Введение к работе
Актуальность темы. К мощным нелинейным потребителям электроэнергии на современных рудодобывающих предприятиях относятся подъемные установки (ПУ) с электроприводами, выполненными по системе ти-ристорный преобразователь – двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (ТП-Д), которые генерируют в питающую сеть высшие гармонические (ВГ) составляющие токов и напряжений. Это ведет к снижению качества электроэнергии и нарушению электромагнитной совместимости (ЭМС), к дополнительным потерям мощности в элементах высоковольтных систем электроснабжения рудничных предприятий. Обеспечение ЭМС и снижение потерь мощности из-за наличия мощных электроприемников с нелинейными вольтамперными характеристиками являются важными и актуальными задачами как для рудодобывающих предприятий в частности, так и для современной энергетики в целом.
Степень разработанности. Задачи ЭМС в системах электроснабжения различного назначения, улучшения показателей качества электрической энергии, снижения потерь мощности, вызванные ВГ составляющими токов и напряжений, рассматривались как отечественными, так и зарубежными учными.
В решение проблемы ЭМС и улучшения качества электроэнергии в системах электроснабжения различного назначения большой вклад внесли ученые Абрамович Б.Н., Агунов А.В., Арриллага Дж., Вагин Г.Я., Добру-син Л.А, Довгун В.П., Егоров А.Н., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Карташев И.И., Коверникова Л.И., Корнилов Г.П., Кузнецов Н.М., Николаев А.А., Плащанский Л.А., Розанов Ю.К., Семнов А.С., Смирнов С.С.,Тульский В.Н., Хабигер Э., Akagi H., Bhattacharya S., Baggini A., Chou C.J., Liu C.W., Zamora I. и др. Исследования и разработки таких учных, как Егоров А.Н., Кузнецов Н.М., Плащанский Л.А., Решетняк С.Н.,Семнов А.С. посвящены особенностям построения систем электроснабжения горных и рудодобывающих предприятий и оценке качества электроэнергии.
Диссертации Васильева Е.И., Боярской Н.П., Долингера С.Ю., Егорова Д.Э., Жилина Е.В., Клюева Р.В., Колмакова В.О., Коржова Д.Н., Лима-рова Д.С., Лютаревича А.Г., Матиняна А.М., Селезнва А.С., Сташкова И.А., Темербаева С.А., Третьякова Е.А. посвящены теме обеспечения ЭМС в системах электроснабжения различного назначения и разработке средств компенсации и снижения негативных воздействий ВГ токов и напряжений. В этих трудах рассматриваются причины возникновения ВГ составляющих токов и напряжений, технические средства для их подавления (пассивные, активные и гибридные фильтрокомпенсирующие устройства).
В ряде работ рассмотрены некоторые аспекты ЭМС в высоковольтных системах электроснабжения горных предприятий, где показывается значительное влияние ВГ на элементы сети. Результаты получены имитационным моделированием, что подтверждает актуальность проблемы обеспечения ЭМС и снижения потерь мощности в высоковольтных системах электроснабжения горных и рудодобывающих предприятий. Однако акцент не делается на влияние мощных тиристорных электроприводов, выполненных по системе ТП-Д, работающих в повторно-кратковременных режимах, на ЭМС в рудничных высоковольтных системах электроснабжения.
Таким образом, задача обеспечения ЭМС и снижения потерь мощности в высоковольтных рудничных сетях с мощными тиристорными электроприводами ПУ является актуальной.
Цель работы – разработка и совершенствование методов и средств по обеспечению ЭМС в высоковольтных рудничных сетях с мощными тири-сторными электроприводами постоянного тока на примере Яковлевского рудника Белгородской области.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Выявление особенностей электромагнитной обстановки (ЭМО) в высоковольтной рудничной сети с мощными тиристорными электроприводами на базе системы ТП-Д с нелинейными вольтамперными характеристиками на основании экспериментальных исследований, имитационного моделирования и аналитических расчетов с учетом динамических режимов работы ПУ.
-
Идентификация параметров и определение вероятностных характеристик случайных процессов изменения нагрузок в высоковольтной рудничной системе электроснабжения с целью выявления наиболее вероятного диапазона значений токов нагрузки и токов искажения для выбора технических средств компенсации ВГ токов и напряжений.
-
Разработка имитационных моделей систем электроснабжения скиповой и клетевой ПУ в системе Matlab с пакетом расширений Simulink и библиотекой SimPowerSystems, позволяющих проводить исследования ЭМО с учетом динамических режимов работы в соответствии с выполняемыми диаграммами движения.
-
Выполнение оценки уровня дополнительных потерь мощности при несинусоидальных режимах в высоковольтной рудничной сети, анализ и расчет параметров фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) для компенсации ВГ токов и напряжений. Оценка частотных характеристик высоковольтных систем электроснабжения ПУ «ФКУ – внешняя сеть». Выбор ФКУ для компенсации ВГ токов и напряжений на основании решения многокритериальной задачи оптимизации с использованием аппарата нечетких множеств.
Объект исследования. Высоковольтная рудничная сеть, питающая мощные тиристорные электроприводы ПУ на примере Яковлевского рудника Белгородской области.
Предмет исследования. Электромагнитная обстановка в высоковольтной рудничной сети с мощными тиристорными электроприводами ПУ на примере Яковлевского рудника Белгородской области.
Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
-
На основании экспериментальных, имитационных и теоретических исследований в высоковольтной рудничной сети на примере Яковлевского рудника Белгородской области установлено значительное влияние мощных тиристорных электроприводов на уровень ВГ токов и напряжений с учетом динамических режимов работы ПУ.
-
Разработана методика идентификации параметров и определения вероятностных характеристик случайных процессов изменения нагрузок в высоковольтной рудничной системе электроснабжения с целью выявления наиболее вероятного диапазона значений токов нагрузок и токов искажения для выбора технических средств компенсации ВГ токов и напряжений.
-
Разработана имитационная модель систем электроснабжения высоковольтной рудничной сети рудодобывающего предприятия с моделями электроприводов ПУ, выполненных по системе ТП-Д, с учетом реальных настроек регуляторов на технический оптимум в замкнутых системах подчиненного регулирования, реализующих заданные диаграммы движения в системе Matlab с пакетом расширений Simulink и библиотекой SimPowerSystems.
-
На основании решения многокритериальной задачи оптимизации с использованием аппарата нечетких множеств предложена и обоснована целесообразность применения ФКУ, устанавливаемых в высоковольтной рудничной сети, обеспечивающих ЭМС между мощными тиристорными электроприводами и системой внешнего рудничного электроснабжения.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
-
Применение результатов исследований позволит снизить влияние ВГ токов и напряжений и уменьшить потери мощности в элементах высоковольтной рудничной системы электроснабжения.
-
Разработаны имитационные модели высоковольтных систем электроснабжения ПУ в системе Matlab с пакетом расширений Simulink и библиотекой SimPowerSystems, позволяющие отслеживать ЭМО.
Методология и методы исследования. Использованы основные положения теоретической электротехники, методы расчета и построения схем замещения систем электроснабжения, построения частотных характеристик электрических сетей, канонических схем реактивных двухполюсников, теории вероятности и математической статистики, задач оптимиза-
ции, аппарата нечетких множеств, математического моделирования. Анализ дополнительных потерь мощности проводился на основе экспериментальных исследований при помощи сертифицированных приборов, а также на основе имитационного моделирования в системе Matlab с пакетом расширений Simulink и библиотекой SimPowerSystems.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментальных, имитационных и аналитических исследований, позволивших выявить особенности ЭМС в высоковольтных рудничных сетях с мощными тиристорными электроприводами, выполненными по системе ТП-Д, с учетом динамических режимов.
-
Метод идентификации параметров и определения вероятностных характеристик случайных процессов изменения нагрузок в высоковольтной рудничной системе электроснабжения с целью выявления наиболее вероятного диапазона значений токов нагрузки и токов искажения для выбора технических средств компенсации ВГ токов и напряжений.
-
Методика выбора ФКУ для компенсации ВГ токов и напряжений на основании решения многокритериальной задачи оптимизации с использованием аппарата нечетких множеств.
-
Имитационная модель с установкой ФКУ, обеспечивающая оптимальную ЭМО в высоковольтной рудничной сети, питающей мощные ти-ристорные электроприводы ПУ.
Достоверность полученных результатов базируется на фундаментальных классических положениях и законах электротехники и математики, общей теории вероятности и математической статистики, применении действующих стандартов и нормативных документов, подтверждается результатами экспериментальных исследований, проведнных автором в высоковольтной рудничной сети действующего предприятия. Также достоверность подтверждается хорошей сходимостью результатов экспериментальных исследований, имитационного моделирования и аналитических расчетов, высокой корреляцией данных и результатов расчетов, исключением систематических и случайных погрешностей на основании методики обработки результатов измерений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии и инновации», Белгород, 2016 г.; Международной научно-практической конференции «Интеграция современных научных исследований в развитие общества», Кемерово, 2016 г.; I Международной научно-технической конференции «Энергетические, управляющие и информационные системы», Белгород, 2016 г.; X Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс», г. Губкин, 2017 г.; Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2017 г.; Международной научно-
практической конференции «Электротехнические комплексы и системы», Уфа, 2017 г.; Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летнему юбилею первого ректора Политехнического института В.Н. Борисова, Красноярск, 2017 г.; IX Международном молодежном форуме «Образование. Наука. Производство», Белгород, 2017 г.; Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика и электротехника», Воронеж, 2018 г.; Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2018 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований, и 1 статья, индексируемая в Scopus.
Личный вклад автора состоит в постановке задачи; проведении экспериментальных исследований и разработке имитационной модели высоковольтной рудничной системы электроснабжения ПУ с мощными тири-сторными электроприводами. В работах, выполненных в соавторстве, вклад автора составляет от 30 до 75 %.
Структура и объём работы. Диссертация включает введение, четыре главы основного текста, заключение, список сокращений и условных обозначений, список литературы из 140 наименований и пять приложений. Общий объем диссертации 199 страниц, в тексте содержится 53 рисунка и 39 таблиц.