Способы снижения уровня высших гармоник

Из диаграмм токов и напряжений, построенных на рис. 6.6, видно, что при углах регулирования, неравных нулю, токи, создаваемые СТК КД в сети не синусоидальны. Падения напряжения от протекания высших гармоник этих токов в энергосистеме приводят к тому, что и напряжения в узлах станут несинусоидальными. Применяемые средства снижения высших гармоник в напряжениях и токах энергосистемы существенно увеличивают стоимость СТК КД.

Кривая тока ТРГ при нормальном симметричном управлении тиристорами будет содержать только нечетные гармоники. Их амплитуды:

.

(6.7)

Где n =2 k +1 – номер гармоники; k =1, 2, 3… Графически выражение 6.7 представлено на рис. 6.8. Зависимость величины амплитуды первой гармоники I _{1 M} (α) построена согласно выражению 6.4.

Таким образом, анализируя выражение 6.7 и рис. 6.8 можно сделать вывод о том, что уровень гармоник достаточно высок и требуется применения мероприятий по их снижению.

Сегодня известны разные способы и средства снижения высших гармоник токов, генерируемых СТК КД в энергосистему. Они аналогичны способам снижения высших гармоник в токах и напряжениях сети и других преобразователей. Рассмотрим основные из них.

1) Применение пассивных (L – C) фильтров (последовательно включенных реакторов и конденсаторных батарей), шунтирующих СТК (рис. 6.9а). В таких фильтрах, настроенных на частоты высших гармоник, обычно частично используется и емкость конденсаторной батареи. При этом снижается стоимость фильтров. В частности, через последовательный колебательный контур L 5 – C 5 замыкаются токи пятой гармоники, а через L 7 – C 7 седьмой.

2) Активные фильтры АФ получили распространение в последние десятилетия (рис. 6.9б). Это источники напряжений/токов, которые добавляются к несинусоидальным напряжениям/токам СТК КД и совместно с ними создают в энергосистеме синусоидальные напряжения/токи.

Рис. 6.8. Зависимости амплитуд гармоник тока ТРГ от угла управления

Рис. 6.9. Применение пассивных и активных фильтров гармоник в схеме СТК КД

3) Соединение обмотки трансформатора, к которой присоединяется ТРГ в треугольник приводит к тому, что в нем замыкаются гармоники тока с частотами кратными трем. В результате эти гармоники не попадают в сеть.

Рис. 6.10. Сравнение схем ТРГ

4) Перспективным является решение, найденное в нашей стране в 80-х годах ХХ века в проектах СТК КД для подстанций «Кокчетав 1150 кВ» и «Кустанай 1150 кВ». На этих подстанциях ТРГ, выполненная на напряжение 35 кВ, разделена на несколько параллельных групп (рис. 6.10). При регулировании принято поочередное управление этими группами.

Рассмотрим работу тиристорно-реакторной группы с разделением на параллельные ветви и сравним её характеристики с обычной ТРГ.

На рис. 6.10 сравниваем два варианта исполнения ТРГ, рассчитанных на одну и ту же максимальную мощность Q_{L , MAX}. В первом случае (рис. 6.10а) ТРГ имеет всего одну ветвь, рассчитанную на Q_{L , MAX}. Во втором случае (рис. 6.10б) ТРГ состоит из трех ветвей, каждая из которых по отдельности обеспечивает мощность 1/3 Q_{L , MAX}.

Допустим, требуется обеспечить потребление реактивной мощности на уровне 1/3 от максимальной. Для этого в левой ТРГ (рис. 6.10в) устанавливаем угол управления больше нуля и получаем несинусоидальный ток с повышенным уровнем гармоник. В правой же ТРГ реализуем раздельное управление. При этом исходим из следующих соображений: в схеме должно быть минимальное число ветвей, работающих с углами управления больше нуля, остальные ветви должны управляться или с α=0 град. эл., или с 90 град. эл., т. е. не создавать несинусоидальные токи. Поэтому для ветви №1 ставим α₁=0 град. эл., для остальных α₂=90 град. эл. и α₃=90 град. эл. (рис. 6.10г). Получаем синусоидальный суммарный ток.

Теперь увеличим потребляемую реактивную мощность до половины от максимальной. На левой ТРГ (рис. 6.10д) для этого необходимо уменьшить угол управления, при этом кривая тока продолжает содержать повышенный уровень гармоник. В правой ТРГ, исходя из выше изложенных соображений ветвь №1 включаем на полную мощность (α₁=0 град. эл.), получив 1/3 Q_{L , MAX}., а недостающую часть 1/6 Q_{L , MAX} выработаем ветвью №2, установив угол управления α₂ около 46 град. эл.. Третья ветвь ток не проводит (α₃=90 град. эл.). В результате, основная часть суммарного тока ТРГ создается ветвью, работающей при α=0 и создающей синусоидальный ток. Вторая ветвь, создающая несинусоидальный ток, вносит весьма небольшой вклад, и кривая результирующего тока ТРГ получается близкой к синусоиде с уровнем гармоник существенно ниже, чем при одной ветви или совместном управлении (с одинаковыми α) параллельными ветвями. Кроме этого, параллельное соединение, при наличии защитного аппарата FU (рис. 6.10б), обладает большей надежностью по сравнению с вариантом с одной ветвью.

На рис. 6.11 приведена регулировочная характеристика такой ТРГ с тремя параллельными ветвями и поочередным управлением ими. В каждый момент времени регулируется только одна ветвь. При этом амплитуды гармоник тока по сравнению с одновременным регулированием всех групп уменьшаются в количество раз, равное числу параллельных групп. Количество же групп выбирается, исходя из нормируемой допустимой величины токов высших гармоник. Обратим внимание на то, что при одинаковых диапазонах регулирования реактивной мощности суммарная мощность всех элементов СТК КД, в частности всех параллельных ТРГ не увеличивается по сравнению с схемой с одной ТРГ.

Лабораторная работа №6