автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Гибридные фильтрокомпенсирующие устройства для управления качеством электроэнергии в распределительных сетях

005536106

На правах рукописи

Темербаев Сергей Андреевич

ГИБРИДНЫЕ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические

системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ОКТ 2013

Красноярск 2013

005536106

Работа выполнена на кафедре «Систем автоматики, автоматизированного управления и проектирования» в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Довгун Валерий Петрович

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор

Секретарев Юрий Анатольевич, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», кафедра «Системы электроснабжения предприятий», зав. кафедрой

— кандидат технических наук, доцент Бетехтина Галина Александровна, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», кафедра «Системы обеспечения движения поездов», доцент

Ведущая организация — ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Защита состоится « 20 » ноября 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.099.07 при Сибирском федеральном университете по адресу: г. Красноярск, ул. Ленина, 70, ауд. А 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Автореферат разослан « 18» октября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Чупак Татьяна Михайловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ухудшение качества электроэнергии - одна из проблем современного электроснабжения. В России качество электроэнергии в электрических сетях общего назначения регламентирует ГОСТ Р 54149-2010, который определяет 13 показателей качества.

Сложившаяся сегодня практика регулирования качества электроэнергии, как правило, ограничивается контролем двух показателей: отклонение напряжения и частоты. При этом не уделяется внимание нормированию показателей, связанных с высшими гармониками тока и напряжения.

Основными источниками гармонических искажений в сети являются нелинейные нагрузки крупных промышленных потребителей, но в последние годы наблюдается значительное ухудшение качества электроэнергии и в городских распределительных сетях 0,4-10 кВ. Это объясняется увеличением доли нелинейной нагрузки коммерческих и офисных потребителей.

Ухудшение качества электроэнергии в городских распределительных сетях характерно для большинства развитых стран. В России решение этой проблемы относится к одному из приоритетных направлений в области энергосбережения и энергоэффективности. Распоряжением Правительства Российской Федерации № 2446-р от 27 декабря 2010 г. была утверждена государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», определяющая основные тенденции развития энергетической отрасли страны.

Мероприятия по энергосбережению и повышению энергоэффективности должны предусматривать меры, направленные на поддержание качества электроэнергии и надежности электроснабжения. Необходимо создание активно-адаптивных устройств, обеспечивающих управление основными параметрами, определяющими качество электроснабжения. Такими устройствами являются силовые активные фильтры. В последние годы значительный интерес проявляется к силовым гибридным фильтрам (ГФ), представляющим сочетание активного и пассивного силовых фильтров. Преимущества гибридных устройств — значительно меньшие мощность и стоимость активной части. Используют ГФ в основном для ослабления высших гармоник тока и напряжения. Однако качество электроэнергии в распределительных сетях зависит и от других параметров: колебаний напряжения, фликера и т. д. Поэтому необходимо создание многофункциональных фильтрокомпенсирую-щих устройств (ФКУ), воздействующих одновременно на несколько показателей качества электроэнергии.

Цель работы: развитие методов и средств управления качеством электроэнергии в распределительных сетях с высоким уровнем нелинейной нагрузки с помощью гибридных фильтрокомпенсирующих устройств.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ качества электроэнергии в распределительных сетях 0,4 кВ. '

V

2. Исследование компенсационных характеристик основных структур гибридных фильтров, и определение конфигураций для ослабления высших гармоник тока и напряжения, создаваемых как нелинейной нагрузкой, так и внешней сетью.

3. Разработка методов формирования компенсирующего сигнала для активной части гибридного фильтра на основе адаптивных алгоритмов цифровой обработки сигналов.

4. Разработка математических моделей силовых гибридных фильтров.

5. Моделирование статических и динамических характеристик гибридных фильтрокомпенсирующих устройств.

Объект исследования. Распределительные сети 0,4—10 кВ.

Предмет исследования. Методы и средства управления качеством электроэнергии в распределительных сетях.

Методы исследования. При выполнении работы были использованы методы теоретической электротехники, теории автоматического управления, адаптивной цифровой обработки сигналов. Теоретические исследования сочетались с измерениями, проводимыми с помощью современных анализаторов качества электроэнергии, и компьютерным моделированием с использованием пакета прикладных программ MatLab и графической среды разработки Lab View.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработан новый метод формирования компенсирующего сигнала для активных фильтров гармоник, основанный на использовании адаптивных алгоритмов цифровой обработки сигналов. По сравнению с известными методами, основанными на использовании нейронных сетей и цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой предлагаемый подход позволяет увеличить скорость настройки фильтра и требует меньшего числа вычислительных операций.

2. Предложены новые варианты универсальных гибридных фильтров, обеспечивающие ослабление высших гармоник тока и напряжения, создаваемых как нелинейной нагрузкой, так и внешней сетью.

3. Предложена стратегия управления гибридными фильтрокомпен-сирующими устройствами, обеспечивающая ослабление гармонических составляющих токов и напряжений сети, а также регулирование напряжения и реактивной мощности в точке общего присоединения нелинейной нагрузки и гибридного фильтра.

Практическая значимость выполненной работы:

1. Применение результатов исследования позволит повысить качество электроэнергии в распределительных сетях с высокой долей нелинейных

нагрузок, что будет способствовать более длительной и надежной работе оборудования, снижению потерь, энергосбережению.

2. Предложенные гибридные ФКУ позволяют регулировать одновременно несколько показателей, определяющих качество электроэнергии в распределительных сетях.

3. Разработанный адаптивный метод формирования компенсирующего сигнала для активных фильтров гармоник не требует предварительной настройки. Спектр компенсирующего сигнала изменяется в реальном времени при изменении спектров несинусоидальных токов и напряжений. Метод может быть использован как в активных, так и в гибридных силовых фильтрах различной конфигурации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новый метод формирования компенсирующего сигнала для активной части гибридного фильтра, основанный на использовании адаптивных алгоритмов цифровой обработки сигналов.

2. Новые варианты гибридных фильтрокомпенсирующих устройств, обеспечивающих ослабление высших гармонических составляющих, а также регулирование напряжения и реактивной мощности в точке присоединения.

3. Результаты исследования компенсационных характеристик гибридных фильтров, выполненного в среде MatLab.

Достоверность научных положений подтверждается их сравнением с результатами моделирования с помощью апробированного программного обеспечения, экспериментальных исследований, а также результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

XVI Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии». Томск, 2010.

XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии». Томск, 2011.

XII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города». Красноярск, 2011.

XIII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города». Красноярск, 2011.

III Международной научно-практической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи», Екатеринбург, 2012.

Международной конференции Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference, Пекин, 2013.

Личный вклад. Общая научная идея и метод формирования компенсирующего сигнала на основе цифрового режекторного фильтра решетчатой структуры разработаны совместно с научным руководителем, все остальные

положения, выносимые на защиту, в том числе математические модели структур гибридных фильтров и результаты исследования компенсационных характеристик, были получены автором лично.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Зарегистрирована программа для ЭВМ (свидетельство № 2011616500 от 23.06.11). В каждой работе, опубликованной в соавторстве, личный вклад автора составляет не менее 50 %.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 123 страницах машинописного текста, списка использованных источников из 84 наименований и приложения на 1 странице.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы качества электроэнергии и высших гармоник в распределительных сетях, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе рассмотрены общие вопросы обеспечения качества электроэнергии в распределительных сетях. Рассмотрены основные причины и последствия ухудшения качества электроэнергии.

Проведен сравнительный анализ российских и международных стандартов, регламентирующих качество электрической энергии и уровни высших гармоник тока и напряжения в распределительных сетях. В странах Евросоюза основным стандартом является ЕЫ50160, который определяет показатели качества электрической энергии, их нормативные значения, интервалы усреднения и отчетный период. В ряде европейских стран нормы £N50160 приняты без изменений (Польша, Норвегия, Германия) либо с незначительными дополнениями (Дания). С учетом основных нормативных положений ЕЫ50160 создан ГОСТ Р 54149-2010. Показателями качества электроэнергии, которые характеризуют гармонические искажения в сети, являются значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка и значение суммарного коэффициента гармонических

составляющих напряжения Ки. В некоторых странах (Финляндия, Новая Зеландия, США, Великобритания) кроме нормирования гармоник напряжения национальными стандартами устанавливаются предельно допустимые значения для коэффициентов гармонических составляющих по току.

В главе приведены результаты измерений качества электроэнергии крупных муниципальных потребителей - торговых и офисных центров, учебных заведений, супермаркетов. Анализ показал, что проблема обеспечения качества электроэнергии весьма актуальна для распределительных сетей больших городов. Наблюдаются значительные искажения формы кривых токов. В ряде случаев значение суммарного коэффициента гармонических составляющих тока достигает 30 %.

Основной нагрузкой таких потребителей является офисное оборудование (персональные компьютеры, серверы, принтеры, блоки бесперебойного питания и т. п.), использующее однофазные источники питания, энергосберегающие осветительные приборы, а также регулируемые электроприводы, применяемые в системах кондиционирования и вентиляции. Такие нагрузки имеют нелинейные вольт-амперные характеристики и вызывают значительные искажения формы потребляемого тока. В качестве примера на рисунках 1, 2 приведены суточные графики первой и доминирующих гармоник фазных токов учебно-административного корпуса университета и системы освещения торго-во-развлекательного комплекса. На графиках показаны абсолютные значения первой гармоники измеряемой величины и относительные, в процентах по отношению к первой, значения высших гармоник. Поскольку гармоники тока, кратные трем, суммируются в нулевом проводе, значение тока нулевого проводника превышает значения фазных токов (рисунок 3).

00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 Рисунок 1 - Гармоники тока в учебно-административном корпусе университета.

3

.... а*«-"-**

* *' *» А

/- 2

^ 1

200 150 100 : 50

О

19:00 01:00 07:00 13:00 19:00

Рисунок 2 — Гармоники тока в системе наружного освещения.

300

100

19:00 01:00 07:00 13:00 19:00

Рисунок 3 - Ток в нулевом проводе системы наружного освещения.

Результаты обследования показали, что нелинейные нагрузки городских потребителей существенно отличаются от нагрузок промышленных предприятий. В сетях городских потребителей основная часть нагрузки однофазная и имеет распределенный характер. Серьезную проблему представляют токи третьей гармоники, суммирующиеся в нейтральных проводниках. Это приводит к увеличению потерь и в ряде случаев - к авариям, вызванным повреждением нейтрального провода. Кроме того, большие уровни токов третьей гармоники вызывают дополнительный нагрев обмоток трансформаторов, что может привести к повреждению их изоляции.

Во второй главе рассмотрены основные виды фильтрокомпенсирующих устройств. Традиционно выделяют три группы ФКУ: пассивные фильтры гармоник (ПФ), силовые активные фильтры (АФ) и гибридные фильтры гармоник.

Пассивные фильтры являются простыми и надежными устройствами для уменьшения уровня высших гармоник в сетях электроснабжения. Принципиальный недостаток пассивных фильтров заключается в том, что это статические устройства. Их использование в сетях, где большая часть нелинейных нагрузок имеет переменный характер, оказывается неэффективным. Для управления качеством электроэнергии в распределительных сетях необходимо создание адаптивных устройств, обеспечивающих регулирование основных параметров, определяющих эффективность и качество электроснабжения: уровень гармонических искажений, отклонений и колебаний напряжения, коэффициент мощности.

Такими адаптивными устройствами являются силовые активные фильтры. Особенность активного фильтра заключается в том, что его параметры могут изменяться в зависимости от режима работы электрической сети и характеристик нагрузки. Структурная схема параллельного активного фильтра изображена на рисунке 4.

Силовая часть фильтра представляет собой инвертор с последовательно включенным сглаживающим фильтром 1ф. Система управления состоит из

АЦП, фильтра нижних частот (ФНЧ) и блока формирования компенсирующего сигнала, в котором происходит выделение высших гармоник из входной величины (¿н). Далее формируются импульсы для управления ключами инвертора и

в сеть генерируется компенсирующий ток /ф.

Активный силовой фильтр может выполнять одновременно несколько функций: подавление высших гармоник, коррекция коэффициента мощности, уменьшение фликера и т. д. Однако широкое применение АФ ограничивается их сложностью и высокой стоимостью. Для эффективного ослабления высших гармоник активный фильтр должен иметь значительную мощность, сравнимую с мощностью нелинейной нагрузки. Поэтому использование силовых активных фильтров может оказаться экономически нецелесообразным.

Проведенный анализ показал, что наиболее перспективным направлением является разработка гибридных фильтрокомпенсирующих устройств, представляющих сочетание пассивного и активного фильтров. Гибридные ФКУ обладают основными достоинствами пассивных и активных фильтров. В то же время они позволяют значительно уменьшить мощность активной части и за счет этого снизить стоимость всего устройства. По сравнению с пассивными фильтрами повышается эффективность компенсации нелинейных искажений при изменении характеристик нелинейной нагрузки.

В главе представлены результаты исследования компенсационных характеристик основных конфигураций гибридных фильтров.

Гибридные фильтры различаются по способу включения активной и пассивной части (последовательные, параллельные, комбинированные), по типу управляющей величины (ток или напряжение). Для исследования характеристик гибридных фильтров были сделаны следующие допущения:

1. Нелинейная нагрузка имеет характеристики идеального источника тока, обладающего бесконечным внутренним сопротивлением. Подобными характеристиками обладают выпрямители с индуктивными сглаживающими фильтрами, осветительная нагрузка.

2. Помимо нелинейной нагрузки источником высших гармоник может быть внешняя сеть.

3. В общем случае пассивный фильтр гармоник может быть включен параллельно нагрузке в точке общего присоединения или последовательно с сопротивлением сети. В работе рассматривалась только параллельная схема включения пассивного фильтра как наиболее часто встречающаяся на практике.

4. Активный фильтр гармоник моделируется управляемым источником тока или напряжения.

5. Управляющей величиной активного фильтра может быть ток нагрузки, ток сети или напряжение в точке подключения.

На рисунке 5 представлена одна из наиболее распространенных конфигураций гибридных фильтрокомпенсирующих устройств: последовательная структура с активным фильтром, управляемым током сети. Компенсирующий сигнал активного фильтра £/аф = /?аф/с.

1с

-игь

2„ф

ш

л

*

Рисунок 5 - Последовательная структура, управляемая током сети.

При исследовании компенсационных характеристик система «гибридный фильтр - внешняя сеть» представлялась четырехполюсником, на внешних зажимах которого действуют источники гармоник Ек и Зк. Для описания четырехполюсника использованы уравнения в гибридных параметрах:

О)

" 4 " X"

л. Л.

Для схемы на рисунке 5 матрица гибридных параметров имеет вид

1

№

^пф + #,4,

"'пф

аф

(2)

Результаты исследования позволили выявить ряд общих свойств рассмотренных конфигураций гибридных фильтров. В структурах, управляемых током нагрузки, активный фильтр компенсирует гармонические составляющие тока сети и напряжения в точке общего присоединения, обусловленные только нелинейной нагрузкой. Кроме того, эти конфигурации не могут компенсировать резонансные явления в системе «пассивный фильтр — питающая сеть».

Как следует из выражения (2), в последовательной структуре, управляемой током сети, действие активного фильтра эквивалентно включению дополнительного сопротивления 7?аф последовательно с сопротивлением сети

на частоте к-й гармоники. Это уменьшает гармоники тока, вызванные как нелинейной нагрузкой, так и внешней сетью, а также оказывает демпфирующий эффект, ослабляя резонансные явления в сети. Однако последовательные структуры, в которых активный фильтр управляется током сети, не могут ослабить искажение кривой напряжения в точке общего присоединения.

Параллельная структура с активным фильтром, управляемым напряжением, ослабляет влияние источников высших гармоник на напряжение в точке общего присоединения. Однако она не может компенсировать гармонические составляющие тока сети, генерируемые внешним источником.

Результаты исследования компенсационных характеристик основных структур гибридных фильтров показали, что ни одна из рассмотренных конфигураций не обеспечивает одновременное ослабление высших гармоник тока и напряжения, вызванных как нелинейной нагрузкой, так и внешней сетью. Для одновременной компенсации гармоник напряжений и токов, создаваемых нелинейной нагрузкой и внешней сетью, используют универсальные регуляторы качества электроэнергии. Такой регулятор образован двумя активными фильтрами (рисунок 6).

АФ1

АФ2

Л 1 Л

т

*

Рисунок 6 - Универсальный регулятор качества электроэнергии.

Последовательный АФ1 ослабляет гармонические составляющие тока сети и оказывает демпфирующее влияние на частотные характеристики системы. Основное назначение параллельного фильтра АФ2 - ослабление влияния нелинейной нагрузки на внешнюю сеть. Серьезный недостаток универсального регулятора заключается в том, что инвертор последовательного активного фильтра включается в сеть через согласующий трансформатор. Это усложняет и удорожает конструкцию. Для распределительных сетей низкого напряжения необходимы компенсирующие устройства, не требующие включения дополнительных согласующих трансформаторов.

В главе 2 предложены новые варианты универсальных гибридных фильтров, обеспечивающие компенсацию высших гармоник тока и напряжения, создаваемых как нелинейной нагрузкой, так и внешней сетью.

Один из вариантов такого гибридного фильтра представлен на рисунке 7, где ^аф^Яаф/о

аф2 топ

ис

1с

——[

*аф2

*

АФ1

АФ2

Рисунок 7 — Универсальный гибридный фильтр. Матрица гибридных параметров для структуры на рисунке 7 имеет вид:

№

К + Глф + <Лф2 + -Яаф/Лф

ПО+^Лф)

¥с + 7пф + <Лф2 + Лаф1^пф

1

К + ^„Ф + 6аф2 + ^аф/Лф

(3)

Как следует из выражения (3), компенсационные характеристики универсального ГФ можно изменять, варьируя соотношение между параметрами /?аф1 и Саф2. Подчеркнем, что предлагаемый вариант ГФ не требует

использования согласующего трансформатора. Пассивный фильтр кроме фильтрации гармоник одновременно выполняет функции сглаживающего фильтра для инвертора АФ1, что упрощает конструкцию и снижает стоимость устройства.

Помимо несинусоидальности токов и напряжений важными параметрами, определяющими качество электроэнергии, являются отклонения и колебания напряжения в узлах распределительной сети. Во второй главе показано, что предлагаемые универсальные ГФ могут быть использованы для регулирования напряжения и реактивной мощности. Для этого наряду с высшими гармоническими составляющими компенсирующее устройство должно генерировать напряжение или реактивный ток, имеющие частоту первой гармоники. Для схемы на рисунке 7 были предложены следующие варианты компенсирующих сигналов АФ1 и АФ2:

Вариант 1: С/ф = Ц [/«, + ^ ; = С^.

Вариант 2: С/аф1 = /с(">; /аф2 = -С^.

(4)

Верхний индекс соответствует порядковому номеру гармоники, а /5 — безразмерный коэффициент

Напряжение в точке общего присоединения (рисунок 7) на частоте основной гармоники определяется равенством

и =-^-и . (6)

™ гс(1-р)+гпф '

Комплексная проводимость пассивного фильтра Упф на частоте основной

гармоники имеет емкостный характер, поэтому он генерирует реактивную мощность в сеть. Из (6) следует, что проводимость компенсирующего устройства на частоте основной гармоники определяется выражением уфку = (1 - /3)УПф. Изменяя проводимость гибридного ФКУ мы получаем возможность регулировать реактивную мощность в точке подключения.

Таким образом, во второй главе диссертационной работы на основе результатов анализа компенсационных характеристик определены области применения различных структур гибридных фильтров, предложены новые варианты универсальных ГФ. Предложена стратегия формирования компенсирующих сигналов, обеспечивающая ослабление высших гармоник, а также регулирование напряжения и реактивной мощности в точке общего присоединения.

Третья глава посвящена разработке методов формирования компенсирующего сигнала для активной части гибридного фильтра. Система формирования компенсирующего сигнала является важной составной частью активного силового фильтра, определяющей его основные характеристики как в установившемся, так и переходном режимах.

Существующие методы формирования компенсирующих сигналов можно объединить в две большие группы: формирование сигнала в частотной и временной областях. К первой группе относятся методы, основанные на представлении несинусоидальных токов и напряжений в виде комплексного ряда Фурье. Вторую группу составляют методы мгновенной реактивной мощности, цифровой обработки сигналов, а также методы, основанные на применении нейронных сетей.

В последнее время большое внимание уделяется методам, основанным на использовании нейронных сетей и алгоритмов цифровой обработки сигналов. Применение технологий цифровой обработки сигналов для управления характеристиками ФКУ позволяет использовать разнообразные хорошо разработанные адаптивные методы спектрального оценивания и компенсации помех, а также эффективные и недорогие аппаратные средства, такие как цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС).

Спектральный состав компенсирующего сигнала, формируемого системой управления ФКУ, должен совпадать с гармоническим составом несинусои-

дальнего тока (напряжения). Исключение составляет только основная гармоника. В компенсирующем сигнале она должна отсутствовать. Для формирования такого сигнала необходим режекторный (полосно-задерживающий) фильтр, настроенный на частоту основной гармоники.

Классическим вариантом цифрового фильтра, который используется в блоке управления АФ, является режекторный фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр). Адаптивные КИХ-фильтры используют также в качестве элементов нейронных сетей. Недостаток таких фильтров заключается в том, что для обеспечения требуемой селективности необходим фильтр высокого порядка. Другой недостаток — невысокая скорость сходимости.

В главе 3 предложен новый метод формирования компенсирующего сигнала для активной части гибридного фильтра. Суть метода заключается в том, что для выделения высших гармоник из спектра несинусоидального сигнала используется цифровой режекторный фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтр). Передаточная функция режекторного БИХ-фильтра второго порядка имеет вид

*(*)= /2+Д'г + 12> (7)

г +аахг + а

где а — коэффициент, обеспечивающий устойчивость фильтра.

Передаточная функция режекторного БИХ-фильтра второго порядка может быть представлена равенством

Я(2Ц[1 + Л(г)]. (8)

Равенству (4) соответствует структура, показанная на рисунке 8. В формуле (8) величина А(г) — передаточная функция фазового БИХ-фильтра второго порядка. Модуль передаточной функции фазового фильтра А(г) равен 1 во всем диапазоне частот. Значение фазочастотной характеристики на частоте основной гармоники должно быть равно — л.

Рисунок 8 - Блок-схема формирования компенсирующего сигнала: <1 (л) - эталонный сигнал, используемый для настройки фильтра, е(п) - компенсирующий сигнал.

Для настройки передаточной функции режекторного БИХ-фильтра в работе предложено использовать алгоритм адаптации дуального решетчатого фильтра с конечной импульсной характеристикой. Это позволило упростить процедуру настройки и избежать проблем, возникающих в процессе адаптации коэффициентов БИХ-фильтра (контроль устойчивости, наличие локальных минимумов целевой функции).

Для проверки работоспособности и эффективности предложенного метода формирования компенсирующего сигнала была произведена экспериментальная проверка с помощью лабораторного комплекса N1 ELVIS II. Подробные результаты экспериментальной проверки приведены в главе 3.

В качестве нелинейной нагрузки использовался однофазный мостовой выпрямитель с емкостным сглаживающим фильтром. Входной несинусоидальный сигнал, пропорциональный току сети представлен на рисунке 9, значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения Ки =43,25% Адаптивные цифровые фильтры были реализованы в графической среде разработки Lab View. Компенсирующий сигнал, сформированный БИХ-фильтром второго порядка, представлен на рисунке 10.

0.06-г

0,04-

ч

fr

S 0,00-

L?

С ? -0,02-

< -0,04-

•0,06-

t

Время, с

Рисунок 9 - Входной несинусоидальный сигнал.

0.06-1

J V а J\ Xz а FN v- h ■f-

Я

ч fr №

— о,оо-

В -0.02-

Время, с

Рисунок 10 - Компенсирующий сигнал.

0,06 "I 0,04

П

fr Q'02'

С? 0.005 -0,02-

-0.04 • -0,06

Время, с

Рисунок 11 - Скомпенсированный сигнал.

Скомпенсированный сигнал (рисунок 11) имеет синусоидальную форму и Ки= 0,6%. Экспериментальная проверка показала, что при использовании КИХ-фильтра 32 порядка скомпенсированный сигнал имел Ки =2%.

Результаты эксперимента и математическое моделирование показали, что главными преимуществами разработанного метода формирования компенсирующего сигнала являются значительно меньшее количество вычислительных операций и большая скорость сходимости по сравнению с методами, использующими КИХ-фильтры.

В четвертой главе представлены результаты моделирования гибридных фильтрокомпенсирующих устройств в среде Ма1ЬаЬ. При моделировании активной части устройства использован разработанный метод формирования компенсирующего сигнала на основе цифрового режекторного БИХ-фильтра решетчатой структуры. Были построены следующие модели: трехфазный ГФ последовательной структуры, управляемый током сети; однофазный ГФ параллельной структуры, управляемый напряжением в точке общего присоединения; модель автономной сети электроснабжения с ГФ комбинированной структуры.

На рисунке 12 представлена модель МаЛаЬ БтиПпк трехфазной системы и гибридного фильтра последовательной структуры, активная часть которого управляется током сети.

-■ -УА- т—.-Т! Г- .-

.-.Л»Л- -——ПГ- .-.[.—

/Л

К'/ ) 1 Кагтталк

I I I

с») ф51«™"«

■ ил

Рисунок 12- Модель $1'тиМпк трехфазной системы с гибридным фильтром, управляемым током сети.

Пассивный фильтр образован параллельным соединением двух резонансных контуров, настроенных на частоты 5 и 7-й гармоник, и установлен в каждой фазе сети. Активный фильтр АР включен последовательно с пассивным фильтром. Параметр активного фильтра = 5. Внешний источник

гармоник, поступающих из сети, моделируется источником напряжения с частотой 250 Гц, включенным последовательно с основным источником. Нелинейная нагрузка представлена мостовым выпрямителем с индуктивным сглаживающим фильтром.

Кривая тока на интервале 0,1-0,55 с представлена на рисунке 13.

Включение пассивного фильтра происходит в момент времени / = 0,2 е., что приводит к увеличению пятой гармоники тока, создаваемой внешним источником. Значение суммарного коэффициента гармонических составляющих тока К, увеличивается с 17,91 до 22,54 %.

Время, с

Рисунок 13 - Ток сети.

В момент времени 1 = 0,4 с происходит включение активного фильтра, который компенсирует высшие гармоники тока, вызванные как внешним источником, так и нелинейной нагрузкой внутри сети. Значение суммарного коэффициента гармонических составляющих тока К1 уменьшается с 22,54 до 5,26 %.

Моделирование гибридных фильтров подтвердило результаты исследования компенсационных характеристик, проведенного ранее. Использование гибридного фильтра последовательной структуры с активным фильтром, управляемым током сети, целесообразно в тех случаях, когда необходимо компенсировать гармоники тока сети, вызванные как внутренними, так и внешними источниками.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.В результате проведенного анализа качества электрической энергии установлено, что в распределительных сетях крупных коммерческих и офисных потребителей наблюдаются значительные искажения формы кривых токов, вызванные ростом нелинейных нагрузок. Для управления качеством электроэнергии необходимо создание многофункциональных адаптивных устройств, обеспечивающих компенсацию высших гармоник тока и напряжения, а также осуществляющих регулирование других показателей качества электроэнергии.

2. На основе результатов проведенного исследования компенсационных характеристик основных структур гибридных фильтрокомпенсирующих устройств для случаев, когда источниками высших гармоник являются нелинейная нагрузка и внешняя сеть, определены области применения различных конфигураций гибридных фильтров.

3. Предложены новые варианты универсальных гибридных фильтров, обеспечивающих компенсацию высших гармонических составляющих, создаваемых нелинейной нагрузкой и внешней сетью.

4. Предложена стратегия управления гибридными фильтрокомпен-сирующими устройствами, обеспечивающая ослабление гармонических составляющих токов и напряжений сети, а также регулирование напряжения и реактивной мощности в точке общего присоединения нелинейной нагрузки и ФКУ. Показано, что на основе силовых гибридных фильтров возможно создание многофункциональных устройств, обеспечивающих одновременное регулирование нескольких параметров, определяющих качество электроэнергии в распределительных сетях.

5. Разработан новый метод формирования компенсирующего сигнала для активных силовых фильтров, основанный на использовании алгоритмов адаптивной цифровой обработки сигналов. Экспериментальная проверка и моделирование показали, что предлагаемый метод позволяет увеличить скорость настройки фильтра и требует меньшего числа вычислительных операций по сравнению с известными методами, основанными на использовании нейронных сетей и цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой.

6. Разработаны математические и компьютерные модели гибридных фильтрокомпенсирующих устройств, с помощью которых исследованы статические и динамические характеристики гибридных ФКУ.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Довгун В. П. Адаптивные алгоритмы управления характеристиками активных фильтрокомпенсирующих устройств / В. П. Довгун, С. А. Темербаев //Электричество,-2012.-№ 11.-С. 32-38.

2. Довгун В. П. Компенсационные характеристики гибридных фильтров гармоник / В. П. Довгун, С. А. Темербаев, Д. Е. Егоров, Е. С. Шевченко // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики—2012—№11—12. - С. 72-80.

3. Темербаев С. А. Анализ качества электроэнергии в городских распределительных сетях 0,4 кВ. / С. А. Темербаев, Н. П. Боярская, В. П. Довгун, В. О. Колмаков // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии - 2013 — Том 6.- № 1.— С. 107-120.

4. Боярская Н. П. Анализ качества электроэнергии в распределительных сетях АПК / Н. П. Боярская, С. А. Темербаев, В. П. Довгун, С. Н. Шахматов // Вестник КрасГАУ-2012 - № 3,- С. 169-182.

5. Боярская Н. П. Проблемы обеспечения качества электроэнергии в городских распределительных сетях 0,4 кВ / Н. П. Боярская, Я. А. Кунгс, В. П. Довгун, С. А. Темербаев, А. Ф. Синяговский // Ползуновский вестник. -2012-№4,-С. 89-94.

Статьи и материалы конференций

6. Балабанов А. М. Гармонический анализ процессов вэлектрических сетях с импульсными преобразователями / А. М. Балабанов, С. А. Темербаев // Современные техника и технологии: сб. тр. XVI Международной конференции студентов и молодых ученых. —Томск, 2010, Том 1.-С. 13-14.

7. Дербенев А. М. Адаптивная система формирования управляющих сигналов для активных фильтров гармоник / А. М. Дербенев, С. А. Темербаев // Современные техника и технологии: сб. тр. XVII Международной конференции студентов и молодых ученых. — Томск, 2011, Том 1, с. 41-42.

8. Темербаев С. А. Информационно - измерительная система для определения показателей качества электроэнергии / С. А. Темербаев, А. М. Дербенев // Современные техника и технологии: сб. тр. XVII Международной конференции студентов и молодых ученых. - Томск, 2011, Том 1, с. 110-112.

9. Боярская Н. П. Обеспечение электромагнитной совместимости в электрических сетях с коммерческими и офисными нагрузками / Н. П. Боярская, В. П. Довгун, С. А. Темербаев, А. Ф. Синяговский // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города, 16-17 ноября 2011 г.: материалы XII Всероссийской научно-практической конференции. — Красноярск, 2011. - С. 201-204.

10. Боярская Н. П. Качество электроэнергии в распределительных сетях сельскохозяйственных предприятий / Н. П. Боярская, С. А. Темербаев // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: материалы XII Всероссийской научно-практической конференции, 16-17 ноября 2011 г. — Красноярск, 2011. - С. 226-230.

11. Темербаев С. А. Алгоритмы формирования компенсирующих сигналов для активных фильтров гармоник / С. А. Темербаев, В. П. Довгун, Е. А. Толстихина // Электроэнергетика глазами молодежи: материалы международной научно-технической конференции, Екатеринбург 22-26 октября 2012.-Екатеринбург, 2012.-Т. 1.-С. 428-433.

12. Боярская Н. П. Качество электроэнергии в городских распределительных сетях 0,4 кВ / Н. П. Боярская, С. А. Темербаев, В. П. Довгун, Я. С. Кунгс, А. Ф. Синяговский // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города 21-22 ноября 2012 г.: материалы XIII Всероссийской научно-практической конференции. - Красноярск, 2012. -С. 113-121.

13. Боярская Н. П. Анализ качества электроэнергии в распределительной сети наружного освещения / Н. П. Боярская, С. А. Темербаев, В. П. Довгун, Я. А. Кунгс, В. О. Колмаков // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города. 21-22 ноября 2012 г.:материалы XIII Всероссийской научно-практической конференции-Красноярск, 2012-С. 138- 144.

14. Active Power Filter Control Using Adaptive Signal Processing Techniques/ S. A. Temerbaev, V. P. Dovgun, N. P. Bojarskaja, A. F. Sinyagovski // Energy and Power Engineering 2013, 5, p. 1115 - 1119, Published Online July 2013 in SciRes (http://www.scirp.org/journal/epe/).

Подписано в печать 17.10.2013. Печать плоская Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ № 3486 Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а, тел.: +7(391) 206-26-49, 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru



ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

На правах рукописи

04201 452082 Темербаев Сергей Андреевич

ГИБРИДНЫЕ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические

системы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ.......................................................................8

1.1. Качество электроэнергии. Несинусоидальные режимы работы электрических сетей............................................................................................8

1.2. Сравнительный обзор национальных стандартов качества электроэнергии...................................................................................................10

1.3. Анализ качества электроэнергии в городских распределительных сетях....................................................................................................................13

Выводы по первой главе...................................................................................33

Глава 2. ТОПОЛОГИЯ ГИБРИДНЫХ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ.........................................................................................................34

2.1. Классификация фильтрокомпенсирующих устройств.........................34

2.2. Анализ компенсационных характеристик гибридных фильтров........46

2.3. Регулирование напряжения в точке подключения нагрузки с помощью гибридных фильтрокомпенсирующих устройств.........................60

2.4. Универсальные регуляторы качества электроэнергии.........................63

2.5. Процедура проектирования гибридных фильтрокомпенсирующих устройств............................................................................................................70

Выводы по второй главе...................................................................................73

Глава 3. АЛГОРИТМЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЕНСИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ ДЛЯ СИЛОВЫХ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ..............................75

3.1. Анализ существующих методов формирования компенсирующих сигналов..............................................................................................................75

3.2. Адаптивный режекторный фильтр на основе КИХ-фильтра в форме цифровой линии задержки....................................................................82

3.3. Адаптивный режекторный БИХ-фильтр решетчатой структуры........87

3.4. Моделирование адаптивных устройств формирования компенсирующих сигналов..............................................................................91

Выводы по третьей главе..................................................................................95

Тлава~4"—МОДЕЛИРОВА-Н-ИЕ-ХА-РА-КТ^ -

ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ...........................................96

4.1. Выбор среды моделирования..................................................................96

2

4.2. Модель блока формирования компенсирующего сигнала для

силового активного фильтра...........................................................................101

4.3. Модель последовательной структуры с активным фильтром, управляемым током сети.................................................................................103

4.4. Модель параллельной структуры с активным фильтром, управляемым напряжением в точке общего присоединения......................107

4.5. Гибридное фильтрокомпенсирующее устройство для автономной сети электроснабжения....................................................................................111

Выводы по четвертой главе.............................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................117

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................119

Приложение №1...................................................................................................126

Приложение №2...................................................................................................127

Приложение №3...................................................................................................128

Приложение №4...................................................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Ухудшение качества электроэнергии - одна из проблем современного электроснабжения. В России качество электроэнергии в электрических сетях общего назначения регламентирует ГОСТ Р 541492010, который определяет 13 показателей качества [41].

Сложившаяся сегодня практика регулирования качества электроэнергии, как правило, ограничивается контролем двух показателей: отклонение напряжения и частоты. При этом не уделяется внимание нормированию показателей, связанных с высшими гармониками тока и напряжения.

Основными источниками гармонических искажений в сети являются нелинейные нагрузки крупных промышленных потребителей, но в последние годы наблюдается значительное ухудшение качества электроэнергии и в городских распределительных сетях 0,4-10 кВ. Это объясняется увеличением доли нелинейной нагрузки коммерческих и офисных потребителей.

Ухудшение качества электроэнергии в городских распределительных сетях характерно для большинства развитых стран. В России решение этой проблемы относится к одному из приоритетных направлений в области энергосбережения и энергоэффективности. Распоряжением Правительства Российской Федерации № 2446-р от 27 декабря 2010 г. была утверждена государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», определяющая основные тенденции развития энергетической отрасли страны.

Мероприятия по энергосбережению и повышению энергоэффективности должны предусматривать меры, направленные на поддержание качества электроэнергии и надежности электроснабжения. Необходимо создание активно-адаптивных устройств, обеспечивающих управление основными параметрами, определяющими качество электроснабжения. Такими устройствами являются силовые активные фильтры. В последние годы значительный интерес проявляется к силовым гибридным фильтрам (ГФ), представляющим сочетание активного и пассивного силовых фильтров. Преимущества гибридных устройств -значительно меньшие мощность и стоимость активной части. Используют ГФ в основном для ослабления высших гармоник тока и напряжения. Однако качество электроэнергии в распределительных сетях зависит и от других параметров: колебаний напряжения, фликера и т. д. Поэтому необходимо создание многофункциональных фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ),

воздействующих одновременно на несколько показателей качества электроэнергии.

Цель работы: развитие методов и средств управления качеством электроэнергии в распределительных сетях с высоким уровнем нелинейной нагрузки с помощью гибридных фильтрокомпенсирующих устройств.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ качества электроэнергии в распределительных сетях 0,4 кВ.

2. Исследование компенсационных характеристик основных структур гибридных фильтров, и определение конфигураций для ослабления высших гармоник тока и напряжения, создаваемых как нелинейной нагрузкой, так и внешней сетью.

3. Разработка методов формирования компенсирующего сигнала для активной части гибридного фильтра на основе адаптивных алгоритмов цифровой обработки сигналов.

4. Разработка математических моделей силовых гибридных фильтров.

5. Моделирование статических и динамических характеристик гибридных фильтрокомпенсирующих устройств.

Объект исследования. Распределительные сети 0,4-10 кВ.

Предмет исследования. Методы и средства управления качеством электроэнергии в распределительных сетях.

Методы исследования. При выполнении работы были использованы методы теоретической электротехники, теории автоматического управления, адаптивной цифровой обработки сигналов. Теоретические исследования сочетались с измерениями, проводимыми с помощью современных анализаторов качества электроэнергии, и компьютерным моделированием с использованием пакета прикладных программ МаЛаЬ и графической среды разработки ЬаЬ\/1е\¥.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработан новый метод формирования компенсирующего сигнала для активных фильтров гармоник, основанный на использовании адаптивных алгоритмов цифровой обработки сигналов. По сравнению с известными методами, основанными на использовании нейронных сетей и цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой предлагаемый подход позволяет увеличить скорость настройки фильтра и требует меньшего числа вычислительных операций.

2. Предложены новые варианты универсальных гибридных фильтров, обеспечивающие ослабление высших гармоник тока и напряжения, создаваемых как нелинейной нагрузкой, так и внешней сетью.

3. Предложена стратегия управления гибридными фильтрокомпен-сирующими устройствами, обеспечивающая ослабление гармонических составляющих токов и напряжений сети, а также регулирование напряжения и реактивной мощности в точке общего присоединения нелинейной нагрузки и гибридного фильтра.

Практическая значимость выполненной работы:

1. Применение результатов исследования позволит повысить качество электроэнергии в распределительных сетях с высокой долей нелинейных нагрузок, что будет способствовать более длительной и надежной работе оборудования, снижению потерь, энергосбережению.

2. Предложенные гибридные ФКУ позволяют регулировать одновременно несколько показателей, определяющих качество электроэнергии в распределительных сетях.

3. Разработанный адаптивный метод формирования компенсирующего сигнала для активных фильтров гармоник не требует предварительной настройки. Спектр компенсирующего сигнала изменяется в реальном времени при изменении спектров несинусоидальных токов и напряжений. Метод может быть использован как в активных, так и в гибридных силовых фильтрах различной конфигурации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новый метод формирования компенсирующего сигнала для активной части гибридного фильтра, основанный на использовании адаптивных алгоритмов цифровой обработки сигналов.

2. Новые варианты гибридных фильтрокомпенсирующих устройств, обеспечивающих ослабление высших гармонических составляющих, а также регулирование напряжения и реактивной мощности в точке присоединения.

3. Результаты исследования компенсационных характеристик гибридных фильтров, выполненного в среде Ма1:ЬаЬ.

Достоверность научных положений подтверждается их сравнением с результатами моделирования с помощью апробированного программного обеспечения, экспериментальных исследований, а также результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

XVI Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии». Томск, 2010.

XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии». Томск, 2011.

XII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города». Красноярск, 2011.

XIII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города». Красноярск, 2012.

III Международной научно-практической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи», Екатеринбург, 2012.

Международной конференции Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference, Пекин, 2013.

Личный вклад. Общая научная идея и метод формирования компенсирующего сигнала на основе цифрового режекторного фильтра решетчатой структуры разработаны совместно с научным руководителем, все остальные положения, выносимые на защиту, в том числе математические модели структур гибридных фильтров и результаты исследования компенсационных характеристик, были получены автором лично.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Зарегистрирована программа для ЭВМ (свидетельство № 2011616500 от 23.06.11). В каждой работе, опубликованной в соавторстве, личный вклад автора составляет не менее 50 %.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 129 страницах машинописного текста, списка использованных источников из 86 наименований и приложений на 4 страницах.

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

1.1. Качество электроэнергии. Несинусоидальные режимы работы

электрических сетей

Согласно [20] под качеством электроэнергии понимают степень соответствия параметров электроэнергии требованиям стандартов. Параметром является величина, количественно характеризующая какое-либо свойство электрической энергии.

Ухудшение качества электроэнергии приводит к серьезным отрицательным последствиям. Перечислим основные из них:

1. Увеличение потерь при передаче и распределении электроэнергии.

2. Сокращение срока службы электрооборудования, повышение аварийности в кабельных сетях, вызванное ускоренным старением изоляции.

3. Увеличение капитальных вложений, вызванное преждевременной заменой оборудования и необходимостью проведения комплекса организационных и технических мероприятий по улучшению качества электроэнергии.

4. Ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики [60].

5. Неправильная работа измерительных устройств и приборов учета электроэнергии.

В [23] отмечается, что основные источники ухудшения качества электроэнергии находятся на уровне распределительных сетей и конечных потребителей. Традиционно решение проблемы качества электроэнергии сводится к нормированию классических параметров, таких как частота сети, номинальный уровень напряжения, провалы и колебания напряжения, импульсы перенапряжения. В большинстве случаев не придают значения несинусоидальному режиму работы сети и таким показателям качества как доза фликера, коэффициенты гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка (Ки(п)) и суммарный коэффициент гармонических

составляющих напряжения Ки (в ГОСТ 13109-97 [40] параметр Ки назывался - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения).

Основным источником искажений формы кривых токов и напряжений являются нелинейные нагрузки крупных промышленных потребителей [18].

Однако в последние годы отмечается значительное ухудшение качества электрической энергии в сетях коммерческих и офисных потребителей -торговых комплексов, офисных зданий, учебных заведений. Нелинейной нагрузкой таких потребителей является офисное оборудование (персональные компьютеры, серверы, принтеры, блоки бесперебойного питания и т.п.), использующее однофазные источники питания, а также регулируемые электроприводы систем кондиционирования и вентиляции. У этой группы потребителей доля нелинейной нагрузки может значительно превышать линейную составляющую. Как правило, источники питания офисного оборудования используют мостовые выпрямители с емкостными сглаживающими фильтрами. В выпрямителях, используемых в современных источниках электропитания, напряжение сети подается непосредственно на диодный мост. Выпрямленный ток преобразуется с помощью коммутатора в переменный ток высокой частоты, а затем снова выпрямляется. Такие источники питания вызывают значительные искажения формы потребляемого тока, существенную долю которого составляют компоненты с частотой третьей гармоники [62].

Увеличение уровня высших гармоник в городских распределительных сетях характерно для большинства развитых стран [50, 56, 65, 77] Так, в обзорной статье [50] отмечается, что уровень высших гармоник напряжения в электрических сетях японских городов превышает пределы, установленные стандартом. В обзоре [65] высшие гармоники названы основной причиной ухудшения качества электроэнергии в электрических сетях Тайваня. Анализ гармонического состава токов в распределительных сетях города Белем (Бразилия), приведенный в статье [56] показывает, что уровень третьей и пятой гармоник в некоторых случаях превышает 20%. Авторы статьи отмечают, что наиболее высокий уровень высших гармоник характерен для распределительных сетей богатых кварталов, где используется большое количество бытовых электронных устройств.

Очевидно, что подобные проблемы характерны и для электрических сетей России. Это подтверждают результаты анализа качества электроэнергии, приведенные в [34, 35].

Несинусоидальные режимы работы систем электроснабжения приводят к дополнительным потерям электроэнергии. Как отмечается в [20], потери от высших гармоник при значениях коэффициента искажения синусоидальной формы кривой напряжения 7 - 15% могут достигать 10 - 12% суммарных потерь мощности. При меньших значениях суммарного коэффициента гармонических составляющих токов и напряжений дополнительные потери незначительны. В этом случае основной отрицательный экономический

эффект связан с капитальными затратами на проектирование и установку фильтрокомпенсирующих устройств.

1.2. Сравнительный обзор национальных стандартов качества

электроэнергии

В настоящее время в большинстве промышленно развитых стран разработаны и приняты стандарты, определяющие качество электроэнергии и допустимые искажения формы напряжен