автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обоснование структуры и параметров, определяющих рациональную степень компенсации реактивной мощности в сложных электротехнических комплексах с нелинейными электрическими нагрузками

На правах рукописи

005005036 ИЛИАНА АНТОНИА ГОНСАЛЕС ПАЛАУ

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ РАЦИОНАЛЬНУЮ СТЕПЕНЬ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ С НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011

005005036

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент

Ведущее предприятие - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт Петербургский государственный политехнический университет».

Защита диссертации состоится 26 декабря 2011 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7212.

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

Автореферат разослан 25 ноября 2011 г.

Шклярский Ярослав Элиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Смоловик Сергей Владимирович,

кандидат технических наук

Лозовский Сергей Евгеньевич

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.В.ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях дефицита и увеличения стоимости энергоресурсов, роста объемов производства и инфраструктуры городов в различных странах мира все более актуальной становится проблема энергосбережения и, в частности, экономии электроэнергии. Большинство электрических установок наряду с активной мощностью потребляют и реактивную мощность, которая расходуется на создание электромагнитных полей и являются бесполезной для потребителя. Наличие реактивной мощности снижает качество электроэнергии. Одним из основных средств компенсации реактивной мощности являются конденсаторные батареи (КБ). Однако, несмотря на разработки в области выбора места подключения и параметров КБ, которые связаны с именами таких ученых как Арриллага Д.Ж, Перес А. И., Абрамович Б.Н., Железко Ю.С., Шклярский Я. Э. и др., появляются все новые обстоятельства, требующие возврата к этой теме. Во первых, работа КБ в условиях появления высших гармоник (ВГ) ухудшается, что приводит к неэффективной компенсации реактивной мощности. Во вторых, до сих пор не решена задача выбора и размещения компенсирующих устройств в сложных, разветвленных сетях электротехнического комплекса предприятия по нескольким техническим и экономические критериям.

В этой связи очевидна необходимость разработки алгоритма выбора компенсирующих устройств для сложных электрических сетей, содержащих гармонические искажения в напряжении и токе.

Цель работы. Повышение эффективности функционирования системы компенсации реактивной мощности путем реализации алгоритма выбора ее параметров, исходя из комплекса критериев, включающих технические и экономические показатели, учитывающие наличие гармонических искажений в напряжении и токе.

Основные задачи исследования:

1. Выявление зависимостей параметров элементов системы электроснабжения от действия высших гармоник для дальнейшего формирования схемы замещения электрической сети;

2. Оценка погрешности расчетов основных показателей режимов работы электрической сети с учетом и без учета влияния высших гармоник тока и напряжения;

3. Разработка программной реализации метода на основе сравнительного анализа существующих методов расчета позволяющей с заданной точностью рассчитать режимы работы электрической сети при наличии высших гармоник;

4. Разработка алгоритма и программной реализации выбора параметров компенсации реактивной мощности, включая фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ), позволяющего получить максимальные технический и экономический эффекты;

5. Оценка эффективности применения разработанного алгоритма на основе сравнения теоретических и практических исследований.

Идея работы. Для повышения коэффициента мощности, уменьшения потерь напряжения и мощности и повышения экономической эффективности компенсации реактивной мощности следует применять «метаэвристический» метод подхода к выбору мощности КБ с учетом уровня ВГ.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, математического моделирования электрических сетей, методы экспериментального исследования, методы итерационного решения матричных уравнений и эвристический метод.

Научная новизна работы:

1. Выявлены зависимости погрешности расчета потерь мощности и коэффициента мощности от спектра напряжения и тока в распределительной сети предприятия, учитывающие поверхностный эффект и вихревые токи в элементах электрического комплекса предприятия;

2. Обоснована структура алгоритма выбора параметров компенсирующих устройств, включая ФКУ, основанная на «метаэври-стическом» методе и позволяющая обеспечить эффективную компенсацию реактивной мощности, определяемую как техническими, так и экономическими критериями.

Защищаемые научные положения:

1. Выбор структуры и расчетных параметров элементов системы электроснабжения предприятия, содержащего двигательную линейную и нелинейную нагрузки, следует проводить на основании

выявленных зависимостей их сопротивления от поверхностного и вихревого токов, что повысит до 10 % точность определения основных показателей, характеризующих режим работы электрической сети.

2. Минимизацию целевой функции, сформированной на основе выбранных экспертами технических и экономических показателей эффективности управления потоками электроэнергии, обеспечивающей наиболее рациональную компенсацию реактивной мощности в сложных электрических сетях, следует проводить на основе «метаэв-ристического» алгоритма, включающего метод Чебышева и базирующегося на расчете сетей по методу Гаусса-Зейделя, что обеспечивает получение конечного результата с любой заданной точностью.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается достаточным объемом и близкой сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность диссертации:

1. Разработано программное обеспечение DYCSE для расчета сложных, разветвленных электрических сетей при наличии высших гармоник на основе метода Гаусса- Зейделя;

2. Разработана методика выбора параметров компенсирующих устройств на основе «метаэвристического» метода и составлена компьютерная программа для реализации указанной методики.

Реализация выводов и рекомендации работы. Рекомендации по выбору КБ и ФКУ с использованием программы DYCSE на механическом заводе «Густаво Машин», в больнице г. Moa и на предприятии «Эрнесто Че Гевара».

Личный вклад автора. Выявлены зависимости потерь мощности и коэффициента мощности от спектра гармоник напряжения и тока в электрической сети. Разработана программа по расчету режимов работы сети с высшими гармониками. Разработан алгоритм выбора параметров компенсирующих устройств, обеспечивающих эффективность компенсации реактивной мощности по техническим и экономическим критериям и разработана программа, соответствующая этому алгоритму.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Евро-

латиноамериканском семинаре инженерных систем (Перу 2005г), IV Международной конференции по использованию минеральных ресурсов и устойчивому развитию. «ISMM 2008», (Moa, Куба, 2008г), Международной конференции FIE'2008 (Сантьяго-де-Куба, Куба, 2008 г). XI Международном симпозиуме по электрооборудованию (Сьенфуэгос, Куба, 2009г), Евро-латиноамериканском семинаре инженерных систем (Гавана, Куба, 2009), Четвертом Международном семинаре по вопросам энергетики и окружающей среды (Сьенфуэгос, Куба, 2010г), Международной конференции «CINAREM» (Moa, Куба, 20 Юг).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 58 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 83 наименований и 4 приложений. Общий объем диссертации 128 страниц.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность.

В главе 1 приведена характеристика научно-технической задачи разработки методов выбора параметров компенсирующих устройств, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 показан анализ существующих схем замещения для сетей, содержащих ВГ. Приведены теоретические исследования зависимости величины коэффициента мощности и потерь мощности от поверхностного эффекта и вихревых токов.

В главе 3 приведена разработанная программная реализация метода расчета сложных, разветвленных электрических сетей, основанная на методе Гаусса-Зейделя и позволяющая вести расчет при наличии ВГ.

В главе 4 приведены обоснованная структура и выбор параметров компенсирующих устройств, включая ФКУ, для сложных электрических сетей, основанные на «метаэвристическом» методе и учитывающие наличие высших гармоник в сети.

В главе 5 приведены результаты внедрения разработанной методики на промышленных предприятиях с указанием технического и экономического эффектов.

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

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Выбор структуры и расчетных параметров элементов системы электроснабжения предприятия, содержащего двигательную линейную и нелинейную нагрузки, следует проводить на основании выявленных зависимостей их сопротивления от поверхностного и вихревого токов, что повысит до 10 % точность определения основных показателен, характеризующих режим работы электрической сети.

Для корректного расчета режимов работы сложной электрической сети с последующим выбором компенсирующих устройств необходимо как можно более точно смоделировать сеть. Моделирование сети при наличии высших гармоник имеет свои особенности. Рядом авторов установлено, что источниками высших гармоник могут быть как нелинейная нагрузка самого предприятия, так и питающая сеть. Способ представления в схемах замещения этих источников различный. В первом случае, нелинейность представляется источниками тока, а во втором источниками напряжения.

Расчет полной схемы замещения электрической сети, включая линейную нагрузку, производится методом наложения с учетом влияния высших гармоник на элементы схемы замещения и их значимости при расчете.

В работе проведено исследование влияния высших гармоник на элементы сети и, как следствие, на результаты расчета основных показателей эффективности компенсации реактивной мощности. К основным показателям отнесены коэффициент мощности и потери мощности в сети.

На основе анализа научно-технической литературы установлено, что реактивные элементы следует представлять в классическом виде.

Сопротивления активных же элементов в зависимости от частоты можно представить в двух видах. Первый учитывает поверхностный эффект, второй - вихревые токи.

В первом случае наиболее точная модель определяется выражением Я = Л,Vя™7', где /?,- сопротивление на первой гармонике, V -относительная частота, Лег/) - экспериментальный коэффициент, значение которого для различных элементов сети определяется опытным путем. Фактор вихревых токов (ФВТ) принято учитывать вы-

току на первой гармонике. Величина ФВТ также определяется экспериментальным путем.

На основе обобщенной схемы замещения и с учетом влияния высших гармоник был произведен расчет режимов работы сети и анализ его показателей. Результаты расчета представлены на рис. 1,

На рис. 1 и 2 показано три варианта зависимости коэффициента мощности от нагрузки предприятия, где приведены различные варианты учета поверхностного эффекта и вихревых токов:

ражением ц =

, 1 + ФЙГ-у 1+ ФВТ

, где Я]В- сопротивление вихревому

ч

2 иЗ.

2. Л = К,->/у; /? = «,

1+ФВТУ \ + ФВТ

ФВТ = 1;

3. /? = со/Ш.

Л»

1,05 1

0,95 0,9 0,85 0.8 0,75 0.7

_____—- ■-*•— ' 3

А 1—*— _—-—- 1 2

;——*—

/ ■ 1

Р, кВт

17000

10000 11000 12С00 13000 14000 15000 10000

Рис.I. Зависимость коэффициента мощности сети от мощности нагрузки при наличии нелинейной нагрузки на предприятии

Кч

1

0,9 0,3 0,7 0,6 0,5

0,4 10000

/1 Г" ------¡к.....- ••• -----------------, • 3

I . 2

' 1

р. кВт

11 ООО 12000 13000 14000 15000 16000 17000

Рис. 2. Зависимость коэффициента мощности сети от мощности нагрузки при наличии искажений со стороны питающей сети

Аналогичные зависимости, только для суммарных потерь активной мощности, показаны на рис. 3.

АРт 35000

30000

25000

20000

15000

10000

5000

0

3

у

2

\

/ \

/ \

/ \

Р. «Вт

10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000

Рис.3. Зависимость потерь мощности в активных сопротивлениях от мощности

нагрузки

Из анализа полученных зависимостей следует, что неучет поверхностного эффекта и фактора вихревых токов может привести к относительной погрешности при расчете коэффициента мощности, превышающую 10 %, а при расчете суммарных потерь до 10 %.

Таким образом, установлено, что при учете влияния высших гармоники, диапазон которых регламентируется стандартом, а именно до 40-ой гармоники, точность расчета режимов работы электрической сети может повыситься до 10 %.

2. Минимизацию целевой функции, сформированной на основе выбранных экспертами технических и экономических показателей эффективности управления потоками электроэнергии, обеспечивающей наиболее рациональную компенсацию реактивной мощности в сложных электрических сетях, следует проводить на основе «метаэвристического» алгоритма, включающего метод Чебышева и базирующегося на расчете сетей по методу Га-усса-Зейделя, что обеспечивает получение конечного результата с любой заданной точностью.

Для последующего анализа режимов работы электрической сети при наличии высших гармоник и выбора параметров компенсирующих устройств необходимо было выбрать метод расчета раз-

ветвленной электрической сети. На основе анализа существующих итерационных методов был выбран метод Гаусса-Зейделя, как наиболее быстро сходимый для условий электротехнического комплекса.

На основе выбранного метода была создан алгоритм расчета при наличии высших гармоник, представленный на рис.4.

Расчет ведется на каждой гармонике с последующим применением метода наложения для определения основных параметров режима работы сети.

Соответствующая алгоритму компьютерная программа, разработанная при участии автора названа DYCSE.

Для подтверждения ее эффективности в работе сравнивались результаты расчёта по DYCSE с результатами расчёта по другим программам, опубликованным в литературе. Так, сравнение для одних и тех же схем по программе Stagg-El Abiad и программе по данным IEEE 399-1997 показали, что погрешность не превысила 1%.

Представленный метод расчета использован в качестве составной части в общем алгоритме выбора параметров компенсирующих устройств. Поиск решения многокритериальной задачи по выбору параметров компенсирующих устройств прежде всего связан с проблемой подготовки к принятию решений на основе формирования системного анализа с последующим моделированием изучаемого процесса. В работе принят метод анализа и синтеза, предложенный в 2000 году Арзолом.

Построение матриц узловых проводимостей для каждой гармоники [Уу] Т

Рис. 4. Алгоритм расчета электрической сети

Иллюстрацией этого метода является схема, представленная на рис. 5.

и, ик ¿. а, ,1-1 1'-1

процесс решекня

-»Ц -* У.

Рис. 5. Формализация анализа

Где ик, (3, ..Л - параметры независимых воздействий на систему, X, + Хп - параметры технических устройств, подлежащие изменению в процессе исследований, У, + Ут - технические и экономические показатели.

Для выбора показателей на выходе системы (У;.) был выбран экспертный метод, включающий привлечение экспертов, работа с которыми включает в себя следующие этапы:

1. Выбор экспертов на основе их квалификации;

2. Сбор данных, отражающих мнение группы экспертов;

3. Определение веса выбранных экспертами показателей.

Так, для предприятия, на котором внедрены результаты работы, были определены следующие показатели (Г,), определяющие эффективность компенсации: напряжение в узлах сети; коэффициент мощности; коэффициент гармонических искажений; потери мощности в сети; экономическая эффективность. Эти показатели приняты в качестве критериев.

В качестве входных величин (X;) приняты параметры элементов системы электроснабжения, подвергаемых изменению. К ним относятся мощность БК, параметры ФКУ, диапазон изменения напряжения на трансформаторах со ступенчатым регулированием напряжения.

Поиск эффективного решения по компенсации реактивнои мощности представляет собой сложную задачу, для решения которой в работе был разработан алгоритм, основанный на эвристическом подходе.

Для поиска пешения создается целевая функция

где У су и Ус1} - соответственно расчетные и желаемые значения выходной величины, IV, и Хк - соответствующие весовые коэффициен-

Решением считается получение минимального значение вы->й 2Гт при стабилизации решения с заданной погрешностью е.

ты.

Рис.6. Алгоритм выбора мощности компенсирующих устройств.

Алгоритм выбора параметров компенсирующих устройств показан на рис. 6 и включает в себя следующие этапы:

- расчет по методу Гаусса-Зейделя и ввод показателей режимов работы электрической сети заданной конфигурации с расчетными нагрузками;

- определение гармонического состава напряжения и тока в узлах сети;

- выбор фильтрокомненсирующих устройств с определением их компенсирующей способности;

- выбор, на основе экспертного заключения, показателей, характеризующих эффективность компенсации реактивной мощности;

выбор диапазона изменения параметров технических устройств, образующих систему, на основе которые производится регулирование выходных величин (У,), обеспечивающих минимум 2Т;

- формальное определение частной целевой функции 2К;

- определение весовых коэффициентов для каждой 21 в.}-ом

узле;

- определение ограничений по Yd ■|;

- кодирование дискретного диапазона изменения входных величин X,;

- поиск решения для 2Т при заданном е.

Ограничения по У?/, определяются исходя из опыта эксплуатации электротехнической системы предприятия.

Кодирование изменения входных данных может быть как цифровым, так и буквенным и должно отражать состояние устройства на уровне «включено-выключено» и параметры в дискретном диапазоне его изменения.

Решение можно получить на основе метода Чебышева. Однако в этом случае количество вычислении для разветвленной сети, т.е. перебор вариантов, может достигать несколько сотен тысяч. Иллюстрацией для этого могут быть данные расчета, приведенные на рис. 7, где показано количество расчётных точек всего для 10% от возможного.

Для уменьшения количества расчетных точек и сокращения времени расчета в работе был применен и реализован в программном виде «метаэвристический» метод.

Существенным моментом при реализации представленного алгоритма является определение количества изменения сочетаний параметров Х1 при достижении значения 2тт. Исследования показали, что при заданном диапазоне изменения любого параметра, применяемого для решения поставленной задачи компенсации реактивной мощности в электрических сетях, достаточно количество сочетаний ограничить 5 % от всех возможных его значений. Такое утверждение следует из анализа зависимости, представленной на рис.8, на рисунке показано изменение 2тш от процентного соотношения количества изменений параметра X,- (п), где К- общее количество возможного его изменения, а п достаточное количество изменений, гт = г,тп ПРИ п =

Рис. 8. Зависимость изменения Ztnin от n/N

В результате реализации алгоритма получается множество решений с минимальными значениями целевой функции. Задача эксперта заключается в выборе рабочего варианта.

Представленный выше алгоритм был реализован при определении параметров компенсации реактивной мощности предприятия «Эрнесто Че Гевара». В условиях наличия высших гармоник в электрической сети предприятия были выбраны параметры фильтроком-пенсирующих установок и конденсаторных батарей, соответствующих стремлению Zr к минимуму.

Для указанного предприятия было получено несколько эффективных решений для всех Y¡, из которых было выбрано одно с суммарным расчетным экономическим эффектом в 121515 долларов США.

Представленная методика была рекомендована для предприятий республики Куба, а именно для завода «Густаво Машин» и больницы г. Moa.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи повышения технических и экономических показателей работы электрической сети на основе повышения эффективности компенсации реактивной мощности в электротехнических комплексах предприятий, содержащих нелинейную двигательную нагрузку.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Выявлены зависимости параметров элементов системы электроснабжения от действия высших гармоник. Установлено, что неучет высших гармоник в виде скин-эффекта и вихревых токов приводит к погрешности определения активного сопротивления и погрешности в расчете активных потерь мощности в пределах 10%.

2. Разработала программная реализация метода, основанного на методе Гаусса-Зейделая, позволяющая рассчитать режимы работы электрической сети, в том числе и при наличии высших гармоник и обеспечивающего заданную точность расчета.

3. Разработан алгоритм и методика выбора параметров компенсации реактивной мощности, включая ФКУ, позволяющие получить желаемый технический и экономический эффекты.

4. Доказана эффективность применения разработанной методики на примере ее внедрения на обогатительном электротехническом комплексе предприятия «Эрнесто Че Гебара», г. Moa, Куба. Экономической эффект от внедрения компенсации реактивной мощности составил 121515 долларов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гонсалес И. Моделирование электрической сети и расчет ее режимов при наличии нелинейных искажений // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехничехнического университета. СПб, 2011. № 4. С. 162-170.

2. Гонсалес И. Выбор параметров экономически выгодной компенсации реактивной мощности // Записки Горного института РИЦСПГГУ. СПб, 2011. Том 194. С 125-130.

3. Гонсалес И. Оптимизация компенсации реактивной мощности в сложных электрических сетях / Я.Э. Шклярский, И. Гонсалес // Записки Горного института. РИЦ СПГГУ. СПб, 2011. Том 194.С 130-135.

4. Гонсалес И. Компенсация реактивной мощности в электрически сети / Марреро Р. С., И. Гонсалес // Горное дело и геология. Moa, Куба, 1999. Vol XI. С. 13-15.

5. Гонсалес И. Программное обеспечение оптимизации и контроля распределения реактивной мощности // Энергетика. Гавана Куба, 2004. Vol XXV. № 2. С. 67- 69.

6. Гонсалес И. Оптимизация распределения реактивной мощности в электрических сетях промышленных предприятии. Часть I / Р. С. Марреро, J1.A. Jlerpa, И. Гонсалес // Энергетика. Гавана, Куба,

2006. Vol XXVII. № 2. С. 113-117.

7. Гонсалес И. Оптимизация распределения реактивной мощности в электрических сетях промышленных предприятии. Часть II / Р. С. Марреро, J1.A. Легра, И. Гонсалес // Энергетика. Гавана, Куба,

2007. Vol XXV. №2. С. 156-161.

РИЦ СПГГУ. 23.11.2011.3.670 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

ВВЕДЕНИЕ.

1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ.

1.1. Обзор современных методов выбора параметров компенсирующих устройств.

1.2. Характеристика систем электроснабжения металлургических предприятий.

1.3. Цель и задачи научных исследований.

1.4. Выводы к Главе 1.

2. РАЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКОВ НАГРУЗКИ ПРИ НАЛИЧИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК.

2.1. Схемы замещения сетей при наличии высших гармоник.

2.1.1. Определение значимых элементов схемы замещения сети.

2.1.2. Влияние высших гармоник на элементы электрической сети.

2.1.3. Оценка учета несинусоидальности при расчете электрических сетей.

2.2. Выводы к главе 2.

3. МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА ПОТОКОВ НАГРУЗКИ ПРИ НАЛИЧИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК.

3.1. Сравнение методов расчета электрических сетей.

3.2. Расчет электрических сетей при наличии высших гармоник.

3.3. Выводы к Главе 3.

4. КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ПРИ НАЛИЧИИ ИСКАЖЕНИЙ В СЕТИ.

4.1. Принципы компенсации реактивной мощности.

4.2. Компенсация реактивной мощности — многокритериальная задача.

4.3. Выбор метода оптимизации компенсации реактивной мощности.

4.4. Сравнение моно и многокритериальных задач.

4.5. Выводы к главе 4.

5. КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРЕДПРИЯТИИ ИМ. ЭРНЕСТО ЧЕ ГЕВАРА.

5.1. Характеристика электротехнического комплекса предприятия.

5.2. Выбор рациональной компенсации реактивной мощности.98

5.3. Экономическая оценка эффективности компенсации реактивной мощности.

5.4. Выводы к главе 5.109.

Потоки реактивной мощности увеличивают потери в проводниках, составляющих электротехническую систему, снижают эффективность работы генераторов и энергосистемы в целом. Увеличение оплаты за потребление электроэнергии, обусловленное реактивной мощностью, привело к необходимости рассматривать эту проблему как составную часть общей политики повышения энергоэффективности предприятий, составляющих общую энергетическую систему Кубы. Формирование рациональной величины коэффициента мощности позволяет транспортировать в энергосистеме больше активной мощности, уменьшить потери мощности и повысить качество электроэнергии.

На Кубе применяется существующий международный стандарт качества электроэнергии в электрических сетях - ЕЙ 50160, который устанавливает параметры качества.

Одним из факторов, влияющих на качество электроэнергии является компенсация реактивной мощности.

В качестве компенсаторов реактивной мощности следует выделить прежде всего конденсаторные батареи (КБ) и синхронные двигатели с перевозбуждением.

Наиболее простым в эксплуатации и поэтому наиболее распространенным способом компенсации реактивной мощности является применение КБ.

Однако конденсаторы практически никогда не работают в строго номинальных условиях. Это объясняется тем, что напряжение электрической сети изменяется во времени в зависимости от вариации нагрузок. Кроме того, формы кривых напряжений и токов в большей или меньшей степени могут отличаться от синусоидальных. Причиной этого является насыщение трансформаторов и главным образом наличие нелинейной нагрузки. Несинусоидальность кривой напряжения достигает в ряде случаев 10-15%, что ухудшает условия работы КБ, а иногда делает невозможным использование конденсаторных батарей. Возрастает количество отключений КБ в условиях появления высших гармоник, возникающих как со стороны самого предприятия, так и со стороны внешнего источника относительно ввода предприятия, что приводит к неэффективной компенсации реактивной мощности. Также увеличиваются потери мощности и напряжения, сокращается срок службы КБ. Следовательно, снижается эффективность функционирования электротехнического комплекса в целом. Отсюда следует, что при выборе параметров КБ необходимо прежде всего проанализировать состояние цепи с точки зрения искажений. Кроме этого выбор мощности КБ и мест их установки в разветвленных сетях представляет собой сложную многокритериальную задачу, связанную с потерями энергии, коэффициентом мощности и показателями качества электроэнергии.

Несомненно, при выборе рациональной степени компенсации реактивной мощности, необходимо получить максимально возможный экономический эффект при обеспечении его компромисса с техническими показателями.

В конечном итоге, уменьшение в распределительных сетях потоков реактивной мощности за счет ее компенсации позволит:

- обеспечить подключение дополнительных нагрузок, увеличив тем самым установленную мощность при наличии в энергоузлах тех же объемов активной мощности и той же пропускной способности сетей;

- самому потребителю увеличить производственные мощности без увеличения тока в сети; улучшить технико-экономическую эффективность системы электроснабжения;

- повысить устойчивость энергетической системы в целом.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Выявлены зависимости параметров элементов1 системы ( , ' электроснабжения! от действия высших гармоник. Установлено; что неучет высших гармоник в виде скин-эффекта и вихревых токов приводит к, погрешности определения активного сопротивления и погрешности в расчете активных потерь мощности в пределах 10%.

2. Разработана программная реализация метода- основанного на методе . Гаусса-Зейделая, позволяющая рассчитать режимы;: работы электрической сети, в том .числе: и при; наличии; высших гармоник и обеспечивающего заданную точность расчета.

3. Разработан алгоритм и методика выбора параметров компенсации реактивной мощности,, включая: ФКУ, позволяющие; получить, желаемый технический и экономический эффекты.

4. Доказана эффективность. применения разработанной методики?: на примере ее, внедрения на обогатительном электротехническом комплексе предприятия «Эрнесто Че Гебара», г. Moa, Куба. Экономической эффект от внедрения компенсации реактивной мощности составил 121515 долларов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи повышения технических и экономических показателей работы электрической сети на основе повышения? эффективности,; компенсации реактивной; мощности в электротехнических комплексах предприятий; содержащих нелинейную двигательную нагрузку.

1. Абрамович Б.Н., Тарасов Д.М., Устинов Д.А., Сычев Ю.А. Проблемы контроля и компенсации гармонических искажений в сетях предприятий цветной металлургии // Цветные металлы. — 2008. — № 9. С.90-94.

2. Абрамович Б.Н., Полищук В.В. Надежность систем электроснабжения: Учебное пособие / СПГГИ. СПб, 1997. - 37 с.

3. Абрамович Б.Н., Устинов Д.А. Электропривод и электроснабжение горных предприятий: Учебное пособие / СПГГИ. СПб, 2004. - 84 с.

4. Агунов A.B. Статический компенсатор неактивных составляющих мощности с полной компенсацией гармонических составляющих тока нагрузки // Электротехника. 2003. - № 2. - С.47-50.

5. Асафов В.Н. Разработка секционированной конденсаторной установки для сети горного предприятия с вентильной нагрузкой: дис. на соискание ученой степ. канд. техн. наук: 05.09.03. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1994.

6. Бурман А.П., Виссарионов П.А. Основы современной энергетики. -М.: Изд-во МЭИ, 2003. 454 с.

7. Волков A.B., Волков В.А. Компенсация мощности искажений и реактивной мощности посредством активного фильтра с прогнозируемым релейным управлением // Электротехника. 2008. - № 3. - С.2-10.

8. Глухарев Ю.Д., Замышляев В.Ф. Техническое обслуживание и ремонт горного оборудования. М.: Издательский центр Академия, 2003. — 400 с.

9. Глушков В.М., Грибин В.П. Компенсация реактивной мощности. -М.: Энергия, 1975. 104 с.

10. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

11. ГОСТ Готман В.И., Маркман Г.З. Задачи обследования системы компенсации реактивной мощности // Промышленная энергетика. 2006. -№ 8. - С.50-55.

12. Гонсалес И. Моделирование электрической сети и расчет ее режимов при наличии нелинейных искажений // Записки Горного института. РИЦСПГГУ. СПб, 2011. Том. 194. С 130-135.

13. Гонсалес И. Выбор параметров экономически выгодной компенсации реактивной мощности // Записки Горного института. РИЦ СПГГУ. СПб, 2011. Том 194. С 125-130.

14. Гонсалес И. Оптимизация компенсации реактивной мощности в сложных электрических сетях / ЯЗ. Шклярский, И. Гонсалес // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. СПб, 2011. № 4. С. 162-170.

15. Дементьев Ю.А., Кочкин В.И., Мельников А.Г. Применение управляемых статических компенсирующих устройств в электрических сетях // Электричество. 2003. - № 9. - С.2-10.

16. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2000. — 252 с.

17. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабженияпромпредприятий. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1986. —1168 с.

18. Жежеленко И.В., Рабинович М.Л., Божко В.М. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. — К.: Техника, 1981. — 160 с.

19. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 224 с.

20. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 200 с.

21. Железко Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 176 с.

22. Зевеке Г.В. Основы теории цепей. 4-е изд., перераб. - М.: Энергия, 1975.-752 с.

23. Каялов Г.М. Основы построения промышленных электрических сетей / М.: Энергия, 1978. 352 с.

24. Кириенко В.П., Слепченков М.Н. Комплексное устройство компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с управляемыми выпрямителями // Электричество. 2006. — № 11.— С.33-40.

25. Компенсация реактивной мощности ключ к снижению энергопотребления // Технологии энергосбережения Сибири. 2009. - С.2-13.

26. Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов. М.: Академия, 2004.320 с.

27. Корнилов Т.П., Храмшин Т.Р. Современные способы компенсации реактивной мощности крупных металлургических приводов // Электромеханика. 2009. - № 1. — С.28-31.

28. Кумаков Ю.В. Инверторы напряжения со ступенчатой модуляцией и активная фильтрация высших гармоник // Новости электротехники. 2005. № 6.

29. Кучумов JI.A., Спиридонова JI.B. Потери мощности в электрических сетях и их взаимосвязь с качеством электроэнергии. JL: Изд-воЛПИ, 1985.-92 с.

30. Максимов A.B., Паули В.К. Компенсация реактивной мощности -актуальная задача энергосбережения//Электро. 2009.-№ 3.-С.7-10.

31. Михайлов В.В. Надежность электроснабжения промышленных предприятий. М: Энергоатомиздат, 1992. - 150 с.

32. Пронин М.В. Активные фильтры высших гармоник. Направления развития // Новости электротехники. 2006. - № 2.

33. Розанов Ю.К., Гринберг Р.П. Гибридные фильтры для снижения несинусоидальности тока и напряжения в системах электроснабжения // Электротехника. 2006. - № 10. - С. 55-60.

34. Скамьин А.Н. Обоснование структуры и параметров системы компенсации реактивной мощности при наличии высших гармоник в напряжении и токе: дис. на соискание ученой степ. канд. техн. наук: 05.09.03. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2011.

35. Феодоров A.A. Электроснабжения промышленных предприятий /I1. Энергоисдат, 1986-340с.

36. Чаплыгин Е.Е., Ковырзина О.С. Компенсация неактивных составляющих полной мощности дуговых сталеплавильных печей // Электричество. 2009. -№11.- С.30-37.

37. Черепанов В.В. Методика анализа несинусоидальных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий // Электротехника. -1989.-№17.

38. Шклярский Я.Э. Методы и средства повышения эффективности управления потоками реактивной мощности электротехнических комплексовгорнодобывающих предприятий: дис. на соискание ученой степ. докт. техн.наук: 05.09.03. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2004.

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

40. Шклярский Я.Э., Ситников Д.А., Скамьин А.Н. Уменьшение влияния высших гармоник на работу электротехнического комплекса горногопредприятия // Сб. Записки Горного института. — 2008. том 178. - С.162-165.

41. Шклярский ЯЗ., Скамьин А.Н. Способы уменьшения влияния высших гармоник на работу электрооборудования // Сб. Записки Горного института. -2011. том 189. - С. 121-124.

42. Anderson ЕЕН. Modeling and analysis of electric power systems / EEH 2003- p.150.

43. Aydogan O., Yun L., Singh C. Post-outage reactive power flow calculations by Genetic Algorithms: constrained optimization approach // IEEE Transactions on Power Systems, vol. 20, no. 3, august 2005. p-105-111.

44. Arrillaga J, Smith B, Watson N у Wood A. Power System Harmonic Analysis // IEEE Transactions on Power Systems. 1997 p. 67-72.

45. Arzola R. J. System Engineering / Felix Varela. 2000 p.350.

46. Arzola R.J, Simeon R.M, A. Maceo. The integration of variables method: a generalization of genetic algorithms // 2003- p. 35-40.

47. Delfanty M., Guerrero P. Optimal Capacitor Placement using Deterministic and Genetic Algorithms // IEEE. Transaction on Power Systems Vol. 15 N°3, 2000-p. 145-152.

48. Dong Z., Makarov B. Advanced Reactive Power Planning by a Genetic Algorithm // Power Systems Computation Conference: PSCC'99, 1999 p. 96 -117.

49. ESA. The graphical solution for power system analysis// Easy Power Copyright 1991-2006 p. 240.

50. Gilker В. Power Quality Compensation Using Universal Power Quality Conditioning System // IEEE Power Ingineering. 2000- p. 45-54.

51. Giinjelen J., Ruskaert A. Influence of electric power distribution system design on harmonic propagation // Springer 2003- p. 97-105.

52. Gonzalez P.I., Marrero R.S. Компенсация реактивной мощности в электрически сети // Горное дело и геология. 1999- р. 13-15.

53. Gonzalez P.I. Программное обеспечение оптимизации и контроля распределения реактивной мощности // Энергетика. Vol. XXV. № 2. 2004- р. 67-69.

54. Gonzalez P.I., Marrero R.S., Legra L.A. Оптимизация распределения реактивной мощности в электрических сетях промышленных предприятии. Часть I // Энергетика. Vol. XXVII. № 2. 2006- p.l 13-117.

55. Gonzalez P.I., Marrero R.S., Legra L.A. Оптимизация распределения реактивной мощности в электрических сетях промышленных предприятии. Часть 11 // Энергетика. Vol. XXV. № 2. 2007- р.156-161.

56. Grudinin N. Reactive power optimization using successive quadratic programming method // IEEE Transaction on Power Systems Vol 13 N°4 1998-p.56-62.

57. Holland J. H. Adaptation in Natural and Artificial Systems / University of Michigan Press, 1976 p. 269.

58. Hernández Galicia, Julio A. y Gómez Nieva Rolando. Reactive compensation planning by evolutionary programming //. IEEE. 2000- P.45-52.

59. IEEE. Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis / STD 399-1997. p. 589.

60. IEEE Std 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, 1992.p.

61. Karrillo G. Arrillaga I. Optimal Reconfiguration of Distribution Networks with a Heuristic Truncated Enumeration Algorithm // Halifax, 2000. C. 158-164

62. General Electric catalog / 2007. p.450.

63. Kasas F. L. Электро энергетические системы// Мир. 1991- p. 60.

64. Kannan S. Narayana P. Application and Comparison of Metaheuristic Techniques to Generation Expansion Planning Problem // IEEE Transactions On Power Systems, Vol. 20, №. 1, 2005. p. 1190-1195.

65. Kenjy I. Calculation of reactive power service charges under competition of electric power industries // Electrical Engineering 85 SpringerVerlag 2003. p.169-175.

66. Koello С. А. Введение в эвристического программирования / энергия, 2004- р. 389.

67. Gardiner 1. R. у Steuer R.E. A heuristic for estimation nadir criterion values in multiple objetive linear programming // Universidad of Georgia. 1993- p. 1-45.

68. Karainova J.N., Narula S.C. y Vasiliev V. An interactive procedure for multiobjetive integerprogramming problems // IEEE Transaction on Power Systems Vol 13 N°1 1998. p. 1200-1210.

69. Man K., Tang K., Kjong S. Genetic Algorithms: Concepts and Applications// IEEE Transactions on Industrial Electronics. V. 43, №. 5.1996. p.519 533.

70. Pirez F., Gomez M.A. Multiobjective Model for VAR Planning in Radial Distribution Networks Based on Tabu Search // IEEE Transactions On Power Systems, Vol. 20, №. 2, 2005- p.45-55.

71. Pileggy M. Metaheuristics for multiple objective combinatorial optimization / IMM. 1998-p.45.

72. Perez X., Fuerte E. Advanced SVC models for Newton Raphson load flow and Newton Power flow studies //IEEE Transaction on Power Systems Vol 15 N°1 .2000-p. 1256-1261.

73. Perez I., Gonzalez X. VAR Compensation by Sequential Quadratic Programming // IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 18, №. 1, February 20030- p. 345-349.

74. Rios S., Naranjo A., Escobar A. Modeling of electrical systems in the presence of harmonics // IEEE Transactions on Power Systems Vol. IX, № 22, 2003-p. 987-993.

75. Salam, Chickhani, Hackman. A probabilistic Heuristic for a Computationally Difficult Set Covering Problem // Operation Research Letters, Vol. 8, 1994. p. 67-71.

76. Soria E. Meta-Heuristics: Theory and Applications / Kluwer Academic Publishers. 2003. p. 192.

77. Shperling B.R., Sims T.R. and Xu W. Modelling and simulation of the propagation of harmonics in electric power networksT // IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11, No. 1, January 1996, p. 456- 462.

78. Stagg G.W. and El-Abiad A.H. Computer Methods in Power System Analysis// McGraw-Hill, 1968,p-421.

79. Sapag Chain N. y Sapag Chain P. Financiación de empresa / Universidad de Barcelona. 1993, p-189.

80. Stevenson W.D. Análisis de Sistemas de Potencia / McGraw-Hill. 1977,1. C.731.

81. XeidT G., Grady M. Optimal Vary Sitting Using Linear Load Flow Formulation // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. 102, 1983, p. 1214-1222.

82. Xyr P. Analysis iterative of reactive power compensation in distribution networks // Energy. 2003, p. 234-238.

83. Zhang Y. Optimal Reactive Power Dispatch Considering Costs of Adjusting the Control Devices // IEEE Transactions On Power Systems, Vol. 20, No. 3. 2005, p. 1200-1207.