автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Компенсация реактивной мощности в динамических режимах работы электродвигательной нагрузки

На правах рукописи

Дабаров Владимир Викторович

Компенсация реактивной мощности в динамических режимах работы электродвигательной нагрузки

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

16 т 2013

0050&»1«"

Кемерово - 2013

005059176

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет им. Т. Ф. Горбачёва»

Научный руководитель: докт. техн. наук,

профессор,

Ещин Евгений Константинович Официальные оппоненты: Пугачёв Емельян Васильевич

докт. техн. наук, профессор,

ФГБОУ «Сибирский государственный индустриальный университет», заведующий кафедрой электромеханики; Смыков Анатолий Борисович, канд. техн. наук, доцент,

филиал ОАО «СО Единые Энергосистемы ОДУ Сибири»,

главный специалист службы оперативного планирования режимов Ведущая организация: КОАО «Азот»

Защита состоится 16 мая 2013 г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», расположенного по адресу: г. Кемерово, ул. Весенняя 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»

Автореферат разослан «_^±>_» ч 2013 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Внимание к проблеме, связанной с реактивной мощностью (РМ) — огромно. Вместе с тем известно, что исследования в области изучения потоков РМ в системах электроснабжения (СЭС), ставящие своей целью уменьшение негативного влияния РМ на режим работы СЭС уже на протяжении длительного временного периода находятся на стадии приближённых оценок. Оценка потребления РМ осуществляется посредством расчётных усреднённых (в часы максимума электрических нагрузок) значений потребления активной мощности (АМ) и РМ отдельными потребителями и всей СЭС в целом, но чаще пользуются ещё более упрощённым способом — методом коэффициента спроса. Также существует множество других приближённых методов расчёта. КРМ производится посредством установки компенсирующих устройств (КУ) на основе расчётных данных о потребляемой РМ, это могут быть нерегулируемые КУ, мощность которых определяется из получасового максимума, и регулируемые КУ, мощность которых определяется из графика потребления нагрузок и меняется в процессе эксплуатации при изменении потребления РМ. Существуют исследования, направленные на непосредственный выбор КУ без предварительного анализа потребляемой РМ, основанные на использовании методов оптимизации, исследования, позволяющие использовать управление потреблением РМ в процессе эксплуатации СЭС, а также исследования КРМ при несинусоидальных режимах СЭС. Однако, во всех перечисленных способах используется приближённая модель СЭС, основанная на графиках потребления активной и реактивной мощностей, которая не учитывает режимов работы электроприёмников, в том числе механическую нагрузку электропривода, а также переходные процессы, возникающие при запуске, остановке электродвигателей и изменении их механической нагрузки.

В случае преобладания режимов работы электродвигателей с постоянной нагрузкой, упомянутые выше способы достаточны для точного определения потребляемой РМ. При наличии двигателей, работающих в кратковременных и повторно-кратковременных режимах, нельзя не учитывать переходные процессы, возникающие при запуске и остановке двигателей, в связи с их существенным влиянием на потребляемую активную и реактивную мощности. В случае изменяющейся нагрузки электропривода следует учитывать возникающие переходные явления в системах электроснабжения с электро-двигателыюй нагрузкой (СЭСЭД), так как при резком изменении нагрузки они могут оказать существенное влияние на потребление РМ. Нельзя не учитывать взаимное влияние множества электродвигателей, входящих в состав одной СЭСЭД, так как возможна циркуляция реактивной мощности между

приёмниками.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.2073.

Идея работы состоит в использовании (учете) явлений в системе электроснабжения с электродвигательной нагрузкой при формировании ее динамического состояния для разработки методов определения рациональных параметров компенсирующих устройств реактивной мощности, а также мест их расположения.

Объектом исследования является система электроснабжения с электродвигательной нагрузкой и устройствами компенсации реактивной мощности.

Цель диссертационной работы состоит в повышении энергетических эксплуатационных показателей СЭСЭД путем определения рациональных параметров компенсирующих устройств реактивной мощности, а также мест их расположения на основе использования специально разработанных средств исследования процессов в СЭСЭД.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: теория электропривода и электрических машин, компьютерное моделирование с использованием численных методов, реализованных на на языках программирования С и С+-К

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается правомерностью принятых исходных положений и допущений, адекватностью используемой математической модели, а также совпадением результатов, полученных на основе вычислительных экспериментов с теоретическими и практическими результатами в других исследованиях.

Научная новизна

1. Впервые разработана математическая модель системы электроснабжения с электродвигателыюй нагрузкой, устройствами компенсации реактивной мощности с произвольным топологическим расположением, коммутационным оборудованием и источником энергии ограниченной мощности.

2. Выявлены зависимости потерь активной мощности и суммарных затрат на мероприятия по КРМ от мест расположения и мощностей устройств КРМ.

3. Разработан алгоритм поиска оптимального расположения и параметров устройств компенсации реактивной мощности на основе идеологии генетического поиска, использующий в качестве критериев оптимизации следующие величины: электрические потери в распределительной сети, срок окупаемости устройств КРМ, суммарные затраты от мероприятий по КРМ и экономическая эффективность этих мероприятий.

Практическая значимость

1. Разработана математическая модели СЭСЭД, позволяющая опреде-

лить потоки активной и реактивной мощности в СЭС.

2. Разработано программное средство, реализующее универсальную математическую модель СЭСЭД.

3. Разработано программное средство, позволяющее производить поиск оптимальных конфигурации КРМ в СЭС.

Результаты могут быть использованы как при проектировании СЭС, так и при модернизации существующих СЭС с целью компенсации реактивной мощности.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Математическая модель СЭС с электродвигательной нагрузкой позволяет производить синтез компьютерной структуры СЭС для исследования потоков активной и реактивной мощности.

2. Математическая модель СЭС с электродвигателыгай нагрузкой применима для сравнительного анализа существующих СЭС и рассчитанных СЭС с оптимальной конфигурацией КРМ.

3. Разработанный функциональный блок оптимизации на основе идеологии генетических алгоритмов в совокупности с математической моделью СЭС позволяет производить поиск рациональных параметров и мест расположения устройств компенсации реактивной мощности.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: IV Всероссийская, 57 научно-практическая конференция молодых учёных «Россия Молодая» (24-27 апреля 2012 г.); Всероссийская молодёжная конференция «Информационно-телекоммуникационные системы и технологии (ИТСиТ-2012)» (20-22 сентября 2012 г.); IX Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (1-2 ноября 2012 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 2 статьи в рецензируемом журнале по перечню ВАК «Вестник Кузбасского государственного технического университета», 2 статьи в сборниках трудов конференций, 2 тезиса докладов и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии и приложений. Общий объем диссертации 123 страниц, включая 44 рисунка. Библиография включает 100 наименований на 12 страницах.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе произведён анализ проблемы оптимизации мест расположения и параметров устройств компенсации реактивной мощности. Было выявлено, что стандартные методы расчета реактивных мощностей не могут обеспечить достаточной точности расчётов динамических процессов при несинусоидальных токах и напряжениях и при наличии переходных процессов. Показано, что задача определения параметров устройств компенсации реактивной мощности и мест их расположения при наличии динамических процессов недостаточно изучена, данную задачу можно рассматривать в формулировке оптимизационных задач, в которых требуется минимизировать суммарные потери на установку устройств КРМ и на электрические потери в сети.

Во второй главе представлена математическая модель системы электроснабжения произвольной конфигурации с электродвигательной нагрузкой, устройствами компенсации реактивной мощности, коммутационным оборудованием и источником электроэнергии ограниченной мощности. Предложен метод представления структуры СЭС с помощью множеств, который отличается от известных тем, что для моделирования СЭС требуется меньшее количество вычислений.

В системе электроснабжения, содержащей различные потребители энергии, кабельную сеть и источник питания ограниченной мощности, в модели асинхронного двигателя нужно учитывать падения напряжения на участках кабельных линий, а также влияние других потребителей энергии на работу двигателя.

Рассмотрим систему электроснабжения, представленную на рис. 1. Данную систему электроснабжения можно представить в виде графа (рис. 2), в котором вершинам соответствуют элементы СЭС, а дугам — кабели. Граф является направленным, т.е. трансформатор имеет только исходящие дуги, т.к. он является источником энергии, а приёмники только одну входящую. Направления дуг соответствует направлению потоков активной мощности. Для упрощения направления на графе не изображены. На полученном графе пронумеруем все нагрузки (указаны в скобках) и кабельные участки. Далее будем рассматривать множества нагрузок, питаемых через каждый кабель, и множества кабельных участков, через которые писается каждая нагрузка.

Систему электроснабжения в общем виде можно представить в виде направленного графа, а именно в виде дерева (рис. 3). Тогда дуги графа будут

** <У> Р О

/_)(_Л М2 М3 М,^'

С,(1) М,(2)

Щ7) Щб)

СІЗ)

М/4) М/5)

Рис. 1. Пример системы электроснабжения Рис. 2. Система электроснабжения (рис. 1), с устройствами компенсации реактивной представленная в виде графа

мощности

представлять собой кабельные участки, одна вершина, имеющая только «выходящие» дуги - трансформатор, вершины, имеющие только «входящие» дуги — нагрузка, остальные вершины являются шинами, соединительными муфтами, коммутационной аппаратурой и т. д.

Напряжение на нагрузке будет зависеть уже от пути питания через кабельную сеть, параметров кабелей, находящихся на этом пути, и токов в них.

Принимая все это во внимание можно записать выражение для нахождения напряжения на зажимах к-ой нагрузки:

Пак — ^а ^ ' ієВк

где Вк — множество кабельных участков, через которые питается к-ая нагрузка, Аі — множество нагрузок, которые питаются через г-ый кабель (см. рис. 3). Для других фаз аналогично.

Возьмем, например, к = 14, по рисунку видно, что В/: = {9; 23; 24; 25}, также рассмотрим для примера г = 23 (23-й кабельный участок), тогда Аі = {14; 15; 16}. Рассматривая каждый кабельный участок из множества Вь можно получить для каждого из них (г Є Вк) множества А,.

Математическая модель представлена системой дифференциальных уравнений (2).

Мэлк = P~2~Lm {{іакігук + Іркітак + Цкйрк) ~ {ІакІт/Зк + ІркІг-,к + ЦкІгак)) ,

El т V^ 'Pigj \ dua iai sr ( in , dLai\ diaj | dRrxi ^ . \ „ V a dt2 - dt Сы ¿-< l V м dt ) ' dt dt f-*4'/'

„ • єс, \ jfzAi / ш ІЄВ, \ 4 ' jeAi jeA, /

здесь ті — общее количество всех потребителей (двигателей и устройств компенсации), к — номер рассматриваемого двигателя, I — номер рассматриваемой ёмкости; isa, isp, iSJ, іга, irp, iT1 — соответственно, токи статора и ротора; Usai Rs¡3, Rs-y, Rrai -Rr/i, Rry — сопротивления; p — количество пар полюсов; и) — геометрическая скорость вращения ротора; Мэл — электромагнитный момент; Ьм — взаимная индуктивность статора и ротора; Вк — множество кабельных участков, через которые питается А;-ая нагрузка, Ai — множество нагрузок, которые питаются через г-ый кабель.

Результаты второй главы опубликованы в работе [1].

"'"■la Tj ""Ю dt

du la di\„

V3

В третьей главе рассмотрено разработанное программное средство, реализующее математическую модель, представленную во второй главе. Интерфейс основной формы программы изображён на рисунке 4.

Программное средство для реализации модели написано на языке С++ с использованием библиотеки Qt в качестве средства для графического интерфейса пользователя, распространяемая под свободной лицензией LGPL. Программное средство позволяет составлять схему СЭС для моделирования при помощи редактора, использующего технологию визуального программирования drag&drob, сохранять схемы в файлы формата XML и загружать готовые схемы из файлов. Также программа позволяет производить моделирование и выводит результаты моделирования в виде графиков. Для каждого компонента СЭС имеется отдельный набор графиков. Для отображения графиков, помимо Qt используется библиотека Qwt, содержащая виджеты, предназначенные для этой цели.

Рассмотрим простейший пример СЭС, состоящей из трансформатора и четырёх двигателей (рис. 4). Двигатели подключены к трансформатору через кабельную сеть. Мощность трансформатора в представленной схеме -1000 кВА. Режимы работы двигателей представлены в таблице 1.

Рис. 4. Главное окно программы с примером Рис. 5. Пример СЭС с устройствами компеи-СЭС сации

На рисунке 7 представлен график зависимости потребления реактивной мощности от времени с увеличенным масштабом. На рисунке 8 также представлена зависимость cos ір от времени.

ч(П

7е+06 бе (06

■ И ................-......................

; I №

: 1111,

; | \

............ \

11 м _____4 • —

- Чт,(1)

Рис. 6. Зависимость потребляемой РМ от времени

ч(0

1

,Д\л

Рис. 7. Увеличенный график зависимости д(£)

Таблица 1. Список двигателей

Двигатель Нагрузка Время запуска, с

М1 сухое трение 800 Н-м 0

М2 вязкое трение 400 Н-м 0,2

МЗ вентиляторная нагрузка 0,5

М4 вентиляторная нагрузка 0,7

По рисунку 7 видно, что в установившемся режиме реактивная мощность, потребляемая двигателем М2 составляет почти половину от общей мощности. В связи с этим можно предположить, что оптимальным способом компенсации будет в данном случае комбинированный: централизованная компенсация и индивидуальная компенсация двигателя М2. Мощности устройств компенсации были выбраны следующие: С\ = 285 мкФ, Сг = 210 мкФ. Полученная система электроснабжения изображена на рисунке 5, график потребления реактивной мощности изображён на рис. 9, зависимость сожр от времени — на рисунке 10.

4(1)

100 ООО 50 000 о

т-■-1-1--'-1-.-1-,-1-1-,--1-.-.-1-Г—

О 0.5 1 1.5

Рис. 9. Зависимость потребляемой РМ от времени

С05 ф

Рис. 10. График зависимости сое <р от времени

А

і' \ 1 --- ------------....---

№ Лл „ „ ...... ------------—-—~

V \/ V' Ч'^-""-----

Видно, что в установившемся режиме потребляемая реактивная мощность практически равна нулю, как на зажимах трансформатора, так и на зажимах двигателя М2, eos ip равен 1. Из полученных данных видно, что модель адекватно описывает процесс компенсации реактивной мощности.

На программное средство получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011616333 [2].

В четвёртой главе рассмотрено испльзование генетического подхода для решения задачи оптимизации параметров и мест расположения устройств КРМ. На основе анализа существующих методов оптимизации за основу был выбран генетический алгоритм, который лишён большинства недостатков, присущих, например, градиентным методам. Однако, были рассмотрены зависимости электрических потерь и суммарных затрат от параметров устройств КРМ для различных СЭС, и было выявлено, что для таких зависимостей возможно применение градиентных методов.

Для осуществления генетического алгоритма необходимо, чтобы объект оптимизации был представлен в виде закодированной последовательности бит хромосомы.

Известно, что по условиям физической реализуемости ёмкость устройства компенсации может принимать конечное множество значений. При этом можно выбрать максимальное значение ёмкости и задать шаг изменения ёмкости (точность, с которой будет производиться расчёт). В этом случае можно определить ёмкость конкретного конденсатора (конденсаторной батареи), который будет максимально близко подходить к вычисленным параметрам.

Зададим максимальное значение ёмкости, которое может иметь устройство компенсации — Стах, также зададим точность, с которой необходимо определить значение ёмкости устройства компенсации — h. Тогда ёмкость г-го устройства компенсации можно записать в следующем виде:

здесь ^ — целое число (0 < <

ЬтаХ1 1фИ ЭТОМ Ьггшх • И > Стах)• Таким образом каждому вещественному числу С; соответствует целое число ¿»¿.

Допустим, что в системе электроснабжения существует N мест, где возможна установка устройств компенсации. Тогда задача оптимизации сводится к определению множества целых чисел Ь. Если отсутствует необходимость в устройстве компенсации в том или ином месте, коэффициент Ь просто приравнивается к нулю и в расчёте не учитывается.

Теперь представим целое число Ь в виде последовательности бит.

Ci = max{bi ■ h, С,

'тах J)

}

(3)

¡-1

>=о

Здесь г\ - бит с индексом i в последовательности, а I - величина последовательности, которая равна:

l=\\og2{Cmax/h)l . (5)

Проще говоря, последовательность бит — это число Ь, представленное в двоичной системе исчисления.

Для лучшего понимания приведём пример. Допустим, в системе электроснабжения существует 3 возможных места расположения устройств компенсации, максимальное значение ёмкости возьмём за 150 мкФ, точность — 10 мкФ. В этом случае I = [log2 (150/10)] = 4. Пусть двоичная последовательность — 1010, тогда Ъ = 0 ■ 2° +1 • 21 + 0 • 22 +1 • 23 = 10, С = h ■ Ь = 10 • 10 = 100 мкФ.

Объединив все последовательности, получим одну, состоящую из N • I бит, получим последовательность, которая и будет служить хромосомой для генетического алгоритма. Графически хромосома изображена на рис. 11, где v\ и v¡ - соответственно первый, и последний бит в i-a последовательности, или ген в терминах генетического алгоритма.

1 i 1 1 V ! — ! V/ 1 i i ' V? ... V,2 ... ví ••• ! vi i < ... MN i Vj V?

¿1 h bN

Рис. 11. Графическое представление хромосомы

Рассмотрим в качестве примера СЭС рсмонтпо-механический цех (РМЦ), предназначенный для ремонта и настройки электромеханических приборов, выбывших из строя, который является одним из цехов металлургического завода. Помимо электродвигательной нагрузки цех имеет однофазную нагрузку и сварочные агрегаты, поэтому из-за ограничений модели эти потребители не были учтены при анализе. Особенностью данной СЭС является то, что большинство потребителей работают в кратковременном и повторно-кратковременном режиме. В табл. 2 приведены электрические нагрузки РМЦ.

Был произведён расчёт электрических нагрузок методом коэффициента максимума и определена необходимая мощность устройства КРМ.

Значения cos <р и tg ip до компенсации:

Рм 295,56 C°Slp = ~Sm = 322 68 = откУДа tgy> = 0,45.

После компенсации принимаем cos ip = 0,95, tgip = 0,33.

В результате расчёта получим расчётную реактивную мощность: QK.р. = 31,9, кВАр.

Таблица 2. Параметры электрических нагрузок цеха

Наименование Установленная нагрузка

Ри, п № COS ip

кВт кВт

РП-1

Токарные автоматы Зубофрезерные станки Круглошлифовальные станки 12 15 4 3 3 3 36 45 12 0,12 0,12 0,12 0,4 0,4 0,4

Итого РП-1 31 9 93 - -

РП-2

Расточные станки 11,5 3 34,5 0,12 0,4

Фрезерные станки Строгальные станки 9,5 12,5 4 3 38 37,5 0,12 0,12 0,4 0,4

Итого РП-2 33,5 10 110 - -

РП-3

Сварочные агрегаты 6,3 3 18,9 0,25 0,7

РП-4

Сверлильные станки 3,2 2 9,6 0,12 0,4

Токарные станки 9 6 54 0,12 0,4

Плоскошлифовальные станки 8,5 2 17 0,12 0,4

Итого РП-4 20,7 10 80,6 - -

РП-5

Заточные станки 3 3 9 0,12 0,4

РП-6

Вентиляторы 48 2 96 0,65 0,8

От ТП

Краны мостовые 19 2 38 0,15 0,5

ЩО 13,4

Итого на шинах НН 39 458,9

В СЭС используются следующие кабели: для РП-1 СПШв-4х16, для РП-2 СПШв-4х70, для РП-3 ВВГ-4х4, для РП-4 СПШв-4х50, для РП-5 ВВГ-4Х4, для РП-6 СПШв-4х70.

Трансформатор в СЭС — ТМ-400 мощностью 400 кВА. Также по расчётным данным получилось следующее значение электрических потерь: АР — 6,45 кВт.

Произведём моделирование полученной СЭС. На рис. 12 изображена СЭС, синтез которой произведён в редакторе схем программного средства. При моделировании с учётом коэффициента включения было уменьшено ко-

личество двигателей, было принято, что из однотипных нагрузок в любой момент времени в работе была только одна, однако, с учётом коэффициента максимума был подобран такой режим работы, чтобы максимальная мощность на каждой РП соответствовала расчётной. Также было исключено из схемы коммутационное оборудование, не учавствующее в процессе работы СЭС, а предназначенное только для защиты. Расчётное время было принято 2-м минутам, что на порядок превышает время пуска двигателей, работающих в продолжительном режиме, и позволяет учесть все режимы работы — продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

В результате моделирования без устройства КРМ величина потерь оказалась немного выше расчётной: 7,34 кВт. Это можно объяснить учётом пусковых режимов в модели, которые не учитывались при расчётах. При моделировании с устройством КРМ <5 = 31,9 кВАр потери снизилиь до 5,8 кВт.

Произведём поиск оптимальной мощности устройства КРМ для рассматриваемой СЭС. Максимальное значение ёмкости устройства КРМ зададим Стах — 1000 мкФ, шаг изменения ёмкости А С = 0,1 мкФ. В результате оптимизации по критерию минимизации электрических потерь была найдена рациональная мощность устройства компенсации — = 26,4 кВАр. В результате чего электрические потери были снижены до величины 5,2 кВт, что на 700 Вт меньше, чем потери при установленном устройстве компенсации, мощность которого равна расчётной. В связи со сложностью схемы не было проведено исследование вариантов с групповой и индивидуальной компенсацией, однако, даже в случае с централизованной компенсацией, результат

Рис. 12. СЭС ремонтно-мсхапического цеха

оказался положительный. В табл. 3 сведены все эти данные.

Таблица 3. Результаты оптимизации

Опыт Без КРМ Расчётные данные Оптимизация потерь

Потери Р, кВт 7,34 5,8 5,2

Снижение потерь АР, кВт - 1,54 2,14

Мощность КУ <2, кВАр - 31,9 26,4

Емкость КУ С, мкФ - 704 582

Из рассмотренного примера видно, что предлагаемый метод определения оптимальной величины мощности и мест расположения устройств компенсации позволяет добиться лучших результатов, чем известные методы, при наличии в рассматриваемой СЭС нагрузки с кратковременным и повторно-кратковременным режимом работы. Связано это с тем, что наличие подобных режимов работы приводит к тому, что РМ потребляется неравномерно с течением времени, и определение усреднённого значения потребляемой реактивной мощности и потерь в СЭС невозможно с помощью упрощённых методов, например такого, который представлен выше. Также наличие переходных процессов в кратковременном и повторно-кратковременном режиме работы электродвигательной нагрузки может оказывать существенное влияние, и отбрасывания их наличия для упрощения расчётов приводит к существенной дополнительной погрешности. Таким образом, учёт переходных процессов в подобных СЭС может существенно увеличить точность определения таких энергетических характеристик СЭС, как потребляемая активная и реактивная мощность, электрические потери, потери напряжения и пр.

Результаты четвёртой главы опубликованы в [3-7]. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012618437 [8].

Заключение

В диссертационной работе на основе разработанной математической модели системы электроснабжения, учитывающей взаимное влияние асинхронных двигателей, питаемых от одного источника ограниченной мощности, и устройств компенсации реактивной мощности, решена задача разработки инструментального средства для определения оптимального расположения и параметров устройств КРМ с учётом динамических переходных процессов, имеющая существенное значение в энергосбережении при проектировании и модернизации систем электроснабжения с электродвигательной нагрузкой.

На основе проведённых исследований можно сформулировать следующие основные результаты:

1. Впервые разработана математическая модель системы электроснабжения с электродвигательной нагрузкой, устройствами компенсации реактивной мощности с произвольным топологическим расположением, коммутационным оборудованием и источником энергии ограниченной мощности.

2. Разработан алгоритм поиска оптимального расположения и параметров устройств компенсации реактивной мощности на основе идеологии генетического поиска, использующий в качестве критериев оптимизации следующие величины: электрические потери в распределительной сети, срок окупаемости устройств КРМ, суммарные затраты от мероприятий по КРМ и экономическая эффективность этих мероприятий.

3. Разработано программное средство реализации математической модели системы электроснабжения с электродвигательной нагрузкой и устройствами компенсации реактивной мощности, позволяющее производить анализ состояния системы электроснабжения на основе полученных данных, таких как ток, напряжение, потоки активной и реактивной мощности в любом месте СЭС.

4. Разработано программное средство для реализации алгоритма оптимизации на основе идеологии генетического поиска для определения мест расположения и параметров устройств КРМ в системе электроснабжения произвольной конфигурации с электродвигательной нагрузкой, устройствами компенсации реактивной мощности, коммутационным оборудованием и источником энергии ограниченной мощности.

Список публикаций

1. Дабаров В. В. Математическая модель системы электроснабжения с электродвигательной нагрузкой и устройствами компенсации реактивной мощности // Вестник КузГТУ. 2011. № 3. С. 66 -68.

2. Дабаров В. В. Система моделирования процесса компенсации реактивной модности в системе электроснабжения с электродвигательной нагрузкой. / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011616333. 2011. РОСПАТЕНТ.

3. Дабаров В. В. Применение генетического алгоритма для оптимизации параметров устройств компенсации реактивной мощности // Вестник КузГТУ. 2012. Т. 3. С. 145-147.

4. Дабаров В. В. Оптимизация экономической эффективности мероприятий компенсации реактивной мощности // Материалы всероссийской моло-

дёжной конференции «Информационно-телекоммуникационные системы и технологии (ИТСиТ-2012)». 2012. С. 219-220.

5. Дабаров В. В. О применимости градиентных методов для оптимизации компенсации реактивной мощности // Материалы IX Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». 2012. С. 28-30.

6. Дабаров В. В. Анализ результатов оптимизации компенсации реактивной мощности на модели // Материалы IV Всероссийской, 57 научно-практической конференции молодных учёных «Россия молодая». 2012. С. 69-72.

7. Дабаров В. В. Параметры устройств компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения с электродвигательной нагрузкой // Материалы III Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития». 2011. С. 47-49.

8. Дабаров В. В. Система моделирования и оптимизации процесса компенсации реактивной модности в системе электроснабжения с электродвигательной нагрузкой. / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012618437. 2012. РОСПАТЕНТ.

Подписано в печать 04.04.2013. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.

Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ И>&. КузГТУ. 650000; Кемерово, ул. Весенняя, 28. Типография КузГТУ. 650000, ул. Д. Бедного, 4а.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачёва»

04201364366

На правах рукописи

Дабаров Владимир Викторович

Компенсация реактивной мощности в динамических режимах работы электродвигательной нагрузки

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель докт. техн. наук, профессор Егцин Евгений Константинович

Кемерово - 2013

Содержание

Введение ......................................................................4

Глава 1. Анализ проблемы оптимизации расположения устройств

компенсации реактивной мощности................................9

1.1. Проблемы, связанные с реактивной мощностью.........10

1.2. Обзор и анализ методов исследования потоков реактивной мощности .................................12

1.3. Система электроснабжения как объект оптимизации......15

1.4. Выводы и результате по главе 1..................16

Глава 2. Описание модели СЭС с электродвигательной нагрузкой и устройствами компенсации реактивной мощности . . 18

2.1. Описание модели трёхфазного асинхронного двигателя.....18

2.2. Модель двигателя в системе электроснабжения произвольной структуры ..............................21

2.3. Емкостная нагрузка в системе электроснабжения........25

2.4. Система электроснабжения с электродвигательной нагрузкой

и устройствами компенсации....................26

2.5. Учёт коммутационной аппаратуры ................29

2.6. Источник ограниченной мощности в системе электроснабжения 30

2.7. Определение активной и реактивной мощности .........33

2.8. Выводы и результате по главе 2..................34

Глава 3. Реализация программного средства для моделирования .....................................36

3.1. Описание программного средства.................36

3.2. Редактор схем............................37

3.3. Моделирование............................44

3.4. Вывод результатов моделирования ................45

3.5. Загрузка и сохранение схем.....................46

3.6. База данных компонентов .....................46

3.7. Алгоритм расчёта..........................46

3.8. Анализ результатов моделирования компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения.............53

3.9. Выводы и результате по главе 3..................58

Глава 4. Оптимизация компенсации реактивной мощности в СЭС ....................................59

4.1. Выбор метода оптимизации.....................60

4.2. Применимость градиентных методов для оптимизации компенсации реактивной мощности....................63

4.3. Обзор генетических алгоритмов..................70

4.4. Применение генетического алгоритма для оптимизации компенсации реактивной мощности..................77

4.5. Анализ результатов оптимизации СЭС..............82

4.6. Выводы и результате по главе 4..................100

Заключение..................................102

Литература..................................104

Приложение А. Листинги программ.................116

Приложение Б...............................123

Введение

Актуальность работы

В [1] отмечено, что «...Доля реактивной мощности при загрузке линий электропередачи в настоящее время оценивается в диапазоне 20-80% от активной мощности». Внимание к проблеме, связанной с реактивной мощностью (РМ) - огромно [2, 3]. Вместе с тем известно, что исследования в области изучения потоков РМ в системах электроснабжения (СЭС), ставящие своей целью уменьшение негативного влияния РМ на режим работы СЭС уже на протяжении длительного временного периода находятся на стадии приближённых оценок [4-8]. Оценка потребления РМ осуществляется посредством расчётных усреднённых (в часы максимума электрических нагрузок) значений потребления активной мощности (АМ) и РМ отдельными потребителями и всей СЭС в целом, но чаще пользуются ещё более упрощённым способом — методом коэффициента спроса [6, 7]. Также существует множество других приближённых методов расчёта. КРМ производится посредством установки компенсирующих устройств (КУ) на основе расчётных данных о потребляемой РМ, это могут быть нерегулируемые КУ, мощность которых определяется из получасового максимума, и регулируемые КУ, мощность которых определяется из графика потребления нагрузок и меняется в процессе эксплуатации при изменении потребления РМ. Существуют исследования, направленные на непосредственный выбор КУ без предварительного анализа потребляемой РМ, основанные на использовании методов оптимизации [9-11], а также исследования, позволяющие использовать управление потреблением РМ в процессе эксплуатации СЭС [12, 13]. КРМ при несинусоидальных режимах СЭС рассмотрена в работах [14, 15]. Однако, во всех перечисленных способах используется приближённая модель СЭС, основанная на графиках потребления активной и реактивной мощностей, которая не учитывает режи-

мов работы электроприёмников, в том числе механическую нагрузку электропривода, а также переходные процессы, возникающие при запуске, остановке электродвигателей и изменении их механической нагрузки.

Известны работы отечественных и зарубежных ученых, занимающихся этой проблемой, таких как Б.И. Кудрин, Ю.С. Железко, В.К. Паули, А.Б. Лоскутов, О.И. Ерёмин, Я.Э. Шклярский, W. Hofmann, J. Schlabbach, W. Just и другие.

В случае преобладания режимов работы электродвигателей с постоянной нагрузкой упомянутые выше способы достаточны для точного определения потребляемой РМ. При наличии двигателей, работающих в кратковременных и повторно-кратковременных режимах, нельзя не учитывать переходные процессы, возникающие при запуске и остановке двигателей, в связи с их существенным влиянием на потребляемую активную и реактивную мощности. В случае изменяющейся нагрузки электропривода следует учитывать возникающие переходные явления в системах электроснабжения с электродвигательной нагрузкой (СЭСЭД), так как при резком изменении нагрузки они могут оказать существенное влияние на потребление РМ. Нельзя не учитывать взаимное влияние множества электродвигателей, входящих в состав одной СЭСЭД, так как возможен обмен энергией между приёмниками. Учёт потребления РМ для механически связанных электродвигателей может оказаться ещё более сложной задачей, чем учёт потребления РМ для электрически связанных электродвигателей.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.2073.

Идея работы состоит в использовании (учёте) явлений в системе электроснабжения с электродвигательной нагрузкой при формировании её динамического состояния для разработки методов определения рациональных параметров компенсирующих устройств реактивной мощности, а также мест их

расположения.

Объектом исследования является система электроснабжения с электродвигательной нагрузкой и устройствами компенсации реактивной мощности.

Предметом исследования является алгоритм оптимизации расположения и параметров устройств КРМ, основанный на идеологии генетического поиска.

Цель диссертационной работы состоит в повышении энергетических эксплуатационных показателей СЭСЭД путем определения рациональных параметров компенсирующих устройств реактивной мощности, а также мест их расположения на основе использования специально разработанных средств исследования процессов в СЭСЭД.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: теория электропривода и электрических машин, компьютерное моделирование с использованием численных методов, реализованных на на языках программирования С и С++.

Научная новизна

1. Впервые разработана математическая модель системы электроснабжения с электродвигательной нагрузкой, устройствами компенсации реактивной мощности с произвольным топологическим расположением, коммутационным оборудованием и источником энергии ограниченной мощности.

2. Выявлены зависимости потерь активной мощности и суммарных затрат на мероприятия по КРМ от мест расположения и мощностей устройств КРМ.

3. Разработан алгоритм поиска оптимального расположения и параметров устройств компенсации реактивной мощности на основе идеологии генетического поиска, использующий в качестве критериев оптимизации следующие величины: электрические потери в распределительной сети, срок оку-

паемости устройств КРМ, суммарные затраты от мероприятий по КРМ и экономическая эффективность этих мероприятий.

Практическая значимость

1. Разработана математическая модель СЭСЭД, позволяющая определить потоки активной и реактивной мощности в СЭС с электродвигательной нагрузкой.

2. Разработано программное средство, реализующее универсальную математическую модель СЭСЭД.

3. Разработано программное средство, позволяющее производить поиск оптимальных конфигураций КРМ в СЭС с электродвигательной нагрузкой.

Результаты могут быть использованы как при проектировании СЭС, так и при модернизации существующих СЭС с целью более эффективной компенсации реактивной мощности.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Математическая модель СЭС с электродвигательной нагрузкой позволяет производить синтез компьютерной структуры СЭС для исследования потоков активной и реактивной мощности.

2. Математическая модель СЭС с электродвигательной нагрузкой применима для сравнительного анализа существующих СЭС и рассчитанных СЭС с оптимальной конфигурацией КРМ.

3. Разработанный функциональный блок оптимизации на основе идеологии генетических алгоритмов в совокупности с математической моделью СЭС позволяет производить поиск оптимальных параметров и мест расположения устройств компенсации реактивной мощности.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: IV Всероссийская, 57 научно-практическая конференция молодых учёных «Россия Молодая» (24-27 апреля 2012 г.); Всерос-

сийская молодёжная конференция «Информационно-телекоммуникационные системы и технологии (ИТСиТ-2012)» (20-22 сентября 2012 г.); IX Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (1-2 ноября 2012 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 2 статьи в рецензируемом журнале по перечню ВАК «Вестник Кузбасского государственного технического университета», 2 статьи в сборниках трудов конференций, 2 тезиса докладов и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии и приложений. Общий объем диссертации 123 страниц, включая 44 рисунка. Библиография включает 100 наименований на 12 страницах.

Глава 1

Анализ проблемы оптимизации расположения устройств компенсации реактивной мощности

Задача оптимизации режимов электропотребления возникла в связи с разработкой экономических мероприятий потребителей электроэнергии. Оптимальное расположение и параметры устройств компенсации реактивной мощности является одной из сторон этой глобальной задачи. Вопросам рационального электропотребления придаётся большое значение, т. к. стоимость топлива растёт, а его запасы не бесконечны.

Оптимальная компенсация реактивной мощности может рассматриваться для трёх случаев:

1. для эксплуатируемой энергосистемы, в этом случае ставится задача оптимального управления режимами работы устройств компенсации, если это возможно;

2. для проектируемой энергосистемы, в которой требуется определение оптимального расположения и параметров устройств компенсации;

3. для модернизируемой, в этом случае требуется определить необходимость замены устройств компенсации, параметры и расположение добавляемых устройств компенсации.

В данной работе рассматривается второй и третий случаи. В дальнейшем понятие «компенсация реактивной мощности» следует понимать в рамках этих вопросов, как задачу определения оптимального расположения и параметров устройств компенсации реактивной мощности.

1.1. Проблемы, связанные с реактивной мощностью

Проблема компенсации реактивной мощности появилась при разработке экономических мероприятий на промышленных предприятиях и других видах потребителей. Реактивная мощность не производит никакой работы, но загружает электрические сети, что приводит к дополнительным потерям за счет увеличения тока. Хотя сама реактивная мощность не производит никакой работы, она существует для создания условий потребления активной мощности, например, она необходима для нормального функционирования двигателей, которые потребляют активную мощность и преобразуют её в механическую. Однако, реактивную мощность необязательно передавать от самого генератора на электростанции, источниками реактивной мощности могут служит конденсаторы и синхронные двигатели или компенсаторы, которые можно разместить вблизи места потребления реактивной мощности, это снижает нагрузку на линии электропередач и на генераторы.

Выработка генераторами электрической мощности ограничена, также ограничена пропускная способность линий электропередач и мощность трансформаторов. Поэтому следует по возможности уменьшать потребление мощности. Для этих целей существуют различные меры, как организационные, так и технические. Сокращение потребления активной мощности производится посредством изменения технологического процесса, совершенствования оборудования, использования посменной работы и прочее. Помимо снижения потребления активной мощности также необходимо уменьшать потребление реактивной мощности.

Для повышения коэффициента мощности промышленного предприятия в первую очередь должны быть проведены технические мероприятия по уменьшению потребления реактивной мощности. К этим мероприятиям относятся: правильный выбор типа и мощности электродвигателей производственных

механизмов, упорядочение технологического процесса (применение поточной системы производства, скоростных способов обработки металла, литья под давлением и т. д.); устранение холостых ходов и слабой загрузки асинхронных двигателей и трансформаторов, переключение обмотки слабо загруженных асинхронных двигателей с треугольника на звезду, применение синхронных двигателей вместо асинхронных той же мощности, где это возможно по условиям технологического процесса, и др. [16]

Если в указанном направлении дальнейшее повышение коэффициента мощности невозможно, устанавливают компенсирующие устройства.

Компенсирующее устройство, как правило, рекомендуется осуществлять в виде косинусных конденсаторов, включаемых параллельно (поперечная компенсация) индуктивным элементам электрических сетей.

Также реактивная мощность необходима для нормальной работы генераторов. Увеличение потребления реактивной мощности может привести к неправильной работе генератора и падению напряжения на его зажимах. Падение напряжения, в свою очередь, вызывает повышенное потребление реактивной мощности , что приводит к дальнейшему падению напряжения, срабатыванию защиты генератора и его полное отключение. При отключении одного генератора возрастает нагрузка на другие генераторы, что может привести к отключению всех генераторов (т. н. «эффект домино») [17]. Чтобы избежать подобной катастрофы, необходимо следить за потреблением реактивной мощности, производить ее компенсацию локально у потребителя.

При правильном выборе компенсационной аппаратуры можно достигнуть наиболее оптимальной конфигурации системы электроснабжения, при которой уменьшится потребление реактивной мощности, снизится нагрузка на трансформаторы, линии электропередач и на генераторы. При этом увеличится запас активной мощности, которую способны вырабатывать генераторы.

Следует также сказать и об активной мощности. При чрезмерном потреблении активной мощности и перегрузке генератора, возможно уменьшение скорости его вращения, что приводит к изменению частоты и рассинхрониза-ции совместно работающих генераторов. Это еще более серьезная проблема, так как допустимый предел отклонения частоты напряжения намного меньше, чем предел отклонения величины напряжения.

Помимо рассмотренных негативных эффектов от реактивной мощности следует также сказать об экономическом эффекте от мероприятий по КРМ. Как упоминается в [18] «При достаточно высокой насыщенности рынка техническими средствами КРМ потребители неохотно их приобретают и мало используют. Причина — в незаинтересованности. И это объяснимо: средства в компенсацию должны вкладывать потребители, а вся экономия от снижения потерь достаётся энергоснабжающей организации». Однако, это не совсем верно, при грамотной компенсации на предприятии, возможно снижение потерь в СЭС самого предприятия, достато�