автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Повышение качества электроэнергии в распределительных сетях за счет снижения несинусоидальности кривой напряжения

сю^"

На правах рукописи

Лютаревич Александр Геннадьевич

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ЗА СЧЕТ СНИЖЕНИЯ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ КРИВОЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.14.02. - Электрические станции и электроэнергетические

системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

? 9 о -

Новосибирск - 2009

003481106

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Горюнов Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор Манусов Вадим Зиновьевич

кандидат технических наук, доцент Ландман Аркадий Константинович

Ведущая организация - Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС»)

Защита состоится «26» ноября 2009 г. в 12.00 часов (ауд.227) на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу: 630099, г. Новосибирск, ул. Щетннкина, 33, НГАВТ (тел./факс: (383) 222-49-76. E-mail: ngavt@ngs.ru или ese_sovet@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Автореферат разослан «23» октября 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Учёный секретарь

диссертационного совета, .

канд. техн. наук, доцент МНи^гш^^ Малышева Е.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Электрическая энергия является товаром и используется во всех сферах жизнедеятельности человека, а также непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. В силу своей специфики понятие качества электрической энергии отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник рассчитан для работы при определённых параметрах электрической энергии, поэтому для его нормальной работы должно быть обеспечено требуемое качество. Таким образом, качество электроэнергии определяется совокупностью её характеристик, при которых электроприёмники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции. Особенность электрической энергии заключается в том, что её качество на месте производства не гарантирует качества на месте потребления. Качество электроэнергии до и после включения электроприемника к сети также может быть различно. Поэтому надлежащее качество электрической энергии - это один из её главных показателей эффективности производства, передачи, распределения и потребления.

Результаты анкетирования, проведённого Комитетом по стандартизации в области электромагнитной совместимости, 150 крупных промышленных потребителей в различных регионах России показали, что 30 % из участвующих в анкетировании потребителей связывают с некачественной электроэнергией выход из строя электрооборудования. Снижение производительности механизмов отмечали 28 % опрошенных потребителей, а 25 % - ухудшение качества выпускаемой продукции. Более 40 % из числа анкетированных связывали сбои средств автоматики, телемеханики, связи, компьютерной техники с качеством электроэнергии в питающей сети. Нарушение качества электроэнергии - это не только российская проблема. Различные исследования показывают, что нарушение качества электроэнергии обходится промышленности и в целом деловому сообществу Европейского союза около 14 млрд. евро в год. Постоянный рост доли и мощности электроприёмников с нелинейными вольтамперными характеристиками также приводит к возникновению проблемы качества электроэнергии. Для этих потребителей проблема повышения качества электроэнергии становится особенно острой из-за постоянно растущей стоимости электроэнергии и требований к её качеству со стороны энергоснабжающих организаций.

Указанные причины обуславливают необходимость повышения качества электрической энергии и уровня электромагнитной совместимости разных видов оборудования в узлах нагрузки различных систем электроснабжения.

Вопросам улучшения качества электрической энергии посвятили свои работы такие учёные как Абрамович Б.Н., Арриллага Дж., Дрехслер Р., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Иванова Е.В., Карташёв И.И., Кузнецов В.Г., Розанов Ю.К., Сальников В.Г., Щидловский А.К. и др. Вопросы по улучшению качества электроэнергии актуальны не только в России, но и за рубежом. Об

этом свидетельствуют регулярно проходящие конференции, посвященные вопросам электромагнитной совместимости и качества электроэнергии: CIGRE (Международная конференция по большим электрическим системам), CIRED (Международная конференция по системам распределения электроэнергии) и

др.

Данная диссертационная работа направлена на решение проблемы улучшения качества и экономии электроэнергии. Это направление относится к приоритетным направлениям в области электроэнергетики и согласуется с Федеральной комплексной целевой программой «Энергоэффективная экономика», утверждённой постановлением Правительства РФ от 17 ноября 2001г. №796, а также рядом других отраслевых программ, в которых представлена стратегия по совершенствованию энергосистемы страны.

Таким образом, проблема улучшения качества электрической энергии существует и требует новых решений по разработке технических средств, повышающих качество электроэнергии, а также принципов их управления.

Целью работы является разработка и исследование системы управления активной частью фильтра гармоник для улучшения качества электроэнергии в узлах нагрузок электроэнергетических систем.

Для достижения поставленной цели ставились и решались следующие задачи:

1 Исследование существующих способов и технических средств для улучшения качества электроэнергии в системах электроснабжения.

2 Разработка программы для расчета и оценки дополнительных потерь в основных элементах систем электроснабжения от влияния высших гармонических составляющих тока и напряжения.

3 Создание математической модели активного фильтра гармоник.

4 Разработка системы управления активной частью фильтра.

5 Построение виртуальной модели активного фильтра и системы управления для исследования качества компенсации высших гармоник в узлах нагрузок электроэнергетических систем.

6 Создание макетного образца активного фильтра гармоник с разработанной системой управления и его экспериментальное исследование.

7 Оценка эффективности использования активного фильтра гармоник в системах электроснабжения для улучшения качества электрической энергии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Математическая модель активного фильтра гармоник.

2 Система управления активной частью фильтра гармонических составляющих тока и напряжения.

3 Результаты теоретических и экспериментальных исследований качества электроэнергии в узлах нагрузок при использовании силового активного фильтра.

Методы исследований базируются на методах теории автоматического управления, физического моделирования, экспериментальных исследований и числительных экспериментов. При решении задач исследования работы

системы управления на качество электроэнергии в узлах нагрузки использовались методы цифрового моделирования на основе пакета программ МАТЬАВ/81шРо\уег8у51ешз.

Научная новизна диссертационной работы:

1 Предложена система управления активной части фильтров гармоник, улучшающих качество электрической энергии в узлах нагрузок.

2 Получена математическая модель выделения сигнала ошибки, являющегося управляющим воздействием для силовой части фильтров гармоник.

3 Разработан алгоритм определения управляющего воздействия активного фильтра гармоник.

4 В результате численных экспериментов на разработанной модели системы управления произведена оценка мгновенного значения управляющего воздействия на искажающий сигнал.

5 Установлен критерий использования силового активного фильтра как технического средства улучшения качества электроэнергии в узлах нагрузок.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1 Разработана программа для расчета потерь мощности от высших гармоник, предназначенная как для учебного процесса, так и для оценки и планирования затрат на электроэнергию отделами главного энергетика и энергослужбами промышленных предприятий.

2 Предложена система управления силовой частью, которая может применяться как в активных, так и в гибридных фильтрах гармоник, для улучшения качества электроэнергии в системах электроснабжения.

3 Создана физическая модель системы управления, позволяющая исследовать качество электроэнергии в узлах нагрузок при различных спектрах высших гармоник.

4 Получен критерий использования, определяющий рациональное применение силового активного фильтра как технического средства улучшения качества электроэнергии в узлах нагрузок.

Реализация результатов работы. Разработанное устройство внедрено в учебный процесс кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ГОУВПО «ОмГТУ». Кроме того, результаты работы приняты к внедрению в НПО «Мостовик».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на 3-й международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», Омск, 2007; а также ежегодно на Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность», Омск, 20082009.

Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и

рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в каждой работе, опубликованной в соавторстве, составляет не менее 50%.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ. Из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, три доклада в материалах международных и всероссийских конференций, а также зарегистрирована программа для ЭВМ в ФГНУ «ЦИТиСОИН» № 50200900637.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, списка использованных источников из 94 наименований и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы, основные направления исследования.

В первой главе рассматривается состояние качества электрической энергии в системах электроснабжения, также уделяется внимание последствиям, вызванным ухудшением качества электроэнергии, причём особое внимание уделяется высшим гармоникам, как наиболее сложному для инженерной оценки фактору. В результате анализа работ, посвящённых улучшению качества электроэнергии, систематизируются основные негативные процессы, сопутствующие высшим гармоникам в электрических сетях, а также причины, вызывающие искажения синусоидальной формы кривой напряжения. В заключение первой главы проводится анализ существующих технических средств, применяемых для улучшения качества электрической энергии, и определяются направления, в которых необходимо совершенствовать данные технические средства.

В результате обзора работ, посещённых снижению уровня высших гармонических составляющих тока и напряжения в системах электроснабжения, видим, что наиболее перспективным техническим средством является активный фильтр гармоник. Благодаря своим преимуществам он находит все большее применение в системах электроснабжения различных предприятий.

Силовой активный фильтр - это преобразователь переменного/ постоянного тока с ёмкостным или индуктивным накопителем энергии на стороне постоянного тока, формирующий методами импульсной модуляции усреднённое значение тока (напряжения), равное разности нелинейного тока или напряжения и синусоидального тока (напряжения) его основной гармоники. Наибольшее практическое применение получили схемы активных фильтров гармоник с ёмкостным накопителем благодаря их более высокому быстродействию и лучшим технико-экономическим показателям.

Проведённый анализ методик расчёта дополнительных потерь от влияния высших гармоник легли в основу разработки алгоритма (рисунок 1) и программы для расчета дополнительных потерь в основных элементах систем электроснабжения от высших гармоник (рисунок 2).

1>а гарем кондснса гО|Х>в

Трансформатор "1

/ ТИП XI.машины / / П. ,, I.. . / / /

Для СД:

^ - Ё ^+X ^+£

Для АД:

.VI*мб»®/и. V

±

Вывод результатов рае чего в потерь от высших гармоник в йР: кВт и ДА руб.

£ Коней ^

Рисунок 1 - Алгоритм определения потерь мощности в основных элементах систем электроснабжения от высших гармоник

р Рагжт тот***- рЦямгу. а' й

: Файл Древка Фор«я £фвИ= й«с Елсчег ¿арамл-'-

I х у.» т Ч ф т-ез.>!

: Г^тр»сц«рм<тора ¡14. £50/10

Се ]нГ~" кВ. ин Г.В.

¿Рп |о£6~ кВг. йРкЗ " -8с

5нри]зЭГ~ «в*. Ум

йога УН № 3

ТМ 2 5 ДО 25 10 0,4

-ч 40/10 40 10. 0,4

1 63Д0 .63 10 0.4

ТК1ООД0 . 100 10 0,4

ТМ 160Д0 160 ю- 0.4

ТМ .250/10 '250 Ю 0.4

-ч 400ДО 400 10 0,4

ч бзоДо езо ю 0,4 ч

Рисунок 2 - Интерфейс программы: выбор оборудования из базы

Вторая глава посвящена построению математической модели активного фильтра гармоник без использования быстрого преобразования Фурье, позволяющей с малой задержкой времени, генерировать сигнал ошибки в сеть, улучшая качество электрической энергии в узлах нагрузок.

Принцип действия активного фильтра основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерации в сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. В результате, высшие гармонические составляющие тока компенсируются в точке подключения активного фильтра и не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть.

В настоящее время в основе работы системы управления активных фильтров лежит принцип гармонического прогнозирования: в первый период происходит разложение общего сигнала, на .высшие гармонические составляющие, используя быстрое преобразование Фурье, выделение из общего сигнала сигналов основной частоты и высших гармоник, а в следующем периоде происходит генерация высших гармоник в сеть, но в противофазе. В данной работе рассматривается другой подход к решению данного вопроса, основанный на использовании мощности искажения. В основе этого подхода лежит разложение полной мощности на составляющие: активную, реактивную и мощность искажения. Для этого воспользуемся преобразованием Блонделя -преобразованием координат трёхфазной системы в координаты двухфазной системы, что позволяет упростить методы анализа, кроме того, две переменные являются независимыми и достаточными для описания состояния трёхфазной электрической системы.

Вместо обычного представления каких-либо величин трёхфазной системы векторов, проекции которых на ось времени дают мгновенные значения этих величин в фазах, те же мгновенные значения можно получить, проектируя единый вектор на три оси времени, каждая из которых совпадает с магнитной осью соответствующей фазы. Такой вектор называется обобщённым вектором трёхфазной системы.

Величина искомого обобщённого вектора может быть определена, исходя из следующих равенств

/ =/ Бша; а т

Ь т 3

/ = / зш(а + —), с т з

где а = Ш - угол между обобщённым вектором трёхфазной системы и осью фазы А; /„, - амплитудное значение тока.

Преобразуем (1) в систему двух координат, соответствующую комплексной плоскости с координатами л- и у. На рисунке 3 представлена трёхфазная система токов (1).

Рисунок 3 - Диаграмма векторов при преобразовании трёхфазной системы токов к неподвижной двухфазной с координатами хну

Предположим, что вектор тока фазы А совпадает с осью х. Координаты векторов в комплексной плоскости, соответствующие проекциям векторов //,, ¡с на оси х и у, изменяясь во времени, определяют обобщённый вектор / = (а) в комплексной плоскости

Координаты преобразо ванием

i(a) = i (a) + ji (а), х у

вектора определяются следующим

ija)

(а)

пр

1 cos

О sin

2£ 3

3

cos-

sin

4л

Т

4л_ 3

(а)

(2)

матричным

(3)

Коэффициент преобразования кпр зависит от выбранных соотношений между модулями преобразуемых векторов трёхфазной системы и обобщённого вектора на комплексной плоскости i = (a). Координаты вектора / = (а) определяются как его проекции на оси трёхфазной системы а, Ь, с.

Далее рассмотрим преобразование трёхфазной системы в двухфазную с осями, вращающимися с синхронной скоростью. В неподвижной системе дг, у-координат составляющие пространственного вектора i-(a) изменяются по гармоническим законам: синусоидальному по оси х и косинусоидальному по оси у. Иногда вектор i = (a) целесообразно представлять в двухфазной системе при неизменных значениях ортогональных составляющих. Для этого используется система координат с осями d и q, которые вращаются со скоростью а), равной скорости вращения обобщённого вектора, представляющего трёхфазную систему токов. Преобразование вектора / = (а) из системы х, j'-координат в систему d, ^-координат может быть представлено в виде

cosa sin a -sina cosa

что соответствует умножению вектора « = (а) на единичный вектор е .

Далее рассмотрим преобразование мгновенной мощности трёхфазной системы в мощность двухфазной системы. Для управления составляющими мгновенной мощности в трёхфазной системе может быть использовано преобразование сигналов трёхфазной системы в двухфазную. Теория такого преобразования получила название р-я-теории: напряжения и токи трёхфазной системы преобразуются в напряжения и токи двухфазной системы в х, у-координатах. При этом кроме реальной мощности р, соответствующей произведению напряжений и токов одноимённых составляющих проекций вектора на оси х, и у, вводится также понятие «мнимой» мощности д, равной произведению разноимённых составляющих в этих же координатах

р-и i +и i ; XX у у

а=и i -и i . х у ух

(5)

(6)

Согласно р^-теории, действительная и мнимая мощность могут быть представлены как сумма постоянной и переменной составляющих

(р=р+р;

где р и д - постоянные составляющие мгновенных мощностей р и ц, соответствующие активной и реактивной мощности на основной частоте; р -переменная составляющая действительной мгновенной мощности р, обусловленная наличием высших гармонических составляющих и равная нулю; д - переменная составляющая мнимой мгновенной мощности д, которая также имеет среднее значение, равное нулю, и обусловлена высшими гармоническими составляющими.

Таким образом, для высших гармонических составляющих тока сигнал задания должен содержать информацию о компонентах р, д, р п д мгновенной мощности. Для этого посредством двух высокочастотных фильтров можно выделить из общих значений р ид переменные и постоянные составляющие мощности в соответствии с (6).

На рисунке 4 представлена структурная схема активного фильтра гармоник с ёмкостным накопителем, подключенного параллельно к сети. Силовая часть активного фильтра включает в себя инвертор тока на ЮВТ-транзисторах УТ с встречно-параллельными включенными диодами УЭ, с целью исключения возможности появления на транзисторах обратного напряжения, и ёмкостного накопителя С

Рисунок 4 - Структурная схема активного фильтра с ёмкостным накопителем

Пренебрегая влиянием приведённой индуктивности питающеи сети Ьс, получаем, с использованием законов Кирхгофа, дифференциальные уравнения трёхфазного активного фильтра гармоник, представленного на рисунке 4

аф _

I

ф асети аф'

, %

ф Ж асети Ьф

& л . сф

I , ——- = « -и , ,

ф & с сети сф

с1и

С

с!с

= /''.;.+Л''

(7)

(8) (9)

(10)

'(1 (Ц о аф ЪЪф с сф' где Сл— ёмкость конденсатора, ¿ф - индуктивность сглаживающего фильтра,/а, Л,/с - функции переключения, принимающие значения 0, ±1/3 и ±2/3.

Используя переход к системе с1, ^-координат (4), перепишем уравнения активного фильтра (7)—(10) следующим образом

ф Ж Ысети сети ф дф с1ф'

Л

дф

+ 0)

Ь., /' ,, - и

ф (Ц дсети сети ф Аф дф'

(П) (12)

А, 1

—»^м -/ г .), (13)

л л 2 " ¿ф ^яф'' к '

с/ф ¿/ (к '

и .=/н. , (15)

цф ■ ц ас

где су„.т„ - частота питающей сети, а с<-с/л> и «ц» в нижнем индексе обозначают компоненты </- и ¿/-осей соответственно.

Разложение мгновенных мощностей в разрабатываемой математической модели происходит дискретно с равным интервалом времени, обусловленным аппаратной частью фильтра. Исходно любой процесс или сигнал, отражающий этот процесс, представляется мгновенными значениями некой величины, которые определены для любого произвольного момента времени. В цифровых устройствах регистрация мгновенных значений сигнала осуществляется только в определённые моменты времени. Несмотря на это обстоятельство, определение мгновенных значений дискретно представленного сигнала также возможно для любого произвольного значения времени, но уже на основании расчетов с учётом близлежащих выборок. При вычислении мгновенных значений дискретизированного сигнала в произвольной точке времени прибегают к различным методам интерполяции. В данной работе будет применяться метод центрального дифференцирования, т.к. он обеспечивает наиболее близкий к истине результат.

Далее перепишем уравнения (11)-(13) для дискретной функции

—,+<о Ь.З/.-би,,,, (16)

ф а сети к сети ф цф к афк

31

= ,+еа 1,51,,.-5и (17)

Ф д1 цсетик сети ф афк цфк

5иЛск 3

аI 31 2 в (1фк щфк' 4 '

где к в нижнем индексе обозначает момент времени ¿-го шага.

Уравнения (16)-(18) представляют собой дискретную модель активного фильтра гармоник, не использующую быстрое преобразование Фурье, и позволяющую с малой задержкой времени, генерировать сигнал ошибки в сеть, улучшая качество электрической энергии в узлах нагрузки. Применение данной модели в аппаратной части позволит отказаться от ряда ключевых элементов, тем самым, снизить стоимостные и массогабаритные характеристики активного фильтра гармоник.

На основании полученной математической модели составим алгоритм работы системы управления силового активного фильтра.

В структурной схеме системы управления (рисунок 4) можно выделить два основных блока, на вход которых поступают внешние сигналы от датчиков,

контролируемых параметров и заданных значений. Сигналы от датчиков тока нагрузки (сети) iсети преобразуются из трехфазной системы координат abc в

двухфазную dq, которая должна быть синхронизирована с частотой и фазой напряжения сети. Для этого в систему управления входит устройство синхронизации. Блок преобразования координат abc/dq, на вход которого поступают сигналы от датчиков тока трёх фаз преобразователя, контролируемых в реакторах сглаживающих фильтров L^, вычисляет значения

токов в е/,<7-координатах с использованием единичного сигнала устройства синхронизации. Далее сигнал тока в d, ^-координатах проходит через фильтр низких частот, где выделяется первая гармоника, которая впоследствии вычитается из общего сигнала. После чего, в результате обратного преобразования координат dq/abc получаем сигнал искажения, поступающий на вход драйвера, который формирует сигналы управления для силовых ключей.

Необходимо отметить, что аппаратная реализация разработанной дискретной математической модели в цифровых системах управления требует повышения рабочей частоты микроконтроллера для обеспечения точности управления.

Таким образом, алгоритм работы системы управления (рисунок 5) можно описать следующим образом:

1) в начале работы производится измерение мгновенного значения тока нагрузки /,„ в момент произвольный момент времени t. Полученные данные от измеряющих датчиков передаются в блок обработки данных (микроконтроллер);

2) на втором этапе происходит преобразование трёхфазной системы координат abc в систему координат d, q, 0, используя (4);

3) на следующем шаге происходит вычисление мгновенных значений сигнала искажения в ¿¿^-координатах, представляющего собой разность между идеальной синусоидой и током нагрузки;

4) на основании полученного сигнала искажения формируется управляющий ШИМ сигнал;

5) далее в силовой части активного фильтра путем переключений вентилей по заданному ШИМ сигналу формируется ток фильтра /ф, который представляет собой «зеркальное» отображение искажающего сигнала;

6) на завершающем этапе происходит генерация полученного сигнала в сеть с задержкой времени At, обусловленная временем, затраченным на производимые микроконтроллером вычисления тока фильтра и работу ключей. В результате сложении тока сети (в момент времени / + Jt) с током фильтра полученным в результате измерений в момент времени t, происходит подавление высших гармоник с небольшой погрешностью. Эта погрешность сводится к минимуму с увеличением скоростью обработки данных (увеличение тактовой частоты микроконтроллера). Далее система повторяет цикл заново.

ф Измерение мпкжеиных 'шачснин в момент времени /, iu,

Преобразование в Л/-систему Р-Ч-Р-Ч

CD Формирования сигнала ошибки (искажения) ".......".......Г....."

Ф Генерация управляющего ШИМ сигнала

© Формирование импульса 'ф = " i/KW

! 1_____________

L® ) Генерация в сеть с задержкой Al 'urnit ~ im + 1ф1*Л1

Рисунок 5 - Алгоритм работы системы управления активным фильтром

Данный алгоритм работы системы управления активной частью фильтра гармоник будет использоваться для дальнейшего исследования качества компенсации высших гармоник при моделировании нагрузок с различным спектром гармоник.

В третьей главе рассматривается результаты моделирования с помощью виртуальной модели устройства, построенной в приложении Simulink программного комплекса MATLAB.

На рисунках 6-8 представлены модели нелинейной и несимметричной нагрузок и модель трёхфазного активного фильтра, реализованные в приложении Simulink программного комплекса MATLAB.

В качестве нагрузки представлены два блока, один из которых моделирует нелинейную нагрузку (Non-Linear Load) (рисунок 6), а другой несимметричную активно-индуктивную нагрузку (Asymmetrical Load) (рисунок 7). Каждый из элементов может изменять свои характеристики во время моделирования.

<2>-

<Еж-

U

Ж

УЗ i—,

©

кз-В

Ci 1 •

El—1_

©

:ЕНЗ

Рисунок 6 - Блок трёхфазной нелинейной нагрузки в среде MATLAB

Рисунок 7 - Блок моделирования трёхфазной несимметричной активно-индуктивной нагрузки в среде МАТЬАВ

Основные элементы, входящие в состав блока активного фильтра, представлены на рисунке 8.

ст> ср

I МЬО_1«44

к—□ 4—И

[УЛЫ.АР]

{1|Ьс_АГ|

Рисунок 8 - Модель трёхфазного активного фильтра в среде МАТЬАВ

Система управления состоит из трёх блоков: PLL, RMS и Hysterisis. Блок «PLL» генерирует идеальную синусоиду с аналогичной частотой и сдвигом фазы как у тока нагрузки. Блок «RMS» вычисляет среднеквадратичное значение тока нагрузки. Еще один элемент модели - блок «Hysterisis» отвечает за генерацию сигнала управления инвертором.

Для проверки эффективности работы полученной модели активного фильтра гармоник и системы управления будем моделировать различные режимы нагрузки, а также оценим качество компенсации высших гармоник.

1 Режим с не изменяющейся во времени нелинейной нагрузкой - в данном режиме работает только блок «Non-Linear Load». График изменения

На рисунке 10 представлен график изменения тока нагрузки после включения активного фильтра гармоник.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения после включения активного фильтра снижается с К = ¡2,96% до К = 1,08%.

2 Режим с изменяющейся во времени нелинейной нагрузкой - в данном режиме изменяется мощность нелинейной нагрузки. График изменения тока нагрузки представлен на рисунке 11.

На рисунке 12 представлен график изменения тока нагрузки после

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения после включения активного фильтра снижается с К^ = 19,20% до К^ = 1,60%.

3 Режим с изменяющейся во времени несимметричной нагрузкой - в данном режиме нагрузка изменяется во времени и на второй ступени, после изменения, является несимметричной. График изменения тока нагрузки представлен на рисунке 13.

На рисунке 14 представлен график изменения тока нагрузки после включения активного фильтра гармоник.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения после включения активного фильтра снижается с К = 7,76% до К^ = 0,81%.

В целом проведённый анализ работы виртуальной модели трёхфазного активного фильтра позволяет сказать о корректной и эффективной работе данного устройства во всех смоделированных режимах. Качество компенсации высших гармоник удовлетворяет требованиям ГОСТ 13109-97. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения после включения активного

фильтра гармоник снижается в среднем в 12 раз, что говорит об эффективности разработанной системы управления.

В четвёртой главе после проведённого моделирования с помощь пакета МАТЬАВ была создана экспериментальная физическая модель активного фильтра с разработанной системой управления для проверки его работоспособности в реальных условиях.

Структурная схема физической модели активного фильтра гармоник представлена на рисунке 15, соответствующая ей принципиальная схема активного фильтра гармоник - на рисунке 16.

Рисунок 15 - Структурная схема активного фильтра

510 ком 1кОм 37

■ - !-1 '7 ' 1'] 1------------

| _ ¡0,1 МКФ 1 КО»

.1

510 КОМ 1 «0« 36

■ ' ■ ¡ Г.. |— ---------

у ] 0,1 МКФ

...................... 35

3 КОМ | I

¡В)г~

»15 0;_ 5

2 1__кия . .1 2.

2 2.....Ш.Д-З

0.1 МКФ Г 4

[б ]29

•■ПЕВ" I 1 1.9 Н1А, I г 20 НА

РОЗ

23

«■С!

38'1 I-

ЙТ

■0-,,,,-и

РОЗ

|С:

15 В" 1

Н1С 2

ис 3

■Н......

120 КОМ

1 0,1 мкф

-......1... -

120 КОМ

120 ком

j 0.1 мкф I

........:.">--

120 «Ом

¿р.' 1'

- -]'

Л-ю,

_1т

003

7

120 КОМ

±; ^.......

■.;Г_.......!Т.:Г.

■ж

100 мГн 470 мкф

— г:.> ■

120 КОМ

50 В

¡0051

1......

I

а

18 р»

I Г..7.1

..! ' -1-м.....,

¿Г 16Р®

I 470 мкф Г Я>В

] 2,2 мкф

-1.....50 В -

11.12

5 4, 5. 6

002

001 г 50 В

....1А.З

12.

■»15 В"

11 « ¡В I -о- и-10.. -»15 В-_

!Ь)

47 мкф 50 В :

-II—.....'

|7 ¡а ■ '

И

Рисунок 16- Принципиальная схема экспериментального активного фильтра

При проверке работы активного фи нагрузки использовались светильник лабораторный преобразователь.

Внешний вид экспериментальной гармоник

иьтра гармоник в качестве нелинейной с люминесцентными лампами и

модели силового активного фильтра

Рисунок 17 - Внешний вид экспериментальной модели устройства

В результате экспериментальной проверки активный фильтр показал положительные характеристики по фильтрации высших гармоник. Результаты измерений, полученные с помощью ИВК «Омск-М», до и после включения фильтра представлены на рисунках 18-19,

Рисунок 18 - График изменения тока нагрузки до включения фильтра

Рисунок 19 - График изменения тока нагрузки после включения фильтра

Результаты измерений показывают, что коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения снижается в среднем в 11 раз, что говорит об эффективной работе системы управления активного фильтра гармоник. После включения активного фильтра коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения и п-ой гармонической составляющей напряжения не превышают допустимьк значений требований ГОСТ 13109-97.

Также в четвёртой главе произведена оценка применимости активного фильтра в качестве средства снижения уровня гармоник в сравнении с пассивным фильтром. В качестве критерия оценки использовался срок окупаемости. Для этого были рассмотрены два варианта: в первом случае расчёт проводился для пассивного, фильтра, настроенного на наиболее значимые гармоники (п=5, 7, 11, 13), а во втором случае - для силового активного фильтра. В качестве исходных данных использовались значения, полученные в результате моделирования различных режимов нагрузки, основанные на реальных измерениях, проведенных испытательной лабораторией по качеству электроэнергии при кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета.

По результатам расчётов построены зависимости времени окупаемости от коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения (рисунок 20).

Рисунок 20 - Зависимость времени окупаемости от коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения

В результате анализа кривых, представленных на рисунке 20, можно сделать вывод о том, что активный фильтр целесообразно применять при доле 5-ой, 7-ой, 11-ой, 13-ой гармоник от общего гармонического содержания менее чем 50 %. Значение доли 7 ц ¡3~ 50% указывает на эффективность

применения как активных, так и пассивных фильтров, в этом случае требуется технико-экономическое обоснование.

Анализ кривых, представленных на рисунке 20, позволяет вывести критерий использования активного фильтра гармоник

к \и2 + и2 + и2 +и2

а = ь 7 и ^<50%. (19)

5,7,11.13 К, 40 ,

и V Г

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Исследовались существующие способы и технические средства снижения уровня высших гармонических составляющих тока и напряжения и, как следствие, обеспечения требуемого качества электроэнергии, а также были выявлены основные направления, в которых необходимо совершенствовать данные средства.

2 Разработана программа для расчёта и оценки дополнительных потерь в основных элементах систем электроснабжения от влияния высших гармоник тока и напряжения.

3 Предложена математическая модель активного фильтра гармоник без использования быстрого преобразования Фурье, позволяющая с малой задержкой времени, генерировать сигнал ошибки в сеть, улучшая качество электрической энергии в узлах нагрузки, и обеспечивать высокое быстродействие предложенного алгоритма. Применение данной модели в аппаратной части позволит отказаться от ряда ключевых элементов активного фильтра, тем самым, снизить его стоимостные и массогабаритные характеристики.

4 На основании дискретной математической модели активного фильтра гармоник разработан алгоритм работы системы управления активной частью фильтра, которая может использоваться в работе не только активных, но и гибридных фильтров.

5 Построены виртуальная модель активного фильтра гармоник и его системы управления в приложении внпиНпк программного комплекса МАТЪАВ, а также виртуальная модель системы электроснабжения, позволяющая моделировать различные режимы нагрузки. Данная виртуальная модель позволяет проверить основные теоретические положения, выдвинутые при разработке системы управления филыром, а также оценить качество компенсации высших гармоник при различных возмущающих факторах со стороны нагрузки.

6 Исследовано качество компенсации высших гармоник в различных смоделированных режимах нагрузки. В рассмотренных режимах коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения после включения активного фильтра гармоник снижается в среднем в 12 раз до значений, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 13109-97, что указывает на эффективность разработанной системы управления активной частью фильтров гармоник.

7 Создан макет активного фильтра гармоник с разработанной системой управления, который может быть использован не только для исследования

свойств активного фильтра, но также для исследования режимов работы других устройств, использующих активную фильтрацию, и предназначенных для компенсации высших гармоник. Также макет может быть использован для исследования вопросов устойчивости вышеуказанных устройств. Результаты измерений показывают, что коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения снижается в среднем в 11 раз, что совпадает с результатами теоретических исследований, полученных с помощью виртуальной модели. Это говорит об эффективности работы системы управления силовой частью фильтров гармоник.

8 В результате численных экспериментов были получении зависимости времени окупаемости при использовании фильтров гармоник от коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и доли 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13-ой гармоник из общего гармонического содержания. Указанные зависимости позволяют сделать вывод, что чем больше величина коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, тем меньше время окупаемости фильтра. Кроме того, выведен критерий использования активного фильтра гармоник, который указывает на эффективность применения активных фильтров гармоник при значениях доли 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13-ой гармоник от общего гармонического содержания равной ^ < 50%.

Список работ, опубликованных по теме диссертации: Статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Лютаревич, А.Г. Расчет потерь мощности от влияния высших гармоник / А.Г. Лютаревич [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Востока. -2009,-№2.-С. 225-229.

2 Лютаревич, А.Г. Определение управляющего воздействия активного фильтра гармоник / А.Г. Лютаревич [и др.] Н Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2009. - № 6. - С. 712.

Статьи в Российских и иностранных изданиях, материалы международных и региональных конференций

3 Лютаревич, А.Г. Расчет и оптимизация режима системы электроснабжения с целью уменьшения потерь / А.Г. Лютаревич [и др.] // Энергосбережение и энергетика в Омской области. - 2006. - № 2 (19). - С. 6163.

4 Лютаревич, А.Г. Анализ современных методов и средств повышения качества электроэнергии / А.Г. Лютаревич [и др.] // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: Третья междунгр. науч.-техн. конф. - Омск. -2007.-С. 114-118.

5 Лютаревич, А.Г. Активный фильтр как техническое средство обеспечения качества электроэнергии / А.Г. Лютаревич [и др.] // Омский научный вестник. - 2008. - № 1 (64). - С. 78-80.

6 Лютаревич, А.Г. Анализ схем активных фильтров гармоник / А.Г. Лютаревич [и др.] // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: Всерос. науч.-техн. конф. - Омск. - 2008. - С. 84-88.

7 Лютаревич, А.Г. Применение методов контроля и анализа качества электроэнергии при исследовании систем электроснабжения объектов министерства здравоохранения Омской области / Г.И. Бумагин, А.В Дед, А.Г. Лютаревич; Омский гос. техн. ун-т.- Омск, 2008. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 22.02.08,№ 151.-В 2008.

8 Лютаревич, А.Г. Расчет дополнительных потерь мощности от высших гармоник / А.Г. Лютаревич [и др.] // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: Всерос. науч.-техн. конф. — Омск, 2009. - С. 56-62.

9 Лютаревич, А.Г. Оценка дополнительных потерь мощности от высших гармоник в элементах систем электроснабжения / А.Г. Лютаревич [и др.] // Омский научный вестник. - 2009. - №1 (77). - С. 109-113.

10 Лютаревич, А.Г. Расчет потерь мощности от высших гармоник / А.Г. Лютаревич, С.Ю. Долингер. - М.: ФГНУ «ЦИТиСОИВ», 2009. -№50200900637.

11 Лютаревич, А.Г. Анализ электромагнитной обстановки в системе «сеть - активный фильтр гармоник» // Омский научный вестник. - 2009. - №2 (80).-С. 171-173.

12 Лютаревич, А.Г. Повышение качества электроэнергии за счет снижения несинусоидапьности кривой напряжения / Д.С. Осипов, А.Г. Лютаревич, С.Ю. Долингер, В.В. Харламов // Омский гос. техн. ун-т. - Омск, 2009. - 14 с. Деп. в ВИНИТИ 30.09.09, № 606. - В 2009.

Личный вклад в статьях, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50%.

ti

Печатается в авторской редакции Подписано в печать 15.10.2009 г. формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать оперативная. Усл.-печ. л. 1,4. Тираж 130.

Заказ №61

Отпечатано на дупликаторе в полиграфической лаборатории кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии» Омского государственного технического университета 644050, г.Омск, пр. Мира, И тел.:65-33-14

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

1.1 Высшие гармоники в системах электроснабжения.

1.2 Определение потерь мощности от высших гармонических составляющих тока и напряжения.

1.3 Способы снижения уровня высших гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения.

1.4 Активный фильтр как средство снижения уровня высших гармонических составляющих тока и напряжения.

Выводы по первой главе.

2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНЫМ ФИЛЬТРОМ.

2.1 Построение математической модели активного фильтра гармоник.

2.2 Алгоритм определения управляющего воздействия активного фильтра гармоник.

Выводы по второй главе.

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА ГАРМОНИК.

3.1 Анализ электромагнитной обстановки в системе «сеть - активный фильтр гармоник».

3.2 Выбор программы для моделирования активного фильтра.

3.3 Описание модели активного фильтра в среде MATLAB.

Выводы по третьей главе.

4 ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА ГАРМОНИК.

4.1 Построение физической модели активного фильтра.

4.2 Методика проведения измерений показателей качества электроэнергии.

4.3 Исследования уровня гармоник до и после компенсации.

4.4 Оценка эффективности использования активного фильтра гармоник в системах электроснабжения для улучшения качества электроэнергии.

Выводы по четвёртой главе.

Актуальность работы. Электрическая энергия является товаром и используется во всех сферах жизнедеятельности человека, а также непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. В силу своей специфики понятие качества электрической энергии отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник рассчитан для работы при определённых параметрах электрической энергии, поэтому для его нормальной работы должно быть обеспечено требуемое качество. Таким образом, качество электроэнергии определяется совокупностью её характеристик, при которых электроприёмники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции. Особенность электрической энергии заключается в том, что её качество на месте производства не гарантирует качества на месте потребления. Качество электроэнергии до и после включения электроприемника к сети также может быть различно. Поэтому надлежащее качество электрической энергии - это один из её главных показателей эффективности производства, передачи, распределения и потребления.

Результаты анкетирования, проведённого Комитетом по стандартизации в области электромагнитной совместимости, 150 крупных промышленных потребителей в различных регионах России показали, что 30 % из участвующих в анкетировании потребителей связывают с некачественной электроэнергией выход из строя электрооборудования. Снижение производительности механизмов отмечали 28 % опрошенных потребителей, а 25 % - ухудшение качества выпускаемой продукции. Более 40 % из числа анкетированных связывали сбои средств автоматики, телемеханики, связи, компьютерной техники с качеством электроэнергии в питающей сети. Нарушение качества электроэнергии - это не только российская проблема. Различные исследования показывают, что нарушение качества электроэнергии обходится промышленности и в целом деловому сообществу Европейского союза около

14 млрд. евро в год. Постоянный рост доли и мощности электроприёмников с нелинейными вольтамперными характеристиками также приводит к возникновению проблемы качества электроэнергии. Для этих потребителей проблема повышения качества электроэнергии становится особенно острой из-за постоянно растущей стоимости электроэнергии и требований к её качеству со стороны энергоснабжающих организаций.

Указанные причины обуславливают необходимость повышения качества электрической энергии и уровня электромагнитной совместимости разных видов оборудования в узлах нагрузки различных систем электроснабжения.

Вопросам улучшения качества электрической энергии посвятили свои работы такие учёные как Абрамович Б.Н., Арриллага Дж., Дрехслер Р., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Иванова Е.В., Карташев И.И., Кузнецов В.Г., Розанов Ю.К., Сальников В.Г., Шидловский А.К. и др. Вопросы по улучшению качества электроэнергии актуальны не только в России, но и за рубежом. Об этом свидетельствуют регулярно проходящие конференции, посвящённые вопросам электромагнитной совместимости и качества электроэнергии: CIGRE (Международная конференция по большим электрическим системам), CIRED (Международная конференция по системам распределения электроэнергии) и др.

Данная диссертационная работа направлена на решение проблемы улучшения качества и экономии электроэнергии. Это направление относится к приоритетным направлениям в области электроэнергетики и согласуется с Федеральной комплексной целевой программой «Энергоэффективная экономика», утверждённой постановлением Правительства РФ от 17 ноября 2001г. №796, а также рядом других отраслевых программ, в которых представлена стратегия по совершенствованию энергосистемы страны.

Таким образом, проблема улучшения качества электрической энергии существует и требует новых решений по разработке технических средств, повышающих качество электроэнергии, а также принципов их управления.

Целью работы является разработка и исследование системы управления активной частью фильтра гармоник для улучшения качества электроэнергии в узлах нагрузок электроэнергетических систем.

Для достижения поставленной цели ставились и решались следующие задачи:

1 Исследование существующих способов и технических средств для улучшения качества электроэнергии в системах электроснабжения.

2 Разработка программы для расчета и оценки дополнительных потерь в основных элементах систем электроснабжения от влияния высших гармонических составляющих тока и напряжения.

3 Создание математической модели активного фильтра гармоник.

4 Разработка системы управления активной частью фильтра.

5 Построение виртуальной модели активного фильтра и системы управления для исследования качества компенсации высших гармоник в узлах нагрузок электроэнергетических систем.

6 Создание макетного образца активного фильтра гармоник с разработанной системой управления и его экспериментальное исследование.

7 Оценка эффективности использования активного фильтра гармоник в системах электроснабжения для улучшения качества электрической энергии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Математическая модель активного фильтра гармоник.

2 Система управления активной частью фильтра гармонических составляющих тока и напряжения.

3 Результаты теоретических и экспериментальных исследований качества электроэнергии в узлах нагрузок при использовании силового активного фильтра.

Методы исследований базируются на методах теории автоматического управления, физического моделирования, экспериментальных исследований и числительных экспериментов. При решении задач исследования работы системы управления на качество электроэнергии в узлах нагрузки использовались методы цифрового моделирования на основе пакета программ MATLAB/SimPowerSystems.

Научная новизна диссертационной работы:

1 Предложена система управления активной части фильтров гармоник, улучшающих качество электрической энергии в узлах нагрузок.

2 Получена математическая модель выделения сигнала ошибки, являющегося управляющим воздействием для силовой части фильтров гармоник.

3 Разработан алгоритм определения управляющего воздействия активного фильтра гармоник.

4 В результате численных экспериментов на разработанной модели системы управления произведена оценка мгновенного значения управляющего воздействия на искажающий сигнал.

5 Установлен критерий использования силового активного фильтра как технического средства улучшения качества электроэнергии в узлах нагрузок.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1 Разработана программа для расчета потерь мощности от высших гармоник, предназначенная как для учебного процесса, так и для оценки и планирования затрат на электроэнергию отделами главного энергетика и энергослужбами промышленных предприятий.

2 Предложена система управления силовой частью, которая может применяться как в активных, так и в гибридных фильтрах гармоник, для улучшения качества электроэнергии в системах электроснабжения.

3 Создана физическая модель системы управления, позволяющая исследовать качество электроэнергии в узлах нагрузок при различных спектрах высших гармоник.

4 Получен критерий использования, определяющий рациональное применение силового активного фильтра как технического средства улучшения качества электроэнергии в узлах нагрузок.

Реализация результатов работы. Разработанное устройство внедрено в учебный процесс кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ГОУВПО «ОмГТУ». Кроме того, результаты работы приняты к внедрению в НПО «Мостовик».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: 3-й международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», Омск, 2007; а также ежегодно на Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность», Омск, 20082009.

Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в каждой работе, опубликованной в соавторстве, показан в таблице ПЛ Приложения 1 диссертации, и в большинстве составляет не менее 50 %.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ. Из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, три доклада в материалах международных и всероссийских конференций, а также зарегистрирована программа для ЭВМ в ФГНУ «ЦИТиСОИН» № 50200900637.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, списка использованных источников из 94 наименований и приложений.

Выводы по четвёртой главе

1 Создан макет активного фильтра гармоник с разработанной системой управления, который может быть использован не только для исследования свойств активного фильтра, но также для исследования режимов работы других устройств, использующих активную фильтрацию, и предназначенных для компенсации высших гармонических составляющих тока и напряжения. Также макет может быть использован для исследования вопросов устойчивости вышеуказанных устройств.

2 Результаты измерений показывают, что коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения снижается в среднем в 11 раз, что совпадает с результатами теоретических исследований, полученных с помощью виртуальной модели. Это говорит об эффективности работы системы управления силовой частью фильтров гармоник. Расхождение между результатами теоретических исследований и исследований, полученных при использовании созданного макета устройства, объясняется идеализированием-некоторых элементов виртуальной модели, построенной в приложении Simulink программного комплекса MATLAB.

3 В результате численных экспериментов были получении зависимости времени окупаемости при использовании фильтров гармоник от коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и доли 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13-ой гармоник из общего гармонического содержания. Указанные зависимости позволяют сделать вывод, что чем больше величина коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, тем меньше время окупаемости фильтра. Кроме того, выведен критерий использования активного фильтра гармоник, который указывает на эффективность применения активных фильтров гармоник при значениях доли 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13-ой гармоник от общего гармонического содержания равной d5 7 и 13 <50%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы были достигнуто следующее:

1 Исследовались существующие способы и технические средства снижения уровня высших гармонических составляющих тока и напряжения и, как следствие, обеспечения требуемого качества электроэнергии, а также были выявлены основные направления, в которых необходимо совершенствовать данные средства.

2 Разработана программа для расчёта и оценки дополнительных потерь в основных элементах систем электроснабжения от влияния высших гармоник тока и напряжения.

3 Предложена математическая модель активного фильтра гармоник без использования быстрого преобразования Фурье, позволяющая с малой задержкой времени, генерировать сигнал ошибки в сеть, улучшая качество электрической энергии в узлах нагрузки, и обеспечивать высокое быстродействие предложенного алгоритма. Применение данной модели в аппаратной части позволит отказаться от ряда ключевых элементов активного фильтра, тем самым, снизить его стоимостные и массогабаритные характеристики.

4 На основании дискретной математической модели активного фильтра гармоник разработан алгоритм работы системы управления активной частью фильтра, которая может использоваться в работе не только активных, но и гибридных фильтров.

5 Построены виртуальная модель активного фильтра гармоник и его системы управления в приложении Simulink программного комплекса MATLAB, а также виртуальная модель системы электроснабжения, позволяющая моделировать различные режимы нагрузки. Данная виртуальная модель позволяет проверить основные теоретические положения, выдвинутые при разработке системы управления фильтром, а также оценить качество компенсации высших гармоник при различных возмущающих факторах со стороны нагрузки.

6 Исследовано качество компенсации высших гармоник в различных смоделированных режимах нагрузки. В рассмотренных режимах коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения после включения активного фильтра гармоник снижается в среднем в 12 раз до значений, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 13109-97, что указывает на эффективность разработанной системы управления активной частью фильтров гармоник.

7 Создан макет активного фильтра гармоник с разработанной системой управления, который может быть использован не только для исследования свойств активного фильтра, но также для исследования режимов работы других устройств, использующих активную фильтрацию, и предназначенных для компенсации высших гармоник. Также макет может быть использован для исследования вопросов устойчивости вышеуказанных устройств. Результаты-измерений показывают, что коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения снижается в среднем в 11 раз, что совпадает с результатами теоретических исследований, полученных с помощью виртуальной модели. Это говорит об эффективности работы системы управления силовой частью фильтров гармоник.

8 В результате численных экспериментов были получении зависимости времени окупаемости при использовании фильтров гармоник от коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и доли 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13-ой гармоник из общего гармонического содержания. Указанные зависимости позволяют сделать вывод, что чем больше величина коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, тем меньше время окупаемости-фильтра. Кроме того, выведен критерий использования активного фильтра гармоник, который указывает на эффективность применения активных фильтров гармоник при значениях доли 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13-ой гармоник от общего гармонического содержания равной d5 7 и ]3< 50%.

1. Akagi, Н. Active harmonic filters / Proceedings of the IEEE, vol. 93, no. 12, December 2005, pp. 2128-2141.

2. Akagi, H. «New Trends Active Filters».-VI European Conference on Power Electronics and Applications, Sevilla, ESpain. vol.0, Sept/1995, p. 17-26.

3. Barrero Fermin, Martinez Salvador, Yeves Fernando, Martinez Pedro M. Active power filters for line conditioning: a critical evaluation // IEEE Trans. Power. Deliv. -2000. — № 1.-p. 319-325.

4. Bernard S., Fiorina J.N., Gros В., Trochain G. THM Filtering and the Management of Harmonic Upstream of UPS // MGE UPS Systems, MGE 0246, 2000.-17 p.

5. Bettega E., Fiorina J.N. Active harmonic conditioners and unity power factor rectifiers // Cahiers Techniques. 1999. ЕСТ 183. - 36 p. - Режим доступа: www.designers.schneiderelectric.ru/attachments/ed/ct/activeharmonicconditioners.pdf.

6. Gruzs, T.M. An Optimized Three-Phase Power Conditioner Featuring Deep Sag Protection and Harmonic Isolation // Liebert Corporation, 1996. 10 p.

7. Huang S-J., Wu J.-C. Design and operation of cascaded active power filters for the reduction of harmonic distortions in power system // IEE Proc. Generat., Transmiss. and Distrib. 1999. - №2. - C. 193-199.

8. Jain Shailendra Kumar, Agarwal Pramod, Gupta H. O. A control algorithm for compensation of customer-generated harmonics and reactive power // IEEE Trans. Power. Deliv. 2004. -№ 1. - C. 357-366.

9. Ortuzar M., Carmi R., Dixon J., Moran L. Voltage source active power filter, based on multi-stage converter and ultracapacitor DC-link / IEEE Power

10. Electronics Specialists Conference, 15-19 June 2008, pp. 2300-2305. Режим доступа: http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/61 a.pdf.

11. Parkatti P., Salo M., Tuusa H. Experimental results for a current source shunt active power filter with series capacitor / IEEE Power Electronics Specialists Conference, 15-19 June 2008, pp. 3814-3818.

12. Peng, F.Z. Application issues of active power filters / IEEE Industry Applications Magazine, September/October 1998, pp. 21-30.

13. Rivas D., Moran L., Espinosa J. Improving passive filter compensation performance with active techniques / IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 50, no. 1, February 2003, pp. 161-170.

14. Sine Wave THM Active Harmonics Conditioners // MGE UPS Systems, MGE 0023, 1997.-8 p.

15. Аванесов, B.M. Инвариантное управление следящим инвертором напряжения // Электротехника. 1999. — № 4. - С. 34-40.

16. Агунов, А.В. Статический компенсатор неактивных составляющих мощности с полной компенсацией гармонических составляющих тока нагрузки / Электротехника. 2003. - № 2. - С.47-50.

17. Агунов, А.В. Улучшение электромагнитной совместимости в автономных электроэнергетических системах ограниченной мощности методом активной фильтрации напряжения // Электротехника. 2003. — № 6. - С. 52-56.

18. Аррилага, Дж. Гармоники в электрических системах: пер. с англ. / Дж. Аррилага, Д. Брэдли, П. Боджер. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.

19. Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. Изд. 4-е перераб. и доп. СПб.: Изд-во «Профессия», 2004. - 752 с.

20. Бессонов, JI.A. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: учебник. 9-е изд., перераб. и доп. — М.: Гардарики, 2001. - 317 с.

21. Вагин, Г.Я. Построение систем электроснабжения промышленных предприятий с учетом электромагнитной совместимости электроприемников // Промышленная энергетика. 2005. - № 2. — С. 3843.

22. Васютинский, С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов / С.Б. Васютинский. JL: Энергия, 1970. - 432 с.

23. Висящев А.Н., Тигунцев С.Г., Луцкий И.И. Влияние потребителей на искажение напряжения // Электрические станции. 2002. — № 7. - С. 2631.

24. Воротницкий, В.Э. Потери электроэнергии в электрических сетях: анализ и опыт снижения / В.Э. Воротницкий. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2006. -104 с.

25. Востриков, А.С. Теория автоматического регулирования: учеб. пособие для вузов / А.С. Востриков, Г.А. Французова. М.: Высш. шк., 2004. - 365 с.

26. Галанов В.П., Галанов В.В. О влиянии нелинейных и несимметричных нагрузок на качество электрической энергии // Промышленная энергетика. -2001. -№ З.-С. 46-49.

27. Гидалевич, Е.Д. Упрощенный расчет мощности потерь в косинусных конденсаторах при несинусоидальном напряжении // Промышленная энергетика. 1990. - № 7. - С. 24-30.

28. Горюнов В.Н., Лютаревич А.Г., Четверик И.Н. Активный фильтр как техническое средство обеспечения качества электроэнергии // Омский научный вестник. 2008. - №1 (64). - С. 78-80.

29. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М.: Издательство стандартов, 1998 — 32 с.

30. ГОСТ Р 50397-92. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения / М.: Издательство стандартов, 1998 — 16 с.

31. Григорьев, О. Высшие гармоники в сетях 0,4 кВ // Новости электротехники. 2002. - №6. - Режим доступа: http://www.news.elteh.ru/arh/2003/14.php

32. Григорьев, О. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ // Новости электротехники. — 2003. № 1. - С. 54-56.

33. Гуртовцев, А. Погрешности электронных счетчиков. Исследование и оценка // Новости электротехники. 2007. - №1. - С. 68-71.

34. Гуртовцев, А. Погрешности электронных счетчиков. Исследование и оценка // Новости электротехники. 2007. - №2. - С. 156-160.

35. Данилевич, Я.Б. Добавочные потери в электрических машинах / Я.Б. Данилевич, Э.Г. Кашарский. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 164 с.

36. Дмитриев, С. Международные стандарты электромагнитной совместимости электронной аппаратуры // Электронные компоненты. — 2000. № 1. - режим доступа: http://www.elcp.ru/index.php?state=200001&iart=l.

37. Дрехслер, Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке: пер. с чешек. / Р. Дрехслер. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 112 с.

38. Жежеленко, И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И.В. Жежеленко. М.: Энергоатомиздат, 2000. - 186 с.

39. Железко, Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. — М.: Энергоатомиздат, 1989. 176 с.

40. Железко, Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. — М.: ЭНАС, 2009. — 456 с.

41. Зиновьев, Г.С. Основы силовой электроники. 4.1 / Г.С. Зиновьев. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. 199 с.

42. Зиновьев, Г. С. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники (электроэнергетический аспект) / Г. С. Зиновьев. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998. 90 с.

43. Иванова, Е.В. Кондуктивные электромагнитные помехи в электроэнергетических системах / Е.В. Иванова; под ред. В.П. Горелова, Н.Н. Лизалека. Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2006. - 432 с.

44. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Качество электрической энергии в муниципальных сетях Московской области // Промышленная энергетика. 2002. - № 8. - С. 42-47.

45. Карташев И.И., Тульский В.Н. Требования к качеству электроэнергии в договорах электроснабжения // Электро. 2003. - № 6. - С. 13-16.

46. Карташев, И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения / Под ред. М.А. Калугиной. М.: Издательство МЭИ, 2000. - 120 с.

47. Карташев, И.И. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др.; под ред. Ю.В. Шарова. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 320 с.

48. Киселев, А.Н. Оптимизация численной обработки сигнала потребляемого тока при работе активного фильтра // Электротехника. 2003. - № 10. - С. 60-61.

49. Климов, В.П. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания / В.П. Климов, А.Д. Москалев. — Режим доступа: http://www.tensy.ru/article01.html.

50. Климов, В.П. Способы подавления гармоник тока в системах электропитания / В.П. Климов, А.Д. Москалев. — Режим доступа: http://www.tensy.ru/article02.html.

51. Куликов, Ю.А. Переходные процессы в электрических системах: учеб. пособие /Ю.А. Куликов. Новосибирск: НГТУ, М.: ООО «Издательство ACT», 2003.-283 с.

52. Кумаков Ю. Инверторы напряжения со ступенчатой модуляцией и активная фильтрация высших гармоник // Новости электротехники. 2005.- №6. С. 64-67.

53. Куро, Ж. Современные технологии повышения качества электроэнергии при ее передачи и распределении // Новости электротехники. 2005. - №1.- С. 22-26.

54. Куско, А. Качество энергии в электрических сетях / А. Куско, М. Томпсон: пер. с англ. Рободзея А.Н. М.: Додэка-ХХ1, 2008. - 336 с.

55. Кучинский, Г.С. Силовые электрические конденсаторы / Г.С. Кучинский, Н.И. Назаров, Г.Т. Назарова, И.Ф. Переселенцев. М.: Энергия, 1975. - 248 с.

56. Лайнос, Р. Цифровая обработка сигналов: пер. с англ. 2-е изд. / Р. Лайнос. -М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. 656 с.

57. Литовкин Г.И., Орлов А.И., Третьяков А.Н. Средства улучшения качества электрической энергии на сельскохозяйственных предприятиях // Электротехника. 2005. - № 12. - С. 29-32.

58. Лозинова Н.Г., Мазуров М.И., Николаев А.В. Подавление высших гармоник в схемах передач постоянного тока с применением активных фильтров // Электрические станции. 2005. - № 12. - С. 59-63.

59. Лютаревич, А.Г. Анализ схем активных фильтров гармоник / А.Г. Лютаревич и др. // Россия молодая: передовые технологии — в промышленность: Всерос. науч.-техн. конф. Омск. - 2008. - С. 84-88.

60. Лютаревич, А.Г. Анализ электромагнитной обстановки в системе «сеть — активный фильтр гармоник» // Омский научный вестник. — 2009. №2 (80). -С. 171-173.

61. Лютаревич, А.Г. Анализ современных методов и средств повышения качества электроэнергии / А.Г. Лютаревич и др. // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: Третья междунар. науч.-техн. конф. Омск. -2007.-С. 114-118.

62. Лютаревич, А.Г. Повышение качества электроэнергии за счет снижения несинусоидальности кривой напряжения / Д.С. Осипов, А.Г. Лютаревич, С.Ю. Долингер, В.В. Харламов; Омский гос. техн. ун-т — Омск, 2009. 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 30.09.09, № 606. - В 2009.

63. Макаров, И.М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал). 2-е изд., перераб. и доп. / И.М. Макаров, Б.М. Менский. -М.: Машиностроение, 1982. - 504 с.

64. Манькин, Э.А. Потери на вихревые токи в обмотках трансформаторов при несинусоидальном токе // Электричество. 1955. - № 12. С. 48-52.

65. Мустафа Г.М., Кутейникова А.Ю., Розанов Ю.К., Иванов И.В. Применение гибридных фильтров для улучшения качества электроэнергии // Электричество. 1995. - № 10. - С. 33-39.

66. Наумов, И.В. Качество электрической энергии в сельских сетях 0,38 кВ // Механиз. и электриф. с. х. 2002. - № 3. - С. 19-20.

67. Николаев, А.В. Разработка принципов управления статическим компенсатором (СТАТКОМ) и исследование его работы на подстанцияхпеременного и постоянного тока: Дис. канд. тех. наук. СПб.: 2005. — 161 с.

68. Остриров В.Н., Мосин Р.В. Экспериментальные исследования трехфазного активного фильтра для применения в современных электронных преобразователях // Электричество. 2003. - № 7. - С. 63-66.

69. Пронин, М. Активные фильтры высших гармоник. Направления развития // Новости электротехники. 2006. - №2. - С. 102-104.

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

71. Розанов Ю.К., Рябчинский М.В. Современные методы улучшения качества электроэнергии (аналитический обзор) // Электротехника. 1998. — № 3. — С. 10-17.

72. Розанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк А.А. Современные методы регулирования качества электроэнергии средствами силовой электроники // Электротехника. 1999. - № 4. - С. 28-32.

73. Розанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк А.А., Гринберг Р.П. Силовая электроника и качество электроэнергии // Электротехника. 2002. - № 2. -С. 16-23.

74. Розанов, Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчинский, А.А. Кваснюк. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 632 с.

75. Розанов, Ю.К. Электронные устройства электромеханических систем: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Ю.К. Розанов, Е.М. Соколова. — 2-е изд., стер. М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 272 с.

76. Рябчинский, М.В. Регулятор качества электроэнергии на базе активного фильтра // Электротехника. — 2000. — № 7. — С. 37-41.

77. Семичевский, П.И. Методика расчета дополнительных потерь активных мощности и электроэнергии в элементах систем электроснабженияпромышленных предприятий, обусловленные высшими гармониками: Дис. канд. тех. наук. — М., 1978. -206 с.

78. Сергиенко, А.К. Цифровая обработка сигналов: учебник для вузов. 2-е изд. / А.К. Сергиенко СПб.: Питер, 2007. - 751 с.

79. Смирнов, С.С. Вероятностный расчет уровней напряжений высших гармоник в сети 110-220 кВ, питающих крупные нелинейные нагрузки // Электричество. 2000. - № 10. - С. 25-30.

80. Старцев, А.П. Опыт повышения качества электроэнергии в ОАО «Пермьэнерго» // Промышленная энергетика. 2007. - № 1. - С. 45-50.

81. Суднова, В.В. Качество электрической энергии / В.В. Суднова. М.: ЗАО «Энергосервис», 2000. - 80 с.

82. Сычев, Ю.А. Системы коррекции кривых тока и напряжения / Ю.А. Сычев. Режим доступа: http://www.msuie.ru/unesco.forum/dokl/39.doc.

83. Ульянов, С.А. Электромагнитные переходные процессы / С.А. Ульянов. — М.: Энергия, 1970. 519 с.

84. Флоренцев, С.Н. Силовая электроника начала тысячелетия // Электротехника. 2003. - № 6. - С. 3-9.

85. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл; пер. с англ. Б. Н. Бронина и др. 6-е изд. - М.: Мир, 2003. - 704 с.

86. Церазов, A.JI. Исследование влияний несимметрии и несинусоидальности напряжения на работу асинхронных двигателей / A.JL Церазов, Н.И. Якименко. -М.: Госэнергоиздат, 1963. 120 с.

87. Чаплыгин Е.Е., Калугин Н.Г. Коррекция динамических процессов в выходных фильтрах инверторов напряжения // Электричество. 2004. - № 11.-С. 25-32.

88. Черных, И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink / И.В. Черных. СПб.: Питер, 2008. - 288 с.

89. Шидловский, А.К. Повышение качества энергии в электрических сетях / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов. Киев: Наук, думка, 1985. - 268 с.

90. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А. Активный фильтр как новый элемент энергосберегающих систем электропривода // Электричество. — 2000. — № 3. С. 46-54.

91. Эраносян С., Ланцов В. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания. Часть 1 // Силовая электроника. 2006. - №4. — Режим доступа: http://www.power-e.ru/20060458.php.

92. Эраносян С., Ланцов В. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания. Часть 2 // Силовая электроника. 2007. - №1. — Режим доступа: http://www.power-e.ru/20070182.php.