Синтез фильтрокомпенсирующих устройств для систем электроснабжения

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
 

СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
СИНТЕЗ   
ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩИХ  
УСТРОЙСТВ  ДЛЯ  СИСТЕМ  
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
 
 
Коллективная монография 
 
 
Под редакцией В. П. Довгуна 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 

СФУ 
2014 

УДК 621.31:004.9 
ББК  31.28 
С387 
 
Авторы: 
Н. П. Боярская, В. П. Довгун, Д. Э. Егоров,  
С. А. Темербаев, Е. С. Шевченко 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
В. И. Пантелеев, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электротехнических комплексов и систем Политехнического института Сибирского федерального университета; 
Я. А. Кунгс, кандидат технических наук, профессор Красноярского 
государственного аграрного университета 
 
 
 
 
 
С387 
 
Синтез фильтрокомпенсирующих устройств для систем 
электроснабжения: коллективная монография / Н. П. Боярская, 
В. П. Довгун, Д. Э. Егоров и др.; под ред. В. П. Довгуна. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2014. – 192 с. 
ISBN 978-5-7638-3122-1 
 
Рассмотрены методы оптимального синтеза пассивных и гибридных 
фильтрокомпенсирующих устройств, обеспечивающих компенсацию высших гармоник и коррекцию коэффициента мощности при несинусоидальных 
режимах. 
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся вопросами повышения качества электроэнергии, а также разработкой фильтрокомпенсирующих устройств. Может быть полезна аспирантам и студентам, обучающимся по направлениям «Электроэнергетика», 
«Электроэнергетика и электротехника». 
 

Электронный вариант издания см.: 
УДК 621.31:004.9 

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 31.28 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3122-1 
© Сибирский федеральный 
университет, 2014 

Предисловие 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Особенность современных систем электроснабжения состоит в значительном увеличении доли нагрузок с нелинейными вольт-амперными 
характеристиками (импульсные источники питания офисной и бытовой 
техники, энергосберегающие системы освещения, частотно-регулируемые 
электроприводы). Их отрицательное воздействие на системы электроснабжения заключается в генерации высших гармоник тока и напряжения, что 
приводит к увеличению потерь, ускоренному старению изоляции, перегрузке нейтральных проводников, возникновению резонансных режимов 
на частотах гармонических составляющих. 
Монография является обобщением исследований, выполненных авторами в последние годы, и посвящена развитию основ общей теории синтеза фильтрокомпенсирующих устройств, осуществляющих коррекцию 
коэффициента мощности и подавление высших гармоник напряжения 
и тока при несинусоидальных режимах.  
В первой главе рассмотрены причины и последствия ухудшения качества электроэнергии. Дан сравнительный анализ российских и международных стандартов, регламентирующих качество электрической энергии 
и уровни высших гармоник тока и напряжения в распределительных сетях. 
Приведены результаты измерений качества электроэнергии  крупных муниципальных потребителей – торговых и офисных центров, учебных заведений, супермаркетов. Показано, что одной из основных причин ухудшения качества электроэнергии в системах электроснабжения является увеличение доли нелинейных нагрузок.  
Во второй главе рассмотрены методы оптимального синтеза пассивных фильтрокомпенсирующих устройств, которые обеспечивают компенсацию реактивной мощности, подавление канонических нечетных гармоник и исключают усиление анормальных гармоник. Предложенные методы 
позволяют выполнять расчет известных конфигураций пассивных ФКУ, 
а также получать новые варианты таких устройств. 
В третьей главе исследовано влияние параметров пассивного и активного фильтров на компенсационные характеристики гибридного устройства. Предложен метод синтеза гибридных фильтрокомпенсирующих 
устройств, основанный на оптимизации характеристик ФКУ в смешанном 
пространстве параметров пассивного и активного фильтров. 
В четвертой главе предложен новый метод формирования компенсирующего сигнала для активных силовых фильтров с использованием алгоритмов адаптивной цифровой обработки сигналов. 

Предисловие 

4 

В пятой главе приведено описание интерактивного программного 
обеспечения для оптимального проектирования пассивных фильтрокомпенсирующих устройств. Даны примеры расчета фильтрокомпенсирующих устройств для потребителей с преобладающей долей нелинейной нагрузки. 
Все рассмотренные методы расчета иллюстрируются примерами. 
Список литературы содержит основные работы отечественных и зарубежных специалистов и достаточно полно, на взгляд авторов, отражает современное состояние теории и практики проектирования пассивных и гибридных фильтрокомпенсирующих устройств. 
Монография может быть полезна специалистам в области обеспечения качества электроэнергии, а также аспирантам и студентам, обучающимся по направлениям «Электроэнергетика» и «Электроэнергетика 
и электротехника». 
Авторы выражают благодарность рецензентам – доктору технических наук профессору В. И. Пантелееву и заслуженному энергетику РФ 
профессору Я. А. Кунгсу за ценные замечания, сделанные ими при рецензировании работы. 
Авторы благодарят директора ООО «Электро-Люкс» Н. Д. Галыгина 
и кандидата технических наук, директора ООО «ЭнергоСпектр» А. Ф. Синяговского за помощь в проведении измерений качества электроэнергии. 
 
 

Введение 

5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Основной причиной ухудшения качества электроэнергии традиционно являлись нелинейные и резкопеременные нагрузки крупных металлургических предприятий, системы тягового электроснабжения железной дороги, преобразовательные подстанции систем передачи постоянного тока. 
Однако широкое внедрение статических силовых преобразователей, частотно-регулируемых электроприводов, энергосберегающих систем освещения привело к изменению характера электрических нагрузок многих потребителей. В последние годы наблюдаются значительные искажения синусоидальной формы токов в сетях электроснабжения большинства 
промышленных предприятий, а также в непромышленном секторе (торговые и офисные центры, медицинские учреждения, жилой сектор). Особенность искажающих нагрузок заключается в том, что они, как правило, однофазные, имеют небольшую мощность и распределены по сети. 
Плохое качество электроэнергии оказывает отрицательное влияние 
как на потребителей, так и энергоснабжающие организации.  
Современное энергоэффективное оборудование, оснащенное микропроцессорными системами управления и импульсными источниками питания, более чувствительно к изменениям качества электроэнергии, чем аналоговые приборы и устройства, использовавшиеся в прошлом. 
Искажения формы кривых токов и напряжений приводят к росту потерь, ускоренному старению изоляции и сокращению срока службы электрооборудования. Увеличиваются капитальные вложения и эксплуатационные расходы, связанные с преждевременной заменой оборудования 
и необходимостью проводить организационные и технические мероприятия по улучшению качества электроэнергии. 
Таким образом, проблема поддержания необходимого качества электроэнергии приобрела важное значение для всех систем электроснабжения, 
включая сети промышленных предприятий, городские распределительные 
сети и автономные системы электроснабжения.  
Технические мероприятия по повышению качества электроэнергии – 
это схемные решения (выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин, использование многофазных систем выпрямления и т. п.), а также установка компенсирующих устройств, обеспечивающих регулирование одного или нескольких показателей качества электроэнергии. 
Универсальным средством регулирования параметров, определяющих качество электрической энергии, являются силовые фильтры гармоник. Помимо ослабления высших гармоник токов и напряжений они выполняют функции компенсации реактивной мощности, регулирования 

Введение 

6 

напряжения в точке подключения, поэтому их более точное название – 
фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). 
Традиционным средством повышения качества электроэнергии являются силовые пассивные фильтры гармоник (ПФГ). Пассивный фильтр 
представляет собой систему резонансных контуров, настроенных на частоты отдельных гармоник. Недостаток пассивных фильтров в том, что они 
являются статическими устройствами. Их использование в сетях с распределенными переменными нагрузками во многих случаях не дает необходимого эффекта.  
В настоящее время значительный интерес проявляется к активным 
фильтрам гармоник (АФГ). Это адаптивные устройства, характеристики 
которых могут варьироваться в зависимости от режима работы сети. Однако широкое применение АФГ ограничивается их сложностью и высокой 
стоимостью. Для эффективного ослабления высших гармоник активный 
фильтр должен иметь большую мощность, сравнимую с мощностью нелинейной нагрузки. Использование силовых активных фильтров может оказаться экономически нецелесообразным, поэтому пассивные фильтры попрежнему остаются распространенным видом фильтрокомпенсирующих 
устройств.  
Во многих случаях пассивные и активные ФКУ используют одновременно. Такое сочетание активных и пассивных фильтров называют 
гибридными ФКУ. Гибридные системы позволяют уменьшить мощность 
активного фильтра и снизить за счет этого стоимость всего устройства. 
Важное достоинство гибридных фильтров – возможность использования 
в сетях, где уже установлены пассивные ФКУ. В этом случае активный 
фильтр небольшой мощности применяется для регулирования характеристик пассивных устройств 
Таким образом, увеличение доли нелинейных нагрузок у большинства потребителей вызывает необходимость установки ФКУ для регулирования показателей качества электроэнергии. В свою очередь, широкое применение ФКУ, увеличение числа используемых конфигураций требует совершенствования методов проектирования таких устройств.   
Для эффективного управления качеством электроэнергии с помощью 
фильтрокомпенсирующих устройств необходимо решение ряда теоретических и практических задач. 
1. Развитие общей теории синтеза ФКУ, позволяющей с единых 
позиций рассматривать различные структуры, выбирать конфигурации 
компенсирующих устройств с требуемыми характеристиками. 
2. Разработка методов оптимального проектирования ФКУ, основанных на минимизации целевой функции, определяющей компенсационные 
характеристики устройства. 

Введение 

7 

3. Характеристики активных фильтров в значительной степени зависят от метода формирования управляющих сигналов. Перспективным направлением является применение технологий цифровой обработки сигналов. Это дает возможность использовать разнообразные адаптивные методы спектрального оценивания и компенсации помех, а также эффективные 
аппаратные средства, такие как цифровые процессоры обработки сигналов. 
В монографии рассмотрены методы структурно-параметрического 
синтеза пассивных и гибридных фильтрокомпенсирующих устройств для 
систем электроснабжения. Основой предлагаемых методов является теория 
оптимального синтеза линейных цепей, которая позволяет обобщить известные структуры и получить новые конфигурации ФКУ, обеспечивающих 
ослабление высших гармоник и генерирующих заданную величину реактивной мощности.  
 
 

Глава 1 

8 

ГЛАВА 1.  ПРОБЛЕМЫ  ОБЕСПЕЧЕНИЯ  КАЧЕСТВА  
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ  В  СИСТЕМАХ  
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
 
 

1.1. Влияние качества электроэнергии на системы  
электроснабжения 
 
Существует большое число нормативных документов, статей и моно
графий в области качества электроэнергии, однако универсального определения термина «качество электроэнергии» нет. Нередко он используется как синоним понятий «надежность электроснабжения», «качество обслуживания», 
«качество напряжения», «качество тока». В ГОСТ 32144–2013 дано следующее определение термина «качество электрической энергии»: «Степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической 
системы совокупности нормированных показателей КЭ». В стандарте IEEE 
1159 [29, 88] термин «обеспечение качества электроэнергии» определяется как 
«концепция конструирования цепей питания и заземления в чувствительном 
оборудовании так, как это подходит для работы этого оборудования и совместимо с используемой системой питания и другим соединенным с ней оборудованием». Согласно [47] «качество электроэнергии – это совокупность ее 
свойств, определяющих воздействие на электрооборудование, приборы и аппараты и оцениваемых показателями качества электроэнергии…». 
В [29, 47] отмечается, что основные источники ухудшения качества 
электроэнергии находятся на уровне распределительных сетей и конечных 
потребителей. Широкое распространение нелинейных нагрузок, таких как 
персональные компьютеры и офисное оборудование, системы освещения 
с энергосберегающими источниками света, электроприводы с регулируемой скоростью вращения, вызывает искажение синусоидальной формы токов и напряжений, уменьшение коэффициента мощности. Значительное 
влияние на качество электроэнергии оказывают устройства распределенной генерации и системы резервного электропитания. 
Ухудшение качества электроэнергии приводит к серьезным последствиям: 
1. Увеличиваются потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях. Гармонические составляющие высокого порядка вызывают 
дополнительный нагрев обмоток и рост потерь в сердечниках трансформаторов от вихревых токов.  
2. Ускоренное старение изоляции и вызванные этим сокращение 
срока службы электрооборудования, рост числа аварий в кабельных сетях. 

Проблемы обеспечения качества электроэнергии в системах электроснабжения 

9 

3. Установка компенсирующих устройств создает опасность возникновения параллельного резонанса между индуктивностью сети и компенсирующими конденсаторами или ветвями фильтра. Резонансные режимы 
приводят к значительному увеличению токов через конденсаторы и выходу последних из строя. 
4. Увеличение капитальных вложений и эксплуатационных расходов, 
вызванное преждевременной заменой оборудования и необходимостью 
проводить организационные и технические мероприятия по улучшению 
качества электроэнергии. 
5. Высокочастотные электромагнитные помехи оказывают специфическое воздействие на микропроцессорные системы релейной защиты и автоматики. Высокий уровень высших гармоник может приводить к нарушению их 
работы, ложным срабатываниям устройств релейной защиты и автоматики. 
6. Возможна неправильная работа измерительных устройств и приборов учета электроэнергии. При несинусоидальных режимах погрешности индукционных счетчиков могут достигать 10 %. 
7. Провалы и броски напряжения, несинусоидальная форма токов 
и напряжений могут вызвать сбои в работе чувствительного электронного 
оборудования, в том числе компьютеров, принтеров и других офисных 
устройств. 
8. Фликер-эффект. Низкочастотные колебания напряжения приводят 
к периодическому изменению светового потока (мерцанию) источников 
освещения. Это явление, получившее название «фликер», воздействует на 
зрение человека и вызывает физиологическую усталость. 
Для решения проблемы качества электроэнергии необходим комплексный подход. Необходимо предпринимать меры по обеспечению качества электроэнергии на стадиях генерации, передачи, распределения 
и потребления электроэнергии. Ответственность за поддержание качества 
электроэнергии между потребителями, сетевыми компаниями и производителями электротехнического оборудования распределяется следующим 
образом: 

• генерирующие и сетевые компании должны поддерживать качест
во электроэнергии в соответствии с требованиями действующих 
государственных стандартов и нормативов; 

• конечные потребители должны использовать электроприемники, 

не нарушающие режим работы сети и нормальную работу других 
потребителей; 

• изготовители должны разрабатывать устройства с высоким уров
нем электромагнитной совместимости, которые не вносят искажений в действующую сеть электроснабжения, а также невосприимчивы к уже существующим искажениям в питающей сети. 

Глава 1 

10 

1.2. Несинусоидальные режимы электрических сетей 
 
Одним из наиболее существенных параметров, определяющих качество электроэнергии в распределительных сетях, является искажение синусоидальной формы токов и напряжений. 
Переменные электрической цепи (токи, напряжения, законы управления коммутируемыми элементами) являются периодическими функциями времени. Они могут быть представлены рядом Фурье 
 

 
0
1
1
( )
sin(
)
2
n
n
n

a
f t
A
n
t

∞

=
=
+
ω + ψ
∑
. 
(1.1) 

 
Здесь An – комплексная амплитуда n-й гармоники 
 

( )
( )
1

0

1
T
jn
t
n
A t
f t e
dt
T

−
ω
= ∫
. 

 
Угловая частота основной гармонической составляющей ω1 = 2π /T. 
Коэффициент a0 равен среднему значению f (t) за период. 
Учитывая, что 
 

(
)

1
1
ω
ω

1
sin
ω
2

jn
t
jn
t
e
e
n
t
j

−
−
=
, 

 
можно записать ряд Фурье в комплексной форме: 
 

 
1
1
( )
2

jn
t
n
f t
A e

∞

ω

−∞
= ∑ . 
(1.2) 

 
Совокупность комплексных коэффициентов гармоник 
n
Aназывают 
комплексным частотным спектром функции f (t). Амплитуды гармоник An 
образуют амплитудный спектр, а начальные фазы Ψn – фазовый спектр. 
Периодическая функция времени f (t) имеет дискретный спектр, поскольку такую функцию можно представить в виде суммы гармоник 
с частотами, кратными частоте первой гармонической составляющей 
ω1 = 2π /T. 
Четные и нечетные гармонические составляющие несинусоидальной 
функции соответствуют четным (т. е. 2, 4, 6, 8, ...) и нечетным (т. е. 3, 5, 7, ...) 
компонентам ряда Фурье. Гармоника первого порядка относится к основной частоте. Когда положительные и отрицательные полупериоды f (t) 
имеют одинаковую форму, ряд Фурье содержит только нечетные гармонические составляющие. Причиной возникновения четных гармоник могут