автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения

005006006 На правах рукописи

Богачев Василий Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 ДЕК 2011

Санкт-Петербург 2011

005006006

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) на кафедре Электротехнологической и преобразовательной техники (ЭТПТ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

кафедры ЭТПТ СПбГЭТУ (ЛЭТИ) Кошелев Пётр Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кафедры Систем автоматического управления (САУ) СПбГЭТУ (ЛЭТИ) Поляхов Николай Дмитриевич;

кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургского государственного заочного технического университета (СЗТУ) Ермолин Сергей Александрович.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский национальный

исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО)

Защита диссертации состоится «28» декабря 2011 года в 18.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «25» ноября 2011 года.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.05, к. т. н.

М. П. Белов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Вопросы повышения эффективности использования энергетических ресурсов, в том числе электрической энергии, имеют принципиальное значение для устойчивого развития экономик и роста внутреннего валового продукта (ВВП) стран. На принятие действенных мер, обеспечивающих эффективное использование электрической энергии, направлена работа многих ученых и научно-исследовательских организаций по всему миру.

Актуальность темы обусловлена, главным образом, современными социально-экономическими тенденциями, приводящими к росту общей энергоемкости промышленных и бытовых потребителей, связанной, в частности, с количественным распространением различных электротехнических комплексов и систем, качественными изменениями режимов и графиков потребления электрической мощности, а также с увеличением протяженности магистральных, промышленных и бытовых электрических сетей.

В результате отмеченных тенденций, возникает недостаток генерируемой электростанциями мощности, появляется необходимость строительства дополнительных станций, комплексов автономной или систем распределенной генерации. Это сопряжено с большими экономическими затратами и значительными экологическими ущербами, которые можно минимизировать, а в некоторых случаях и полностью исключить, если обеспечить повышение энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения.

Под энергоэффективностью электротехнических комплексов и систем электроснабжения в общем случае понимается рациональное и эффективное использование мощности, потребляемой от источников электроэнергии, при сохранении параметров качества сети, питающей промышленных и бытовых потребителей.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в разработке методов и средств повышения энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения за счет минимизации потерь при передаче мощности от источников электроэнергии к потребителям, а также за счет повышения показателей эффективности электропотребления и качественных показателей электроэнергии питающей сети.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Предложить методику анализа параметров, характеризующих специфику потребления мощности при работе электротехнических комплексов и систем электроснабжения различного назначения.

2. Предложить критерий энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, а также методику его измерения и расчета.

3. Разработать методику повышения пропускной способности ЛЭП переменного тока на основе принципа элементарной параметрической адаптации.

4. Предложить методы и разработать устройства адаптивной компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, обеспечивающие выполнение требований к энергетическим показателям

электротехнических комплексов и систем электроснабжения, в соответствии с предложенным критерием энергоэффективности.

Методы исследований. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В диссертации использованы основные положения теоретической электротехники, аппараты математического анализа, тригонометрии, теории вероятностей, линейной алгебры, современные методы и программные средства компьютерного моделирования электротехнических комплексов и динамических систем: Ма1:1аЬ-5ти1тк, МАТНСАБ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов.

2. Коэффициент энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения и методика его измерения.

3. Методика повышения пропускной способности ЛЭП переменного тока с реализацией принципа элементарной параметрической адаптации.

4. Адаптивные методы и реализуюшие их устройства компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, обеспечивающие повышение энергоэффективности по выбранному критерию.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Предложена методика анализа и расчета характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов, которая с высокой точностью отражает реальные электроэнергетические процессы.

2. Предложен общий критерий показателей эффективности электропотребления и параметров качества электроэнергии, в виде коэффициента энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, а также методика его измерения.

3. Предложена методика повышения энергоэффективности и пропускной способности ЛЭП переменного тока на основе принципа элементарной параметрической адаптации.

4. Разработаны и реализованы методы компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, обеспечивающие повышение энергоэффективности по предложенному критерию.

Достоверность научных результатов диссертационной работы, подтверждается опытными данными, полученными при помощи средств экспериментального компьютерного моделирования электротехнических комплексов и динамических систем, и практически полным совпадением этих данных с результатами расчетов при использовании известных аналитических выражений.

Практическая ценность работы.

1. Методика анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях, по мгновенным значениям напряжений и токов, предложенная в диссертационной работе, может быть использована в системах управления и контроля, в современных устройствах компенсации реактивной

мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, а также в различных цифровых контрольно-измерительных приборах.

2. Предложенный коэффициент энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, а также методика его измерения по мгновенным значениям напряжений и токов, могут найти широкое применение в цифровых измерительных приборах, устройствах управления, контроля и визуализации в реальном времени, в системах многопараметрической диагностики электроэнергетических систем (ЭЭС).

3. Методика и средства повышения энергоэффективности ЛЭП, предложенные в диссертационной работе, могут применяться при проектировании и строительстве ЛЭП различной протяженности, а также в комплексных мероприятиях по повышению их пропускной способности и минимизации потерь.

4. Разработанные методы и устройства адаптивной компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, могут использоваться в разнообразных электротехнических комплексах и системах электроснабжения промышленных и бытовых потребителей мощности.

Реализация и внедрение результатов диссертационной работы. Полученные в диссертационной работе результаты использовались: в ЗАО «НПО «Тепломаш» (г. Санкт - Петербург), в НПФ «Вектор-Ш» ОАО «НИИ «Вектор» (г. Санкт-Петербург), в ООО «СВЧ-Радиосистемы» (г. Санкт-Петербург), в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) внедрены в лекционные курсы и лабораторный практикум по дисциплинам: «Компьютерно-информационные технологии анализа и синтеза электротехнических комплексов» и «Силовая импульсная техника».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной научно-технической конференции «Передовые технологии, материалы и оборудование в сварке и родственных процессах» (г. Санкт-Петербург 2008 г.), на ХП-й международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты (МКЭЭЭ, г. Алушта 2008 г.), на 63-й и 64-й научно-технических конференциях СПбНТОРЭС им. А. С. Попова (Санкт-Петербург 2008, 2009 гг.), а также на 61 - 64 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (г. Санкт-Петербург, 2008-2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, среди них 4 статьи в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 8 патентов РФ и 8 работ в других изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка используемой литературы и изложена на 220 листах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и дана общая характеристика выполненной работы. Сформулированы цель, основные задачи, научная новизна и практические результаты.

В первой главе рассмотрены вопросы анализа физических характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях.

Центральное место в этих вопросах занимают проблемы, связанные с представлением электрических колебаний в спектрально-временной области и вычислением действующих значений базовых электрических величин. Известно, что работа любой электротехнической системы определяется токами в ветвях и напряжениями в узлах цепей. В сложных электротехнических системах изменения электрических величин от времени часто отличаются как от синусоидальных, так и от периодических функций. Напряжения и токи в этом случае могут рассматриваться как модулированные во времени колебания со случайными законами изменения амплитуд, начальных фаз и основных (несущих) частот:

u(t) = i/(t) ■ stn[2 • /(t) ■ я ■ t + <pu(t)]

О)

i(0 = I(C)-sm[2-f(t)-n-t + Vi(t)]

где U(t), I(t) и <pu(0, <pi(t) амплитуды и начальные фазы колебаний, изменяющиеся во времени, /(t) - основная частота колебаний в момент времени t.

Произвольные, модулированные во времени несинусоидальные и непериодические колебания, можно представить в спектрально-временной области в виде динамических тригонометрических рядов Фурье, аппроксимирующих разнообразные изменения колебаний (1):

п

u(t) = U0(t) + £ Uk{t) ■ sin[2 • /Э(С) ■ к ■ я ■ t + <puk{i)] к=1

(2)

П

i(t) = WO + Yj ' sint2' AW'k'n'1 + <Р;«К>] fc=i

где U0(t), /0(t) - значения постоянных составляющих напряжения и тока в момент времени t, Uk(t), lk(t) - значения амплитуд квазигармонических составляющих напряжения и тока в момент времени t, f3(t~) - относительная эталонная частота разложения ряда в момент времени /, <puk{t), (Pik(t) - значения начальных фаз квазигармонических составляющих напряжения и тока в момент времени t, к- порядок (номер) квазигармонической составляющей, п - порядок последней из учитываемых квазигармонических составляющих.

Амплитуды и начальные фазы отдельных составляющих ряда, которые являются изменяющимися во времени квазигармоническими колебаниями, могут быть найдены через квадратурные (ортогональные) проекции (реальную и мнимую части) a(t) и b(t) по формулам:

UM = VM012 + [/WOP

(3)

ш = VmoF+ТЩР

<puk(t) = arctg[^{|]

rMOl

<Р*(0 = агсЦ—j

Ортогональные проекции а (0 и Ь(0 вычисляются при помощи интегралов:

с

аМ = 2-ЛС0- | и(0-со5(2-/эС0-кчг-0

йг

/эСО

I

щ(1) = 2-№- I £(0-ок(2 -ш-л-я-о

¿г

(5)

I

Ьи(0 = 2-/,(0- | и(0-5ш(2-/э(0-/с-гг-0

¿с

_1_

Л(0

О = 2-/,(О- / «С0-81п(2-лС0-л-я-0

(¿С

(6)

Действующие (среднеквадратичные или эффективные) значения рассматриваемых сигналов и (О м ¡(0 определяются выражениями:

"дЮ =

I

№ ■ I [«СОР*

Л(0

(7)

«0 =

I

/,(0- / М012Л

/э(0

Формулы (1-7) широко применяются при анализе сигналов и расчете электроэнергетических процессов, протекающих в электрических цепях. Показано, что правильная интерпретация физических характеристик сигналов в спектрально-временной области в виде динамических рядов Фурье и действующих значений по формулам (2-7), достижима лишь в том случае, если известна основная частота /(Ь) колебаний (1). При помощи компьютерного моделирования в среде МаиаЬ-БшиНпк проведены экспериментальные исследования и дана оценка влияния отклонений частоты /(Ь) колебаний (1) от эталонной частоты разложения /3(£), при вычислении спектров и действующих значений сигналов по формулам (2-7). Доказано, что адекватную интерпретацию реальных физических характеристик сигналов можно получить только при

равенстве эталонной частоты разложения f3(t) и реальной частоты /(£) исследуемых колебаний (1). Отклонения частоты f(t) в электрических цепях и системах электроснабжения электротехнических комплексов определяются относительно медленными по сравнению с периодом несущих колебаний изменениями. В связи с глобальным характером значения основной (несущей) частоты /(£)> влияющей на точность и адекватность интерпретации характеристик сигналов, в работе рассмотрены современные методы определения частоты и выявлены недостатки с точки зрения времени измерений, точности и параметров входных воздействий.

Предложен способ точного и быстрого определения частоты модулированных во времени колебаний, который заключается в следующем. Произвольное, модулированное во времени колебание вида:

"(0 = Ут(0 ■ sí п[2 ■ п • /c(t) ■ t + <p(t)] (8)

разделяется на квадратурные составляющие относительно выбранной эталонной частоты f3(t) по формулам:

t

Оц(0 = 2 ■ f¡(t) • f n(t) ■ cos(2-f3(t)-к-я-t)dt (9)

C /,(0 t

bu(t) = 2-f3(t)■ | u(t) • sin(2 ■ f3{t) • к • it • t) dt (10)

t~W)

Вычисляется начальная фаза колебания (8), по формуле:

При этом начальная фаза в общем случае содержит полезную составляющую и паразитные колебания фазы, которые могут быть вызваны резко переменным характером сигнала (8). Таким образом, для начальной фазы можно записать:

<p(t) = <p0(t) + Д?(0. (12)

где <p0(t) - полезная составляющая <p(t), &<p(t) - паразитные колебания фазы <p(t).

Синтезируется вспомогательный сигнал h(t) с постоянной амплитудой:

ЛСО = sin[2 ■ тг • /э(0 • t + [<РоСО + Л«р(01] (13)

Производится фазовое детектирование сигнала h(t). За счет этого значительно уменьшаются паразитные колебания &<p(t) и образуется сигнал

<Po(t).

Вычисляется производная от начальной фазы колебания (13):

[<РоЮ] = —jt— (14)

Определяется знак производной и время М между ее экстремумами. При этом частота /с(£) колебания (8) выражается формулами:

Ш = Ш'£ + 1,если < О

(15)

№ = ————.если > О

Предложенный способ используется в системах контроля, управления и визуализации реального времени, содержащихся в ряде адаптивных компенсирующих устройств, предложенных в диссертационной работе. В первой главе приведены также выражения для анализа режимов электропотребления в электрических цепях, отражающие основные положения известного подхода О. А. Маевского о составляющих полной мощности. На основании предложенного способа измерения частоты сигналов и применении известных аналитических выражений, характеризующих режимы электропотребления, разработана и предложена методика анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов. Предложенная методика является удобным средством анализа электрических цепей и позволяет получить временные зависимости характеристик сигналов и режимов электропотребления, которые отражают реальные физические процессы. Методика находит применение в системах контроля и управления целого ряда адаптивных компенсирующих устройств, предложенных в диссертационной работе.

Во второй главе рассматривается понятие энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения в рамках структурной схемы «источник - посредник - приемник» электроэнергии (рисунок 1), которая характеризует связи процесса передачи и преобразования мощности (электроэнергетические процессы) на произвольных уровнях электроэнергетических систем (ЭЭС).

1 2 3

Рисунок 1 - Структурная схема произвольного уровня ЭЭС 1 - источник электроэнергии, 2 - посредник электроэнергии, 3 - приемник электроэнергии

На каждом уровне ЭЭС существует свой источник электроэнергии, свой посредник или комплекс посредников и свой приемник (комплекс приемников) электрической энергии. В качестве источников электроэнергии в зависимости от уровней ЭЭС могут выступать генераторы, питающие сети, распределительные, трансформаторные и преобразовательные подстанции. В качестве посредников обычно выступают связывающие источники и приемники электроэнергии воздушные и кабельные линии электропередачи, токопроводы высокого и низкого напряжений, всевозможные преобразовательные установки трансформаторного и

бестрансформаторного типов, компенсаторы, стабилизаторы, то есть устройства, так или иначе осуществляющие транспорт электроэнергии и согласование электрических параметров источников мощности и потребителей. Потребителями в данном случае являются электротехнические комплексы различной мощности и содержащиеся в них преобразовательные и электротехнологические объекты.

Проведен обзор существующих показателей эффективности электропотребления и показателей качества электроэнергии (электроснабжения), характеризующих энергоэффективность. Сделан вывод о том, что общего критерия количественной оценки энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения по структурной схеме «источник -посредник - приемник» электроэнергии, удовлетворяющего определению энергоэффективности, на сегодняшний день нет. Проведен анализ и обобщены показатели эффективности электропотребления, качества электроснабжения, а также потерь мощности при передаче энергии от источников к потребителям (приемникам электроэнергии) и синтезирован интегральный (общий) критерий энергоэффективности в виде коэффициента электротехнических комплексов и систем определяется выражением:

£е(1) = Кее(0-К1ра)-Кеч(0

где Ксе(Г) - коэффициент эффективности электропотребления, К£р({) пропускной способности, Кеч(£) - коэффициент качества электроснабжения.

При этом коэффициент эффективности электропотребления [О < Кее({) < 1] выражается формулой:

энергоэффективности £e(t) электроснабжения, который

[О < еДt) < 1]

(16) коэффициент

к „(О,

\

«(0= №)• j [u(t)-i(t)]dt

U

m

■ f [u(t)]2dt

. i ~7ГО

m

' J [u(t)Vdt ,_i

(17)

где и (С) и ¿(0 - мгновенные значения напряжения и тока на выходе источника электроэнергии, f(t) - текущая частота напряжения источника электроэнергии.

Коэффициент пропускной способности К(р(£) рассчитывается по формуле: РомЮ

К tp(t)=-

[О < Ktp(t) < 1]

(18)

tpK'J PUt)

где Pout(t~) и Pin(t) соответственно активные мощности на выходе и входе посредника электроэнергии.

Коэффициент качества электроснабжения по напряжению Keq(t), [О < Keq(t) < l] определяется по формуле:

Keq(t) = К>(t) ■ K,(t) • Ksln(t) ■ Кsym(t) (19)

где K^-(t) - коэффициент частоты напряжения, К((t) - коэффициент уровня напряжения, KSin(t) - коэффициент синусоидальности напряжения, Ksym(t) - коэффициент симметрии напряжений (для многофазных систем).

При этом коэффициент частоты напряжения K^-(i) определяется формулой:

-2[/(t)-/3Çt)]2

Kr(t) = е [о < Кf[t) < 1] (20)

где е - математическая константа (трансцендентное число), f(t) - текущая частота напряжения, /э(С)-эталонная частота напряжения в момент времени t, hf{t) - величина принятых допустимых отклонений частоты в момент времени t.

Коэффициент уровня напряжения вычисляется по формуле:

К,(0 = е [ладр [о < К,(£) < 1] (21)

где е - математическая константа (трансцендентное число), 1/(1) - текущее действующее значение напряжения, УЭ(С) - эталонное действующее значение напряжения, ДУ(£) - величина принятых допустимых отклонений напряжения;

На рисунке 2 изображены графики зависимости коэффициентов частоты КДО и уровня К; (0 напряжения от текущих значений частот и уровней напряжений в системе.

Рисунок 2 - Графики зависимости коэффициентов частоты напряжения КДС) и уровня напряжения К, (С) от текущих значений частот и уровней напряжений в системе.

Коэффициент синусоидальности К^п((:) определяется выражением:

[О < к1|п(0 < 1]

(22)

и1д(1) + УЛд( О

где и1д(Х) - текущее действующее значение составляющей первого порядка напряжения, икд ([) - текущее действующее значение составляющих высшего порядка напряжения.

Коэффициент симметрии К5ут(£), [О < К5ут(£) < 1] определяется выражением:

К5ут(С) = К,уть (С) ■ К,утр (0 (23)

где КцлпДО - коэффициент амплитудной симметрии напряжений, К5утр(С) -коэффициент фазовой симметрии напряжений.

При этом коэффициент амплитудной симметрии [0 < К5ут^(£:) < 1], определяется выражением:

п=т гп=т 1-т

К,ут1(0 = тт • ]~] (0 ■ ^ У» (0 (24)

П = 1 1-71 = 1

где т - целое неотрицательное число (количество фаз т-фазной системы), п - номер линейного или фазного напряжения в многофазной системе, 1/п(0 " амплитудные значения составляющих первого порядка п-ого линейного или фазного напряжения.

Коэффициент фазовой симметрии [0 < К5уШ;1 ((:) < 1], определяется по формуле:

р=т

-m

(t)=mm- М]|Д*>Р(£)| ■ 2N>p(0|

p=i

где т - целое неотрицательное число (количество фаз ш-фазной системы), Д<рр((") -фазовые сдвиги между составляющими первого порядка линейных или фазных напряжений в многофазной системе, р - номер вычисляемого фазового сдвига.

Полученные выражения (19-25) для напряжения справедливы также для оценки качества электроснабжения по току.

На основании полученных выражений для расчета и анализа энергоэффективности по критерию £е(0, предложена методика измерений коэффициента энергоэффективности по мгновенным значениям напряжений и токов. При помощи экспериментального компьютерного моделирования в среде МаИаЬ-ЗтиНпк, показана целесообразность применения коэффициента энергоэффективности се(£) (16) для интегральной многопараметрической оценки энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения.

В третьей главе рассматриваются вопросы транспортировки электроэнергии от источников электроэнергии к потребителям по линиям электропередачи (ЛЭП). Приведены схемы замещения ЛЭП для различных напряжений и длин линий. Обобщен материал по ключевым вопросам, связанным с режимами работы линий переменного тока. Уделено внимание электрическим и конструктивным особенностям ЛЭП переменного тока, а также известным способам минимизации потерь мощности при помощи оптимизации электрических и конструктивных параметров передачи. На основании рассмотренных особенностей предложена методика снижения потерь и повышения пропускной способности ЛЭП, которая подразумевает разделение линий электропередачи на участки, оптимизацию электрических и конструктивных параметров и компенсацию погонных реактивных сопротивлений каждого участка по принципу элементарной параметрической адаптации. Предложена адаптивная линия электропередачи переменного тока, реализующая данный принцип и обеспечивающая максимальное повышение энергоэффективности и пропускной способности линий, каждый элементарный участок которых может быть представлен в виде схемы замещения (рисунок 3) с сосредоточенными параметрами.

R(t) Ш -1_ЛАЛЛ

Рисунок 3 - Схема замещения элементарного участка компенсируемой ЛЭП R(t), L(t), C(t) - активные, индуктивные и емкостные параметры схемы замещения.

При помощи компьютерного моделирования в среде Ма^аЬ-БтиНпк проведены экспериментальные исследования, сравнивающие пропускную способность компенсированной и некомпенсированной ЛЭП при одинаковых параметрах источника и нагрузки, получены энергетические характеристики, подтверждающие теоретические положения о целесообразности применения адаптивных линий электропередачи переменного тока для достижения высоких показателей по энергоэффективности и пропускной способности систем передачи электрической энергии. В третьей главе рассмотрены также вопросы передачи электроэнергии постоянным током. Выделены основные области применения и дана краткая характеристика электропередач постоянного тока с точки зрения пропускной способности и технико-экономической целесообразности применения этих линий в различных условиях.

Четвертая глава посвящена методам и техническим средствам адаптивной компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии. Проведен обзор современных методов и устройств компенсации реактивной мощности, а также стабилизации параметров качества электроэнергии, выявлены недостатки, препятствующие повышению энергоэффективности электротехнических комплексов и систем по выбранному критерию. Предложены методы и реализующие их устройства компенсации реактивной мощности и стабилизации показателей качества питающих напряжений и токов, которые защищены патентами РФ на изобретения и полезные модели. В работе этих устройств используются два основных принципа:

1. Принцип генерации адаптивных потоков электроэнергии;

2. Принцип адаптивного параметрического регулирования.

Устройства, использующие первый принцип, отличаются высокой скоростью реагирования на разнообразные внешние факторы, возможностью воздействия на отдельные составляющие энергоэффективности, в том числе и на значение частоты в системе. Устройства, использующие второй принцип, имеют более низкую скорость реагирования на разнообразные внешние факторы, обусловленную инерционностью процессов регулирования, и в общем случае могут воздействовать на отдельные составляющие энергоэффективности, кроме частоты. Приведены структурные схемы, описан принцип работы. Проведен теоретический анализ предложенных методов, оценены предельные с точки зрения повышения коэффициента энергоэффективности (16) возможности, реализующих их устройств. Представлены результаты экспериментальных исследований в виде осциллограмм и временных графиков. Показано, что предельные возможности ограничены коэффициентом пропускной способности (18), который зависит от электрических характеристик применяемой элементной базы. Экспериментальные исследования, проведенные при помощи компьютерного моделирования в среде МаИаЬ-БипиНпк, подтвердили теоретические выводы.

Совместное или комбинированное использование разработанных методов и устройств на различных уровнях электроэнергетических систем (ЭЭС), позволяет повысить энергоэффективность электротехнических комплексов и систем электроснабжения по предложенному критерию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы были достигнуты следующие основные результаты:

1. Предложена методика анализа и расчета характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов, которая с высокой точностью отражает реальные электроэнергетические процессы.

2. Предложен общий критерий показателей эффективности электропотребления и параметров качества электроэнергии, в виде коэффициента энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, а также методика его измерения.

3. Предложена методика повышения энергоэффективности и пропускной способности ЛЭП переменного тока на основе принципа элементарной параметрической адаптации.

4. Предложены методы и разработаны оригинальные устройства адаптивной компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, обеспечивающие повышение энергоэффективности по выбранному критерию.

Перспективами дальнейшего развития работы являются:

1. Повышение точности и снижение времени измерений характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов с учетом реальных системных параметров.

2. Совершенствование аналитических выражений для составляющих предложенного критерия энергоэффективности и разработка аппаратуры для измерений и контроля энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения на различных уровнях ЭЭС.

3. Разработка систем электропередачи переменного и постоянного тока, обеспечивающих минимизацию потерь при транспортировке электроэнергии.

4. Проектирование и создание электрооборудования с учетом предложенного критерия энергоэффективности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Богачев В. С. Повышение качества энергии в сетях электропитания потребителей. // Электро. Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность-Москва.: ОАО «Электрозавод», 2011-№4 - С.47-52.

2. Богачев В. С. Компенсация неактивных составляющих полной мощности в электросетях переменного тока. // Главный энергетик,- Москва.: «Совпромиздат», 20 П.- №2.

3. Блинов К. Ю., Богачев В. С., Кошелев П. А., Парамонов С. В. Индуктивно-емкостный преобразователь для заряда конденсаторной батареи. // Информация и космос. - СПб.: ЗАО «Институт Телекоммуникаций», 2009 - №4 - С.19-23.

4. Блинов К. Ю„ Богачев В. С., Кошелев П. А., Парамонов С. В. Устройство для заряда емкостных накопителей энергии. // Электро. Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность - Москва.: ОАО «Электрозавод», 2010 - №3 - С.45-49.

Патенты:

5. Богачев В. С. Устройство компенсации искажений тока и реактивной мощности. Патент РФ на изобретение №2393609. Опубл. 27.06.2010. Бюл.№ 18.

6. Богачев В. С. Устройство параметрической стабилизации напряжения переменного тока. Патент РФ на изобретение №2410815. Опубл. 27.01.2011. Бюл. №3.

7. Богачев В. С. Устройство стабилизации напряжения. Патент РФ на изобретение №2392727. Опубл. 20.06.2010. Бюл. №17.

8. Богачев В. С. Устройство стабилизации тока. Патент РФ на изобретение №2427023. Опубл. 20.08.2011. Бюл. №23.

9. Богачев В. С. Стабилизатор напряжения переменного тока. Патент РФ на полезную модель №97836. Опубл. 20.09,2010. Бюл. Х°26.

10. Богачев В. С. Компенсатор реактивной мощности // Патент РФ на полезную модель №91657. Опубл. 20.02.2010. Бюл. № 5.

11. Богачев В. С., Кошелев П. А. Индуктивно - емкостный преобразователь источника переменного напряжения в источник переменного тока. Патент РФ на полезную модель №101284. Опубл. 10.01.2011. Бюл. №1.

12. Богачев В. С., Кошелев П. А., Опре В. М„ Парамонов С. В. Индуктивно-емкостный преобразователь. Патент РФ на полезную модель №93597. Опубл. 27.04.2010. Бюл. №12

Другие публикации:

13. Богачев В. С. ЭМС электротехнических комплексов и систем. // Труды ХП-й международной конференции электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты (МКЭЭЭ).: Крым, Алушта 2008. С. 190.

14. Богачев В. С. Обеспечение ЭМС нелинейных приемников электроэнергии систем передачи информации. // Труды 63-й НТК СПбНТОРЭС им. А. С. Попова.: Санкт-Петербург2008. С. 58-59.

15. Богачев В. С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии в сетях электропитания аппаратуры связи. // Труды 64-й НТК СПбНТОРЭС им. А. С. Попова.: Санкт-Петербург 2009. С. 58-59.

16. Богачев В. С., Кошелев П. А., Опре В.М., Парамонов С. В., Терещенко В. Н. Активные потери в трансформаторах электротехнологических установок. // Проблемы электроэнергетики. Сборник научных трудов Саратовского государственного технического университета.: Саратов, 2010. С. 52-61.

17. Кошелев П. А., Богачев В. С. Анализ искажений и коррекция тока сети методом установки номеров компенсируемых гармоник. // Труды XII международной конференции электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты (МКЭЭЭ).: Крым, Алушта 2008. С. 211.

18. Кошелее П.А., Опре В.M., Богачев B.C., Дозоров С.А., Парамонов C.B. Проектирование генераторов мощных импульсов тока с применением символьных и матричных вычислений. // Проблемы электроэнергетики. Сборник научных трудов Саратовского государственного технического университета.: Саратов, 2009. С. 38-45.

19. Кошелее П. А., Парамонов С. В., Блинов К. Ю., Богачев В. С. Анализ искажений тока сети при работе сварочного выпрямителя. // Проблемы электроэнергетики. Сборник научных трудов Саратовского государственного технического университета.: Саратов, 2008. С. 76-82.

20. Опре В. М., Кошелее П. А., Парамонов С. В., Дозоров С. А., Богачев B.C. Источники тока на основе резонансной трансформаторно-конденсаторной электрической цепи. // Проблемы электроэнергетики. Сборник научных трудов Саратовского государственного технического университета.: Саратов, 2009. С. 25-31.

Подписано в печать 24.11.11 Формат 60х84'/16 Цифровая Печ. л. 1.0 Уч.-издл. 1.0 Тираж 100 Заказ 23/11 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

61 12-5/1267

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В. И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

На правах рукописи

Богачев Василий Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор П. А. Кошелев

Санкт-Петербург 2011

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛОВ И ПАРАМЕТРОВ

ПОТРЕБЛЕНИЯ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ................16

1Л. Вводные замечания..................................................................16

1.2. Влияние отклонений частоты колебаний на вычисление спектров и

- 90 действующих значении..................................................................

1.3. Методы определения частоты сигналов..........................................27

1.4. Режимы потребления мощности в электрических цепях.....................38

1.5. Методика анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и

42

токов.......................................................................................................^

1.6. Выводы по первой главе............................................................43

ГЛАВА 2. ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ...........................45

2.1. Вводные замечания..................................................................45

2.2. Показатели эффективности электропотребления..............................47

2.3. Показатели качества электроснабжения.........................................62

2.4. Синтез критерия энергоэффективности..........................................75

2.5. Методика измерений коэффициента энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения...................91

2.6. Выводы по второй главе............................................................96

ГЛАВА 3. ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ....................................................................97

3.1. Вводные замечания..................................................................97

3.2. Режимы работы и схемы замещения линий электропередачи переменного тока с распределенными параметрами................................................99

3.3. Схемы замещения линий электропередачи переменного тока с сосредоточенными параметрами и конструктивные особенности линий....104

3.4. Адаптивная линия электропередачи переменного тока.....................113

3.5. Электропередачи постоянного тока.............................................123

3.6. Выводы по третьей главе..........................................................126

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ...........................................................................................128

4.1. Вводные замечания.................................................................128

4.2. Компенсация реактивной мощности и стабилизация показателей качества питающих напряжений и токов за счет генерации адаптивных потоков

130

электроэнергии...........................................................................1 и

4.3. Компенсация реактивной мощности и стабилизация показателей качества питающих напряжений и токов за счет адаптивного параметрического

169

регулирования.....................................................................................................1 иу

4.4. Выводы по четвертой главе......................................................-208

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................210

ЛИТЕРАТУРА............................................................................212

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы повышения эффективности использования энергетических ресурсов, в том числе электрической энергии имеют принципиальное значение для устойчивого развития экономик и роста внутреннего валового продукта (ВВП) стран. На принятие действенных мер, обеспечивающих эффективное использование электрической энергии, направлена работа многих ученых и научно-исследовательских организаций по всему миру.

Актуальность проблемы обусловлена, главным образом, современными социально-экономическими тенденциями, приводящими к росту общей энергоемкости промышленных и бытовых потребителей, связанной, в частности, с количественным распространением различных электротехнических комплексов и систем, качественными изменениями режимов и графиков потребления электрической мощности, а также с увеличением протяженности магистральных, промышленных и бытовых

электрических сетей.

В результате отмеченных тенденций, возникает недостаток генерируемой электростанциями мощности, появляется необходимость строительства дополнительных станций, комплексов автономной или систем распределенной генерации. Ввод этих комплексов и систем в эксплуатацию, безусловно, решает проблему нехватки мощности для потребителей, однако эффективность ее использования без разработки и реализации специальных мер остается на прежнем, как правило, низком уровне. Кроме этого, строительство новых станций электрогенерации сопряжено с большими экономическими затратами и значительными экологическими ущербами, которые можно минимизировать, а в некоторых случаях и полностью исключить, если обеспечить повышение энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения.

Под энергоэффективностью электротехнических комплексов и систем

электроснабжения в общем случае понимается рациональное и эффективное

4

использование мощности, потребляемой от источников электроэнергии при сохранении параметров качества сети, питающей промышленных и бытовых потребителей.

Следовательно, комплекс мер, направленный на обеспечение энергетической эффективности должен включать в себя решение следующих основных задач:

1. Передачу электроэнергии от источников к приемникам (потребителям) с минимальными потерями.

2. Повышение эффективности электропотребления и качества электроснабжения потребителей.

Наиболее результативный способ решения указанных задач заключается в применении технических решений, методов и средств, способных в реальных условиях работы при разнообразных воздействиях, как со стороны источников, так и со стороны приёмников электроэнергии, обеспечить выполнение следующих действий:

1. Повышение пропускной способности линий электропередачи (ЛЭП) с минимизацией потерь мощности при транспорте электроэнергии.

2. Компенсацию реактивной мощности и стабилизацию параметров качества электроэнергии (электроснабжения) в точках подключения потребителей.

Для разработки и синтеза подобных технических решений следует серьезное внимание уделить вопросам анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях. Центральное место в этих вопросах занимают проблемы, связанные с представлением электрических колебаний в спектрально-временной области и вычислением действующих значений базовых электрических величин (напряжений и токов). Спектрально-временные представления и вычисляемые действующие значения сигналов должны адекватно и точно отражать параметры реальных

физических процессов, происходящих в рассматриваемых электрических

цепях с учетом требований скорости систем контроля и управления

различными устройствами, способствующими повышению энергоэффективности в режиме реального времени.

Главным параметром (его можно назвать глобальным), который отвечает за точность и адекватную математическую интерпретацию при описании электрических колебаний, является основная (несущая) частота в спектре. Значение несущей частоты не остается постоянным и может изменяться с течением времени по вероятностным законам. Очевидно, что для правильной оценки параметров колебаний (сигналов) при помощи контрольно-измерительных систем необходимо следить за значением частоты.

В настоящее время такому важному для электротехнических комплексов и систем электроснабжения параметру как частота напряжения (тока) уделяется традиционно мало внимания. Это связано с одной стороны с недостатком технических средств и методов точного и быстрого определения частоты в реальных условиях при воздействии модуляции и помех, с другой стороны считается, что воздействовать на уровень частоты, в системах электроснабжения, в большинстве случаев, не представляется возможным. Тем не менее, для описания электроэнергетических процессов, значение частоты играет огромную роль. Поэтому возникает необходимость разработки способа измерения частоты сигналов, в условиях воздействия модуляции и помех, который отвечает требованиям скорости и точности систем контроля и управления различными преобразовательными устройствами, способствующими повышению энергоэффективности в режиме времени близком к реальному.

Для таких систем и устройств, где применяются сенсоры (датчики мгновенных значений напряжения и тока), чтобы производить оценку текущей электромагнитной обстановки, необходимо разработать методику анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в

6

электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов. Режимы потребления мощности в электрических цепях весьма разнообразны. Это разнообразие обусловлено сложными физическими явлениями, происходящими в источнике и нагрузке. Параметры элементов и алгоритмы работы как индивидуальных, так и групповых нагрузок заранее неизвестны, поэтому графики, потребляемой ими от источника электроэнергии мощности, описываются зависимостями, в качестве аргумента которых выступает время. Изменения параметров таких временных зависимостей, по отношению к внешним зажимам нагрузки или источника являются случайными. Графики случайных нагрузок характеризуются в основном изменениями составляющих полной (кажущейся) мощности. Разработанная методика анализа должна обеспечивать точное вычисление этих изменений в реальном времени, по мгновенным значениям напряжений и токов и использовать эту информацию для управления устройствами, обеспечивающими повышение энергоэффективности.

В настоящее время существуют различные показатели эффективности электропотребления и качественные показатели электроэнергии (электроснабжения) питающей сети, характеризующие энергоэффективность по различным параметрам, однако критерия количественной оценки энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, удовлетворяющих данному ранее определению энергоэффективности, на сегодняшний день нет.

Коэффициент мощности, используемый при оценке эффективности электропотребления, отражает основные параметры потребления мощности. В качестве таковых, могут выступать соответствующие энергетические коэффициенты, которые дают представление об искажениях, наличии фазовых сдвигов и несимметрии нагрузки фаз, возникающих в результате работы различных электротехнических комплексов и содержащихся в них приемников электроэнергии. Произведение этих коэффициентов равно

значению коэффициента мощности в местах проведения измерений и анализа.

Коэффициент мощности учитывает основные параметры электропотребления, однако не позволяет в общем случае учесть параметры качества напряжения питания.

В нормативных документах и государственных стандартах по качеству электроэнергии, как правило, приведены различные показатели качества напряжений, характеризующие изменения четырех основных параметров:

1. Частоты

2. Уровней

3. Синусоидальности

4. Симметрии

Для указанных параметров регламентированы принятые диапазоны изменений, при соблюдении которых электроэнергия считается качественной, но нет какого - либо интегрального коэффициента, количественно оценивающего это качество, и кроме всего прочего ничего не говорится об эффективности электропотребления.

Следовательно, синтез интегрального критерия энергоэффективности, который бы объединял показатели эффективности электропотребления, показатели качества электроснабжения и потери мощности при снабжении потребителей электроэнергией, является весьма целесообразным в задачах оценки энергоэффективности и ее повышения при помощи различных методов и технических средств.

Значительную роль в обеспечении энергоэффективности

электротехнических комплексов и систем электроснабжения, играет

процедура транспортировки электрической энергии от источников к

потребителям по линиям электропередачи (ЛЭП). Производство

электрической энергии концентрируется преимущественно на

электростанциях, которые работают совместно (параллельно), при этом

8

центры потребления (приемники) электрической энергии (промышленные предприятия, города, сельские районы и т. п.) часто удалены от ее источников на десятки, сотни и тысячи километров и распределены на значительной территории. В связи с несовпадением центров производства и потребления электроэнергии возникают проблемы эффективности передачи мощности на дальние расстояния. Задача ЛЭП в данном случае состоит в том, чтобы донести выработанную на станциях электроэнергию до потребителей в необходимом объеме и с минимальными потерями. Это отдельное, очень важное направление в комплексе мер, направленных на повышение энергоэффективности, которое требует особого внимания.

Потери при транспортировке в ЛЭП переменного тока обусловлены главным образом конструктивными особенностями, нагревом проводов и волновыми свойствами линий. Эти характеристики влияют на передачу мощности переменного тока при ненулевых длинах линий. Чем длиннее линия, тем заметнее проявление волновых свойств электропередачи. Если длина линии соизмерима с длиной электромагнитной волны на частоте напряжения источника электроэнергии, то волновые свойства приобретают центральное место в совокупности факторов, приводящих к снижению энергоэффективности и пропускной способности электропередач.

Наиболее перспективным способом повышения пропускной способности линий переменного тока является способ, предусматривающий проведение специальных мероприятий, направленных на компенсацию электрических погонных параметров линий, способствующих снижению эквивалентной волновой длины ЛЭП и переходу в так называемый режим нулевой длины линий. Наибольшую эффективность при компенсации электрических параметров в условиях эксплуатации удается достичь при их оптимизации на стадии проектирования и использовании адаптивных линий электропередачи. В этом случае минимизируются потери мощности, увеличивается пропускная способность и повышается энергоэффективность, в том числе протяженных ЛЭП.

При транспортировке электроэнергии на дальние расстояния в мировой практике все чаще обращают внимание на возможность использования линий электропередач постоянного тока. Передача энергии при помощи линий постоянного тока имеет ряд преимуществ перед традиционной электропередачей переменного тока. Эти преимущества заключаются в большей экономичности, меньших электрических потерях и в значительно более высокой пропускной способности передачи. Поэтому для повышения пропускной способности при передаче мощности на сверхдальние расстояния используют линии постоянного тока.

Другим важнейшим направлением повышения энергоэффективности

является повышение эффективности электропотребления и качества

электроснабжения потребителей за счет компенсации реактивной мощности

в точках подключения источников и стабилизации параметров качества

напряжения или тока в точках подключения приемников электроэнергии при

помощи специальных методов и средств. К наиболее перспективным

техническим методам и средствам, способствующим повышению

энергоэффективности электротехнических комплексов и систем

электроснабжения, относятся методы и средства адаптивной компенсации.

Принцип работы современных устройств адаптивной компенсации основан

либо на изменении эквивалентных реактивных сопротивлений, либо на

генерации потоков электроэнергии (мощности) при помощи специальных

преобразователей. Методы повышения энергоэффективности, применяемые в

устройствах адаптивной компенсации, предполагают использование систем

контроля и управления реального времени, которые содержатся в любом

адаптивном устройстве и при помощи сенсоров (датчиков напряжения и

тока) осуществляют настройку элементов устройств по определенным

алгоритмам. В результате такой настройки достигается максимальная для

рассматриваемой системы энергоэффективность, определяемая

функциональными возможностями конкретного устройства или комплекса

устройств адаптивной компенсации. В задачах повышения

10

энергоэффективности электротехнических комплексов и систем главным преимуществом устройств и методов адаптивной компенсации перед неадаптивными и нерегулируемыми компенсирующими электроустановками различного назначения и класса напряжений, является более высокая результативность в достижении конечной цели, связанная с постоянной на