Введение к работе
Актуальность темы. Качество электрической энергии, связанное с высшими гармониками, остается одной из острых проблем в электрических сетях России. В настоящее время количество нелинейных нагрузок различных мощностей непрерывно возрастает, что ведет к увеличению величин токов и напряжений высших гармоник. Высшие гармоники оказывают вредные воздействия не только на оборудование потребителей, но и электрических сетей. Решение проблемы высших гармоник в электрических сетях является решением актуальных задач улучшения качества электрической энергии, энергосбережения и повышения эффективности производства. В настоящее время известно достаточно много способов снижения напряжений высших гармоник, но самым распространенным остается применение пассивных фильтров. Пассивные фильтры являются актуальными, поскольку эффективны, достаточно дешевы, технология их изготовления хорошо отработана.
Проблемой применения пассивных фильтров для снижения напряжений высших гармоник в электрических сетях активно занимались как российские, так и зарубежные ученые и инженеры. Значительный вклад внесли Вагин Г.Я., Добрусин Л.А., Джафаров З.Т., Жежеленко И.В., Arrillaga J., Chang W.K., Czarnecki L.S., Grady W.M., Ginn H.L., Dwyer R., Emanuel A.E., Kawann C., Milanovic J.V., Mattavelli P., Samoty M.J., Watson N.R. и другие. В их работах решалась задача определения параметров пассивных фильтров, как правило, одночастотных, представляющих собой последовательную RLC-цепь, которые устанавливаются вблизи конкретных нелинейных нагрузок для поглощения их токов высших гармоник. В некоторых работах предлагалось использовать пассивные фильтры для централизованного применения при распределенных нелинейных нагрузках, но конкретных методик для определения мест установки и параметров фильтров разработано не было. Также не рассматривалось применение для этой цели фильтров С-типа и третьего порядка, которые имеют более сложные схемы, чем одночастотные, но в то же время имеют преимущества. Попытки вычисления параметров фильтров С-типа и третьего порядка были, но для частных случаев с существенными допущениями.
В связи с широким распространением нелинейных нагрузок задача снижения напряжений высших гармоник может решаться путем централизованного использования пассивных фильтров. Сложность вычисления параметров пассивных фильтров при подобном подходе заключается в том, чтобы одновременно удовлетворить следующие требования:
обеспечить снижение напряжений на гармонике, на которую фильтр настраивается, одновременно в некотором количестве соседних узлов в различных режимах сети;
не допустить возникновения резонансных условий между фильтром и сетью в узле подключения фильтра на более высоких гармониках, чем гармоника настройки;
выполнить компенсацию реактивной мощности с помощью фильтра на первой гармонике;
обеспечить малые потери активной мощности в фильтре на первой гармонике.
В связи с перечисленными требованиями с математической точки зрения в диссертации необходимо решить оптимизационную задачу.
Целью исследования является разработка методики, алгоритмов и вычислительных программ для централизованного снижения напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров.
Задачи исследования. В соответствии с целью были поставлены и решены следующие задачи:
-
выполнен анализ существующих методов расчета параметров пассивных фильтров;
-
разработана методика централизованного снижения напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров;
-
разработан алгоритм определения узла для установки фильтра при централизованном снижении напряжений высших гармоник;
-
получены выражения для вычисления параметров фильтра третьего порядка, на основе которых разработаны алгоритм и программа для исследования его свойств, исследованы свойства фильтра третьего порядка.
-
сформулирована оптимизационная задача для определения параметров пассивных фильтров различных типов;
-
разработаны алгоритм и вычислительная программа для решения сформулированной оптимизационной задачи;
-
на примере реальной сети исследованы разработанные методика, алгоритмы и вычислительные программы.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач применялись методы теории электрических цепей, методы математического моделирования, методы численного анализа, методы математического программирования, метод сравнительного эксперимента. Для разработки вычислительных программ использовалась система программирования Matlab.
Объект исследования. Объектом исследований является электрическая сеть, питающая распределенные нелинейные нагрузки.
Предмет исследования. Предметом исследований являются режимы высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками.
Научную новизну работы представляют следующие основные результаты, которые выносятся на защиту:
-
методика централизованного снижения напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров;
-
алгоритм определения узла для установки фильтра при централизованном снижении напряжений высших гармоник;
-
выражения для вычисления параметров фильтра третьего порядка, на основе которых разработаны алгоритм и вычислительная программа для исследования его свойств, результаты исследований свойств фильтра третьего порядка;
-
формулировка оптимизационной задачи для определения параметров пассивных фильтров третьего порядка и С-типа, использующей в качестве целевой функции минимум потерь активной мощности в фильтре;
-
двухэтапный алгоритм и вычислительная программа для решения сформулированной оптимизационной задачи, использующие методы роя частиц и внутренних точек;
-
выражение для коэффициента инерции в методе роя частиц, ускоряющее процесс сходимости метода;
-
результаты исследований разработанных методики, алгоритмов и вычислительных программ на примере участка сети высокого напряжения, питающего тяговые подстанции Восточно-Сибирской и Забайкальской железных дорог.
Практическая значимость исследования. Использование результатов исследований будет способствовать повышению качества электрической энергии, повышению эффективности работы электрических сетей с нелинейными нагрузками, энергосбережению. Разработанные методика, алгоритмы, вычислительные программы, научные результаты использовались при выполнении проектов по гранту ведущей научной школы РФ НШ – 4633.2010.8, а также в учебном процессе на кафедре “Электроснабжения и электротехники” ФГБОУ ВПО ИрГТУ.
Апробация работы. Основные результаты по различным разделам диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всероссийских научно-технических конференциях “Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири”, г. Иркутск, 2010-2011 гг.; на конференции молодых ученых ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 2010-2011 гг.; на XV Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2010 г.; на 11-ой международной конференции “Electrical Power Quality and Utilization” (EPQU’11), г. Лиссабон (Португалия), 2011 г; на 12-ой международной конференции “Renewable energies and power quality” (ICREPQ’12), г. Сантьяго де Компостела (Испания), 2012 г; на 5-ой Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», г. Томск, 2012 г.
Личный вклад автора. Методика централизованного снижения напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров, формулировка оптимизационной задачи для определения параметров пассивных фильтров третьего порядка и С-типа, использующей в качестве целевой функции минимум потерь активной мощности в фильтре, разработаны автором совместно с руководителем, все остальные результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены автором лично.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе, одна статья в журнале из списка изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа представлена на 136 страницах машинописного текста, включает 23 рисунка, 11 таблиц. Библиографический список включает 101 наименование.
Похожие диссертации на Централизованное снижение напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров
