Анализ средств и методов улучшения электромагнитной совместимости мощных активных выпрямителей с питающей сетью

Журнал: «Главный энергетик», №10, 2018г.

621.313

Analysis of means and methods of improvement of electromagnetic compatibility of powerful active recirculators with power supply network

The means and methods for improving the electromagnetic compatibility of powerful active rectifiers with a power supply network are analyzed. This problem is considered and solved at two levels – firstly, as the action of the active rectifier on the network, which manifests itself mainly in the generation of higher harmonics and distortion of the voltage at the connection point, and secondly in the susceptibility of the rectifier itself to disturbances on the part of the network.

Krubtsov D.S., Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov, city of Magnitogorsk, Chelyabinsk region

Keywords:electromagnetic compatibility, active rectifiers, power supply network

Электромагнитной совместимостью называют способность технических средств нормально функционировать в данной электромагнитной среде, не внося недопустимых электромагнитных помех в эту среду и не испытывая таковых с ее стороны. Исходя из этого, анализируя возможные способы решения проблемы аварийных остановок главных приводов прокатных станов, вызванных несимметричными провалами напряжения, можно выделить два направления: изменение электромагнитной среды и применение дополнительных технических средств, повышающих уровни помехоустойчивости и помеховосприимчивости. Под изменением среды понимается повышение качества электроснабжения путем уменьшения количества провалов напряжения, а также уменьшения их интенсивности, которая определяется глубиной провала и длительностью.

Применение технических средств подразумевает, в частности, рассмотрение и анализ объекта «изнутри», например, выделение в главном приводе электротехнического комплекса элементов, наиболее чувствительных к провалам напряжения, и внесение изменений, которые позволят сохранить работу привода в существующих аварийных ситуациях.

В связи с этим рассмотрены следующие вопросы:

– способы снижения количества и интенсивности провалов напряжения, а также их локализации;

– повышение устойчивости активных выпрямителей при провалах напряжения, в том числе и несимметричных;

– повышения качества напряжения в точке общего присоединения при работе активного выпрямителя.

В настоящее время для уменьшения количества провалов напряжения, их интенсивности и последствий от их возникновения предложен ряд эффективных технических решений. Ниже приведен их анализ с точки зрения использования на металлургических предприятиях с непрерывным производством.

1. Стационарное деление замкнутых сетей 110 кВ на независимые контуры, имеющие связь между собой через электрические сети 220–500 кВ внешней энергосистемы. Такое преобразование выполнено в сетях 110 кВ внутризаводского электроснабжения ОАО «ММК». Результатом этого стало снижение токов короткого замыкания, а также уменьшение глубины провалов напряжения и их локализация.

2. Установка на подстанциях среднего напряжения 3–10 кВ секционного реактора. При использовании такой схемы (рис. 1) в случае потери питания по одному из вводов потребители, подключенные к шинам 3–10 кВ, не будут обесточены. Через некоторое время сработает АВР и включит секционный выключатель СВ, который зашунтирует реактор Р.

3. Использование автономного генератора как независимого источника электроэнергии для потребителей особой группы либо непосредственное подключение ответственных потребителей на генераторное напряжение 6–10 кВ собственных станций малой мощности.

Данное решение реализовано на коксохимическом производстве ОАО «ММК», где перерыв в электроснабжении может привести к чрезвычайным экологическим последствиям. Здесь для надежной работы асинхронных двигателей к общим шинам 6 кВ подключены два генератора мини-ТЭЦ мощностью по 4 МВт (рис. 2).

4. Использование накопителей энергии на подстанциях 6–10 кВ. В качестве накопителей может выступать установка динамического восстановления напряжения. Она состоит из независимого источника питания в виде аккумуляторных батарей, соединенных с линией с помощью вольтодобавочного трансформатора.

Коммутация осуществляется с помощью полупроводниковых ключей. При провалах напряжения запасенная энергия отдается в сеть, тем самым поднимая напряжение в точке подключения. В качестве накопителей энергии также могут быть использованы конденсаторные батареи. Такие установки еще называют динамическим компенсатором искажения напряжения (ДКИН). Однако оба этих способа являются достаточно дорогостоящими и рентабельность таких установок достаточно низкая.

Достаточно перспективным является способ накопления энергии с помощью маховика, в качестве которого может быть использован двигатель с малым потреблением энергии на холостом ходу либо двигатель, задействованный в технологическом процессе и работающий с равномерной нагрузкой (вентилятор, насос) (рис. 3а) и обладающий значительным моментом инерции. В составе электропривода обязательно наличие преобразователя частоты ПЧ, который переводит двигатель в рекуперативный режим работы при провале напряжения, а также используется при пуске двигателя.

Одним из новейших способов накопления энергии является использование эффекта высокотемпературной сверхпроводимости.

Требуемое количество электроэнергии циркулирует в сверхпроводящей обмотке, в которой практически отсутствуют потери. При провалах напряжения энергия, запасенная в сверхпроводящей обмотке, с помощью силовых полупроводниковых ключей отдается в сеть. Величина запасенной энергии может достигать нескольких МВт.

5. Нетрадиционное использование резервов статических тиристорных компенсаторов (СТК), являющихся элементом системы электроснабжения дуговой сталеплавильной печи (ДСП).

Современные ДСП повсеместно комплектуются СТК и образуют единый электротехнический комплекс (рис. 4). СТК состоит из тиристорно-реакторной группы (ТРГ), которая представляет собой последовательно включенный реактор с тиристорными ключами и фильтров высших гармоник (ФКЦ) с номерами 2, 3, 4.

Номинальные установленные мощности ТРГ и ФКЦ примерно равны между собой и составляют несколько сотен МВАр. Поддержание заданного уровня реактивной мощности осуществляется с помощью быстродействующего регулирование реактивного тока, потребляемого реакторам в составе ТРГ. Подобные комплексы «ДСП-СТК» установлены на ОАО «ММК» и на ЗАО «ММК Metalurji».

В последнее время появилась тенденция использования СТК для нужд электроэнергетической системы, так как установленные мощности СТК значительно превышают величину, необходимую для поддержания напряжения при работе ДСП. Так, в Турецкой республике, где функционирует сверхмощная ДСП-250, разработана система демпфирования колебаний мощности, способная вводить коррективы в режим работы СТК. Это позволяет заметно повысить устойчивость генераторов электростанций и снизить глубину провалов напряжения со стороны питающей сети, приводящих к частым остановкам технологического процесса промышленного предприятия.

6. Применение статических компенсаторов реактивной мощности типа СТАТКОМ с целью смягчения провалов напряжения для чувствительных устройств.

СТАТКОМ представляет собой быстродействующий автономный инвертор напряжения с накопительным конденсатором со стороны постоянного тока. СТАТКОМ подключают в точку общего присоединения через реактор и (или) трансформатор (рис. 5). В случае разного уровня напряжений в точке общего подключения и на входе преобразователя используют согласующий трансформатор.

Преобразователь способен работать как в режиме потребления, так и в режиме генерации реактивного тока, тем самым понижая или повышая напряжения на шинах. Поэтому его использование позволяет не только уменьшить величину провалов напряжения, но и повысить качество напряжения в точках подключения нелинейной несимметричной нагрузки.

Предлагаемые технические решения не всегда могут быть применены на практике ввиду особенностей построения системы электроснабжения конкретного объекта, низкой рентабельности решения в условиях текущего производства либо отсутствия вблизи прокатного стана электростанций малой мощности или СТК. Поэтому более универсальным и эффективным способом решения проблемы уменьшения количества аварийных остановок непрерывных прокатных станов является не только снижение числа провалов напряжения в питающей сети, но и совершенствование систем управления ЭТК, чувствительных к провалам напряжения, с целью повышения их устойчивости.

Для устойчивой работы преобразователя частоты большое значение имеет точная синхронизация с сетью особенно в условиях несимметрии сети. Поэтому одной из наиболее обсуждаемых проблем, которая достаточно часто описывается в литературе, является работа фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (в зарубежной литературе PLL – Phase-Locked Loop), в том числе при несимметричных провалах напряжения.

Данная проблема имеет несколько решений, среди которых можно выделить следующие:

1. ФАПЧ, реализованная в неподвижной системе координат, обеспечивает определение угловой частоты, а также составляющих прямой и обратной последовательностей трехфазного симметричного и несимметричного сигналов.

измеренного трехфазного напряжения в неподвижную систему координат производят на основании известных уравнений Кларка с помощью блока, изображенного на рис. 6б. Разложение сигнала на симметричные составляющие осуществляется с помощью блока, приведенного на рис. 6в, где исходными сигналами являются выходные сигналы ФАПЧ.

2. ФАПЧ, выполненная в подвижной синхронной системе координат и основанная на p-q теории, позволяет отслеживать точно и непрерывно составляющую прямой последовательности основной частоты и ее фазовый сдвиг, даже если напряжение несимметрично.

Исходный трехфазный сигнал сначала преобразуют в неподвижную систему координат, а затем в подвижную синхронную систему координат. Пропорциональноинтегральный регулятор (ПИ) исполь зуется в сочетании с предуправлением по номинальной угловой скорости ωном и насыщен, чтобы повысить динамические характеристики ФАПЧ (рис. 7).

3. ФАПЧ на основе развязанной двойной синхронной системы отсчета (рис. 8а) предусматривает разложение на прямую и обратную составляющие напряжения в двойной синхронной подвижной системе координат и позволяет быстро, точно и надежно определить частоту и фазу положительной последовательности напряжения даже при несимметричной несинусоидальной сети.

При несимметрии сети напряжение, преобразованное в подвижную систему координат, ориентированную по вектору напряжения прямой последовательности, содержит постоянную и колебательную составляющие.

Для исключения колебательной составляющей из сигнала используют блок развязки. Причем в зависимости от того, синхронизирована ли система координат по вектору напряжения прямой или обратной последовательности, применяют соответствующие блоки (рис. 8б, 8в).

4. Гибридная ФАПЧ, вобравшая в себя положительные свойства трех вышеперечисленных систем, а именно: ФАПЧ в синхронной подвижной системе координат, в неподвижной системе координат и развязанной двойной синхронной системе координат. Такая система имеет низкое отклонение расчетной фазы при авариях, происходящих в системе.

Для выделения основной частоты прямой последовательности трехфазного напряжения используются пять последовательно включенных блоков, которые исключают из напряжения составляющие обратной последовательности, а также высшие гармоники до 24 включительно.

В блоках на основании текущего сигнала и сигнала с определенной задержкой происходят достаточно простые математические операции, в результате которых происходит фильтрация напряжения, поступающего на вход ФАПЧ.

Таким образом, имеющийся научный и практический опыт способствует эффективному использованию ФАПЧ в конкретных условиях несимметрии питающей сети. Опыт эксплуатации стана холодной прокатки 2000 показал, что основные причины аварийных ситуаций главных приводов вызваны не только ошибками синхронизации ПЧ с питающей сетью, но и некорректной работой системы управления при несимметричных провалах напряжения.

Воздействие провалов напряжения на работу преобразователя зависит от их характера. Влияние симметричных провалов напряжения на работу преобразователя выражается в перерегулировании токов в переходных процессах и в увеличении их потребления обратно пропорционально величине провала.

При несимметричных провалах напряжения в звене постоянного тока преобразователя возникают колебания двойной частоты сети, которые приводят к его отключению. Кроме того, сетевые токи становятся несимметричными, и в отдельных фазах их превышение может быть настолько большим, что может привести к отключению преобразователя.

Снизить потребляемые токи при симметричных провалах напряжения возможно лишь путем снижения нагрузки на приводимом механизме, что не всегда позволяют сделать особенности технологического режима.

Проблема работы преобразователей частоты при возникновении несимметричных провалов напряжения актуальна независимо от того, для каких целей используется преобразователь, будь то главный привод прокатного стана, насосный агрегат, вентиляторная нагрузка или ветряной генератор. Способы решения данной задачи можно разделить на две группы:

1. Система с предуправлением по напряжению обратной последовательности содержит регуляторы тока, выполненные в системе координат прямой последовательности (рис. 10), а для компенсации несимметрии, возникающей со стороны сети, добавлен блок выделения составляющей напряжения обратной последовательности, которая используется как корректирующий сигнал прямого действия и суммируется с выходом регуляторов тока. Представленная система является относительно простой в реализации, однако, как любая система без обратной связи, она обладает невысокой точностью регулирования.

2. Система управления с дополнительным регулятором тока обратной последовательности, в которой два регулятора имеют раздельное управление токами прямой и обратной последовательности (рис. 11). Такую систему можно разделить на две подсистемы. В первой из них происходит выделение симметричных составляющих тока и напряжения, а также опорного сигнала для синхронизации с сетью. Во второй части установлены регуляторы тока прямой и обратной последовательности.

Выделение составляющих прямой и обратной последовательностей предложено осуществлять двумя способами: с использованием низкочастотного фильтра или путем задержки сигнала. Оба предложенных метода имеют временные задержки, но следует отметить, что метод с задержкой имеет большее быстродействие, чем способ с использованием низкочастотного фильтра, однако при его использовании возникают большие колебания сигнала в начальный и конечный период провала напряжения.

Для преобразователей частоты, в составе которых на входе вместо активного выпрямителя установлен диодный мост, предложена гибридная схема, в которой параллельно к звену постоянного тока подключаются однофазные диодные выпрямители, состоящие из двух диодов и транзистора. Управление транзисторами настраивают таким образом, чтобы улучшить синусоидальность потребляемых токов из сети, а также сохранить требуемый уровень напряжения в звене постоянного тока при провалах питающего напряжения.

Все рассмотренные выше публикации направлены на улучшение работы преобразователя при возникновении несимметрии в энергосистеме. Но, как уже отмечалось, обеспечение ЭМС предполагает не только оценку влияния качества питающего напряжения на устойчивость преобразователя, но и влияние самого преобразователя в точке общего присоединения на синусоидальность напряжения сети. Поэтому вопрос улучшения качества напряжения в точке подключения преобразователя также стоит достаточно остро.

К схемным решениям, позволяющим достигнуть снижения несинусоидальности напряжения, можно отнести:

– выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин;

– рассредоточение нагрузок по различным узлам питания с подключением параллельно им электродвигателей;

– подключение нагрузки к системе с большой мощностью короткого замыкания;

– подключение преобразователей с использованием многопульсных схем.

Последний пункт подробно рассмотрен в статьях [9, 10], где представлены 12-, 18-, 24-, 36-пульсные схемы. Выбор той или иной схемы зависит от множества факторов: необходимый уровень качества напряжения, требуемая мощность, однонаправленное или двунаправленное направление мощности, частота ШИМ преобразователя, тип нагрузки, экономическая целесообразность.

На рис. 12 приведено несколько примеров подключения выпрямителей по двеннадцатипульсной и восемнадцатипульсной схемам. Двенадцатипульсная схема может быть выполнена с помощью одного трансформатора с расщепленной вторичной обмоткой, при этом вторичная обмотка имеет различные схемы соединения – «звезда» и «треугольник» (рис. 12а). Также она может быть реализована с использованием двух трансформаторов, включенных параллельно (рис. 12б) или последовательно (рис. 12в). Для подключения выпрямителя по восемнадцатипульсной схеме применяют три трансформатора, первичные обмотки которых разделены на большие и малые секции. Большая секция каждой из фаз электрически соединена с малой секцией соседней фазы, в результате этого добиваются требуемого фазового сдвига между вторичными напряжениями в 20 электрических градусов (рис. 12г).

Наиболее эффективным способом улучшения качества напряжения является использование фильтрующих устройств.

К ним относятся резонансные фильтры, которые включаются параллельно нагрузке и, как правило, являются частью фильтрокомпенсирующего устройства.

Фильтрокомпенсирующие устройства являются аппаратами многоцелевого назначения и применяются для компенсации реактивной мощности и снижения уровня отдельных высших гармоник. Такие фильтры настраиваются на частоту одной или нескольких гармоник, преобладающих в напряжении сети.

На рис. 13 представлены схемы резонансных фильтров. Принцип их действия описывается выражением h ⋅ XL = XC /h. При равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений на частоте настройки фильтра (h) наступает резонанс напряжений, и реактивное сопротивление цепи становится практически равным нулю, а ток резонансной частоты закорачивается фильтром, не попадая в сеть.

При подключении преобразователей к сети для сохранения электромагнитной совместимости достаточно широкое применение получили широкополосные синусные или LCL-фильтры. Схема такого фильтра изображена на рис. 14.

График зависимости проводимости Y от номера гармоники h показывает, что в низкочастотной области увеличение проводимости идет пропорционально увеличению номера гармоники. На данных частотах емкостную составляющую можно не учитывать, а наклон кривой обусловлен суммарной индуктивностью.

Далее имеет место резонанс, после чего идет интенсивное увеличение проводимости с увеличением номера гармоники, которое обусловлено наличием емкости. То есть появление емкости приводит к тому, что высшие гармоники будут замыкаться через нее, в результате этого ток становится чище.

Развитие современной базы силовой электроники и методов высокочастотной модуляции привело к созданию устройств, улучшающих качество электроэнергии – активных фильтров (АФ), подразделяемых на последовательные и параллельные, на источники тока и напряжения. Это привело к получению четырех базовых схем (рис. 15).

В качестве накопителя энергии в преобразователе, служащем источником тока, используется индуктивность, а в преобразователе, служащем источником напряжения, используется емкость.

На рис. 16 изображена принципиальная схема продольной системы компенсации и фильтрации с использованием АФ. Подобные системы позволяют не только обеспечить снижение высших гармоник и интергармоник, но и регулирование напряжения у потребителя, поскольку напряжение Uк может изменяться по амплитуде и фазе. Соответственно система продольного включения активного фильтра может иметь характер индуктивного или емкостного сопротивления на основной частоте.

Одним из эффективных способов улучшения качества напряжения на шинах общего присоединения является выбор способа широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Применение того или иного метода ШИМ зависит от типа применяемого преобразователя. Сейчас достаточно широкое применение находят многоуровневые преобразователи, которые используются в основном на средне- и высокомощных электроприводах и, в частности, на прокатных станах. Увеличения мощности и улучшение качества напряжения, достигнутые этим типом преобразователей, идеально подходят к требованиям промышленности, и в настоящее время исследователи во всем мире сосредоточены на разработке новых оптимизированных методов управления многоуровневыми преобразователями для повышения качества выходного напряжения. Это делается для получения возможности подключения таких преобразователей к энергосистеме без применения фильтров, сохраняя при этом синусоидальность напряжения в энергосистеме.

Первый способ уменьшения искажения напряжения – метод ШИМ с удалением выделенных гармоник. Он является эффективным методом для устранения низкочастотных гармоник в двухуровневых и в трехуровневых мощных преобразователях. Этот метод основан на предварительном вычислении углов переключения, которые используются в качестве шаблона и программируются в ШИМ. В результате в выходном напряжении преобразователя отсутствуют выделенные гармоники.

Второй метод ШИМ не ставит своей задачей полное удаление выделенных гармоник, а ограничивает величину отдельных гармоник на уровне, удовлетворяющем требованиям ГОСТ, а также в качестве дополнительного условия принимается во внимание значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения. Данный метод называется ШИМ с уменьшением выделенных гармоник, так как способствует уменьшению содержания гармоник до приемлемого уровня. Для поиска углов переключения задается целевая функция, в которой учитываются требования ГОСТ по величине отдельных гармоник, общему уровню содержания высших гармоник и величине первой гармоники.

Еще одним из способов улучшения качества напряжения является использование оптимальной синхронной ШИМ, которая в сравнении с классической ШИМ позволяет существенно снизить гармонические искажения при сопоставимой частоте коммутаций. Шаблоны углов переключения оптимальной синхронной ШИМ заранее рассчитываются для каждой рабочей точки.

В зависимости от фактического состояния конкретный шаблон извлекается из памяти микропроцессора и используется для управления инвертором. Поскольку оптимизация действует только в стационарном состоянии, нежелательные переходные процессы встречаются всякий раз, когда меняются условия эксплуатации. Отслеживания и сравнивания траектории потока статора с оптимальной траекторией позволяет избежать или свести к минимуму нежелательные переходные процессы. Эта траектория восстанавливается из шаблонов переключений в реальном времени.

ВЫВОДЫ

1. Рассмотрены схемотехнические решения, позволяющие снизить глубину провалов напряжения в кольцевой системе электроснабжения. Установлено, что известные решения не позволяют существенно повысить устойчивость активного выпрямителя к провалам напряжения. Это обусловлено значительной установленной мощностью преобразователей, которая составляет десятки мегаватт, а для выполнения поставленной задачи требуемая мощность дополнительных устройств должна быть соизмерима с последней.

2. В свете вышеизложенного повышение устойчивости исследуемого объекта к провалам напряжения целесообразно осуществлять путем совершенствования законов регулирования в системе управления активным выпрямителем.

3. Анализ известных публикаций показал, что одним из эффективных способов повышения устойчивости рассматриваемых преобразователей является использование предуправления по обратной последовательности сетевого напряжения. Однако такой подход не является универсальным, и его применение к рассматриваемому объекту требует проведения дополнительных исследований, вызванных особенностями данного класса преобразователей, а именно, применением двенадцатипульсной схемы выпрямления и низкой частотой ШИМ, что обусловлено большой мощностью данных преобразователей.

4. Дополнительным направлением по улучшению электромагнитной совместимости является разработка алгоритмов ШИМ по методу удаления выделенных гармоник для двенадцатипульсной схемы выпрямления.