Выбор активного фильтра гармоник в зависимости от наличия характеристик нагрузки и сети

Анонс: Полная фундаментальная, нефундаментальная, неактивная и др. мощность в стандарте IEEE 1459. Выбор мощности активного фильтра гармоник по разным пакетам имеющихся технических данных.

Прежде, чем подойти к выбору мощности активного фильтрокомпенсирующего устройства (АФКУ) для локализации гармонических возмущений в сети и/или компенсации реактивной мощности, следует разобраться в новых концепциях мощности, энергии, тока и напряжения, формализованной в международных технических регламентах.

Полная фундаментальная, нефундаментальная, неактивная и др. мощность в стандарте IEEE 1459.

По сути, сегодня помимо проблем с реактивной энергией (мощностью) практически любая потребительская сеть имеет проблемы с гармониками и их негативное влияние на качество электроэнергии, оборудование и производственно-технологические процессы стало столь значительным, что уже в 2010 году в стандарте IEEE 1459 была пересмотрена концепция основных параметров электрической сети. Так, стандарт ввел определения фундаментальной (fundamental apparent power) на частоте 50 Гц (или 60 Гц) - S1, нефундаментальной (nonfundamental apparent power) полной мощности SN и полной мощности гармоник (harmonic apparent power) SH.

Если из среднеквадратичных значений сетевого напряжения и тока выделить U1 и I1 первой (фундаментальной) частоты, то:

  • U2 = U12 + UН2 и I2 = I12 + IН2,
    где UН2 и IН2 – суммарные квадратичные значения напряжений и токов гармоник (частот выше фундаментальной);
  • квадрат полной мощности S2 = (U*I)2 = (U12 + UН2)(I12 + IН2) = (U1*I1)2 + (U1*IН)2 + (UН*I1)2 + (UН*IН)2,
    где U1*I1 – фундаментальная полная мощность S1 (на частоте 50 Гц), UН*IН – полная мощность гармоник SН, а нефундаментальная полная мощность SН – сумма полной мощности гармоник SН, мощности искажений тока D1 = U1*IН и мощности искажений напряжения DU = UН*I1.

Стандарт ввел:

  • понятие неактивной мощности (nonactive power) N2 = S2 – P2 = Q12 + NН2, где Q1 – реактивная мощность на фундаментальной частоте, NН – мощность, переносимая высшими гармониками (в КВАр);
  • понятие полной мощности гармоник SН2 = (UН*IН)2 = PН2 + NН2, где PН - переносимая высшими гармониками полная мощность;
  • определение коэффициента мощности, как PF = P/S.

Простой технически грамотный выбор активных фильтров гармоник.

Прежде всего при выборе АФКУ для силовой сети объекта следует понимать, что:

  • производители выпускают АФКУ для трехфазных трехпроводных, трехфазных четырехпроводных, однофазных сетей, но предварительно в любой трехфазной сети нелинейная нагрузка должна быть максимально возможно равномерно распределена по фазам;
  • целесообразность компенсации реактивной мощности, в том числе АФКУ может быть экономической (см. расчет экономической целесообразности здесь) и технической, когда риски потерь из-за нарушения производственно-технологического процесса или остановки производства оправдывают любые финансовые вложения;
  • АФКУ могут совмещаться с традиционными УКРМ, УКРМТ, нивелируя недо- или перекомпенсации реактивной мощности параллельно с блокированием гармонических искажений;
  • АФКУ стоит подбирать по мощности, потом определяя суммарный ток по сетевому напряжению и сравнивая с паспортными данными устройства;
  • АФКУ тем дороже, чем больше его мощность, шире частотный диапазон компенсируемых гармоник и меньше время реагирования, т.е. если после полного энергетического анализа сети выявлено, что:
    - нагрузки не генерируют гармоники большой интенсивности в порядках от 25, то лучше выбирать АФКУ с меньшей шириной частотного диапазона компенсации;
    - среди широкого спектра частот интенсивными являются только малое число гармоник, то стоит работать только по этим частотам, причем по возможности для нивелирования гармоник первых порядков использовать пассивные фильтры;
    - нагрузка характеризуется большими значениями Q1, то стоит просчитать варианты компенсации только УКРМ (или УКРМТ), только АФКУ и УКРМ+АФКУ, оставляя на долю АФКУ минимальный диапазон компенсации реактивной мощности.

Выбор мощности активного фильтра гармоник по разным пакетам имеющихся технических данных.

Выбор мощности АФКУ (SC), если есть данные по:

  • активной мощности нелинейной нагрузки на фундаментальной частоте (Р1 в Вт), существующему коэффициенту мощности нагрузки (PF), желаемому коэффициенту мощности АФКУ + нагрузка после установки (PFd).
    Выбрать можно:
    - по формуле

    - из графической зависимости относительной мощности АФКУ от существующего PF нагрузки;

Здесь видно, что при низких коэффициентах мощности нагрузки отношение SC/Рl приближается и выше единицы, т.е. АФКУ будет очень мощным и дорогим. В то же время подкорректировать коэффициент мощности от 0.85-09 можно и АФКУ, параллельно работающим по нивелированию токов высших гармоник.

  • активной мощности нелинейной нагрузки на фундаментальной частоте (Рl в Вт), существующему коэффициенту мощности нагрузки (PF), коэффициенту нелинейных искажений тока нагрузки THDI по формуле при:
    - компенсации только токов высших гармоник без реактивной мощности;

    - только реактивной мощности без токов высших гармоник;
  • мощности приводов постоянного (PDC) и переменного (PAC) тока, коэффициенту искажений питающего напряжения THDU и желаемому коэффициенту после интеграции АФКУ THDU_F по формуле

    где коэффициент k выбирается из диаграммы ниже
    Рис. Диаграмма выбора коэффициента k по коэффициенту искажений питающего напряжения THDU и желаемому коэффициенту после интеграции АФКУ THDU_F (кривые 1 – 5 соответственно 1, 2, 3, 4, 5 %)

  • коэффициенту нелинейных искажений тока нагрузки THDI, желаемому коэффициенту после интеграции АФКУ АФКУ THDI_d, полной мощности нагрузки S1 без мощности УКРМ (если она установлена) по формуле

    Справка: Согласно ГОСТ 32144-2013, значение суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения электрической сети 0,38 кВ не должно быть более 8 %, но согласно IEEE Std 519 этот показатель не может превышать 5%. В свою очередь производители АФКУ и пассивных фильтров оценивают загрязненность сети гармониками по THDU и THDI, определяя свои пороги и названия, хотя технически грамотно при оценке уровня искажений пользоваться нормами стандартов, выдержки из которых приведены ниже.

Таблица. Предельно допустимые значения нелинейных искажений по току THDI согласно IEEE Std 519.
Iкз / Iп. макс. по частоте 50 Гц <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h THDI, %
<20 4 2 1.5 0.6 0.3 5
20 — 5073.52.510.58
50 — 100104.541.50.712
100 — 1000125.552115
>100015762.51.420



Таблица. Предельно допустимые значения нелинейных искажений по напряжению THDU согласно IEEE Std 519
Напряжение на шинах Нелинейные искажения по гармоникам, % THDU, %
69 кВ и ниже 3 5


Таблица. Уровни электромагнитной совместимости для суммарного коэффициента гармоник по IEC 61000-2-4.
Класс искажений Класс 1 (слабые) Класс 2 (средние) Класс 3 (значительные)
Суммарный коэффициент гармоник 5% 8% 10%


Таблица. Уровни электромагнитной совместимости для изменения напряжения, асимметрии напряжения, отклонений частоты по IEC 61000-2-4.
Вид помехиКласс 1Класс 2Класс 3
Допустимое Un: ΔU/Uном± 8%± 10%От +10% до -15%
Асимметрия напряжения Uотр/Uпол 2%2%3%
Отклонение промышленной частоты Δf± 1Гц± 1Гц± 1Гц

Важно: Представленные выше методики дают возможность превентивного оценочного выбора АФКУ для сетей с нелинейными нагрузками, однако важно понимать, что:

  • при использовании любой методики общий принцип «больше мощность – дороже АФКУ» сохраняет свою актуальность;
  • снизить мощность и стоимость АФКУ без ущерба эффективности подавления гармоник и/или компенсации реактивной энергии можно только на основании полного энергоаудита сети с анализом возможности и рисков исключения ряда частот искажений.

 421   13.04.2020
Если голосом проще!
Менеджеры готовы принять заявку. Телефоны:
+7(495) 783-56-30
(многоканальный)
+7(925) 132-99-91
(WhatsApp)
Если проще написать!
В заявке укажите какая продукция Вас интересует.
Оставить заявку

Ждем Вас в гости!
Согласуйте время и приезжайте в наши офисы для получения технических консультаций
перейти к контактам