Введение к работе
Актуальность проблемы. Значительное ухудшение качества электроэнергии (КЭ) в трехфазных четырехпроводных сетях низкого напряжения, которое наблюдается в последние годы, вызвано изменением характера электрических нагрузок офисных, коммерческих и бытовых потребителей. Основную долю нагрузок этих потребителей составляют сравнительно маломощные нелинейные электроприемники, такие как энергосберегающие системы освещения, офисная и компьютерная техника, частотно-регулируемые электроприводы.
В спектре тока, потребляемого однофазными нелинейными нагрузками, преобладает составляющая с частотой третьей гармоники. Гармоники, кратные трем, в трехфазных четырехпроводных сетях образуют систему нулевой последовательности и суммируются в нейтральных проводниках. Это приводит к увеличению потерь, ускоренному старению изоляции и вызванному этим сокращению срока службы электрооборудования, а в ряде случаев – к авариям, вызванным перегревом и разрушением нулевых проводников кабельных линий. Увеличение падения напряжения между нейтральной точкой и землей приводит к сбоям в работе чувствительного электронного оборудования. Кроме того, большие уровни токов третьей гармонической составляющей вызывают дополнительный нагрев обмоток трансформаторов.
Другая проблема трехфазных сетей низкого напряжения заключается в том, что неравномерное включение однофазных нагрузок может вызвать значительную несимметрию токов и напряжений сети. Это приводит к дополнительному увеличению токов нейтральных проводников.
Ухудшение качества электроэнергии в сетях коммерческих и офисных потребителей вызывает увеличение капитальных вложений и эксплуатационных расходов, связанных с преждевременной заменой оборудования и необходимостью проводить комплекс организационных и технических мероприятий, направленных на поддержание показателей КЭ в пределах, определяемых стандартами. К техническим мероприятиям относится установка специальных технических средств, таких как пассивные и активные силовые фильтры. Как правило, силовые фильтры осуществляют подавление высших гармоник, на частоты которых они настроены, и генерируют реактивную мощность на основной частоте. Поэтому их более точное название – фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ).
Степень разработанности. Развитию методов проектирования пассивных и активных ФКУ посвящены работы отечественных и зарубежных специалистов Х. Акаги, Дж. Аррилаги, М. А. Авербуха, И. В. Жежеленко, Л. И. Коверниковой, Ф. Пенга, Ю. К. Розанова, Л. Чарнецки, А. К. Шидловского и др. Однако в большинстве случаев рассматриваются фильтрокомпенсирующие устройства для промышленных сетей с мощными нелинейными нагрузками.
Особенность систем электроснабжения офисных и коммерческих потребителей заключается в том, что они ограничены по территории и
мощности электроприемников, имеют, как правило, общий источник электроснабжения и общие требования по обеспечению электромагнитной совместимости потребителей с питающей сетью. Следует учитывать также особенности построения низковольтных сетей, которые увеличивают искажения токов и напряжений. Поэтому проблема создания компенсирующих устройств для трехфазных четырехпроводных сетей требует развития новых подходов. В условиях насыщенности таких систем распределенными однофазными нелинейными нагрузками актуальной является проблема создания специализированных компенсирующих устройств, обеспечивающих электромагнитную совместимость как между системой внешнего электроснабжения и сетью, так и между отдельными группами потребителей внутри сети.
Цель работы: развитие и совершенствование методов и средств улучшения качества электрической энергии в трехфазных четырехпроводных сетях 0,4 кВ.
Для достижения цели были поставлены и последовательно решены следующие задачи:
-
Проведен анализ качества электроэнергии в сетях офисных потребителей и определены показатели, оказывающие наибольшее влияние на качество электроэнергии в трехфазных четырехпроводных сетях 0,4 кВ. На основе проведенного анализа определены функции, которыми должны обладать фильтрокомпенсирующие устройства, устанавливаемые в таких сетях.
-
Разработаны конфигурации ФКУ для трехфазных четырехпроводных сетей, обеспечивающие ослабление токов нейтральных проводников, вызванных нелинейным характером и несимметрией нагрузок. Исследованы компенсационные характеристики разработанных ФКУ.
-
Предложена стратегия формирования управляющих сигналов для активных фильтров гармоник (АФГ), обеспечивающая раздельную компенсацию симметричных составляющих, образующих системы прямой, обратной и нулевой последовательности. Это позволяет осуществлять независимое регулирование режимов работы и показателей качества электроэнергии в узлах, к которым подключена основная часть нелинейной нагрузки.
-
Предложена архитектура гибридного регулятора качества электроэнергии для трехфазных четырехпроводных сетей на основе предложенных конфигураций ФКУ. Проведен анализ характеристик предложенного регулятора КЭ.
Объект исследования. Распределительные сети 0,4 кВ с преобладающей долей однофазных несимметричных нагрузок, имеющих нелинейные вольт-амперные характеристики.
Предмет исследования. Качество электроэнергии в распределительных сетях 0,4 кВ, методы и средства его улучшения.
Методы исследования: При выполнении работы были использованы методы теоретической электротехники, цифровой обработки сигналов, спектрального анализа. Теоретические исследования сочетались с измерениями, экспериментальными исследованиями с использованием пакета прикладных программ MatLab и системы визуального программирования LabView.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в диссертации впервые получены следующие положения, которые выносятся на защиту:
-
Предложена новая конфигурация гибридного широкополосного фильтра, обеспечивающего ослабление токов нейтральных проводников, вызванных нелинейным характером и несимметрией однофазных нелинейных нагрузок.
-
Разработана адаптивная стратегия формирования управляющих сигналов для активных фильтров, обеспечивающая раздельную компенсацию симметричных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательности.
-
Предложена и обоснована распределенная модульная архитектура регулятора качества электроэнергии для трехфазных четырехпроводных сетей, обеспечивающая электромагнитную совместимость как между отдельными участками сети, так и с системой внешнего электроснабжения.
Практическая значимость работы. Применение результатов исследования позволит повысить качество электроэнергии в трехфазных четырехпроводных сетях с высокой долей нелинейной нагрузки, снизить уровень токов в нейтральных проводниках, что способствует снижению потерь, энергосбережению, более эффективной и надежной работе оборудования.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационных исследований в виде практических рекомендаций по модернизации и внедрению фильтрокомпенсирующих устройств использованы в компании ООО «Инженерная Компания Сибири» при разработке мероприятий по повышению энергоэффективности и улучшению качества электрической энергии в распределительных сетях 0,4 кВ.
Материалы диссертации, в том числе лабораторный практикум с удаленным доступом, реализованный на основе распределенной информационно-измерительной системы мониторинга качества электроэнергии, используются в учебном процессе на кафедре «Системы автоматики, автоматизированного управления и проектирования» Сибирского федерального университета.
Достоверность полученных научных положений подтверждается их сравнением с результатами мониторинга качества электроэнергии в распределительных сетях 0,4 кВ, моделированием с помощью апробированного программного обеспечения, а также результатами, полученными другими авторами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
IX Всероссийской научно технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука», Красноярск, 2013 г.;
XX Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, 2014 г.;
Всероссийской конференции «Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление», Иркутск, 2015 г.;
XXI Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, 2015 г.;
III Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы», Томск, 2015 г.;
III Всероссийской научно-технической конференции «Технологии, измерения и испытания в области электромагнитной совместимости» «ТехноЭМС-2016», Москва, 2016 г.;
IV Всероссийской научно-технической конференции «Технологии, измерения и испытания в области электромагнитной совместимости» «ТехноЭМС-2017», Москва, 2017 г.;
- Международной научно-техническая конференция «Пром-
Инжиниринг», Челябинск, 2017 г.
Личный вклад. Общая научная идея, конфигурации фильтрокомпенсирующих устройств, алгоритмы формирования компенсирующих сигналов разработаны совместно с научным руководителем, все остальные положения, выносимые на защиту и представляющие научную новизну, в том числе математические модели гибридных фильтров и результаты исследования компенсационных характеристик были получены автором лично.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для опубликования основных результатов диссертационных исследований на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, 1 статья – в журнале, входящая в международную базу цитирования Scopus. В каждой работе, опубликованной в соавторстве, личный вклад автора составляет не менее 50%.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, включая 9 таблиц и 87 рисунков и списка использованных источников из 86 наименований.