода пульсаций выпрямленного напряжения, то регулирование величины входного тока выпрямителя (и его первой гармоники) идет практически без искажения его формы, т.е. без дополнительной генерации высших гармоник по отношению к 5, 7, 9, 11, … высшим гармоникам входного тока трехфазного мостового выпрямителя (см. раздел 3.6 части 1).

КОНДЕНСАТОРНО-РЕАКТОРНЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ

РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ (КРК)

Компенсаторы типа ККТ компенсируют отстающий реактивный ток сети, а типа РУТ – опережающий реактивный ток сети. При необходимости компенсации любого из этих токов в одном устройстве применяют конденсатор но-реакторные компенсаторы (КРК). При этом регулирование величины и вида входной реактивной мощности можно обеспечивать за счет выполнения регулируемых (конденсаторной или реакторной) частей компенсатора на базе рассмотренных выше принципов. Пример такого компенсатора, образованного конденсатором С и компенсатором типа РУТ, включенными параллельно, показан на рис. 5.1.8. Векторная диаграмма для первых гармоник напряжения и токов компенсатора приведена на рис. 5.1.9. Фаза реактивного тока на входе компенсатора +или –определяется соотношением величин нерегулируемого тока емкости и регулируемого тока реактора.

Другой применяемый вариант КРК образуется параллельным объединением компенсаторов типов ККТ и РУТ.

Все рассмотренные компенсаторы реактивной мощности регулируют реактивную мощность изменением или параметра реактивного элемента (емкости конденсатора или индуктивности нелинейного реактора), или напряжения на нем тиристорным регулятором. Последний всегда вносит свои искажения в ток.

КОМПЕНСАТОРЫ МОЩНОСТИ ИСКАЖЕНИЙ –

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ

Идея компенсации искажений напряжений и токов в сети, т.е. активная фильтрация, основана на введении в сеть последовательно источника напряжения с управляемым искажением или параллельно источника тока с управляемым искажением, причем вносимые искажения находятся в противофазе с имеющимися искажениями и компенсируют их в результирующей кривой напряжения или тока. Эта идея иллюстрируется на рис. 5.2.1, а для активного фильтра напряжения и на рис. 5.2.1, б – для активного фильтра тока. Источник компенсирующего искажения напряжения сети (или нагрузки) вводится последовательно обычно через трансформатор Т. Если напряжение сети несинусоидально (на рисунке условно трапеция), а напряжение на нагрузке должно быть синусоидальным, то источник компенсирующего напряжения должен повторять в противофазе разность мгновенной кривой напряжения сети и ее первой гармоники (рис. 5.2.1, а). Аналогично работает и активный фильтр тока. Если нелинейная нагрузка потребляет несинусоидальный ток (на рис. 5.2.1, б входной ток трехфазного мостового выпрямителя в предположении линейного его изменения на интервалах коммутации), то компенсатор генерирует ток, равный в противофазе разности мгновенной кривой тока нелинейной нагрузки и ее первой гармоники .

Схемы активных фильтров напряжения и тока обычно выполняют на базе инверторов напряжения с ШИМ. Рассматривая инвертор напряжения как реверсивный широтно-импульсный преобразователь (ШИП), работающий в режиме периодического реверса, и учитывая линейность регулировочной характеристики ШИП, можно воспроизвести на выходе инвертора любую кривую задания тока (напряжения) или на рис. 5.2.1 путем аппроксимации ее средними значениями по интервалам тактов коммутации при ШИМ. Точность воспроизведения на выходе инвертора тока или напряжения зависит от точной передачи спектра этих кривых до частоты их верхней гармоники, определяемой в соответствии с теоремой отсчетов Котельникова половиной частоты коммутации при ШИМ. Так для подавления в результирующем токе сети всех гармоник входного тока трехфазного мостового выпрямителя вплоть, например, до 23-й, относительная величина которой в спектре 1/23, т.е. менее 5 % (см. раздел 3.7 части1), необходима частота коммутации в интервале не ниже 2⋅23⋅50 = 2300 Гц, что вполне допустимо для силовых транзисторов. Техническая реализация такого воспроизведения на выходе инвертора напряжения сигнала задания на его входе легко обеспечивается при использовании управления инвертором по методу слежения (см. раздел 6.6.2). Более радикальным способом улучшения качества электроснабжения и устранения обратного влияния нелинейного потребителя на питающую сеть является совместное использование активного фильтра напряжения и тока. Возможны два варианта их объединения: параллельно-последовательное и последовательно-параллельное включения (рис. 5.2.2, а, б).

При этом появилась возможность за счет использования выходных трансформаторов в активных фильтрах объединить их цепи постоянного напряжения общим конденсатором фильтра . Если на такую структуру возложить еще и функцию регулирования величины реактивной мощности и ее знака, то можно будет поддерживать синусоидальное напряжение стабильной величины при колебаниях напряжения в сети, вызванных прежде всего колебаниями нагрузки. В этом случае последовательный фильтр напряжения выполняет еще функцию вольтодобавочного регулятора переменного напряжения (см. раздел 3). Такие системы, предназначенные для большой электроэнергетики, получили название гибких линий электропередачи (за рубежом FACTS – flexible alternative current transmission system). Если в графике потребления реактивной мощности имеется не только динамическая, но и статическая составляющая, то ее можно скомпенсировать пассивными реактивными элементами, которые смогут отфильтровать и часть гармоник тока. В этих случаях используют как бы комбинированный фильтр, состоящий из совокупности активного и пассивного фильтров.

Дата добавления: 2014-01-07