Сравнение на производителността на хармонични филтри в индустриална енергийна система за намаляване на хармоничните изкривявания

Публикувано от 1. Естифанос Дагнеу Митику¹2. Гебрие Тешоме Адуйе², 3. С. Абдул Рахман³, 4. Махилет Ментесинот Абухай⁴, Катедра по електротехника и компютърно инженерство, Технологичен институт, Университет Гондар, Етиопия (1, 2, 3), Катедра по индустриално инженерство, Технологичен институт, Университет Гондар, Етиопия (4) ORCID. 1. 0000-0002-6613-3979, 2. 0000-0003-1184-9184, 3. 0000-0003-0134-8028, 4. 0000-0001-7554-8562

Ключови думи: Хармоничен филтърs, Хармонично изкривяване, Общо хармонично изкривяване, MATLAB/SIMULINK.
Ключови думи:филтър, хармоници, THD

Въведение

Качество на захранването (PQ) е проблем както за комуналните дружества, така и за потребителите на електроенергия на всички нива на потребление. Един от проблемите с PQ са хармониците, които представляват синусоидален компонент на периодична вълна или величина с честота, която е интегрално кратно на основната честота, т.е. 50Hz или 60Hz [1]. Хармоничните напрежения възникват в резултат на токови хармоници, които се създават и извличат от нелинейни електронни товари, инжектирани в захранващата система [2].

Измерване на хармонични изкривявания в индустрията

За да се оцени нивото на хармонични изкривявания в енергийната система на промишлеността, трябва да се извърши мониторинг на входните точки на обслужване на промишлеността в точките на общо свързване (PCC), точката на отклонение от 15kV захранващите линии. Тъй като обаче разстоянието и импедансът на линията от PCC до първичната намотка на трансформатора са незначителни, първичните намотки се приемат като PCC, както е показано на фигура 1 [2].

Хармоничното изкривяване в индустрията се измерва, докато всички машини работят едновременно, за да се наблюдават кумулативните характеристики на промишлените товари, а събирането на данни се осъществява чрез директно измерване. След извършване на подходящ анализ, събраните данни се изчисляват и сравняват с приемливи стойности, определени от стандартите на IEEE за препоръчителна практика за хармоничен контрол [28].

Таблица 1: Граници на изкривяване на тока за общи разпределителни системи (120V до 69 000V) [2]. Фиг. 1: Място за мониторинг и точка на общо свързване. Хармоничното изкривяване в индустрията се измерва, докато всички машини работят едновременно, за да се наблюдават кумулативните характеристики на промишлените товари, а събирането на данни се осъществява чрез директно измерване. След извършване на подходящ анализ, събраните данни се изчисляват и сравняват с приемливи стойности, определени от стандартите на препоръчителната практика на IEEE за хармоничен контрол [28].

Токът на късо съединение и номиналният ток на 15kV захранващо устройство в PCC са осреднени съответно на 10kA и 1000A, което дава I_СК/Аз_Лсъотношение в диапазона

Максималното съдържание на хармоници на напрежението и тока в индустрията, когато тя работи с пълно натоварване, е показано в таблица 3.

От записаните данни се наблюдава, че доминиращите хармонични токове са 5-тият^тии 7^тихармоници и общата стойност на THD на тока за трите фази е съответно 18,10%, 18,33% и 18,44% при PCC, което е извън стандартите на IEEE, т.е. 5%. Тъй като стойностите на THD на тока са извън стандартните стойности, за намаляване на хармоничните изкривявания се прилагат едночестотни, двойночестотни, високочестотни и c-тип хармонични филтри с техните проектирани параметри, като тяхната производителност се сравнява въз основа на процентните стойности на THD на тока, когато се прилага всеки от хармоничните филтри.

Принцип на действие

Веригата, използвана за намаляване на хармоничните изкривявания, е показана на фигура 2. Тя се състои от ключове, едночестотни, двойночестотни, високочестотни и C-тип хармонични филтри и товар. Поради нелинейните натоварвания на индустриалната енергийна система, когато хармоничните токове се инжектират в системата, формите на вълните на напрежението и тока се изкривяват. Хармоничните филтри с техните проектирани стойности и съответните ключове се прилагат независимо, за да се сравни производителността на хармоничните филтри, и те се включват и изключват, за да се намали хармоничното изкривяване. Първо, едночестотният филтър е включен, докато другите ключове са изключени. След това, високочестотният филтър е включен, докато другите ключове са изключени. След това, двойночестотният филтър е включен, докато другите ключове са изключени. Накрая, C-тип филтър е включен, докато останалите ключове са изключени. За опростяване, само една фаза се разглежда от трите фази, тъй като захранването се взема от една и съща фаза, за да се смекчи хармоничното изкривяване, за да се покаже управляващата верига.

Резултати от симулацията

Хармоничните изкривявания са симулирани с помощта на софтуера MATLAB/SIMULINK. Хармоничните филтри, като например еднократно настроени, двойно настроени, високочестотни и C-тип филтри, са симулирани с проектираните стойности, за да се сравни тяхната ефективност при намаляване на хармоничните изкривявания, възникващи в индустриалната електроенергийна система поради нелинейни товари. Формите на вълните на напрежението и тока, както от страната на източника, така и от страната на товара, преди и след прилагане на хармоничните филтри, са представени по-долу за сравнение. В промишлеността има нелинейни товари, които се захранват от електроснабдителната компания от близката подстанция, и нелинейните товари черпят хармонични токове с изкривена форма на вълната. Симулацията е извършена с проектираните стойности на хармоничните филтри с номинално линейно напрежение 400V, работна честота 50Hz, номинална реактивна мощност 50KVAR, коефициент на качество 7, а честотата на настройка е зададена за 5...^тии 7^тихармоници.

Формите на вълните на напрежението и тока преди прилагане на хармоничните филтри са показани на фигура 3.

В индустрията има нелинейни товари, които се захранват от електроснабдителната компания, и тези товари генерират изкривена хармонична форма на вълната на напрежението и тока, както е показано на фигура 3, а от анализа с бързо преобразуване на Фурие (FFT), както е показано на фигура 4, стойността на THD е 18,33%, което е над допустимата граница по стандарта IEEE, т.е. 5% за това изследване. Следователно, за да се намали хармоничното изкривяване, са проектирани и поставени на подходящите места в индустриалната енергийна система едночестотни, двойно настроени, високочестотни и c-тип хармонични филтри; следователно хармоничното изкривяване се намалява и се сравняват техните характеристики.

Единично настроен хармоничен филтър

Високочестотен хармоничен филтър

Двойно настроен хармоничен филтър

Хармоничен филтър тип C

Заключение

В тази статия е проведено сравнение на производителността на хармонични филтри в индустриална енергийна система за намаляване на хармоничните изкривявания. Хармоничното изкривяване, генерирано от нелинейните товари в индустрията, осигурява стойност на THD от 18,33%. Когато се приложи едночестотен хармоничен филтър, THD се намалява до 5,08%. Докато прилагането на високочестотен хармоничен филтър дава THD от 5,09%. Двойно настроеният хармоничен филтър осигурява стойност на THD от 4,00%. Накрая, използвайки c-тип хармонични филтри, се получава стойност на THD от 4,68%. В резултат на това, от резултатите от симулацията и FFT анализа, се наблюдава, че двойно настроеният хармоничен филтър дава по-добра производителност от едночестотните, високочестотните и c-тип хармоничните филтри при намаляване на хармоничните изкривявания до приемливата величина, определена от стандартите на IEEE, т.е. по-малко от 5% за това изследване, и се препоръчва индустрията да използва двойно настроен хармоничен филтър във вторичната намотка на трансформатора, за да се отърве от допълнително нагряване, фалшиво изключване и неизправност на оборудването поради хармоници, които причиняват производствени загуби за индустрията.

Свържете се с нас за експертно ръководство:

За повече информация относно това как Активен хармоничен филтъриГенератор на статични променливи може да подобри качеството на захранването: sales@intonepower.com

РЕФЕРЕНЦИИ

[1] IEEE,IEEE 1159 1995 Препоръчителна практика за мониторинг на качеството на електрическата енергия.1995 г.
[2] У. Аре и др., „Качество на електрическите енергийни системи“, второ издание.
[3] М. С. Алмутайри и С. Хаджилукас, „Смекчаване на хармониците въз основа на минимизиране на нелинейния ток в електроенергийна система“, 2019 г.
[4] А. Багери и М. Ализаде, „Проектиране на пасивен филтър за намаляване на хармоничните изкривявания в хибридна микромрежа, включваща вятърни турбини, слънчеви клетки и нелинейно натоварване“, бр. 12, стр. 10–13, 2019.
[5] Y. Cho, H. Cha, Y. Cho и H. Cha, „Проектиране на еднонастроен пасивен хармоничен филтър, отчитайки вариациите в настройката и фактора на качеството“, том 8972, 2014.
[6] Р. Дуа и А. Агравал, „Въздействие на единично настроен филтър върху фотоволтаична система, свързана към мрежата“, том 08, № 06, стр. 213–217, 2019.
[7] М. Авадала, М. Орнер и А. Мохамед, „Еднонастроен филтър за намаляване и оптимизация на хармоници с кондензаторни банки“, бр. септември 2015 г., 2019 г.
[8] IOPC Series и M. Science, „Намаляване на хармоничните смущения чрез използване на пасивен филтър с една настройка в индустрията за преработка на пластмаси“, 2018 г.
[9] YK Haur, TJ Son, LK Yun, W. Jee и K. Raymond, „Проектиране на еднонастроен пасивен хармоничен филтър, отговарящ на стандарта IEEE-519 чрез манипулации на коефициента на качество“, том 29, № 1, стр. 1364–1379, 2020.
[10] К. Р. Чийпати, С. Али и А. Рангампет, „Общ преглед на двойно настроените хармонични филтри за подобряване на качеството на захранването при нелинейни условия на натоварване“, том 10, № 7, стр. 11–26, 2017 г.
[11] ХЕ И-хонг и СУ Хенг, „Нов метод за проектиране на двойно настроен филтър“, бр. Iccsee, стр. 206–209, 2013.
[12] К. Р. Чийпати, С. Али и С. К. М., „Анализ на производителността на двойно настроен пасивен филтър за качество на захранването“, том 9, № 7, стр. 3295–3305, 2016 г.
[13] П. Контрол и Г. Мишра, „Проектиране на пасивен високочестотен филтър за приложения на хибридни активни силови филтри“, Катедра по електротехника, Национален технологичен институт, Проектиране на пасивен високочестотен филтър за приложения на хибридни активни силови филтри“.
[14] Б. Парк, Дж. Лий, Х. Ю и Г. Джанг, „Намаляване на хармоничните смущения с помощта на пасивни хармонични филтри: Казус в енергийна система на стоманодобивен завод“, 2021 г.
[15] З.А. Мемон, М.А. Укайли и М.А. Унар, „Смекчаване на хармониците в индустриалната енергийна система с помощта на пасивни филтри“, бр. юли, 2016 г.
[16] IA Shah и RK Ali, „Проектиране на пасивен филтър тип C за намаляване на хармоничните изкривявания и компенсация на реактивната мощност“, том 4, № 12, стр. 38–47, 2016.
[17] Р. Клемпка, „Нов метод за проектиране на пасивен филтър от тип C“, бр. 7, стр. 277–281, 2012.
[18] А. Фурнейс, „Избор на филтри тип C за компенсация на реактивната мощност и филтриране на по-високи хармоници“, 2020 г.
[19] А. Мучтар и У. М. Мутакин, „Сравнение между производителността на единичен филтър и филтър тип C в електроразпределителната мрежа“, 2019 г.
[20] С. А. Рахман, „DVR, базиран на директен конвертор, за смекчаване на прекъсвания на еднофазно захранване“, бр. септември 2019 г., 2021 г.
[21] А. Рахман, „Смекчаване на спадове, покачвания и прекъсвания на напрежението без преобразувател“, бр. октомври 2019 г., 2021 г.
[22] С. А. Рахман, С. Б. Муле, Е. Д. Митику, Г. Т. Адуйе и К. Гопинат, „Компенсация на най-високи спадове и покачвания на напрежението с помощта на еднофазен матричен преобразувател с четири контролирани ключа“, бр. 4, стр. 134–138, 2021.
[23] C. Reads, „Реализация на еднофазен матричен преобразувател с помощта на 4 контролирани ключа“, бр. октомври 2019 г., 2021 г.
[24] С. А. Рахман и Г. Тешом, „Максимална компенсация на спадане на напрежението с помощта на директен преобразувател чрез модулиране на носещия сигнал“, том 10, № 4, стр. 3936–3941, 2020.
[25] С. А. Рахман и Е. Дагню, „Компенсация на спадане на напрежението с помощта на DVR, базиран на директен преобразувател, чрез модулиране на сигнала за грешка“, том 19, № 2, стр. 608–616, 2020.
[26] С. А. Рахман, Е. Д. Митику, С. Б. Муле, Г. Т. Адуйе, М. А. Хулука и С. Месфин, „Намаляване на спада на напрежението с помощта на DVR, базиран на директен преобразувател, без сигнал за грешка“, №. 12, стр. 34–37, 2021 г.
[27] С. А. Рахман, С. Бирхан, Е. Д. Митику, Г. Т. Адуйе и П. Сомасундарам, „Нова топология на DVR за компенсиране на покачване, спадове и прекъсвания на еднофазно захранване“, том 17, № 4, стр. 1–10, 2021 г.
[28] CRCP ООД,Качество на електроенергията © 2002.2002 г.

Автори:Лектор, г-н Естифанос Дагнев Митику, Катедра по електротехника и компютърно инженерство, Технологичен институт, Университет Гондар, Гондар, Етиопия, имейл: est7eced@gmail.com; Лектор, г-н Гебрие Тешоме Адуйе, Катедра по електротехника и компютърно инженерство, Технологичен институт, Университет Гондар, Гондар, Етиопия, имейл: gebrie.415@gmail.com; Доцент, д-р Абдул Рахман, Катедра по електротехника и компютърно инженерство, Технологичен институт, Университет Гондар, Гондар, Етиопия, имейл: msajce.abdulrahman@gmail.com; Лектор, г-жа Махилет Ментесинот Абухай, Катедра по индустриално инженерство, Технологичен институт, Университет Гондар, Етиопия, имейл: mahiletme@gmail.com.

Идентификатор на източника и издателя: СПИСАНИЕ ПО ЕЛЕКТРОТЕХНИКА, ISSN 0033-2097, ГОДИНА 98, БР. 3/2022. doi:10.15199/48.2022.03.12