Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ существующих систем повышения эффективности использования электрической энергии в СТЭ 16
1.1 Анализ основных электромагнитных (энергетических, мощностных) характеристике системах электроснабжения 16
1.2 Основные особенности использования (потребления) электрической энергии СТЭ 23
1.3 Проблемы измерения и компенсации реактивной мощности 28
1.4 Симметрирование в СТЭ 30
1.5 Проблемы снижения величин высших гармоник в контактной сети 31
1.6. Генерация некачественной электрической энергии 31
1.7 Показатели качества ЭЭ и качество электрической изоляции 35
Глава 2 Электроэнергетические характеристики линейных систем 37
2.1 Отклик в простейших линейных системах при установившихся режимах37
2.2 Электромагнитные составляющие на элементах цепи Найдем составляющие мгновенных мощностей (электромагнитные составляющие) на сопротивлении г и индуктивности 39
2.3 Связь отклика с составляющими результирующего тока и напряжения (первая пара дуальных цепей) 45
2.4 Отклик во второй паре дуальных цепей 48
2.5 Расчёт энергии и мощности действующего фактора и отклика на входе линейного двухполюсника 58
2.6. Особенности существующих методов расчета электрических цепей при анализе процессов передачи ЭЭ в них 63
2.7 Представление в форме кватернионов действующих значений тока, напряжения, полной, активной и реактивной мощностей электрической цепи69
2.8. Представление кватернионов мощностей в других формах 73
2.10. Расчет компонент кватернионов активного и реактивного сопротивления и активной и реактивной проводимости цепи 86
2.11. Примеры использования метода 91
Глава 3 Разработка и обоснование системы электроэнергетических характеристик объектов электропотребления с учётом ПКЭ и компьютерной программы для её определения 94
3.1 Особенности дискретизации мгновенных значений токов и напряжений микропроцессорными средствами учёта электропотребления и измерения показателей качества объекта электроснабжения 94
3.2 Особенности алгоритмов определения основных 95
электроэнергетических величин 95
3.3 Номенкулатура электроэнергетических характеристик объекта электроснабжения 98
3.5 Электроэнергетические характеристики объектов электроснабжения 103
3.6 Токовые и электрические характеристики объектов 106
электроснабжения 106
3.7 Программа расчета электроэнергетических характеристик объектов электроснабжения 109
3.8 Анализ характеристик электропотребления. Основные соотношения 111
3.8 Анализ характеристик электропотребления и ПКЭЭ в ТОП тяговых подстанций 118
3.9 Погрешность измерения реактивной мощности микропроцессорными счетчиками семейства Альфа 123
3.10 Расчет, анализ и измерение ЭЭ, идентифицированный по ПКЭ 125
Глава 4 Симметрирование нагрузки тяговых трансформаторов 131
4.1 Вводные замечания 131
4.2 Анализ существующих СТЭ на переменном токе 132
4.3 Симметрирование нагрузки тягового трансформатора как решение проблемы КЭ в ТОП тяговых подстанций 134
4.4 Основные положения разработанной системы электроснабжения 138
4.5 Устранение провалов напряжения в контактной сети 139
4.6 Полное симметрирование нагрузки тягового трансформатора 142
4.7 Математическое моделирование полного симметрирования тягового трансформатора 147
4.8 Краткий анализ известных систем управления качеством 153
электрической энергии в ТОП тяговых подстанций 153
4.9 Сравнение вариантов и выбор основного оборудования установки по симметрированию нагрузки трансформатора и уменьшения мощности искажения 155
4.10 Неполное симметрирование нагрузки тягового трансформатора за счёт частичной разгрузки его наиболее загруженной фазы 162
4.11 Анализ перспектив развития СТЭ 167
Глава 5 Разработка способа учёта и тарификации ЭЭ идентифицированной по показателям качества и средств использования (утилизации) некачественной ЭЭ 176
5.1 Учет электрической энергии идентифицированной по показателям качества 176
5.3 Установка по использованию (утилизации) некачественной электрической энергии контактной сети 193
5.4 Анализ основных экспериментальных данных по утилизации 196
некачественной ЭЭ 196
5.5 Способ повышения эффективности использования электрической энергии213
Выводы 218
Заключение 220
Список Литературы 249
- Проблемы измерения и компенсации реактивной мощности
- Связь отклика с составляющими результирующего тока и напряжения (первая пара дуальных цепей)
- Расчет компонент кватернионов активного и реактивного сопротивления и активной и реактивной проводимости цепи
- Номенкулатура электроэнергетических характеристик объекта электроснабжения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Нарастание дефицита мощности в энергосистемах страны, проведение реформ в электроэнергетике, принятие новых статей Гражданского Кодекса Российской Федерации (ГК РФ) и закона об энергосбережении заставляют по-новому взглянуть на проблему качества электрической энергии (КЭ) в точках общего присоединения (ТОП) тяговых подстанций.
К настоящему времени накоплен значительный опыт по исследованию и анализу проблем КЭ в системах электроснабжения. Наиболее перспективным подходом решения проблем КЭ на границах раздела систем внешнего и тягового электроснабжения является повышение эффективности электропотребления в системах тягового электроснабжения (СТЭ).
До последнего времени проблема КЭ на границах раздела энергосистем и систем тягового электроснабжения находилась в «замороженном» состоянии и касалась двух хозяйствующих субъектов РАО «ЕЭС» и ОАО «РЖД». В связи с реформами в энергетике и железнодорожном транспорте, а также согласно новым статьям ГК (Гражданского Кодекса) РФ проблема КЭ в настоящее время стала касаться уже многих хозяйствующих субъектов, что приводит к возникновению конфликтных ситуаций. Последнее связано с тем, что согласно ГК РФ потребители, получающие питание от той же ТОП, что и тяговые подстанции, вправе требовать снижения оплаты за объёмы поставленной некачественной электроэнергии от снабжающих организаций.
Удовлетворение этих обоснованных требований будет способствовать росту тарифов на железнодорожные грузовые и пассажирские перевозки. Другими словами, проблема КЭ в ТОП тяговых подстанций, будет решаться за счет населения.
Разрешить сложившуюся ситуацию можно за счет установления количественной связи КЭ с энергосбережением, а также за счёт возможности объективно оценивать ущербы от потребления некачественной электроэнергии. Данные ущербы, в установившихся режимах, определяются объёмами потреблённой активной электроэнергии по обратной, нулевой последовательностям и активной энергии по высшим гармоникам. Такие виды энергии идентифицируются показателями КЭ: коэффициенты несимметрии по обратной и нулевой последовательностям, коэффициент искажения синусоидальности формы напряжения и коэффициенты и-ой гармонической составляющей.
Поэтому решение проблемы КЭ необходимо связывать с эффективностью мероприятий и технических решений, направленных на энергосбережение и уменьшение доли генерации некачественной электроэнергии, а также с разработкой способов и средств измерения и учёта электроэнергии идентифицированной по показателям КЭ.
Это становится особенно актуальным в настоящее время в связи со снижением системной надежности и ростом дефицита электрической мощности в большинстве энергосистем страны, что требует разработки технологий энергосбережения для одного из самых крупных и проблемных потребителей электрической энергии (ЭЭ) - электрифицированных железных дорог. Эти технологии электросбережения, обеспечивающие снижение электропотребления, должны исключать или резко уменьшать генерацию ЭЭ по показателям КЭ в
СТЭ. Объективно оценивать ущербы от потребления некачественной ЭЭ позволят способы и средства учёта и измерения некачественной ЭЭ идентифицированной по показателям КЭ.
Общие объёмы ЭЭ с идентификацией по показателям качества, которые генерируются тяговыми подстанциями, весьма существенны (1.18% от общего потребления), они распределяются среди потребителей ЭЭ, получающих питание от ТОП с тяговыми подстанциями, а также обуславливают дополнительные потери в элементах энергосистем. Основными составляющими ЭЭ с идентификацией по показателям КЭ являются две компоненты, одна из них это ЭЭ, обусловленная генерацией за счет асимметрии нагрузки тягового трансформатора на стороне тяги (двухфазная, неравномерная), которая определяется активной мощностью по обратной последовательности. Эта ЭЭ идентифицируется таким показателем КЭ как коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности. Потребитель, который получает эту ЭЭ и имеет двигательную нагрузку, вынужден для её нейтрализации и компенсации потреблять в два раза больше ЭЭ по прямой последовательности. При этом резко увеличиваются риски создания и развития аварийных ситуаций, ведущих к массовому недоот-пуску продукции, нарушению электро-, взрыво- и пожаробезопасности и т.п.
Второй компонентой является ЭЭ по высшим гармоникам, обусловленная нелинейным характером нагрузки тягового трансформатора и определяемая суммарной активной мощностью по высшим гармоникам. Эта ЭЭ идентифицируется таким показателем КЭ, как коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения. Гармонические составляющие этой ЭЭ определяются активными мощностями по соответствующим гармоникам и их всегда можно идентифицировать по коэффициентам и-ой гармонической составляющей напряжения.
Исключение генерирования некачественной ЭЭ на тяговых подстанциях снизит электропотребление в СТЭ, а также повысит достоверность учёта. Снижение электропотребления определяется величиной неэффективного использования ЭЭ, которая затрачивается на генерирование некачественной ЭЭ. Это основной подход, который автор использует в данной работе. Чтобы реализовать его, в первую, очередь необходимо установить связь показателей качества ЭЭ с основными электроэнергетическими характеристиками объектов электроснабжения.
Действующий ГОСТ 13109-97 оценивает и нормирует только электрическую компоненту ЭЭ (напряжение), токовая и мощностная и (или) энергетическая компоненты этим стандартом оценке и нормированию не подлежат. Фактически существующий ГОСТ определяет качество напряжения в ТОП. По сути дела это означает, что некий товар, а ЭЭ и есть товар, оценивается только по одному показателю.
Все это дает основание считать, что существующий ГОСТ 13109-97 в указанных условиях недостоверно и необъективно оценивает качество ЭЭ.
Для того чтобы объективно оценивать КЭ, необходимо связать характеристики электропотребления объекта электроснабжения с показателями КЭ. Реализация данного подхода позволила разработать технические решения для
повышения КЭ, главным образом на границах СТЭ, что обеспечивает практически полное исключение генерации некачественной ЭЭ в системы внешнего и транзитного электроснабжения, снизит электропотребление в СТЭ и в смежных системах, повысит их надёжность, а также повысит достоверность учёта. Это дает возможность сертифицирования ЭЭ в ТОП, к которым подключены тяговые подстанции, а также экономить значительные объемы ЭЭ (от 3% до 8% от объёма ЭЭ на тягу поездов). При строительстве новых тяговых подстанций и реконструкции действующих, использование систем симметрирования нагрузки тяговых трансформаторов даст экономию капитальных затрат за счет использования трансформаторов меньшей мощности.
Таким образом, существует техническая проблема, заключающаяся в некачественной электроэнергии, которая вызвана таким мощным потребителем как электрифицированная железная дорога. Ей соответствует научно-техническая проблем, заключающаяся в необходимости разработки методологических основ анализа сложных несимметричных систем электроснабжения на границе раздела систем тягового и общего электроснабжения при полигармонической форме токов и напряжений и технических решений по повышению качества ЭЭ и эффективности использования установленного энергетического электрооборудования.
Целью работы является разработка методологических основ анализа сложных несимметричных систем электроснабжения на границе раздела систем тягового и общего электроснабжения при полигармонической форме токов и напряжений и технических решений по повышению качества ЭЭ и эффективности использования установленного энергетического электрооборудования, что позволяет с единых позиций рассмотреть особенности и специфику электромагнитной совместимости этих систем и выработать рекомендации по энергосбережению и обеспечению КЭ.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
обоснование электрофизической природы и математического представления энергообменных процессов в линейных и нелинейных однофазных и трехфазных несимметричных сетях;
разработка метода и алгоритма определения основных электроэнергетических характеристик объектов электроснабжения, учитывающих потоки некачественной ЭЭ;
исследование и анализ электроэнергетических характеристик электропотребления СТЭ с учётом потоков некачественной ЭЭ в ТОП тяговых подстанций;
разработка способов симметрирования нагрузки тяговых трансформаторов, основанных на использовании выпрямительно-инверторных каскадах, построенных на элементной базе современной силовой электроники, снижающих долю потоков некачественной ЭЭ в ТОП тяговых подстанций;
разработка способов повышения КЭ в ТОП тяговых подстанций, обеспечивающих использование (утилизацию) некачественной ЭЭ;
- разработка математических и физических моделей и исследование на них
электроэнергетических характеристик способов и средств, обеспечивающих
повышение КЭ в ТОП тяговых подстанций;
Основные методы научных исследований. В теоретической части работы были использованы методы теории и расчета электрических цепей, электромагнитного поля, тензорного анализа цепей, гиперкомплексных пространств и кватернионов, цифровых измерений и цифровой обработки сигналов, физики твердого тела. Экспериментальные исследования электроэнергетических характеристик способов симметрирования нагрузки тяговых трансформаторов проводились на физических и математических моделях в среде MatLab.
Основные методы научных исследований. В теоретической части работы были использованы методы теории и расчета электрических цепей, электромагнитного поля, тензорного анализа цепей, гиперкомплексных пространств и кватернионов, цифровых измерений и цифровой обработки сигналов, физики твердого тела. Экспериментальные исследования электроэнергетических характеристик проводились на физических и математических моделях в среде Mat-Lab способов симметрирования нагрузки тяговых трансформаторов и повышения КЭ.
Научная значимость и новизна работы. Научная новизна работы заключается в том, что:
метод кватернионов расчета электрических цепей, являясь естественным расширением комплексного метода, позволяет углубить анализ процессов в линейных цепях, установить связь активных и реактивных параметров цепи с её энергетическими характеристиками;
установлена связь между активными и реактивными параметрами последовательной и параллельной схемами замещения, установлены причины искажения номиналов параметров электрических цепей, найдены собственные значения параметров цепей;
разработана система электроэнергетических характеристик, позволяющая полно и достоверно характеризовать процесс электропотребления в ТОП тяговых подстанций, а также определять характеристики искажения и величину неучтённой ЭЭ;
разработаны способы симметрирования нагрузки тяговых трансформаторов на основе использования выпрямительно-инверторных каскадов, построенных на основе современных силовых ключей;
установлено, что для достоверности учёта электропотребления в ТОП тяговых подстанций необходимо учитывать ЭЭ идентифицированную по показателям КЭ, определяемых в п.п. 5.4, 5.5, 5.6 ГОСТ 13109-97:
- предложен способ учёта и счетчик, позволяющий учитывать ЭЭ в обеих
направлениях в том числе и с идентификацией по показателям КЭ и уровням
напряжения по первой гармонике прямой последовательности выше и ниже
предельно допустимых
Достоверность научных положений и выводов подтверждена результатами теоретических, лабораторных и производственных исследований, их про-
веркой в СТЭ и на физических и математических моделях, а также сходимостью выводов и результатов расчетов с экспериментальными данными. Практическая ценность работы определяется тем, что:
разработаны эффективные методы утилизации (использования) некачественной ЭЭ, позволяющие в системах электроснабжения, в том числе тягового электроснабжения снизить электропотребление;
разработанные способы симметрирования нагрузки тяговых трансформаторов дают возможность увеличить величину располагаемой мощности тяговых трансформаторов, снизить электропотребление и повысить КЭ в ТОП тяговых подстанций, а также практически полностью исключить потоки некачественной ЭЭ на границах СТЭ;
применение современных силовых ключей IGBT, GTO в системах симметрирования нагрузки тяговых трансформаторов позволит использовать высокие технологии с целью оптимальной адаптации характеристик объекта электроснабжения к показателям КЭ регламентируемых ГОСТ 13109-97;
разработанная лицензированная программа расчета электроэнергетических характеристик позволяет объективно и достоверно определять и оценивать искажения, вносимые в системы электроснабжения различными объектами электроснабжения; а также определять объёмы неучтенной ЭЭ существующими системами учета ЭЭ, рассчитывать погрешность измерения реактивной энергии и мощности.
Основные положения, выносимые на защиту.
метод кватернионов расчета электрических цепей в основе которого лежит алгебра матриц Клейна-Кэли, изоморфная алгебре кватернионов;
алгоритм, обеспечивающий учет потоков и объёмов генерации некачественной ЭЭ, идентифицированной по показателям КЭ, и методологические основы его построения;
результаты исследования и анализа электроэнергетических характеристик СТЭ, в том числе потоков некачественной ЭЭ в ТОП тяговых трансформаторов, с учетом характеристик и алгоритмов используемых средств учета ЭЭ;
способы симметрирования нагрузки тяговых трансформаторов и результаты математического и физического моделирования, принципы построения симметрирующих схем;
способы повышения КЭ объектов электроснабжения и утилизации ЭЭ идентифицированной по показателям качества ЭЭ;
Реализация результатов работы. Программа расчета электроэнергетических характеристик объектов электропотребления внедрена в Читинской электрической компании, а также в филиале ОАО «РЖД» Энергосбыт Забайкальской железной дороги, рекомендации по симметрированию СТЭ приняты к использованию ОАО «МЭС Сибири» - филиал ФСК ЕЭС. Затраты на создание установки по симметрированию нагрузки тягового трансформатора (патенты № №2274940, № 2253931) окупаются за срок не более 8-10 месяцев. Это достигается за счет исключения генерации ЭЭ идентифицированной по показателям КЭ, снижения электропотребления СТЭ, обеспечения нормального полно-
фазного режима работы трансформатора со стороны тяговой нагрузки.
Личный вклад автора
Автору диссертационной работы принадлежат постановка целей и задач исследования, определение путей их реализации и решения. Все эксперименты по исследованию эффективности способов повышения КЭ объектов электроснабжения выполнялись непосредственно автором работы. Часть экспериментов выполнено в соавторстве с исследователями, у которых автор является научным руководителем. Разработка способов и исследование результатов симметрирования нагрузки тяговых трансформаторов выполнены в сотрудничестве с другими исследователями. Непосредственно автором или при его прямом участии дана интерпретация экспериментальных результатов, предложены описанные в диссертации новые физические модели, проведены их расчёт и теоретическое обоснование. В публикациях, в которых автор диссертации занимает первую позицию, основная роль в постановке задачи, полном или частичном получении экспериментальных результатов, их анализе и теоретическом обосновании, а также в написании и редактировании текста публикаций, принадлежат ему. В остальных публикациях автор участвовал в постановке задачи, получении ряда экспериментальных результатов и их обсуждении, а также разработке физических моделей, объясняющих результаты экспериментов.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, межрегиональных конференциях и семинарах, научно-практических конференциях вузов страны, в том числе:
IV международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности»..2007, Санкт-Петербург
XII международная практическая конференция. СТТ 2007, 2008 г. Томск.
Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005).
1-ая международная научно-практическая конференция. СПБ 2011: Науч
ные и технические средства обеспечения энергосбережения и энергоэффектив
ности в экономике РФ.
Всероссийской научно-практической конференция «Энергетика в современном мире» (Чита, 2006).
IV-VIII Всероссийские научно-практические конференции «Кулагинские чтения» (Чита, 2004-2008).
Научно-методической конференции ученных и специалистов Заб.ж.д. (Чита, 1995).
Межрегиональной научно-технической конференции «Энергетика в современном мире» (Чита, 2001).
V всероссийский семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы
теплофизики и теплоэнергетики: материалы семинара вузов Сибири и Дальнего
Востока. Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» - Иркутск. 2008.
Всероссийская научно-практическая конференция «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» - Томск. 2008.
Публикации. Основные научные положения и материалы по теме диссертации изложены в 38 печатных работах, включая 2 монографии, 1 официально зарегистрированную программу для ЭВМ, 6 патентов на изобретения, 8 научных статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, выполнена на 268 страницах машинописного текста, содержит 76 иллюстраций, 7 таблиц, список используемой литературы из 205 наименований и приложение на 32 страницах.
Проблемы измерения и компенсации реактивной мощности
Электроподвижной состав электрифицированных железных дорог переменного тока является потребителем реактивной мощности. Реактивные токи приводят к увеличению потерь в линиях электропередачи, трансформаторах, контактных сетях и таким образом снижают напряжение на токоприёмниках подвижного состава. На практике этот недостаток устраняется применением специальных установок компенсации реактивной мощности [23, 24, 25], установленных на тяговых подстанциях или на постах секционирования. Практически коэффициент мощности на вводах тяговых подстанций переменного тока колеблется в пределах от 0,75 до 0,85 [26]. Для повышения коэффициента мощности электрической тяги переменного тока могут быть применены: синхронные компенсаторы, конденсаторные батареи, включаемые в сети параллельно потребителям. Это - поперечная (параллельная) компенсация [27]. Установка поперечной компенсации обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,93 [28]. Напряжение на локомотиве переменного тока изменяется в следствии потерь в системе, трансформаторах подстанции и тяговой сети, где основной является индуктивная составляющая сопротивления. Уменьшить это сопротивление можно, включив конденсаторную батарею последовательно с нагрузкой. Для повышения уровня напряжения в контактной сети на практике используют устройства продольной компенсации [18].
Известен ряд устройств обеспечивающих компенсацию реактивной мощности при статических режимах на тяговых подстанциях [27]. Эти статические компенсаторы полностью не соответствуют динамическому характеру нагрузки в СТЭ и не обеспечивают компенсацию реактивной мощности. В патентах [29, 30] дано описание фильтр-компенсирующих устройств. Работа таких устройств ведет к резкому увеличению потерь электрической энергии в контактной сети, рельсовом полотне и земле за счет протекания по ним токов высших гармоник [31]. С проблемой эффективной компенсации реактивной мощности связаны и вопросы исключения провалов напряжения в контактной сети при проводке большегрузных составов на руководящих подъёмах. Проблема измерения реактивной мощности связана с вопросами учета или неучета мощности искажения теми или иными средствами контроля и измерения электропотребления. В настоящее время основным счетчиком ЭЭ в СТЭ являются счетчики семейства АЛЬФА, ЕВРОАЛЬФА, которые измеряют реактивную мощность с учетом мощности искажения [32]. При симметричных трёхфазных потребителях все фазы трёхфазной системы нагружаются равномерно. Если же от трёхфазной системы получают питание однофазные и двухфазные потребители, то нагрузка по фазам питающей сети распределяется неравномерно. Это приводит к ухудшению режимов работы всех элементов трёхфазной сети (генераторов, трансформаторов и линий электропередачи), а также не обеспечивает выполнение требований ГОСТ 13109-97 по коэффициентам несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательностям. Последними отечественными наработками в области симметрирования тягового электроснабжения являются патенты на изобретения [33, 34] и соответствующие публикации [17, 35]. По [17] предлагается производить симметрирование нагрузки путем использования специального дополнительного трансформатора с коэффициентом трансформации равным единице. Можно убедиться, что при любом направлении намотки обмоток дополнительного трансформатора эффекта симметрирования нагрузки тягового трансформатора не будет. Это связано с тем, что две обмотки дополнительного трансформатора встречно включены на два линейных напряжения, а третье линейное напряжение включается на эти две обмотки. По [35, 36] предлагается кардинальным образом изменить СТЭ, сделав её однофазной, причем однофазную распределительную сеть выполнять при классе изоляции 110 кВ и размещать её на опорах контактной сети. Данная система обладает очень широким спектром недостатков, по многим из них нет даже предварительного анализа. Например, нет оценки электромагнитного влияния контактной сети на однофазную распределительную сеть напряжением 93,9 - 115,0 (66,4 и 27,5) кВ, нет объективной оценки потерь электрической энергии как в сети, так и «земле», отсутствует расчет надежности такой системы, нет объективной оценки электромагнитного воздействия такой системы на биологические объекты и т.п. Все это, а также значительные капитальные затраты и необходимость разработки специальных трансформаторов большой единичной мощности (63-80 МВА), делает использование данной системы более чем проблематичным. Технически предлагаемые способы являются устаревшими технологиями дня, так как основаны на громоздком схемной и массо габаритной реализации решения проблемы несимметрии нагрузки тяговых трансформаторов и подавлении высших гармоник. Кроме использования компенсирующих и фильт-компенсирующих устройств, для снижения величин высших гармоник, в том числе и в точках общего присоединения (ТОП), в СТЭ в настоящее время определенные надежды возлагаются в этом плане на использование в подвижном составе 4Q-S (четырех квадрантных) преобразователей [37].
Данные преобразователи при соответствующем управлении работой силовых ключей могут обеспечить высокосинусоидальный режим при коэффициенте мощности равном единице, но в любом случае это не исключает влияние рельсового полотна (ферромагнитной среды) и «земли» (нелинейной среды с емкостными свойствами) на генерацию высших гармоник. В работах Московского государственного открытого университета (МГОУ) качество ЭЭ связывается с объёмами и видами активной энергии, обмен которыми постоянно происходит между энергоснабжающей системой и потребителем [38], с этими вопросами связывается идентификация источников искажения качества ЭЭ [39], вопросы мониторинга качества ЭЭ
Связь отклика с составляющими результирующего тока и напряжения (первая пара дуальных цепей)
Воспользовавшись соотношениями (2.1), (2.2), (2.4) и (2.5) для мгновенных значений токов и напряжений и используя известное преобразование, синусоидальных величин в комплексные вектора построим векторную диаграмму рис.2.6. Из векторной диаграммы следует, что действующий фактор - ток генератора, является активной компонентой результирующего тока, так как его направление совпадает с направлением вектора напряжения источника электрической энергии. Ток реакции системы - ток отклика это реактивная компонента результирующего тока, потому что направления векторов тока отклика и напряжения источника энергии взаимно перпендикулярны. Из векторной диаграммы можно определить результирующие напряжения действующего фактора и реакции (отклика) системы приложенного к активному сопротивлению: Напряжение на индуктивности также определяется напряжением действующего фактора и отклика Очевидно, что напряжения действующего фактора и отклика на входе двухполюсника можно представить следующими векторными суммами: Необходимо отметить, что при (р=А5 напряжение задающего (действующего) фактора в системе равно напряжению на индуктивности, а напряжение отклика (реакции) в системе равно напряжению на активном сопротивлении. Рассмотренное разложение получено естественным путем, причем для последовательной цепи и не является «...в значительной мере формальным» [61]. Такие разложения весьма информативны, так как позволяют оценить действующий (внешний) фактор и отклик (реакцию) системы по величинам тока (/г, Id), активной мощности (Рг =1/гг1г, РЬ=ЬгоЬ1г), реактивной мощности (Qr =U2rI0,QL = U0Ll0) и энергии (Wr - jPrdt,Wi = \Pjdt). Формулы для расчета активной и реактивной мощностей получены из следующих соотношений:
Откуда видно, что активная и реактивная мощности двухкомпонентные, одна из которых определяется действующим фактором, а вторая откликом. Причем Рг определяет энерговыделение (тепловыделение) за счет задающего (действующего) фактора (движение электромагнитной энергии от источника энергии), a PQ за счет реакции (отклика) линейной системы (движение электромагнитной энергии в обратном направлении к источнику). Полная мощность S для данного случая равна: Откуда видно, что полная мощность также является двухкомпонентной величиной. Для параллельной цепи рис.2.7 построим векторную диаграмму рис. 1.8, которая отличается от векторной диаграммы рис.2.6 тем, что вместо векторов напряжения обозначены вектора токов. г Рис.2.9. Параллельная r,L - цепь Тогда исходными данными для анализа будет являться ток і, он же ток генератора и напряжение действующего (задающего) фактора иг и напряжение отклика (реакции) и0: Результирующую мгновенную мощность (результирующая электромагнитная характеристика) на активном сопротивлении г найдем как сумму составляющих мгновенных мощностей (электромагнитные составляющие): (2.40) На рис.2.10 приведены графики изменения мгновенной мощности на активном сопротивлении, а также её составляющие при различных углах р для параллельного соединения элементов г, L. Главной особенностью является то, что мгновенные мощности и0ігг,игіог равны по величине и имеют чисто реактивный характер. (2.43) Найдем суммарную мгновенную мощность для последовательной цепи г, L. Для этого вначале определим результирующие напряжения действующего фактора и отклика в данной цепи. Как следует из графиков величина отрицательной мощности отдаваемой во внешнею цепь зависит от угла ср, который определяет значение величин отклика (реакции) данной линейной системы. Для достоверного анализа процессов, в рассмотренных простейших линейных системах, необходимо установить причинно-следственные связи в электромагнитных явлениях, протекающих в них, а также структуру и характер электромагнитных полей. Все эти явления связаны с периодическим изменением структуры и формы электромагнитного поля, а также с преобразованием электромагнитной энергии в элементах этих систем. Надо считать, что полный анализ простейших схем в теории электрических цепей невозможен без учета эффектов поля. Более детальный анализ необходимо проводить с учетом конкретной геометрии системы и её электрофизических характеристик. В случае необходимости оставаться в рамках теории цепей, т.е. иметь возможность оперировать сосредоточенными активными сопротивлениями, индуктивностями, емкостями необходимо обосновать и разработать метод расчета цепей, основанный на учёте взаимодействия в цепи потоков энергии обусловленных действующим фактором и откликом. і Энергетическое представление воздействия действующего фактора и отклика можно связать с величинами мгновенных значений активной и реактивной мощностей. Величины этих мощностей можно определить через I векторные величины, если воспользоваться результирующим вектором { Умова. і і В основе принятого подхода лежит электроконвективный механизм передачи электромагнитной энергии от источников ЭЭ к потребителям в электрических цепях, сетях и системах. Этот механизм передачи ЭЭ описывается вектором Умова Uy [62, 63, 66] величина которого равна потоку ; ЭЭ через единичную площадь проводника в единицу времени или потоку мощности через сечение проводника равного единице. Значение вектора f Умова в случае переменного источника ЭЭ, который соединён с нагрузкой ч проводниками тока с единичным поперечным сечением і где j, Р\,фл\ — соответственно мгновенная плотность тока; мгновенные потенциалы зажимов источника ЭЭ, создаваемый сторонними силами и і отсчитываемый от электронейтральной поверхности при р = 0, находящейся в источнике ЭЭ при плотности тока равной j ; u = q\ — (-(p\)- разность потенциалов между зажимами источника ЭЭ, мгновенное значение переменного напряжение. На рис.2.15 для пояснения изложенного приведен источник синусоидального напряжения и показаны вектора Умова U, которые равны по величине только при равных сечениях соединительных проводов. і Очевидно, что поток энергии от зажима 1 всегда равен потоку энергии от зажима 1 ввиду равенства токов протекающих через эти зажимы, а -?v также равенства абсолютных значений потенциалов \ Pi\ = Уравнение (2.60) определяет значение результирующего вектор Умова в случае, если нагрузка обладает реактивным характером. Результирующий вектор
Умова (поток полной мгновенной мощности ) U у-% можно получить от сложения векторов Умова действующего фактора (поток мощности от источника ЭЭ к объекту электропотребления - мгновенная активная мощность) иуг и отклика (поток мощности от объекта электропотребления к источнику - мгновенная реактивная мощность) Uyo. Для этого можно воспользоваться уравнением для мгновенной полной мощности S, которое получается из канонического уравнения для мгновенной мощности р [64, 65] при начальной фазе тока фх,= 0 (фиксированный нулевой отсчет тока при фи=(р = var) s = (2.61). уравнение (2.61) можно записать Uy =Uy2 +Uyo Приведенные соотношения позволяют связать мгновенную мощность с изменяющейся во времени величиной полной мощности цепи. Тем самым устанавливается эквивалентность величины мгновенной мощности и величины мгновенной полной мощности. Устанавливается также связь мгновенной полной мощности с изменяющимися во времени величинами активной и реактивной мощностями. Последние можно трактовать как мгновенные активная и реактивная мощности ра, С\ соответственно. Мгновенная активная мощность даёт величину энергетического вектора воздействия (действующий фактор) причём величина его, всегда положительна Мгновенная реактивная мощность определяет величину энергетического вектора отклика Графики изменения и, i, s, pa,q приведены на рис. 2.16 для различных углов р
Расчет компонент кватернионов активного и реактивного сопротивления и активной и реактивной проводимости цепи
Очевидно, что в (2.87) первая компонента активного элемента на котором развивается мощность г г является мощностью активных потерь в анализируемом объекте при поступлении электромагнитной энергии от источника. Это следует в частности из того, что при а = const, L - 0, ио - 0,10 - О, V г - U, 1г - / Активное сопротивление объекта при данном направлении потока энергии найдется из = авнений г f-r г л г В (2.88) первая компонента реактивного сопротивления определяется через мощность, U010, отдаваемой объектом синусоидальному источнику электрической энергии, что следует из предельного перехода когда 0) = const,r- 0,Uo - U,I0 - I,U2 -»0,/2 - 0,UoIo - //.
Это реактивное сопротивление д:0 находится из уравнения Вторая компонента реактвного сопротивления определяется через мощность, которая компенсирует потери электрической энергии в объекте при поступлении электрической энергии от объекта к источнику, следует из очевидного тождества U0I2=U2I0. Это реактивное сопротивление (2.95) Уравнения (2.92), (2.94) позволяют найти через нормы кватернионов активного и реактивного сопротивлений полное комплексное сопротивление (2.104) 2.11. Примеры использования метода Очень часто при решении задач измерения, контроля и диагностики необходимо иметь простейшие аналитические соотношения между активными и реактивными параметрами схем замещения. Метод кватернионов позволяет это сделать Rl Gu=cos2 Jx7nNl = sin2 В простейшем эксперименте определения параметров катушки индуктивности методом вольтметра, амперметра, ваттметра измеренные значения напряжения, тока и активной мощности. U=60 В; 1=0,42 А; Р=8 Вт; рассчитанные параметры схем замещения составили: ga = Усп»См, Ь = Уеп, оо, См, га = 45,4, Ом, х = 135,26, Ом, абсолютная ошибка экспериментального определения значения схемной единицы катушки индуктивности составила: 1 - /л - 135 2/i50 88 = 0026 U=100 В; 1=0,69 А; Р=22 Вт. Рассчитанные параметры схем замещения составили: g а = Удел с, См, Ъ = У en лс»См, га = 46,2, Ом, х = 137,24, Ом, абсолютная ошибка экспериментального определения значения схемной единицы катушки индуктивности составила: 1 - Ас л 5 А л ns = 16. U=138 В; 1=0,95 A; P=44 Вт. Рассчитанные параметры схем замещения составили: ga = Хп? 8 м = /Т54 54 м Га = м х 136,54, Ом, абсолютная ошибка экспериментального определения значения схемной единицы катушки индуктивности составила: 1- /432 8 /154 54 = 0037 Полную и активную мощности можно найти из уравнений: S = UaI2+U0I0, (2.106) Р = UzIzcos(p + U0I0cos(p = Рг+Р0. (2.107) Если воспользоваться подходом, изложенном в работе [55], где величины Іг, иг, 1г, Uг отнесены к действующему фактору (действию), а величины io,uo,l0,V0к отклику, то соотношение для полной мощности цепи (2.78) равно сумме полных мощностей действующего фактора и отклика.
Уравнение (2.73) показывает, что компоненты, которыми определяется активная мощность объекта анализа неаддитивные величины, аддитивны только проекции этих компонент на ось активных мощностей (2.79). Компоненты реактивной мощности (2.74) также неаддитивные величины, аддитивны только проекции этих компонент на ось реактивных мощностей. Выводы 1. При использовании ортогональных преобразований для мгновенных значений токов и напряжений можно получить мгновенные значения мощностей связанных с действующим фактором и откликом. 2. Установившийся режим в электрической цепи является результирующим и определяется режимом отклика и действующего фактора. 3. Величины активной и реактивной мощности, развиваемые на элементах цепи от действующего фактора и отклика, не являются аддитивными. 4. Номиналы активных и реактивных сопротивлений (проводимостей) из-за действия отклика и действующего фактора изменяют свои значения. 5. Метод кватернионов является естественным расширением символического (комплексного) метода расчёта электрических цепей. 6. Ортогональные разложения токов и напряжений цепи позволяют достаточно просто перейти к кватернионному представлению основных величин характеризующих электрическую цепь и отыскать между ними аналитические связи в смысле алгебры матриц Клейна-Кели. 7. Получен ряд нетривиальных соотношений, например, связывающее активные и реактивные параметры последовательно-параллельных схем замещения полученных как следствие свойств кватернионов полного сопротивления и полной проводимости. Глава 3 Разработка и обоснование системы электроэнергетических характеристик объектов электропотребления с учётом ПКЭ и компьютерной программы для её определения. 3.1 Особенности дискретизации мгновенных значений токов и напряжений микропроцессорными средствами учёта электропотребления и измерения показателей качества объекта электроснабжения.
Процесс электропотребления в любой момент времени полностью характеризуется мгновенными значениями электрических, магнитных и электромагнитных величин U,l, р в точке учета или контроля электропотребления. Эти характеристики определяются в данный момент времени результатом всех электромагнитных процессов в объекте электроснабжения, сетях и системах энергосбыта, а также в сетях смежных потребителей. Для обеспечения первичной информацией о процессе электропотребления различных микропроцессорных средства учета электропотребления и измерения параметров качества электрической энергии (ПКЭ) осуществляется несколько измерительных преобразований измеряемых токов и напряжений - масштабирование, унификация или нормализация измеряемых величин. На вход аналого-цифровых преобразователей (АЦП) средств учета ЭЭ и измерения ПКЭ поступают унифицированные величины мгновенных значений токов и напряжений, а с выхода снимаются оцифрованные значения мгновенных величин с той или иной дискретизацией по времени. Эти массивы данных обрабатываются микропроцессорными устройствами по тем или иным алгоритмам средств измерения [81,84]. Дискретизация по времени может быть самой разнообразной, например 96 оцифрованных мгновенных значений тока и напряжения за два периода промышленной частоты на фазе у счетчиков ALFA, EVROALFA, ALFA+, А1800 или 256 у «ОМСК-М» и AR.5 за один период с усреднением за одну секунду. У анализаторов качества электрической энергии и электрических счетчиков последних разработок «ION 8500», «НЕВА-ИП», «ЭРИС-КЭ» и др. дискретизация по времени увеличена до 512 оцифрованных мгновенных значений тока и напряжения для «ION 8500» и «ЭРИС-КЭ» [77] и более «НЕВА-ИП». 3.2 Особенности алгоритмов определения основных электроэнергетических величин Алгоритмы счетчиков ALFA, EVROALFA, ALFA+, А1800 обеспечивают измерение мгновенной мощности по фазам сети - 96 значений за два периода на каждой фазе сети. Активная мощность Р находится по усредненным значениям мгновенной мощности для каждой фазы сети, для сети в целом активные мощности фаз суммируется. Полная мощность S рассчитывается по действующим значениям тока и напряжения для каждой фазы сети, а затем суммируется по трем фазам. Полученная сумма является полной мощностью сети. Реактивная мощность для каждой фазы считается по формуле: Q0=iS2-P2 (3.1). Затем определяется знак реактивной мощности по фазам сети и производится суммирование по трём фазам сети с учетом знака фазной реактивной мощности.
Полученная сумма является полной реактивной мощностью сети. В приложении 2 приведен полный алгоритм счетчиков семейства ALFA. Формат данных счетчиков этого семейства является закрытым, а доступ к программному обеспечению ALFA+ и POWER+ является ограниченным. При полигармонических токах и напряжениях реактивная мощность, определяемая уравнением (3.1), отличается по величине от собственно реактивной мощности из-за появления значимых значений мощности искажения. Данный фактор, а также узкий частотный диапазон (измеряются гармонические составляющие до 15 гармоники включительно) и невозможность измерения активной и реактивной мощности по первой гармоники, а также недоучёт ЭЭ при несемитричном характере нагрузки надо считать основными недостатками этих информационно-измерительных комплексов. Что касается алгоритма анализатора AR. 5 (приведен в приложении 2), то он в основном совпадает с алгоритмом счетчика ALFA за исключением алгоритмов измерения реактивной и расчета полной мощностей. Измерение реактивной мощности основано на числовом интегрировании фиктивной мгновенной мощности р получаемой из основной путем сдвига значений фазы мгновенного тока на угол 7г/2. Корректность этого подхода обосновывается следующими преобразованиями: к к р =ui{cot+—) = UmImSin(ax + cp)Sin{ox+—) = 2 2 , (3.2) U I = т т (Siiup+Sin(2at + ф)) = Q(l + Coslox) + PSinloot откуда следует, что средняя мощность будет равна реактивной мощности Q для первой гармоники. Следовательно, анализатор AR.5 измеряет реактивную мощность по первой гармонике для каждой фазы и сети в целом. Формат данных анализатора AR. 5 закрыт, а доступ к программному обеспечению CIRCUTOR является ограниченным. Все это не дает возможность создать программу расчета собственно реактивных мощностей по высшим гармоникам, а также мощности искажения. В приборе «НЕВА-ИПЭ» предусмотрена возможность расчета текущей частоты фазных напряжений несколькими примерно равноценными способами: по прохождению сигнала через ноль, по экстремумам спектральной плотности сигнала, по минимуму среднеквадратического отклонения сигнала от синусоиды искомой частоты. Разработанные алгоритмы расчета частоты при частоте дискретизации 5 кГц обеспечивают абсолютную погрешность до (5—10) мГц при применении скользящих интервалов обработки Т0бр длительностью 2 периода основной частоты и более. Полученная в итоге зависимость частоты от времени f(t) учитывается в программах расчета действующих значений переменных, мощностей и спектров гармоник. Результирующие погрешности в определении действующих значений и спектров переменных зависят не только от точности знания текущей частоты первой гармоники сигналов, но и от частоты дискретизации переменных, от ширины окна обработки сигналов (один или более периодов промышленной частоты), от примененных методов численного интегрирования, от начальной фазы переменной на окне обработки.
Тестовые расчеты показывают, что разработанное программное обеспечение прибора «НЕВА-ИПЭ» при частоте дискретизации/дискр = ДО кГц позволяет при минимальном окне обработки, равном периоду основной частоты, иметь алгоритмические погрешности определения действующих значений переменных и уровней основной гармоники не более 0.2 %, а для 11-й и 40-й гармоник не более 0.8 % и 5.0 % соответственно. Эти данные удовлетворяют требованиям ГОСТ 13109 - 97 [78] в отношении точности определения гармоник. Алгоритм ИВК «ОМСК-М» основан на прямом и обратном преобразовании Фурье. Формат данных и доступ к программному обеспечению ИВК «ОМСК-М» открыт. Это позволяет реализовать разнообразные программы и алгоритмы расчета не только реактивных мощностей, но и различных электроэнергетических характеристик электропотребления. Для каждой из этих величин можно определить максимальное, среднее и среднеквадратичное значения.
Номенкулатура электроэнергетических характеристик объекта электроснабжения
Для достоверного и объективного проведения электроэнергетического обследования объектов электроснабжения, включающего в себя анализ характеристик электропотребления и мониторинг качества электрической энергии (КЭ) [81], необходимо четко представлять каким образом измеряются, что определяют и что характеризуют те или иные характеристики электропотребления, а также установить их связь друг с другом. Очевидно, что все характеристики электропотребления в точке учета или контроля определяются системой внешнего электроснабжения и её режимами [83], характером и особенностями электропотребления, а также способом измерения электрических и магнитных характеристик. В общем случае, в точке учета, все электроэнергетические характеристики электропотребления можно разделить на два ансамбля.
Первый ансамбль электроэнергетических характеристик это характеристики источника ЭЭ, которые характеризуются величинами полной, активной и реактивной мощностями первой гармонике прямой последовательности Sn,Pn,Qn, и напряжением и током первой гармоники прямой последовательности ІІцІц [79]. Эти электроэнергетические характеристики определяют потребляемую качественную ЭЭ, а при напряжении прямой последовательности лежащего в допустимых пределах определяют ЭЭ с абсолютным качеством [84]. Второй ансамбль электроэнергетических характеристик объекта электроснабжения, определяется полными, активными, реактивными мощностями первой гармоники обратной и нулевой последовательностями Si2,Pi2 Ql2 и Ю Ю бю и напряжениями и токами первой гармонике обратной и нулевой характеристиками является полностью некачественной и может, как потребляться объектом электроснабжения, так и генерироваться им [86, 87]. При полигармоничном характере в точке учёта напряжения и тока величина мощности искажения становится значительной и её анализ невозможен без выявления её структуры [88, 89]. Мощность искажения сложна по характеру и структуре [90, 91, 92], что очевидно связано с мощностями, обусловленными межгармоническим взаимодействием гармоник тока и напряжения, и находит отражение в существовании трех компонент полной мощности, а также наличием в мощности искажения помимо высших гармонических составляющих,-составляющих определяемых напряжением и током первой гармоники [93,94]. Можно утверждать, что мощность искажения является энергетической характеристикой изменения структуры (формы) результирующего электромагнитного поля в точке учета по сравнению со структурой (формой) поперечного электромагнитного поля первой гармоники. Рассмотрим построение составляющей мощности искажения Dy$, которая определяется межгармоничным взаимодействием двух гармоник 1-ой и 3-ей напряжения и тока.
Сначала найдём квадрат полной мощности для этого объекта электропотребления интерпретация уравнения (3.3), где SQ= (PI + P3) + (QI+Q3) - полная собственная мощность обусловленная только активными и реактивными мощностями гармоник. Уравнение (3.3) можно записать для 1\,13и Ui,U3- действующих значений тока и напряжения этих гармоник Соотношение (3.4) и (3.3) можно использовать для получения выражения которым определяется квадрат мощности искажения. Так как {Рх + Р3)2 = U2Iі cos2 q\ + U212 cos2 #3 + 2 x /3/1/3 cos 0i cos 0з, a учитывая что Это же выражение для мощности искажения Дз можно получить используя комплексное представление i2, которое находим по формуле: У щіЧ щ- начальные фазы напряжения первой и третей гармоник; Wи »Ч r U - начальные фазы тока первой и третей гармоник. В формуле (3.6) знак "минус" связан с разным направлением мощностей 5із и 5 31 Квадрат D определим как результат умножения комплекса мощности искажения (3.6) комплекс мощности искажения сопряжённый Уравнение (3.6) определяет комплексный вектор мощности искажения через разность комплексных векторов взаимных мощностей -S l3» 31 а рис.3.2, представлен треугольник мощностей, причём квадрат длины вектора Dj3 в этом треугольнике удовлетворяет теореме косинусов, что соответствует полученному соотношению для квадрата мощности искажения (3.5). Рис. 3.2. Треугольник мощностей для определения мощности искажения. Изменение структуры (формы) результирующего поля по сравнению с поперечным полем первой гармоники надо связывать с гармоническим спектром электрических и токовых характеристик поля реакции (отклика) объекта электроснабжения.
На основе выше изложенного, строится матрица полных мощностей, которая если учитывать только нечетные гармоники имеет вид: где собственная полная комплексная мощность гармоник SQ= IJI+J QI, комплексная мощность искажения по всем гармоникам D = (Sij —S ,7), полная комплексная мощность S =2_, РЦ + j/L Qii+ X (% - $j O Из приведенной матрицы определяется любая совокупность мощностей важных для анализа тех или иных аспектов электропотребления. Например, мощность искажения первой гармоники, обусловленная всеми остальными гармониками: 1\ = (Бц — Бц), активную мощность по всем высшим
Похожие диссертации на Совершенствование методов анализа и средств повышения качества электрической энергии и эффективности электропотребления в точках общего присоединения тяговых подстанций
