Содержание к диссертации
Введение 8
1. Анализ проблем и задач в области повышения эффективности 25 электротехнических комплексов и систем
1.1 Эффективность электротехнических комплексов и систем: 25
определения, понятия, взаимосвязь с ростом производства и электрификацией народного хозяйства
Состояние электроэнергетики России и проблемы в области тех- 28 нического перевооружения ее основных производственных фондов
Анализ задач в области повышения эффективности 34 электротехнических комплексов и систем
Анализ проблем и задач, имеющих место в электротехниче- 34 ских системах при использовании на стадии потребления электроэнергии современного энергосберегающего электрооборудования
Задачи повышения эффективности электротехнических систем 40 на стадии передачи и распределения электроэнергии
1.3.3. Повышение эффективности электротехнических комплексов и 59
систем на стадии генерирования электроэнергии за счет использо
вания ветроустановок: состояние, проблемы и задачи исследований
Энергетическое обследование электротехнических комплексов и 67 систем - один из методов повышения их эффективности
Задачи повышения эффективности электротехнических комплек- 68 сов и систем автономных объектов на примере судов рыбопромыслового флота
Цели и задачи исследований 78 2. Исследование электрических характеристик современного элек- 82 трооборудования и анализ нормативных документов, регламентирующих уровень электромагнитных помех в системах электро-
снабжения
2.1. Экспериментальные исследования электрических характеристик 82
современного электрооборудования
2.1.1. Современное электрооборудование напряжением до 1 кВ 82
Однофазные приборы и электроустановки 83
Современные трехфазные электроустановки 91
2.1.2. Исследование электротехнических комплексов напряжением 96
10 кВ
2.2. Анализ нормативных документов, регламентирующих уровень 104
электромагнитных помех в системах электроснабжения
2.2.1 .Общий подход к нормированию уровня электромагнитных помех 104 2.2.2. Высшие гармонические и анализ подходов в области их норми- 108 рования
Природа возникновения высших гармонических 108
Анализ подходов в области нормирования уровней высших 112 гармоник
2.3. Выводы 116
3. Экспериментальные и аналитические исследования режимов работы 117
электротехнических систем в условиях нелинейных и несимметрич
ных нагрузок
3.1. Оценка роли трансформаторов, установленных в системах 117
электроснабжения с позиций энергосбережения и обеспечения качества электроэнергии
3.1.1. Исследование потерь электроэнергии в силовых трансформато- 117
ров на примере ОАО "Янтарьэнерго"
3.1.2. Анализ технических данных трансформаторов, используемых 120
в системах электроснабжения, и направлений развития конструкций
трансформаторов напряжением 6-35/0,4 кВ
3.1.3. Исследование трансформаторов с различными схемами соеди- 124
нений
3.2. Исследование высших гармонических в электротехнических 139
системах
Экспериментальные исследования высших гармонических в 139 питающих сетях на примере Калининградской энергосистемы
Аналитические исследования распространения высших гармо- 142 нических в электротехнических системах
3.3 Выводы 149
4. Компенсация реактивной мощности в электротехнических системах 151
Классификация установок по компенсации реактивной мощности 151 на основе силовых конденсаторов
Индивидуальная компенсация реактивной мощности 157
Централизованный способ компенсации реактивной мощности 166
4.3.1. Применение централизованного способа компенсации реактив- 166
ной мощности в системах электроснабжения общего назначения
Задачи и проблемы централизованного способа компенсации 166 реактивной мощности в системах электроснабжения промышленных предприятий
Измерение реактивной мощности и реактивной составляющей 170 тока в электрических сетях
Коммутация конденсаторных батарей с сетью 179
Разработка систем управления конденсаторными установками 193
4.3.2. Исследование реактивных нагрузок судовых электростанций и 198
обоснование области применения на судах централизованного способа
компенсации реактивной мощности
Продольная компенсация в распределительных сетях 10-35 кВ 202
Шунтовые батареи статических конденсаторов напряжением 110, 206 220 кВ
Область применения и схема подключения БСК-110,220 206
Анализ результатов исследований переходных процессов при 209 коммутации БСК-110
4.5.3. Исследование потерь электроэнергии и уровней высших гармо- 219
ник БСК-110 ОАО «Янтарьэнерго»
4.6. Выводы 223
5. Повышение эффективности отдельных электротехнических 226
комплексов и систем
5.1 Анализ существующих методов организации и методик проведе- 226
ния энергетического обследования объекта (электротехническая
часть)
5.2. Разработка и реализация технических мероприятий в электротех- 232
нических комплексах с целью обеспечения качества электроэнергии
Снижение значений импульсных напряжений в электроэнерге- 232 тической системе судов типа «Поляр», «Кристалл 1, 2»
Повышение эффективности электротехнических систем за счет 242 использования индивидуальных фильтро-компенсирующих устройств
Обоснование применения индивидуальных фильтро- 242 компенсирующих устройств в электротехнических системах
Анализ эффективности использования индивидуального сило- 249 вого фильтра на примере электропривода ваерной лебедки судна
пр. 488
Анализ режимов работы электрооборудования ваерной ле- 249 бедки судна пр. 488
Инженерная методика расчета параметров фильтра и оценка 256 эффективности его работы
5.3. Выводы 261
6. Исследование режимов работы ветропарков на примере ветро- 262 парка в Калининградской области и разработка технических решений по повышению их эффективности
Исследование эксплуатационных режимов работы ветропарка 262 мощностью 5,1 МВт в Калининградской области
Разработка математической модели для расчета установившихся 281
режимов работы ветропарка и выработка технических решений по повышению их эффективности
6.3. Выводы 292
Заключение 294
Список использованных источников 297
Приложение А. Документы производственной проверки эффективно- 318 ста использования индивидуальной компенсации реактивной мощности для электроприводов ваерных лебедок, проведенные на судне РТМС «Багратионовск»
Приложение Б. Акты о сдаче в эксплуатацию систем автоматического 321 управления конденсаторными установками на предприятиях: ОАО «Портовый элеватор», ОАО «Лукойл-Калининградморнефть», ОАО «Росвесталко»
Приложение В. Технико-экономическое обоснование 325
на использование установки по компенсации РМ на плавбазе «Ленинский путь» (головное судно «Профессор Баранов»)
Приложение Г. Документы об использовании результатов исследова- 337 ний режимов работы БСК-110 в ОАО "Янтарьэнерго" Приложение Д. Документы о результатах по повышению эффективно- 339 сти функционирования системы энергоснабжения КГТУ и энергоаудита АО «Балткран»
Приложение Е. Документы о внедрении результатов НИР «Повыше- 342 ние качества электроэнергии на судах типа «Поляр», «Кристалл 1,2»» Приложение Ж. Результаты испытаний опытного образца фильтро- 357 компенсирующего устройства на судне РТМСК «Куршская коса» Приложение 3. Постановление Администрации Калининградской об- 364 ласти о присуждении Белею В.Ф. второй премии за научную работу «Компенсация реактивной мощности в электрических сетях» по результатам конкурса за лучшие научные работы за 1996 - 2001 гг. Проспект системы автоматической системы управления установки по
компенсации реактивной мощности, представленный на Лейпцигской Ярмарке Инноваций
Приложение И. Пример расчета мощности короткого замыкания в 368 различных точках электрической сети
Введение к работе
Одним из важнейших направлений развития научно-технического прогресса является широкое использование микропроцессоров и силовой полупроводниковой техники во всех сферах народного хозяйства. Это позволяет добиться резкого снижения расхода электроэнергии на стадии ее потребления и массо-габаритных показателей оборудования, кардинально меняет и расширяет функциональные возможности электротехнических комплексов и систем (ЭТКиС). Однако применение полупроводниковой техники приводит к ряду негативных явлений. Особенно остро эти негативные явления стали проявляться в последние 10 лет, так как именно в эти годы наблюдается массовое использование микро- и силовой электроники на транспорте, в промышленности, коммунально-бытовом секторе и в новых возобновляемых источниках энергии, среди которых ветроэнергетика занимает доминирующее положение. Несмотря на внешние и функциональные различия, по существу электрооборудование всех этих объектов для электрической сети является нелинейными элементами, вносящими в электрическую сеть и окружающую среду различные искажения. Казалось бы, совершенно разные объекты: железнодорожный транспорт, трамваи и троллейбусы, судовые электротехнические комплексы, стационарные и ветроэнергетические установки (ВЭУ), компьютеры, энергосберегающие лампы, а проблемы одни. Их использование приводит к ухудшению качества электрической энергии в электрической сети. В первую очередь к искажению синусоидальности кривой напряжения и тока и, как следствие, к эмиссии высших гармонических (ВТ), коммутационным перенапряжениям. Далее имеют место значительный рост потребления реактивной мощности (РМ) и электромагнитное загрязнение окружающей среды. Кроме вышеуказанных причин, на ухудшение качества и увеличение потерь электроэнергии в электрических сетях оказывает влияние и ряд других факторов: экстенсивное развитие систем электроснабжения; увеличение доли физически и морально устаревшего электрооборудования в электрических сетях и системах России; недооценка, а зачастую игнорирование проблемы подавления электромагнитных помех (ЭМП). В то же время непрерывно растет число потребите-
9 лей, предъявляющих к качеству электроэнергии повышенные требования: вычислительные центры, станки с числовым управлением и др. В итоге вышеизложенный ряд взаимосвязанных проблем привел к тому, что работа ЭТК и С зачастую отличается от расчетной, а в ряде случаев становится аварийной, что наносит народному хозяйству страны экономический ущерб. Таким образом, проблема повышения эффективности ЭТК и С актуальна и определяется совокупностью показателей, зависящих от условий генерирования (ВЭУ), распределения и потребления электроэнергии. Основными целевыми задачами, решение которых направлено на повышение эффективности ЭТК и С, являются: обеспечение качества электроэнергии; уменьшение потерь электроэнергии при ее передаче и распределении; повышение эксплуатационной надежности ЭТК и С. Критериями эффективности по вышеназванным целевым задачам являются: нормативные документы, регламентирующие качество электроэнергии в электрических сетях; допустимые, с точки зрения физики, потери электроэнергии при ее передаче от источника к потребителю; нормативные документы, регламентирующие подключение и работу ВЭУ в составе электрических сетей. В последние годы появились новые технические средства, предназначенные для повышения эффективности ЭТК и С. Однако целесообразность их использования и разработка для этих целей новых технических средств должны быть всесторонне исследованы и оценены. Техническое перевооружение, а учитывая экономическую ситуацию в стране - и модернизация ЭТК и С, должно базироваться на научно обоснованных методах решения этой проблемы. Таким образом, научной проблемой в работе является выявление новых, неизвестных ранее закономерностей протекания рабочих процессов в электротехнических комплексах и системах в условиях роста искажающих факторов, обусловленных широким внедрением электроустановок на основе полупроводниковой техники.
Целью диссертационной работы являются научное обоснование и разработка методов, внедрение которых позволит за счет обеспечения качества и снижения потерь электроэнергии повышать эффективность действующих и создавать новые, более совершенные электротехнические комплексы и системы,
10 что имеет важное народнохозяйственное значение. Объектами исследований являются современные электротехнические комплексы и системы, насыщенные средствами микроэлектронной и силовой преобразовательной техники, на разнообразных транспортных и стационарных объектах. В их числе можно отметить: наземный транспорт, судовые установки, стационарные промышленные и ВЭУ. Для решения поставленной в работе цели сформулированы задачи исследований, основными из которых являются: экспериментальные исследования всей гаммы современных приборов, электрооборудования и электротехнических комплексов, выполненных на полупроводниковой основе; исследование режимов работы электротехнических систем и их элементов в условиях искажающих нагрузок; создание физических и математических моделей с целью исследования распространения ЭМП в электротехнических системах и оценки принимаемых решений по их снижению; исследование режимов работы независимо управляемых ВЭУ; разработка и внедрение методов, обеспечивающих повышение эффективности ЭТК и С.
В диссертации дан анализ проблем и задач в области повышения эффективности ЭТК и С, на основе которого сформулированы цель и задачи исследований. Рассмотрено понятие эффективности ЭТК и С и ее взаимосвязь с ростом производства и электрификацией народного хозяйства. Анализ проблем и задач, обусловленных широким внедрением на стадии потребления электроэнергии новейших технологий на основе полупроводниковой техники, показал следующее. Показатели качества электроэнергии в системах электроснабжения транспортного и общего назначения зачастую значительно превышают предельно допустимые значения. Следует отметить, что наибольший рост ЭМП, и в первую очередь ВГ имеет место в коммунально-бытовых сетях. Это обусловлено ростом электрификации, преимущественно на основе новейших технологий, и увеличением доли этого сектора в электропотреблении страны. Однако в массовом порядке новейшие технологии используются в народном хозяйстве сравнительно недавно, поэтому целостной качественной и количественной картины их влияния на сеть в полной мере не выяв-
лено. Для выяснения этого влияния, разработки и внедрения способов локализации ЭМП у мест их возникновения следует выполнить комплекс экспериментальных исследований всей гаммы приборов, электрооборудования и электротехнических комплексов, реализованных на полупроводниковой основе. Представляется важным проанализировать документы, регламентирующие уровень ЭМП в электрических сетях. Анализ задач в области повышения эффективности электротехнических систем на стадии передачи и распределения электроэнергии показал следующее. При реализации известных способов повышения эффективности этих систем (выбор рациональных уровней напряжений; уменьшение длин и плотностей тока в линиях электропередачи; мощности и числа трансформаторов и других) узловыми вопросами в области дальнейшего повышения эффективности этих систем в условиях роста искажающих нагрузок, требующих дополнительных исследований, являются: 1) оценка роли силовых трансформаторов напряжением 6-35/0,4 кВ с позиций энергосбережения и обеспечения качества электроэнергии, так как именно через них обеспечивается более 80% потребности в электроэнергии; 2) исследование распространения ЭМП и ВГ в электротехнических системах; 3) решение проблем, связанных с использованием конденсаторных установок для компенсации РМ. При выработке способов повышения эффективности ЭТК и С представляется важным проанализировать мировой опыт по энергетическому обследованию действующих ЭТК и С. Анализ ЭТК и С транспортного назначения (на примере судов рыбопромыслового флота) показал, что с целью повышения их эффективности наиболее целесообразны технические решения, направленные на повышение степени компенсации РМ и локализацию ЭМП, обусловленные работой электротехнических комплексов. Мировая тенденция развития энергетики состоит в том, что в настоящее время получают развитие нетрадиционные источники энергии, среди которых ВЭУ на основе асинхронных машин занимают ведущее положение. Однако без силовой преобразовательной техники, микропроцессорных систем управления невозможно создание и автономная работа ВЭУ. С одной стороны, ВЭУ непосредственно обес-
12 печивают потребителей электроэнергией, а с другой - снижают качество электроэнергии, потребляют из электрической сети РМ. В районах, не имеющих собственных источников энергии - нефть, уголь, газ, развитие нетрадиционных источников энергии жизненно необходимо. Примером таких регионов является Калининградская область. В Калининградской области функционирует самый крупный в РФ ветропарк. В работе поставлена цель: на основе теоретических исследований и анализа эксплуатационных режимов ветропарка в Калининградской области разработать рекомендации и технические решения по повышению эффективности работы ветропарков. В работе на основе экспериментальных исследований всей гаммы современных приборов, электрооборудования напряжением до 1кВ установлено следующее. Однофазные электроприемники: энергосберегающие лампы и холодильники, ПЭВМ и другие, при работе эмиссируют в сеть преимущественно третью и в меньшей степени пятую и седьмую гармоники тока, потребляют из сети РМ, в большинстве случаев большую по величине, чем активную, в значительной степени определяют несимметрию ВГ в электрических сетях. Трехфазные электроприемники: полупроводниковые сварочные агрегаты, асинхронные электроприводы с частотным управлением и другие эмиссируют в сеть преимущественно пятую и седьмую гармоники тока. Проведено исследование эксплуатационных режимов электротехнических комплексов, электроснабжение которых осуществляется от сети напряжением ЮкВ: тяговых подстанций постоянного тока железнодорожного и троллейбусно-трамвайного сообщения, электродуговой сталеплавильной печи. Выявлен характер ЭМП, возникающих при работе этих комплексов, и предложены меры по их снижению. Рост ЭМП приводит к проблеме фликера. В работе дан анализ международных и национальных стандартов, регламентирующих уровни ЭМП и ВГ в электрических сетях. Выявлен ряд подходов к нормированию ВГ, направленных на ограничение: 1) несинусоидальности кривой напряжения в сети; 2) проникновения ВГ в сети других напряжений; 3) влияния ВГ на другие системы. Проанализированы подходы к объяснению природы возникновения в электрических сетях ВГ: математиче-
13 ский, основанный на представлении несинусоидальной периодической функции в виде рядов Фурье; энергетический на основе допущения взаимосвязи основного потока мощности и потоков мощностей на гармонических частотах. Из анализа эксплуатационных режимов трансформаторных подстанций следует, что в электротехнических системах с двумя ступенями трансформации: 110/6-35 и 6-35/0,4кВ большая часть потерь электроэнергии в трансформаторах за год приходится на трансформаторы 6-35/0,4 кВ, причем потери в стали трансформаторов доминируют. Таким образом, величина потерь холостого хода трансформатора является одним из критериев при выборе трансформаторов. Вторым критерием при выборе трансформатора является ток холостого хода, так как его величина обуславливает уровень ВГ, эмиссируемых трансформатором в питающую сеть, и в значительной степени определяет величину РМ, потребляемой трансформатором из сети. В процессе исследований влияния симметрично-нелинейной и несимметрично-нелинейной нагрузок на характеристики трансформатора установлено следующее. Токи ВГ прямой и обратной последовательностей беспрепятственно трансформируются в питающую сеть. Токи третьей и кратной ей гармоник образуют нулевую последовательность, и их влияние на характеристики трансформатора зависит от схемы соединений обмоток трансформатора. Наименьшее влияние токи третьих гармоник оказывают на трансформатор со схемами соединений обмоток Д/Уо и У/Z-O, что следует учитывать при выборе трансформатора. В условиях несимметрии ВГ, не кратные трем, раскладываются на три симметричные последовательности, трансформация которых рассмотрена выше. Трансформация токов третьих гармоник, несимметричных по фазам, впервые выявлена нами на основании анализа физических процессов в трансформаторе и подтверждена результатами экспериментальных исследований на эсперимен-тальной установке. С целью исследования распространения ВГ прямой и обратной последовательностей в электротехнических системах разработана математическая модель. Анализ исследований на модели, подтвержденных результатами экспериментов, позволил установить следующее: при отсутствии
14 конденсаторных батарей ВГ практически полностью трансформируются в питающую сеть энергосистемы; при их наличии возникают резонансные явления в различных точках электрической системы. В ходе экспериментальных исследований ВГ, проведенных в сетях ОАО «Янтарьэнерго», установлено, что уровни ВГ повсеместно превышают допустимые нормы. В линейных проводах сетей напряжением 15,110и330кВ наблюдается циркуляция токов третьих гармоник, что также подтверждено результатами исследований на экспериментальной установке. Рассмотрен комплекс задач, связанных с компенсацией РМ в электротехнических системах общего и транспортного назначения на основе силовых конденсаторов. Впервые составлена полная классификация установок по компенсации РМ на основе конденсаторных батарей. Исследованы проблемы, связанные с реализацией индивидуальной и централизованной систем компенсации РМ. Разработана инженерная методика расчета индивидуальной компенсации РМ асинхронных электроприводов. Показано, что наиболее эффективно использование индивидуальной компенсации РМ для асинхронных электроприводов в автономных системах, в том числе в ВЭУ, выполненных на основе асинхронных машин. Применение индивидуальной компенсации для электроприводов гидроагрегатов ваерных лебедок на судах типа РТМ-С повысило cos ф валогенератора с 0,2-0,4 до 0,6-0,9; снизило потери, решило ряд проблем по электромагнитной совместимости. Наибольшее распространение на практике получил централизованный способ, обеспечивающий автоматическую компенсацию РМ посредством конденсаторных батарей. При реализации централизованного способа компенсации РМ возникает ряд проблем: ток нагрузки имеет значительные искажения; при коммутации конденсаторов с сетью посредством контакторов возникают броски тока, что приводит к искажению синусоидальности кривой напряжения, перенапряжениям. С целью выяснения протекания рабочих процессов в системах электроснабжения, возникающих при коммутации конденсаторных батарей с сетью, была разработана соответствующая математическая модель. Исследования на модели, подтвержденные результатами экспериментальных исследований, позволили устано-
15
вить наиболее благоприятные моменты для коммутации конденсаторных бата
рей, что дало возможность разработать и реализовать на практике бесконтакт
ный способ коммутации конденсаторных батарей с сетью, полностью исклю
чающий броски тока, импульсные перенапряжения и другие негативные явле
ния. Впервые разр_аботана инженерная методика расчета токоограничивающих
.^реакторов, обеспечивающих снижение до приемлемого уровня броски тока
пи а ии кон енсато ных батарей с сетью посредством контакторов.
На основе выполненных исследований разработан алгоритм управления конденсаторной установкой на основе микропроцессорной техники, отличительной особенностью которого является реализация: функции измерения РМ в условиях несинусоидальности тока нагрузки; оптимального закона управления конденсаторными батареями; функций защиты и электромагнитной совместимости с сетью и другие функции. На основе полученных в диссертации положений разработаны и внедрены в производство аналоговые и микропроцессорные системы управления конденсаторными установками. На основании исследований реактивных нагрузок судовых электростанций показано, что применение централизованного способа компенсации РМ на судах с низким коэффициентом мощности и числом дизель-генераторов > 4 позволяет в ряде режимов судна вывести из работы дизель-генератор, что дает значительный экономический эффект за счет: снижения потерь в цепях генератора; снижения расхода топлива и масла; увеличения его ресурса. В диссертации дано технико-экономическое обоснование применения централизованного способа компенсации РМ для плавбаз. Мировая тенденция развития сетей 6-35 кВ состоит в том, что для обеспечения качества электроэнергии в этих сетях используется продольная компенсация индуктивного сопротивления линий. На основании выполненных в работе аналитических исследований показано, что наибольший эффект в обеспечении качества электроэнергии в этих сетях достигается при одновременном применении продольной компенсации и увеличении сечения линий электропередачи. В диссертации проведено исследование наиболее распространенных в стационарных сетях 110 кВ батарей статических кон-
денсаторов (БСК-110). В ходе экспериментальных исследований было выявлено следующее: большие потери мощности в БСК-110 (от 560 до 1050 кВт); высокий уровень ВГ тока. Комплекс теоретических исследований выполненных на разработанной математической модели, подтвержденных результатами экспериментальных исследований, позволил установить характер электромагнитных процессов при коммутации БСК-110 с сетью, разработать рекомендации по снижению негативного влияния коммутации БСК-110 на сеть, снизить потери в БСК-110, решить проблему экологической совместимости. Анализ ЭМП, эмиссируемых в электрическую сеть на стадии потребления электроэнергии электрооборудованием электротехнических комплексов, показал, что наиболее негативное влияние на работу ЭТК и С оказывают: импульсные перенапряжения и ВГ. В работе обоснованы и реализованы по этим проблемам технические решения. В ряде судовых электроэнергетических систем транспортных судов имели место импульсные перенапряжения, что приводило к сбоям в работе различных судовых систем. Так анализ эксплуатационных режимов судов типа «Кристалл 1,2» и «Поляр» показал, что на шинах главного распределительного щита этих судов возникают импульсные перенапряжения, источником которых является система возбуждения дизель-генератора. С целью выработки технического решения по ограничению этих импульсных перенапряжений была разработана математическая модель, описывающая переходные электромагнитные процессы в судовой электроэнергетической системе. Исследования, выполненные на математической модели, подтвержденные результатами экспериментальных исследований на физической модели, позволили разработать инженерную методику расчета фильтро-компенсиру-ющего устройства по подавлению импульсных перенапряжений в судовой сети. Данное техническое решение было внедрено и опробовано во время производственного рейса судна "Алмазный берег", что обеспечило практически полное исключение перенапряжений в судовой сети. Разработан техно-рабочий проект на это устройство, одобренный Морским регистром РФ. На судах промыслового флота последних поколений используют траловые лебед-
ки для лова рыбы, электрооборудование которых построено на полупроводниковой основе и при работе эмиссирует в питающую сеть ВГ тока. В итоге при работе траловой лебедки искажения синусоидальности кривой напряжения в судовой сети значительно превышают допустимые значения. На основе разработанной в диссертации математической модели, описывающей квазиустано-вившиеся процессы в системе синхронный генератор - электропривод траловой лебедки, была создана инженерная методика расчета силового фильтра для фильтрации ВГ, заключающаяся в следующем: 1) за основу принимается однополосный фильтр, настроенный на нижнюю из ВГ, эмиссируемых нелинейным электроприемником в сеть; 2) соединение фаз фильтра -треугольником; 3) величина индуктивности коммутирующего дросселя должна быть, по возможности, максимально большой; 4) с целью исключения возможных феррорезонансных явлений фильтр настраивается на частоту, меньшую номинальной настроечной частоты фильтра. Основными факторами, определяющими частоту настройки фильтра, являются: изменение частоты сети, величины емкости конденсаторной батареи и индуктивности реактора. Для снижения влияния вышеуказанных факторов в фильтре следует использовать: конденсаторную батарею с низким температурным коэффициентом; воздушный реактор. Методика расчета последнего изложена в диссертации. В работе даны рекомендации по снижению резонансных явлений на неканонических частотах. Применение на судне «Куршская коса» силового фильтра пятой гармоники повысило cos <р валогенератора с 0,85 до 0,93, в 10 раз снизило импульсные перенапряжения, возникающие в сети при работе полупроводникового преобразователя, приблизило форму тока, потребляемого электроприводом из сети, к синусоидальной. Разработанные в диссертации научные подходы по снижению импульсных перенапряжений, локализации ВГ могут быть использованы и для других электротехнических систем. Разработанные в диссертации положения по методике проведения и приборному обеспечению энергетических обследований ЭТК и С позволили разработать и реализовать в Калининградском государственном техническом университете меро-
18 приятия, обеспечивающие снижение годового потребления электроэнергии в 2,5 раза, значительно снизить потери электроэнергии на заводе «Балткран». Калининградская область относится к районам РФ, имеющим среднее значение ветроэнергетического потенциала, за исключением прибрежной зоны, ветровой потенциал которой оценивается в пределах 1200 МВт, поэтому развитие ветроэнергетики в этой зоне признано целесообразным. С мая 1998 года по 26 июля 2003 года в районе пос. Куликово Калининградской области были введены в строй 21 ВЭУ, образовавших ветропарк установленной мощностью 5,1 МВт. Контроль, диагностика и управление каждой ВЭУ осуществляется как автоматически, так и оператором. В результате экспериментальных исследований режимов работы ВЭУ ветропарка установлено, что коэффициент использования установленной мощности ВЭУ-600 составил 0,16, а ВЭУ-225 0,185; коэффициент удельной выработки соответственно 560 и 563,3 кВт-час/м2. Серьезных аварий зафиксировано не было, однако кратковременных простоев ВЭУ зафиксировано много, причем наибольшее их число обусловлено сверхнормативными отклонениями напряжения на зажимах генераторов ВЭУ, что свидетельствует о слабой электрической связи ветропарка с энергосистемой. Работа ВЭУ-225 характеризовалась частыми переключениями обмоток статора генератора: с 50 на 225 кВт и наоборот. Это обусловлено тем, что среднегодовая скорость ветра в месте установки ветропарка приходится на область переключения обмоток генератора, что следует учитывать при проектировании ветропарков. Из анализа эксплуатационных режимов ветропарка следует, что наряду с характеристикой ветрового потенциала пропускная способность сети, к которой планируется подключение независимо управляемых ВЭУ и малых ветропарков, становится характеристикой места их установки. Определение пропускной способности сети основывается на стандартных методах, принятых в мировой практике, и связаны с: 1) отношением тока КЗ (мощности короткого замыкания) к току номинального режима (мощности) ветропарка; 2) расчетами перетоков мощности; 3) колебаниями напряжения при подключении ВЭУ к сети; 4) оценкой фликера и уровня ВГ. Методика
19 расчета мощности короткого замыкания приведена в диссертации. Для расчета перетоков мощностей, потерь электроэнергии, уровня напряжений в электрической сети, к которой подключены ВЭУ, разработана соответствующая модель. Проведенные, на примере ветропарка в Калининградской области, расчеты на модели показали, что при определенной мощности, вырабатываемой ветропарком, достигается минимум потерь энергии в электрической сети. Для стабилизации уровня напряжений ВЭУ и потребителей электроэнергии, подключенных к той же сети, что и ВЭУ, эффективным средством является применение конденсаторных установок с микропроцессорным управлением, подключенных к узлам распределительной сети. Как показали исследования, выбор места установки конденсаторных установок и закона регулирования, например, по заданному напряжению, позволит стабилизировать напряжение ВЭУ, значительно снизить число отказов ВЭУ и потери электроэнергии в сети. При выполнении условий, обеспечивающих устойчивую работу ВЭУ и малых ветропарков в составе электрической сети, на первое место выходят проблемы, обусловленные фликером и уровнем ВГ, эмиссируемых ВЭУ в питающую сеть. В работе был измерен ряд показателей качества электроэнергии ВЭУ-600. Установлено, что в диапазоне мощностей до 120 кВт наблюдается значительная несимметрия и несинусоидальность токов, причем наибольшей является третья гармоника тока, циркулирующая по цепи генератор - трансформатор. В работе выявлены причины этих явлений и даны решения по исключению ряда негативных явлений. Для оценки эффективности ВЭУ представляется важным на стадии проектирования рассчитать годовую выработку электроэнергии этими ВЭУ. Сравнение опытных данных по ветропарку в пос. Куликово и расчетных, проведенных по методу Райлеха, показали их хорошую сходимость.
Научная новизна работы заключается в следующем 1. Вскрыта совокупность закономерностей рабочих процессов, протекающих в электротехнических системах различного назначения в условиях использования в них полупроводниковой техники.
20 2. Впервые на основании теоретических исследований, подтвержденных результатами экспериментальных исследований, выявлены закономерности распространения в электротехнических системах несимметричных по фазам высших гармоник тока.
3. Разработаны математические модели для расчета переходных электро
магнитных процессов при коммутации конденсаторных батарей с сетью. Ус
тановлены взаимосвязи между отдельными элементами системы и характером
переходных процессов, что позволило обосновать и реализовать технические
решения по снижению переходных токов при коммутации батарей с сетью.
4. Разработаны алгоритмы управления, методы расчета и необходимые тех
нические средства, обеспечивающие в электротехнических системах транс
портного и стационарного назначения реализацию различных средств компен
сации РМ на основе конденсаторных батарей. Отличительной особенностью
решений является оптимизация компенсации РМ, снижение потерь в конден
саторных установках, обеспечение электромагнитной и экологической совмес
тимости конденсаторных батарей с сетью.
Впервые разработаны методы расчета, схемо-конструктивные решения фильтро-компенсирующих устройств, обеспечивающие снижение электромагнитных помех в электротехнических системах транспортного назначения до допустимого уровня.
Впервые разработана математическая модель для расчета установившихся режимов для независимо управляемых ветроустановок и малых ветропарков на основе асинхронных генераторов в составе распределительных сетей. Отличительными особенностями модели являются использование в ней аналитических зависимостей: реактивной мощности ветроустановки от выдаваемой в сеть активной мощности и напряжения; активной и реактивной мощностей потребителей, подключенных к распределительной сети от уровня напряжения.
Практическая значимость и реализация результатов работы: 1. Установлено, что применение современного энергосберегающего электрооборудования меняет характер нагрузок в системах электроснабжения: при
21 значительном удельном снижении потребления активной мощности имеет место рост РМ и ЭМП, в первую очередь ВГ. На основании исследований выявлены закономерности по спектру и уровням гармонических, присущие различным группам электроприемников.
Предложен подход к выбору трансформаторов для систем электроснабжения с позиций энергосбережения и обеспечения качества электроэнергии.
Разработана инженерная методика расчета индивидуальной компенсации РМ асинхронных электроприводов, отличительными особенностями которой являются проверка на обеспечение электромагнитной устойчивости и корректировка уставок токовой защиты.
Разработаны и внедрены в производство (ОАО «Портовый элеватор», ООО «Лукойл-Калининградморнефть», ОАО «Росвесталко» и др.) различные системы управления конденсаторными установками. Разработаны программное обеспечение и технические средства, необходимые для реализации этих систем управления: согласующий трансформатор, средства коммутации конденсаторной батареи с сетью и др.
Обоснована область применения централизованного способа компенсации РМ на судах. Подготовлено технико-экономическое обоснование этого способа для плавбаз, одобренное судовладельцем.
Комплекс выполненных в диссертации теоретических исследований, подтвержденных результатами экспериментальных исследований, позволил установить характер электромагнитных процессов при коммутации БСК-110 с сетью, разработать рекомендации по снижению негативного влияния коммутации БСК-110 на сеть и снизить потери в БСК-110.
Разработанные в диссертации положения по методике проведения и приборному обеспечению энергетических обследований электротехнических комплексов и систем позволили разработать и реализовать на заводе "Балткран" и в Калининградском государственном техническом университете мероприятия, обеспечивающие значительное снижение потребления электроэнергии.
8. Разработано и прошло испытание в эксплуатационных условиях на
транспортном рефрижераторе фильтро-компенсирующее устройство по по
давлению ЭМП в судовой сети. Разработан техно-рабочий проект на данное
устройство, одобренный Морским Регистром РФ.
9. На основе исследований эксплуатационных режимов ветропарка в Кали
нинградской области разработан ряд рекомендаций и технических решений,
обеспечивающих повышение эффективности независимо управляемых ветро-
установок и малых ветропарков на базе асинхронных машин и распредели
тельных сетей, в составе которых эти ветроустановки функционируют, в ус
ловиях слабой электрической связи с энергосистемой.
Основные результаты, выносимые на защиту 1. Закономерности по спектру и уровням высших гармонических, присущие различным группам электроприемников, выявленные на основании экспериментальных исследований всей гаммы современных приборов, электрооборудования и электротехнических комплексов.
Результаты исследований режимов работы трансформаторов в условиях нелинейных и несимметричных нагрузок, критерии выбора трансформаторов напряжением 6-35/0,4кВ в системах электроснабжения с позиций энергосбережения и обеспечения качества электроэнергии.
Закономерности распространения в электротехнических системах несимметричных по фазам высших гармоник тока.
4. Алгоритмы управления, методы расчета и технические средства, обеспечивающие реализацию различных средств компенсации РМ на основе конденсаторных батарей в электротехнических системах различного назначения. 5. Методы исследования режимов работы батарей статических конденсаторов, результаты исследований, обоснование и внедрение мероприятий по повышению их эффективности. 6. Методы расчета и схемо-конструктивные решения фильтро-компенси-рующих устройств, обеспечивающих снижение электромагнитных помех в судовых электроэнергетических системах.
23 7. Математическая модель для расчета установившихся режимов работы независимо управляемых ветроустановок и малых ветропарков на основе асинхронных генераторов в составе электрической сети.
8.Рекомендации и технические решения, обеспечивающие повышение эффективности независимо управляемых ВЭУ и малых ветропарков на базе асинхронных генераторов и распределительных сетей, в составе которых эти ВЭУ функционируют, в условиях слабой электрической связи с энергосистемой.
Степень достоверности результатов проведенных исследований. Основные положения диссертационной работы подтверждены результатами экспериментальных исследований. Разработанные автором на основе научных исследований технические средства и решения обеспечивают повышение эффективности электротехнических комплексов и систем, что подтверждено соответствующими документами, приведенными в девяти приложениях.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на 17 международных и 9 отечественных симпозиумах, конференциях и семинарах, в том числе: на международном симпозиуме по электромагнитной совместимости, Япония, г.Сендай, 16-20 мая 1994; международном симпозиуме по электромагнитной совместимости, Санкт-Петербургский электротехнический университет, 1993; двух международных конференциях «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», Клязьма (1998,2000); международном семинаре «Эксплуатационная эффективность технических систем», Польша, Олыптын, (1995, 1996, 1999); 3-й международной конференции «Повышение эффективности использования технической базы регионов», Калининград, 1996; 5-м международном семинаре «Эксплуатационная эффективность технологических систем», Калининград, 1998; международной конференции КГТУ 17-19.11.1998; Ш международной научной конференции «Развитие теории и технологии при технической модернизации производств», Польша, Олыптын, 2000; IV международной научной конференции «Развитие теории и технологии при технической модернизации производств», Калининград, 2001; международной конференции, посвященной 70-летию КГТУ, 2000; 5-м меж-
24 дународном семинаре «Российские технологии для индустрии», Санкт-Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2001; научно-технической конференции «Электротехнические комплексы автономных объектов «ЭКАО-99»» (пленарный доклад), МЭИ, 1999; научно-технической конференции «ЭКАО-97», 14-15 октября 1997; на научно-технических конференциях «Электромагнитная совместимость технических средств», Санкт-Петербург (1992, 1994, 1996, 1998, 2000), научно-технической конференции «Энергосбережение, электроснабжение, электрооборудование», Новомосковск, 18-20.11.1998; 3-й международной научно-технической конференции «Балттехмаш», г. Калининград, 2002; 5-й международной конференции "Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение", Крым, Алушта, 2003. Работа «Система автоматического управления установки по компенсации реактивной мощности» была представлена на инновационной ярмарке в г.Лейпциге 1-4 марта 1995г.
Автором, по заказу Высшей технической школы г. Штральзунда (ФРГ), была подготовлена монография на тему: «Повышение эффективности функционирования систем энергообеспечения» (на английском языке), на основании которой в декабре 2000 года был прочитан курс лекций для студентов этой технической школы. По итогам конкурса на лучшие научные работы среди ученых Калининградской области за 1996-2001 гг. Постановлением губернатора Калининградской области автору за научную работу: «Компенсация реактивной мощности в электрических сетях» присуждена вторая премия.
Основное содержание работы изложено в 62 научных работах. Работы проводились в рамках 11 хоздоговорных и госбюджетных тем, в том числе и по заданию Комитета по науке и технике РФ, научным руководителем кото-рых являлся автор.
