Выбор активного фильтра гармоник в зависимости от наличия характеристик нагрузки и сети - Фильтры гармоник
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.
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 — 50 | 7 | 3.5 | 2.5 | 1 | 0.5 | 8 |
50 — 100 | 10 | 4.5 | 4 | 1.5 | 0.7 | 12 |
100 — 1000 | 12 | 5.5 | 5 | 2 | 1 | 15 |
>1000 | 15 | 7 | 6 | 2.5 | 1.4 | 20 |
Напряжение на шинах | Нелинейные искажения по гармоникам, % | THDU, % |
69 кВ и ниже | 3 | 5 |
Класс искажений | Класс 1 (слабые) | Класс 2 (средние) | Класс 3 (значительные) |
Суммарный коэффициент гармоник | 5% | 8% | 10% |
Вид помехи | Класс 1 | Класс 2 | Класс 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.
(многоканальный) +7(916) 227-27-07