Моделирование электроустановок и выбор активных фильтров
Active filters sizing & Harmonic simulation
Моделирование режимов работы электроустановок актуально, в частности, при использовании активных фильтров для компенсации высших гармоник тока и напряжения.
Высшие гармоники канонические, четные, кратные трем, интергармоники
Смотреть это видео на Rutube или Дзен
Просто спросить...?
Ясно, что на действующем объекте логичнее всего выполнить соответствующие измерения, и далее использовать полученные данные для расчёта необходимого тока компенсации. Вместе с тем, не всегда удаётся создать необходимые режимы на объекте - зафиксировать максимальные нагрузки, отключить один из вводов на подстанции, перейти на автономное электроснабжение и др.
В проектируемых или строящихся электроустановках моделирование может помочь проанализировать различные «сценарии» и заложить требуемые ресурсы активных фильтров для снижения рисков нештатной работы оборудования.
Наряду со сложными и дорогостоящими инструментами моделирования (например, DIgSILENT PowerFactory), существует много прикладных программ с ограниченным функционалом, пригодных для расчета высших гармоник тока и напряжения. С их помощью на качественном уровне удаётся оценить влияние отдельных факторов на показатели качества электроэнергии.
Исходные данные, необходимые для применения подобных программ, могут быть следующими.
Упрощенная однолинейная схема (помним, что чрезмерное упрощение ведет к снижению доверия к результатам расчетов).
Номинальные данные источников электроэнергии (генераторов, трансформаторов). В некоторых программах также задаются параметры кабельных и воздушных линий.
Номинальные данные основных электроприёмников (электродвигателей, преобразователей частоты, управляемых выпрямителей и др.).
Данные о наличии или отсутствии дросселей в силовых цепях преобразователей. В некоторых программах отдельно задаются параметры дросселей на входе преобразователя и дросселя в звене постоянного тока преобразователя частоты.
Данные об относительной загрузке отдельных электроприёмников (в некоторых программах этот параметр меняется в широком диапазоне).
При наличии искажений напряжения, поступающих в электроустановку со стороны источника - данные о гармоническом составе и величине искажений.
Эти и другие данные варьируются при расчете сценариев. Пример – ниже.
Пример условной электроустановки с линейной и нелинейной нагрузкой; электроснабжение от энергосистемы или от электростанции собственных нужд
Сценарий 1 – электроснабжение от трансформатора Т1 (35/6 кВ), в работе двигатель М1 с преобразователем частоты и «двухпроцентным» дросселем, двигатель постоянного тока М2 с управляемым выпрямителем и входным дросселем, двигатель М3 с прямым пуском от сети. Сеть «чистая», высших гармоник из сети нет. Активный фильтр отключен.
Сценарий 2 – то же, но в работе двигатели М1 и М2.
Сценарий 3 – то же, но в работе двигатели М1 и М3, и так далее.
Сценарии 6, 7, 8 соответствуют электроснабжению от генератора 1500 кВА (6,3 кВ), трансформатор 35/6 кВ отключен.
Сценарий 8 отличается от сценария 7 включением в работу активного фильтра АДФ с током компенсации 300 А.
Пример изменений высших гармоник в условной электроустановке с линейной и нелинейной нагрузкой; электроснабжение от энергосистемы или от электростанции собственных нужд
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения KU (или THDu в англоязычной терминологии) на сборных шинах 0,4 кВ в разных сценариях изменяется от 4,1 % до 15,7 %. В последнем случае это кратно превышает допустимые ГОСТ значения. Очевидно, что наихудшие условия – при работе всех электроприёмников от генератора электростанции собственных нужд.
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения на сборных шинах 6,3 кВ изменяется от 1,8 % до 11,8 %. В последнем случае это также существенно превышает допустимые ГОСТ значения и соответствует работе всех электроприёмников от генератора электростанции.
Для каждого сценария приводятся форма напряжения и тока и спектр гармоник (напряжения и тока). Например, при работе всех электроприёмников от Госэнергосистемы, величина и спектр гармоник относительно благоприятны.
Величина и спектр высших гармоник тока и напряжения. Электроснабжение от Госэнергосистемы
При отключении трансформатора и подключении всех нагрузок на генератор 1500 кВА ситуация резко ухудшается.
Величина и спектр высших гармоник тока и напряжения. Электроснабжение от генератора электростанции собственных нужд
Полученные данные ложатся в основу выбора систем компенсации высших гармоник. Если компенсация осуществляется активным фильтром (в данном примере ток компенсации 300 А), то его запуск при наихудших исходных условиях позволяет добиться снижения THDu на сборных шинах РУ 0,4 кВ до 4,9 % и на шинах 6,3 кВ – до 3,7 %. Это вполне соответствует требованиям ГОСТ.
Ряд моделей позволяют также учитывать дополнительные искажения напряжения, поступающие со стороны источника (в данном примере это линия 35 кВ). Если Сценарий 1 дополнить внешними искажениями с THDu = 5%, то расчетные значения THDu изменятся и будут составлять (Сценарий 8):
на сборных шинах РУ 0,4 кВ – THDu = 9,7%,
на сборных шинах РУ 6,3 кВ – THDu = 6,6%.
Это уже достаточно много.
Моделирование высших гармоник по исходным данным Заказчиков
Предоставление Заказчиком данных измерений высших гармоник на действующем объекте крайне желательно. Такие данные позволяют проверить адекватность модели, проведя расчеты соответствующих этим замерам сценариев. Если данные замеров и расчетов близки, уверенности в корректности модели будет больше.
Предложения Инженерного центра «АРТ»
Полный комплекс работ по созданию систем компенсации высших гармоник и реактивной мощности в электроустановках до и выше 1000 В (низкого и среднего напряжения).
