Главная   >>   Современная электроэнергетика

Современная электроэнергетика

6.4. Применение силовой электроники в электроэнергетике

Расширение внедрения силовых электронных преобразователей породило проблему их негативного влияния на качество электроэнергии. Причиной этому явился нелинейный и импульсный характер процессов преобразования электроэнергии посредством ключевых элементов, дискретно управляющих потоками электрической энергии. В результате работы ключевых элементов происходит искажение токов в цепях переменного тока и кроме активной мощности, потребляемой из сети (или передаваемой в сеть), также возрастают реактивная мощность, обусловленная фазовым сдвигом основных гармоник тока и напряжения, и мощность искажения. Появление в системе электроснабжения высших гармоник тока и напряжения приводит к росту потерь мощности, перегреву оборудования, старению изоляции, сбою аппаратуры и т.п. Поэтому современные стандарты на качество электроэнергии ограничивают содержание высших гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения. Теоретическому анализу проблемы влияния преобразователей на качество электроэнергии посвящено большое количество научных работ, нашедших отражение в многочисленных публикациях отечественных и зарубежных специалистов в этой области. В практических же решениях этой проблемы с начала ее зарождения и до 90-х годов можно выделить следующие основные направления: структурно-топологическое; алгоритмическое; связанное с использованием внешних фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ).

Для преобразователей большой мощности наибольшее распространение получили способы первого направления, в частности повышающие число фаз преобразователей. Использование многофазовых схем одновременно позволяет снизить уровень высших гармоник в первичном токе и решить задачу наращивания мощности при ограниченной мощности единичного вентильного прибора. Эффективность этого способа в технико-экономических критериях можно оценить очень высоко. В то же время применение этого способа ограничивает управляемость энергетического потока и его параметров при изменении условий работы энергосистемы. На практике частичное решение этого вопроса реализуется посредством сочетания переключения отпаек с трансформаторных обмоток и ограниченного фазового управления тиристорами для более плавного регулирования. Управление преобразователями с переключением отпаек обмоток согласующего трансформатора позволяет значительно снизить реактивную мощность за счет уменьшения угла фазового управления. Этот способ нашел достаточно широкое практическое применение.

Реализация способов второго направления при использовании низко­частотных вентильных приборов с неполной управляемостью затруднительна. Использование же схем с принудительной коммутацией в большинстве случаев экономически нецелесообразно.

Способы третьего направления позволяют наиболее эффективно решать задачу компенсации реактивной мощности и поэтому также получили распространение в электроэнергетике. Однако эффективное подавление этими устройствами высших гармоник тока связано с известными трудностями, обусловленными противоречивыми требованиями к добротности (отношение значения активного сопротивления к полному сопротивлению звеньев резонансных фильтров). Такие фильтры в основном состоят из реактивных элементов и называются пассивными, так как не содержат управляющих элементов. Как следствие они могут вызывать нежелательные резонансные явления, опасные для энергосистемы, при высокой добротности или не выполнять своих функций при низкой.

Создание и освоение промышленностью в середине 90-х годов нового поколения полностью управляемых и быстродействующих полупроводниковых приборов: IGBT, запираемых тиристоров (GTO) и силовых модулей на их основе, принципиальным образом изменило ситуацию в решении проблемы влияния преобразователей на качество электроэнергии. Применение этих приборов позволяет эффективно использовать методы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для реализации различных законов изменения потребляемых из сети токов. В результате появилась возможность создания преобразователей переменного/постоянного тока, формирующих напряжения и токи с нужными параметрами.

С учетом новых возможностей получили развитие следующие направления решения проблемы влияния преобразователей на качество электроэнергии:

1. Обеспечение синусоидальной формы переменных токов и значения cosj = 1 (или с адаптивно изменяющимся значением) устройствами силовой электроники.
2. Активная фильтрация (компенсация) высших гармоник тока, генерируемых преобразователем с одновременной компенсацией реактивной мощности основной гармоники.
3. Управление добротностью и резонансной частотой пассивных LC-фильтров.

Методы первого направления основаны на непосредственном использовании преобразователя переменного/постоянного тока, выполненного на полностью управляемых ключевых элементах. Посредством ШИМ в таком преобразователе формируются токи и напряжения с низким содержанием высших гармоник.

Сравнительно новым методом является использование в неуправляемых выпрямителях «корректора коэффициента мощности». Основой такого корректора служат накопительный реактор и ключ, работающий в режиме ШИМ.

Принцип схемы основан на формировании входного тока выпрямителя требуемой формы. Одновременно такой корректор может выполнять функции стабилизатора напряжения на стороне постоянного тока. Такие «корректоры» в модульном исполнении широко выпускаются для использования в источниках питания малой мощности для электронной аппаратуры массового потребления. Существует также ряд схем коррекции мощности подобного принципа действия, основанных на использовании полностью управляемых вентилей выпрямителя.

Методы второго направления являются наиболее эффективными для улучшения качества электроэнергии в системах, находящихся в эксплуатации и питающих потребители с искажающим током, например мощные выпрямители или электротранспорт. В этом случае необходимо использование независимых устройств, устраняющих их отрицательное влияние на энергосистему. Такими устройствами являются активные фильтры, в основе принципа действия которых лежит компенсация разности несинусоидального тока нелинейного потребителя и синусоидального тока, который должен протекать в энергосистеме.

Активный фильтр выполняется на основе преобразователя переменного/постоянного тока на полностью управляемых ключах, например запираемых тиристорах (т.е. работающего как в выпрямительном, так и в инверторном режиме с любым углом управления). При этом следует учитывать, что генерируемая им мощность является компенсирующей мощность искажения или реактивную. Поэтому на стороне постоянного тока активного фильтра устанавливается накопитель электроэнергии, например конденсатор. Энергия, запасаемая в этом конденсаторе, должна быть достаточной для обеспечения обмена неактивной мощностью за период основной частоты. Незначительные активные потери компенсируются коррекцией алгоритма управления ключами.

Схемотехника подключения активных фильтров весьма разнообразна. Достаточно нагляден принцип действия фильтра при параллельном подключении к шинам искажающего потребителя. Упрощенная схема такой системы представлена на рис. 6.18.

Выпрямитель в энергосистеме потребляет искаженный ток iв с формой, близкой к прямоугольной. В этом случае для сохранения синусоидальности тока в системе ic необходимо, чтобы активный фильтр генерировал ток iа.ф, равный разности iа.ф = iв — ic, при этом энергообмен активного фильтра и системы энергоснабжения будет осуществляться реактивной мощностью и мощностью искажений.

В Японии в настоящее время на базе GTO разработаны активные фильтры мощностью от 40 мВА до 60 мВА, устраняющие негативное влияние высокоскоростных электропоездов на качество электроэнергии.

Основным недостатком активных фильтров является их высокая стоимость, обусловленная необходимостью иметь мощность активного фильтра, соизмеримую с мощностью потребителей, искажающих качество электроэнергии.

Менее эффективными, но относительно недорогими являются гибридные фильтры ГФ. Принцип действия гибридных фильтров основан на подключении к пассивным звеньям активных элементов (активных фильтров АФ небольшой мощности), настроенных на собственную частоту схема пассивного звена LC-фильтра (рис. 6.19).

В этом случае активный элемент является регулируемым полным сопротивлением, способным корректировать параметры пассивного фильтра: понижать его добротность в переходных процессах, повышать ее для улучшения фильтрации, производить подстройку резонансной частоты.

Большинство видов нетрадиционных источников электроэнергии (топливные элементы, солнечные батареи, МГД-генераторы и др.) вырабатывают электроэнергию на постоянном токе. При этом, как правило, прямые нетрадиционные источники имеют неудовлетворительные внешние и регулировочные характеристики, а также нуждаются в дополнительных преобразователях при объединении их в какую-либо, например автоном ную, систему. Эти задачи сегодня решаются исключительно средствами силовой электроники, что позволяет получить дополнительные мощности электроэнергии на отдаленных или специальных объектах.

Совершенствование элементной базы силовой электроники открывает новые перспективы перед передачей энергии на постоянном токе. Только за последние 50 лет резко возросло число подводных кабельных систем постоянного тока. В настоящее время отдельные линии передач рассчитаны на мощности свыше 1000 MB · А. Одновременно расширяются возможности создания промежуточных вставок, связывающих асинхронные системы переменного тока. Новые технологии силовой электроники открывают большие перспективы перед развитием систем передачи электроэнергии.