Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Научно-технические проблемы управления потоками реактивной мощности . 17
1.1. Общая характеристика проблемы управления потоками реактивной мощности 17
1.2. Состав и характеристики потребителей и источников реактивной мощности, выполняющих функции регуляторов реактивной мощности 20
1.3. Эксплутационные характеристики регуляторов РМ 27
1.4. Задача ранжирования регуляторов РМ 30
1.5. Взаимосвязь управления потоками реактивной мощности с выбором мощности компенсирующих устройств 32
1.6. Требования к надежности работы регуляторов РМ 34
Выводы к главе 1 36
Глава 2. Концепция регулирования реактивной мощности 38
2.1. Обобщенная схема электротехнического комплекса горных предприятий 38
2.2. Комплекс потребителей и источников реактивной мощности предприятия 41
2.2.1. Асинхронный двигатель 43
2.2.2. Конденсаторная батарея 47
2.2.3. Синхронный двигатель 50
2.2.4. Устройство компенсации РМ с применением преобразователей с активным передним фронтом (УКТиН) ... 52
2.2.5. Факторы, влияющие на изменение потока РМ 54
2.2.6. Обобщенная статическая характеристика 57
2.2.7. Показатель глубины регулирования 59
2.3. Структура формирования графика РМ 64
2.4. Ранжирование регуляторов РМ 68
2.4.1. Ранг регуляторов 68
2.4.2. Классификация регуляторов РМ 69
2.4.3. Взаимосвязь регуляторов РМ 75
2.4.4. Методика ранжирования регуляторов РМ. 79
2.5. Выбор дополнительных источников РМ 90
2.6. Регулирование потоком РМ в узле нагрузки 94
Выводы к главе 2 99
Глава 3. Эксплуатационные факторы, определяющие надежность работы источников реактивной мощности (ИРМ) и формирование схем замещения сети 102
3.1. Анализ повреждаемости КБ 102
3.2. Анализ работы ФКУ ПО
3.3. Обобщенная принципиальная схема электрической сети 115
Выводы к главе 3 128
Глава 4. Установившиеся режимы работы сети 130
4.1. Установившийся режим при отсутствии высших гармоник 130
4.2. Установившийся режим с высшими гармониками 145
Выводы к главе 4 164
Глава 5. Переходные процессы при включении конденсаторных батарей и фильтро-компенсирующих устройств 166
5.1. Характеристика переходных процессов при включении КБ и ФКУ 166
5.2. Процесс перезарядки 168
5.3. Аналитический подход к решению переходных процессов. 172
5.4. Анализ переходных процессов при включении КБ для различных режимов работы сети 188
5.4.1. Включение КБ на холостом ходу сети 190
5.4.2. Включение КБ при наличии УПК 195
5.4.3. Включение КБ на холостом ходу участковых трансформаторов 6/0,66 кВ 204
Выводы к главе 5 213
Глава 6. Переходные процессы при выключении КБ .. 215
6.1. Характеристика переходных процессов при выключении КБ.., 215
6.2. Формирование дифференциальных уравнений при выключении КБ 216
6.3. Анализ переходных процессов на холостом ходу сети 224
6.4. Анализ переходных процессов при использовании установки продольной компенсации (УПК) 227
6.5. Анализ переходных процессов при холостом ходе участковых трансформаторов 229
Выводы к главе 6 232
Глава 7. Принципы обеспечения надежности управления потоками реактивной мощности 234
7.1. Условия обеспечения электромагнитной совместимости работы электротехнического комплекса предприятия при регулировании потоками РМ 234
7.2. Способы уменьшения токов включения КБ 235
7.3. Совокупность регуляторов реактивной мощности 246
7.4. Регулирование потоков РМ автоматизированной системой управления 249
Выводы к главе 7 254
Заключение 255
Список литературы 260
- Взаимосвязь управления потоками реактивной мощности с выбором мощности компенсирующих устройств
- Устройство компенсации РМ с применением преобразователей с активным передним фронтом (УКТиН)
- Обобщенная принципиальная схема электрической сети
- Анализ переходных процессов при использовании установки продольной компенсации (УПК)
Введение к работе
В настоящее время одной из важнейших проблем повышения конкурентоспособности отечественного производителя на мировом рынке является снижение энергетической составляющей в структуре себестоимости продукции. Оплата за электроэнергию включает в себя систему скидок и надбавок за реактивную мощность.
Нерациональное управление потоками реактивной мощности (РМ), низкая надежность электротехнического комплекса горного предприятия, наличие высших гармоник в сети, появление все новых технических средств приводят к увеличению оплаты за электроэнергию, сокращению срока службы, затрат на техническое обслуживание и ремонт электрооборудования. Широкое внедрение новых технических устройств, являющихся источниками высших гармоник, заставляет посмотреть на проблему компенсации совсем с другой стороны, а именно - на первом этапе необходимо уменьшать влияние гармоник на устройства компенсации РМ, а на втором этапе обеспечивать бесконфликтную работу электротехнического комплекса, содержащего регуляторы РМ. Большое потребление реактивной мощности вызывает увеличение потерь мощности и напряжения, а значит, ухудшает качество электроэнергии, как в системе, так и в сетях предприятия. В ряде случаев перегрузка элементов системы электроснабжения предприятия обусловлена высоким уровнем потребления РМ, что значительно влияет на процесс добычи и переработки полезных ископаемых.
Это объясняется рядом причин: большой протяжённостью линий электропередачи, реактированием присоединений и многоступенчатостью напряжений в электрических сетях, необходимостью поддержания напряжения в центрах электрических нагрузок (ЦЭН) на рациональном уровне; концентрацией нагрузки большой мощности в конце радиальных линий; территориальной рассредоточенностью нагрузки в трёх координатах, что затрудняет определение координат ЦЭН и реализацию взаимодействия между электроустановками в режиме текущего времени; сочетанием воздушных и кабельных линий, гальванической развязкой поверхностных и подземных сетей, необходимостью применения взрывобезопасного оборудования.
Оплата за реактивную мощность на предприятиях в разные годы составляла от 5 до 10 процентов от общих затрат на электроэнергию. За счет реактивной составляющей возникает перегрузка элементов системы электроснабжения предприятий. От уровня потребления РМ зависит качество электрической энергии. Все это обуславливает актуальность проблемы регулирования РМ с помощью комплекса потребителей и источников, включающего установки продольной компенсации (УПК), конденсаторные установки (КУ), фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ) и устройства коррекции тока и напряжения (УКТ и Н). Актуальность исследований, связанных с управлением потоками электроэнергии на предприятиях, подчеркивается работами ведущих ученых в данной области, в том числе работы Б.Н. Абрамовича, С.А. Волотковского, СМ. Гамазина, Л.В. Гладилина, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, НИ. Зеленохата, О.В. Иванова, В.М. Квятковского, А.В. Кучумова, A.M. Лимитовского, Б.Г. Меньшова, Ю.П. Миновского, А.В. Орлова, А.В. Праховника, Е.М. Проскурякова, Г.И. Разгильдеева, В.М. Рачека, В.И. Серова, В.А. Строева, А.А. Федорова, Г.С. Хронусова, В.А. Чванова, ЮГ.Шакаряна, В.В.Шевченко, В.И. Щуцкого и др. Работы этих ученых являлись исходной базой при проведении настоящих исследований, создании методов и средств эффективного воздействия на факторы, сберегающие энергоресурсы.
На современном этапе решение задачи управления потоками реактивной мощности должно осуществляться в пространственно-временной области с учетом взаимосвязи всех электроприемников, входящих в состав электротехнического комплекса предприятия для обеспечения бесконфликтного регулирования источниками и потребителями РМ при достижении рационального ее уровня. В связи с возросшими возможностями систем учета, контроля и управления потоками электроэнергии, появляется необходимость расширения методологических подходов к реализации мероприятий по снижению уровней затрат на электроэнергию в целом и, в частности, на реактивную мощность.
В работе рассмотрены вопросы повышения эффективности управления потоками реактивной мощности с помощью комплекса регуляторов, ранжированных в зависимости от времени и пространственного их расположения с учетом режимных, технологических и организационных ограничений, вводимых на предприятиях горной промышленности.
Стратегия регулирования должна учитывать требования энергосистемы, определяющей уровень РМ на предприятии, стремление предприятия уменьшить оплату за РМ, потери активной мощности, энергии и напряжения в электрической сети.
Важнейшими до сих пор являются вопросы надежной работы компенсирующих устройств, применяемых для уменьшения реактивной составляющей нагрузки. Компенсаторы реактивной мощности (КРМ), как показал опыт их эксплуатации на горных предприятиях, часто выходят из строя из-за перегрузок по току и напряжению в установившихся, и переходных режимах, а так же из-за перегрузок высшими гармониками, доля которых в последнее время резко возросла из-за широкого внедрения преобразователей частоты.
Целью работы является разработка научно-технических положений, обеспечивающих повышение эффективности электроснабжения предприятий путем рационального использования технических характеристик потребителей и источников РМ для управления ее потоками при заданных технологических, организационных и режимных ограничениях с учетом их пространственного, временного и информационного взаимодействия.
Идея работы: повышение эффективности использования электроэнергии путем оптимизации потоков РМ независимо от потоков активной мощности при заданных технологических, организационных и режимных ограничениях с учетом пространственного, временного и информационного взаимодействия электроустановок электротехнического комплекса предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых.
Для реализации поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:
1. Разработана концепция и методология использования источников и приемников РМ в процессе управления ее потоками независимо от потребления активной мощности на заданном интервале формирования графика нагрузки предприятия.
2. Определен состав потребителей и источников РМ, способных выполнять функции регуляторов РМ в электротехническом комплексе предприятий на заданных дискретных интервалах графика нагрузки и выявлены основные закономерности изменения показателей работы регуляторов в заданном диапазоне изменения состава технических устройств, их режимных показателей и конфигурации сети.
3. Разработан алгоритм оценки эксплуатационных характеристик источников и приемников, позволяющих определить степень их готовности изменять потребление (генерацию) РМ в диапазоне, обеспечивающем экономическое значение РМ.
4. Разработан принцип ранжирования источников и приемников реактивной мощности согласно требованиям к качеству электроэнергии, надежности их работы и территориальной взаимосвязи.
5. Определена структура алгоритма выбора мощности дополнительных источников РМ с учетом временного и пространственного факторов, влияющих на ранжирование используемых электроприемников в процессе управления потоками РМ. 6. Разработаны рекомендации по повышению надежности работы регуляторов РМ при вариации параметров нагрузки и электрической сети, в условиях наличия высших гармоник в установившихся режимах и высокочастотных составляющих переходного процесса, а также перенапряжений и перегрузок по току элементов электротехнического комплекса предприятия.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Установленные закономерности изменения глубины регулирования реактивной мощности (РМ) независимо от уровня активной мощности, полученные из системного анализа режимов электропотребления при вариации параметров и характеристик потребителей и источников РМ и заданных технологических, организационных и режимных ограничениях с учетом их пространственного, временного и информационного взаимодействия, позволяют сформировать прогнозное и планируемое значения показателей графика РМ в электротехническом комплексе предприятия в режиме реального времени.
2. Концепция и алгоритм управления потоками реактивной мощности (РМ) на основе многофункционального ранжирования электроприемников и выбора мощности дополнительных источников РМ позволяют реализовать бесконфликтную совместную работу электротехнических установок с учетом их иерархии в экономически эффективных энергосберегающих режимах и интегрировать их в состав автоматизированной системы управления электроснабжением предприятий.
3. Закономерности, характеризующие протекание установившихся и переходных процессов при включении (отключении) секций конденсаторных установок (КУ), учитывающие изменения параметров электрических сетей предприятий, влияние поверхностного эффекта, неодновременности замыкания (размыкания) контактов, величины тока среза, скорости нарастания напряжения пробоя и характеристик дуги, позволяют установить уровень перегрузок конденсаторов по току и напряжению в электротехнических комплексах предприятий и выбрать средства по их уменьшению.
4. Разработанные принципы разделения нагрузки на корректируемую и некорректируемую при работе установок продольной компенсации (УПК), конденсаторных установок (КУ), фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ) и устройств коррекции тока и напряжений (УКТ и Н), участвующих в управлении потоками РМ и поддержании качества электрической энергии в узлах нагрузки при вариации статических и динамических характеристик электротехнического комплекса предприятия, обеспечивают электромагнитную совместимость электрооборудования.
Методы исследований. Использованы методы теории электрических цепей, теории электромагнитных процессов в системах электроснабжения и электрических машинах, численные и аналитические методы решения дифференциальных уравнений, методы теории нечеткой логики, математическое и физическое моделирование, методы теоретического и экспериментального определения параметров и характеристик электротехнических комплексов.
Научная новизна результатов исследований заключается в:
- обосновании возможности управления потоком РМ независимо от потребления электроустановками электротехнического комплекса активной мощности с учетом установленных временных и пространственных взаимосвязей, технологических и организационных ограничений и уровня постоянной составляющей генерации РМ в узле нагрузки;
- разработке критериев ранжирования электроустановок, позволяющих определить их территориальную, временную и информационную взаимосвязь в области наибольшей эффективности регулирования РМ в различные интервалы времени; - разработке метода выбора мощности компенсирующих установок, основанного на определении дефицита генерируемой РМ на временных интервалах ее регулирования с учётом постоянной составляющей графика РМ;
- разработке математической модели для определения показателей режимов работы компенсирующих устройств с учётом разделения процессов на различные частотные составляющие при их коммутации и установлении зависимостей параметров переходного и установившегося режимов от параметров КУ и системы электроснабжения;
- разработке критериев выбора параметров компенсирующих устройств и параметров сети, при которых повышается надёжность работы, срок службы и эффективность работы КУ и обеспечивается электромагнитная совместимость электрооборудования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: положительными результатами внедрения разработанных методов анализа, расчета и выбора параметров элементов системы электроснабжения в течение 1977-2003 гг.; данными по показателям режимов работы электрических сетей, включающих ОАО «Сильвинит», ПО «Беларуськалий», ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез» 9 ОАО
«Юганскнефтегаз», ОАО «Ленинградсланец», ОАО «Татнефть» и других предприятий, подтверждающими адекватность научных положений, выводов и рекомендаций; согласованностью результатов теоретических исследований и экспериментальных данных анализа показателей режимов работы электрических сетей при относительной погрешности не более 20 %.
Практическая ценность работы состоит в разработке:
- методики ранжирования электроустановок;
- методики выбора мощности КУ;
методики выбора ограничивающих реакторов для КУ и ФКУ;
- рекомендаций по ограничению влияния высших гармоник на КУ. Реализация результатов работы. Методики проектирования и расчета параметров КУ внедрены в проектах, разработанных институтами АО «Гипрошахт» и ВНИИГаллургии.
Рекомендации по проектированию и эксплуатации ИРМ в качестве регуляторов внедрены в программах по управлению режимами электропотребления в ОАО «Татнефть», ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез», ОАО «Юганскнефтегаз», ОАО «Ленинградсланец».
Установки продольно-емкостной компенсации мощностью около 40 Мвар внедрены в ПО «Беларуськалий» и ОАО «Сильвинит».
Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с рекомендациями СИГРЭ, планами научно-исследовательских работ Санкт-Петербургского государственного горного института (ТУ) 1981 -2003 гг., Государственными планами экономического и социального развития Белоруссии на 1981-2003 гг.
Результаты исследований используются в Санкт-Петербургском Государственном горном институте при подготовке специалистов по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», в научно-исследовательской работе аспирантов, при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на: симпозиуме ПАН, г. Катовице, Польша, 1989 г.; семинаре ВСП, г.Краков, Польша, 1989 г.; международной конференции ХСАМС-90, г. Острава, Чехословакия, 1990 г.; международном симпозиуме «Автоматическое управление энергообъектами ограниченной мощности», г. Ленинград, 1991 г.; IV научно-технической конференции «Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предприятий», г. Свердловск -г. Челябинск, 1991 г.; Всесоюзном научно-техническом совещании «Состояние и проблемы развития систем автономного электроснабжения», г. Суздаль, 1991 г.; П международном симпозиуме «Автоматическое управление энергообъектами ограниченной мощности», г. Санкт-Петербург, 1992 г.; 11-м международной конференции «Автоматизация в горном деле», г. Екатеринбург, 1992 г.; 2-ом международном симпозиуме «Механизация и автоматизация в горной промышленности», г. Лулеа, Швеция, 1993 г.; 7-м симпозиуме «Современные проблемы энергоэлектроники и электромеханики», г. Устронь, Польша, 1997 г.; конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», г. Воркута, 1998 г.; межкафедральных электротехнических семинарах горно-электромеханического факультета Санкт-Петербургского государственного горного института (ТУ) 1995-2003 гг; научном семинаре кафедры «Электрических сетей и систем» СПбГТУ, 2002 г; научном семинаре секции электроснабжения Ассоциации энергетиков нефтегазодобывающей промышленности и производителей оборудования, г. Москва, 2003 г.
Личный вклад автора состоит в разработке концепции регулировании потоками РМ, в выборе и обосновании основных направлений исследований, в организации и планировании теоретических, лабораторных и опытно-производственных исследований, и непосредственном участии в них, участии в анализе и обобщении результатов экспериментов, в формировании основных выводов по полученным данным, в разработке практических рекомендаций для предприятий.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 43 научных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 258 страницах, содержит 86 рисунков, 23 таблицы, списка литературы из 254 наименований и 9 приложений. Общий объем работы - 329 страниц. Содержание работы. Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, дается краткая характеристика полученных результатов, их научная значимость и практическая ценность.
В главе 1 рассмотрены научно-технические проблемы управления потоками реактивной мощности (РМ), Выполнен анализ структуры существующих регуляторов РМ. Сформулированы цель и задачи исследования.
В главе 2 на основе системного анализа определены виды приемников и источников, обладающих способностью регулировать потребление РМ, выявлена их возможная глубина регулирования при условии независимости от потребления активной мощности. Разработана концепция управления потоками РМ на основе методики ранжирования, включающей в том числе фаззи-технологию и методики выбора дополнительных источников РМ при условии бесконфликтной работы электроустановок в системе автоматизированного управления.
В главе 3 предложен анализ повреждений источников РМ как в установившемся, так и коммутационном режимах. Определена функция сокращения относительного срока службы конденсаторов в зависимости от перегрузок по току и напряжению, вызванных превышением напряжения, его несинусоидальностью и несимметрией.
В главе 4 представлен метод определения параметров сети и компенсирующих устройств, обеспечивающих отсутствие перегрузок на конденсаторах. Выявлены зависимости коэффициента перегрузки по току на КБ от параметров сети и нагрузки.
В главе 5 предложен анализ переходных процессов, возникающих при включении КБ. Анализ основан на полученных аналитических и численных решениях дифференциальных уравнений, описывающих коммутационные процессы для обобщенной схемы замещения СЭС предприятия. Получены зависимости величин перенапряжений и тока от параметров СЭС предприятия. В главе 6 на основе применения ортогональной системы а, р и О составляющих сформирована методика расчета переходных процессов при отключении КБ. Показаны зависимости величин перенапряжений в сети от величины тока среза выключателя.
В главе 7 предложен принцип формирования совокупности регуляторов РМЭ обеспечивающих электромагнитную совместимость работы электротехнического комплекса предприятия. Предложены меры по увеличению надежности работы источников РМ.
Заключение содержит обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.
Взаимосвязь управления потоками реактивной мощности с выбором мощности компенсирующих устройств
Надежность работы регуляторов тесно связана с их экономической эффективностью. Например, известно [44, 177], что в горной промышленности средний срок службы конденсаторных батарей в 10 раз меньше паспортного срока. Если не увеличить надежность их эксплуатации, то эффективность применения конденсаторов для компенсации реактивной мощности останется на низком уровне. Представляется обоснованным считать наработку на отказ основным показателем надежности для регуляторов РМ.
Без улучшения этого показателя трудно создать наиболее рациональное управление потоками РМ. Задача по выявлению факторов, определяющих надежность источников РМ, до сих пор комплексно не решена. По отдельности, для всех видов источников эта задача решалась и в достаточной мере отражена в литературе [9, 17, 34,43]. Однако, например, для фильтро - компенсирующих устройств (ФКУ) установлено, что деградация конденсаторов, приводящая к расстройке резонансного контура всего на 5%, приводит практически к неэффективной работе устройства. Причиной выхода конденсаторов ФКУ из строя могут быть как перегрузки в установившемся режиме работы, так и в коммутационном. Необходимо оценить влияние этих режимов с учетом особенности электротехнического комплекса предприятия. Также в конденсаторных установках (КУ) в установившемся режиме их работы, когда из-за больших потерь напряжения необходимо «задирать» напряжение на входе предприятия, перегрузки по току зачастую превышают допустимые пределы. Поэтому необходимо создать такие условия эксплуатации КУ, при которых такого рода перегрузки были бы исключены.
Другой причиной выхода из строя конденсаторов могут быть коммутационные перенапряжения и удары тока. Для исследования таких режимов, как правило, используют упрощенную схему замещения сети с КУ, показанном на рис. 1.3, где Lc, Сс - индуктивность и емкость предвключенной сети, Ьку, СКУ - индуктивность и емкость подключаемой КУ.
Такой подход к определению коммутационных величин дает достаточно достоверный результат (даже без учета активных сопротивлений погрешность находится в пределах 30% [225]). Однако в этом случае оценивается величина тока, определяемая лишь контуром Сс - Ску - Ьку. Многолетний опыт исследований работы КУ в условиях предприятий, где в сетях 6 кВ применялись в основном нерегулируемые КУ, постоянно находящиеся в работе, показал, что конденсаторы КУ очень часто выходят из строя. Этот факт вызывает необходимость изучения коммутационных процессов, происходящих в сети, и оценке их влияния на работу не только конденсаторов, но и на работу другого электрооборудования с учетом расширенной схемы замещения при вариации параметров нагрузки и электрической сети. Такое исследование в условиях эксплуатации электротехнического комплекса до сих пор не проводилось.
Отсюда вытекает необходимость решения следующей задачи: на основе теоретических и практических исследований разработать рекомендации по повышению надежности работы регуляторов РМ при вариации параметров нагрузки и электрической сети в условиях наличия высших гармоник в установившихся режимах и высокочастотных составляющих переходного процесса, а также перенапряжений и перегрузок по току элементов электротехнического комплекса предприятий.
Исходя из изложенного, целью работы является: решение актуальной проблемы повышения эффективности и надежности электроснабжения предприятий путем разработки концепции, методов и средств управления потоками реактивной мощности с использованием потребителей и источников РМ при заданных технологических, организационных и режимных ограничениях с учетом их пространственного, временного и информационного взаимодействия.
Достижение поставленной цели может внести значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса, а именно - повысить эффективность и надежность электроснабжения основного технического оборудования предприятий по добыче, транспортировке и переработке полезных ископаемых. Для практической реализации поставленной цели в работе были решены следующие задачи: 1. Определен состав потребителей и источников РМ, способных выполнять функции регуляторов РМ в электротехническом комплексе предприятий и выявлены основные закономерности изменения показателей работы регуляторов в заданном диапазоне изменения состава электротехнических устройств, их режимных показателей и конфигурации сети; 2. Разработан алгоритм оценки эксплуатационных характеристик источников и приемников, позволяющих определить степень их готовности изменять потребление (генерацию) РМ в заданном диапазоне, обеспечивающем эффективное значение РМ; 3. Разработан принцип ранжирования источников и приемников реактивной мощности согласно требованиям к качеству электроэнергии, надежности их работы и территориальной взаимосвязи; 4. Определена структура алгоритма выбора мощности дополнительных источников РМ с учетом временного и пространственного факторов, влияющих на ранжирование используемых электроприемников в процессе управления потоками РМ. 5. Разработаны рекомендации по повышению надежности работы регуляторов РМ при вариации параметров нагрузки и электрической сети, в условиях наличия высших гармоник в установившихся режимах и высокочастотных составляющих переходного процесса, а также перенапряжений и перегрузок по току элементов электротехнического комплекса предприятия.
Устройство компенсации РМ с применением преобразователей с активным передним фронтом (УКТиН)
Выше были обоснованы допущения о независимости реактивной мощности АД от активной и постоянстве активной мощности при изменении режима напряжения. Кроме этого показано, что реактивная мощность СД в пределах до 100% от располагаемой может регулироваться без изменения его активной мощности. Конденсаторные батареи и ФКУ очевидно только косвенно (через напряжение) связаны с потоками активной мощности. Используя представленные допущения, статическая характеристика (2 Л 7) может быть преобразована к виду: где Рш и 1ш - соответственно номинальная активная мощность и номинальный tgq і-го приемника. Анализируя полученное выражение для глубины регулирования, можно сделать два существенных вывода: 1. Коэффициент АОІ является величиной переменной при изменении состава нагрузки, потребляющей активную мощность, а значит глубина регулирования является функцией времени и жестко связана с технологическим и организационным процессом производства; 2. Регулирование РМ, как отдельного электроприемника, так и узла нагрузки, содержащего различные виды приемников, при устойчивом технологическом процессе, можно осуществлять независимо от активной мощности. Эти выводы легли в основу одного из положений концепции регулирования потоками РМ. Доказательством последнего вывода служит зависимость, построенная для узла нагрузки, содержащего все виды потребителей и источников РМ, способных регулировать ее поток. При построении зависимости исходным предположением являлось то, что напряжение меняется в пределах от 1,Шн ДО 0,951. Используя закономерности, полученные в разделах 2.3.2-2.3.4. и выражение 2.18, построены зависимости Qper /ртек от k = QKB /QTCK И Qcm /QTSK, где QTCK - значение РМ в узле до регулирования напряжения, Qper - то же после регулирования напряжения, QKB - суммарная мощность КБ в узле, Qcm суммарная номинальная мощность СД. Предполагая, что загрузка СД составляет 0,6РСдн, соБфсд = 0,9 (опер.), а Qra = QAA - Осд - QKB И Q в относительных единицах равно 1, рассчитанная зависимость имеет вид, показанный на рис.2.9., где индекс «1» соответствует максимальной располагаемой емкостной мощности СД и минимальному напряжению, а индекс «2» - максимальной индуктивной мощности СД и максимальному напряжению. На основе полученных возможных значений глубины регулирования формируется одна из важнейших характеристик, предложенных для оценки эффективности использования того либо другого регулятора, а именно показатель глубины регулирования. Существенной особенностью определения показателя по реактивной мощности является то, что она может в узлах нагрузки как генерироваться, так и потребляться. В этом случае может возникнуть ситуация, при которой показатель примет нулевое значение, что не будет отражать возможности регулирования электроприемника или узла нагрузки. Отсюда возникает необходимость углубления понятия показателя глубины регулирования [168] по реактивной мощности.
Глубину регулирования по реактивной мощности следует разделять на два вида. Если необходимо повышать значение потребления реактивной мощности (например в случае перекомпенсации), то глубина регулирования обозначается знаком «+» СП(+)). Если необходимо понижать значение потребления реактивной мощности, то глубина регулирования обозначается знаком «-» (Г/" ).
Последнее вызвано вероятностью того, что электроприёмник в процессе регулирования AM может либо отключаться, либо наоборот включаться, кроме этого, Осд связана с Рсд зависимостью, показанной на рис. 2.6. При формировании режима электропотребления (РЭП) предприятия, основными факторами, как показано в [167, 168, 169], влияющими на его структуру, являются режимные, горно-геологические, климатические, организационно-производственные, технологические и эксплуатационные факторы. В [168] показано, что формализацию указанных факторов предполагается осуществлять через соответствующие ограничения РЭП предприятия, считая, что они являются «интегральными показателями, позволяющими конкретно оценивать влияние отдельного фактора или группы факторов на энергетические характеристики электроприемников». К вышеуказанным ограничениям относятся: режимные ограничения (РО) электропотребления и показатели качества электроэнергии; организационно-производственные ограничения (ОП); технологические ограничения (ТО); эксплуатационные ограничения (ЭО). Ниже представлен анализ влияния указанных факторов на потребление РМ электроприемников.
Организационно-производственные ограничения «определяют возможность планировать и осуществлять работу участков и цехов предприятия в ритме, обеспечивающем выполнение производственной программы с учетом социальных и физиологических требований». Формализовать эти ограничения предлагается посредством активной мощности и энергии, что не вызывает сомнения. Реактивная мощность с этими ограничениями никак не связана. Технологические ограничения «регламентируют длительность и диапазон увеличения (уменьшения) нагрузки технологических установок (агрегатов) согласно требованиям правил безопасности и эксплуатации соответствующих объектов».
Обобщенная принципиальная схема электрической сети
В условиях предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых с учетом территориальной рассредоточенности электроустановок при наличии вентильных преобразователей и несимметрии напряжения в сети установлено, что срок службы конденсаторов в наибольшей степени зависит от величины прямой и обратной последовательностей напряжения и его гармонического состава. Анализ ряда предприятий показал, что кратность снижения строка службы конденсаторов у в зависимости от указанных факторов может варьироваться в пределах от 1 до 20. Установлена зависимость, позволяющая прогнозировать параметры, характеризующие надежность работы КУ. Показано, что при вариации параметров в пределах єи = 0.1-0.5, Uv = 0.05-0.5 и U = 0.9-1.1 кратность срока службы конденсаторов может меняться в пределах от 1 до 20, что соответствует практическим исследованиям в электрических сетях предприятий. 2. Величины свободных составляющих токов включения прямо пропорциональны собственной частоте колебательного контура, их создающего и декременту затухания. Выявлено, что диапазон частот свободных составляющих в рассматриваемых условиях варьируется в пределах от нескольких сотен герц до нескольких килогерц, что дает основание для дальнейшего разделения процесса включения КБ на медленно- и быстрозатухаюшую. 3. Выявлено, что изменение сопротивления резонансной цепи ФКУ, превышшощее 5%, и вызванное выходом из строя отдельных конденсаторов, а также изменением температурных режимов их работы при различной степени добротности резонансной цепи, может привести к нецелесообразности эксплуатации фильтров. Поэтому необходимо контролировать величину сопротивления фильтра. Предложено решение по восстановлению резонансной цепи силового фильтра, предусматривающее включение в его состав дополнительных секций конденсаторов и устройств их автоматической коммутации. 4. Для определения величин перегрузок конденсаторов и способов их уменьшения сформирована обобщенная принципиальная схема и схема замещения электротехнического комплекса. Выявлены диапазоны варьирования параметров схемы замещения, учитывающие активные сопротивления элементов системы электроснабжения. Показано, что длина волны при выбранном диапазоне изменения параметров составляющей порядка 82 км, а максимально возможная длина отходящих линий 12 км, что позволяет рассматривать процессы, протекающие при коммутации КБ как процессы со сосредоточенными параметрами. Полученная обобщенная схема замещения позволяет создать математическую модель для исследования как установившихся, так и переходных процессов в сети в зависимости от варьирования параметров электротехнического комплекса, конфигурации сети и параметров режимов работы нагрузки. Основной целью исследований, описанных в данной главе, является определение условий, при которых может быть увеличена надежность работы КБ в установившихся режимах.
Необходимо четко определить условия, по которым можно оценить -могут ли возникать перегрузки на КБ при тех или иных режимах и какие режимы для КБ можно считать наиболее тяжелыми. Необходимо также определить - каким образом можно избежать возможные перегрузки при условии их возникновения.
Конденсаторы, изготавливаемые на предприятиях разных стран, имеют свои допустимые показатели, превышение которых ведет к нарушению надежности работы КБ. Среди них, интересующие нас - допустимые перегрузки по току и напряжению, длительность которых неограничена. В процентном отношении к номинальным величинам перегрузки по току и напряжению отличаются друг от друга. Для российских конденсаторов допускается длительная работа при напряжении до 110% от номинального и по току-до130%[40].
Очевидно, что перегрузка по току в этом случае может иметь место преимущественно при наличии высших гармоник.
Ограничения по току и напряжению вызваны тем фактом, что длительные перегрузки конденсаторов в установнгвшихся режимах вызывают дополнительные потери. Это повышает их температуру и, как следствие, приводит к выходу из строя. Учитывая тот факт, что в настоящее время в России применяются конденсаторы, производимые в разных странах, представляет интерес сравнение в этом отношении стандартов различных стран. Так по допустимым перегрузочным значениям тока, только в Англии принята величина 115%. В остальных странах эта величина составляет, как и в , 130% [235]. Что касается перегрузки по напряжению, то эта величина совпадает практически во всех странах, производящих конденсаторы.
В синусоидальном режиме перенапряжения (перегрузки по току) могут возникать при определенном соотношении параметров сети, мощности КБ и нагрузки [5], а также при определенном уровне напряжения на входе СЭС предприятия [73, 133, 134].
Анализ переходных процессов при использовании установки продольной компенсации (УПК)
Так, при параллельном резонансе относительно источника тока, задача становится неопределенной. Использование элементов схемы замещения без потерь создает идеальный резонанс тока при бесконечно большом сопротивлении. В этом случае предлагается замена источника тока на источник напряжения, что представляется нереальным, исходя из следующих предпосылок. Замена источников предполагает два этапа составления схем замещения. Сначала по схеме рис. определяются частоты резонанса, затем составляются две схемы замещения: дая нерезонансных режимов - с источником тока высших гармоник, и для резонансных - с источником напряжения высших гармоник. Недостатками данного способа являются: разделение процесса расчета на две части, при котором ошибка на первом этапе приводит к существенной погрешности на втором этапе, т.е. при определении токовых перегрузок на КБ; - неучет активного сопротивления при смешанном соединении сопротивлений приводит к неправильному определению частот резонанса. Для рассматриваемых предприятий, более точным способом оценки резонансов и перегрузок КБ был бы учет активных сопротивлений элементов СЭС и использование источников тока высших гармоник во всем диапазоне рассмотрения режимов работы нелинейной и линейной нагрузок. Однако, перед применением данного метода должна быть проверена величина добротности эквивалентного сопротивления сети при частотах всего диапазона рассмотрения. Предлагаемая в работе схема замещения, принцип которой был разработан на кафедре ЭиЭМ СПГТИ, с учетом активных сопротивлений устраняет указанные выше недостатки. Кроме этого, введение активного сопротивления увеличивает точность расчетов токов и напряжений на КБ. Следует сказать и о трехфазных схемах замещения, в которых возможен учет несимметрии элементов сети. Во ВНИИтяжпромэлектропроекте и Санкт-Петербургском техническом университете [9] создана программа по расчету несинусоидальных режимов на основе трехфазной схемы замещения. При симметричном режиме работы сети и нагрузке было проведено сравнение двух программ; на основе трехфазной схемы замещения, и на основе соответствующей ей однофазной. Сравнение показало практически полное совпадение полученных результатов. Как указывалось выше, длины кабельных линий могут достигать значительных величин, что приводит к тому, что необходимо учитывать частичные емкости на землю. Учет этих емкостей должен позволить приблизить расчетные данные к фактическим, поскольку эти емкости создают дополнительный резонансный контур и соответственно дополнительные полюса в эквивалентном сопротивлении. Учитывая выше изложенное, в схеме замещения для исследований влияния высших гармоник на КБ, предполагается учет активного сопротивления (причем для кабельных линий соотношение R/x »1) и частичных емкостей на землю. Как и в случае установившегося синусоидального режима для установившегося режима с выспшми гармониками достаточно рассмотреть однофазную схему замещения, поскольку режим работы сети и нагрузки предполагается симметричным. Так как установлено, что наиболее опасным режимом работы КБ при наличии высших гармоник является режим холостого хода нагрузки, то схема замещения показанная на рис. 3.4 значительно упрощается и может быть приведена к виду, показанному нарис. 4.14. Пренебрежение частичными емкостями может привести к неучету полюсов АЧХ, созданных ими, а неучет активных сопротивлений может привести к ошибке в определении ZBX составляющей до 5%. В качестве источника высших гармоник в схеме замещения наиболее оправданным представляется применение источника тока [144]. Для определения действующих значений токов источников отдельных гармоник тиристорных преобразователей можно воспользоваться кривыми зависимости относительного тока гармоники от углов аир, приведенными в [9]. При замещении источника гармоник принимаются следующие допущения, приводящие к некоторому увеличению расчетных действующих токов преобразователей: - преобразователь в расчетном режиме работает с такими углами управления и коммутации, при которых на первичной стороне токи наиболее опасных гармоник максимальны; - если в данном режиме работает группа преобразователей, то они работают синфазно, то есть схемы соединений преобразовательных трансформаторов одинаковы. В таком случае коммутационные искажения преобразователей накладываются друг на друга, иначе говоря, группу однотипных преобразователей можно свести к одному эквивалентному с мощностью: - преобразователь работает строго симметрично, то есть действующие значения фазных токов одинаковы; параметры преобразовательного трансформатора не учитываются. Для действующих значений токов высших гармоник в долях от тока основной гармоники (при шестипульсном преобразователе) для 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23 и 25 гармоник соответственно составляют - 0,20; 0,14; 0,10; 0,07; 0,06; 0,053; 0,043 и 0,04.
