Трехфазный активный фильтр-компенсатор для улучшения показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения 0,4 кВ
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ПРОБЛЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ НЕЛИНЕЙНЫХ
НАГРУЗОК С ПИТАЮЩЕЙ СЕТЬЮ 9
1.1 Влияние преобразовательных установок на сети промышленного
электроснабжения 12
1.2 Устройства, улучшающие энергетические показатели и качество
электрической энергии в системе электроснабжения 17
1.2.1 Конденсаторные батареи 19
1.2.2 Конденсаторно-реакторные компенсаторы 21
1.2.3 Пассивные (резонансные) фильтры 22
1.2.4 Вентильные компенсаторы реактивной мощности на запираемых
тиристорах 24
1.2.5 Активные силовые фильтры и фильтры-компенсаторы 25
1.3 Цель, задачи и задание исследовательской работы 32
2 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ СЕТИ И НАГРУЗОК ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 35
2.1 Расчет составляющих мощностей и силовых элементов трехфазной активноиндуктивной нагрузки 35
2.2 Расчет составляющих мощностей и силовых элементов реверсивного ЭП
постоянного тока 36
2.3 Расчет составляющих мощностей и силовых элементов частотнорегулируемого электропривода 40
2.4 Расчет суммарной пассивной мощности всех нагрузок переменного тока ... 44
2.5 Расчет параметров источника электроснабжения 0,4 кВ 45
3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ТРЕХФАЗНОГО АКТИВНОГО ФИЛЬТРА-КОМПЕНСАТОРА 47
3.1 Описание трехфазного активного фильтра-компенсатора с релейновекторной системой управления 47
3.2 Динамические характеристики трехфазного активного фильтра-
компенсатора 3.3 Расчет параметров и выбор реактора на входе активного фильтра-
компенсатора 57
3.4 Выбор конденсаторов постоянного тока и силовых ключей активного
фильтра-компенсатора 59
3.5 Расчет параметров пассивного фильтра высших гармоник на входе
активного фильтра-компенсатора 62
3.6 Расчет основных параметров системы управления активного фильтра-
компенсатора 64
4 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО АКТИВНОГО
ФИЛЬТРА-КОМПЕНСАТОРА СОВМЕСТНО С НАГРУЗКАМИ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 67
4.1 Компьтерная модель трехфазного активного фильтра-компенсатора
совместно с нагрузками переменного тока в программе MatLab+Simulink 67
4.2 Исследование статических характеристик трехфазного активного фильтра-
компенсатора совместно с активно-индуктивной нагрузкой 76
4.4 Исследование статических характеристик трехфазного активного фильтра- компенсатора совместно с преобразователем частоты 87
4.5. Исследование статических характеристик трехфазного активного фильтра- компенсатора совместно со всеми нагрузками переменного тока 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109
БИБЛИОГРАФИЕЧСКИЙ СПИСОК 112
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ПРОБЛЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ НЕЛИНЕЙНЫХ
НАГРУЗОК С ПИТАЮЩЕЙ СЕТЬЮ 9
1.1 Влияние преобразовательных установок на сети промышленного
электроснабжения 12
1.2 Устройства, улучшающие энергетические показатели и качество
электрической энергии в системе электроснабжения 17
1.2.1 Конденсаторные батареи 19
1.2.2 Конденсаторно-реакторные компенсаторы 21
1.2.3 Пассивные (резонансные) фильтры 22
1.2.4 Вентильные компенсаторы реактивной мощности на запираемых
тиристорах 24
1.2.5 Активные силовые фильтры и фильтры-компенсаторы 25
1.3 Цель, задачи и задание исследовательской работы 32
2 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ СЕТИ И НАГРУЗОК ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 35
2.1 Расчет составляющих мощностей и силовых элементов трехфазной активноиндуктивной нагрузки 35
2.2 Расчет составляющих мощностей и силовых элементов реверсивного ЭП
постоянного тока 36
2.3 Расчет составляющих мощностей и силовых элементов частотнорегулируемого электропривода 40
2.4 Расчет суммарной пассивной мощности всех нагрузок переменного тока ... 44
2.5 Расчет параметров источника электроснабжения 0,4 кВ 45
3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ТРЕХФАЗНОГО АКТИВНОГО ФИЛЬТРА-КОМПЕНСАТОРА 47
3.1 Описание трехфазного активного фильтра-компенсатора с релейновекторной системой управления 47
3.2 Динамические характеристики трехфазного активного фильтра-
компенсатора 3.3 Расчет параметров и выбор реактора на входе активного фильтра-
компенсатора 57
3.4 Выбор конденсаторов постоянного тока и силовых ключей активного
фильтра-компенсатора 59
3.5 Расчет параметров пассивного фильтра высших гармоник на входе
активного фильтра-компенсатора 62
3.6 Расчет основных параметров системы управления активного фильтра-
компенсатора 64
4 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО АКТИВНОГО
ФИЛЬТРА-КОМПЕНСАТОРА СОВМЕСТНО С НАГРУЗКАМИ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 67
4.1 Компьтерная модель трехфазного активного фильтра-компенсатора
совместно с нагрузками переменного тока в программе MatLab+Simulink 67
4.2 Исследование статических характеристик трехфазного активного фильтра-
компенсатора совместно с активно-индуктивной нагрузкой 76
4.4 Исследование статических характеристик трехфазного активного фильтра- компенсатора совместно с преобразователем частоты 87
4.5. Исследование статических характеристик трехфазного активного фильтра- компенсатора совместно со всеми нагрузками переменного тока 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109
БИБЛИОГРАФИЕЧСКИЙ СПИСОК 112
Основная проблема, исследование которой ведется в выпускной квалификационной работе - это улучшение качества электрической энергии. Так что такое качество электрической энергии?
Качество электрической энергии (согласно ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения») - это степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей КЭ (КЭ - качество электрической энергии) [10].
В понятие качество электроэнергии входят характеристики, которые могут оценивать пригодность электрической энергии в различных производственных процессах. В последние годы повышению качества электроэнергии уделяют особое внимание, т.к. качество может влиять на расход электроэнергии, на технологический производственный процесс, на срок службы электро- технологического оборудования.
При постоянно растущих требованиях к оптимизации и модернизации производства на заводах, комбинатах и фабриках устанавливаются современные автоматизированные электропривода, которые строятся на базе полупроводниковых преобразователей. Так для электроприводов переменного тока используют преобразователи частоты, а для регулируемых приводов постоянного тока - тиристорные преобразователи, мощность которых находится в диапазоне от 100 Вт до нескольких МВт.
Поэтому предприятия черной и цветной металлургии, машиностроения, легкой промышленности и пр. заинтересованы в вопросах улучшения качества электроэнергии.
Заводы и фабрики, на территории которых установлены понизительные подстанции 110/35 кВ, 35/6 кВ, отчитываются энергоснабжающим компаниям как по расходу активной энергии, так и реактивной энергии за отчетный период (месяц, кваратал).В основном, большинство поставщиков электрической энергии выдвигают предприятиям условие поддержания среднего коэффициента мощности cos ф в течение расчётного периода выше 0,8. Если потребление реактивной энергии становится больше 50% потребления активной энергии, то дополнительная реактивная энергия будет тарифицироваться. Как говорилось выше, реактивная энергия будет измеряться отдельным счётчиком квар-ч. Обычно дополнительная реактивная энергия (квар-ч) оценивается в диапазоне от 10 до 15% стоимости активной энергии (кВт-ч).
Также некоторые поставщики электроэнергии предоставляют льготу крупным предприятиям при условии, что cos ф за отчетный период будет близок к 1 (выше 0,94). При выполнении этого условия предприятию предоставляется скидка в размере 5-10% на стоимость активной энергии.
Крупные заводы и комбинаты постоянно планируют свое производство так, чтобы не было перерасхода реактивной энергии и заинтересованы в современных и перспективных устройствах, применение которых направлено на улучшение энергетических показателей электроэнергии.
Так, главным объектом исследования в работе будет активный фильтр- компенсатор (АФК). В настоящее время АФК является самым перспективным. Основные достоинства активного фильтра-компенсатора.
1. Быстродействие. Силовая часть АФК создана на базе /С7%-транзисторов.
2. Закон управления, который обеспечивает компенсацию не только реактивной мощности, но и мощности искажения.
В работе будут рассмотрены как статические характеристики АФК, так и динамические, которые на данный момент являются малоизученными. В работе будет разработана математическая модель трехфазного АФК. А для приближения к вопросам практического использования фильтра-компенсатора в качестве нагрузок будут использоваться активно-индуктивная нагрузка, тиристорный преобразователь и преобразователь частоты, которые повсеместно используются в цехах заводов и комбинатов.
Качество электрической энергии (согласно ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения») - это степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных показателей КЭ (КЭ - качество электрической энергии) [10].
В понятие качество электроэнергии входят характеристики, которые могут оценивать пригодность электрической энергии в различных производственных процессах. В последние годы повышению качества электроэнергии уделяют особое внимание, т.к. качество может влиять на расход электроэнергии, на технологический производственный процесс, на срок службы электро- технологического оборудования.
При постоянно растущих требованиях к оптимизации и модернизации производства на заводах, комбинатах и фабриках устанавливаются современные автоматизированные электропривода, которые строятся на базе полупроводниковых преобразователей. Так для электроприводов переменного тока используют преобразователи частоты, а для регулируемых приводов постоянного тока - тиристорные преобразователи, мощность которых находится в диапазоне от 100 Вт до нескольких МВт.
Поэтому предприятия черной и цветной металлургии, машиностроения, легкой промышленности и пр. заинтересованы в вопросах улучшения качества электроэнергии.
Заводы и фабрики, на территории которых установлены понизительные подстанции 110/35 кВ, 35/6 кВ, отчитываются энергоснабжающим компаниям как по расходу активной энергии, так и реактивной энергии за отчетный период (месяц, кваратал).В основном, большинство поставщиков электрической энергии выдвигают предприятиям условие поддержания среднего коэффициента мощности cos ф в течение расчётного периода выше 0,8. Если потребление реактивной энергии становится больше 50% потребления активной энергии, то дополнительная реактивная энергия будет тарифицироваться. Как говорилось выше, реактивная энергия будет измеряться отдельным счётчиком квар-ч. Обычно дополнительная реактивная энергия (квар-ч) оценивается в диапазоне от 10 до 15% стоимости активной энергии (кВт-ч).
Также некоторые поставщики электроэнергии предоставляют льготу крупным предприятиям при условии, что cos ф за отчетный период будет близок к 1 (выше 0,94). При выполнении этого условия предприятию предоставляется скидка в размере 5-10% на стоимость активной энергии.
Крупные заводы и комбинаты постоянно планируют свое производство так, чтобы не было перерасхода реактивной энергии и заинтересованы в современных и перспективных устройствах, применение которых направлено на улучшение энергетических показателей электроэнергии.
Так, главным объектом исследования в работе будет активный фильтр- компенсатор (АФК). В настоящее время АФК является самым перспективным. Основные достоинства активного фильтра-компенсатора.
1. Быстродействие. Силовая часть АФК создана на базе /С7%-транзисторов.
2. Закон управления, который обеспечивает компенсацию не только реактивной мощности, но и мощности искажения.
В работе будут рассмотрены как статические характеристики АФК, так и динамические, которые на данный момент являются малоизученными. В работе будет разработана математическая модель трехфазного АФК. А для приближения к вопросам практического использования фильтра-компенсатора в качестве нагрузок будут использоваться активно-индуктивная нагрузка, тиристорный преобразователь и преобразователь частоты, которые повсеместно используются в цехах заводов и комбинатов.
В работе проведен обзор полупроводниковых преобразователей, применение которых направлено на улучшение энергетических показателей качества сети, а также сформулированы их основные достоинства и недостатки.
Основной объект исследования - трехфазный активный фильтр-компенсатор. Для АФК были рассчитаны и выбраны основные элементы: реактор, конденсаторы звена постоянного тока, /ОВЕ-транзисторы, настроен пассивный фильтр на входе АФК, также были рассчитаны основные параметры системы управления активного фильтра-компенсатора.
В MatLab + Simulink была разработана математическая модель трехфазного АФК совместно с нагрузками переменного тока: BL-нагрузка, тиристорный преобразователь, преобразователь частоты.
Исследование статических характеристик активного фильтра-компенсатора проводилось при работе АФК как отдельно с каждой нагрузкой, так и со всеми нагрузками одновременно.
При работе всех нагрузок совместно с АФК коэффициент мощности сети %с и cos ф равны единице практически во всех режимах работы, а из сети потребляется синусоидальная форма тока. Таким образом, применение активного фильтра- компенсатора в системе электроснабжения позволяет не только полностью скомпенсировать реактивную мощность и улучшить спектральный состав сетевого тока, но и снизить потребление действующего значения тока сети SIC , достигающего максимального значения 70 % при а = 150 эл. град, когда тиристорный преобразователь рекуперирует в сеть максимальное количество электроэнергии. Все это однозначно говорит о том, что в результате использования АФК улучшается эффективность передачи активной мощности через сеть и уменьшаются потери мощности на внутренних сопротивлениях сети. Это, в конечном итоге, позволяет уменьшить потребление электроэнергии.Особое внимание в работе уделялось вопросу динамических свойств трехфазного активного фильтра-компенсатора. Был проведен анализ зависимостей времени нарастания компенсационного тока & от различных переменных и установлено, что время нарастание компенсационного тока & зависят от максимальной частоты коммутации силовых ключей АФК fk.max и коэффициента повышения преобразователя кпов. Поэтому с целью достижения максимального быстродействия АФК значения fkmsx и кпов следует выбирать как можно больше. Однако следует помнить, что их предельные значения ограничены временем включения и выключения IGBT"-транзисторов и их максимальным напряжением на коллекторе.
В заключительной части диплома были исследованы динамические характеристик трехфазного активного фильтра-компенсатора совместно с регулируемыми электроприводами постоянного и переменного тока. Результаты исследований показали, что активный фильтр-компенсатор отлично выполняет возложенные на него задачи. Так, при разгоне электроприводов коэффициент мощности сети /с не снижался ниже 0,93, коэффициент искажения тока ki.c - 0,2, а коэффициент искажения напряжения сети ku.c - 0,02. В установившемся режиме работы электроприводов эти же показатели составили равными /с = 1,0; ki.c = 0,05; ku.c = 0,01.
Главные преимущества активного фильтра-компенсатора перед другими устройствами компенсации является его высокое быстродействие и гибкость в применении в сетях с постоянно изменяющейся мощностью нагрузок во времени.
Однако АФК обладает и недостатками. Это большая расчетная мощность, которая соизмерима с активной мощностью всех нагрузок переменного тока, а также высокая стоимость и, как следствие, большой срок окупаемости. Именно последний недостаток мешает массовому внедрению АФК в сетях промышленных предприятий.Из-за короткого срока обучения в магистратуре и ограниченного объема выпускной квалификационной работы не была подробно проработана
экономическая часть. Для изучения вопроса экономической эффективности внедрения активного фильтра-компенсатора на производство необходимо тесное сотрудничество с поставщиком электрической энергией и отделом главного энергетика предприятия.
Основной объект исследования - трехфазный активный фильтр-компенсатор. Для АФК были рассчитаны и выбраны основные элементы: реактор, конденсаторы звена постоянного тока, /ОВЕ-транзисторы, настроен пассивный фильтр на входе АФК, также были рассчитаны основные параметры системы управления активного фильтра-компенсатора.
В MatLab + Simulink была разработана математическая модель трехфазного АФК совместно с нагрузками переменного тока: BL-нагрузка, тиристорный преобразователь, преобразователь частоты.
Исследование статических характеристик активного фильтра-компенсатора проводилось при работе АФК как отдельно с каждой нагрузкой, так и со всеми нагрузками одновременно.
При работе всех нагрузок совместно с АФК коэффициент мощности сети %с и cos ф равны единице практически во всех режимах работы, а из сети потребляется синусоидальная форма тока. Таким образом, применение активного фильтра- компенсатора в системе электроснабжения позволяет не только полностью скомпенсировать реактивную мощность и улучшить спектральный состав сетевого тока, но и снизить потребление действующего значения тока сети SIC , достигающего максимального значения 70 % при а = 150 эл. град, когда тиристорный преобразователь рекуперирует в сеть максимальное количество электроэнергии. Все это однозначно говорит о том, что в результате использования АФК улучшается эффективность передачи активной мощности через сеть и уменьшаются потери мощности на внутренних сопротивлениях сети. Это, в конечном итоге, позволяет уменьшить потребление электроэнергии.Особое внимание в работе уделялось вопросу динамических свойств трехфазного активного фильтра-компенсатора. Был проведен анализ зависимостей времени нарастания компенсационного тока & от различных переменных и установлено, что время нарастание компенсационного тока & зависят от максимальной частоты коммутации силовых ключей АФК fk.max и коэффициента повышения преобразователя кпов. Поэтому с целью достижения максимального быстродействия АФК значения fkmsx и кпов следует выбирать как можно больше. Однако следует помнить, что их предельные значения ограничены временем включения и выключения IGBT"-транзисторов и их максимальным напряжением на коллекторе.
В заключительной части диплома были исследованы динамические характеристик трехфазного активного фильтра-компенсатора совместно с регулируемыми электроприводами постоянного и переменного тока. Результаты исследований показали, что активный фильтр-компенсатор отлично выполняет возложенные на него задачи. Так, при разгоне электроприводов коэффициент мощности сети /с не снижался ниже 0,93, коэффициент искажения тока ki.c - 0,2, а коэффициент искажения напряжения сети ku.c - 0,02. В установившемся режиме работы электроприводов эти же показатели составили равными /с = 1,0; ki.c = 0,05; ku.c = 0,01.
Главные преимущества активного фильтра-компенсатора перед другими устройствами компенсации является его высокое быстродействие и гибкость в применении в сетях с постоянно изменяющейся мощностью нагрузок во времени.
Однако АФК обладает и недостатками. Это большая расчетная мощность, которая соизмерима с активной мощностью всех нагрузок переменного тока, а также высокая стоимость и, как следствие, большой срок окупаемости. Именно последний недостаток мешает массовому внедрению АФК в сетях промышленных предприятий.Из-за короткого срока обучения в магистратуре и ограниченного объема выпускной квалификационной работы не была подробно проработана
экономическая часть. Для изучения вопроса экономической эффективности внедрения активного фильтра-компенсатора на производство необходимо тесное сотрудничество с поставщиком электрической энергией и отделом главного энергетика предприятия.
