Применение электронных силовых устройств в составе активных фильтров для повышения качества электроэнергии - это актуальная и перспективная тема в области электротехники.
Активные фильтры - это устройства, которые могут компенсировать гармонические искажения, несимметрию, провалы и фликер напряжения в электрической сети, улучшая таким образом ее параметры и повышая эффективность потребления электроэнергии. Активные фильтры могут быть последовательными, параллельными или смешанными, в зависимости от способа их подключения к сети и нагрузке.
Электронные силовые устройства, такие как тиристоры, транзисторы, диоды и др., являются основными элементами активных фильтров, так как они обеспечивают быстрое и точное управление током и напряжением фильтра.
Активные силовые электронные фильтры
Для уменьшения нежелательных гармоник напряжения или тока в электротехнике традиционно применялись пассивные фильтры. Эти фильтры состоят из индуктивных (L) и емкостных элементов (С), которые соединены по определенной топологии двухполюсника или четырехполюсника.
Из-за зависимости электрического сопротивления пассивных фильтров от частоты, они способны изменять гармонический состав несинусоидальных токов и напряжений.
В электрических системах, связанных с преобразованием электроэнергии, фильтры применяются в основном для обеспечения синусоидальной формы напряжения (тока) в силовых цепях переменного тока и снижения пульсаций в цепях постоянного тока.
Ограниченность функциональных возможностей и неуправляемость - это два основных недостатка, которые присущи пассивным фильтрам, несмотря на их очевидную простоту схемотехнической реализации.
Эти недостатки существенно снижают эффективность пассивных фильтров при изменении гармонического состава фильтруемых токов (напряжений), а также при колебаниях частоты и изменениях параметров сети, к которой они подключены.
Кроме того, возможны недопустимые перенапряжения и сверхтоки в электрической сети из-за переходных процессов.
Силовые активные фильтры (Active Harmonic Filter, AHF) были разработаны на основе современного поколения полностью управляемых, быстродействующих ключей, таких как силовые транзисторы и запираемые тиристоры.
Эти фильтры отличаются от пассивных фильтров тем, что содержат управляемые элементы, позволяющие контролировать частотные характеристики.
В отличие от пассивных фильтров, которые чувствительны к изменениям своих параметров, активные фильтры могут регулироваться и адаптироваться к изменениям.
Ранее, из-за ограничений элементной базы электроники, активные фильтры не могли быть созданы для силовой электроники. Однако, с появлением нового поколения управляемых ключей, стало возможным разработать и применять силовые активные фильтры.
Преобразователь для фильтрации, известный в терминологии МЭК как активный (силовой) фильтр, несет в себе гораздо больше значений, чем просто фильтр.
Его функции и ключевые характеристики не полностью отражаются этим общим термином. Общий термин не в полной мере отражает важные особенности и функции фильтра.
Активным (силовым) фильтром (АФ) называется преобразователь переменного/постоянного тока с емкостным или индуктивным накопителем электрической энергии на стороне постоянного тока, который использует методы импульсной модуляции для формирования усредненного значения тока (напряжения), равного разности нелинейного (фильтруемого) тока или напряжения и синусоидального тока (напряжения) его основной гармоники.
Гибридные фильтры
Гибридные фильтры, совмещающие функции пассивных и активных фильтров, могут быть разделены на источники тока и источники напряжения в зависимости от схемы и принципов управления.
Появление возможности управления параметрами пассивных фильтров с развитием теории и практикой активной фильтрации делает практическое применение методов активной фильтрации для этих целей очевидным.
Применение активных силовых фильтров ограничивается их высокой стоимостью, так как они имеют большую установленную мощность элементов. Они предназначены для работы при максимальных значениях напряжения и тока, которые определяются полной мощностью нелинейной нагрузки, создающей высшие гармоники тока.
В то же время, пассивные фильтры не требуют применения новых технологий для их изготовления и являются традиционным средством повышения параметров качества электроэнергии. Они входят в состав практически всех эксплуатируемых электрических сетей.
В последние годы появились различные методы управления пассивными фильтрами, которые основаны на применении активных фильтров. Эти активные фильтры выполняют функцию регулятора параметров пассивных фильтров.
В результате этого, мощность активной части снижается более чем в десять раз по сравнению с мощностью параллельно включаемого активного фильтра. Это также позволяет автоматически корректировать параметры фильтра в процессе использования.
Фильтры, которые основаны на пассивных фильтрах с активной частью, подобной активным фильтрам, называются в отечественной технической литературе гибридными.
Применение активных фильтров для повышения качества электроэнергии
Основой силовых электронных устройств являются существенно нелинейные элементы – электронные ключи. Периодическая коммутация ключей в преобразователях электроэнергии приводит к искажению потребляемого из сети тока.
Кроме того, работа ключей совместно с LC-фильтрами в отдельных случаях также вызывает значительные искажения.
Например, выпрямитель с емкостным фильтром ведет к искажениям потребляемого переменного тока, поэтому внедрение силовых электронных устройств в различные области техники приводило к росту искажений тока потребителей.
В свою очередь, искажение тока вызывает искажение сетевого напряжения, в результате увеличиваются потери мощности, сокращается срок службы электрооборудования, происходят сбои в его работе и др.
Все это заставляет искать способы эффективного снижения этих искажений. Это послужило одной из причин активизации работ по созданию и применению активных фильтров в различных областях техники.
Активные фильтры стали использоваться в промышленности, на транспорте, в центрах управления, содержащих большое количество компьютерной техники, и во многих других местах.
Многие крупные электротехнические фирмы стали изготавливать активные фильтры серийно. Наиболее успешно они используются в Японии. Так, например, там создан активный фильтр мощностью 300 кВА для четырехпроводной линии, питающей ретрансляционную станцию.
Система питания станции состоит из однофазных выпрямителей с емкостным фильтром. В результате происходит перегрузка нейтрального провода высшими гармониками тока, кратными трем.
Применение однофазных активных фильтров компенсирует эти гармоники тока, обеспечивая практически синусоидальную форму фазных токов и существенное снижение тока в нулевом проводе.
Другим примером успешного применения активных фильтров большой мощности являются фильтры для устранения искажений токов и напряжений, создаваемых скоростными электропоездами. Эти электропоезда вызывают не только искажение формы токов в сети, но и провалы, колебания и несимметрию напряжений.
Днем в течение 1 ч по участку рядом с электрической подстанцией проходит около 20 поездов, каждый из которых потребляет мощность до 12 МВт.
Для устранения негативного влияния тяговой линии электропередачи на качество электроэнергии, передаваемой по трехфазной линии переменного тока напряжением 154 кВ, на подстанциях были установлены параллельные активные фильтры мощностью от 40 до 60 МВА. В основу активных фильтров были положены инверторы напряжения с ШИМ.
Для стабилизации напряжения, повышения коэффициента мощности до cos фи=1 и устранения провалов напряжения до нуля длительностью несколько периодов и более могут быть эффективно применены кондиционеры сети, выполненные на основе параллельных активных фильтров и последовательных регуляторов напряжения.