Регулирование качества электроэнергии. Регулируемый электропривод при работе оказывает неблагоприятное воздействие на сеть электроснабжения

Регулируемый электропривод при работе оказывает неблагоприятное воздействие на сеть электроснабжения, что выражается в снижении коэффициента мощности на входе преобразователя, колебаниях напряжения в сети и искажении синусоидальной формы напряжения.

Снижение коэффициента мощности увеличивает реактивную мощность системы электроснабжения, что приводит к дополнительным потерям напряжения и энергии и требует увеличения пропускной способности ее элементов.

В электрических сетях предприятия с современным оборудованием вентильные преобразователи находят все более широкое применение, удельный вес нелинейных нагрузок непрерывно возрастает. В этих условиях уровень высших гармоник в кривых напряжения сети нередко достигает 10-15%.

Несинусоидальность напряжения и тока обусловливает дополнительные потери и нагрев, а также ускоренное старение изоляции электродвигателей, трансформаторов и, кроме того, отри­цательно сказывается на функционировании различных видов электрооборудования. Специфическое воздействие на раз­личные виды электрооборудования, системы релейной за­щиты, автоматики, телемеханики и связи проявляется дифференцировано и зависит от амплитудного спектра напряжения (тока), параметров электрических сетей и дру­гих факторов. В общем случае отсутствует зависимость между энергией гармонической помехи и сте­пенью воздействия ее на электрическую сеть. Это обстоятельство обусловило широкое применение показателя, характеризующего искажение кривой напряжения сети на зажимах электроприемников, называемого коэффициентом несинусоидальности напряжения, %

где U_n и U_н — напряжение n-й гармоники и номинальное напряжение сети.

Согласно ГОСТ 13109-87 допустимое значение k_нс ограничивается 5% с интегральной вероятностью 95%за время измерений, указанное в стандарте. Номер последней из учитываемых гармоник не приведен. Он может быть определен в конкретных случаях исходя из общепринятого в электротехнике 5%-ного уровня значимости результатов. Не учитываются в расчете k_нс гармоники, пренебре­жение которыми приводит к дополнительной погрешности более 5%.

В стандарте не указываются допустимые значения k_нс, значения отдельных гармоник напряжения и тока в узлах сети; нет также указаний относительно характера частотной характеристики сети. Требования ГОСТ 13109-87 относятся к электрическим сетям общего назначения; поэтому в некоторых случаях может быть допущено k_нс>5%. Например, на шинах преобразователей прокатных станов допустимую несинусоидальность напряжения определяют исходя из условий нормальной работы преобразователей при отсутствии на их шинах других нагрузок.

Последнее обстоятельство послужило причиной ограничений несинусоидальности напряжения на более высоких ступеняхнапряжения, содержащихся в стандартах некоторых стран. Так, в Швеции для сетей 0,25—0,43 кВ допустимые значения k_нс соответствуют 4%, для сетей 3,3-24 кВ – 3%, 36 – 72 кВ – 2%, выше 84 кВ – 1%. В Японии для сетей 11 – 66кВ и более – соответственно 2 и 1%. В Европейском стандарте EN 50.006 допустимые значения гармоник напряжения задаются на зажимах эталонных сопротивлений, что равносильно нормированию гармоник тока.

Ограничение гармоник тока, генерируемых отдельными нелинейными нагрузками или проникающих из распредели­тельных сетей в сети энергосистемы, в наибольшей мере способствует уменьшению влияния гармонических помех на другие электроприемники и электрические сети. Так, во Франции и ФРГ эти токи ограничиваются 5% действую­щего значения всех высших гармоник тока, генерируемого нелинейными нагрузками цеха или предприятия. В публикации 555-2 МЭК предусмотрено огра­ничение гармоник тока, создаваемых бытовыми электроприборами в низковольтной системе электроснабжения.

Создание и освоение промышленностью высокоэффективных силовых электронных приборов типа IGBT, GТО и др. позволило существенно расширить функции силовых электронных устройств, используемых для регулирования качества электроэнергии. Решение этих задач стало особенно актуальным в связи с реализацией программ энергосбережения. За последние годы в промышленных странах внедрены стандарты с жесткими требованиями к качеству электроэнергии.

Традиционно для регулирования качества электроэнергии использовались тиристорные стабилизаторы, компенсаторы реактивной мощности и пассивные фильтры. Новая элементная база силовой электроники позволяет создавать преобразователи переменного/постоянного тока, работающие в 4-х квадрантах комплексной плоскости на стороне переменного тока с импульсной модуляцией на повышенных частотах (Этот термин соответствует новому стандарту МЭК 60030551). Это позволяет управлять потоками электроэнергии в любом направлении по заданному закону.

На рисунке представлен принцип работы четырех квадрантного преобразователя (напряжение имеет синусоидальную форму, а ток – трапециевидную, при этом фазовый сдвиг соответствует квадранту плоскости на векторной диаграмме).

преобразователю со стороны постоянного тока становится возможным осуществлять обмен реактивной мощностью, включающей мощность высших гармоник между сетью переменного тока и накопителем. Такая схема лежит в основе большинства современных методов регулирования качества электроэнергии.

При колебаниях напряжения, особенно в маломощных (небольшие токи короткого замыкания) электросистемах, существует проблема их компенсации, поскольку в этом случае требуются высокоскоростные устройства компенсации реактивной мощности.

В этом случае эффективное решение проблемы может быть осуществлено с помощью нового поколения статических тиристорных компенсаторов – СТК-лайт, разработанных компанией «Асеа Браун Боверн» (АВВ).

Технология компенсаторов СТК-лайт использует в принципе ту же технологию преобразования сетевого напряжения, которая уже многие годы применяется в электродвигательных установках. Причиной того, что данная технология не была внедрена в устройства компенсации реактивной мощности ранее, являлся факт отсутствия управляющих полупроводниковых устройств большой мощности.