автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Компенсация высших гармоник с учетом фазовых соотношений в электротехническом комплексе промышленных предприятий

На правах рукописи

ДОБУШ Василий Степанович

КОМПЕНСАЦИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК С УЧЕТОМ ФАЗОВЫХ СООТНОШЕНИЙ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и

системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ 2013

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ-2013

005060476

005060476

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент

Шклярский Ярослав Элиевич

Официальные оппоненты:

Ефимов Александр Андреевич доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», кафедра электротехники и технической диагностики, заведующий кафедрой

Волошкин Михаил Михайлович кандидат технических наук, ООО «НЕВА ХОЛДИНГ», генеральный директор

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится 17 июня 2013 г. в 17 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Автореферат разослан 16 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного Габов Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

При современном развитии технологий силовой электроники все шире внедряются преобразования электрической энергии с использованием силовых ключей-тиристоров, ЮВТ и МОЗРЕТ-транзисторов с частотой коммутации до нескольких килогерц. Доля таких приборов непрерывно увеличивается, что приводит к насыщению электрической сети токами высших гармоник (ВГ). К негативным последствиям наличия ВГ следует отнести выход из строя конденсаторных батарей, перегрузка по току электрооборудования, ложное срабатывание устройств защиты, ускоренное старение изоляции кабеля. Следовательно, при наличии ВГ снижается эффективность функционирования электротехнического комплекса предприятия в целом.

Оценкой работы электрических сетей при наличии искажений напряжения и тока занимался ряд известных ученых, среди которых Абрамович Б.Н., Арриллага Дж., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Ильяшов В.П., Шидловский А.К., Томпсон М., Фукс Эв., и др.

Однако до сих пор при расчетах несинусоидальных режимов работы сети не учитывалось влияние фазовых соотношений на высших гармониках, характеризующих сдвиг фаз между напряжением и током на разных гармониках как на нагрузке, так и в питающей сети. Очевидно, что учет указанных соотношений должен привести к более точному выбору параметров компенсаторов ВГ, что в конечном итоге повысит качество электроэнергии и надежность работы электрооборудования.

В этой связи очевидна необходимость оценки влияния фазовых соотношений с дальнейшей разработкой алгоритма выбора уточненных параметров компенсатора ВГ.

Цель работы

Повышение эффективности функционирования системы компенсации высших гармоник путем применения модели, учитывающей фазовые характеристики электропривода при различных режимах его работы.

Основные задачи исследования

1. Разработка структуры модели электрической сети предприятия при наличии ВГ как со стороны внешнего источника

относительно ввода предприятия, так и со стороны самого предприятия;

2. Выявление зависимостей тока нагрузки от фазовых соотношений на ВГ с использованием типовой модели;

3. Оценка влияния фазовых соотношений источников ВГ на работу электрооборудования;

4. Разработка алгоритма выбора средств ВГ при учете угла сдвига фаз на нелинейной нагрузке;

5. Разработка методики выбора параметров средств компенсации ВГ.

Идея работы

Для повышения эффективности работы средств компенсации высших гармоник при выборе их параметров следует учитывать фазовые соотношения напряжений и токов источников высших гармоник на нагрузке и в питающей сети.

Методология и методы исследований

Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, решения вариационных задач, математического моделирования электрических сетей с использованием пакета МайаЪ, интерполяции и аппроксимации данных, экспериментальные исследования режимов работы электрической сети.

Научная новизна

1.Выявлены зависимости изменения коэффициента перегрузки по току конденсаторных батарей (КБ), как наиболее чувствительного элемента по отношению к ВГ, от фазовых соотношений - при вариации параметров источников.

2. Обоснован алгоритм выбора структуры системы компенсации ВГ с учетом максимального воздействия угла сдвига фаз между током и напряжением на нелинейной нагрузке.

Положения, выносимые на защиту

1. Выбор параметров расчетной схемы замещения электротехнического комплекса в границах определенного диапазона изменения нагрузки и конфигурации сети, характерного для промышленных предприятий, следует осуществлять с учетом зависимостей токов нагрузки от фазовых соотношений источников высших гармоник с учетом соотношения линейной и нелинейной нагрузок, что позволит повысить точность определения параметров режимов работы электрооборудования;

2. Выбор структуры и параметров системы компенсации высших гармоник в электрической сети, содержащей в общем виде различные источники гармоник, следует осуществлять на основании выявленных сдвигов фаз тока и напряжения на определяющих режим работы оборудования гармониках, учитывая максимальное их воздействие на конденсаторную батарею.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается применением апробированных методов теории нелинейных цепей, математического и имитационного моделирования и достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований параметров и режимов работы нагрузки с силовыми полупроводниковыми преобразователями.

Реализация выводов и рекомендаций работы

Алгоритм выбора устройства компенсации высших гармоник, его параметров и координат подключения, рекомендованы при проектировании в компании ООО «М-ПРО».

Апробация

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: «2-ой Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Опыт прошлого - взгляд в будущее», г. Тула, восемнадцатой всероссийской конференции «Энергетика: «Эффективность, надежность, безопасность», г. Томск.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 66 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 85 наименований и 6 приложений. Общий объем диссертации 125 страниц.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность.

В главе 1 приведена характеристика научно-технической задачи разработки методов снижения уровня ВГ, рассматриваются особенности расчета режимов работы электрической сети при несинусоидальных режимах, основные негативные влияния ВГ на работу электрооборудования, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 приведены результаты экспериментального исследования фазовых характеристик нелинейной нагрузки.

В главе 3 проведены теоретические исследования по определению влияния фазовых характеристик нелинейной нагрузки на расчет величины тока КБ.

В главе 4 проведен анализ существующих схем замещения для сетей, содержащих ВГ, приведен алгоритм выбора параметров и мест подключения дополнительных реакторов, компенсирующих ВГ.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Выбор параметров расчетной схемы замещения электротехнического комплекса в границах определенного диапазона изменения нагрузки и конфигурации сети, характерного для промышленных предприятий, следует осуществлять с учетом зависимостей токов нагрузки от фазовых соотношений источников высших гармоник с учетом соотношения линейной и нелинейной нагрузок, что позволит повысить точность определения параметров режимов работы электрооборудования.

Из анализа многочисленных публикаций на тему влияния ВГ на работу электрооборудования следует, что индикатором наличия ВГ в электрической сети предприятия является конденсаторная батарея

(КБ). „ пг

Одной из основных проблем при оценке воздействия В1 на Kb при наличии нелинейных приемников является эквивалентирование нелинейной нагрузки, у каждой из которых сдвиг фаз на различных гармониках может быть индивидуальным и меняться в пределах от 0° до 360°. Так проведенные исследования для действующего частотного электропривода АД (тип AM 92-2, 73 кВт, 50Гц, 380В, 153А, 2895 об/мин, cosq>=0,83, КПД 87%) с 6-пульсным AC/DC преобразователем, которое было проведено в ЦНИИСЭТ позволили установить, что угол сдвига фаз на высших гармониках варьировался в значительных пределах от 137 до 348 .

В типовом варианте расчета режимов работы электрических сетей среднего напряжения, учитывающих влияние высших гармоник

на электрооборудование, не принимается во внимание разность фаз между током и напряжением на высших гармониках.

При наличии источников ВГ либо только со стороны питающей системы, либо только со стороны нагрузки предприятия ток в любом элементе электротехнического комплекса предприятия определяется выражением:

где /-действующее значение несинусоидального тока, 1(1), 1(2),— 1(п)-действующие значения токов ВГ.

При наличии источников ВГ с обеих сторон, ток в элементах будет определяется также по выражению (1), но с учетом системы:

где 1(Х), 1(2),--- ^(п)"Векторы действующих значений токов ВГ, Л/ги' ¡и(2) >■•• ¡и( )' векторы действующих значений токов ВГ, определяемые при влиянии на сеть только несинусоидального питающего напряжения, I, 1!(1),... 1,(П) векторы действующих значений токов ВГ, определяемые при влиянии на сеть только нелинейной нагрузки.

Отсюда следует, что отсутствие учета фазы токов на различных гармониках во втором случае приведет к погрешности расчетов, которая может выходить за пределы погрешности допустимой для инженерных расчетов.

Для оценки влияния фазовых характеристик нелинейной нагрузки на расчет параметров режимов работы электрической сети среднего напряжения была составлена обобщенная схема замещения, которая представлена на рисунке 1, где источниками напряжения Щ1), Щ5), ¡7^(7), №(11), №(13), №(17) моделируется фазное напряжение источника питания, амплитуды которых соответствуют спектру фазного напряжения источника питания, где ^-индуктивное

(1)

!(2) =1и(2) + 11(2)

(2)

1(п) ~1и(п) +11(п) 1(п)

сопротивление системы, ХТ!, ^/-активное и индуктивное сопротивление трансформатора, Хп!, /^„/-активное и индуктивное сопротивление низковольтной нагрузки, Хп2, ^-активное и индуктивное сопротивление высоковольтной нагрузки, .Ас-комплексное сопротивление конденсаторной батареи. Источниками тока 1(1), 1(5), 1(7), 1(11) ,1(13), 1(17) моделируется фазный ток нелинейного элемента, как совокупность источников тока, соединенных параллельно, амплитуды которых соответствуют спектру фазного тока нелинейного элемента.

На основании исследований, проведенных на промышленных предприятиях, диапазон изменения параметров схемы замещения электротехнического комплекса предприятия соответствует пределам: Хя = [0,1; 1] Ом, Хп1 = Хп2 = [6; 60] Ом, Яа, = Яп2 = [4,5; 45] Ом, Хс= [2; 20] Ом.

і

№(13)

7)

I I

фи8(1) т_

5 Рт

Т

г £ і Л >

1(1) Ф К5) ф 1(7! фі(И) фі(13)ф 1(17) ф

Рисунок 1 - Однофазная схема замещения сети В работе рассматривается спектр высших гармоник, определяемый нагрузкой соответствующей 6-ти пульсному преобразователю как одному из самых распространенных на промышленных предприятиях.

За целевой параметр, определяющий влияние сдвига фаз на высших гармониках, принят ток на КБ, как наиболее чувствительное звено по отношению к высшим гармоникам.

з 5 гарыонике

/Т\

Ьс5(пот. ыолель) при :!;= 100А / 1 /У \Ц : шш..

\ : :

А

у

Рисунок 2 - Зависимость тока КБ от угла сдвига фаз на пятой гармонике

В работе были получены зависимости тока КБ от угла сдвига фаз для различных гармоник для осредненных параметров схемы замещения. Одна из них (для пятой гармоники) приведена на рисунке 2. Зависимости определялись для различных сочетаний линейной и нелинейной нагрузок.

Установлено, что пренебрежение величиной сдвига фаз может внести значительную погрешность в определении среднеквадратичного тока КБ. Для приведенной схемы, которая позволяет принципиально оценить ситуацию, показано, что разность тока КБ может достигать 82%.

Было выявлено, что при фиксированных параметрах сети, определяющей в изменении тока КБ всегда является одна из высших гармоник. Для рассмотренных параметров схемы замещения, опре-

деляющей являлась пятая гармоника. Учет сдвига фаз на остальных гармониках может понизить погрешность расчета не более, чем на 3,5%.

В работе, были получены зависимости, определяющие влияние сопротивления системы, которое соответствует индуктивности ¿л, на ток КБ с учетом разности фаз на различных гармониках. Результаты моделирования представлены в таблице 1.

Индуктивность системы(1л) Типовая модель (Шп),А) Модель при изменении угла сдвига фаз(/кб,Л)

Максимальное значение Минимальное значение

0,0015 395 420(+6,3%) 52(-86%)

0,002 348 417(+20%) 154,3(-55,6%)

0,002547 419,9 555,5(+32%) 196,2(-53%)

0,003 401,5 520(+29,5%) 294(-27%)

ид^^о mv II^W/^VЛ-ни»»»»""' f — —------ r' » *

пренебрежение величиной разности фаз. Установлено, что:

-максимальная погрешность расчета тока КБ при отсутствии учета угла сдвига фаз может составить 53%, которая превышает допустимые 5% для инженерных вычислений;

-характер изменения тока КБ при учете и отсутствии учета угла сдвига фаз при изменении параметров сети сохраняется.

Таким образом установлено - пренебрежение величиной сдвига фаз между напряжением и током на различных гармониках, возникающих вследствие применения частотно-регулируемых приводов и искажений в сети может существенно повлиять на расчетные значения параметров режимов работы сети.

Для уточнения полученных результатов разработана и построена оригинальная имитационная модель, с использованием блоков приложения Simulink математической системы Matlab. Модель

представлена на рисунке 3.

Параметры элементов цепи идентичны тем, что были приняты в предыдущей схеме. Совокупность источников напряжения имитирует трехфазную питающую сеть с искажениями, Xs-индуктивное сопротивление системы, Znl, Z/72-сопротивления нагрузки, Хс- сопротивление конденсаторной батареи, Tyristors Full Bridge-модепъ

тиристорного выпрямителя, блок 6-pulse Generator-система управления выпрямителя, блок Constant необходим для задания угла зажигания тиристоров, все остальные блоки необходимы для измерения параметров цепи.

Параметры модели полностью соответствуют схеме замещения, представленной на рисунке 1 (в том числе и спектр потребляемого тока нелинейной нагрузки). Отличие модели от рассмотренной выше состоит в замене нелинейной нагрузки блоком трехфазного тиристорного моста и преобразовании однофазной сети в трехфазную.

Рисунок 3 - Имитационная модель рассматриваемой цепи На рисунке 4 показано семейство характеристик полученных для пятой гармоники при различных углах открытия ключей.

Установлено, что при угле открытия тиристоров в 15° максимально возможное значение тока КБ составляет 477А, а минимальное -283,7А, при этом типовая модель дает результат в 350А. Отсюда следует, что погрешность результатов расчета по типовой модели может составить 20% в большую сторону или 36% в меньшую, что влечет за собой ошибочную информацию о перегрузке по току КБ

более, чем на 30%, что недопустимо по условиям существующих стандартов.

Рисунок 4 - График зависимости тока КБ от угла сдвига фаз на пятой гармонике при различных углах открытия тиристоров Таким образом, установлено, что отсутствие учета фазовых соотношений источников ВГ может существенно повлиять на надежность работы электрооборудования, что выявлено на примере работы КБ.

2.Выбор структуры и параметров системы компенсации высших гармоник в электрической сети, содержащей в общем виде различные источники гармоник, следует производить на основании выявленных зависимостей сдвига фаз тока и напряжения на определяющих режим работы оборудования гармониках, учитывая максимальное их воздействие на конденсаторную батарею.

Анализ схем электроснабжения промышленных предприятий показал, что для одной секции шин среднего напряжения принципиальную схему можно представить в виде, показанном на рисунке 5. Здесь же показано возможное размещения реакторов, гасящих ВГ в зависимости от их природы возникновения. Исследования, проведенные по выбору реакторов, компенсирующих ВГ показали, что одним из наиболее эффективных средств являются пассивные реакторы подключаемые либо на входе сети, либо на КБ. Таким образом, для выбора структуры и параметров компенсаторов ВГ достаточно сформировать схему замещения, показанную на рисунке 1 с учетом размещения реакторов (Ьг, Ь'г, Ь",). Однако, при этом возникает проблема эквивалентирования нелинейной нагрузки. В общем случае углы сдвига фаз на разных гармониках могут иметь различную случайную величину, которая зависит от типа нагрузки и режима ее работы.

и

__/~У~У~\— —— —Г 1 Яг г Гг /; /; __ГУ~У~\__ __ГУ"У~\__ __ГУ~У~»__

м ;; 1 ! I -¡к и: г г-1 - м ;; 1 1ч г г1 - м - { :Гг г г- ^КБз

нн?

Рисунок 5 - Схема замещения электрической сети с возможным расположением реакторов

Предложено эквивалентировать нелинейную нагрузку исходя из угла сдвига фазы на определяющей гармонике, вызывающий максимальный ток на оборудовании.

Согласно вышеприведенному утверждению, на первом этапе следует определить угол сдвига фазы на определяющей гармонике, вызывающий наибольший ток на КБ.

450

400

350 300 ^250 й 200 150 100 50 0

1 5 7 11 13 17

номер гармоники

Рисунок 6 - Изменение тока КБ при различных значениях угла сдвига фаз на пятой гармонике В этой связи в работе проведено исследование режимов работы обобщенной эквивалентной нелинейной нагрузки на различных гармониках относительно тока КБ. В процессе исследования была выявлена следующая закономерность. Для любого электропривода определяющей является лишь одна гармоника, выявление которой реализуется в результате либо моделирования, либо опытных ис-

следований. Для рассматриваемых в работе приводов такой гармоникой является пятая, что подтверждается спектром, представленном на рисунке 6 и исследовании влияния разности фаз остальных гармоник. Начальная фаза напряжения на 5-ой гармонике, исходя из выше представленного принципа, равна 93°.

Для формирования подхода к определению параметров компенсирующих ВГ устройств с учетом разности фаз на определяющей гармонике были получены зависимости тока КБ при различных сочетаниях параметров сети и нагрузки (изменение и доли нелинейной нагрузки относительно линейной (к)). Диапазон изменения параметров представлен в табл. 2.

Таблица 2 - Диапазон варьирования параметров

к,доли единиц Ь"п Гн

(0.2-1.2)*0.002547 0.3-1.4 (0-1)*0,00318

Для указанных параметров были получены зависимости тока КБ (1кЬ) от величины индуктивности системы (£$) и тока КБ от доли нелинейной нагрузки по мощности по отношению к линейной. Данные зависимости представлены на рисунках 7 и 8.

т-1-г

Й.Ои

Рисунок 7 - Зависимость тока КБ(1кЬ) от величины сопротивления

системы (Ху)

! | 1 | \ \ \ \

-__-4_____[_____ ь_____[ __ ! ] ! . ]

- I '

_____

и----^!*-"^ ^ ! у "1 1

,1 У 1 Г / \ Г

_i.-_._l_ _____Ч'____15К. { / 1 [ ! .

1 ^ \ -----1-----Г—г"

4 [ --1 ¡Л " .! ! Л -----4 -____!___

Г ------

У^ 1 J

! -- - гг""т\:

л 1—Р^т { 1 ""Г"

Г ! - ц- д.---- 1 1 1 1 ! 1

доля нелнагр стилин

Рисунок 8 - Зависимость тока КБ(1кЬ) от величины доли нелинейной нагрузки относительно линейной по мощности На основе анализа полученных зависимостей были подобраны значения Ья и ЬкЪ, позволяющие уменьшить ток КБ до допустимых значений.

Установлено, что параметры ЬкЪ, рассчитанные по традиционному методу существенно отличаются (рисунок 9). Причем в традиционном методе параметры компенсирующих устройств занижены. Так при расчете традиционным методом сопротивление реактора, установленного последовательно с КБ должно быть равно 0,45 Ом. Однако, с учетом фазовых характеристик нелинейной нагрузки сопротивление реактора должно составлять 0,77 Ом. Таким образом, отличие составляет более 40%.

Рисунок 9 - Сравнение результатов определения тока КБ с помощью модели с учетом и без учета угла сдвига фаз на нелинейной нагрузки

Эффективность применения выбранных по выше представленному методу параметров компенсации ВГ подтверждается тем, что определенные расчетным путем токи КБ при различных, отличающихся от выбранных ранее, фазовых соотношениях на различных гармониках практически не влияют на величину тока КБ.

На основе полученных результатов исследований был сформирован метод выбора параметров компенсирующих ВГ устройств, основанный на учете фазовых соотношений тока и напряжения на различных частотах. Алгоритм метода представлен на рисунке 10.

Начало

Задание схемы и параметров сети зок

и нагр^

Анализ условий возникновения высших гармоник и выявление элементов СЭС наиболее подверженных влиянию ВГ ____

1 Г 1 Г

ИГ - сеть и нагрузка ИГ - нагрузка ИГ - сеть

Обычный расчет

Получение зависимостей I на ВГ элементах СЭС

Анализ возможных погрешностей расчета параметров цепи

Расчет параметров несинусоидальиого режима при максимальном токе

Рисунок 10 - Алгоритм выбора средств компенсации ВГ с учетом фазовых характеристик Алгоритм выбора средств компенсации высших гармоник при учете угла сдвига фаз на нелинейной нагрузке состоит из анализа условий возникновения высших гармоник и выявления элементов систем электроснабжения наиболее подверженных влиянию ВГ,

установления природы возникновения ВГ, получения зависимостей тока КБ от угла сдвига фаз, анализа возможных погрешностей расчета параметров цепи и в зависимости от этого: выбора параметров компенсирующих устройств с учетом или без учета фазовых характеристик нелинейной нагрузки. Применение метода позволит существенно повысить эффективность работы электрооборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи выбора рациональных структуры и параметров компенсаторов ВГ при наличии искажений как со стороны сети, так и со стороны нелинейной нагрузки.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1)предложена структура модели электрической сети предприятия при наличии высших гармоник как со стороны внешнего источника относительно ввода, так и со стороны самого предприятия, включающая элементы, характеризующие сдвиг фаз между напряжением и током на указанных источниках. Обоснован выбор описания источников ВГ, учитывая диапазон изменения параметров нагрузки распределительной электрической сети;

2)выявлены зависимости тока КБ от фазовых соотношений на высших гармониках. Построены зависимости тока КБ от фазовых соотношений на имитационной модели при наличии высших гармоник как со стороны внешнего источника относительно ввода, так и со стороны самого предприятия. Установлено, что сдвиг фаз на ВГ может варьироваться в широких пределах от 137° до 348°. Отсутствие учета фазовых соотношений приводит к погрешности определения тока КБ, равной 20% и более процентов;

3)установлено влияние фазовых соотношении источников высших гармоник на режим работы электрооборудования. Выявленная погрешность использования типовой модели при выборе компенсирующих устройств может превысить 30%, что значительно уменьшает эффективность компенсации ВГ;

4)разработан алгоритм выбора средств компенсации высших гармоник при учете угла сдвига фаз на нелинейной нагрузке.

5) Алгоритм выбора устройства компенсации высших гармоник, его параметров и координат подключения рекомендованы при проектировании в компании ООО «М-ПРО».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Добуш В. С. Влияние энергетических характеристик на определение параметров электрической сети / B.C. Добуш, ЯЗ. Шклярский // Научно-технические ведомости СПбГОУ. - №4 -СПб.-2012.-С. 77-80.

2. Добуш B.C. Влияние гармонического состава тока и напряжения на мощность искажения / B.C. Добуш, ЯЗ. Шклярский, A.A. Брагин// Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2012. №4. С. 26-31. URL: http: //www.ogbus.ru /authors /Shklyarskii/ Shklyarskii_2.pdf.

3. Добуш В. С. Оценка фазовых соотношений гармонических составляющих частотно-регулируемого привода/ Добуш В. С., Шклярский Я. Э. // Записки Горного института. - Т. 196. - СПб. -2012.-С. 285-288.

4. Добуш B.C. Исследование зависимости мощности искажения от гармонического состава тока и напряжения / Добуш B.C., Шклярский Я.Э., Брагин A.A.// Сборник "Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения". Том 2, Воркутинский горный институт, 2010. - С. 399-404

5. Добуш B.C. Влияние угла сдвига фаз на расчет цепи, содержащей нелинейную нагрузку / B.C. Добуш, A.A. Брагин // 2-я Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов "Опыт прошлого - взгляд в будущее", Тула, 2012.-С. 447-454

6.Добуш В. С. Влияние угла сдвига фаз на расчет параметров сети при гармонических искажениях/ В. С. Добуш, Я. Э. Шклярский // Материалы докладов восемнадцатой всероссийской конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность». Томск,

2012.-С.44-47.

РИЦ Горного университета. 13.05.2013. 3.256 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-

сырьевой университет "Горный"

На правах рукописи

\

П4201

ДОБУШ ВАСИЛИЙ СТЕПАНОВИЧ

КОМПЕНСАЦИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК С УЧЕТОМ ФАЗОВЫХ СООТНОШЕНИЙ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Шклярский Ярослав Элиевич

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ УЧЕТА ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ........................................................8

1.1 Влияние высших гармоник на работу электрооборудования...................8

1.2 Особенности возникновения высших гармоник в электрических сетях 13

1.3 Основные показатели, характеризующие наличие высших гармоник... 19

1.4 Способы и средства компенсации высших гармоник..............................22

1.5 Определение параметров компенсирующих устройств на основе расчетных схем...................................................................................................29

1.6 Выводы по главе 1........................................................................................33

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ............................................34

2.1 Описание эксперимента...............................................................................35

2.2 Преобразование экспериментальных данных...........................................39

2.3 Результаты обработки экспериментальных данных.................................43

2.4 Выводы по главе 2............................................\..........................................51

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ.......................................................................................................................52

3.1 Моделирование нелинейной нагрузки в виде источников тока..............52

3.2 Результаты моделирования при учете угла сдвига фаз............................55

3.3 Моделирование с помощью имитационной модели................................64

3.4 Алгоритм реализации моделирования в среде Ма1:1аЬ-8игшНпк............69

3.5 Выводы по главе 3........................................................................................73

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ВЫБОРА СРЕДСТВ КОМПЕНСАЦИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК С УЧЕТОМ ФАЗОВЫХ соотношений..........................................................................................................74

4.1 Анализ схем замещения промышленных предприятий...........................74

4.2 Анализ спектра гармоник КБ......................................................................82

\ V

4.3 Определение зависимости изменения угла сдвига фаз от изменения

параметров системы электроснабжения..........................................................85

4.4 Алгоритм выбора реакторов.......................................................................91

4.5 Выводы по главе 4........................................................................................96

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................98

ПРИЛОЖЕНИЕ А................................................................................................106

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................110

ПРИЛОЖЕНИЕ В................................................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ Г................................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ Д................................................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ Е................................................................................................123

\

\ \

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

При современном развитии технологий силовой электроники все шире внедряется преобразования электрической энергии с использованием силовых ключей-тиристоров, IGBT и MOSFET-транзисторов с частотой коммутации до нескольких килогерц. Доля таких приборов непрерывно растет, при этом происходит насыщение электрической сети токами высших гармоник (ВГ). К негативным последствиям наличия ВГ следует отнести ускоренное старение изоляции кабеля, перегрузки по току электрооборудования, ложное срабатывание устройств защиты, выход из строя конденсаторных батарей. Следовательно, при наличии ВГ снижается эффективность функционирования электротехнического комплекса предприятия в целом.

Оценкой работы электрических сетей при наличии искажений в напряжении и токе занимался ряд известных ученых, среди которых Абрамович Б.Н., Арриллага Дж., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Ильяшов В.П., Шидловский А.К., Томпсон М., Фукс Эв., и др.

Однако до сих пор при расчетах несинусоидаЛьных режимов работы сети не учитывалось влияние фазовых соотношений на высших гармониках, характеризующих сдвиг фаз между напряжением и током на разных гармониках как на нагрузке, так и в питающей сети. Очевидно, что учет указанных соотношений должен привести к более точному выбору параметров компенсаторов ВГ, что в конечном итоге повысит качество электроэнергии и надежность работы электрооборудования.

В этой связи очевидна необходимость оценки влияния фазовых соотношений с дальнейшей разработкой алгоритма выбора уточненных параметров компенсатора ВГ.

Цель работы

Повышение эффективности функционирования системы компенсации высших гармоник путем применения модели, учитывающей фазовые характеристики электропривода при различных режимах его работы.

Основные задачи исследования

1. Разработка структуры модели электрической сети предприятия при наличии ВГ как со стороны внешнего источника относительно ввода предприятия, так и со стороны самого предприятия;

2. Выявление зависимостей тока нагрузки от фазовых соотношений на ВГ на типовой модели;

3. Оценка влияния фазовых соотношений источников ВГ на работу электрооборудования;

4. Разработка алгоритма выбора средств ВГ при учете угла сдвига фаз на нелинейной нагрузке;

5. Разработка методики рационального выбора средств компенсации на ВГ.

Идея работы

Для повышения эффективности работы средств компенсации высших гармоник при выборе их параметров следует учитывать фазовые соотношения напряжений и токов источников высших гармоник на нагрузке и в питающей сети.

Методология и методы исследований

Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, решения вариационных задач, математического моделирования электрических сетей с использованием пакета МайаЬ, интерполяции и аппроксимации данных, экспериментальные исследования режимов работы электрической сети. 4

Научная новизна

¡.Выявлены зависимости изменения коэффициента перегрузки по току на конденсаторных батареях (КБ), как наиболее чувствительного элемента по отношению к ВГ, от фазовых соотношений токов и напряжения на нелинейной нагрузке при вариации параметров источников;

2. Обоснован алгоритм выбора структуры компенсации ВГ с учетом максимального воздействия угла сдвига фаз между током и напряжением на нелинейной нагрузке.

Положения, выносимые на защиту

1. Выбор параметров расчетной схемы замещения электротехнического комплекса в границах определенного диапазона изменения нагрузки и конфигурации сети, характерного для электротехнического комплекса промышленных предприятий, следует осуществлять с учетом зависимостей токов нагрузки от фазовых соотношений источников высших гармоник, с учетом соотношения линейной и нелинейной нагрузок, что позволит повысить точность определения параметров режимов работы электрооборудования;

2. Выбор структуры и параметров системы компенсации высших гармоник в электрической сети, содержащей в общем виде различные источники гармоник, следует осуществлять на основании выявленных сдвигов фаз тока и напряжения на определяющих режим работы оборудования гармониках, учитывая максимальное их воздействие на конденсаторную батарею.

\

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается применением апробированных методов теории нелинейных цепей, математического и имитационного моделирования и достаточной сходимостью теоретических изысканий и экспериментальных исследований параметров и режимов работы нагрузки с силовыми полупроводниковыми преобразователями.

Реализация выводов и рекомендаций работы

Алгоритм выбора устройства компенсации высших гармоник, его параметров и координат подключения, могут быть рекомендованы при проектировании в компании ООО «М-ПРО».

Апробация

Основные положения и результаты работы Докладывались и получили положительную оценку на: «2-ой Международной научно-практической

конференции молодых ученых и студентов «Опыт прошлого - взгляд в будущее», г. Тула, восемнадцатой всероссийской'конференции «Энергетика: «Эффективность, надежность, безопасность», г. Томск. Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

\ 4

ГЛАВА 1 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ УЧЕТА ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

1.1 Влияние высших гармоник на работу электрооборудования

При современном развитии технологий силовой электроники становится реальным всевозможные преобразования электрической энергии при мощности нагрузки от нескольких ватт до нескольких десятков мегаватт при помощи силовых ключеи-тиристоров, IGBTV MOSFET -транзисторов с частотой коммутации до нескольких десятков килогерц. При этом доля таких приборов непрерывно растет. Например, в развитых странах доля регулируемых приводов, построенных на основе устройств силовой электроники, по отношению к нерегулируемым уже составляет 1:1, в России этот показатель пока 1:20[60].

Несомненно, что применение такой техники увеличивает эффективность использования электрической энергии. Например, в США в период с 1985 по 1995г, была проведена реконструкция 60-ти энергоблоков теплоэлектростанций, где было установлено 300-частотно-регулируемых устройств электропривода в диапазоне от 630 до 4500 кВт. Годовой экономический эффект выразился в экономии 1^лрд кВт*ч электрической энергии[60].

линейная нагрузка

\

Рисунок 1.1.1 - Схема распространения высших гармоник в сети предприятия

Однако применение таких приборов имеет значительный недостаток -потребляемый ими ток является несинусоидальным. Данное явление не было бы опасным, если бы не влияло на другие элементы энергосистемы. Распространение высших гармоник схематично показано на рисунке 1.1.1. Высшие гармоники тока, источником которых является нелинейная нагрузка, вызывают падение напряжения на сопротивлении системы, что в свою очередь ведет к искажению питающего напряжения в точке общего присоединения нагрузок 1. Затем данное искаженное напряжение вызывает протекание токов высших гармоник на всех нагрузках, подключенных к общей шине. Таким образом происходит распространение токов высших гармоник в сети предприятия. Но если предприятие само в целом является источником высших гармоник и подключено к фидеру, питающему и другие предприятия, то аналогично происходит загрязнение сети этих предприятий токами высших гармоник.

Токи высших гармоник вызывают ряд негативных последствий для электрооборудования. В числе основных необходимо отметить:

-уменьшение срока эксплуатации электрооборудования. По данным Канадской Электрической Ассоциации [84,85], при коэффициенте искажения напряжения питания, близким к 10 %, срок службы оборудования заметно сокращается. В зависимости от типа аппарата, это сокращение оценивается в следующих величинах:

32,5 % для однофазных машин;

18 % для трёхфазных машин;

5 % для трансформаторов; \

- дополнительные потери в обмотках трансформатора. Вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости увеличивается активное сопротивление трансформатора, что приводит к дополнительному нагреву элементов трансформатора. Поэтому полная загрузка трансформатора может наступить при использовании 80% номинальной мощности [51,52].

^ емкостным фильтром ^ j

□ Комбинированная нагрузка

_I_' t ■ i ' i I_i_i_I_i_i_i_i_i_i_lj:

0 20 40 60 80 100

THDi(%)

Рисунок 1.1.2 - Зависимость передаваемой мощности от значения 7Ш)/ Данная закономерность иллюстрируется рисунком 1.1.2. Эта

зависимость показывает насколько снижается реально передаваемая мощность трансформатора при увеличении THD(Total Harmonic Distortion) тока, протекающего по обмоткам трансформатора;

- ускоренное старение изоляции кабелей, вследствие повышенного нагрева поверхности жил из-за протекания токов высших гармоник [30,59,75]. График зависимости тепловых потерь ;от уровня THD показан на рисунке 1.1.3;

- возможность возникновения резонанса на частоте высших гармоник [47,78], приводящее к резкому ухудшению качества электроэнергии и, как следствие, к выходу из строя электрооборудования. Например, в одной из установок фильтры, настроенные на частоту 500 Гц с проходным током 100 А каждый, блокировали цепь силовой конденсаторной установки, имеющей 15 секций по 65 квар. Конденсаторы этих фильтров вышли из строя через два дня. Причиной оказалось наличие гармоники с частотой 350 Гц, в непосредственной близости к которой были обнаружены условия резонанса между настроенным фильтром и силовыми конденсаторами;

- токи высших гармоник вызывают появление, протекая по обмоткам трехфазной асинхронной машины, дополнительных моментов направленных как в сторону вращения машины, так и в противоположную [53,54]. Однако, вклад этих гармоник невелик в общий момент создаваемый асинхронной машиной, так для асинхронной машины при удельном весе 5-ой гармоники напряжения в 20% момент, обусловленный 5-й гармоникой, не превосходит 0,1% момента, развиваемого током промышленной частоты. Но, с другой стороны, токи высших гармоник вызывают дополнительную вибрацию и шум машины[31]. Среднее распределение потерь от высших гармоник для асинхронных машин характеризуется следующими данными: обмотки статора 14%; цепи ротора 41%; торцевые зоны 19%; асимметричные пульсации 26 %;

Рисунок 1.1.3 - График зависимости тепловых потерь - необходимость предусматривать перегрузку по току для устройств компенсации реактивной мощности. В качестве таких устройств используют в том числе и КБ [43,46,72]. Перегрузка возникает из-за приложения к КБ несинусоидального напряжения, которое вызывает токи высших гармоник значительной величины[44], так как при повышении частоты омическое сопротивление конденсаторов, как известно, снижается. Поэтому

конденсаторные батареи особенно подвержены негативному влиянию токов высших гармоник на электрическую сеть.

Поскольку КБ представляют собой часть всего электротехнического комплекса предприятия, включая электрические сети, то необходимо хорошо представлять природу возникновения высших гармоник в электрической сети, что является существенным фактором при изучении их влияния на работу конденсаторов. \

\ \

1.2 Особенности возникновения высших гармоник в электрических

сетях \

V

Искажения напряжения и тока возникают в электрической сети по многим причинам. В зависимости от источника и природы возникновения высших гармоник (ВГ) выбираются способы их компенсации. Область распространения высших гармоник тока и напряжения также влияет на выбор средств борьбы с ними[61,73,74].

Источниками гармоник тока являются различные виды нелинейных нагрузок. Среди них необходимо выделить устройства, преобразующие электрическую энергию, которые построены на силовых полупроводниковых ключах. Приборы на их основе получили широкое распространение в настоящее время в промышленности и в быту.

Наиболее распространенными являются AC/DC (Alternative Current to

\

Direct Current) преобразователи или выпрямители [62,63]. Данные устройства строятся на основе 6-и и 12-и пульсных схем выпрямления. Остальные многопульсные схемы выпрямления основаны на параллельном соединении 6-пульсных групп. Следует отметить, что увеличение качества потребляемой электроэнергии с увеличением пульсности выпрямления, приводит к значительному росту цены изделия и снижению его надежности[56].

Как правило, тип источников ВГ определятся алгоритмом производственного процесса. В зависимости от вида промышленного производства можно выделить для него доминирующий вид нелинейной нагрузки, генерирующий токи высших гармоник. Так для металлургического завода таким видом потребителя является вентильный преобразователь. Данная нагрузка относится к мощным концентрированным источникам высших гармоник. Суммарная мощность электронной преобразовательной техники достигает на таком производстве 80-90%[31,50].

На химических производствах основной вид нелинейной нагрузки -управляемые вентильные преобразователи. Эти вентильные преобразователи

чаще всего выполнены по 12-и пульсной схеме и рассчитаны на напряжение 6- 35кВ при выпрямленном токе 12,5-25кА.

На целлюлозно-бумажных производствах устанавливаются различные механизмы, оснащенные регулируемыми приводами с тиристорными вентильными преобразователями мощностью до ЮкВА.

В качестве источников ВГ могут выступать также следующие устройства:

- установки электродуговой и контактной сварки. Мощность таких промышл�