Методы и средства повышения эффективности управления потоками реактивной мощности электротехнических комплексов горнодобывающих предприятий

Шклярский, Ярослав Элиевич

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методы и средства повышения эффективности управления потоками реактивной мощности электротехнических комплексов горнодобывающих предприятий

доктора технических наук: Шклярский, Ярослав Элиевич
город: Санкт-Петербург
год: 2004
специальность ВАК РФ: 05.09.03

Диссертация по электротехнике на тему «Методы и средства повышения эффективности управления потоками реактивной мощности электротехнических комплексов горнодобывающих предприятий»

Автореферат диссертации по теме "Методы и средства повышения эффективности управления потоками реактивной мощности электротехнических комплексов горнодобывающих предприятий"

Коятр::......" |

п ». - • Г' I ;

...... |

На правах рукописи

ШКЛЯРСКИЙ Ярослав Элиевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие — ООО «Киришинефтеорг-синтез».

Защита диссертации состоится 23 апреля 2004 г. в 12 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия,дом 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 19 марта 2004 г.

Шакарян Юрий Гевондович.

доктор технических наук, профессор

Орлов Анатолий Васильевич.

доктор технических наук, профессор

Зеленохат Николай Иосифович

диссертационного совета д.т.н., профессор

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время одной из важнейших проблем повышения конкурентоспособности отечественного производителя на мировом рынке является снижение энергетической составляющей в структуре себестоимости продукции. Оплата за электроэнергию включает в себя систему скидок и надбавок за реактивную мощность.

Нерациональное управление потоками реактивной мощности (РМ), низкая надежность электротехнического комплекса горного предприятия, наличие высших гармоник в сети, появление все новых технических средств приводят к увеличению оплаты за электроэнергию, сокращению срока службы, затрат на техническое обслуживание и ремонт электрооборудования. Широкое внедрение новых технических устройств, являющихся источниками высших гармоник, заставляет посмотреть на проблему компенсации совсем с другой стороны, а именно - на первом этапе необходимо уменьшать влияние гармоник на устройства компенсации РМ, а на втором этапе обеспечивать бесконфликтную работу электротехнического комплекса, содержащего регуляторы РМ. Большое потребление реактивной мощности вызывает увеличение потерь мощности и напряжения, а значит, ухудшает качество электроэнергии, как в системе, так и в сетях предприятия. В ряде случаев перегрузка элементов системы электроснабжения предприятия обусловлена высоким уровнем потребления РМ, что значительно влияет на процесс добычи и переработки полезных ископаемых.

Это объясняется рядом причин: большой протяжённостью линий электропередачи, реактированием присоединений и многоступенчатостью напряжений в электрических сетях, необходимостью поддержания напряжения в центрах электрических нагрузок (ЦЭН) на рациональном уровне; концентрацией нагрузки большой мощности в конце радиальных линий; территориальной рассредоточенностью нагрузки в трёх координатах, что затрудняет определение координат ЦЭН и реализацию взаимодействия между электроустановками в режиме текущего времени; сочетанием воздушных и кабельных линий, гальванической развязкой

поверхностных и подземных сетей, необходимостью применения взрывобезопасного оборудования.

Оплата за реактивную мощность на предприятиях в разные годы составляла от 5 до 10 процентов от общих затрат на электроэнергию. За счет реактивной составляющей возникает перегрузка элементов системы электроснабжения предприятий. От уровня потребления РМ зависит качество электрической энергии. Все это обуславливает актуальность проблемы регулирования РМ с помощью комплекса потребителей и источников, включающего установки продольной компенсации (УПК), конденсаторные установки (КУ), фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ) и устройства коррекции тока и напряжения (УКТ и Н). Актуальность исследований, связанных с управлением потоками электроэнергии на предприятиях, подчеркивается работами Л ведущих ученых в данной области, в том числе работы Б.Н. Абрамовича, С.А. Волотковского, СМ. Гамазина,

Л.В. Гладилина, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, Н.И. Зеленохата, О.В. Иванова, В.М. Квятковского, А.В. Кучумова,

A.M. Лимитовского, Б.Г. Меньшова, Ю.П. Миновского,

А.В. Орлова, А.В. Праховника, Е.М. Проскурякова,

Г.И. Разгильдеева, В.М. Рачека, В.И. Серова, В.А. Строева,

A.А. Федорова, Г.С. Хронусова, В.А. Чванова, Ю.Г. Шакаряна,

B.В. Шевченко, В.И. Щуцкого и др. Работы этих ученых являлись исходной базой при проведении настоящих исследований, создании методов и средств эффективного воздействия на факторы, сберегающие энергоресурсы.

На современном этапе решение задачи управления потоками реактивной мощности должно осуществляться в пространственно-временной области с учетом взаимосвязи всех электроприемников, входящих в состав электротехнического комплекса предприятия для обеспечения бесконфликтного регулирования источниками и потребителями РМ при достижении рационального ее уровня. В связи с возросшими возможностями систем учета, контроля и управления потоками электроэнергии, появляется необходимость расширения методологических подходов к реализации мероприятий

по снижению уровней затрат на электроэнергию в целом и, в частности, на реактивную мощность.

В работе рассмотрены вопросы повышения эффективности управления потоками реактивной мощности с помощью комплекса регуляторов, ранжированных в зависимости от времени и пространственного их расположения с учетом режимных, технологических и организационных ограничений, вводимых на предприятиях горной промышленности.

Стратегия регулирования должна учитывать требования энергосистемы, определяющей уровень РМ на предприятии, стремление предприятия уменьшить оплату за РМ, потери активной мощности, энергии и напряжения в электрической сети.

Важнейшими до сих пор являются вопросы надежной работы компенсирующих устройств, применяемых для уменьшения реактивной составляющей нагрузки. Компенсаторы реактивной мощности (КРМ), как показал опыт их эксплуатации на горных предприятиях, часто выходят из строя из-за перегрузок по току и напряжению в установившихся, и переходных режимах, а так же из-за перегрузок высшими гармониками, доля которых в последнее время резко возросла из-за широкого внедрения преобразователей частоты.

Целью работы является разработка научно-технических положений, обеспечивающих повышение эффективности электроснабжения предприятий путем рационального использования технических характеристик потребителей и источников РМ для управления ее потоками при заданных технологических, организационных и режимных ограничениях с учетом их пространственного, временного и информационного взаимодействия.

Идея работы: повышение эффективности использования электроэнергии путем оптимизации потоков РМ независимо от потоков активной мощности при заданных технологических, организационных и режимных ограничениях с учетом пространственного, временного и информационного взаимодействия электроустановок электротехнического комплекса предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых.

Для реализации поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

1. Разработана концепция и методология использования источников и приемников РМ в процессе управления ее потоками независимо от потребления активной мощности на заданном интервале формирования графика нагрузки предприятия.

2. Определен состав потребителей и источников РМ, способных выполнять функции регуляторов РМ в электротехническом комплексе предприятий на заданных дискретных интервалах графика нагрузки и выявлены основные закономерности изменения показателей работы регуляторов в заданном диапазоне изменения состава технических устройств, их режимных показателей и конфигурации сети.

3. Разработан алгоритм оценки эксплуатационных характеристик источников и приемников, позволяющих определить степень их готовности изменять потребление (генерацию) РМ в диапазоне, обеспечивающем экономическое значение РМ.

4. Разработан принцип ранжирования источников и приемников реактивной мощности согласно требованиям к качеству электроэнергии, надежности их работы и территориальной взаимосвязи.

5. Определена структура алгоритма выбора мощности дополнительных источников РМ с учетом временного и пространственного факторов, влияющих на ранжирование используемых электроприемников в процессе управления потоками РМ.

6. Разработаны рекомендации по повышению надежности работы регуляторов РМ при вариации параметров нагрузки и электрической сети, в условиях наличия высших гармоник в установившихся режимах и высокочастотных составляющих переходного процесса, а также перенапряжений и перегрузок по току элементов электротехнического комплекса предприятия.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Установленные закономерности изменения глубины регулирования реактивной мощности (РМ) независимо от уровня

активной мощности, полученные из системного анализа режимов электропотребления при вариации параметров и характеристик потребителей и источников РМ и заданных технологических, организационных и режимных ограничениях с учетом - их пространственного, временного и информационного взаимодействия,. позволяют сформировать прогнозное и планируемое значения показателей графика РМ в электротехническом комплексе предприятия в режиме реального времени.

2. Концепция и алгоритм управления потоками реактивной мощности (РМ) на основе многофункционального ранжирования электроприемников и выбора мощности дополнительных источников РМ позволяют реализовать бесконфликтную совместную работу электротехнических установок с учетом их иерархии в экономически эффективных энергосберегающих режимах и интегрировать их в состав автоматизированной системы управления электроснабжением предприятий.

3. Закономерности, характеризующие протекание установившихся и переходных процессов при включении (отключении) секций конденсаторных установок (КУ), учитывающие изменения параметров электрических сетей предприятий, влияние поверхностного эффекта, неодновременности замыкания (размыкания) контактов, величины тока среза, скорости нарастания напряжения пробоя и характеристик дуги, позволяют установить уровень перегрузок конденсаторов по току и напряжению в электротехнических комплексах предприятий и выбрать средства по их уменьшению.

4. Разработанные принципы разделения нагрузки на корректируемую и некорректируемую при работе установок продольной компенсации (УПК), конденсаторных установок (КУ), фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ) и устройств коррекции тока и напряжений (УКТ и Н), участвующих в управлении потоками РМ и поддержании качества электрической энергии в узлах нагрузки при вариации статических и динамических характеристик электротехнического комплекса предприятия, обеспечивают электромагнит1гую совместимость электрооборудования.

Методы исследовании. Использованы методы теории электрических цепей, теории электромагнитных процессов в системах электроснабжения и электрических машинах, численные и аналитические методы решения дифференциальных уравнений, методы теории нечеткой логики, математическое и физическое моделирование, методы теоретического и экспериментального определения параметров и характеристик электротехнических комплексов.

Научная новизна результатов исследований заключается в:

- обосновании возможности управления потоком РМ независимо от потребления электроустановками электротехнического комплекса активной мощности с учетом установленных временных и пространственных взаимосвязей, технологических и организационных ограничений и уровня постоянной составляющей генерации РМ в узле нагрузки;

- разработке критериев ранжирования электроустановок, позволяющих определить их территориальную, временную и информационную взаимосвязь в области наибольшей эффективности регулирования РМ в различные интервалы времени;

- разработке метода выбора мощности компенсирующих установок, основанного на определении дефицита генерируемой РМ на временных интервалах ее регулирования с учётом постоянной составляющей графика РМ;

- разработке математической модели для определения показателей режимов работы компенсирующих устройств с учётом разделения процессов на различные частотные составляющие при их коммутации и установлении зависимостей параметров переходного и установившегося режимов от параметров КУ и системы электроснабжения;

- разработке критериев выбора параметров компенсирующих устройств и параметров сети, при которых повышается надёжность работы, срок службы и эффективность работы КУ и обеспечивается электромагнитная совместимость электрооборудования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: положительными результатами внедрения разработанных методов анализа, расчета и выбора

параметров элементов системы электроснабжения в течение 19772003 гг.; данными по показателям режимов работы электрических сетей, включающих ОАО «Сильвинит», ПО «Беларуськалий», ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез», ОАО «Юганскнефтегаз»,

ОАО «Ленинградсланец», ОАО «Татнефть» и других предприятий, подтверждающими адекватность научных положений, выводов и рекомендаций; согласованностью результатов теоретических исследований и экспериментальных данных анализа показателей режимов работы электрических сетей при относительной погрешности не более 20 %.

Практическая ценность работы состоит в разработке:

- методики ранжирования электроустановок;

- методики выбора мощности КУ;

- методики выбора ограничивающих реакторов для КУ и ФКУ;

- рекомендаций по ограничению влияния высших гармоник на КУ.

Реализация результатов работы. Методики проектирования и расчета параметров КУ внедрены в проектах, разработанных институтами АО «Гипрошахт» и ВНИИГаллургии.

Рекомендации по проектированию и эксплуатации ИРМ в качестве регуляторов внедрены в программах по управлению режимами электропотребления в ОАО «Татнефть», ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез», ОАО «Юганскнефтегаз», ОАО «Ленинградсланец».

Установки продольно-емкостной компенсации мощностью около 40 Мвар внедрены в ПО «Беларуськалий» и ОАО «Сильвинит».

Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с рекомендациями СИГРЭ, планами научно-исследовательских работ Санкт-Петербургского государственного горного института (ТУ) 1981-2003 гг., Государственными планами экономического и социального развития Белоруссии на 1981-2003 гг.

Результаты исследований используются в Санкт-Петербургском Государственном горном институте при подготовке специалистов по направлению «Электротехника, электромеханика и

электротехнологии», в научно-исследовательской работе аспирантов, при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на: симпозиуме ПАН, г. Катовице, Польша, 1989 г.; семинаре ВСП, г. Краков, Польша, 1989 г.; международной конференции ICAMC-90, г. Острава, Чехословакия, 1990 г.; международном симпозиуме «Автоматическое управление энергообъектами ограниченной мощности», г.Ленинград, 1991 г.; IV научно-технической конференции «Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предприятий», г. Свердловск -г.Челябинск, 1991 г.; Всесоюзном научно-техническом совещании «Состояние и проблемы развития систем автономного электроснабжения», г. Суздаль, 1991 г.; II международном симпозиуме «Автоматическое управление энергообъектами ограниченной мощности», г. Санкт-Петербург, 1992 г.; 11-м международной конференции «Автоматизация в горном деле», г.Екатеринбург, 1992г.; 2-ом международном симпозиуме «Механизация и автоматизация в горной промышленности», г. Лулеа, Швеция, 1993; 7-м симпозиуме «Современные проблемы энергоэлектроники и электромеханики», г. Устронь, Польша, 1997 г.; конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», г. Воркута, 1998г; межкафедральных электротехнических семинарах горноэлектромеханического факультета Санкт-Петербургского государственного горного института (ТУ) 1995-2003 гг; научном семинаре кафедры «Электрических сетей и систем» СПбГТУ, 2002 г; научном семинаре секции электроснабжения Ассоциации энергетиков нефтегазодобывающей промышленности и производителей оборудования, г. Москва, 2003 г.

Личный- вклад автора состоит в разработке концепции регулировании потоками РМ, в выборе и обосновании основных направлений исследований, в организации и планировании теоретических, лабораторных и опытно-производственных исследований, и непосредственном участии в них, участии в анализе и обобщении результатов экспериментов, в формировании основных

выводов по полученным данным, в разработке практических рекомендаций для предприятий.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 43 научных работах.

Объем и - структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 258 страницах, содержит 86 рисунков, 23 таблицы, списка литературы из 254 наименований и 9 приложений. Общий объем работы - 329 страниц.

Содержание работы. Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, дается краткая характеристика полученных результатов, их научная значимость и практическая ценность.

В главе 1 рассмотрены научно-технические проблемы управления потоками реактивной мощности (РМ). Выполнен анализ структуры существующих регуляторов РМ. Сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 на основе системного анализа определены виды приемников и источников, обладающих способностью регулировать потребление РМ, выявлена их возможная глубина регулирования при условии независимости от потребления активной мощности. Разработана концепция управления потоками РМ на основе методики ранжирования, включающей в том числе фаззи-технологию и методики выбора дополнительных источников РМ при условии бесконфликтной работы электроустановок в системе автоматизированного управления.

В главе 3 предложен анализ повреждений источников РМ как в установившемся, так и коммутационном режимах. Определена функция сокращения относительного срока службы конденсаторов в зависимости от перегрузок по току и напряжению, вызванных превышением напряжения, его несинусоидальностью и несимметрией.

В главе 4 представлен метод определения параметров сети и компенсирующих устройств, обеспечивающих отсутствие перегрузок на конденсаторах. Выявлены зависимости коэффициента перегрузки по току на КБ от параметров сети и нагрузки.

В главе 5 предложен анализ переходных процессов, возникающих при включении КБ. Анализ основан на полученных аналитических и численных решениях дифференциальных уравнений, описывающих коммутационные процессы для обобщенной схемы замещения СЭС предприятия. Получены зависимости величин перенапряжений и тока от параметров СЭС предприятия.

В главе 6 на основе применения ортогональной системы а, р и О составляющих сформирована методика расчета переходных процессов при отключении КБ. Показаны зависимости величин перенапряжений в сети от величины тока среза выключателя.

В главе 7 предложен принцип формирования совокупности регуляторов РМ, обеспечивающих электромагнитную совместимость работы электротехнического комплекса предприятия. Предложены меры по увеличению надежности работы источников РМ.

Заключение содержит обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

Основные защищаемые положения.

Положение 1

Установленные закономерности изменения глубины регулирования реактивной мощности (РМ) независимо от уровня активной мощности, полученные из системного анализа режимов электропотребления при вариации параметров и характеристик потребителей и источников РМ и заданных технологических, организационных и режимных ограничениях с учетом их пространственного, временного и информационного взаимодействия, позволяют сформировать прогнозное и планируемое значения показателей графика РМ в электротехническом комплексе предприятия в режиме реального времени.

На основе системного анализа показателей режимов работы электротехнического комплекса ряда предприятий, охватывающего свыше 20 шахт, рудников и нефтедобывающих промыслов,

установлено, что в качестве регуляторов могут быть использованы следующие потребители и источники РМ: конденсаторные батареи (КУ) (регулируемые и нерегулируемые); синхронные машины (двигатели и компенсаторы); асинхронные двигатели (АД); фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ); устройства компенсации искажения формы кривой напряжения и тока (УКТиН).

В отличие от известных разработок в этой области в перечень регуляторов предложено ввести асинхронные двигатели, ФКУ и УКТиН.

В качестве основного параметра, определяющего способность электротехнического устройства выполнять функцию регулятора, принята величина глубины регулирования, характеризующая возможный диапазон изменения РМ в процессе управления ее потоками, как при сбросе, так и набросе нагрузки. Соответствующее ей средневзвешенное во времени значение определено как показатель глубины регулирования:

ы

(1)

где Г^ - глубина регулирования сброса нагрузки при ¡-ом воздействии на к-й объект за период А^,; Г^ ^ - то же при набросе

Ч-)

нагрузки;

;

общий период регулирования;

Для определения возможной глубины регулирования во временном интервале управления в работе выявлены факторы, влияющие на режим работы источников и приемников, а именно технологический, пространственный, режимный и временной факторы. Влияние этих факторов учтено в обобщенной статической характеристике для узла нагрузки, содержащего все виды

перечисленных выше регуляторов, с учетом закономерностей изменения их глубины регулирования.

Проводимые исследования в электрических сетях и анализ свойств регуляторов, потребляющих активную мощность, показал, что при варьировании коэффициента загрузки от 0,25 до 1 при постоянном напряжении на их зажимах изменение реактивной мощности колеблется в пределах 5% от номинальной. Изменение активной мощности при отклонении напряжения в допустимых пределах составляет 1-2%.

Таким образом, при вышеприведенных допущениях, соответственно преобразовав статическую характеристику, было получено обобщенное выражение для глубины регулирования в узле нагрузки:

ггте

I

(значение до регулирования),

/=1

(значение после регулирования),

I I

- соответственно ток возбуждения СД, напряжение узла, мощность КУ до и после регулирования;

- коэффициенты статической характеристики

узла нагрузки, учитывающие территориальную рассредоточенность следующим образом:

- если где

соответственно период регулирования и время, затрачиваемое. на изменение параметра регулирования, включающее контроль состояния оборудования управления, передачу сигнала управления на исполнительные органы, срабатывание исполнительных органов и контроль состояния регулятора, - соответственно

номинальные активная мощность и tg(p для /-того приемника до регулирования, Рцп^ЗУнп- то же после регулирования, Аоп=0,

если активная нагрузка во время регулирования не меняется;

- может принимать значения от нескольких секунд до нескольких минут, в зависимости от типа и местоположения регулятора.

Ор^О** А ^

т

09

0,7 0/5 0,5 0у4 0,3

оа «и 0

Из вышесказанного следует, что: 1. При заданном составе нагрузки, потребляющей активную мощность, возможно независимо от нее осуществлять

регулирование потоками реактивной мощности. С учетом выявленных свойств приемников и источников, независимым управлением можно добиться глубины регулирования до 120%, по отношению к текущему состоянию реактивной мощности на интервале регулирования Л (рис. 1). Индекс «1» одновременно соответствует максимальной располагаемой емкостной мощности СД и минимальному напряжению, а индекс «2» - максимальной индуктивной мощности СД и максимальному напряжению.

Рис. 2. Структура формирования графика РМ

2. Коэффициент Ад является величиной переменной при изменении состава нагрузки, потребляющей активную мощность, а значит, глубина регулирования является функцией времени и жестко связана с технологическим и организационным процессом

производства. Отсюда необходимость связи регуляторов РМ с технологическими и организационными процессами, поскольку состав нагрузки не постоянен на каждом интервале

В работе предложена структура формирования графика РМ на

основе связи планового значения активной мощности с

р

прогнозным значением реактивной мощности ,

показанная на рис. 2.

Представленная структура связывает регулирование РМ с технологическими и организационными процессами на предприятии и позволяет сформулировать плановое значение РМ с учетом изменения режимов работы потребителей-регуляторов активной мощности (ПР-АМ).

Положение 2

Концепция, и алгоритм управления потоками реактивной мощности (РМ) на основе многофункционального ранжирования электроприемников и выбора мощности дополнительных источников РМ, позволяют реализовать бесконфликтную совместную работу электротехнических установок с учетом их иерархии в экономически эффективных энергосберегающих режимах и интегрировать их в состав автоматизированной системы управления электроснабжением предприятий.

Основной задачей управления потоками РМ с использованием технических средств АСКУЭ является приближение фактического значения к оптимальному в условиях применения

дифференцированных тарифов. Решению такой задачи соответствует концепция, включающая следующие основные положения:

♦ стратегия управления потоками реактивной мощности направлена на удовлетворение требований энергосистемы с целью уменьшения предприятием оплаты за реактивную мощность и электроэнергию и улучшения качества напряжения;

♦ в качестве регуляторов РМ могут быть использованы все виды электроприемников, включая асинхронные, синхронные двигатели, конденсаторные батареи, фильтро-компенсирующие устройства и устройства коррекции тока и напряжения на базе активных преобразователей;

♦ интервалы осреднения показателей режимов электропотребления, зависящих от уровня РМ как отдельного электроприемника, так и узла нагрузки, содержащего ряд регуляторов, необходимо разделять на интервалы наброса и сброса РМ;

♦ управление потоками РМ не связано с горногеологическими и организационно-производственными ограничениями. Связь с технологическими ограничениями определяется через плановое значение их активной мощности. Режимные ограничения влияют непосредственно на формирование графика нагрузки по РМ;

♦ классификацию источников и приемников, с целью ее дальнейшего использования при их ранжировании следует определять по методологии, включающей в себя следующие признаки: принципы управления, вид регулируемых показателей, длительность формирования управляющих воздействий, длительность использования регулировочных воздействий, значение показателя глубины регулирования, эксплутационно-технологическую готовность, затраты на регулирование;

♦ взаимосвязь источников и приемников должна определяться территориальной и информационно-временной областями, учитывающими иерархию регуляторов по отношению к конфигурации электрической сети предприятия, взаимное их влияние посредством изменения напряжения в узлах сети, согласования интервала времени сбора- данных и конфигурации системы управления;

♦ все факторы, влияющие на процесс управления потоками РМ связаны в одну функцию, представляющую ранжирование регуляторов, причем эта функция зависит от режимных ограничений, технологического состояния регуляторов, их

эксплутационных характеристик и их взаимосвязи в пространстве и времени;

♦ выбор параметров компенсаторов реактивной мощности производится с помощью разработанной методики, вытекающей из определения максимального ее дефицита после реализации всех видов воздействий на действующие регуляторы на интервале регулирования

Основой концепции и алгоритма управления потоками РМ является методика ранжирования регуляторов.

Определено, что ранг является многофакторной функцией времени и пространства, а также эксплутационных характеристик регуляторов, технологических, организационных и режимных ограничений.

В работе сформулирована методология оценки эксплутационных характеристик регуляторов.

Целью методологии является формирование исходных данных для ранжирования потребителей и источников по признакам, объективно характеризующим их свойства и технические возможности выполнять функции регуляторов.

Учет вышеперечисленных факторов предлагается осуществлять с помощью критериев ранжирования, упорядоченных по степени убывания их значимости:

1. Удельный экономический эффект на единицу показателя глубины регулирования

(3)

где Эпы - положительный экономический эффект от регулирования i-ым приемником; Э /?„, ~ ущерб от регулирования i-ым приемником,

показатель глубины регулирования i-oro приемника. 2. Показатель глубины регулирования

3. Удельные приведенные затраты на регулирование на единицу показателя глубины регулирования

(5)

Относительная длительность реализации регулирующих воздействий на регуляторы

(6)

5. Относительная длительность формирования регулирующих воздействий на регуляторы

К

кц->тш

¿=1

К /

= I А(к /ЛТ ■

(7)

6. Длительность перевода в действующие регуляторы

(8)

На основе вышеизложенного была создана методика ранжирования, алгоритм которой основан- на методе последовательного исключения в порядке убывания ранга всех регуляторов. Такой подход позволяет наиболее рационально использовать свойства всех электротехнических устройств и на основе этого определить дефицит генерируемой РМ и мощность дополнительных источников по методике, сущность которой заключается в следующем. Определив на каждом интервале регулирования наибольшую глубину регулирования, используя методику ранжирования и применив выражение:

врЦ+1)= Г0Л+ ЕбяУ.Пга ~вэ (9)

где - глубина регулирования 1 -го потребителя-регулятора,

QKV.Yl.rn - мощность т-го источника РМ, Qэ - экономическое значение РМ, вычисляется дефицит генерированной реактивной

4

мощности 0Я(/+1) на каждом из интервалов, по которому и

выбирается соответствующая мощность компенсирующего устройства.

В случае невозможности точного определения критериев ранжирования в работе предлагается использовать лингвистически сформулированные экспертные оценки, выполненные с применением методов теории нечеткой логики и характеризующиеся пятью параметрами: Кц, K2i, к^, к^, K5j. С помощью функции принадлежности пяти параметров и проведения фаззилогических операций определяются фактические значения критериев ранжирования, на основе которых определяется ранг регулятора.

Для нахождения функций принадлежности i-ro регулятора Цу(К||, Кг;, Кз;, K4i, k5i), характеризующих v-тое правило нечеткого условного логического вывода, используется правило Мамдани: Цу(К)„ K2i, K3i, K4i, K5i) = min {м(к1(), ц(к20, |i(K3i), ц(к4,), (J-(K5i)}

Результирующая функция принадлежности ранга регулятора определяется как максимум среди всех функций приня ттлежности:

Нрез.(ки, K2i, K3i, K4i, K5i) = max{jiv(K,„ K2i, K3i, K4„ Kjj)}. . Внедрение на ряде предприятий методов ранжирования, включая фаззи-технологии, и рационального использования дополнительных источников РМ, обеспечивающих оптимизацию компоненты затрат электроэнергии на добычу полезных ископаемых, позволило исключить практически полностью доплату за превышение договорных условий по режиму потребления реактивной мощности, а в ряде случаев получить скидки в часы минимума нагрузок. Кроме этого, качество напряжения обеспечивалось на уровне, допустимом российскими стандартами. Положение 3

Закономерности, характеризующие протекание установившихся и переходных процессов при включении (отключении), секций* конденсаторных, установок (КУ), учитывающие изменения параметров электрических сетей предприятий, влияние поверхностного эффекта,

неодновременности замыкания (размыкания) контактов, величины тока среза, скорости нарастания напряжения пробоя ихарактеристик дуги, позволяютустановитьуровень перегрузок конденсаторов по току и напряжению в электротехнических комплексах предприятий и выбрать средства по ихуменьшению.

Из представленных выше регуляторов РМ с точки зрения надежности работы в условиях предприятий наиболее уязвимыми являются КУ и ФКУ.

Причинами преждевременного выхода из строя конденсаторов могут быть перегрузки, возникающие как в установившихся, так и переходных режимах их работы.

В качестве интегрального показателя надежности работы КУ принят срок службы конденсаторов. Выявлены зависимости кратности срока службы конденсаторов от перегрузок по напряжению в синусоидальном режиме, токами высших гармоник и токами и напряжениями, возникающими при коммутации отдельных конденсаторов и секций КУ и ФКУ.

На основе исследования режимов эксплуатации КУ разработаны принципы повышения эффективности использования и надёжности местных источников реактивной мощности в условиях сетей предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых при ограничении перегрузок по напряжению, току и нагреву на допустимом уровне.

Произведён анализ предельных режимов, вызывающих их преждевременный выход из строя из-за отклонений показателей качества электроэнергии от заданных. В основу исследований была положена обобщённая схема сети, представленная на рис. 4 и определены диапазоны изменения параметров элементов электротехнического комплекса предприятия.

На основе учёта влияния частот основной гармонической составляющей в установившемся синусоидальном режиме на параметры элементов электроснабжения установлено, что указанная схема может быть преобразована к виду, показанному на рис. 5. Эта схема соответствует холостому ходу нагрузки. В этом режиме возникают наибольшие перегрузки в сети и КУ.

ТУпп-трансформатор • ГПП;ТРп-трансформаторы РП; Тру-участковые трансформаторы; РБ-реактор; БК-конденсаторные батареи; ТП-тиристорные пребразователи; ФКУ- фильтро-компенсирующие устройства.

Рис. 4. Обобщенная схема электротехнического комплекса предприятия

Рис. 5. Схема замещения сети для установившегося синусоидального

режима с КУ

В результате аналитических исследований были получены зависимости допустимых значений ()/<у от сопротивления

предвключенной сети и напряжения в относительных единицах на главной понизительной подстанции. В диапазоне изменения сопротивления предвключенной сети, характерного для рассматриваемых предприятий и напряжения на шинах ГПП от 1 до 1,05 o.e. эти зависимости принимают вид, показанный на рис. 6.

За базисные величины приняты: Ug — 3464 В; Iß = 200 А; Zg= 17,32 Ом; Yb = 0,058 См; (£>б = 314 1/с. Использование полученных зависимостей позволяет определить диапазон изменения значений факторов, в пределах которых перенапряжения на. конденсаторах могут быть исключены.

Рис. 6. Зависимость допустимых значений Qкy от сопротивления

предвключенной сети и напряжения По кривым с индексом (1) можно определить максимально возможные значения напряжения на КУ в зависимости от х предвключенной сети при напряжении на ГПП 1,00 или 1,05 о.е, по кривым с индексом (2) можно определить допустимые значения

при которых перенапряжения на КУ будут отсутствовать, по кривой с индексом (3) можно определить уровни напряжения на КУ в зависимости от произведения в о.е. Qкvнo^^ на х.

Предварительный анализ полученных результатов расчета режимов коммутации КУ показал, что наименьшая постоянная времени свободных составляющих колеблется в пределах от 1,3 до 10 мкс, а наибольшая - от 64 до 4-103 мкс.

Отсюда был сделан вывод - результирующие кривые тока и напряжения могут быть представлены тремя составляющими: быстрозатухающей, медленнозатухающей и установившейся с базовой частотой. При наличии частот порядка несколько сот килогерц, необходимо учитывать поверхностный эффект. Исходя из этого, были сформированы схемы замещения, соответствующие указанным трем составляющим. Адекватность схем проверялась на основе сравнения с известными результатами, полученными при натурных исследованиях.

Показано, что неучет поверхностного эффекта в элементах системы электроснабжения приводит к погрешности расчета значений токов и напряжений до 20%. Поверхностный эффект определялся на основе введения в уравнения известных зависимостей, учитывающих явления вытеснения тока в активных элементах трансформатора, кабелей, шинопроводов и конденсаторов. Установлено, что при указанных наибольших частотах схема замещения конденсаторов на претерпевает изменений, т.к. резонансная частота самих конденсаторов больше частот переходного процесса.

С целью исследования переходных процессов с учетом несимметрии коммутации выключателей была сформирована обобщенная трехфазная схема замещения (рис. 7), соответствующая схеме, представленной на рис. 5, и определены диапазоны варьирования ее параметров.

При включении быстрозатухающий процесс, с учётом влияния частоты на изменение параметров сети и КУ, определяется контуром заряда подключаемой ёмкости. Для выявленных параметров частоты процесса заряда изменяются в пределах от 2 до 12 тысяч относительно основной частоты. На основе соответствующей схемы

замещения (совпадающей с известными схемами, применяемыми при расчете коммутационных процессов при включении КУ), установлена зависимость максимального значения тока заряда от мощности КУ, определяемая по выражению (10) для минимальных и максимальных параметров сети и КУ, где величины токов указаны в о.е. по отношению к номинальному току батареи.

Рис. 7. Обобщенная схема замещения сети

_ 'шах

■шах

(Ю)

где

- эквивалентная емкость

на одну фазу в месте подключения КУ, Ыу — емкость подключаемой секции, х12 - индуктивность ранее подключенной секции КУ, хку -индуктивность подключаемой секции КУ, - частота процесса заряда.

В работе рассматривалось несколько вариантов режимов включения КУ. Анализ результатов расчёта этих вариантов показал, что наибольшие значения токов и напряжений в сети и КУ для медленнозатухающей составляющей имеют место при холостом ходе участковых трансформаторов. Соответствующая схема замещения показана на рис. 8. Результаты получены на основе решения системы дифференциальных уравнений:

где: Ь^Ьц+Ькб

Установлено, что в режиме холостого хода трансформаторов напряжение на конденсаторах не превышает допустимых пределов, а ток может достигать величин, превышающих 50 номинальных значений. Сравнивая величины значений токов для обоих процессов (медленнозатухающего и быстрозатухающего), при условии принятия за критерий тепловыделения величину был сделан

вывод, что в тепловыделение для них может быть одного порядка.

= (£/,-£/-12/2)—; *2

= (Щ~ЧЧ)—;

х4

Это свидетельствует о том, что обе составляющие процесса в одинаковой степени могут быть опасными не только при коммутации отдельных конденсаторов, но и при коммутации секций КУ и ФКУ.

Таким образом, учитывая полученные результаты, можно сделать вывод: для уменьшения тока коммутационного процесса при включении КУ может понадобиться реактор, место установки которого определяется величинами быстро - и медленнозатухающей составляющей тока.

Рис. 8. Схема замещения сети с участковыми трансформаторами на холостом ходу для медленнозатухающей составляющей

Процессы, возникающие при отключении КУ, зависят в равной степени от характеристики выключателя, отключаемой ёмкости, а также от схемы питающей сети.

Для выключателя основными характеристиками в данном случае являются:

- скорость нарастания напряжения пробоя;

- характеристика дуги.

Скорость нарастания напряжения пробоя в вакуумных выключателях при рассматриваемых параметрах сети намного больше, чем скорость нарастания повторного напряжения на его зажимах. По этой причине в работе принято, что в этих выключателях не наступает повторного зажигания дуги. Падение напряжения в вакуумной дуге не зависит от величины тока дуги и имеет значение от единиц до 20 вольт в интервале тока от 30 до 1000 ампер. Дуга гаснет при токе среза, который составляет для разных типов выключателей от 2 до 8 А.

В связи с вышесказанным очевидно, что при отключении КУ вакуумные выключатели вызовут несимметрию в трёхфазной сети. Отсюда и метод расчёта должен отличаться от метода, принятого при расчёте процесса включения КУ.

Метод расчёта основан на применении ортогональной системы а, 0 составляющих, что позволяет снизить порядок дифференциальных уравнений, описывающих работу трёхфазной схемы замещения. Следует отметить, что до сих пор расчёт отключения КУ проводился достаточно приближёнными методами для однофазной схемы замещения.

Последовательная несимметрия в схемах замещения вводится в виде источников напряжения. Схема замещения, соответствующая холостому ходу нагрузки при отключении фазы А, показана на рис. 9. Система уравнений выглядит следующим образом:

Аналогичные уравнения описывают последовательное отключение фаз В(С) и С(В). Анализ результатов расчёта для тех же случаев, что и при включении КУ показал, что при отключении КУ в сетях предприятия перенапряжения в сети отсутствуют. Максимальная величина напряжения составила 1,38 от номинального, что является безопасным для оборудования. Установлена зависимость величины напряжения на КУ от величины тока среза вакуумного выключателя (рис. 10).

Рис. 9. Схема замещения сети при отключении фазы А для составляющей а) а - составляющей; б) нулевой составляющей

Зависимость позволяет оценить величины соответствующих напряжений в случае применения различных типов вакуумных выключателей. Таким образом, в работе разработана математическая

.и.

1.6

1.4

1.2

к

_____________'

ЬкБ

-

б=0,572

0.025 0 05 0.075 0 10 СР

Рис. 10. Зависимость напряжения на КУ от тока среза

модель для определения показателей режимов, возникающих при коммутации КУ и ФКУ, на основе которой определяются закономерности протекания установившихся и переходных процессов при коммутации КУ в зависимости от параметров электрических сетей и характеристик коммутационных аппаратов.

Модель включает в себя обобщённую схему электрических сетей, параметры элементов и схемы их замещения.

Положение 4.

Разработанные принципы разделения нагрузки на корректируемую и некорректируемую при работе установок продольной компенсации (УПК), конденсаторных установок (КУ), фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ) и устройств коррекции тока и напряжений (УКТиН), участвующих в управлении потоками РМ и поддержании качества электрической энергии в узлах нагрузки при вариации статических и динамических характеристик

электротехнического комплекса предприятия, обеспечивают электромагнитную совместимость электрооборудования.

Для обеспечения электромагнитной совместимости и надежности управления потоками реактивной мощности в электротехнических комплексах разработаны принципы совместной работы совокупности технических средств, алгоритмическое обеспечение и методики определения параметров их элементов, базирующиеся на установленных закономерностях протекания переходных процессов при коммутациях КУ и ФКУ, а также результатах исследования влияния высших гармоник на конденсаторные установки.

Совокупность включает секционированные установки поперечной компенсации с токоограничивающими реакторами, установку продольно-емкостной компенсации с автоматическим управлением ее параметрами при искажении формы напряжения выше допустимой и в аварийных режимах, фильтро-компенсирующие устройства с автоматической коррекцией параметров при деградации конденсаторов, устройства компенсации РМ и искажения формы кривой напряжения и тока.

Схема системы электроснабжения электротехнического комплекса предприятия, включающая предложенную совокупность технических средств, представлена на рис. 11. При построении системы электроснабжения предприятия производится разделение нагрузки на корректируемую и некорректируемую составляющие на основе оценки влияния их на форму кривой напряжения. Используя характеристики составляющих нагрузки, определяются параметры и выбираются места установки ФКУ, КУ и устройств коррекции тока и напряжения.

Для ограничения токов включения КУ и ФКУ разработан алгоритм выбора реакторов. Выбор реакторов предлагается осуществлять отдельно для ограничения быстрозатухающей и медленнозатухающей составляющих тока включения. Для ограничения быстрозатухающей составляющей устанавливается последовательно с конденсатором в каждой фазе КУ реактор с индуктивным сопротивлением а для медленнозатухающей -

реактор с индуктивным сопротивлением на вводе в КУ.

Указанные реакторы выполняют различные функции и поэтому имеют различную индуктивность.

Рис. 11. Электротехнический комплекс предприятия, включающий технические средства повышения эффективности и надежности работы системы электроснабжения

При ограничении быстрозатухающей составляющей тока рассмотрены два возможных случая подключения КУ:

1. На базовую ступень подключаются отдельные секции батареи;

2. К сети подключается только базовая ступень.

Получены аналитические выражения, по которым можно определить значение индуктивности (в о.е.)

токоограничивающих реакторов для этих двух случаев.

Для первого:

где А - допустимый уровень ограничения тока включения, п-отношение мощности базовой ступени к мощности подключаемой секции КУ, Ь2 - мощность подключаемой секции, х -индуктивность подключаемой секции.

Для второго:

где подключаемая секция представляет собой базовую ступень КУ.

Аналитический способ определения индуктивности токоограничивающего реактора для медленнозатухающего процесса чрезвычайно трудоемок. Поэтому был разработан метод выбора токоограничивающих реакторов, обеспечивающих уменьшение термического действия переходных составляющих токов коммутации на конденсаторы КУ и ФКУ, базирующийся на установленных зависимостях от времени быстро- и медленнозатухающих составляющих тока переходного процесса. Метод предполагает выполнение вариационных расчетов для выбора параметров токоограничивающих реакторов при условии минимизации термических воздействий коммутационных процессов. В качестве критерия выбора принимается условие

где и - амплитуда и относительная частота соответствующих составляющих, к - величина, соответствующая быстрозатухающему процессу.

Исследования, проводимые на предприятиях, показали, что диапазон вариации состава высших гармоник в сетях составляет от 2 до 37 в зависимости от типа и схемы применяемого

преобразователя. Наибольшее влияние высшие гармоники оказывают на КУ в режимах малых нагрузок и режиме холостого хода нагрузки. Рекомендовано для увеличения срока службы КУ путем уменьшения их перегрузок по току и напряжению, использовать следующие способы:

♦ уменьшение индуктивности системы;

♦ применение фильтро-компенсирующих устройств;

♦ применение активных преобразователей.

На основе разработанной схемы замещения в работе рассчитаны АЧХ входного сопротивления относительно точки включения источника высших гармоник и коэффициента загрузки КУ по току. За независимые факторы, которые могут быть подвергнуты изменению, при исследовании приняты индуктивные сопротивление системы X и мощность КУ.

Из полученных расчетным путем АЧХ следует, что уменьшение X сдвигает полюсы в сторону больших частот и уменьшает значение входного сопротивления. В экстремальном случае, при X = 0, полюсы исчезают. Отсюда можно сделать вывод, что уменьшением X можно добиться уменьшения влияния высших гармоник на сокращение срока службы конденсаторов. Это использовано при разработке управляемой установки продольно-емкостной компенсации (УПК) с обязательным шунтированием (возможно секционным) продольных конденсаторов при возникновении токов короткого замыкания и нарушениях формы кривой напряжения.

В работе получена зависимость коэффициента перегрузки конденсаторов по току, позволяющая с погрешностью не более 5% определить оптимальное соотношение емкости КУ и X, при которых перегрузки по току на КУ будут отсутствовать.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований разработаны технические решения, совокупность которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса, а именно повышение эффективности и надежности электроснабжения предприятий по добыче, транспортировке и переработке полезных ископаемых путем разработки концепции, методов и средств управления потоками реактивной мощности (РМ) с использованием потребителей и источников РМ при заданных технологических, организационных и режимных ограничениях с учетом их пространственного, временного и информационного взаимодействия.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлены типы потребителей и источников РМ, которые способны выполнять функции регуляторов в процессе работы электротехнического комплекса при вариации их параметров и характеристик в режиме реального времени с учетом физико-информационного и технологического взаимодействия при ограничениях, задаваемых энергоснабжающими организациями.

2. Выявлены закономерности изменения глубины регулирования источников и потребителей РМ в зависимости от технологического, пространственного, режимного и временного факторов. Показано, что управление потоками реактивной мощности может осуществляться независимо от потребления активной мощности. Величина глубины регулирования определяется параметрами обобщенной статической характеристики для узла нагрузки и может составлять до 120% по отношению к текущему уровню потребления (генерации) реактивной мощности на интервале регулирования.

3. Предложена концепция управления потоками реактивной мощности в электротехническом комплексе предприятия. Концепция предусматривает оценку эксплуатационных характеристик регуляторов для дальнейшего их ранжирования, в том числе с использованием фаззи-технологий, и структуру

формирования графиков реактивной мощности на основе их взаимосвязи в территориальной и информационно-временной областях. Внедрение предложенной концепции позволяет повысить качество электрической энергии посредством поддержания уровня напряжения в допустимых пределах, уменьшить потери активной мощности на генерацию и передачу реактивной до 40% и доплаты за превышение договорных величин по режиму потребления реактивной мощности.

4. Разработан метод определения мощности дополнительных компенсирующих устройств. Метод основан на определении дефицита генерируемой РМ, исходя из наиболее полного использования существующих регуляторов с учетом их рангов. Ранжирование потребителей и источников РМ производится, исходя из следующих критериев: удельного экономического эффекта на единицу показателя глубины регулирования; показателя глубины регулирования; удельных приведенных затрат на регулирование на единицу показателя глубины регулирования; относительной длительности реализации регулирующих воздействий на регуляторы; относительной длительности формирования регулирующих воздействий, длительности перевода регулятора в действующие. Предложен алгоритм методики выбора мощности и места подключения компенсаторов реактивной мощности (КРМ). Внедрение методики позволяет выбрать оптимальную мощность КРМ, что в свою очередь полностью ликвидирует дефицит генерируемой РМ.

5. С учетом фактора территориальной рассредоточенности энергообъектов и на основе обобщенной схемы электроснабжения электротехнического комплекса предприятия определены зависимости мощности КРМ от параметров электрической сети, уровней напряжения в узловых точках и динамики коммутации и распределения электроустановок вдоль питающих линий. Полученная универсальная диаграмма напряжений позволяет определить значения мощности КРМ, при которых напряжения в сети не выходят за допустимые пределы, регламентируемые ГОСТ 13109-97.

6. Установлено, что срок службы конденсаторов в наибольшей степени зависит от величины прямой и обратной последовательностей напряжения и его гармонического состава. Получена зависимость, позволяющая прогнозировать надежность работы конденсаторных батарей (КБ). Указанная зависимость имеет вид экспоненциальной функции, характер нарастания которой определяется параметрами КБ и качеством электрической энергии в сети.

7. Показано, что при вариации параметров в пределах £ц = 0.1 - 0.5, Ц, = 0.05 - 0.5 и U = 0.9 - 1.1 кратность срока службы конденсаторов может меняться в пределах от 1 до 20, что соответствует практическим исследованиям в электрических сетях предприятий.

8. Показано, что при коммутации конденсаторов ток и напряжение в сети и элементах конденсаторных установок (КУ) и фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ) содержат быстрозатухающую (100+600 кГц), медленнозатухающую (до 75 кГц) и стационарную (50 Гц) составляющие. Установлено, что перегрузки по току как первой, так и второй составляющей могут быть причиной выхода из строя конденсаторов, уменьшая их срок службы до 1+1,5 лет. Изучено влияние параметров электрических сетей и характеристик коммутационных аппаратов, включая влияние поверхностного эффекта и неодновременности замыкания контактов. Установлено, что перегрузка по току может превышать допустимую величину (до 800 о.е. быстрозатухающей и 60 о.е. медленнозатухающей составляющей, где за базисную величину тока принят номинальный ток конденсатора). Поверхностный эффект в элементах СЭС приводит к уменьшению быстро- и медленнозатухающих составляющих токов включения на 10+20%. Доказана технико-экономическая целесообразность применения реакторов для ограничения коммутационных токов конденсаторов.

Разработан метод выбора токоограничивающих реакторов, обеспечивающих уменьшение термического действия переходных составляющих токов коммутации на конденсаторы КУ и ФКУ. Метод базируется на установленных зависимостях от времени, характеризующих быстро- и медленнозатухающие составляющие

тока переходного процесса. Метод предполагает выполнение вариационных расчетов для выбора параметров токоограничивающих реакторов при условии минимизации термических воздействий коммутационных процессов.

9. Установлены параметры, характеризующие переходный процесс при отключении КУ с учетом неодновременности размыкания контактов вакуумного выключателя, величины тока среза, скорости нарастания напряжения пробоя и характеристик дуги. Показано, что определяющим параметром является ток среза выключателя. Получены зависимости перегрузок по напряжению от величины тока среза. Показано, что в реальном диапазоне изменения тока среза перенапряжения на конденсаторах могут достигать 1,6 номинального значения напряжения.

10. Выявлена зависимость для определения коэффициента перегрузки по току (к,) и построены амплитудно-частотные характеристики электрической сети относительно точки подключения нелинейной нагрузки, что позволило получить зависимость тока нагрузки КБ от сопротивления системы при параметрах, характерных для горно-добывающих предприятий. Анализ зависимостей позволяет определить способ уменьшения перегрузок по току, одним из которых является применение уставок продольной компенсации уменьшающее значение X.

11. Определены принципы обеспечения электромагнитной совместимости совокупности электрооборудования включающей УПК, ФКУ, КУ напряжением 0,4... 10 кВ, УКТиН, участвующего в управлении потоками реактивной мощности и поддержании качества электрической энергии. При построении системы электроснабжения предприятия производится разделение нагрузки на корректируемую и некорректируемую составляющие, используя характеристики которых определяются параметры и выбираются места установки ФКУ, КУ и систем коррекции тока и напряжения. Для ограничения реактивного сопротивления системы на ее входе устанавливается управляемая УПК, в которой предусматривается коммутация секций конденсаторов в зависимости от режима работы электроустановок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Научно технические монографии

1. Шклярский Я.Э. Переходные процессы в подземных сетях при коммутации поперечных конденсаторов. Краков: Изд-во КГМА, 1990, 106 с.

2. Шклярский Я.Э. Управление потоками реактивной мощности на горных предприятиях. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002, 94 с.

Научно-технические брошюры

3. Гойхман В.Н., Герасимов B.C., Шклярский Я.Э. Указания по компенсации реактивной мощности в электрических сетях предприятий металлургической промышленности. Изд-во Министерства металлургии СССР, Москва, 1991, с 155.

Научно-технические статьи

4. Коновалов Б.П., Смирнова Л.Н., Шклярский Я.Э. Об оценке напряжения в распределительных сетях калийных рудников. Записки ЛГИ, 1979, т. XXXIV. с 45-48.

5. Квятковский В.М., Проскуряков Е.М., Смирнова Л.Н., Шклярский Я.Э. Особенности продольно-поперечной компенсации потерь напряжения и реактивной мощности в рудничных распределительных сетях. Записки ЛГИ, 1979, т. XXXIV. с 32-35.

6. Квятковский В.М., Нефедова Н.В., Шклярский Я.Э. Анализ рудничных распределительных сетей с продольно-поперечной компенсацией.- Записки ЛГИ, 1979, т. XXXIV. с. 72-75.

7. Абрамович Б.Н., Ананьев К.А., Марков В.В., Шклярский Я.Э. О режиме работы электрооборудования установок нефтедобычи. Машины и нефтяное оборудование. №11, 1981, Москва, с 19-22Г

8. Шклярский Я.Э. Моделирование нагрузок в узлах рудничной электрической распределительной сети напряжением 610 кВ калийных предприятий. Сборник научных трудов ВНИИВЭ, Донецк, 1985., с 20-23.

9. Шклярский Я.Э. Переходные процессы в рудничных сетях при коммутации поперечных конденсаторов. Сборник докладов Симпозиума ПАН, Котовице, 1989, с. 108-112.

10. Шклярский Я.Э. Переходные процессы при включении поперечных конденсаторов в рудничной сети 6кВ. Сборник докладов семинара ВСП, Краков, 1989. с. 32-35.

11. Шклярский Я.Э. Методика расчета переходных процессов в электрических сетях при отключении поперечной конденсаторной батареи. Квартальник КГМА, том 9, Краков, 1990, с.25-29.

12. Шклярский Я.Э. Перенапряжения и удары тока в рудничной сети при включении поперечных конденсаторов. Квартальник КГМА, том 9, Краков, 1990, с.68-73.

13. АсафовВ.Н., Шклярский Я.Э. Проблемы, возникающие при использовании вакуумных выключателей в шахтной сети. Сборник докладов Международной конференции ICAMC-90, Острава, 1990.

14. Телегин В.Д., Шклярский Я.Э. Новый подход к регулированию реактивной мощности. Сборник трудов межвузовской научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», Воркута, 1998, с.49-50.

15. Телегин В.Д., Шклярский Я.Э. Регулирование реактивной мощности в узле нагрузки. Сборник трудов конференции «Народное хозяйство республики КОМИ». Воркута, №2, 1998, с.38.

16. Бондарчук А.С., Шклярский Я.Э. Классификация потребителей-регуляторов реактивной мощности на горных предприятиях. Оренбург, ОГУ, 1999, с.77-78.

17. Бондарчук А.С., Рыжкин Д.В., Шклярский Я.Э. Методика выбора параметров компенсаторов реактивной мощности. Сборник докладов всероссийской научно-технической конференции «Электропотребление, энергоснабжение, электрооборудование ». Оренбург, ОГУ, 1999, с.74-76.

18. Бондарчук А.С., Шклярский Я.Э. Ограничение коммутационных перегрузок конденсаторных батарей. Машиностроение и автоматизация производства. Межвуз. Сб. Вып. 18. СПб, СЗПИ, 1999, с.138-145.

19. Абрамович Б.Н., АсафовВ.Н., Шклярский Я.Э. Секционированная батарея конденсаторов для рудничных электрических сетей с ограничительными реакторами. Квартальник ГМА, Краков, №9, 1999, с.75-78.

20. Беркман М.И., Попов В.А., Халидов С.А., Шклярский Я.Э. Контрольные измерения электрических параметров на горном производстве. Изв. ВУЗов. «Горный журнал», №11,1992, с.55-58.

21. Беркман М.И., ГариповД.Г., Шклярский Я.Э. К безопасности взрывных работ от статического электричества. Изв. ВУЗов. «Горный журнал», №12,1999, с.48-51.

22. Беркман М.И., Гарипов Д.Г., Шклярский Я.Э. Методики измерения параметров блуждающих токов и их индикаторы-регистраторы. Изв. ВУЗов. «Горный журнал», №3,2000, с.46-48.

23. Беркман М.И., ГариповД.Г., Шклярский Я.Э. Блуждающие токи, наводимые электромеханическим оборудованием карьера в выработки подземного рудника в зоне совместной отработки. Изв. ВУЗов. «Горный журнал», №9, 2000.

24. Шклярский Я.Э. Выбор параметров ограничительных реакторов для конденсаторов батарей. Горный журнал. Изв. Вузов. №2,2001.с.53-56.

25. Шклярский Я.Э. Стратегия управления потребителям-регуляторам реактивной мощности. Электротехника. №11. 2001. с.53-56.

Тезисы докладов на научных конференциях

26. Асафов В.Н., Шклярский Я.Э. Анализ переходных процессов при коммутации КБ. Тезисы докладов. Симпозиум «Автономное управление энергообьектами ограниченной мощности», Ленинград, 1991, с. 42.

27. Абрамович Б.Н., Асафов В.Н., Шклярский Я.Э. Оценка перенапряжений и ударов тока при коммутации поперечных конденсаторов для компенсации реактивной мощности. Тезисы докладов. Конференция «Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предприятий», Екатеринбург-Челябинск, 1991, с. 65.

28. Шклярский Л.Ф., Шклярский Я.Э. Проблемы управления предприятиями горной промышленности в условиях автономного

электроснабжения. Тезисы докладов. Совещание «Состояние и проблемы развития системы автономного электроснабжения», Суздаль, 1991, с.24.

29. Беркман М.И., Попов В.А., Шклярский Я.Э. Контрольные измерения некоторых электрических параметров на горном производстве. Тезисы докладов. 2-ой Симпозиум «Автономное управление энергообъектами ограниченной мощности», Ленинград, 1992, с.ЗЗ.

30. Асафов В.Н., Шклярский Я.Э. К вопросу о коммутации в сети среднего напряжения. Тезис докладов. 11-я международная конференция «Автоматизация в горном деле», Екатеринбург, 1992, с.111.

31. Беркман М.И., Попов В.А., Шклярский Я.Э. К вопросу о регламентации контрольных изменений. Тезис докладов. 11-я международная конференция «Автоматизация в горном деле», Екатеринбург, 1992, с.113.

32. Телегин В.Д., Шклярский Я.Э. Регулирование реактивной мощности на горных работах. Тезисы докладов. 7-ой Симпозиум «Современные проблемы энергоэлектроники и электромеханики», Устронь, 1997, с.88.

33. Телегин В.Д., Шклярский Я.Э. Новый подход к регулированию реактивной мощности. Тезисы докладов. Конференция «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», Воркута, 1998, с. 56.

34. Шклярский Я.Э. Регулирование потоков реактивной мощности в сетях горных предприятий. Сборник докладов VI международной конференции «Новые идеи в науках о земле», Москва, 2003, с. 239.

Патенты на изобретения и свидетельства на полезную модель

35. Регулирующее устройство. Авт. Св-во. №1561114 от 03.01.1990. Бюл. № 16. (А.С. Кущ).

РИЦ СПГГИ. 15.03.2004.3.115. T.10Q экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

f~j rn

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Шклярский, Ярослав Элиевич

Введение.

Глава 1. Научно-технические проблемы управления потоками реактивной мощности.

1.1. Общая характеристика проблемы управления потоками реактивной мощности.

1.2. Состав и характеристики потребителей и источников реактивной мощности, выполняющих функции регуляторов реактивной мощности.

1.3. Эксплуатационные характеристики регуляторов РМ.

1.4. Задача ранжирования регуляторов РМ.

1.5. Взаимосвязь управления потоками реактивной мощности с выбором мощности компенсирующих устройств.

1.6. Требования к надежности работы регуляторов РМ 34 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

Глава 2. Концепция регулирования реактивной мощности.

2.1. Обобщенная схема электротехнического комплекса горных предприятий.

2.2. Комплекс потребителей и источников реактивной мощности предприятия.

2.2.1. Асинхронный двигатель.

2.2.2. Конденсаторная батарея.

2.2.3. Синхронный двигатель.

2.2.4. Устройство компенсации РМ с применением преобразователей с активным передним фронтом (УКТиН).

2.2.5. Факторы, влияющие на изменение потока РМ.

2.2.6. Обобщенная статическая характеристика.

2.2.7. Показатель глубины регулирования.

2.3. Структура формирования графика РМ.

2.4. Ранжирование регуляторов РМ.

2.4.1. Ранг регуляторов.

2.4.2. Классификация регуляторов РМ.

2.4.3. Взаимосвязь регуляторов РМ.

2.4.4. Методика ранжирования регуляторов РМ.

2.5. Выбор дополнительных источников РМ.

2.6. Регулирование потоком РМ в узле нагрузки.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

Глава 3. Эксплуатационные факторы, определяющие надежность работы источников реактивной мощности (ИРМ) и формирование схем замещения сети.

3.1. Анализ повреждаемости КБ.

3.2. Анализ работы ФКУ.

3.3. Обобщенная принципиальная схема электрической сети.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

Глава 4. Установившиеся режимы работы сети.

4.1. Установившийся режим при отсутствии высших гармоник.

4.2. Установившийся режим с высшими гармониками.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

Глава 5. Переходные процессы при включении конденсаторных батарей и фильтро-компенсирующих устройств.

5.1. Характеристика переходных процессов при включении КБ и ФКУ.

5.2. Процесс перезарядки.

5.3. Аналитический подход к решению переходных процессов.

5.4. Анализ переходных процессов при включении КБ для различных режимов работы сети.

5.4.1. Включение КБ на холостом ходу сети.

5.4.2. Включение КБ при наличии УПК.

5.4.3. Включение КБ на холостом ходу участковых трансформаторов 6/0,66 кВ.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5.

Глава 6. Переходные процессы при выключении КБ.

6.1. Характеристика переходных процессов при выключении КБ.

6.2. Формирование дифференциальных уравнений при выключении КБ.

6.3. Анализ переходных процессов на холостом ходу сети.

6.4. Анализ переходных процессов при использовании установки продольной компенсации (УПК).

6.5. Анализ переходных процессов при холостом ходе участковых трансформаторов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6.

Глава 7. Принципы обеспечения надежности управления потоками реактивной мощности.

7.1. Условия обеспечения электромагнитной совместимости работы электротехнического комплекса предприятия при регулировании потоками РМ.

7.2. Способы уменьшения токов включения КБ.

7.3. Совокупность регуляторов реактивной мощности.

7.4. Регулирование потоков РМ автоматизированной системой управления.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 7.

Введение 2004 год, диссертация по электротехнике, Шклярский, Ярослав Элиевич

В настоящее время одной из важнейших проблем повышения конкурентоспособности отечественного производителя на мировом рынке является снижение энергетической составляющей в структуре себестоимости продукции. Оплата за электроэнергию включает в себя систему скидок и надбавок за реактивную мощность.

Нерациональное управление потоками реактивной мощности (РМ), низкая надежность электротехнического комплекса горного предприятия, наличие высших гармоник в сети, появление все новых технических средств приводят к увеличению оплаты за электроэнергию, сокращению срока службы, затрат на техническое обслуживание и ремонт электрооборудования. Широкое внедрение новых технических устройств, являющихся источниками высших гармоник, заставляет посмотреть на проблему компенсации совсем с другой стороны, а именно - на первом этапе необходимо уменьшать влияние гармоник на устройства компенсации РМ, а на втором этапе обеспечивать бесконфликтную работу электротехнического комплекса, содержащего регуляторы РМ. Большое потребление реактивной мощности вызывает увеличение потерь мощности и напряжения, а значит, ухудшает качество электроэнергии, как в системе, так и в сетях предприятия. В ряде случаев перегрузка элементов системы электроснабжения предприятия обусловлена высоким уровнем потребления РМ, что значительно влияет на процесс добычи и переработки полезных ископаемых.

Это объясняется рядом причин: большой протяжённостью линий электропередачи, реактированием присоединений и многоступенчатостью напряжений в электрических сетях, необходимостью поддержания напряжения в центрах электрических нагрузок (ЦЭН) на рациональном уровне; концентрацией нагрузки большой мощности в конце радиальных линий; территориальной рассредоточенностью нагрузки в трёх координатах, что затрудняет определение координат ЦЭН и реализацию взаимодействия между электроустановками в режиме текущего времени; сочетанием воздушных и кабельных линий, гальванической развязкой поверхностных и подземных сетей, необходимостью применения взрывобезопасного оборудования.

Оплата за реактивную мощность на предприятиях в разные годы составляла от 5 до 10 процентов от общих затрат на электроэнергию. За счет реактивной составляющей возникает перегрузка элементов системы электроснабжения предприятий. От уровня потребления РМ зависит качество электрической энергии. Все это обуславливает актуальность проблемы регулирования РМ с помощью комплекса потребителей и источников, включающего установки продольной компенсации (УПК), конденсаторные установки (КУ), фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ) и устройства коррекции тока и напряжения (УЕСТ и Н). Актуальность исследований, связанных с управлением потоками электроэнергии на предприятиях, подчеркивается работами ведущих ученых в данной области, в том числе работы Б.Н. Абрамовича, С.А. Волотковского, С.М. Гамазина, JI.B. Гладилина, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, Н.И. Зеленохата, О.В. Иванова, В.М. Квятковского, A.B. Кучумова, A.M. Лимитовского, Б.Г.Меньшова, Ю.П. Миновского, А.В.Орлова,

A.B. Праховника, Е.М. Проскурякова, Г.И. Разгильдеева, В.М. Рачека,

B.И. Серова, В.А. Строева, A.A. Федорова, Г.С. Хронусова, В.А. Чванова, Ю.Г. Шакаряна, В.В. Шевченко, В.И. Щуцкого и др. Работы этих ученых являлись исходной базой при проведении настоящих исследований, создании методов и средств эффективного воздействия на факторы, сберегающие энергоресурсы.

На современном этапе решение задачи управления потоками реактивной мощности должно осуществляться в пространственно-временной области с учетом взаимосвязи всех электроприемников, входящих в состав электротехнического комплекса предприятия для обеспечения бесконфликтного регулирования источниками и потребителями РМ при достижении рационального ее уровня. В связи с возросшими возможностями систем учета, контроля и управления потоками электроэнергии, появляется необходимость расширения методологических подходов к реализации мероприятий по снижению уровней затрат на электроэнергию в целом и, в частности, на реактивную мощность.