close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Улучшение качества электрической энергии в электроэнергетических системах со значительной частью нелинейной нагрузки

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
СЕЛЕЗНЕВ АЛЕКСЕЙ СПАРТАКОВИЧ
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СО ЗНАЧИТЕЛЬНОЙ ЧАСТЬЮ
НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ
Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Красноярск – 2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Иркутском национальном исследовательском техническом
университете»
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
ФЕДЧИШИН Вадим Валентинович
Официальные оппоненты:
ГОРЮНОВ Владимир Николаевич, доктор технических
наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное
образовательное
учреждение высшего
образования
«Омский государственный технический университет»,
кафедра электроснабжения промышленных предприятий,
заведующий кафедрой.
БАСТРОН Андрей Владимирович, кандидат технических
наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования «Красноярский государственный аграрный университет»,
кафедра
электроснабжения
сельского
хозяйства,
заведующий кафедрой.
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования «Новосибирский государственный технический университет»
Защита диссертации состоится «10» октября 2018 г. в 14 часов 00 минут на заседании
диссертационного совета Д 212.099.07, созданного на базе Сибирского федерального университета по адресу: 660049, г. Красноярск, ул. Ленина, д.70, ауд. 204.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Сибирского федерального университета http://www.sfu-kras.ru
Автореферат разослан «___» __________ 2018 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
Сизганова Евгения Юрьевна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Задачи улучшения качества электрической энергии (КЭ) при
эксплуатации электроэнергетических систем (ЭЭС) являются достаточно важными. Появление новых свойств в ЭЭС, связанных с усложнением структуры и функций сетей, сложностью и необходимостью поддержания стабильности современных технологических процессов, с использованием новых промышленных технологий, актуализирует вопросы обеспечения качества потребляемой электрической энергии.
Развитие энергетики России в условиях рыночной экономики сопровождается ужесточением требований к КЭ. Согласно ФЗ–35 «Об электроэнергетике» КЭ в электрических
сетях регламентируется требованиями норм ГОСТ 32144–2013. Несоответствие показателей
КЭ требованиям приводит к судебным издержкам и штрафам для гарантирующих поставщиков и сетевых компаний, а также к снижению энергетических показателей, ухудшению
функционирования оборудования и технологических процессов, экономическому ущербу,
как конечных потребителей, так и ЭЭС в целом.
Доля потребителей электрической энергии, имеющих нелинейную вольт-амперную
характеристику, неуклонно растёт из-за возрастающего использования силовой электроники
в промышленности и в быту. В ряде ЭЭС России основную часть нелинейной нагрузки в потреблении составляют металлургические предприятия по производству алюминия. Суммарные мощности современных алюминиевых производств, как правило, соизмеримы с мощностью питающей ЭЭС, что обуславливает появление гармонических составляющих в схеме
электроснабжения металлургического предприятия и во внешней сети.
Экспериментальные исследования, проведённые в 2007–2012 гг. показали, что в нормальных и ремонтных режимах работы электрических сетей 6–500 кВ, показатели КЭ, относящиеся к гармоническим составляющим напряжения, не соответствуют нормированным
значениям. Результаты измерений в сетях 10–220 кВ системы электроснабжения потребителя
со значительной нелинейной нагрузкой, составляющей порядка 20–30 % от мощности питающей ЭЭС, свидетельствуют о существенном превышении как гармонических составляющих напряжения КU(n), так и суммарных коэффициентов гармонических составляющих
напряжения КU над допустимыми нормами. Аналогичная ситуация имеет место в сетях 10–
220 кВ не только самого потребителя, но и в удалённых участках распределительных сетей
6–35 кВ.
Приведённые обстоятельства обуславливают необходимость разработки фильтров,
позволяющих эффективно решать задачи улучшения КЭ в питающих и распределительных
4
электрических сетях, с учётом снижения как капитальных затрат на их реализацию, так и их
габаритов для возможности последующего внедрения на действующих и вновь проектируемых объектах электроэнергетики.
Для снижения величин КU(n) и КU в электрических сетях, широкое применение получили пассивные фильтры. Использование пассивных фильтров остаётся важным в связи с их
высокой надёжностью, низкой стоимостью и простотой проектирования. Поэтому разработка
средств для улучшения КЭ на основе применения пассивных фильтров является актуальным
решением, как в теоретическом, так и в практическом аспектах.
Степень разработанности темы. Задачи улучшения КЭ, вызванные гармоническими
искажениями напряжения в электрической сети, рассматриваются как российскими, так и
зарубежными учёными. Практическая значимость исследований в задачах обеспечения КЭ
на современном этапе развития энергетики предопределяется возрастающим влиянием отрасли на развитие общества. Вопросам улучшения КЭ посвящены исследования российских
научно-исследовательских институтов ВНИИЭ, ИСЭМ СО РАН, НИУ МЭИ, а также ведущих научных центров и высших образовательных учреждений мира, например, University of
Michigan (США), University of Canterbury (Новая Зеландия), Tokyo technology instate (Япония), и международных организаций CIGRE, IEEE.
Значительный вклад в теоретические и практические исследования по улучшению КЭ
внесли отечественные и зарубежные учёные: Горюнов В.Н., Довгун В.П., Долингер С.Ю.,
Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Иванов В.С., Карташев И.И., Коверникова Л.И., Кузнецов
В.Г., Кучумов Л.А., Розанов Ю.К., Смирнов С.С., Соколов В.И., Харлов Н.Н., Шидловский
А.К., Шклярский Я.Э., Akagi H., Arrillaga J., Baggini A., Bhattacharya S., Das J.C., Fujita H.,
Kusko A., Peng F.Z., Thompson M.T., Watson N.R. и другие.
Цель работы заключается в улучшении качества электрической энергии в электрических сетях 6–220 кВ на основе использования пассивных фильтров специальной настройки.
В работе решены следующие задачи:
1. Выполнен мониторинг КЭ и статистический анализ измеренных значений показателей КЭ, параметров ЭЭС со значительной частью нелинейной нагрузки.
2. Предложен метод снижения погрешности измерения гармонических составляющих
электрической энергии в сети.
3. Разработаны пассивные фильтры специальной настройки для улучшения КЭ в электрических сетях 6–220 кВ с высоким уровнем гармонических составляющих.
4. Проведены исследования по эффективности применения пассивных фильтров специальной настройки при передаче электрической энергии.
5
5. Выполнено экономическое обоснование эффективности применения пассивных
фильтров специальной настройки для улучшения КЭ в питающих и распределительных
электрических сетях.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использованы основные положения теории вероятностей и математической статистики, теоретической электротехники, математического моделирования. Теоретические результаты сочетались с измерениями в электрических сетях ЭЭС, экспериментальными исследованиями на
основе моделирования несинусоидальных режимов с использованием программных средств,
таких как Matcad и пакета Simulink SimPowerSystems системы Matlab.
Научная новизна. В результате выполнения работы получены следующие новые
научные результаты:
1. Предложен метод снижения погрешности, вносимой нелинейной характеристикой
измерительного трансформатора и зависимостью индуктивного сопротивления цепи от номера гармонической составляющей. По сравнению с известными методами предлагаемый
подход позволяет достичь элиминирования гармонических составляющих в цепи равной
точности автоматической системы, работающей на величине рассогласования сигнала в первичной цепи и величине компенсирующего воздействия. Получены математические выражения для определения величины искажения действующего (амплитудного, мгновенного) значения тока (и/или напряжения) конкретной гармонической составляющей.
2. Предложены технические решения и обоснована возможность использования пассивных фильтров специальной настройки в сетях высокого напряжения, обеспечивающих
снижение уровней гармонических составляющих электрической энергии, создаваемых как
нелинейной нагрузкой, так и питающей сетью. По сравнению с известными способами пассивные фильтры специальной настройки используют параметры конкретной сети и отличаются дешевизной и надёжностью.
3. Разработаны алгоритмы определения параметров пассивных фильтров специальной
настройки и методики моделирования их работы в среде Matlab, отличающиеся учётом параметров конкретной сети, обеспечивающие их построение и применение на действующих и
проектируемых объектах электроэнергетики.
Достоверность полученных результатов базируется на фундаментальных классических положениях общей теории вероятностей и математической статистики, электротехники
и математики, а также подтверждается результатами измерений и экспериментов, проведённых автором в электрических сетях 6–220 кВ. Достоверность новизны предлагаемых способов и методов подтверждается патентами на изобретения.
6
На защиту выносятся:
1. Новый метод снижения погрешности определения гармонических составляющих
тока и напряжения в сети, основанный на использовании нелинейной характеристики измерительного трансформатора и зависимости индуктивного сопротивления цепи от номера
гармонической составляющей.
2. Новые технические решения пассивных фильтров специальной настройки, обеспечивающие снижение уровней гармонических составляющих электрической энергии, создаваемых как нелинейной нагрузкой, так и питающей сетью.
3. Новые алгоритмы определения параметров пассивных фильтров специальной
настройки и методики моделирования их работы в среде Matlab, отличающиеся учётом параметров конкретной сети.
Практическая значимость результатов работы. Основные результаты исследования получили практическое применение и позволяют улучшать КЭ в электрических сетях
высокого напряжения для обеспечения экономичной и надёжной транспортировки электрической энергии и снабжения потребителей электрической энергией требуемого качества.
Диссертационная работа выполнена в рамках плана научных исследований по направлению "Интеллектуальные сети (Smart Grid) для эффективной энергетической системы будущего", проводимых под руководством ведущих учёных в российских образовательных
учреждениях высшего профессионального образования в соответствии с Постановлением
Правительства РФ № 220 от 09.04.2010 г. (договор № 11.G34.31.0044 от 27.10.2011 г.).
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы использованы ОАО «Иркутская Электросетевая Компания» при выполнении мероприятий по улучшению КЭ в электрических сетях энергосистемы Иркутской области и ЗАО «Электросетьпроект» в системе электроснабжения производства поликристаллического кремния.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы в целом, и отдельные положения докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и университетских конференциях, конкурсах и семинарах: всероссийской научно-практической конференции с международным участием: “Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири” (г. Иркутск, ИРНИТУ,
2007–13 гг.); VIII-й ежегодной выставке и конференции «Russia Power 2010» (г. Москва, 2010
г.); Международной молодёжной научно-технической конференции “Энергосистема и активно-адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование” (г. Самара, СамГТУ, 2011 г.); V-й Всероссийской научно-технической Интернет-конференции
«Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике» (г.
7
Пермь, ПНИПУ, 2011 г.); Областном конкурсе молодёжных инновационных проектов (г. Иркутск, 2011 г., диплом победителя); III-й Международной научно-технической конференции
«Электроэнергетика глазами молодёжи» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2012 г.); VII-й Международной научно-практической конференции “Повышение эффективности энергетического
оборудования” (г. Санкт-Петербург, ИМОП, 2012 г.); V-й международной научно-технической конференции “Электроэнергетика глазами молодёжи” (г. Томск, ТПУ, 2014
г.).
Публикации. По материалам проведённых исследований опубликовано 28 печатных
работ, в том числе 5 – в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ.
Структура и объем работы. Общий объем диссертации составляет 193 страницы
машинописного текста и включает в себя: введение, 4 главы, заключение, 5 приложений и
библиографический список из 179 наименований. Работа содержит 43 рисунка и 44 таблицы.
Личный вклад автора. Положения, составляющие новизну, научные и практические
результаты диссертации, выносимые на защиту, разработаны и получены автором. Постановка задач и анализ результатов обсуждались совместно с научным руководителем. В совместных публикациях вклад автора составляет от 50 до 75 %.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность и востребованность проведённого исследования, сформулированы цель и задачи, определены научная новизна и практическая значимость, внедрение результатов исследования, сведения по опубликованным работам и
структуре диссертации.
В первой главе описаны причины возникновения и последствия отрицательного влияния несинусоидальных режимов на функционирование оборудования и ухудшение энергетических показателей. Анализ литературных источников показал, что ежегодные убытки от
пониженного КЭ в мировом масштабе, по оценкам специалистов, достигают около 120 миллиардов долларов.
В работе отмечено, что в ЭЭС со значительной частью нелинейной нагрузки одним из
основных источников гармонических составляющих напряжения являются выпрямительные
преобразователи, в частности 6-фазные, 12-фазные и многофазные схемы выпрямления. Такие схемы выпрямления используются в системах электроснабжения металлургических
предприятий, технология производства которых является энергоёмкой. Поэтому суммарные
мощности преобразовательной нагрузки, в ряде случаев сопоставимы с мощностью питаю-
8
щей ЭЭС, что обуславливает ухудшение КЭ, как в сетях 6–10 кВ системы электроснабжения
металлургического предприятия, так и в питающей сети.
Приведены результаты эксперимен-
Таблица 1
а в столбце 5 значения КU установленные
требованиями норм. Превышение измеренных значений над нормами в табл. 1 выделено жирным шрифтом.
Нормы, %
табл. 1, приведены измеренные значения КU,
KU (100 %), %
сети представлена в табл. 1. В столбцах 3 и 4
KU (95 % ), %
нормальном и ремонтном режиме работы
Режимы работы
сети (1– нормальный, 2 –
ремонтный)
зультатов проведённых автором измерений в
Место измерения
нескольких лет (2007–2012 гг.). Часть ре-
1
2
3
4
5
1
2,102,88
2,383,36
2,0/
3,0
3,434,02
7,088,43
7,988,21
16,3419,11
3,714,34
7,939,38
8,459,05
17,2420,26
2,0/
3,0
2,0/
3,0
4,0/
6,0
4,0/
6,0
Шины
220 кВ
торинг КЭ осуществлялся на протяжении
1
Шины 35
кВ
тельной частью нелинейной нагрузки. Мони-
Измеренные показатели КЭ в ЭЭС
Шины
500 кВ
тальных исследований КЭ в ЭЭС со значи-
1
2
2
Приведены сведения о спектрах гармонических составляющих от выпрямительных
преобразователей (рис. 1), полученные в результате проведённых измерений на шинах 220
кВ в питающих сетях и на шинах 35 кВ в распределительных сетях.
а
б
Рис. 1 – Результаты измерений и требования норм КU(n) фазного напряжения Ub: а – на шинах 220
кВ; б – на шинах 35 кВ (1 – измеренное значение КU(n) (95 %), %; 2 – нормативное значение
КU(n) (95 %), %; 3 – измеренное значение КU(n) (100 %), %; 4 – нормативное значение КU(n) (100 %), %)
9
Измерения показали, что распространение гармонических составляющих в ЭЭС, имеет сложный характер. Например, при плановом выводе в ремонт оборудования гармонический состав в ЭЭС существенно меняется (рис. 2).
Проведён
анализ
результатов экспериментальных
исследований
КЭ. Показано, что применение
6-фазных,
12-фазных и многофазных схем выпрямления в
системах
электроснаб-
жения металлургических
предприятий приводит к
появлению
Рис. 2 – Результаты измерений и требования норм КU фазного
гармониче-
ских составляющих в се-
напряжения Ub на шинах 35 кВ (1 – измеренное значение
тях всех уровней номи-
КU(n) (95 %), %; 2 – нормативное значение КU(n) (95 %), %; 3 – норма-
нального
тивное значение КU(n) (100 %), %)
напряжения
питающей ЭЭС.
По результатам статистического анализа и исследований приведены выводы по корреляции коэффициентов гармонических составляющих тока KIф(n) и напряжения КU(n) в сети.
В рамках исследования КЭ выполнены измерения КI(n) по 11-й, 12-й, 13-й
гармоническим
составляю-
щим в фазах А, В, С на шинах 35 кВ подстанции. Из
анализа рис. 3 видно, что
прослеживается
сильная
междуфазная корреляционная связь для n-й гармониРис. 3 – Зависимости KIф(n) между фазами А и В, В и С, С и А
ческой составляющей. Сов-
для 11-й гармонической составляющей (построенные по ре-
падение зависимостей ли-
зультатам измерений)
ний на рис. 3 характеризует
симметричность пофазной нагрузки по коэффициентам искажения.
10
Автокорреляция коэффициентов гармонических составляющих напряжения во времени показывает, что значения большинства гармонических составляющих (60 % от общего
числа наблюдений) в ЭЭС колеблются в течение эксплуатации. Это объясняется изменением
структуры сети при регламентных и ремонтных работах и переменным характером нагрузки
потребителей.
В работе отмечено, что статистический метод анализа результатов измерений позволяет определить взаимосвязи коэффициентов гармонических составляющих электрической
энергии в реальных условиях эксплуатации ЭЭС.
Проведён сравнительный анализ основных средств снижения уровня гармонических
составляющих в электрической сети, в результате которого установлено, что пассивные
фильтры остаются наиболее экономичными и достаточно эффективными.
Во второй главе предложен алгоритм по уменьшению погрешности измерения амплитудных и/или действующих значений гармонических составляющих в электрических
сигналах, как для силовых (первичных), так и для компенсирующих (вторичных) цепей.
При исследовании выявлено, что индуктивности обмоток и индуктивное сопротивление измерительных трансформаторов поглощают гармонические составляющие (рис. 4),
где: цифрой 1 обозначен сигнал
в первичной цепи, состоящий
из основной и n -й гармонических составляющих; цифрой 2
– сигнал во вторичной цепи
Рис. 4 – Характер искажения входного сигнала 13-й гармонической составляющей (1 – истинное значение сигнала в силовой цепи; 2 – измеренное значение, полученное во вторичной
цепи; 3 – требуемое значение для компенсации)
(приведённый к первичной), из
которого видна величина искажения n -й гармонической составляющей; цифрой 3 обозна-
чен сигнал (приведённый к первичной), необходимый для компенсации.
В качестве оценки величины поглощения n -й гармонической составляющей относительно основной составляющей предложено преобразованное выражение, которое имеет вид
Fn  ( R  X Ln ) / ( R  X L1 ),
(1)
11
где R – активное сопротивление вторичной цепи, Ом; X Ln , X L1 – индуктивные сопротивления той же цепи для n -й и основной гармонических составляющих, Ом.
Суть метода уменьшения погрешности измерения гармонических составляющих заключается в следующем (порядок действия показан на примере трансформатора тока):
1. На основной промышленной частоте f  50 Гц строится вольт-амперная характеристика конкретного измерительного трансформатора тока во всём диапазоне первичных токов, то есть зависимость U вых – напряжения вторичного сигнала трансформатора от величины первичного сигнала I вх .
2. По данным вольт-амперной характеристики по закону Ома определяются величины
индуктивного сопротивления X L1  Uвых / I вх  R и индуктивности L1  X L1 /  2 f  трансформатора тока на промышленной частоте f во всём диапазоне первичных токов с учётом активного сопротивления нагрузки R во вторичной цепи трансформатора.
3. Для каждой n -й гармонической составляющей определяются индуктивное сопротивление X Ln  2 f n L1 и величина его искажения Fn .
4. Перед использованием измеренного амплитудного g mn или действующего gдn значения каждой n -й гармонической составляющей необходимо скорректировать их в соответствии с величиной искажения этой гармонической составляющей индуктивным характером
цепи по математическим выражениям Gmn  Fn gmn , Gдn  Fn gдn .
Приведённый алгоритм (учёта нелинейной индуктивности цепи) с использованием
математического выражения (1) позволяет определить корректные значения гармонических
составляющих тока и/или напряжения в сети, то есть с меньшей погрешностью выработать
величину компенсирующего воздействия активными и/или гибридными фильтрами, а также
выполнить корректный расчёт параметров пассивных фильтров (ПФ).
Предложены новые технические решения по улучшению КЭ в ЭЭС со значительной
частью нелинейной нагрузки на основе использования пассивных фильтров специальной
настройки (ПФСН).
Один из способов построения ПФСН с использованием параметров конкретной сети
представлен на рис. 5. Для реализации способа применяется батарея статических конденсаторов (БСК), которая подключается к обмотке низшего напряжения трансформатора. Схема
замещения электрической сети для построения ПФСН, приведена на рис. 5.
12
R1(n)
Xσ1(n)
R2(n)
Смысл ПФСН за-
Xσ2(n)
ключается в настройке
фильтра на определённую
Xs(n)
R3(n)
In
g(n)
Im
b(n)
Iн2
If
Xσ3(n)
Un
Rн2(n)
частоту или определённую полосу частот, гар-
Xн2(n)
Xc1(n)
ПФСН
Рис. 5 – Принцип построения ПФСН с использованием параметров схемы замещения электрической сети на частоте гармонической составляющей
(R1(n), R2(n), R3(n) – активные сопротивления обмоток высшего,
среднего и низшего напряжения трансформатора; Xσ1(n), Xσ2(n),
Xσ3(n) – индуктивные сопротивления рассеяния обмоток высшего, среднего и низшего напряжения трансформатора; Rн2(n),
Xн2(n) – эквивалентное активное и индуктивное сопротивление
распределительной сети на стороне среднего напряжения; Xs(n)
– эквивалентное сопротивление питающей сети; Xс1(n) – ёмкостное сопротивление конденсаторной батареи; g(n), b(n) – активная и индуктивная проводимости намагничивания трансформатора; In – ток гармонической составляющей в питающей
сети; Iм – ток гармонической составляющей в цепи намагничивания трансформатора; Iн2 – ток гармонической составляющей
в распределительной сети; If – ток гармонической составляющей протекающий через ПФСН; Un – напряжение источника
искажения n-й гармонической составляющей)
монический состав которых необходимо свести
до
требований
норм
ГОСТ 32144–2013, при
этом
применив
ёмкостное
только
сопротивле-
ние, используя имеющиеся активные и индуктивные сопротивления сети в
качестве других элементов фильтра. После определения значений активных и индуктивных сопротивлений
ЭЭС,
настройка ПФСН сводится к алгоритму расчёта
ёмкости конденсатора и
его
мощности.
Такой
подход существенно уменьшает стоимость ПФСН, сводя её к затратам на приобретение и
установку рассчитанной ёмкости.
Рассмотрен принцип действия фильтра и проанализировано качество фильтрации
гармонических составляющих. Принцип элиминирования гармонических составляющих в
сети с использованием ПФСН, заключается в реализации контура с наименьшим сопротивлением на частоте n -й фильтруемой гармонической составляющей, которое определяется из
выражения:
Z ПФСН ( n )  ( R3 n  j  X  3n  X c1 n   R3( n )  j  X  3( n )  X c1( n )  .
(2)
13
Для
Начало
1. Ввод исходных данных:
n0, In, Uш, S(3)kmax, R3, Xσ3
на
рис. 5, сопротивление из выражения (2)
для ПФСН минимально относительно
средней точки схемы замещения транснастройки фильтра, находящейся в диа-
нет
11. Увеличить номинальное
напряжение конденсаторной
батареи Uнбк
пазоне двух выбранных частот, определяется из условий снижения обеих гармонических составляющих, с использо-
да
4. Расчет емкостного
сопротивления конденсаторной
батареи: Xc1=Xσ3n02
ванием параметров сети по условию резонанса последовательного контура на
фильтруемой частоте. Настройка филь-
5. Расчет и выбор номинальной
мощности конденсаторной
батареи: Qʹнбк, Qʹʹнбк, Qʹʹʹнбк, Qнбк
6. Проверка условия
Qнбк≥(Qʹнбк, Qʹʹнбк, Qʹʹʹнбк)?
приведённой
форматора. Расчёт резонансной частоты
2. Выбор номинального
напряжения конденсаторной
батареи: Uнбк
3. Проверка условия Uнбк> Uс1?
схемы,
тра
нет
12. Увеличить номинальную
мощность конденсаторной
батареи Qнбк
да
позволяет
наиболее
эффективно
улучшать КЭ в электрической сети за
счёт расширения диапазона воздействия
на две или несколько близлежащих гар-
7. Вычисление фактических
параметров фильтра: Iнбк', Xс1',
n0 '
монических составляющих (в частности
8. Расчет полного напряжения
на конденсаторной батарее: Uс
Предложен алгоритм методики
на 5-ю и 7-ю или 11-ю и 13-ю).
расчёта
9. Проверка условия Uнбк≥Uс?
нет
да
и
определения
параметров
ПФСН, приведённый на рис. 6. Особенность алгоритма заключается в расчёте
ёмкостного сопротивления конденсатор-
10. Вывод результатов
ной
батареи
на
основной
частоте
X c1  X  3n02 и номинальной мощности
Конец
Рис. 6 – Блок-схема алгоритма определения параметров ПФСН
конденсаторной батареи Qнбк (из условия
резонанса).
В третьей главе построен новый алгоритм выбора узлов подключения ПФСН в электрической сети и моделирования их работы, изображённый на рис. 7.
В результате выполнения алгоритма с использованием параметров сети, формируется
модель ЭЭС, определяются участки электрической сети, в которых значения коэффициентов
КU и КU(n), превышают требования норм (рис. 8, а и в) и выбираются узлы (места) подключе-
14
ния ПФСН, а также моделируется работа ПФСН на основе исследований и расчётов несинусоидальных режимов (рис. 8, б и г).
Для проверки эффективности предложенного алгоритма проанализированы результаты моделирования работы ПФСН. В соответствии с блоком 6 алгоритма (рис. 7), выполнено
Начало
1. Сбор исходных данных
2. Есть измеренные токи
гармонических
составляющих?
да
нет
3. Измерение токов
гармонических составляющих
от нелинейных нагрузок
4. Достаточно измерений для
формирования расчётной модели?
да
нет
а
б
в
г
5. Расчёт токов гармонических
составляющих от нелинейных
нагрузок
6. Формирование расчётной
модели
7. Поиск участков сети с
превышением нормативных
значений КU и КU(n)
8. Выбор узла (места)
подключения ПФСН
9. Выполнение расчёта ПФСН
10. Моделирование работы
ПФСН
Рис. 8 – Значения коэффициентов КU, на подстанциях ЭЭС:
11. Вывод результатов
эффективности применения
ПФСН
Конец
a – без ПФСН (в нормальном режиме); б – с ПФСН (в нормальном режиме); в – без ПФСН (в ремонтном режиме); г – с ПФСН
(в ремонтном режиме)
Рис. 7 – Блок-схема алгоритма
(1 – расчётное значение КU(n), %; 2 – нормативное значение
выбора узлов подключения
КU(n) (95 %), %; 4 – нормативное значение КU(n) (100 %), %)
ПФСН и моделирования работы
15
преобразование схемы реальной ЭЭС, которая включает в себя сети от 6 кВ до 500 кВ. Для
выполнения
расчётов
ПФСН подключались к
автотрансформаторам
в
питающей сети. Расчётные значения КU, выполненные в соответствии с
блоком
10
алгоритма
(рис. 7), на подстанциях
ЭЭС, до и после подключения ПФСН проиллюстрированы на рис. 8.
Рис. 9 – Частотные характеристики в узле 35 кВ (№ 731) до и после подключения ПФ и ПФСН в узлы 6 кВ (№ 747 и 750)
Рассмотрена
эф-
фективность использования фильтров в распре-
делительных сетях. На рис. 9 приведены частотные характеристики для узла распределительной сети 35 кВ до (кривая 1) и после подключения фильтров в узлы 6 кВ (кривые 2, 3).
Из рис. 9 видно, что на частоте, близкой к частоте настройки фильтров (11-й гармонической
Xs(n)
составляющей или 550 Гц), зна1
R1(n)
Xσ1(n)
2
R2(n)
Xσ2(n)
чение сопротивления, приведённого на частотной характери-
R3(n)
g(n)
Rн2(n)
b(n)
стике с ПФСН меньше (кривая
2), в сравнении с ПФ (кривая 3),
Xн2(n)
Xσ3(n)
3
и значительно меньше в сравнении с характеристикой постро-
Xc1(n)
Rн3(n)
енной без фильтров (кривая 1).
Приведены
ПФСН
Xн3(n)
исследований
по
результаты
снижению
уровней гармонических составРис. 10 – Схема замещения сети, ПФСН и нагрузки
ляющих напряжения ПФСН с
использованием программного средства Mathcad при изменении режима работы сети
(рис. 10). Введён коэффициент относительной загрузки низшей обмотки трансформатора
 *  (Sн3 Sном )100 %  5 100 %, и средней  *  (Sн 2 Sном )100 %  5 100 %, где Sн 3 – мощ-
16
ность нагрузки, на стороне
низшей
обмотке
трансформатора,
МВА;
Sн 2 – мощность нагрузки, на стороне средней
обмотки трансформатора, МВА; Sном – номинальная
мощность
трансформатора, МВА.
Характер нагрузки в схеме замещения
Рис. 11 – Зависимость KU(11)=f (a*, φ)
учтён изменением угла
 в диапазоне от 5 до 85 градусов.
С использованием метода преобразования схем сформировано сопротивление фильтра с учётом нагрузки Z ф( n )  R3( n )  jX  3( n ) 
( Rн ( n )  jX н ( n ) )( jX с1( n ) )
( Rн ( n )  jX н ( n )  jX с1( n ) )
.
Построены зависимости КU(n) от  во всём диапазоне изменения  * для 11-й (рис. 11)
и 13-й (рис. 12) гармонической
составляю-
щей отражающие эффективность фильтрации с использованием
ПФСН. Выявлено преобладающее
влияние
коэффициента  * в
сравнении с коэффициентом  * на эффективность элиминиРис. 12 – Зависимость KU(13)=f (a*, φ)
рования
гармониче-
ских составляющих с использованием ПФСН, при изменении режима работы сети.
В четвертой главе проведено сравнение инвестиционной привлекательности различных типов фильтров. Сравнение выполнено для схемы внешнего электроснабжения потребителя с нелинейной нагрузкой, составляющей порядка 25–30 % мощности питающей ЭЭС,
17
расчётом капитальных затрат на реализацию различных типов фильтров для подключения к
шинам 10 кВ двух автотрансформаторов (табл. 2).
Таблица 2.
Капитальные затраты на реализацию различных типов фильтров
Тип фильтров
ПФ
Активные
Гибридные
ПФСН
Силовые элементы ячейки
Резонансный реактор и
БСК, разъединитель
Разъединитель и согласующий трансформатор
10,5/0,4 кВ
Резонансный реактор и
БСК, разъединитель
БСК, разъединитель
Стоимость,
млн. руб. (млн.
долл. США)
Сравнение капитальных затрат на
реализацию, %
16,36 (0,327)
144
176,2 (3,522)
1549
40,56 (0,812)
357
11,375 (0,228)
100
Приведённые в табл. 2 результаты показывают, что капитальные затраты на реализации ПФСН, в 1,44 раза ниже по сравнению с ПФ, в 3,57 раз ниже по сравнению с гибридными фильтрами и в 15,49 раз ниже по сравнению с активными.
Проведённая оценка экономической эффективности показала, что применение ПФСН
позволяет снизить потери электрической энергии в сети, вызванные гармоническими составляющими, в два раза.
Таким образом, в качестве основного типа фильтров для улучшения КЭ в ЭЭС со значительной частью нелинейной нагрузки предложены ПФСН.
Заключение отражает обобщённые выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.
В работе использована техническая, научная, нормативная, справочная литература, а
также материалы авторских заявок на изобретения и полезные модели.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
На основе анализа существующих средств и мер улучшения КЭ обосновано применение пассивных фильтров специальной настройки. Эффективность улучшения КЭ проверена
на основе применения фильтра на модели и подтверждена внедрением в ЭЭС.
Основные результаты настоящего исследования позволяют сформулировать следующие выводы:
1. Экспериментальные исследования в ЭЭС позволили выявить несоответствие показателей КЭ, в частности КU(n) и KU, нормированным значениям. В электрических сетях 10–
220 кВ электроснабжения потребителя со значительной нелинейной нагрузкой, составляющей порядка 20–30 % мощности питающей ЭЭС, наблюдаются значительные искажения
18
формы кривых токов и напряжений. На подстанциях питающих и распределительных сетей
прилегающих к узлам подключения такого потребителя, значения KU на шинах 35–220 кВ
достигают 4–6 % в нормальном и 12–15 % в ремонтном режиме работы сети, то есть превышают требования норм более чем в 2–3 раза. Статистический метод анализа результатов измерений позволяет определить характер взаимосвязи КU(n) в реальных условиях эксплуатации распределительной сети. Автокорреляция КU(n) во времени показывает, что значения
большинства гармонических составляющих колеблется в течение эксплуатации, что объясняется изменением структуры сети и переменным характером нагрузки потребителей. Для
уменьшения отрицательного влияния нелинейной нагрузки на работу ЭЭС необходима реализация мер по улучшению КЭ.
2. Результаты проведённого анализа показывают, что решение задачи улучшения качества электрической энергии в электрической сети осуществляется путём разработки и
применения пассивных фильтров специальной настройки. Преимуществом пассивных фильтров специальной настройки по сравнению с традиционными пассивными фильтрами является уменьшение числа задействованных элементов, особенно в сопоставлении с фильтрами
высокого порядка, и, как следствие, снижение стоимости и размеров фильтров. Разработанные методики позволяют рассчитать и определить параметры ПФСН, и подтверждают возможность их применения на действующих и проектируемых объектах электроэнергетики,
как в питающих, так и в распределительных сетях. Предлагаемый подход учёта погрешности, вызванной нелинейным характером индуктивности измерительных трансформаторов,
позволяет увеличить точность измерения амплитудных и/или действующих значений гармонических составляющих в электрических сигналах, как для силовых (первичных), так и для
компенсирующих (вторичных) цепей.
3. Результаты исследований на основе эксперимента и проверки алгоритма моделирования работы и выбора узлов подключения пассивных фильтров специальной настройки в
электрической сети в среде Matlab позволяют сделать заключение о возможности применения ПФСН для улучшения КЭ при её транспорте в ЭЭС. Результаты моделирования работы
пассивных фильтров специальной настройки в нормальных и ремонтных режимах работы
питающих и распределительных сетей показывают, что их применение снижает значения КU
в питающей сети 110–220 кВ с 4–5 % до 1–2 %, в распределительной сети 10–35 кВ с 15–20
% до 3–4 %. Приведённые частотные характеристики в узлах до и после подключения пассивных фильтров специальной настройки позволяют провести анализ изменения уровней
гармонических составляющих с учётом изменения схемно-режимной ситуации сети.
19
4. Капитальные затраты, необходимые для реализации пассивных фильтров специальной настройки, в 1,44 раза ниже по сравнению с пассивными фильтрами, в 3,57 раз ниже
по сравнению с гибридными фильтрами и в 15,49 раз ниже по сравнению с активными. Выполненная оценка экономической эффективности, которая показала, что применение ПФСН
в ЭЭС позволяет снизить дополнительные потери электрической энергии в сети, вызванные
гармоническими составляющими, в два раза.
Таким образом, развитие и совершенствование электроэнергетических систем связано
с улучшением КЭ на основе разработки и реализации мер по его обеспечению, посредством
внедрения пассивных фильтров специальной настройки в электрических сетях.
Список научных трудов по теме диссертации
Научные публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Селезнев, А. С. Снижение уровня высших гармоник в электрических сетях высокого напряжения [Текст] / А. С. Селезнев // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2014. – № 4 (87). – С. 143–148.
2. Селезнев, А. С. Нормализация несинусоидальных режимов в электрических сетях
[Текст] / С.А. Кондрат, А. С. Селезнев, А. Н. Третьяков // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2014. – № 8 (91). – С. 155–161.
3. Селезнев, А. С. Об эффективности применения фильтров при нормализации несинусоидальных режимов [Текст] / С. А. Кондрат, А. С. Селезнев, А. Н. Третьяков // Вестник
Иркутского государственного технического университета. – 2015. – № 8 (103). – С. 177 – 183.
4. Селезнев, А. С. Исследование взаимосвязи гармонических составляющих при передаче электрической энергии в сетях высокого напряжения [Текст] / Г. П. Муссонов, А. С.
Селезнев, В. В. Федчишин // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2017. – № 10 (129). – С. 155–161.
5. Селезнев, А. С. Повышение точности определения значений гармонических составляющих в электрических сигналах [Текст] / Г. П. Муссонов, А. С. Селезнев, В. В. Федчишин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2017. – № 11–12. –
С. 73–87.
Патенты
6. Пат. 2485657 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 3/00. Способ фильтрации
высших гармонических составляющих в электрических сетях высокого напряжения (варианты) [Текст] / А. Н. Висящев, С. Г. Тигунцев, А. С. Селезнев ; заявитель и патентообладатель
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессио-
20
нального образования "Иркутский государственный технический университет" (ФГБОУ
ВПО ИрГТУ). – № 2011123572/07 ; заявл. 09.06.2011 ; опубл. 20.06.2013, Бюл. №17. – 10 с.
7. Пат. 2629007 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 3/01. Способ определения
значений высших гармонических составляющих в электрических сигналах (варианты)
[Текст] / Г. П. Муссонов, А. С. Селезнев, В. В. Федчишин ; заявитель и патентообладатель
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО
ИРНИТУ). – № 2016122704 ; заявл. 08.06.2016 ; опубл. 24.08.2017, Бюл. № 21. – 22 с.
Материалы международных всероссийских и университетских конференций, форумов и семинаров
8. Селезнев, А. С. Исследование несинусоидальных режимов в сети 10–35 кВ, питающейся от ПС «Покосное» [Текст] / Д. И. Насонов, А. С. Селезнев // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.техн. конференции с междунар. участием. – Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2007. – С. 323–329.
9. Селезнев, А. С. Использование фильтров специальной настройки для снижения несинусоидальности напряжения в электрической сети [Текст] / А. С. Селезнев, С. В. Сташкевич // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири
: материалы Всерос. науч.-практ. конференции с междунар. участием. – Иркутск : Изд-во
ИрГТУ, 2008. – С. 365–370.
10. Селезнев, А.С. Потери электроэнергии от высших гармоник в линиях 220 кВ
Братская ГЭС – БрАЗ [Текст] / А. Н. Висящев, А. С. Селезнев // Повышение эффективности
производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-практ.
конференции (Иркутск, 26–30 апр. 2010 г.). / под общ. ред. В. В. Федчишина. – Иркутск :
Изд-во ИрГТУ, 2010. – С. 271–275.
11. Селезнев, А. С. Фильтры специальной настройки для минимизации уровня высших гармоник в распределительной сети ПС «Покосное» [Текст] / А. С. Селезнев // Электроэнергетика глазами молодежи : научные труды международной научно-технической конференции : сборник статей в 3 т. (Самара, 21–25 нояб. 2011 г.). – Самара : СамГТУ, 2011. – Т. 1.
– С. 74–77.
12. Селезнев, А. С. Улучшение качества электрической энергии, в сети питающейся
от подстанции Кашима [Электронный ресурс] / А. С. Селезнев // Электронный научный журнал. "Молодежный вестник ИрГТУ" / ИрГТУ. – Иркутск, 2011. – № 4. – Режим доступа :
http://mvestnik.istu.irk.ru/?ru/journals/2011/04. Дата обращения : 23.06.2015.
21
13. Селезнев, А. С. Об эффективности применения фильтров специальной настройки
[Текст] / А. С. Селезнев // Электроэнергетика глазами молодежи : научные труды III международной научно-технической конференции : сборник статей в 2 т. (Екатеринбург, 22–26 окт.
2012 г.). – Екатеринбург : УрФУ, 2012. – Т. 2. – С. 418–421.
14. Селезнев, А. С. Применение экономичных фильтров для снижения уровня высших гармоник в распределительной сети ПС «Кашима» [Текст] // Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS – технологии в энергетике : материалы V Всероссийской научно-технической интернет-конференции (Пермь, 1–30 нояб. 2011 г.). – Пермь : Издво ПНИПУ, 2012. – С. 58–66.
15. Селезнев, А. С. Эффективность применения фильтров специальной настройки для
улучшения качества электрической энергии [Текст] / А. С. Селезнев // Повышение эффективности энергетического оборудования : материалы VII междунар. науч.-практ. конф. :
сборник материалов. в 2 т. (Санкт-Петербург, 13-15 нояб. 2012 г.). – СПб. : СанктПетербургский государственный политехнический университет (ИМОП), 2012. – Т. 2. – С.
458–466.
16. Селезнев, А. С. Выявление источников искажения формы кривой напряжения в
электроэнергетических системах [Электронный ресурс] / Г. С. Кудряшев, А. С. Селезнев, Д.
С. Федосов // Машиностроение : сетевой электронный научный журнал. "Russian Internet
Journal of Industrial Engineering" (г. Магнитогорск). – 2014. – № 3. – Т. 2. – С. 59–65. – Режим
доступа : http://www.indust-engineering.ru/issues/2014/2014-3-10.pdf.
Дата обращения :
01.05.2015.
17. Селезнев, А. С. Нормализация несинусоидальных режимов в электроэнергетической системе [Текст] / А. Н. Висящев, С. А. Кондрат, А. С. Селезнев // Электроэнергетика
глазами молодежи : науч. тр. V междунар. науч.-техн. конф., сборник трудов в 2 т. (Томск,
10–14 нояб. 2014 г.). – Томск : Мин-во образования и науки РФ, ТПУ, 2014. – Т. 1. – С. 118–
122.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа