Активные фильтры гармоник.

Анонс: Технические решения активных фильтров гармоник Schneider Electric SE AccuSine PCSn, AccuSine PCS+ и AccuSine PFV+ для решения проблем гармоник в силовых сетях объектов. Активные фильтры гармоник – топология, преимущества, недостатки.

Для решения проблем гармоник в силовых сетях Schneider Electric SE и АО «Шнейдер Электрик» предлагают использовать активные фильтры гармоник (Active harmonic filters – AHF) серии AccuSine+ в гибких технических решениях AccuSine PCSn, AccuSine PCS+ и AccuSine PFV+, разработанных специалистами корпорации для промышленных и непромышленных объектов разного назначения с различным уровнем гармонических искажений и характером нагрузки. Все активные фильтры серии AccuSine+ корпорации имеют интеллектуальные контроллер и ведомый трехуровневый (3L) инвертор на биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ), отличающийся от традиционных двухуровневых более четкой корректировкой формы напряжения и тока.

Активные фильтры гармоник AccuSine PCSn способны демпфировать гармоники со 2-й по 51-ю в нейтрали и фазах, повышать коэффициент мощности, симметировать фазные токи, AccuSine PCS+ - сглаживать амплитуду гармонических составляющих фазных токов, симметировать фазные токи, напряжение, корректировать коэффициент мощности, а AccuSine PFV+ больше ориентированы на компенсацию реактивной энергии (индуктивного или емкостного характера), симметрирование и стабилизацию напряжения, нивелирование фликера в сети.

Корпорация рекомендует применение фильтров AccuSine PCSn для снижения уровня гармоник до нормативных значений в сетях с нагрузками офисного оборудования, светодиодным и/или люминесцентным освещением, лифтами и эскалаторами, фильтров AccuSine PCS+ в сетях с насосными агрегатами, нагревательными печами, энергоемкими системами вентиляции, кондиционирования и т.д., фильтров AccuSine PFV+ - в сетях с быстро изменяющейся нелинейной нагрузкой, характеризующихся высоким содержанием гармоник и нестабильностью напряжения.

Активные фильтры гармоник – топология, преимущества, недостатки.

Активные фильтры гармоник, иногда называемые активными сглаживателями, кондиционерами, динамическими компенсаторами и пр., предлагаются разработчиками/производителями под разными маркетинговыми названиями и могут иметь свои особенности по схемотехнике, подключению, характеристикам, комплектации. Вместе с тем, практически все активные фильтры гармоник, de facto нашедших практическое применение в сетях низкого и среднего напряжения, имеют одну топологию, включающую:

• измерительный трансформатор, с которого блоком управления (контроллером) считываются мгновенные значения тока в сети с нелинейной нагрузкой;
• интеллектуальный контроллер, имеющий цифровой процессор сигнала, как правило с функцией быстрого преобразования Фурье (БПФ или FFT - Fast Fourier Transform);
• преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ или PWM - Pulse Wide Modulation) – двух- (2L) или трехуровневый (3L) инвертор, как правило, на биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) и собранный (соединенный) с накопителями энергии – емкостными (конденсаторами) и/или индуктивными (катушки).

Во время работы активного фильтра гармоник цифровой процессор сигнала анализирует текущие параметры сети по данным измерительного трансформатора, сравнивает текущие значения тока, напряжения, коэффициента мощности (расчетные) с нормативными (предустановленными) и подает управляющий сигнал на ШИМ-преобразователь, который аккумулирует на накопителях, а в следующем цикле кривой фундаментальной гармоники выплескивает в сеть гармонические токи амплитуды и формы в противофазе токам искажения.

Т.е. искажения гармоник нагрузки устраняются генерацией и выплескиванием в сеть гармонических токов аналогичной амплитуды, но противоположных по фазе, а благодаря постоянному считыванию и обработке информации цифровым процессором сигнала ведомый контроллером инвертор динамично адаптируется к изменениям нагрузки с задержкой (теоретически) в период синусоиды фундаментальной частоты (на практике до 2 периодов в зависимости от скорости передачи и обработки сигналов).

К преимуществам активных фильтров можно отнести:

• почти мгновенную реакцию на изменение нагрузки в сети, что позволяет (условно) нивелировать риски недокомпенсации или перекомпенсации гармонических токов, фликера, стабилизировать напряжение;
• индифферентность к характеру нагрузки – благодаря накопителям фильтр демпфирует емкостные и индуктивные токи, может компенсировать реактивную мощность емкостного и индуктивного характера;
• практическое отсутствие рисков резонанса с гармониками разных частот, как у колебательных контуров пассивных фильтров;
• возможность предустановки параметров сети, в том числе коэффициента мощности, что определяет эффективную работу в автоматическом режиме;
• «избирательность» по демпфированию гармонических искажений – любой активный фильтр работает только с участком сети «ниже» места подключения, т.е. блокирует искажения, генерируемые нагрузкой.

Недостатки активных фильтров гармоник:

• высокая цена, определяемая, как стоимостью ШИП-преобразователя на IGBT транзисторах, так и его мощностью, а также допустимыми токами элементов полупроводниковой цепи;
• значительные динамические потери (derating) в транзисторах на повышенных частотах, вызывающие их перегрев и определяющие ограничения по токам высших гармоник;
• «избирательность» по демпфированию гармонических искажений – любой активный фильтр работает только с участком сети «ниже» места подключения, т.е. очищает сегмент сети с нагрузкой, но практически не влияет на остальную питающую сеть.
  
  
  Рис. Особенности подавления гармоник активными фильтрами в сегментах сети до и после места подключения.
  
  
• ограничения по мощности компенсации реактивной энергии, обусловленные необходимостью генерации токов больших величин, что вызывает перегрев транзисторов.

Справка: Для решения проблемы ограничения по току диодов и IGBT транзисторов в цепи ведомого инвертора и, соответственно, увеличения эффективности демпфирования гармоник, компенсации реактивной мощности производители предлагают гибкие «наращиваемые» комплектные сборки из двух и более модулей, управляемых одним контроллером, а также гибридные фильтры, в которых главные искажающие гармоники (3, 5, 7) подавляются пассивным фильтром, а активный фильтр демпфирует остальные гармоники вплоть до 40 или 50 порядка. По стоимости гибридный фильтр дешевле «чисто» активного, поскольку теперь в активном модуле можно использовать менее мощные, более компактные и менее дорогие IGBT транзисторы.