Силовые активные и гибридные фильтры. 
Компенсаторы реактивной мощности

Высшие гармоники в сети снижают производительность оборудования, создают дополнительные потери энергии и имеют другие отрицательные последствия (см. работу [3]). Традиционно для обеспечения синусоидальной формы тока и напряжения используются пассивные фильтры, выполненные на основе индуктивных и емкостных элементов. Принцип работы пассивных фильтров основан на зависимости реактивных сопротивлений от частоты и заключается в использовании явления резонанса в электрических цепях. Пассивные фильтры характеризуются добротностью. Добротность для последовательного резонансного контура (рис. 14.18) определяется как.

где р = ^Ьф/Сф — характеристическое сопротивление фильтра; Кф — эквивалентное активное сопротивление фильтра.

С добротностью связано повышение напряжения на конденсаторе Сф и дросселе Lф относительно величины напряжения, приложенного к цепи фильтра. С ростом добротности крутизна зависимости полного сопротивления фильтра от частоты возрастает, а полоса пропускания относительно резонансной частоты со_р сужается. Это создает противоречие в требованиях к фильтру. С одной стороны, рост добротности повышает эффективность фильтрации на частоте настройки со_р, а с другой стороны, возрастает отрицательное влияние отклонений от частоты настройки. Такие отклонения возникают в результате старения элементов фильтра, влияния температуры окружающей среды, ухода частоты фильтруемой гармоники от значения со_р и др. Более того, может происходить не только снижение эффективности, но и возникновение «антирезонанса», при котором резко возрастает сопротивление фильтра на антирезонансной частоте со_ар и увеличивается соответствующая гармоника напряжения сети. Это связано с резонансом токов в параллельной цепи, включающей в себя индуктивность сети Z,_c, к которой подключен фильтр (см. эквивалентную схему на рис. 14.19, а). Частота со_ар при пренебрежении активным сопротивлением /?_ф может быть определена из соотношения.

Рис. 14.18. Специфика работы пассивного фильтра:

а — схема замещения одночастотного пассивного фильтра; б — зависимость сопротивления фильтра от частоты для разных значений добротности Из соотношения (14.14) очевидно, что при включении фильтра в сеть с источником большой мощности, т. е. малой величиной Ь_с, частота со_ар приближается к резонансной частоте со_р. В результате возникает возможность резкого возрастания соответствующей гармоники напряжения и тока, что приводит к выходу из строя конденсатора фильтра, пробою изоляции и др. При этом высокое значение добротности Q будет усугублять негативные последствия «антирезонанса». На практике в состав пассивного фильтра иногда вводят внешние резисторы, снижающие добротность фильтра, но позволяющие исключить возникновение опасных перенапряжений и токовых перегрузок.

Рис. 14.19. Явление антирезонанса:

а — эквивалентная схема замещения; 6 — частотная характеристика При очевидной простоте пассивные фильтры имеют три основных недостатка, существенно снижающих их эффективность:

• — ограниченность функциональных возможностей, определяемых топологией фильтра и параметрами элементов;
• — неуправляемость;
• — изменение параметров настройки вследствие старения элементов и др.

Указанных недостатков лишены активные фильтры (АФ). Силовым активным фильтром называется преобразователь переменного/постоянного тока с емкостным или индуктивным накопителем электрической энергии на стороне постоянного тока, формирующий методами импульсной модуляции усредненное значение тока (напряжение), равное разности нелинейного (фильтруемого) тока или напряжения и синусоидального тока (напряжения) его основной гармоники [4]. Рассмотренные в параграфе 14.2 четырехквадрантные преобразователи (см. рис. 14.13 и 14.16) с широтно-импульсной модуляцией подпадают под это определение.

Рассмотрим методы активной фильтрации. В зависимости от схемы и принципов управления АФ принято разделять на источники тока и источники напряжения. На рис. 14.20 приведены упрощенные эквивалентные схемы включения активных фильтров в виде источника напряжения и_АФ и источника тока г_Лф. В схеме (рис. 14.20, а) источник электропитания и_с имеет несинусоидальное напряжение. Для обеспечения синусоидальности напряжения на шинах нагрузки и_н последовательно с источником питания включается активный фильтр, представленный эквивалентным источником напряжения и_АФ «антигармоник». Полагая потери в АФ равными нулю, а нагрузку линейной, можно считать, что АФ не влияет на баланс активной мощности в системе источник-нагрузка. В то же время он непосредственно участвует в обмене мощностью искажения с источником несинусоидального напряжения. Мощность искажения является неактивной и контур ее циркуляции в рассматриваемом случае содержит источник искажения, участок электрической линии, соединяющей источник и АФ, и сам АФ. Элементом, принимающим и отдающим энергию, обусловленную искажением формы напряжения, является накопитель АФ — конденсатор или дроссель.

Рис. 14.20. Упрощенные эквивалентные схемы включения АФ:

а — последовательное (АФ — источник напряжения г/_ЛФ);

6 — параллельное (АФ — источник тока /_ЛФ).

Для фильтрации несинусоидального тока г_н, создаваемого, как правило, нелинейной нагрузкой, используются АФ, формирующие несинусоидальный ток «антигармоник», равный разности фильтруемого тока /_н и тока его основной гармоники /_н1. В этом случае АФ подключается параллельно к нелинейной нагрузке. При этом место подключения АФ выбирается из условия максимальной его близости к шинам нагрузки (рис. 14.20, б). Параллельный АФ, работающий в режиме формирования тока, компенсирующего искажения формы тока нагрузки, в первом приближении также не влияет на баланс активной мощности в системе источник-нагрузка. Но, в отличие от последовательно включаемого АФ, обмен мощностью искажения происходит между нелинейной нагрузкой и АФ.

Активные фильтры имеют большую установленную мощность, так как рассчитаны на работу с напряжениями и токами, максимальные величины которых определяются полной мощностью нелинейной нагрузки, создающей высшие гармоники тока. Поэтому высокая стоимость активных фильтров ограничивает их применение. С другой стороны, пассивные фильтры очень просты и входят в состав практически всех эксплуатируемых сетей. Поэтому появились гибридные фильтры, в которых АФ исполняет роль регулятора параметров пассивного фильтра. При этом установленная мощность активной части снижается более чем на порядок по сравнению с чисто активным фильтром и устраняется противоречие между высокой добротностью пассивного фильтра и его устойчивостью в динамических режимах работы. Кроме того, появляется возможность автоматической коррекции параметров фильтра в процессе эксплуатации.

Принцип действия гибридного фильтра (ГФ) основан на формировании в цепях пассивных фильтров токов и напряжений, изменяющих частотные характеристики фильтра в целом для повышения его эффективности [5]. В качестве формирователя используются устройства, выполненные по схеме активных фильтров. Варианты соединения активной и пассивной частей фильтра представлены на рис. 14.21: параллельный (а, в) и последовательный (6, г). Наибольшее распространение получили параллельные способы соединения.

Рис. 14.21. Варианты подключения активной части к пассивному фильтру.

Формирование модулированных напряжений или токов на стороне переменного тока активной части фильтра можно рассматривать как изменение мгновенного значения ее входного сопротивления г_ЛФ (t), обусловленного усредненными модулированными значениями г_АФ (t) и и_АФ (t). Регулируя 2_аф (t), можно получить соответствующее изменение частотной характеристики ГФ. Наличие в ГФ регулятора на основе активного фильтра позволяет решить следующие задачи:

— повысить эффективность фильтрации в статических режимах работы посредством коррекции частотной характеристики фильтра;

уменьшить негативное влияние изменения параметров пассивной части фильтра и отклонения частоты фильтруемой гармоники в процессе длительной эксплуатации;

— исключить возникновение «антирезонанса» в сети на частотах, близких к частоте фильтруемой гармоники.

Такой же принцип формирования заданного тока индуктивного или емкостного характера (не создающего активной мощности в сети) используется в устройствах компенсации реактивной мощности. Для этой цели может быть использован преобразователь, схема силовой части которого приведена на рис. 14.16, при этом система управления обеспечивает формирование тока компенсации. Величина емкости конденсатора на стороне постоянного тока определяется балансом реактивной мощности, отдаваемой и потребляемой сетью за один период напряжения. Это объясняется тем, что мощность является реактивной и имеет обменный характер между сторонами постоянного и переменного токов преобразователя. Потери мощности в элементах схемы компенсируются потреблением малой активной мощности, определяемой системой управления.