Аннотация
HV SVG (Static Var Generator) представляет собой самую передовую технологию компенсации реактивной мощности в современных энергосистемах. С усовершенствованными алгоритмами управления он также может выполнять гармоническую компенсацию. Однако полевые применения выявили нелогичное явление: в то время как гармоники тока и напряжения на стороне системы снижаются во время компенсации, гармоники тока со стороны нагрузки значительно увеличиваются. В данной статье рассматривается этот вопрос с помощью теоретического анализа, моделирования и моделирования, предоставляя практические знания для эффективного внедрения систем гармонической компенсации.
Ключевые слова: гармоническая компенсация; Статический генератор изменений (SVG)
I. Введение
Широкое использование нелинейных нагрузок — таких как дуговые печи, среднечастотные индукционные печи, подводные дуговые печи, низковольтные переменные частотные приводы (VFD) и выпрямители — привело к всё более серьёзным проблемам с качеством электроэнергии в электросетях, включая гармоники, мерцание напряжения, дисбаланс, перенапряжение и недостаточное напряжение. Эти нарушения не только угрожают работе чувствительного высокоточного оборудования, но и увеличивают потери в инфраструктуре передачи и распределения. Среди этих проблем гармоники представляют особенно серьёзные риски, снижая энергоэффективность и вызывая перегрев, вибрацию, шум, старение изоляции и даже катастрофические поломки электрооборудования.
Распространённые решения для снижения гармонических эффектов включают пассивные фильтры (FC) и фильтры активной мощности (APF). В то время как APF обычно внедряются на низких уровнях напряжения (например, 380 В или 660 В), системы среднего и высокого напряжения (10 кВ/35 кВ) часто используют каскадные H-мостовые SVG с модифицированными стратегиями управления для достижения интегрированной реактивной мощности и гармонической компенсации.
SVG, основанный на полностью управляемых устройствах IGBT, заменяет громоздкие конденсаторы и реакторы на быстропереключаемую силовую электронику, обеспечивая динамичное, плавное и точное компенсирование. Совершенствуя алгоритм управления, SVG может одновременно компенсировать реактивную мощность и подавлять гармоники.
В этой статье представлен гармонический принцип компенсации SVG, рассматривается реальное применение и анализируется неожиданное увеличение гармоник на стороне нагрузки с помощью моделирования и теоретического моделирования.
II. Принцип гармонической компенсации SVG
a. Основы работы SVG
Таблица 1: Принципы рабочего состояния
SVG — это статичный, быстрооткликающий динамический реактивный компенсатор мощности. Он соединяет самокоммутируемую мостовую цепь — состоящая из нескольких последовательно соединённых модулей H-моста — к сети с помощью реакторов или трансформаторов (рис. 1). Регулируя амплитуду и фазу выходного напряжения на стороне переменного тока (или непосредственно управляя выходным током), SVG впрыскивает или поглощает реактивную мощность по мере необходимости.
Рисунок 1: Схема высоковольтной каскадной системы SVG
В высоковольтных приложениях несколько модулей H-моста каскадно передаются на фазу, при этом число масштабируется с уровнем напряжения. Управляющие сигналы передаются через волоконно-оптические системы для обеспечения гальванической изоляции и устойчивости к шумам (рис. 2).
Рисунок 2: Схематическая схема электрической структуры системы SVG
SVG непрерывно отслеживает системное напряжение, системный ток и ток нагрузки, затем динамически корректирует выход для поддержания целевых значений реактивной мощности, напряжения или коэффициента мощности в точке общего соединения.
b. Механизм гармонической компенсации
Принцип работы средневольтного SVG с активной фильтрацией с использованием постоянного тока показан на рисунке 3. Из этого рисунка можно вывести уравнение (1), указывающее, что источник тока — это векторная сумма тока нагрузки и компенсационного тока:
Рисунок 3: Рабочий принцип статического генератора Var с управлением постоянным током
При условии, что ток нагрузки содержит фундаментальный положительный ток (включая как фундаментальные положительно реактивные, так и активные компоненты), фундаментальный отрицательный ток и гармонические токи, его можно выразить так:
Чтобы исключить фундаментальные положительно-реактивные компоненты и фундаментальные отрицательные компоненты из источника, выходной ток SVG должен удовлетворять уравнению (3):
В результате источник тока будет содержать только активный компонент и гармонические токи с фундаментальной положительной последовательностью, как показано в уравнении (4):
Таким образом, достижение желаемой компенсации зависит от точного контроля выходного тока SVG для выполнения требования в уравнении (3).
Из приведённого выше описания принципа работы SVG очевидно, что если SVG подавляет гармоники нагрузки помимо компенсации реактивной мощности, ей достаточно генерировать соответствующие гармонические токи. Следовательно, SVG может одновременно выполнять двойные задачи: компенсировать реактивный ток и снижать гармонический ток.
Для этой цели могут использоваться различные алгоритмы гармонического обнаружения, такие как вращающаяся селективная гармоническая детектура на основе координат, быстрое преобразование Фурье (FFT) и теория мгновенной реактивной мощности, среди прочих.
III. Полевые наблюдения и анализ проблем
a. Кейс-стади: бумажная фабрика в Китае
Объект питается от сети 35 кВ через два основных трансформатора 10 кВ (один активный, один в резерве). Шина на 10 кВ обслуживает ~60 питателей и два самогенерационных блока. Ключевые нелинейные нагрузки включают выпрямители с диоксидом хлора, хлор-щелочные выпрямители и VFD, генерирующие доминирующие 5-ю и седьмую гармоники, при этом пятая превышает пределы полезности.
Рисунок 4: Схема первичной системы электроснабжения на месте
На шину 10 кВ для снижения пятой гармоники был установлен SVG на 10 кВ / 5 Мвар. Данные после ввода в строй (Таблица 2) показывают:
Таблица 2: Влияние гармонической компенсации
Хотя гармоники на стороне системы снизились, общий ток 5-й гармонии на стороне нагрузки увеличился с 93 А до 152 А — увеличение на 63% — несмотря на лимит компенсации SVG в 96 А.
Измерения гармонических напряжений подтвердили успешное подавление на шине 10 кВ (рис. 5), исключая резонанс или сверхкомпенсацию.
Рисунок 5: Гармоники напряжения шины 10 кВ до (слева) и после (справа) компенсации
b. Анализ коренных причин
Явление возникает из-за незначительного внутреннего сопротивления ((Z_1)) относительно слабой системы подачи. Гармонический ток нагрузки зависит от:
Напряжение в сетке ((V))
Импеданс источника ((Z_1))
Импеданс нагрузки ((Z_2))
Перед компенсацией гармонический ток, проходящий через (Z_1), вызывает искажение напряжения в точке соединения. После компенсации SVG к источнику возвращается меньше гармонического тока, что снижает искажения напряжения и фактически увеличивает видимую пропускную способность сети при коротком замыкании. В результате та же нелинейная нагрузка потребляет больше гармонического тока благодаря улучшенному качеству напряжения — хорошо задокументированный эффект «гармонического усиления» в слабых сетках.
Рисунок 6: Схематическая схема принципа гармонической компенсации SVG
IV. Валидация моделирования
Была построена модель системы 10 кВ от Simulink (рис. 7), с контроллером SVG, реализованным как C-основанная S-функция (рис. 8). Нагрузка состояла из трёхфазного диодного выпрямителя с входными реакторами и RC-выходом.
Рисунок 7: Симулинковое моделирование гармонической компенсации 10 кВ сетки SVG
Рисунок 8: Настройки модуля S-функции
Были протестированы два сценария:
(1) Соотношение импеданса источника к нагрузке = 1:10
Рисунок 9: Волна результата моделирования с коэффициентом импеданса 1:10
Гармонический ток нагрузки увеличился с 81,63% до 85,09% THD
Гармоники напряжения и тока в системе значительно снизились
Таблица 3: Сравнение прямых гармоник до и после гармонической компенсации с коэффициентом импеданса 1:10
(2) Коэффициент импеданса = 1:1 (слабая сетка)
Рисунок 10: Волна результата моделирования с коэффициентом импеданса 1:1
Гармонический ток нагрузки вырос до 105,31% THD
Подтверждает, что более слабые сетки усугубляют гармоническое усиление со стороны нагрузки
Волновые формы (рис. 9–10) чётко показывают искажения нарастающего нагрузки, несмотря на более чистые формы сигналов со стороны системы.
Таблица 4: Сравнение прямых гармоник до и после гармонической компенсации с коэффициентом импеданса 1:1
V. Заключение
Это исследование показывает, что хотя высоковольтные SVG эффективно снижают гармоники на стороне системы, они могут непреднамеренно увеличивать гармонические токи на стороне нагрузки в условиях слабой сетки из-за улучшения качества напряжения. Эффект усиливается по мере уменьшения отношения импеданса источника к импедансу нагрузки.
Поэтому при проектировании гармонических компенсационных систем:
Не оценивайте ёмкость SVG только на основе измеренных гармоник нагрузки
Учтите прочность сети (пропускная способность короткого замыкания) и характеристики импеданса
Рассмотрим гибридные решения (например, SVG + пассивные фильтры) для критически важных применений
Эти результаты дают ценные рекомендации для безопасного и эффективного внедрения гармонической смягчения на основе SVG в промышленных энергетических системах.
.jpg?imageView2/1/format/webp)
Добро пожаловать в Inquire