автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Эквивалентирование частотных характеристик входного сопротивления систем промышленного электроснабжения с мощными нелинейными нагрузками

СМСКИЙ П0ЖГШНИ5ЕСЮЙ ИНСТИТУТ

На правах рукопксй

БЫЧКОВ ЕВГЕНИЙ ИВАНОВИЧ

ЭКВИВАЛЕНТИРСйАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКЙШСТЙК ВХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СИСШ ПРОМШЕННОГО ЭЛЕКТРОСНАЕШИЯ С МОЩНЫМИ НШНЕЙНШИ НАГРУЗКАМИ (на примере алшиниезых заводов)

Специальность 05.09.03. - электротехнические комплексы и оиотеми, включая их управление и регулирование .*

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск - 1991

Работа выполнена в Ташкентском Государственном проектном института '"Цветметелектроцроект" и Омском политехническом институте.

Научный руководитель - кандидат техшлесхшх наук, доцент

РОЗЕНОВ В;И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор . ' СТАРОСТИН В.И.

кандидат технических наук, доцент

кордаков Б.И.

Ведущее предприятие - Всесойзный научно-исследовательский

институт Электроэнергетики

Защита состоится " " ^ 1991 г. в час,0^9.6-^0,

на заседании специализированного совета К 053.23.02 Смского политехнического института 644050, г.Олск-БО, пр.Мира, II.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотека Олского политехнического института. •

Автореферат разослан " ^ »с/^1991 г.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес института Ученому оо1фетарю специализированного совета.

Учений секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

Вошкурцев Ю.М.

Актуадьндсть ра_боты. Проблема высших гармоник в системах электроснабжения промышленных предприятий является наиболее важной частью проблема электромагнитной совместимости электрооборудования. Её значение стало возрастать г связи с развитием технологических процессов, использующих преобразование тока промышленной частоты. Это привело к росту мощности электрических нагрузок, искажающих напряжение питающей сети.

Установка батарей , конденсаторов и фильтрокомпенсируюших уотройств в системах промышленного электроснабжения о мощными нелинейными нагрузками может привести к электромагнитной несовместимости их с внесшей сетью из-за сложного характера изменения частотных характеристик входного сопротивления для узла подключения указанных технических средств.

В существующих методиках по расчету фильтрокомпенсируших устройств чаототныв характеристики входного сопротивления экви-валентируются мощностью трехфазного короткого замыкания в точке подключения указанных технических средств. При этом пренебрегают миотми элементами оистеш электроснабжения промышленного предприятия. Такой подход на позволяет обеспечить надежную работу батарей конденсаторов в составе-фильтрокомпенсирующих устройств, так как неизвестна область возникновения параллельного или последовательного резонаисов с внешней сетью. Эта область частотных характеристик входного сопротивлошгя является вероятностной в силу вероятностного характера поведения всей совокупности элементов, составляющих систему электроснабжения промышленного предприятия. •'

Сложность пробломы корректного определения частотных характеристик входного сопротивления уоугубляется ке только отсутствием теоретических обоснований, но и отсутствием приборов, выпускаемых серийно отечественной промышленностью и отвечающих требованиям Госстандарта.

Наотоящая работа является составной частью комплекса научных исследований, выполняемых в соответствии с: отраслевой программой Министерства металлургии СССР "Программа по нормализации качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности" (документ И 19-6-6/382 от 18.07.89), межвузовской целевой научно-технической программой "Экономия электрической энергии" (приказ Л 101 Минвуза СССР, шифр 02.56).

Цель работу. На основании отатистического иооледования частотных характеристик входного сопротивления систем промышленного электроснабжения разработать методику расчета частотных характеристик входного сопротивления для узлов подключения фильт-рокомпеноирувщих уотройств и батарей конденоаторов,

Задача, даададавзяия: .

- статиотичеоки исследовать частотные характеристики входного сопротивления сиотем внутреннего и внешнего электроснабжения алшиниевых заводов. для узлов подключения технических средств по компенсации реактивной мощности и повышению качества электроэнергии;

- разработать методику расчета частотных характеристик ' входного сопротивления о целью определения условий возникновения параллельного и последовательного резонансов о внешней сетью;

- экспериментально проверить основные теоретические положения инженерной методики раочета частотных характеристик входного сопротивления,

* Методы иоследорания- В работе попользуются теория планирования активного эксперимента, анализ линейных электрических цепей переменного тока, теория дисперсионного и регрессионного анализа, а также экспериментальные исследования реальных сиотем электроснабжения алшиниевых заводов о нелинейными нагрузками в реальном масштабе времени.

Наташа. таша-дайаза'

1. Разработана методика оценки влияния отдельных элементов сиотемы электроснабжения промышленного предприятия с мощной нелинейной нагрузкой на частотные характеристики входного сопротивления сети для узла подключения технических ор'едств повышения качества электроэнергии по показателю - коэффициент несинуоои-дальнооти напряжения.

2. Получены математические модели, отражающее статистическую связь между входным сопротивлением для различных гармоник тока (гарлоничеокие сопротивления) а паспортными данными электрооборудования.

3. Установлена отатнсгичеокая связь между входным сопротивлением на частотах высших гармоник в эквивалентным входным сопротивлением сиотемы внутреннего электроснабжения промышленного предприятия.

1. Решена важная научно-техническая задача, позволяющая осуществить практические мероприятия в системах электроснабжения алюминиевых заводов по обеспечению электромагнитной оовлес-тимооти мощных нелинейных на1рузок, с одной стороны, и фильтро-компенслруюших устройств н устройств компенсации ре£лтивной мощнооти, с другой сторош.

2. Разработана инженерная методика расчета чаототшх характеристик входного сопротивления в зависимости от параметров основшх элементов системы электроснабжения промышленного предприятия.

3. Показало,1 что значение входного сопротивления для уата подключения фильтрокомпенсирующх устройств определяется, как минимум, следующими факторами:

- током трехфазного короткого замыкания в расчетной точке;

- длиной питающей линии от системной'Подстанции до главной понизительной подстанции завода; -

- мощность трансформатора главной понизительной подстанции; Т"

- эквивалентным сопротивлением распределительной сети за-

Результаты исследований использованы при выполнении науч-■Ьо-исследователъских .тем по разработке технических мероприятий, повышающих качество электроэнергии, на 12 предприятиях, б том числе: Таджикском алшиниевом заводе (АЗ), Саянском АЗ, Богословском АЗ, Новочеркасском электродном заводе.

боты докладывались и обоудцалпсь На: Всесоюзном совещании "Основные направления по экономии электроэнергии, тегща и топлива на предприятиях цветной металлургии о максимальным использованием вторичных энергоресурсов в двенадцатой пятилетке" (г.Москва, 1987 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании "Выполнение мероприятий по совершенствованию электроснабжения на предприятиях цветной металлургии" (г.Москва, 1988 г.); на Всесоюзном совещании "Об организации работ по улучшению качэст-ва электроэнергии на предприятиях цветной металлургии" (г.Та-ч-

вода.

Основные положения диссертационной ра-

кент, 1989 г.); Всесоюзном совещании энергетиков предприятий цветной металлургии "Вопросы качества электроэнергии в сиотемах электроснабжения предприятий цветной металлургии и основные направления по его нормализации" (г.Запорожье, 1990 г.); научно-техничеоких семинарах кафедр "Электроснабжение промышленных предприятий" и "Общей электротехники" Смского политехнического института.

ШЙШеШИа» По теме диссертации опубликовано 4 работа.

QOftSM Л. ЛШИЗРЗШШ. Диссертационная работа

состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 126 страниц машинописного текста, 23 рисунка, 12 таблиц. Список литературы включает 98 наименований на II страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

*

В введении обоснована актуальность эквивалентирования частотных характеристик входного сопротивления для узла подключения технических средотв по компенсации реактивной мощности и повышению качества электроэнергии в сиотемах промышленного электроснабжения, проанализировано состояние вопроса, сформулированы цель работы и задачи исследования.

Детаая глава посвящена характеристике системы электроснабжения промышленного предприятия с мощной нелинейной нагрузкой.

На примере алюминиевого завода приведены среднестатистические значения макоимаяьного уровня гармоник напряжений на шинах главной понизительной подстанции.

Проведен анализ методов проектирования технических сродетв компенсации реактивной мощности и повышения качества электроэнергии в системах электроснабжения промышленных предприятий с мощной нелинейной нагрузкой.

Учитывая вероятностный характер изменения основных параметров элементов системы электроснабжения вавода, для решения -задачи по определению частотных характеристик входного сопротивления предложен полный факторный эксперимент, реализуемый на персональной ЭВМ (рис.1). Цель эксперимента состоит в получении регрессионных уравнений, устанавливании* отатистичеокую связь •

Генерация обобщенной схемы электроснабжения алшиниевого завода

Многократный расчет эквивалентного сопротивления путем случайной вариации параметров элементов обобщенной схемы. Накопление статистической информации

Построение математической модели методами математической статистики о доказательством ее адекватнооти реальному объекту

2

ЕиоЛ

Упрощенная структурная схема процесса эквивалентирования частотных характеристик входного сопротивления

между входным сопротивлением системы электроснабжения завода на заданной частоте гармоники напряжения У^ и параметрами основных элементов системы электроснабжения .

Уравнение регрессии представляется в форме полинома:

где 80 , 6,, - выборочные коэффициенты регресцш, являющиеся оценками для теоретических коэффициентов регрессии. ^

рторая глава посвящена эквивалентированию системы внутреннего электроснабжения алшиниевого завода. При эквивалентировашс использованы вероятностные характеристики системы электроснабжения алшиниевого завода.

Для снижения размерности матрицы входных переменных предложен отсеивающий машинный эксперимент, основанный на доказательстве незначимое.™ индуктивного сопротивления кабельной линии по сравнению с индуктивным сопротивлением цехового трансформатора шш высоковольтного двигателя. Доказательство этой гипотезы произведено в результата решения линейного регрессионного уравнения:

где I - дайна кабельной линии, км; "

, 5тр - номинальные мощности высоковольтного двигателя,

цехового трансформатора,кВт (кВА); I ^ ,62 - иокомые коэффициенты регрессии. Уравнение регресоии решено с помощью системы нормальных уравнений, в матричной форме имеющей вид:

Схткув = хт-У,

где В - вектор-столбец некогда: коэффициентов регрессии; 1 X , - матрица всех значений рассматриваемых факторов; Хт - матрица, транспонированная, к матрице X ; У - вектор-столбец отклика - эквивалентное сопротивление цепи кабельная линия - высоковольтный двигатель или цехо-вый трансформатор.

О

Для доказательства значимости или незначимости коэффициентов регрессии использован коэффициент множественной детерлина-ции: '

где X, -Р^С^тр") , нВт (кВЛ);

Х2 - дайна кабельной линии, км;

У - эквивалентное сопротивление цепи кабельная линия -высоковольтный двигатель или цеховый трансформатор.

Проведен вычислительный эксперимент по эквивалентированию системы внутреннего электроснабжения завода.

В качестве исходных данных использованы аппроксимирущие нормированные функции распределения для непрерывных факторов, например, длины кабельных линий и вероятностные ряды дискретных факторов, например, номинальные мощности цеховых трансформаторов.

В результата эксперимента получены интервальные оценки эквивалентного сопротивления системы внутреннего электроснабжения завода для различных частот гармоник напряжения,-

Определены нули и полюсы частотной характеристики.

Третья глава посвящена разработке математических моделей, вдентпфицирутацнх частотные характеристики входного сопротивления системы электроснабжения'алюминиевого завода для узла подключения технических средств', компенсирующих реактивную мощность и повышающих качество электроэнергии.

Определены линейная и нелинейная области изменения частотных характеристик эквивалентного сопротивления системы внешнего электроснабжения алшиниеього вавода.

Проведен полный,факторный машинный эксперимент, в результате которого получена система регрессионных уравнений, отражающих статистическую связь между входным сопротивлением и эквивалентным сопротивлением системы внутреннего электроснабжения , мощностью трансформатора главной понизительной подстанции Згпп , длиной воздушной линии элоктропередачи 1ш , током трёхфазного короткого замыкания 1кз питапцвй энергосистемы:

при 1КЗ « (АО- 12") кА

1/х„к1-0,«325-0102490* + С-0|00Ш + 0,00039ОХвн +

+ (.0,00554 - 0,000350 5ГПП+ (- 0,00570 + 0,00007'?) 1АЗП + .

+ (0,04228-0,00173 О 1к.З ,

при 1м-С«И-М.0)кЛ

X, экЬ = - 0,14492 + 0,27443'} + (0,00327-0,000230 ХВн +

+ (.0,00026- 0,000б6ОЗгпп+ С- 0,00453+ 0,00155'?) 1МП +

+ СО,00248-0,00098'} )|к.3 .

• ,

Получены частотные зависимости коэффициентов регрессии:

где ? - частота гармоники напряжения.

Получен упрощенный алгоритм определения частотной характеристики эквивалентного сопротивления системы внутреннего электроснабжения завода.

С помощью дисперсионного анализа дана оценка влияния изменения эквивалентного сопротивления системы внутреннего электроснабжения на.частотные характеристики входного сопротивления. Показано, что отклонение эквивалентного сопротивления в пределах интервала варьирования для заданной частоты гармоники напряжения незначимо сказывается на величину входного сопротивления.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям и сопоставлению результатов исследований теоретическим результатам.

Экспериментальные исследования проведены в системе электроснабжения дойствувдого алюминиевого завода с. помощью измернтельно-внчислительпого комплекса на базе шнроЭВЛ "Электроника ДЗ-28", разработанного на кафедре "Электроснабжение промышленных предприятий" Омского политехнического института.

Сопоставление экспериментальных и теоратических результатов показало, что максимальное значение отклонения результатов на час-

тотах канонических гармоник напряжения не превосходит 10$. <

ШВОДЫ

1. Установлено и оценено количественно влияние элементов схемы замещения системы электроснабжения алюминиевого завода на значение входного сопротивления при различных частотах гармоник напряжения. 7

2. Разработана инженерная методика расчета значений входного сопротивления на частотах высших гармоник. Достоверность определения искомого сопротивления достаточна для осуществления выбора Целесообразных параметров устройств улучшения качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности.

3*. Получены математические модели, отражающие статистическую зависимость частотных характеристик входного сопротивления узла подключения технических средств по компенсации реактивной мощности и повышению качества электроэнергии от параметров основных элементов системы электроснабжения завода с мощной нелинейной нагрузкой.

4. Определены частотные зависимости коэффициентов уравнений регрессии, описывающих статистическую зависимость входного сопротивления от параметров элементов системы электроснабжения завода,.

5. Определены области линейных и нелинейных изменений в частотной характеристике входного сопротивления.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Бычков Е.И., Вендерович Г.Л., Хворых Ю.М. О стабильности фазочастотных характеристик напряжения, тока и входного сопротивления в сети с мощными нелинейными нагрузками // Надежность и экономичность электроснабжения нефтехимических заводов. Межвуз. тематический сб. науч.трудов. - Омск: Омский политехнический институт, 1987. - Cs I28-I3I.

2. Бычков Е.И. О программе нормализации качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности на предприятиях цветной металлургии JJ Промышленная знергетика. - 1990. - ^ 4. - С.46.

- М.: Энергоатомиздат. ' . .

3. Секинаев B.C., Бычков Е.И. Определение показателей электрических нагрузок на алплшшевых заводах // Цветная металлургия. - 1985. - № II. - С.78-81. - М.: Центральный научно-исслодо-

ватольский институт экономики и информации цветной ыоталллэгии.

4. Бычков Е.И. О нелинейности частотных характеристик входного сопротивления в уалах с мощной преобразовательной нагрузкой // Исследование электромагнитной совместимости в сиотемах электроснабжения. Межвуз. тематический об. науч. трудов. - Омск: Омский политехнический институт, 1990. - 0.18-23.

В работах, опубликованных в соавторстве, ооисй'ателю принадлежит теоретический анализ результатов экспериментальных исследований, в которых он принимал непосредственное учаотие.

Подписано к печати 8.04,91. Формат 60^84 1/16. Бумага газетная. Оперативный способ печати. Уч.-изд.л. 0,75. Усл.п.л. 0,75.Тираж 100 экз. Заказ НО, Бесплатно.

Релакционно-издательский отдел ОмПИ. 644050. Омск, пр. Ммрп, II.