Оценка энергетической эффективности активных силовых фильтров для систем электроснабжения северных регионов

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения энергетической эффективности систем электроснабжения для северных регионов, где расположена большая часть добывающей промышленности страны. Электроснабжение в этих районах обеспечивается, как правило, дизельными, газопоршневыми и гидроэлектрическими установками. Из-за отсутствия централизованного электроснабжения, дороговизны доставки топлива стоимость электроэнергии на порядок выше, чем в средней полосе России. Обилие нелинейных нагрузок и потребителей реактивной мощности приводит не только к ухудшению качества электрической энергии, но и к потерям из-за реактивной мощности и мощности искажения. Для минимизации негативного влияния нелинейных и реактивных потребителей в систему электроснабжения включают активный силовой фильтр, который представляет собой инвертор напряжения в режиме управляемого источника тока. Установка активного силового фильтра в систему электроснабжения требует серьезных капитальных вложений, поэтому необходима предварительная оценка экономического эффекта от его эксплуатации. Это, в свою очередь, требует проведения комплексной оценки его энергетической эффективности. Отсутствие на сегодняшний день единого методологического подхода к оценке эффективности работы активных силовых фильтров, отсутствие методики оценки КПД подобных устройств, а также необходимость оценки экономического эффекта от компенсации высших гармоник и реактивной мощности актуализирует задачу разработки математического аппарата оценки энергетической эффективности работы активных силовых фильтров. Цель: повышение эффективности использования электрической энергии в системах электроснабжения северных регионов за счет применения систем накопления и активных силовых фильтров. Объекты: устройства, предназначенные для обмена электромагнитной энергией с сетью - активные силовые фильтры и компенсаторы; нагрузки - нелинейные и реактивные. Методы. Для достижения поставленной цели требуется разработка математического аппарата для адекватной оценки энергетической эффективности работы активных силовых фильтров. Для решения этой задачи выполнено математическое моделирование с использованием спектрального метода анализа и переключающих функций; составлена дискретная математическая модель трехфазного тиристорного управляемого мостового выпрямителя; составлена дискретная математическая модель активных силовых фильтров, включающая в себя расчет всех участков силовой схемы преобразователя, а также математическое описание алгоритма управления силовыми ключами; математическое описание активных силовых фильтров содержит расчет токовой загрузки силовых полупроводниковых приборов, расчет статических и динамических потерь. Предложен подход к расчету КПД активных силовых фильтров, где за полезную мощность принимается активная мощность, отдаваемая в нагрузку, а за полную мощность - сумма активной полезной мощности и потерь в активных силовых фильтрах. Предложен ряд других критериев для оценки энергетической эффективности активных силовых фильтров по реактивной мощности, полной мощности и мощности искажения. Результаты. Получены результаты расчета электромагнитных процессов в силовой цепи активных силовых фильтров, интегральных параметров токовой загрузки силовых ключей инвертора активных силовых фильтров, статических и динамических потерь в активных силовых фильтрах, показателей энергетической эффективности активных силовых фильтров при работе на нелинейную и реактивную нагрузку. Расчеты получены для двух топологий инверторов активных силовых фильтров - двухуровневого и трехуровневого. Результаты расчетов в математической модели проверены имитационным моделированием в Matlab Simulink.

The relevance of the research is caused by the need of energy efficiency improvement at the power supply systems used in the northern areas, where the best part of the mining industry is located. In these regions power supply is provided by diesel generator units, gasturbine generator units and water power plants. Lack of the centralized electricity and expensive fuel transportation have made the cost of the electrical energy ten times higher than in central regions. Plenty of the nonlinear and reactive loads results in poor power quality, reactive and distortion power losses. In order to minimize the nonlinear and reactive loads influence, active power filters are implemented. Typically, an active power filter is a voltage source inverter operating as a controlled current source. An active power filter installation requires substantial investments and, therefore, economic considerations must be taken into account. This, in its turn requires a comprehensive energy efficiency estimation of the active power filter operation to be done. Currently, there is no any unified approach to estimate the energy efficiency of an active power filter or similar power electronic device as well as no method to estimate its efficiency and possible economic effect of non-active power compensation. All of these makes the development of a mathematical model of the power supply system with an active power filter to be an actual problem. The main aim is energy efficiency improvement in power supply systems of the northern areas by active power filter implementation. Objects: power electron devices intended to electrical energy circulation between them and the grid, such as active power filters, STATCOMs, etc. Methods. In order to achieve the aim of the research, several tasks were formulated. One of them is the mathematical approach to estimate the active power filter energy efficiency. This approach uses calculation based on spectral method and switching functions. The mathematical model is represented in a discrete form. It allows one to calculate all the currents and voltages in the power circuit of the active power filters, its rms and average values. A new approach to calculate the efficiency is proposed. It suggests to set the load active power as the useful power and the one plus the active power filters power losses as the total power. Besides, three new power quality factors are proposed to give an estimation of active power filter effectiveness concerning its influence on apparent power, reactive power and the distortion power. Results. The active power filter energy quality performance is estimated qualitatively and quantitatively. Active power filter's converter currents are obtained as instantaneous values, rms and average values. Conduction and switching losses are calculated for 2-level and 3- level inverter based on active power filters circuit. New energy quality performance factors are defined as well as the active power filter efficiency. All the results obtained in the mathematical model are verified by the simulation model in Matlab Simulink software.