Abstract
L'HV SVG (Static Var Generator) rappresenta la tecnologia di compensazione della potenza reattiva più avanzata nei moderni sistemi di potenza. Con algoritmi di controllo potenziati, può anche eseguire compensazione armonica. Tuttavia, le applicazioni sul campo hanno rivelato un fenomeno controintuitivo: mentre gli armonici di corrente e tensione lato sistema diminuiscono durante la compensazione, gli armonici della corrente sul lato carico aumentano significativamente. Questo articolo indaga questa questione attraverso analisi teoriche, modellazione e simulazione, fornendo intuizioni pratiche per l'efficace implementazione di sistemi di compensazione armonica.
Parole chiave: Compensazione armonica; Generatore Var Statico (SVG)
I. Introduzione
L'uso diffuso di carichi non lineari—come forni ad arco, forni a induzione a media frequenza, forni ad arco sommersi, vari vari a bassa tensione (VFD) e raddrizzatori—ha portato a problemi di qualità dell'alimentazione sempre più gravi nelle reti elettriche, inclusi armonici, sfarfallio di tensione, squilibrio, sovratensione e sottotensione. Questi disturbi non solo minacciano il funzionamento di apparecchiature sensibili ad alta precisione, ma aumentano anche le perdite nelle infrastrutture di trasmissione e distribuzione. Tra questi problemi, gli armonici rappresentano rischi particolarmente gravi, riducendo l'efficienza energetica e causando surriscaldamento, vibrazioni, rumore, isolamento e addirittura guasti catastrofici nelle apparecchiature elettriche.
Le soluzioni comuni di mitigazione armonica includono filtri passivi (FC) e filtri di potenza attiva (APF). Mentre gli APF sono tipicamente impiegati a bassa tensione (ad esempio, 380 V o 660 V), i sistemi a media e alta tensione (10 kV/35 kV) spesso si affidano a SVG a cascata a ponte H con strategie di controllo modificate per ottenere potenza reattiva integrata e compensazione armonica.
L'SVG, basato su dispositivi IGBT completamente controllati, sostituisce condensatori e reattori ingombranti con elettronica di potenza a commutazione rapida, consentendo una compensazione dinamica, fluida e precisa. Affinando il suo algoritmo di controllo, l'SVG può compensare contemporaneamente la potenza reattiva e sopprimere le armoniche.
Questo articolo presenta il principio di compensazione armonica degli SVG, riporta un'applicazione reale e analizza un aumento inaspettato degli armonici sul lato di carico tramite simulazione e modellazione teorica.
II. Principio di compensazione armonica dell'SVG
a. Funzionamento SVG di base
Tabella 1: Principi dello stato operativo
L'SVG è un compensatore dinamico reattivo statico e a risposta rapida. Collega un circuito ponte autocommutato—composto da più moduli H-bridge collegati in serie—alla rete tramite reattori o trasformatori (Fig. 1). Regolando l'ampiezza e la fase della tensione di uscita lato AC (o controllando direttamente la corrente di uscita), l'SVG inietta o assorbe potenza reattiva secondo necessità.
Figura 1: Diagramma di un sistema SVG a cascata ad alta tensione
Nelle applicazioni ad alta tensione, più moduli H-bridge sono in cascata per fase, con il numero che scala con il livello di tensione. I segnali di controllo vengono trasmessi tramite fibra ottica per garantire isolamento galvanico e immunità al rumore (Fig. 2).
Figura 2: Schema della struttura elettrica del sistema SVG
L'SVG monitora continuamente la tensione di sistema, la corrente di sistema e la corrente di carico, poi regola dinamicamente la sua uscita per mantenere i valori target di potenza reattiva, tensione o fattore di potenza nel punto di accoppiamento comune.
b. Meccanismo di compensazione armonica
Il principio di funzionamento di un SVG a media tensione con capacità di filtraggio attivo utilizzando il controllo in corrente continua è illustrato nella Figura 3. Da questa figura si può derivare l'Equazione (1), che indica che la corrente sorgente è la somma vettoriale della corrente di carico e della corrente di compensazione:
Figura 3: Principio di funzionamento di un generatore Var statico utilizzando il controllo della corrente continua
Assumendo che la corrente di carico contenga corrente fondamentale di sequenza positiva (inclusi sia componenti reattive che attive di sequenza positiva fondamentale), corrente fondamentale di sequenza negativa e correnti armoniche, può essere espressa come:
Per eliminare le componenti reattive e negative fondamentali della sequenza positiva dalla corrente sorgente, la corrente di uscita SVG deve soddisfare l'Equazione (3):
Di conseguenza, la corrente sorgente conterrà solo la componente attiva fondamentale di sequenza positiva e le correnti armoniche, come mostrato nell'Equazione (4):
Pertanto, ottenere la compensazione desiderata dipende dal controllare con precisione la corrente di uscita SVG per soddisfare il requisito dell'Equazione (3).
Dalla descrizione sopra del principio di funzionamento dell'SVG, è evidente che se l'SVG vuole sopprimere le armoniche del carico oltre a compensare la potenza reattiva, deve solo generare le corrispondenti correnti armoniche. Di conseguenza, l'SVG può contemporaneamente svolgere due obiettivi: compensare la corrente reattiva e mitigare la corrente armonica.
A questo scopo possono essere impiegati vari algoritmi di rilevamento armonico, come la rilevazione armonica selettiva basata su coordinate rotanti, la FFT (Trasformata di Fourier Veloce) e la teoria della potenza reattiva istantanea, tra gli altri.
III. Osservazione sul campo e analisi dei problemi
a. Studio di caso: una cartiera in Cina
L'impianto è alimentato da una rete da 35 kV tramite due trasformatori principali da 10 kV (uno attivo, uno di riserva). Il bus da 10 kV serve ~60 alimentatori e due unità auto-generate. I carichi non lineari chiave includono raddrizzatori a biossido di cloro, raddrizzatori cloro-alcalini e VFD, che generano armonici dominanti 5° e 7°, con il quinto che supera i limiti di utilità.
Figura 4: Diagramma del sistema primario dell'alimentazione in loco
Un SVG da 10 kV / 5 Mvar è stato installato sul bus da 10 kV per la mitigazione della quinta armonica. I dati post-commissione (Tabella 2) mostrano:
Tabella 2: Effetti della compensazione armonica
Mentre gli armonici lato sistema diminuivano, la corrente totale del quinto armonico lato carico salì da 93 A a 152 A—un aumento del 63%—nonostante il limite di compensazione di 96 A dell'SVG.
Le misurazioni armoniche di tensione confermarono una soppressione riuscita al bus 10 kV (Fig. 5), escludendo risonanza o sovracompensazione.
Figura 5: Armonici della tensione del bus a 10kV prima (sinistra) e dopo (destra) della compensazione
b. Analisi della causa radice
Il fenomeno deriva dall'impedenza interna ((Z_1)) non trascurabile del sistema di alimentazione relativamente debole. La corrente armonica del carico dipende da:
Tensione della griglia ((V))
Impedenza sorgente ((Z_1))
Impedenza di carico ((Z_2))
Prima della compensazione, la corrente armonica che scorre attraverso (Z_1) causa distorsione della tensione nel punto di connessione. Dopo la compensazione SVG, una corrente armonica minore ritorna alla sorgente, riducendo la distorsione della tensione e aumentando di fatto la capacità apparente di cortocircuito della griglia. Di conseguenza, lo stesso carico non lineare assorbe più corrente armonica grazie a una migliore qualità della tensione—un effetto ben documentato di "amplificazione armonica" nelle griglie deboli.
Figura 6: Diagramma schematico del principio di compensazione armonica SVG
IV. Validazione della simulazione
Fu costruito un modello Simulink del sistema a 10 kV (Fig. 7), con il controller SVG implementato come funzione S basata su C (Fig. 8). Il carico consisteva in un raddrizzatore a diodo trifase con reattori di ingresso e uscita RC.
Figura 7: Simulazione Simulink della compensazione armonica SVG a griglia a 10kV
Figura 8: Impostazioni del modulo S-Function
Sono stati testati due scenari:
(1) Rapporto di impedenza sorgente-carico = 1:10
Figura 9: Forma d'onda del risultato della simulazione con rapporto di impedenza 1:10
La corrente armonica del carico è aumentata dall'81,63% all'85,09% THD
Gli armonici di tensione e corrente del sistema sono diminuiti significativamente
Tabella 3: Confronto degli armonici a confluenza anticipata prima e dopo la compensazione armonica con rapporto di impedenza 1:10
(2) Rapporto di impedenza = 1:1 (griglia più debole)
Figura 10: Forma d'onda del risultato della simulazione con rapporto di impedenza 1:1
La corrente armonica del carico è aumentata al 105,31% THD
Conferma che griglie più deboli esasperano l'amplificazione armonica sul lato di carico
Le forme d'onda (Fig. 9–10) mostrano chiaramente una distorsione crescente della corrente di carico nonostante forme d'onda lato sistema più pulite.
Tabella 4: Confronto degli armonici di avanzamento prima e dopo la compensazione armonica con rapporto di impedenza 1:1
V. Conclusione
Questo studio dimostra che, sebbene gli SVG ad alta tensione riducano efficacemente le armoniche lato sistema, possono involontariamente aumentare le correnti armoniche sul lato carico in scenari a griglia debole a causa della migliore qualità della tensione. L'effetto si intensifica man mano che il rapporto tra impedenza sorgente e impedenza di carico diminuisce.
Pertanto, quando si progettano sistemi di compensazione armonica:
Non dimensionare la capacità SVG solo in base agli armonici di carico misurati
Tenete conto della resistenza della rete (capacità di cortocircuito) e delle caratteristiche di impedenza
Considera soluzioni ibride (ad esempio, SVG + filtri passivi) per applicazioni critiche
Questi risultati forniscono indicazioni preziose per l'implementazione sicura ed efficace della mitigazione armonica basata su SVG nei sistemi energetici industriali.
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