автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка алгоритма эквивалентирования системы электроснабжения электротехнического комплекса предприятия с нелинейной нагрузкой

На правах рукописи

КОРОВЧЕНКО Павел Владиславович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРЕДПРИЯТИЯ С НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.09.03 -

Электротехнические комплексы и системы

\

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005551596

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

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Юрганов Алексей Анатольевич

Официальные оппоненты:

Фролов Владимир Яковлевич - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», кафедра электротехники и электроэнергетики, заведующий кафедрой

Полищук Вадим Васильевич - кандидат технических наук, ФГАБОУ ДПО «Петербургский энергетический институт (повышения квалификации)», кафедра релейной защиты и автоматики, доцент

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Защита состоится 24 июня 2014 года в 16 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте Ywvw.spmi.ru.

Автореферат разослан 23 апреля 2014 г.

ученый секретарь

диссертационного совета

Фокин Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В условиях увеличения стоимости электроэнергии, роста объемов производства и необходимости энергосбережения все более актуальной становится проблема компенсации реактивной мощности. Реактивная мощность является причиной снижения качества электроэнергии поскольку увеличивает потери активной мощности и напряжения.

До сих пор основным средством компенсации реактивной мощности являются конденсаторные батареи (КБ), режим работы которых в значительной степени зависит от гармонического состава питающего напряжения. Наличие высших гармоник (ВГ) может привести к выходу из строя КБ, а значит ухудшить эффективность функционирования электротехнического комплекса предприятия и электромагнитную совместимость работы электрооборудования.

Для обеспечения безаварийной работы КБ прежде всего необходимо произвести расчеты режимов работы сети, на результатах которых должен основываться выбор типа параметров компенсаторов ВГ. Задача расчета сложных электрических сетей при наличии ВГ является чрезвычайно трудоемкой и в существующей постановке решается с рядом существенных допущений, что приводит к достаточно большим погрешностям определения тока КБ. В частности, известны методы расчета сложных электрических систем без учета сопротивлений кабельных линий. Кроме этого, в подобного рода расчетах, зависимость параметров электрической нагрузки от частот ВГ принимается в упрощенном виде, а источником ВГ со стороны нагрузки не предполагают наличие различных типов вентильных преобразователей.

В этой связи очевидна необходимость дальнейшего усовершенствования алгоритма методов расчета электрических сетей при наличии ВГ с учетом более точного их эквивалентирования с использованием реальных частотных характеристик элементов системы электроснабжения предприятий, что в свою очередь может существенно увеличить точность определения тока КБ и параметров устройств компенсации ВГ.

Степень разработанности

Решением задачи эффективной компенсации реактивной мощности при наличии высших гармоник занимались Абрамович Б.Н., Аррилага Дж., Жежеленко И.В., Кучумов JI.A., Железко Ю.С., Агунов A.B., Шклярский Я.Э. и др.

В работах Жежеленко И.В., Абрамовича Б.Н., Кучумова Л.А., Агунова A.B. обоснованы и представлены схемы замещения элементов системы электроснабжения, включая нелинейную нагрузку. Однако не учтены особенности работы представленных схем замещения при расчетах режимов функционирования электрических сетей в электротехнических комплексах, содержащих нелинейную нагрузку. Особенно это касается схемы замещения асинхронного двигателя.

В работах Шклярского Я.Э. приводятся эквивалентные схемы замещения без учета применения наиболее эффективного метода эк-вивалентирования и реальных частотных характеристик элементов систем электроснабжения.

В настоящее время не решен ряд вопросов, оговоренных выше. Их решение позволило бы более точно определять параметры устройств компенсации высших гармоник для обеспечения безаварийной работы конденсаторных батарей.

Цель работы

Повышение эффективности методов расчета сложных электрических сетей при наличии высших гармоник путем их эквивалентиро-вания с учетом реальных частотных характеристик элементов системы электроснабжения предприятия.

Идея работы

Для повышения эффективности выбора параметров устройств, компенсирующих высшие гармоники, при расчете режимов работы сети следует использовать схему замещения, сформированную по методу моментов с применением выявленных частотных характеристик элементов электротехнического комплекса.

Основные задачи исследования

1. Выявление и математическая формализация зависимостей параметров элементов системы электроснабжения от частоты значимых высших гармоник.

2. Разработка структуры эквивалентной схемы электрической сети для расчета тока КБ.

3. Разработка рационального метода эквивалентирования электрической сети.

4. Разработка модели электрической сети предприятия с 6-и и 12 -и пульсными преобразователями и анализ режима работы сети.

5. Разработка алгоритма вычисления тока КБ с повышенной точностью.

Методология и методы исследований

В работе использованы методы теории электрических цепей, теории электроснабжения электротехнических комплексов, имитационного моделирования систем электроснабжения электромеханических систем с использованием пакета MA TLAB.

Научная новизна

1. Выявлены зависимости параметров элементов электротехнического комплекса от частоты, определяющие формирование схемы замещения системы электроснабжения.

2. Обоснован алгоритм вычисления тока КБ, учитывающий применение метода моментов при эквивалентировании схем замещения системы электроснабжения и уточненных частотных характеристик элементов электротехнического комплекса промышленного предприятия.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на использовании апробированных аналитических методов исследований компьютерных моделей с использованием стандартных блоков, базируется на фундаментальных положениях теории электроснабжения и сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Разработан алгоритм выбора средств компенсации реактивной мощности, учитывающий изменение тока конденсаторной батареи и параметры системы электроснабжения на высших гармониках.

2. Определены зависимости параметров системы электроснабжения от частоты гармоник.

Реализация выводов и рекомендаций работы

Рекомендации по расчету токов конденсаторных батарей используются при реконструкции системы электроснабжения Клиники имени Э. Эйхвальда СЗГМУ им. И.И. Мечникова.

Личный вклад автора

Получены зависимости параметров элементов системы электроснабжения от высших гармоник, включая нелинейную нагрузку. Разработан алгоритм формирования схем замещения систем электроснабжения, учитывающий изменение параметров элементов системы электроснабжения, включая нагрузку, в зависимости от частоты. На основе разработанных схем эквивалентирования произведен расчет параметров режимов электроснабжения электротехнического комплекса с усредненными параметрами, характерными для промышленных предприятий.

Апробация результатов

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на международной научно-практической конференции в 2011 г. Санкт-Петербург; на симпозиуме «OKOLOGISHE TECHNOLOGISHE UND RECHLIHE ASPECTE DER LEBERSVERSORGUNG» в 2012 г.; на ХЕХ Всероссийской технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» 2013 г. Томский политехнический университет.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 60 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 90 наименований и 3 приложения. Общий объем диссертации 132 страницы.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность.

В главе 1 приведен анализ характерных систем электроснабжения с определением диапазона изменения параметров электрической сети и нагрузки, включая нелинейную нагрузку.

В главе 2 приведены результаты исследований зависимостей параметров элементов электротехнического комплекса от частоты высших гармоник.

В главе 3 приведены теоретические исследования по выбору метода эквивалентирования системы электроснабжения.

В главе 4 проведен анализ существующих схем замещения для систем электроснабжения, содержащих шести- и двенадцати-пульсные преобразователи.

В главе 5 приведены теоретические исследования по выбору метода эквивалентирования систем электроснабжения.

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

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Эквивалентирование параметров расчетной схемы замещения электротехнического комплекса предприятий, имеющих радиальную схему электроснабжения при характерном для них диапазоне и составе нагрузки, следует осуществлять с учетом выявленных зависимостей параметров схемы замещения индивидуальных элементов комплекса от гармонического состава напряжения и тока, что позволит повысить эффективность использования методов расчета режимов работы электрооборудования.

Для обеспечения безаварийной работы КБ прежде всего необходимо произвести расчеты режимов работы сети и ее параметров, на результатах которых должен основываться выбор типа и параметров компенсаторов ВГ.

Задача расчета сложных электрических сетей при наличии ВГ является чрезвычайно трудоемкой и в существующей постановке решается с рядом существенных допущений, что приводит к погрешности определения тока КБ, выходящей за рамки допустимых для инженерных расчетов, в частности, известны методы расчета сложных электрических систем без учета сопротивлений кабельных линий. Кроме этого, в подобного рода расчетах, зависимость параметров электрической нагрузки от частот ВГ принимается в упрощенном виде, а источники ВГ со стороны нагрузки не предполагают наличие различных типов вентильных преобразователей.

Объектом исследования выбраны предприятия с наиболее распространенной радиальной схемой электроснабжения. На основе данных анализа, проводимого на кафедре электротехники, электромеханики, электроэнергетики Горного университета был выбран диапа-

зон изменения параметров системы электроснабжения, включающего распределительные кабельные сети и силовые трансформаторы.

Рисунок 1 - Схема замещения сети

До сих пор ток на конденсаторных батареях рассчитывался по эквивалентной схеме замещения, представленной на рис. 1, где ио -фазное напряжение источника питания рассматриваемой сети; ИдЬ В.Д2 - активные сопротивления АД (асинхронного двигателя); кХД1, кХд2 - реактивные сопротивления АД на к - гармонике, кХс, ХКБ/к -реактивные сопротивления системы и конденсаторной батареи соответственно на А>ой гармонике; кХп - активное и реактивное сопротивления трансформатора на к-ой гармонике, /о - нелинейная нагрузка. Особенностью схемы является отсутствие кабельных линий и приближенная зависимость параметров схемы замещения от частоты. Как будет показано ниже, использование представленного метода эк-вивалентирования и представленных схем замещения приводит к недостаточной точности расчета токов КБ. И в первую очередь это касается частотных характеристик активного сопротивления кабельных линий, трансформаторов и линейной нагрузки в виде асинхронного двигателя.

В работе был определен диапазон варьирования характерного сечения кабеля, который составил 50-120 мм2. Для этого диапазона были аппроксимированы указанные выше зависимости и по методу наименьших квадратов определены усредненные зависимости для медных и алюминиевых кабелей, представленные на рисунке 2.

а) б)

Рисунок 2 - Усредненные зависимости сопротивлений для медных(а) и алюминиевых (б) кабелей

Зависимости построены в относительных единицах, где за базисное принято сопротивление на первой гармонике.

Установлено, что существенное влияние на расчет тока КБ имеет адекватность схемы замещения асинхронного двигателя. Для определения параметров схемы замещения, принятой стандартной в виде параллельного соединения активного и индуктивного сопротивлений, в зависимости от частоты была создана оригинальная модель электротехнического комплекса с АД, показанная на рисунке 3. Модель была реализована в среде Simulink на основе стандартных блоков библиотеки Simpower System. В основе модели АД лежат классические уравнения Парка-Горева.

В результате расчетов, проведенных на модели, были получены значения активного и реактивного сопротивлений АД при различной его номинальной мощности и загрузке. Выявлены зависимости (рисунки 4, 5) сопротивлений от частоты и загрузки. Поскольку зависимости в относительных единицах для различной мощности АД совпадали при изменении его загрузки, то полученные зависимости можно распространить на все АД определенного типа.

ф ф ф

©

ф

1 i

I

Current Measurement

-n г НИ

-кЛ—L =д

ge Measurement

АД

\Mage Out 2

0ut3

Current 0ut4

Пит*

Блох обработай данных

П

То Woikspace

11

Рисунок 3 - Модель электротехнического комплекса с АД

Номер Iирчпнпкм

Рисунок 4 - Зависимости активного сопротивления от частоты, где 1 -холостой ход, 2 - нагрузка АД, равная 0,5 от номинальной, 3 - номинальная нагрузка

0,5 -

0

о

4

6

8

10

12

14

Рисунок 5 - Зависимости индуктивного сопротивления от частоты, где 1 - холостой ход, 2 - нагрузка АД, равная 0,5 от номинальной, 3 -

номинальная нагрузка

Полученные зависимости значительно отличаются от общепринятых, где активное сопротивление представляется величиной независимой, а реактивные в прямопропорциональной зависимости от частоты.

Аналогичным образом были определены зависимости активного и реактивного сопротивлений для силового трансформатора, которые можно аппроксимировать выражениями:

ЯТР = Я(ъ(0.96 + 0.5 • К1А ),

(1)

где

ЯТР - активное сопротивление трансформатора на первой гармонике; К — номер гармоники.

V _ уГи 1^0.9

л у *р — • Л 9

(2)

где

~ реактивное сопротивление трансформатора на первой гармонике; К - номер гармоники.

Сформированная расчетная схема замещения с учетом всех элементов системы электроснабжения и выявленных частотных характеристик приведена на рисунке 6.

Выявлено, что в выбранном диапазоне варьирования параметров элементов системы электроснабжения предприятия, погрешность расчета тока КБ по традиционному методу по отношению к предложенному может достигать 16 %, причем следует учесть, что расчет производился с учетом разности фаз между напряжением и током на нелинейной нагрузке.

2. Применение метода моментов по сравнению с другими применяемыми методами эквивалентирования параметров электрической сети при расчете режимов работы сети, содержащей высшие гармоники при использовании установленной зависимости определяющего соотношения мощности шести- и двенадца-типульсных преобразователей с учетом сдвига фаз между напряжением и током с использованием выявленных частотных характеристик элементов электротехнического комплекса, позволит повысит точность определения тока конденсаторной батареи не менее, чем на 20 % по сравнению с существующими методами расчета.

да .V«

Рисунок 6 - Расчетная схема замещения

Важным аспектом при определении тока КБ по результатам расчета схемы замещения является выбор метода эквивалентирова-ния. В работе рассмотрены три метода эквивалентирования: метод эквивалентного сечения, метод среднего значения параметров и метод моментов.

Отличие методов заключается в различном подходе эквивалентирования электрической сети, включая силовые трансформаторы. Общим для методов является эквивалентирование линейной нагрузки в виде суммы отдельно активной и реактивной мощностей.

Для выявления наиболее рационального метода эквивалентирования производилось сравнение рассчитанных величин токов КБ по каждому из методов с реальной (неэквивалентированной) схемой замещения. При исследовании количество отходящих линий среднего напряжения (т) и линий низкого напряжения (т?) изменялось от 1 до 40. Зависимости погрешности приведены на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимости погрешности от количества отходящих

линий

Установлено, что определяющим фактором, влияющим на погрешность, кроме ти и и, является сопротивление системы и, что наибольшая погрешность соответствует методу эквивалентного сече-

ния, а наименьшая - методу моментов. Применение последнего может привести к погрешности, не превышающей 3,5%, что вполне допустимо для инженерных расчетов.

Относительная погрешность определялась разницей между током КБ, рассчитанным для эквивалентной схемы и током КБ, рассчитанным для реальной схемы.

Таким образом установлено, что наименьшая погрешность соответствует методу моментов, который и следует использовать при эквивалентировании электрической сети и который справедливо распространить на расчет тока КБ при наличии высших гармоник, так как в этом случае используется метод наложения. Погрешность расчета при этом не будет превышать 3,8%.

В диссертации получила развитие тема, касающаяся необходимости учета сдвига фаз между напряжением и током на различных гармониках нелинейной нагрузки, в качестве которой рассматривается частотно-регулируемый привод. Рассмотрена параллельная работа приводов с шести и двенадцатипульсным преобразователями. Структура исследуемой сети показана на рисунке 8.

Рисунок 8 - Структура исследуемой сети 14

Соответствующая указанной структуре компьютерная имитационная модель показана на рисунке 9.

Рисунок 9 - Имитационная модель исследуемого электротехнического комплекса

Результаты расчетов с параметрами, характерными для выбранного диапазона нагрузок предприятий, представлены в виде зависимостей тока КБ от коэффициента К6_12, который характеризует соотношение мощности 6-ти и 12-ти пульсных преобразователей и начальной их фазой по напряжению (рисунок 10).

Анализ зависимостей, полученных на гармониках, которые являются наиболее выраженными, показал, что:

- при увеличении доли шестипульсного преобразователя значительно повышается величина максимального тока КБ;

Рисунок 10 - Зависимости тока КБ от коэффициента К6_12

- при увеличении доли шестипульсного преобразователя возрастает влияние начальной фазы источника питания на величину тока КБ;

- наиболее выражено указанные выше закономерности проявляются на пятой гармонике;

- при наличии только шестипульсного преобразователя по сравнению с подключением только двенадцатипульсного преобразователя величина тока возрастает примерно в 1,5 раза.

Выявление зависимости величины тока КБ от фазовых соотношений на высших гармониках в случае применения шести и две-надцатипульсных преобразователей позволяет сделать следующие выводы:

- при наличии указанных видов преобразователей для расчета величины тока КБ необходимо учитывать начальную фазу напряжения, предварительно определив такое ее значение, при котором ток КБ будет максимальным;

- определяющим, относительно тока КБ является шестипульс-ный преобразователь. При увеличении его доли по мощности в общей

нагрузке, по сравнению с долей двенадцатипульсного преобразователя, влияние высших гармоник на работу КБ значительно увеличивается.

На основе полученных и представленных выше результатов был сформирован алгоритм расчета токов КБ и выбора средств компенсации ВГ, обеспечивающих эффективную компенсацию реактивной мощности.

Блок-схема алгоритма представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 - Блок-схема алгоритма расчета тока КБ

Алгоритм выбора средств компенсации высших гармоник при учете угла сдвига фаз на нелинейной нагрузке при наличии в сети преобразователей разного типа состоит из анализа условий возникновения высших гармоник и выявления элементов систем электроснабжения наиболее подверженных влиянию ВГ, установления природы возникновения ВГ, анализа соотношения мощностей, потребляемых нелинейными нагрузками, получения зависимостей тока КБ от угла сдвига фаз, анализа возможных погрешностей расчета параметров цепи и в зависимости от этого выбора параметров компенсирующих устройств с учетом или без учета фазовых характеристик нелинейной нагрузки.

Результаты работы были применены в проекте реконструкции электросети клиники им. Э. Эйхвальда ГБОУ ВПО «Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова», запланированной на 2014 год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности компенсации реактивной мощности, обеспечивающей непрерывность компенсации при наличии в электротехническом комплексе предприятия нелинейной нагрузки.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ систем электроснабжения различных предприятий, включая клинику медицинского учреждения, содержащих нелинейную нагрузку. Определены диапазоны изменения параметров электротехнического комплекса, включая нелинейную нагрузку, что легло в основу решения поставленных в работе задач.

2. Определены зависимости элементов схемы замещения электротехнического комплекса предприятия в аналитической и графической форме от частоты гармонических составляющих.

3. Полученные зависимости погрешности определения тока КБ при использовании различных методов эквивалентирования системы электроснабжения предприятия позволили выявить наиболее эффективный метод - метод моментов. Максимальная погрешность при использовании метода моментов для усредненных параметров

18

для усредненных параметров элементов электротехнического комплекса предприятия не превышает 3,4 %, что вполне приемлемо для инженерных расчетов.

4. На основе анализа математического и имитационного мо-делироавния совместной работы шести- и двенадцатипульсных преобразователей установлено, что:

- при совместном использовании асинхронных двигателей с шести- и двенадцати- пульсным преобразователями для выявления влияния высших гармоник на параметры режимов работы электрической сети определяющим является привод с шести- пульсным преобразователем, причем это утверждение справедливо при значения коэффициента Кб_12 больше 0,5;

- при использовании только двенадцати-пульсных преобразователей, сдвигом фаз между напряжением и током можно пренебречь.

5. Установлено, что относительная погрешность определения тока КБ в сравнении двух способов - традиционного и с учетом выявленных частотных характеристик элементов электротехнического комплекса промышленного предприятия с применением метода моментов при эквивалентировании составляет от 21 до 30 % в зависимости от сопротивления системы.

6. На основе результатов исследований, проведенных в диссертации, разработан алгоритм расчета токов КБ и выбора параметров устройств компенсации высших гармоник.

7. Разработанный алгоритм расчета токов КБ внедрен при проектировании реконструкции системы электроснабжения клиники им. Э. Эйхвальда СЗГМУ им. И.И. Мечникова. Установлено, что эксплуатация КБ совместно с оборудованием клиники, вносящим искажения в электрическую сеть, невозможна. Необходимо применение устройств, компенсирующих высшие гармоники.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. Коровченко П.В. Влияние типа полупроводникового преобразователя на определение тока конденсаторной батареи/ П.В. Коровченко, B.C. Добуш // Журнал «Альтернативная энергетика и экология», № 11, 2013 - С. 99-101;

2. Коровченко П.В. Эквивалентирование нагрузки в зависимости от спектра высших гармоник/ П.В Коровченко, А.Н. Скамьин // Журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1,2014-С. 61-63;

3. Шклярский Я.Э. Анализ влияния разности фаз на нелинейной нагрузке на расчет параметров работы электрической сети/ Я.Э Шклярский, П.В. Коровченко, B.C. Добуш// Журнал «Естественные и технические науки», № 6, 2013 - С. 275-280.

В других изданиях:

4. Аполлонский С.М. Подход к разработке энергосберегающих технологий должен быть комплексным/ С.М.Аполонский, П.В. Коровченко// Материалы международной научно-практической конференции. - СПб, 12-14 апреля 2011 г. - С. 120-123;

5. Apollonskiy S.M. About the comprehensive approach to development of energy saving technology/ S.M.Apollonskiy, P.V. Korovchenko// Das Internationale Symposium «OKOLOGISHE TECHNOLOGISHE UND RECHLIHE ASPECTE DER LEBENSVERSORGUNG», 2012, pp. 19-20;

6. Коровченко П.В. Электромагнитная совместимость работы частотно-регулируемого электропривода с установками компенсации реактивной мощности/ П.В. Коровченко, О.И. Цинкович// Материалы трудов XIX Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» / Томский политехнический университет 4-6 декабря 2013 г. - С. 89-92;

7. Коровченко П.В. Схема замещения асинхронного двигателя при наличии высших гармоник/ П.В.Коровченко// Материалы международной научно-практической конференции «Институты и механизмы инновационного развития в экономике, проектном менеджменте, образовании, юриспруденции, экологии биологии, политологии, психологии, медицине, философии, филологии, социологии, химии, математике, технике, физике». - СПб, 27-28 декабря 2013 г.-С. 73-74.

РИЦ Горного университета. 21.04.2014. 3.321. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

04201460166

КОРОВЧЕНКО ПАВЕЛ ВЛАДИСЛАВОВИЧ

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРЕДПРИЯТИЯ С НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Юрганов А.А.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ.......................................................................................................................................2

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

ГЛАВА 1 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРИ НАЛИЧИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК..........................................................................................9

1.1 Основные принципы построения системы электроснабжения..............................................11

1.2 Характерные схемы электроснабжения....................................................................................14

1.3 Электроснабжение медицинского учреждения.......................................................................30

1.4 Выводы по главе 1......................................................................................................................39

ГЛАВА 2 ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ФОРМИРОВАНИЕ ОБОБЩЕННОЙ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ......42

2.1 Схемы замещения элементов при синусоидальном режиме..................................................42

2.2 Схемы замещения элементов при наличии высших гармоник..............................................44

2.2.1 Силовые трансформаторы.......................................................................................................61

2.2.2 Формирование обобщенной схемы замещения промышленного предприятия................64

2.3 Выводы по главе 2......................................................................................................................70

ГЛАВА 3 ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПРИ НАЛИЧИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК.........................................................................................................................................72

3.1 Метод моментов..........................................................................................................................73

3.2 Метод эквивалентного сечения.................................................................................................78

3.3 Метод среднего значения параметров......................................................................................79

3.4 Влияние высших гармоник на точность расчета режимов работы электрической сети при

её эквивалентировании.....................................................................................................................83

3.5 Выводы по главе 3......................................................................................................................87

ГЛАВА 4 ФАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАГРУЗКИ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ...................................................................................................................88

4.1 Имитационное моделирование совместной работы шести-пульсных и двенадцати-

пульсных преобразователей.............................................................................................................90

4.2 Алгоритм реализации моделирования в среде МАТЬАВ-ЗшшИпк.......................................99

4.3 Выводы по главе 4....................................................................................................................103

ГЛАВА 5 КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ..........................................104

5.1 Эквивалентирование системы электроснабжения.................................................................104

5.2 Алгоритм расчета токов КБ.....................................................................................................106

5.3 Внедрение результатов работы................................................................................................108

5.4 Выводы по главе 5....................................................................................................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................................................116

ПРИЛОЖЕНИЕ А..............................................................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..............................................................................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ В..............................................................................................................................132

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

В условиях увеличения стоимости электроэнергии, роста объемов производства и необходимости энергосбережения все более актуальной становится проблема компенсации реактивной мощности. Реактивная мощность является причиной снижения качества электроэнергии, поскольку увеличивает потери активной мощности и напряжения.

До сих пор основным средством компенсации реактивной мощности являются конденсаторные батареи (КБ), режим работы которых в значительной степени зависят от гармонического состава питающего напряжения. Наличие высших гармоник (ВГ) может привести к выходу из строя КБ, а значит ухудшить эффективность функционирования электротехнического комплекса предприятия и электромагнитную совместимость работы электрооборудования.

Для обеспечения безаварийной работы КБ прежде всего необходимо произвести расчеты режимов работы сети, на результатах которых должен основываться выбор типа её параметров компенсаторов ВГ. Решению этой задачи посвящены работы ряда известных ученых, среди которых Абрамович Б.Н., АррилагаДж., Жежеленко И.В., КучумовЛ.А., Железко Ю.С., АгуновА.В., Шклярский Я.Э. и др. Задача расчета сложных электрических сетей при наличии ВГ является чрезвычайно трудоемкой и в существующей постановке решается с рядом существенных допущений, что приводит к достаточно большим погрешностям определения тока КБ. В частности, известны методы расчета сложных электрических систем без учета сопротивлений кабельных линий. Кроме этого, в подобного рода расчетах, зависимость параметров электрической нагрузки от частот ВГ принимается в упрощенном виде, а источником ВГ со стороны нагрузки не предполагают наличие различных типов вентильных преобразователей.

В этой связи очевидна необходимость дальнейшего усовершенствования алгоритма методов расчета электрических сетей при наличии ВГ с учетом более

точного их эквивалентирования с использованием реальных частотных характеристик элементов системы электроснабжения предприятий, что в свою очередь может существенно увеличить точность определения тока КБ и параметров устройств компенсации ВГ.

Цель работы

Повышение эффективности расчета сложных электрических сетей при наличии высших гармоник путем их эквивалентирования с учетом реальных частотных характеристик элементов системы электроснабжения предприятия.

Основные задачи исследования

1. Выявление и математическая формализация зависимостей параметров элементов системы электроснабжения от частоты значимых высших гармоник. \

2. Разработка структуры эквивалентной схемы электрической сети для расчета тока КБ.

3. Разработка рационального метода эквивалентирования электрической сети.

4. Разработка модели электрической сети предприятия с 6-и и 12-и пульсными преобразователями и анализ режима работы сети.

5. Разработка алгоритма вычисления тока КБ с повышенной точностью. Идея работы

Для повышения эффективности выбора параметров устройств, компенсирующих высшие гармоники, при расчете режимов работы сети следует использовать схему замещения, сформированную по методу «моментов» с применением выявленных частотных характеристик элементов электротехнического комплекса.

Методология и методы исследований

В работе использованы методы теории электрических цепей, теории электроснабжения электротехнических комплексов, математического и имитационного моделирования систем электроснабжения и электромеханических систем с использованием пакета МАТЬАВ.

Научная новизна

1. Выявлены зависимости параметров элементов электротехнического комплекса от частоты, определяющие формирование схемы замещения системы электроснабжения.

2. Обоснован алгоритм вычисления тока КБ, учитывающий применение метода эквивалентирования по среднему значению параметров линий передач и уточненных частотных характеристик элементов электротехнического комплекса промышленного предприятия.

Положения, выносимые на защиту

1. Эквивалентирование параметров расчетной схемы замещения электротехнического комплекса предприятий, имеющих радиальную схему электроснабжения при характерном для них диапазоне и составе нагрузки, следует осуществлять с учетом выявленных зависимостей параметров схемы замещения индивидуальных элементов комплекса от гармонического состава напряжения и тока, что позволит повысить эффективность использования методов расчета режимов работы электрооборудования.

2. Применение метода усреднения параметров электрической сети по сравнению с другими применяемыми методами эквивалентирования при расчете параметров работы сети, содержащей высшие гармоники при использовании установленной зависимости определяющего соотношения мощности шести- и двенадцатипульсных преобразователей с учетом сдвига фаз между напряжением и током на них с использованием полученных частотных характеристик элементов

электротехнического комплекса позволит повысит точность определения тока конденсаторной батареи не менее, чем на 20 % по сравнению с существующими методами расчета.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на использовании апробированных аналитических методов исследований компьютерных моделей с использованием стандартных блоков и базируется на фундаментальных положениях теории электроснабжения.

Теоретическая и практическая значимость работы

■ Разработан алгоритм формирования схем замещения систем электроснабжения, учитывающий изменение параметров элементов системы, включая нагрузку, в зависимости от частоты.

■ Получены зависимости, отражающие изменение параметров элементов системы электроснабжения на различных гармониках.

■ Разработана имитационная модель системы электроснабжения предприятия, содержащая как линейную, так и нелинейную нагрузки.

Реализация выводов и рекомендаций работы

Рекомендации по расчету токов конденсаторных батарей используются при реконструкции системы электроснабжения клиники имени Э.Эйхвальда СЗГМУ им. И.И. Мечникова.

Личный вклад автора

Получены зависимости параметров элементов системы электроснабжения от высших гармоник, включая нелинейную нагрузку. Разработан алгоритм формирования схем замещения систем электроснабжения, учитывающий изменение параметров элементов системы электроснабжения, включая нагрузку, в зависимости от частоты. На основе разработанных схем эквивалентирования произведен расчет параметров режимов электроснабжения электротехнического

комплекса с усредненными параметрами, характерными для промышленных предприятий.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на международной научно-практической конференции в 2011г., Санкт-Петербург; на симпозиуме «OKOLOGISHE TECHNOLOGISHE UND RECHLIHE ASPECTE DER LEBERS VERSORGUNG» в 2012г.; на XIX Всероссийской технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» в 2013г., Томский политехнический университет.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

В представленной работе, исходя из поставленной цели и задач, решаемых в сфере уже известных технических решений, предлагается комплексная разработка подхода к эквивалентированию систем электроснабжения. Основным результатом работы следует считать разработанный алгоритм формирования схем замещения, позволяющих производить расчет различных параметров режима работы систем электроснабжения, в первую очередь токов конденсаторных батарей, с точностью, превосходящей точность традиционных методов, учитывающий нелинейность нагрузки. Алгоритм был сформирован на основе анализа традиционных методов эквивалентирования и данных, полученных в результате экспериментов. Выявленные зависимости параметров элементов электротехнического комплекса предприятия в функции частоты высших гармоник позволили существенно повысить точность определения тока конденсаторной батареи в установленном диапазоне изменения параметров схемы электроснабжения.

ГЛАВА 1 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРИ НАЛИЧИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК

Согласно Постановлению Правительства Российской Федерации [71], при исполнении договора электроснабжения, заключенному между электроснабжающей организацией и потребителем электроэнергии, потребитель услуг обязан:

- поддерживать в надлежащем техническом состоянии принадлежащие ему устройства, обеспечивающие регулирование реактивной мощности, а также иные устройства, необходимые для поддержания требуемых параметров надежности и качества электрической энергии, и соблюдать требования, установленные для технологического присоединения и эксплуатации указанных средств, приборов и устройств;

- поддерживать на границе балансовой принадлежности значения показателей качества электрической энергии, обусловленные работой его энергопринимающих устройств, соответствующие техническим регламентам и иным обязательным требованиям, в том числе соблюдать установленные договором значения соотношения потребления активной и реактивной мощности, определяемые для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств).

Согласно Приказу Министерства промышленности и энергетики РФ [72], устанавливаются требования к расчету значений соотношения потребления активной и реактивной мощности, определяемых при заключении договоров об оказании услуг по передаче электрической энергии (договоров энергоснабжения) в отношении потребителей электрической энергии, присоединенная мощность

энергопринимающих устройств которых более 150 кВт. Для уровня напряжения 0,4 кВ предельное значение tg ф составляет 0,35.

Отсюда следует, что на всех промышленных предприятиях и иных потребителях электроэнергии (муниципальных и городских предприятиях), питание которых осуществляется централизованно, должны быть установлены устройства компенсации реактивной мощности.

Выбор мощности компенсирующих устройств, особенно при наличии регулируемых конденсаторных установок [15, 48, 61, 81] практически решенный вопрос [32, 40, 41, 67].

Однако при наличии высших гармоник проблема компенсации реактивной мощности приобретает новый аспект, касающийся критерия компенсации [88].

При наличии только первой гармоники значения косинуса Фи (cos <р) и коэффициента мощности Кмощн совпадают и определяются из выражения:

Р

cos<? = *w (i-i)

где Р - потребляемая нагрузкой активная мощность, S — соответствующая активной, полная мощность.

При наличии же не только первой, но и ряда высших гармоник в напряжении сети и токе нагрузки значения cos ф и Кмощн - это разные понятия [55].

Таким образом, очевидно, что для повышения значения Кмощн необходима компенсация реактивной мощности, но с учетом высших гармоник. Высшие гармоники будут влиять как на выбор мощности компенсирующих устройств, так и на их безаварийную работу (особенно это касается конденсаторных батарей). Для определения влияния высших гармоник на режимы работы конденсаторных батарей (КБ), как на стадии проектирования, так и для действующего

предприятия, необходим расчет электрической сети [86, 89]. Расчет должен быть проведен, во-первых, с учетом всей нагрузки предприятия и, во-вторых, для режима работы электрической сети, при котором его влияние будет наихудшим в смысле безаварийной работы КБ.

Чрезвычайно большая разветвленность электрических сетей затрудняет их расчет и вынуждает в той или иной мере представлять элементы электротехнического комплекса в эквивалентном виде. Данная задача рассматривается многими авторами [57, 63, 73]. Эквивалентирование электрических сетей, включая нагрузку должно выполняться исходя из поставленной цели исследований, но во всех случаях необходимо учитывать тип распределительной сети и состав нагрузки [4, 60].

Данная глава посвящена анализу существующих систем электроснабжения, на которые планируется распространение результатов диссертационной работы. Общим для рассматриваемых и анализируемых систем является наличие нелинейной нагрузки в различных её видах.

На основе результатов анализа ставиться цель формирования обобщенной схемы замещения системы электроснабжения выбранных предприятий и диапазон изменения ее основных элементов.

1.1 Основные принципы построения системы электроснабжения

Согласно [74], основой формирования схем электроснабжения промышленных предприятий является мощность и категория надежности потребителей. По мощности предприятия подразделяются на:

- крупные, мощность более 75 МВт;

- средние, мощность от 5 до 75 МВт;

- мелкие, мощность до 5 МВт.

Предприятие отн