Аннотация
Проблема обеспечения требуемого качества электроэнергии в системах внутризаводского электроснабжения с мощными электроприводами промышленных механизмов, выполненными на базе преобразователей частоты с активными выпрямителями (ПЧ-АВ), является до конца не решенной. Активные выпрямители (АВ) в составе ПЧ создают в сетевом токе высокочастотные гармонические составляющие, оказывающие негативное влияние на гармонический состав напряжения питающей сети. При наличии параллельных резонансов в сети 6-35 кВ уровень гармонического искажения напряжения KU при работе мощных ПЧ-АВ становится недопустимым, что приводит к нарушениям в работе различных электроприемников. Актуальным является разработка способов обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) ПЧ-АВ за счет применения новых типов фильтрокомпенсирующих устройств, учитывающих наличие резонансных явлений в сети 6-35 кВ. В данной статье, на примере системы электроснабжения АО «Металлургический завод Балаково», разработан способ обеспечения ЭМС ПЧ-АВ с использованием специализированного пассивного фильтра (СПФ). СПФ представляет собой одночастотный фильтр гармоник нового типа, отличающийся от известных ФКУ высоким значением добротности Q ≥ 1000 о. е., применением конденсаторов, способных работать с коэффициентом искажения синусоидальности кривой тока KI до 45%, а также методикой выбора мощности, емкости и индуктивности, с учетом наличия резонанса тока в питающей сети и KI ПЧ-АВ. Методика выбора параметров СПФ предполагает использование усовершенствованной имитационной модели исследуемого электротехнического комплекса с ПЧ-АВ, на основании которой проводится анализ значения KU на общих секциях главной понизительной подстанции (ГПП) предприятия при различных параметрах СПФ. Внедрение СПФ значительно снизило KU на секциях ГПП за счет сдвига частоты резонанса в безопасную зону, где отсутствуют высокочастотные гармоники сетевого тока ПЧ-АВ. Благодаря этому были исключены аварийные отключения электрооборудования, получающего питание от той же сети, что и мощные электроприводы с ПЧ-АВ.
Ключевые слова
показатели качества электроэнергии, преобразователь частоты, активный выпрямитель, высшие гармоники, электромагнитная совместимость, резонанс токов, специализированный пассивный фильтр, внутризаводская система электроснабжения, частотная характеристика сети
1. Разработка усовершенствованного алгоритма ШИМ активного выпрямителя с адаптацией к резонансным явлениям во внутризаводской сети / A.A. Николаев, M.В. Буланов, M.Ю. Афанасьев, A.С. Денисевич // Вестник ИГЭУ. 2018. № 6. С. 47-56. doi: 10.17588/2072-2672.2018.6.047-056.
2. O'Brien K., Teichmann R., Bernet S. Active rectifier for medium voltage drive systems // Sixteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). IEEE, 2001. Рp. 557-562. doi: 10.1109/APEC.2001.911701
3. Blooming T.M., Carnovale D.J. Application of IEEE STD 519-1992 Harmonic Limits // Conf. Record of 2006 Annual Pulp and Paper Industry Technical Conf. IEEE, 2006. doi: 10.1109/PAPCON.2006.1673767
4. Resonance mitigation and dynamical behavior of systems with harmonic filters for improving reliability in mining plants / J. Pontt, J. Rodriguez, J.S. Martin, R. Aguilera, R. Bernal, P. Newman // Conf. Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conf. Forty-First IAS Annual Meeting. IEEE, 2006. doi:10.1109/IAS.2006.256698
5. Research on hybrid SHEPWM based on different switching patterns / T. Jing, A. Maklakov, A. Radionov, S. Baskov, A. Kulmukhametova // International Journal of Power Electronics and Drive Systems. 2019. No. 10(4). Рp. 1875-1884. doi: 10.11591/ijpeds.v10.i4.pp1875-1884
6. Reactive power compensation in industrial grid via high-power adjustable speed drives with medium voltage 3L-NPC BTB converters / A.A. Radionov, V.R. Gasiyarov, A.S. Maklakov, E.A. Maklakova // International Journal of Power Electronics and Drive Systems. 2017. No. 8(4). Pp. 1455-1466. doi: 10.11591/ijpeds.v8.i4.pp1455-1466
7. The Experience of using Specialised Correction Filters to Improve Power Quality in Electrical Networks with Active Rectifiers / M.Y. Afanasev, A.C. Denisevich, M.V. Bulanov, P.G. Tulupov // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). IEEE, 2022. Рp. 386-391. doi: 10.1109/UralCon54942.2022.9906675
8. Nikolaev A.A., Afanasev M. Yu., Bulanov M.V. Application of a Specialized Passive Filter to Correct the Frequency Response of the Supply Network in order to Eliminate the Negative Impact of Resonance Phenomena // Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (PEAMI). IEEE, 2020. Рp. 32-37. doi: 10.1109/PEAMI49900.2020.9234378
9. Development of a Comprehensive Simulation Model of the Power Supply and Drive System Based on AFE-FC for Power Quality Research / A.A. Nikolaev, M.V. Bulanov, I.G. Gilemov, S.A. Linkov // International Russian Automation Conference (RusAutoCon). IEEE, 2022. Рp. 896–901. doi: 10.1109/RusAutoCon54946.2022.9896303
10. EMC research of 18-pulse circuit consisting of 3L-NPC converters with SHE / A.S. Maklakov, M.A. Demov, E.A. Maklakova, V.R. Gasiyarov, S.S. Voronin // 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). IEEE, 2016. Pp. 1-4. doi: 10.1109/ICIEAM.2016.7911503
11. Optimal Design of Hybrid Active Power Filter Based on Transient Search Optimization / M.M. Ayoub, M.H. Hassan, S. Kamel, F. Jurado // 12th International Renewable Energy Congress (IREC). IEEE, 2021. Pp. 1-6. doi: 10.1109/IREC52758.2021.9624858
12. Повышение качества электроэнергии в системах электроснабжения прокатных станов с использованием преобразователей частоты с активными выпрямителями за счет применения специализированных пассивных фильтров / А.А. Николаев, М.Ю. Афанасьев, И.Г. Гилемов, М.В. Буланов// Вестник ИГЭУ. 2023. №1. С. 41-52. doi: 10.17588/2072-2672.2023.1.041-052
13. Current Electromagnetic Compatibility Problems of High-Power Industrial Electric Drives with Active Front-End Rectifiers Connected to a 6–35 kV Power Grid: A Comprehensive Overview / A. Nikolaev, A. Maklakov, M. Bulanov, I. Gilemov, A. Denisevich, M. Afanasev // Energies. 2023. №16. 293. doi: 10.3390/en16010293
14. Yousefi M., Aliakbarian H., Sadeghzadeh R. Design and integration of a high-order hairpin bandpass filter with a spurious suppression circuit // Loughborough Antennas & Propagation Conference (LAPC). IEEE, 2015. doi: 10.1109/LAPC.2015.7366036
15. Panmala N., Sriyanyong P. Design and Implementation of Passive Harmonic Filter Using Simulation Tool / N. Panmala, // Research, Invention, and Innovation Congress (RI2C). IEEE, 2019. doi: 10.1109/RI2C48728.2019.8999890
16. Mas Noor F.R., Ronilaya F., Hidayat M.N. Harmonics Fault Study and Analysis Procedures Using Portable Power Analyzer and Solutions Using Active Harmonics Filters // International Conference on Electrical and Information Technology (IEIT). IEEE, 2022. Pp. 1-6. doi: 0.1109/IEIT56384.2022.9967898
17. Shudarek T., Luu T. Harmonic filter topologies for low DC bus capacitance of 6-pulse rectifier front end adjustable speed drives // IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). IEEE, 2018. Pp. 2315-2322. doi: 10.1109/APEC.2018.8341339
18. Resonances in a High-Power Active-Front-End Rectifier System / J.R. Rodriguez, J. Pontt, R. Huerta, G. Alzamora, N. Becker, S. Kouro, P. Cortes, P. Lezana // IEEE Trans. Ind. Electron. 2005. № 2(52). Рp. 482-488. doi: 10.1109/TIE.2005.843907
19. Selective harmonic compensation (SHC) PWM for grid-interfacing high-power converters / H. Zhou, Y.W. Li, N.R. Zargari, Z. Cheng, R. Ni, Y. Zhang // IEEE Transactions on Power Electronics. 2014. No. 3(29). Pp. 1118-1127. doi: 10.1109/TPEL.2013.2261553
20. Optimal selective harmonic control for power harmonics mitigation / K. Zhou, Y. Yang, F. Blaabjerg, D. Wang // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2015. No. 2(62). Pp. 1220-1230. doi: 10.1109/TIE.2014.2336629
Снижение гармонических искажений напряжения в электрических сетях с активными выпрямителями за счет применения специальных фильтрокомпенсирующих устройств / А.А. Николаев, М.Ю. Афанасьев, М.В. Буланов, А.С. Маклаков // Электротехнические системы и комплексы. 2024. № 3(64). С. 40-50. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2024-3(64)-40-50