Порівняння продуктивності гармонійних фільтрів у промисловій енергосистемі для зменшення гармонійних спотворень

Опубліковано 1. Естіфаносом Дагневом Мітіку¹2. Гебрі Тешоме Адує², 3. С. Абдул Рахман³, 4. Махілет Ментесінот Абухай⁴, Кафедра електротехніки та комп'ютерної інженерії, Технологічний інститут, Університет Гондару, Ефіопія (1, 2, 3), Кафедра промислової інженерії, Технологічний інститут, Університет Гондару, Ефіопія (4) ORCID. 1. 0000-0002-6613-3979, 2. 0000-0003-1184-9184, 3. 0000-0003-0134-8028, 4. 0000-0001-7554-8562

Ключові слова: Гармонічний фільтрs, Гармонійне спотворення, Повне гармонійне спотворення, MATLAB/SIMULINK.
Ключові слова:фільтр, гармоніки, коефіцієнт гармонійних спотворень

Вступ

Якість електроенергії (PQ) є проблемою як для комунальних підприємств, так і для споживачів електроенергії на всіх рівнях використання. Однією з проблем PQ є гармоніки, які є синусоїдальною складовою періодичної хвилі або величини, частота якої є цілим кратним основної частоти, тобто 50 Гц або 60 Гц [1]. Гармоніки напруги виникають в результаті гармонік струму, які створюються та витягуються нелінійними електронними навантаженнями, що подаються в систему живлення [2].

Вимірювання гармонійних спотворень у промисловості

Для оцінки рівня гармонійних спотворень в промисловій енергосистемі необхідно проводити моніторинг у точках входу обслуговування промисловості в точках спільного підключення (PCC), точках відключення на фідерах 15 кВ. Однак, оскільки відстань та імпеданс лінії від PCC до первинної обмотки трансформатора незначні, первинні обмотки приймаються як PCC, як показано на рисунку 1 [2].

Гармонійні спотворення в промисловості вимірюються, коли всі машини працюють одночасно, для спостереження за сукупними характеристиками промислових навантажень, а збір даних здійснюється шляхом прямого вимірювання. Після проведення відповідного аналізу зібрані дані обчислюються та порівнюються з допустимими значеннями, встановленими стандартами рекомендованої практики IEEE для контролю гармонік [28].

Таблиця 1: Межі спотворення струму для загальних розподільчих систем (від 120 В до 69 000 В) [2]. Рис. 1: Місце моніторингу та точка загального підключення. Гармонійне спотворення в промисловості вимірюється, коли всі машини працюють одночасно, для спостереження за сукупними характеристиками промислових навантажень, а збір даних здійснюється шляхом прямого вимірювання. Після проведення відповідного аналізу зібрані дані обчислюються та порівнюються з допустимими значеннями, встановленими стандартами рекомендованої практики IEEE для контролю гармонік [28].

Струм короткого замикання та номінальний струм фідера 15 кВ на PCC усереднюються на рівні 10 кА та 1000 А відповідно, що дає I_СК/Я_Лкоефіцієнт у діапазоні

Максимальний вміст гармонік напруги та струму в галузі під час роботи з повним навантаженням наведено в таблиці 3.

Із записаних даних видно, що домінуючими гармонічними струмами є 5-та^гоі 7^гогармоніки та загальне значення коефіцієнта гармонічних спотворень струму для трьох фаз становить 18,10%, 18,33% та 18,44% відповідно на PCC, що перевищує стандарти IEEE, тобто 5%. Оскільки поточні значення коефіцієнта гармонічних спотворень перевищують стандартні значення, для зменшення гармонійних спотворень застосовуються одноналаштовані, двоналаштовані, високочастотні та фільтри гармонік типу C з їхніми розробленими параметрами, а їхня продуктивність порівнюється на основі поточних відсоткових значень коефіцієнта гармонічних спотворень при застосуванні кожного з гармонійних фільтрів.

Принцип дії

Схема, що використовується для зменшення гармонійних спотворень, показана на рисунку 2. Вона складається з перемикачів, одноналаштованих, двоналаштованих, фільтрів високих частот та фільтрів гармонік типу C, а також навантаження. Через нелінійні навантаження промислової енергосистеми, коли гармонічні струми вводяться в систему, форми хвиль напруги та струму спотворюються. Гармонічні фільтри з їх розрахунковими значеннями та відповідними перемикачами застосовуються незалежно для порівняння їхньої роботи, і вони вмикаються та вимикаються для зменшення гармонійних спотворень. Спочатку перемикач одноналаштованого фільтра вмикається, а інші перемикачі вимкнені. Потім перемикач фільтра високих частот вмикається, а інші перемикачі вимкнені. Далі перемикач двоналаштованого фільтра вмикається, а інші перемикачі вимкнені. Нарешті, перемикач фільтра типу C вмикається, а інші перемикачі вимкнені. Для спрощення, з трьох фаз розглядається лише одна фаза, оскільки живлення береться з однієї фази для зменшення гармонійних спотворень, щоб показати схему керування.

Результати моделювання

Гармонічні спотворення було змодельовано за допомогою програмного забезпечення MATLAB/SIMULINK. Гармонічні фільтри, такі як одноналаштовані, двоналаштовані, фільтри високих частот та фільтри типу C, змодельовано з розрахунковими значеннями для порівняння їхньої ефективності у зменшенні гармонічних спотворень, що виникають у промисловій енергосистемі через нелінійні навантаження. Форми хвиль напруги та струму як з боку джерела, так і з боку навантаження до та після застосування гармонічних фільтрів представлені нижче для порівняння. У промисловості є нелінійні навантаження, які живляться комунальним підприємством з сусідньої підстанції, і нелінійні навантаження споживають гармонічні струми спотвореної форми хвилі. Моделювання виконано з розрахунковими значеннями гармонічних фільтрів з номінальною напругою між лініями 400 В, робочою частотою 50 Гц, номінальною реактивною потужністю 50 кВАР, коефіцієнтом якості 7, а частота налаштування встановлена ​​на 5.^гоі 7^гогармоніки.

Форми хвиль напруги та струму перед застосуванням гармонічних фільтрів показано на рисунку 3.

У промисловості є нелінійні навантаження, які постачаються комунальними підприємствами, і ці навантаження спотворюють форму сигналу гармонійної напруги та струму, як показано на рисунку 3, а за результатами аналізу швидкого перетворення Фур'є (FFT), як показано на рисунку 4, значення THD становить 18,33%, що перевищує допустиму межу стандарту IEEE, тобто 5% для цього дослідження. Тому для зменшення гармонійних спотворень розроблені та розміщені у відповідних місцях промислової енергосистеми одноналаштовані, двоналаштовані, високочастотні та фільтри гармонік типу C; як наслідок, гармонійні спотворення зменшуються, і порівнюється їхня продуктивність.

Одноналаштований гармонійний фільтр

Фільтр високих частот

Подвійно налаштований гармонійний фільтр

Гармонічний фільтр типу C

Висновок

У цій статті досліджується порівняння продуктивності гармонійних фільтрів у промисловій енергосистемі для зменшення гармонійних спотворень. Гармонійні спотворення, що виникають внаслідок нелінійних навантажень у промисловості, забезпечують значення гармонійних спотворень 18,33%. А при застосуванні одноналаштованого гармонійного фільтра коефіцієнт гармонійних спотворень зменшується до 5,08%. Тоді як застосування високочастотного гармонійного фільтра дає коефіцієнт гармонійних спотворень 5,09%. Подвійно налаштований гармонійний фільтр забезпечує значення гармонійних спотворень 4,00%. Зрештою, при використанні гармонійних фільтрів типу c отримано значення гармонійних спотворень 4,68%. В результаті, з результатів моделювання та аналізу FFT видно, що подвійно налаштований гармонійний фільтр забезпечує кращу продуктивність, ніж одноналаштовані високочастотні та гармонічні фільтри типу c, у зменшенні гармонійних спотворень до прийнятної величини, встановленої стандартами IEEE, тобто менше 5% для цього дослідження, і для промисловості рекомендується використовувати подвійно налаштований гармонійний фільтр на вторинній обмотці трансформатора, щоб позбутися додаткового нагрівання, помилкових спрацьовувань та несправностей обладнання через гармоніки, що спричиняють втрати виробництва в галузі.

Зверніться до нас для отримання експертної консультації:

Щоб отримати докладнішу інформацію про те, як Активний фільтр гармонікіГенератор статичних змінних може покращити якість електроенергії: sales@intonepower.com

ПОСИЛАННЯ

[1] IEEE,IEEE 1159 1995 Рекомендована практика моніторингу якості електроенергії.1995 рік.
[2] В. Аре та ін., «Якість електричних енергетичних систем», друге видання.
[3] М.С. Алмутайрі та С. Хаджілукас, «Зменшення гармонік на основі мінімізації нелінійного струму в енергосистемі», 2019.
[4] А. Багері та М. Алізаде, «Проектування пасивного фільтра для зменшення гармонійних спотворень у гібридній мікромережі, що включає вітрову турбіну, сонячну батарею та нелінійне навантаження», № 12, с. 10–13, 2019.
[5] Y. Cho, H. Cha, Y. Cho та H. Cha, «Проектування одноналаштованого пасивного гармонійного фільтра з урахуванням варіацій налаштування та коефіцієнта якості», т. 8972, 2014.
[6] Р. Дуа та А. Агравал, «Вплив одноналаштованого фільтра на підключену до мережі фотоелектричну систему», т. 08, № 06, с. 213–217, 2019.
[7] М. Авадалла, М. Орнер та А. Мохамед, «Одноналаштований фільтр для зменшення та оптимізації гармонік за допомогою конденсаторних батарей», № вересень 2015 р., 2019 р.
[8] Серія IOPC та M. Science, «Зменшення гармонік за допомогою одноналаштованого пасивного фільтра в промисловості переробки пластмас Зменшення гармонік за допомогою одноналаштованого пасивного фільтра в промисловості переробки пластмас», 2018.
[9] Ю. К. Хаур, Т. Дж. Сон, Л. К. Юн, В. Джі та К. Реймонд, «Проектування одноналаштованого пасивного гармонічного фільтра для відповідності стандарту IEEE-519 шляхом маніпуляцій з коефіцієнтом якості», т. 29, № 1, с. 1364–1379, 2020.
[10] К. Р. Чіпаті, С. Алі та А. Рангампет, «Огляд подвійно налаштованих гармонійних фільтрів для покращення якості електроенергії в умовах нелінійного навантаження», т. 10, № 7, с. 11–26, 2017.
[11] Х. Е. І-хун та СУ Хен, «Новий метод проектування подвійно налаштованого фільтра», № Iccsee, с. 206–209, 2013.
[12] К. Р. Чіпаті, С. Алі та С. К. М., «Аналіз продуктивності подвійно налаштованого пасивного фільтра для забезпечення якості електроенергії», т. 9, № 7, с. 3295–3305, 2016.
[13] П. Контроль та Г. Мішра, «Проектування пасивного фільтра високих частот для гібридних активних фільтрів потужності», Кафедра електротехніки, Національний технологічний інститут. Проектування пасивного фільтра високих частот для гібридних активних фільтрів потужності.
[14] Б. Парк, Дж. Лі, Х. Ю та Г. Чан, «Зменшення гармонік за допомогою пасивних гармонічних фільтрів: тематичне дослідження в енергосистемі сталеливарного заводу», 2021.
[15] З.А. Мемон, М.А. Укайлі та М.А. Унар, «Зменшення гармонік у промисловій енергосистемі за допомогою пасивних фільтрів», № липень 2016 р.
[16] І.А. Шах та Р.К. Алі, «Розробка пасивного фільтра типу C для зменшення гармонійних спотворень та компенсації реактивної потужності», т. 4, № 12, с. 38–47, 2016.
[17] Р. Клемпка, «Новий метод проектування пасивного фільтра C-типу», № 7, с. 277–281, 2012.
[18] А. Фурнейс, «Вибір фільтрів типу C для компенсації реактивної потужності та фільтрації вищих гармонік», 2020.
[19] А. Мухтар та В. М. Муттакін, «Порівняння продуктивності одноналаштованого фільтра та фільтра типу C у мережі розподілу електроенергії», 2019.
[20] С.А. Рахман, «Відеореєстратор на основі прямого перетворювача для зменшення однофазного відключення електроенергії», № вересень 2019 р. 2021 р.
[21] А. Рахман, «Зменшення провалів, стрибків та відключень напруги без перетворювача», № жовтень 2019 р., 2021 р.
[22] С.А. Рахман, С.Б. Мул, Е.Д. Мітіку, Г.Т. Адує та К. Гопінатх, «Компенсація найвищих провалів та стрибків напруги за допомогою однофазного матричного перетворювача з чотирма керованими ключами», № 4, с. 134–138, 2021.
[23] К. Рідс, «Реалізація однофазного матричного перетворювача з використанням 4 керованих ключів», № жовтень 2019 р., 2021 р.
[24] С.А. Рахман та Г. Тешом, «Максимальна компенсація просідання напруги за допомогою прямого перетворювача шляхом модуляції сигналу несучої», т. 10, № 4, с. 3936–3941, 2020.
[25] С.А. Рахман та Е. Дагнью, «Компенсація просідання напруги за допомогою цифрового відеореєстратора на основі прямого перетворювача шляхом модуляції сигналу помилки», т. 19, № 2, с. 608–616, 2020.
[26] С. А. Рахман, Е. Д. Мітіку, С. Б. Муле, Г. Т. Адуе, М. А. Хулука та С. Месфін, «Зменшення падіння напруги за допомогою DVR на основі прямого перетворювача без сигналу помилки», №. 12, стор. 34–37, 2021.
[27] С.А. Рахман, С. Бірхан, Е.Д. Мітіку, Г.Т. Адує та П. Сомасундарам, «Нова топологія відеореєстратора для компенсації перепадів напруги, провалів та однофазних відключень», т. 17, № 4, с. 1–10, 2021.
[28] ТОВ «CRCP»,Якість електроенергії © 2002.2002 рік.

Автори:Викладач, пан Естіфанос Дагнев Мітіку, кафедра електротехніки та комп'ютерної інженерії, Технологічний інститут, Університет Гондару, Гондар, Ефіопія, електронна пошта: est7eced@gmail.com; викладач, пан Гебрі Тешоме Адує, кафедра електротехніки та комп'ютерної інженерії, Технологічний інститут, Університет Гондару, Гондар, Ефіопія, електронна пошта: gebrie.415@gmail.com; доцент, доктор Абдул Рахман, кафедра електротехніки та комп'ютерної інженерії, Технологічний інститут, Університет Гондару, Гондар, Ефіопія, електронна пошта: msajce.abdulrahman@gmail.com; викладач, пані Махілет Ментесінот Абухай, кафедра промислової інженерії, Технологічний інститут, Університет Гондару, Ефіопія, електронна пошта: mahiletme@gmail.com.

Ідентифікатор елемента джерела та видавця: ОГЛЯД ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ, ISSN 0033-2097, РІК 98 № 3/2022. doi:10.15199/48.2022.03.12