Активные фильтры высших гармоник

Компенсация гармоник тока сети называется активной фильтрацией. Она основана на введении в сеть параллельно всем нагрузкам источника гармоник находящихся в противофазе с гармониками, создаваемыми потребителями (нагрузками). Схема активного фильтра (АФ), работающего на конденсаторе показана на рисунке 3.1 а)

Рисунок 3.1 – Схема подключения активного фильтра (АФ) к сети параллельно нагрузкам Н₁…Н_n, искажающим ток, потребляемый из сети (а), и пояснения к определению требуемого тока активного фильтра i_k (б)

Рисунок 3.1 б иллюстрирует, каким должен быть ток активного фильтра i_k, чтобы при потреблении всеми нагрузками несинусоидального тока i_н из сети потреблялся синусоидальный ток i_н(1), передающий ту же активную мощность.

Ток компенсатора i_k = i_н(1) - i_н .

Эта операция должна выполняться достаточно сложной системой управления.

В моменты, когда ток, потребляемый из сети, больше, чем ток, потребляемый нагрузками, конденсатор фильтра запасает энергию. В моменты, когда ток, потребляемый из сети, меньше, чем ток, потребляемый нагрузками, конденсатор фильтра отдает энергию.

На выходе активного фильтра необходимо устанавливать дополнительный пассивный (сетевой) фильтр ПФ для предотвращения проникновения в сеть высокочастотных гармоник, соответствующих частоте широтно-импульсной модуляцией ШИМ и более высоких.

ШИМ необходим для управления силовыми модулями на транзисторах IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором), выступающими в качестве источников тока. ШИМ-сигнал генерируется с использованием фиксированной тактовой частоты.

Как правило, в системе используется замкнутый контур управления. Система управления предотвращает перегрузку активного фильтра. Предусмотрена возможность одновременной фильтрации с индивидуальным программированием до 20 гармоник вплоть до частоты 50-й гармоники (в зависимости от типа применяемого процессора).

Степень фильтрации обычно превышает 97%. Рабочий коэффициент мощности большинства АФГ задается программно и может быть выбран в определенном диапазоне. При задании программы может быть выбрана как фиксированная, так и динамическая схемы компенсации реактивной мощности.

Особенностью АФГ является то, что от него не требуется выдавать активную мощность для компенсации высших гармоник.

Активные фильтры для компенсации мощности искажения не нашли применение в сетях до 1 кВ, так как требуют существенных дополнительных затрат.

Рассмотрим принцип действия и устройство, типы и варианты включения активного фильтра гармоник – АФГ.

- Типы включения АФГ

Всего существуют три типа АФГ в зависимости от способа подключения:

1. Параллельный (Рисунок 3.2):

Рисунок 3.2 Параллельный способ подключения активного фильтра

Активный фильтр включается в схему параллельно и контролирует фазные токи в низковольтной линии в режиме реального времени с помощью контроллера на цифровом сигнальном процессоре – DSP (digital signal processor).

2. Последовательный (Рисунок 3.3):

Рисунок 3.3 Последовательный способ подключения активного фильтра

3. Комбинированный (Рисунок 3.4):

Рисунок 3.4 Комбинированный способ подключения активного фильтра

На практике чаще всего встречается параллельный тип АФГ. Кроме того, при компенсации больших токов АФГ делаются так называемого гибридного типа (пассивно-активный тип). В таких устройствах часть относительно постоянно присутствующих гармоник компенсируется пассивным фильтром, часть – АФГ. Однако применение таких схем требует тщательного анализа сети и точного расчета для исключения резонанса токов на высших гармониках.

Существуют следующие основные варианты подключения:

- местное (единичное);

- каскадное;

- многоуровневое;

- параллельное.

Оборудование для ослабления гармонических искажений может поставляться либо для нужд поставщиков электроэнергии, либо для решения проблем, возникающих в пределах участка потребителя. Размещение и выбор оборудования будут зависеть от конкретных обстоятельств и, как правило, требуют детального анализа гармонических искажений.

В активных фильтрах обеспечивается реализация частотных характеристик всех типов: нижних и верхних частот, полосовых с одним элементом настройки (эквивалент одиночного LC-контура), полосовых с несколькими сопряженными элементами настройки, режекторных, фазовых фильтров и ряда других специальных характеристик.

Создание активных фильтров начинают с выбора по графикам или функциональным таблицам того вида частотной характеристики, которая обеспечит желаемое подавление помехи относительно единичного уровня на требуемой частоте, отличающейся в заданное число раз от границы полосы пропускания или от средней частоты для резонансного фильтра. Полоса пропускания ФНЧ простирается по частоте от 0 до граничной частоты f_гр, фильтра высокой частоты (ФВЧ) — от f_rp до бесконечности. При построении фильтров наибольшее распространение получили функции Баттерворта, Чебышева и Бесселя. В отличие от других характеристика фильтра Чебышева в полосе пропускания колеблется (пульсирует) около заданного уровня в установленных пределах, выражаемых в децибелах.

Степень приближения характеристики того или иного фильтра к идеальной зависит от порядка математической функции (чем выше порядок — тем ближе).

Как правило, используют фильтры не более 10-го порядка. Повышение порядка затрудняет настройку фильтра и ухудшает стабильность его параметров. Максимальная добротность активного фильтра достигает нескольких сотен на частотах до 1 кГц.

Одной из наиболее распространенных структур каскадных фильтров является звено с многопетлевой обрат­ной связью, построенное на базе инвертирующего ОУ, который в расчетах принят за идеальный. Для простоты реализации принимаем:

для ФНЧ — R1 = R2 = R3 = R, R4 = 1,5R;

для ФВЧ — С1 = С2 = СЗ = С, R2 = R3.

Для ФНЧ определим расчетную емкость С_о = 1/2пf_rpR,

где f_гр — граничная частота.

Для ФВЧ определим R_o — 1/2пf_грС.

Размерности в расчетах — Ом, Ф, Гц.

Коэффициент пере­дачи звена равен 1.

Активные фильтры обеспечивают эффективное снижение уровня гармоник в сети, а также компенсацию реактивной мощности, существенно уменьшая расходы на электроэнергию. Со снижением стоимости элементов силовой электроники и созданием новых алгоритмов управления их роль неуклонно будет расти вместе с дальнейшим развитием IT-индустрии.