Введение к работе
Актуальность работы. Испытания качества электрической энергии, проведенные различными испытательными лабораториями, высшими учебными заведениями и научно-исследовательскими институтами, показали, что в большинстве случаев одним из факторов увеличивающим потери в сетях и элементах распределения электрической энергии является значительная несимметрия токов с сетях 0,38 кВ. Несимметрия напряжений на зажимах трехфазных электроприемников, вызванная наличием несимметрии токов в сети, в большинстве случаев превышает установленные требованиями действующих стандартов значения.
Несимметрия токов является одним из факторов увеличивающих потери в
сетях и элементах распределения электрической энергии. Экономический ущерб,
возникающий в результате воздействия несимметрии токов и напряжении,
обусловлен ухудшением энергетических показателей и сокращением срока службы
электрооборудования, общим снижением надежности функционирования
электрических сетей, увеличением потерь активной мощности и потребления активной и реактивной мощностей
В ряду основных задач, установленных указом Президента Российской Федерации №889 от 04.06.2008 «О некоторых мерах по повышению энергетической эффективности российской экономики», стоит снижение к 2020 году энергоемкости валового внутреннего продукта Российской Федерации не менее чем на 40% по сравнению с 2007 годом.
«Стратегия национальной безопасности Российской Федерации», утвержденная Указом Президента РФ от 31.12.2015 № 683 в качестве главного направления обеспечения национальной безопасности в области экономики определяет повышение уровня энергетической безопасности, через повышение энергоэффективности существующей энергетической инфраструктуры.
В числе ожидаемых результатов, указанных в стратегических программных документах долгосрочного развития топливного энергетического комплекса Российской Федерации, выделено сокращение потерь электроэнергии при её передаче к 2030 году с величины до уровня 8% отпуска в сеть.
В соответствии со статьей 14 Федерального закона Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» устанавливается, что для повышения энергетической эффективности экономики субъектов Российской Федерации необходимо указывать величину сокращения потерь электрической энергии при ее передаче при формировании значений целевых индикаторов в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности.
ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» назначения», введенный в действие с 1 июля 2014 г. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) от 22 июля 2013 г. №400-ст, укрепляет требование об обеспечении норм качества электрической энергии, установленных данным стандартом в электрических сетях, находящихся в собственности потребителей. В соответствии с вышеуказанным ГОСТ потребитель самостоятельно должен обеспечить в своих электрических сетях условия, при которых требования
настоящего стандарта будут выполняться на зажимах электроприемников, при условии выполнения требований к качеству электрической энергии в точке её передачи.
Проблеме качества электрической энергии и снижения уровня потерь на протяжении многих лет уделяется достаточно много внимания, в том числе зарубежными исследователями. Значительный вклад в исследования несимметричных режимов работы электроустановок и систем электроснабжения, в разработку мероприятий по повышению эффективности их работы и снижении уровня потерь внесли ученые: Воротницкий В.Э., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Закарюкин В.П., Карташев И.И., Косоухов Ф.Д., Кузнецов В.Г., Милях А.Н., Наумов И.В., Попов Н.М., Теремецкий М.Ю., Троицкий А.И., Шидловский А.К. и др.
Имеющиеся научные публикации позволяют получить довольно полное представление о современном состоянии и перспективах в области разработки методов и средств повышения качества электрической энергии. Тем не менее, существующие методики расчетов характеристик электроэнергетических систем не в полной мере учитывают фактор случайного пофазного различия нагрузок, в том числе высокую скорость их изменения во времени.
Поэтому важным и актуальным направлением исследований является развитие методов, совершенствование и разработка математических моделей для расчетов и анализа показателей качества электрической энергии. В первую очередь, таких как изменение коэффициентов несимметрии токов и напряжения для установления уровня дополнительных потерь, создаваемых несимметричной нагрузкой на шинах трансформаторных подстанций, в узлах и структурных элементах, составляющих систему снабжения электрической энергией.
Объектом исследования являются электрические сети 0,38 кВ с трансформаторами со схемой соединения вторичной обмотки «звезда с нулем» промышленных предприятий, жилых и общественно-административных зданий, предприятий бюджетной сферы, организаций здравоохранения и т.д. и их функционирование в условиях воздействия несимметричной нагрузки.
Предметом исследования являются дополнительные потери мощности и отклонения показателей качества электрической энергии в сетях 0,38 кВ, вызванные наличием несимметричной нагрузки.
Целью диссертационной работы является развитие методов расчета дополнительных потерь мощности в элементах электрических сетей низкого напряжения, вызванных наличием нагрузок с несимметричным характером, для достижения цели определения оптимальных режимных параметров системы, включая:
исследование несимметричных режимов работы низковольтных распределительных сетей;
определение зависимости потерь мощности от уровня несимметрии нагрузок;
разработку алгоритма для расчета дополнительных потерь мощности при длительных несимметричных режимах работы;
создание в Matlab (Simulink) динамической модели электрической сети для определения зависимости потерь энергии от уровня несимметрии нагрузок.
Основные задачи работы заключаются в следующем:
-
Анализ существующих несимметричных режимов работы систем электроснабжения для определения реальных значений несимметрии токов и напряжений при длительных несимметричных режимах работы оборудования.
-
Определение уровней дополнительных потерь мощности в различных элементах системы электроснабжения при граничных условиях показателей качества электрической энергии.
-
Определение зависимостей дополнительных потерь мощности при различных типах несимметрии и параметрах систем электроснабжения.
-
Разработка в пакете расширения Simulink системы MATLAB динамической модели для расчета потерь мощности и уровней несимметрии тока и напряжения, обусловленных влиянием несимметричной нагрузки;
-
Модернизация стандартных библиотечных блоков SimPowerSystems пакета Simulink системы MATLAB, для автоматизации процесса расчета параметров схемы и сокращения общего времени моделирования;
-
Экспериментальное исследование закономерностей изменения потерь энергии от несимметрии токов в системах электроснабжения
Методы исследования. Для достижения задач определенных в
диссертационной работе применялись основные положения теории электрических цепей и метода симметричных составляющих, математического анализа и моделирования, численного программирования и натурного эксперимента.
Для расчетов по разработанным алгоритмам, реализующим предложенные методы использованы пакеты программ Microsoft Excel, Matlab (Simulink).
Основные положения диссертации, представляемые на защиту:
-
Результаты экспериментальных исследований фактического состояния несимметрии нагрузок в действующих распределительных сетях.
-
Зависимости увеличения потерь в элементах систем электроснабжения при граничных показателях коэффициентов несимметрии напряжений обратной и нулевой последовательности.
-
Математическая модель и алгоритм расчета тока прямой последовательности симметричного режима из условия наличия данных о действующем несимметричном режиме нагрузки.
-
Методика расчета коэффициента дополнительных потерь мощности в системе электроснабжения при наличии различного типа несимметрии.
-
Результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследование по определению зависимостей коэффициента дополнительных потерь мощности от уровней коэффициентов несимметрии токов по обратной и нулевой последовательностей для различных типов несимметрии.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Определены, по результатам обработки экспериментальных измерений в действующих электрических сетях, средние значения коэффициентов несимметрии токов по обратной и нулевой последовательности.
-
Получены зависимости увеличения потерь мощности от коэффициентов несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности в различных элементах сети на интервале нормально и максимально допустимых уровней коэффициентов несимметрии напряжения, в соответствии в требованиями ГОСТ 32144-2013.
-
Разработана математическая модель и алгоритм расчета возможного значения тока прямой последовательности, протекающего в системе после
реализации корректирующих уровень несимметрии мероприятий, с учетом изменения, после коррекции режима, уровней токов и напряжений в характерных точках.
-
Уточнен, с помощью коэффициента равного отношению токов прямой последовательности в исходном несимметричном режиме и режима после корректирующих мероприятий, метод расчета увеличения дополнительных потерь мощности в зависимости от показателей несимметрии токов в сети 0,38 кВ с несимметричной нагрузкой.
-
Получены зависимости, характеризующие изменение величины коэффициента дополнительных потерь мощности, при различных видах несимметричных режимов и различных параметров центров питания.
-
Создана в программном продукте MATLAB (Simulink) динамическая модель электрической распределительной сети 0,4 – 6 (10) кВ для оценки уровня несимметрии токов и напряжения в произвольных точках системы электроснабжения и расчета дополнительных потерь мощности вызванных этим факторами
Практическая ценность и внедрение результатов работы. Получены новые данные и зависимости по оценке влияния величины несимметрии нагрузок на увеличение потерь в распределительных сетях 0,38 кВ.
Полученные результаты возможно использовать для оценки экономического ущерба, обусловленного несимметрией нагрузок.
Результаты диссертации могут применяться при разработке мероприятий, анализе рекомендаций, направленных на улучшение показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения промышленных предприятий, организаций, учреждений различных сфер деятельности, жилых и общественных зданий.
В организациях, осуществляющих деятельность по передачи электроэнергии, итоги исследований диссертации могут быть применены при работах по оценке уровня потерь от несимметрии в точке общего присоединения (точке передачи электрической энергии), определения вклада потребителей с несимметричным характером нагрузки в ухудшение качества электрической энергии по несимметрии напряжения и разработки технических условий на присоединение новых потребителей к электросетям.
Апробация работы. Результаты, полученные в ходе научных исследований, и
основные тезисы диссертационной работы представлялись на обсуждение и получили
одобрение на: Международной научно-техническая конференции «Динамика систем,
механизмов и машин» в Омском государственном техническом университете
(ОмГТУ) (Омск, 2012, 2014), III Международная научно-практическая конференция
«Современное состояние и перспективы развития технических наук» (Уфа, 2014),
Международная научно-практическая конференция «Наука XXI века: теория,
практика и перспективы» (Уфа, 2015), VII Международная научно-практическая конференция «Технологии XXI века: проблемы и перспективы развития» (Челябинск, 2015), VII Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии научного развития» (Пермь, 2015), VII Всероссийская научно-техническая конференция «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность!» (ОмГТУ) (Омск, 2015, 2017), Международная научно-техническая конференция «Метрология, стандартизация, качество: теория и практика» (Омск, 2017), а также обсуждались на научных-технических конференциях кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ в 2012-2017 гг.
Личный вклад. Автору работы принадлежит постановка научно-
исследовательских задач и их решение, проведение экспериментальных измерений, разработка алгоритма расчета и реализация его при помощи программ Microsoft Excel, разработка комплекса структурных моделей в среде пакета Matlab, представляемые на защиту результаты моделирования, выводы и научные тезисы.
Вклад автора в каждую из опубликованных в соавторстве с кем-либо научных работ составляет не менее 90%.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.14.02
«Электрические станции и электроэнергетические системы». Полученные соискателем основные результаты исследований соответствуют пункту 6 «Разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике», пункту 12 «Разработка методов контроля и анализа качества электроэнергии и мер по его обеспечению» и пункту 13 «Разработка методов использования ЭВМ для решения задач в электроэнергетике»
Публикации. По рассматриваемой в диссертации тематике издано 31 печатная работа, включая 11 статей в рецензируемых изданиях, по рекомендуемому для опубликования достигнутых при диссертационных исследованиях результатах списку ВАК РФ и 5 статей без участия соавторов, также получено свидетельство о регистрации электронного ресурса.
Объем и структура диссертации.