Гибридные широкополосные фильтры для систем регулируемого электропривода

  • Валерий Петрович Довгун
  • Денис Эдуардович Егоров
  • Наталия Петровна Боярская
  • Евгений Валерьевич Блинов
Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, нехарактеристические гармоники, интергармоники, гибридные широкополосные фильтры

Аннотация

Значительную часть нелинейных нагрузок электрических сетей современных промышленных предприятий составляют системы частотно-регулируемого электропривода (ЧРП). Массовое использование систем ЧРП сопровождается увеличением эмиссии гармоник токов и напряжений во внешнюю сеть. Уровень гармоник и их спектр зависят от режима работы электропривода. Для ограничения уровня гармоник необходимы фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), осуществляющие не только ослабление гармонических искажений, но и демпфирование резонансных режимов, способных вызвать усиление отдельных гармоник. В статье предложены новые конфигурации гибридных компенсирующих устройств, включающих параллельный активный фильтр и пассивный широкополосный фильтр в форме односторонне нагруженного реактивного четырехполюсника. Определены требования к структуре и параметрам пассивного фильтра, при выполнении которых обеспечивается ослабление широкого спектра гармоник и демпфирование резонансных явлений в сети. Рассмотрена процедура проектирования гибридных ФКУ, основанная на использовании теории синтеза пассивных цепей и методов многокритериальной оптимизации. С помощью предложенной процедуры выполнен расчет широкополосных ФКУ 4–6 порядка. Увеличение порядка пассивного фильтра дает возможность уменьшить мощность активной части компенсирующего устройства. Анализ компенсационных характеристик предлагаемых гибридных ФКУ показал, что они обеспечивают снижение уровня искажений токов и напряжений в широком диапазоне, включающем частоты характеристических и нехарактеристических гармоник. Использование в составе ФКУ активного фильтра небольшой мощности позволяет эффективно демпфировать резонансные явления в сети.

Биографии авторов

Валерий Петрович Довгун

доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры систем автоматики, автоматизированного управления и проектирования, Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия; valerydovgun@gmail.com

Денис Эдуардович Егоров

кандидат техн. наук, доцент кафедры систем автоматики, автоматизированного управления и проектирования, Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия; denis.egorov.90@br.ru

Наталия Петровна Боярская

кандидат техн. наук, доцент, доцент кафедры теоретических основ электротехники, Красноярский государственный аграрный университет, Красноярск, Россия; bnp2006dvg@mail.ru

Евгений Валерьевич Блинов

начальник отдела электротехнического отдела, ООО «Полюс Проект», Красноярск, Россия; BlinovEV@polyus.com

Литература

1. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергоатомиздат, 2010, 375 с.
2. Брыкалов С.М. и др. Ключевые направления повышения энергетической эффективности крупных промышленных предприятий. – Энергобезопасность и энергосбережение, 2020, № 5, с. 10–18.
3. Куско А., Томпсон М. Качество энергии в электрических сетях. М.: Додэка-XXI, 2008, 336 c.
4. Алферов И.В., Зырянов В.М., Митрофанов Н.А. Анализ аварийности и причин выхода из строя конденсаторных установок в системе электроснабжения нефтегазодобывающего месторождения. –Вестник Иркутского государственного технического университета, 2019, 23(1), с. 63–74.
5. Сычев Ю.А. Повышение качества электроэнергии в системах электроснабжения минерально-сырьевого комплекса гибридными фильтрокомпенсирующими устройствами. – Записки Горного института, 2021, т. 247, с. 132–140.
6. Masoum M., Mosos P., Masoum A. Impact of Adjustable Speed PWM Drives on Operation and Harmonic Losses of Nonlinear Three Phase Transformers. – International Conference on Power Electronics and Drives Systems, 2007, pp. 562–567, DOI:10.1109/PEDS.2007.4487757.
7. Dugan R.C. et al. Electrical Power Systems Quality. US: McGraw-Hill Professional, 2012.
8. Dekka A., Beig F., Poshtan M. Comparison of Passive and Active Power Filters in Oil Drilling Rigs. – 11th International Conference on Electrical Power Quality and Utilization, 2011, DOI:10.1109/EPQU.2011.6128815.
9. Dekka A. et al. Retrofitting of Harmonic Power Filters in On-shore Oil Drilling Rigs: Challenges and Solutions. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2014, vol. 50, No. 1, pp. 142–154, DOI:10.1109/TIA.2013.2269895.
10. Farbis M., Hoevenaars A., Greenwald J. Oil Field Retrofit of ESPs to Meet Harmonic Compliance. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2016, vol. 52, No. 1, pp. 718–728.
11. Das J. Design and Application of a Second-Order High-Pass Damped Filter for 8000-hp ID Fan Drives – A Case Study. – IEEE Transactions on Industry Applications. 2015, 51(2), pp. 1417–1426, DOI:10.1109/TIA.2014.2356655.
12. Розанов Ю.К. Силовая электроника. М.: Издательство МЭИ, 2018, 508 с.
13. Akagi H. Active Harmonic Filters. – Proceedings of the IEEE, 2005, vol. 93, No. 12, pp. 2128–2141, DOI: 10.1109/JPROC.2005.859603.
14. Rivas D. et al. Improving Passive Filter Compensation Performance with Active Techniques. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 50, No. 1, 2003, pp. 161–169.
15. Fujita H., Yamasaki T., Akagi H. A Hybrid Active Filter for Damping of Harmonic Resonance in Industrial Power Systems. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2000, vol. 15, No. 28, pp. 215–222, DOI:10.1109/63.838093.
16. Lee T-L., Wang Y-C., Li J-C. Design of a Hybrid Active Filter for Harmonics Suppression in Industrial Facilities. – International Conference on Power Electronics and Drives Systems, 2009, pp. 121–126, DOI:10.1109/PEDS.2009.5385811.
17. Boonseng C. et al. Design and Installation of Active Filters for Power Quality Improvement for Water Treatment Plants. – International Conference on Power Electronics and Drives Systems, 2019, DOI:10.1109/PEDS44367.2019.8998763.
18. Nassif A. Assessing the Impact of Harmonics and Interharmonics of Top and Mudpump Variable Frequency Drives in Drilling Rigs. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, vol. 55, No. 6, pp. 5574–5583, DOI:10.1109/TIA.2019.2929708.
19. Carbone R. Analyzing Voltage Background Distortion Effects on PWM Adjustable-Speed Drives. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, vol. 19, No. 3, pp. 765–774, DOI: 10.1109/TPEL.2004.826506.
20. Tayjasanant T., Xu W. Case Study of Flicker Interharmonic Problems Caused by a Variable Frequency Drive. – 11th International Conference on Harmonics and Quality of Power, 2004, pp. 72–76, DOI:10.1109/ICHQP.2004.1409331.
21. Li X., Xu W. A Novel Filter to Mitigate Interharmonic Problems Caused by Variable Frequency Drives. –International Conference on Power Electronics and Drives Systems, 2017, pp. 887–892, DOI: 10.1109/PEDS.2017.8289144.
22. Taufik, Matsumoto E., Anwari M. Impact of Multiple Adjustable Speed Drive System to Power System Harmonics. – 2nd IEEE International Conference on Power and Energy (PECon 08), 2008, pp. 324–328.
23. Пантелеев В.И. и др. Качество электрической энергии в системах электроснабжения горно-перерабатывающих предприятий России. – Вестник Иркутского государственного технического университета, 2021, т. 25. № 3, с. 356–368.
24. Liang X., Ilochonwu O., Lim J. Influence of Reactors on Input Harmonics of Variable Frequency Drives. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 47(5), pp. 2195–2203, DOI: 10.1109/ICPS.2011.5890883.
25. Довгун В.П. и др. Параметрический синтез широкополосных силовых фильтров. – Электричество, 2018, № 12, с. 14–21.
26. Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей. СПб.: Лань, 2009, 544 с.
27. Довгун В.П. и др. Широкополосные демпфирующие фильтры лестничной структуры – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2024, т. 26, № 1, с. 77–92.
28. Li X., Xu W., Ding T. Damped High Passive Filter – a New Filtering Scheme for Multipulse Rectifier Systems. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2017, 32(1), pp. 117–124, DOI: 10.1109/TPWRD.2016.2541621.
29. Wang Y. et al. A Comprehensive Investigation on the Selection of High-Pass Harmonic Filters. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2022, 37 (5), pp. 4212–4226, DOI:10.1109/TPWRD.2022.3147835.
#
1. Zhezhelenko I.V. Vysshie garmoniki v sistemah elektro-snabzheniya prompredpriyatiy (Higher Harmonics in Power Supply Systems of Industrial Enterprises). M.: Energoatomizdat, 2010, 375 p.
2. Brykalov S.М. et al. Energobezopasnost' i energosberezhenie – in Russ. (Energy Security and Energy Conservation), 2020, No. 5, pp. 10–18.
3. Kusko A. Tompson M. Kachestvo energii v elektricheskih setyah (Energy Quality in Electric Networks). M.: Dodeka -XXI, 2008, 336 p.
4. Alferov I.V., Zyryanov V.M., Mitrofanov N.A. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of the Irkutsk State Technical University), 2019, 23(1), pp. 63–74.
5. Sychev Yu.А. Zapiski Gornogo instituta – in Russ. (Notes of the Mining Institute), 2021, vol. 247, pp. 132–140.
6. Masoum M., Mosos P., Masoum A. Impact of Adjustable Speed PWM Drives on Operation and Harmonic Losses of Nonlinear Three Phase Transformers. – International Conference on Power Electronics and Drives Systems, 2007, pp. 562–567, DOI:10.1109/PEDS.2007.4487757.
7. Dugan R.C. et al. Electrical Power Systems Quality. US: McGraw-Hill Professional, 2012.
8. Dekka A., Beig F., Poshtan M. Comparison of Passive and Active Power Filters in Oil Drilling Rigs. – 11th International Conference on Electrical Power Quality and Utilization, 2011, DOI:10.1109/EPQU.2011.6128815.
9. Dekka A. et al. Retrofitting of Harmonic Power Filters in Onshore Oil Drilling Rigs: Challenges and Solutions. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2014, vol. 50, No. 1, pp. 142–154, DOI:10.1109/TIA.2013.2269895.
10. Farbis M., Hoevenaars A., Greenwald J. Oil Field Retrofit of ESPs to Meet Harmonic Compliance. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2016, vol. 52, No. 1, pp. 718–728.
11. Das J. Design and Application of a Second-Order High-Pass Damped Filter for 8000-hp ID Fan Drives – A Case Study. – IEEE Transactions on Industry Applications. 2015, 51(2), pp. 1417–1426, DOI:10.1109/TIA.2014.2356655.
12. Rozanov Yu.K. Silovaya elektronika (Power Electronics). M.: Izdatel'stvo MEI, 2018, 508 p.
13. Akagi H. Active Harmonic Filters. – Proceedings of the IEEE, 2005, vol. 93, No. 12, pp. 2128–2141, DOI: 10.1109/JPROC.2005.859603.
14. Rivas D. et al. Improving Passive Filter Compensation Performance with Active Techniques. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 50, No. 1, 2003, pp. 161–169.
15. Fujita H., Yamasaki T., Akagi H. A Hybrid Active Filter for Damping of Harmonic Resonance in Industrial Power Systems. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2000, vol. 15, No. 28, pp. 215–222, DOI:10.1109/63.838093.
16. Lee T-L., Wang Y-C., Li J-C. Design of a Hybrid Active Filter for Harmonics Suppression in Industrial Facilities. – International Conference on Power Electronics and Drives Systems, 2009, pp. 121–126, DOI:10.1109/PEDS.2009.5385811.
17. Boonseng C. et al. Design and Installation of Active Filters for Power Quality Improvement for Water Treatment Plants. – International Conference on Power Electronics and Drives Systems, 2019, DOI:10.1109/PEDS44367.2019.8998763.
18. Nassif A. Assessing the Impact of Harmonics and Interhar-monics of Top and Mudpump Variable Frequency Drives in Drilling Rigs. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, vol. 55, No. 6, pp. 5574–5583, DOI:10.1109/TIA.2019.2929708.
19. Carbone R. Analyzing Voltage Background Distortion Effects on PWM Adjustable-Speed Drives. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, vol. 19, No. 3, pp. 765–774, DOI: 10.1109/TPEL.2004.826506.
20. Tayjasanant T., Xu W. Case Study of Flicker Interharmonic Problems Caused by a Variable Frequency Drive. – 11th International Conference on Harmonics and Quality of Power, 2004, pp. 72–76, DOI:10.1109/ICHQP.2004.1409331.
21. Li X., Xu W. A Novel Filter to Mitigate Interharmonic Problems Caused by Variable Frequency Drives. –International Conference on Power Electronics and Drives Systems, 2017, pp. 887–892, DOI: 10.1109/PEDS.2017.8289144.
22. Taufik, Matsumoto E., Anwari M. Impact of Multiple Adjustable Speed Drive System to Power System Harmonics. – 2nd IEEE International Conference on Power and Energy (PECon 08), 2008, pp. 324–328.
23. Panteleev V.I. et al. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of the Irkutsk State Technical University), 2021, vol. 25. No. 3, pp. 356–368.
24. Liang X., Ilochonwu O., Lim J. Influence of Reactors on Input Harmonics of Variable Frequency Drives. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 47(5), pp. 2195–2203, DOI: 10.1109/ICPS.2011.5890883.
25. Dovgun V.P. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2018, No. 12, pp. 14–21.
26. Beletskiy A.F. Teoriya lineynyh elektricheskih tsepey (Theory of Linear Electric Circuits). SPb.: Lan', 2009, 544 p.
27. Dovgun V.P. et al. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Problemy energetiki – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Power Industry Problems), 2024, vol. 26, No. 1, pp. 77–92.
28. Li X., Xu W., Ding T. Damped High Passive Filter – a New Filtering Scheme for Multipulse Rectifier Systems. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2017, 32(1), pp. 117–124, DOI: 10.1109/TPWRD.2016.2541621.
29. Wang Y. et al. A Comprehensive Investigation on the Selection of High-Pass Harmonic Filters. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2022, 37 (5), pp. 4212–4226, DOI:10.1109/TPWRD.2022.3147835
Опубликован
2024-06-06
Раздел
Статьи