Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ конструктивных схем и методов расчета параметров и надежности электротехнических устройств электропитающих систем, обеспечивающих снижение потерь электрической энергии 10
1.1 Физические процессы, их характеристики и методы моделирования в электропитающих системах 10
1.2. Анализ конструктивных схем электротехнических устройств, методов расчета их параметров и надежности 29
1.3. Цели и задачи исследования 37
1.4. Выводы 39
Глава 2. Определение структуры функциональных связей электротехнических устройств и уровня надежности, обеспечивающих компенсацию реактивной мощности и провалов напряжения 40
2.1. Разработка структуры функциональных связей 40
2.2. Определение уровня надежности и условий реализуемости 44
2.3. Расчет показателей надежности 53
2.4. Выводы 56
Глава 3. Определение показателей надежности при распределении и электропотреблении в электропитающих системах 58
3.1 Разработка новых технических решений для повышения эффективности функционирования электротехнических устройств электропитающих систем в комплексе 58
3.2. Математическое описание взаимодействия элементов электроприемников электропитающих систем 61
3.3 Определение рациональных конструктивных и режимных параметров системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях 70
3.4 Выводы 78
Глава 4. Экспериментальные исследования при применении электротехнических устройств для повышения эффективности электропотребления и их функционирования в электропитающих системах 79
4.1 Планирование эксперимента, методика и аппаратура исследования 79
4.2 Аппаратура и устройства системы контроля качества электрической энергии 86
4.3 Экспериментальные исследования 88
4.4 Выводы 92
Заключение 94
Библиографический список 96
- Анализ конструктивных схем электротехнических устройств, методов расчета их параметров и надежности
- Определение уровня надежности и условий реализуемости
- Математическое описание взаимодействия элементов электроприемников электропитающих систем
- Аппаратура и устройства системы контроля качества электрической энергии
Анализ конструктивных схем электротехнических устройств, методов расчета их параметров и надежности
Токи, потребляемые из питающей сети вентильными преобразователями, имеют обычно искаженную форму, а основная гармоника тока сдвинута по фазе в сторону отставания по отношению к напряжению питания. Это означает, что в питающей сети появляются высшие гармоники тока и, кроме того, из сети потребляется реактивная мощность. Это ведет к возрастанию потерь электроэнергии в питающей сети и к ухудшению качества энергии, подводимой к другим потребителям. В дополнение к этому в мощных устройствах с быстрым изменением угла задержки вентилей (например, в преобразователях, питающих приводные двигатели прокатных станов) возникают большие кратковременные набросы реактивной мощности, неблагоприятно влияющие на эффективное функционирование других потребителей.
На частотах выше 1000 Гц в системах электроснабжения возможны резонансные явления, которые значительно увеличивают действующие значения напряжений гармоник резонансных частот.
Таким образом, наличие высокого уровня гармонических составляющих в системах электроснабжения промышленных предприятий приводит к следующим отрицательным явлениям: появлению дополнительных потерь активной мощности и электроэнергии в элементах сети; снижению коэффициента мощности; ограничению области применения конденсаторных батарей вследствие возможности появления резонансных или близких к ним режимов на частотах высших гармоник; ускорению старения изоляции электрооборудования; появлению высших гармоник тока в сети выпрямленного напряжения; существенному увеличению погрешности счетчиков для учета активной и реактивной энергию [10], [11], [12]. Это снижает качество электроэнергии, вызывая нарушения нормального режима работы электропотребителей, производственного процесса и снижению надежности их работы.
В работе [13] Были рассмотрены все провалы напряжения за три года 2009–2011. По характеристикам все анализируемые провалы были разделены на 3 группы. Анализ провалов напряжения проводился для каждой из рассматриваемых групп кратковременных нарушений электроснабжения в системе электроснабжения. При решении задач минимизации воздействия негативных возмущающих факторов целесообразно установить их числовые параметры, такие как начальный момент первого порядка или математическое ожидание и центральный момент второго порядка – дисперсию:
Для определения числовых параметров была составлена расчетная таблица (таблица 1.2.1). В ней % dU принималось как среднее значение интервалов, величина Р соответствовала вероятности появления провала на рассматриваемом интервале. Рис. 1.1.16 Гистограмма распределения амплитуд провалов напряжения Более универсальными зависимостями, характеризующими провалы напряжения, являются функции их распределения. Они позволяют определять не только средние параметры но и динамику анализируемого процесса.
При обработке данных оценивалась анормальность результатов с применением U-критерия Смирнова. Гипотеза об их однородности проверя лась с использованием F-критерия Фишера и t-критерия Стьюдента. Для оп ределения закона распределения анализируемых параметров, строились эм пирические функции выборки. Используя методы сглаживания, выравнивались эмпирические функции, которые аппроксимировались теоре тическими зависимостями. Проверка соответствия выбранного теоретическо го эмпирическому распределению выполнялась на основании критериев со гласия А.Н. Колмогорова и Пирсона. Результаты проведенного анализа показали, что в зависимости от зон провалов напряжения для описания рас пределения их амплитуд могут быть использованы нормальный, логарифми ческий и экспоненциальный законы [13]. Согласно проведенным измерениям на ОАО КБП продолжительность провалов напряжения наблюдается в начале и конце рабочей смены. С удалением места локальной несимметрии в электрической сети от шин источника электроснабжения остаточное напряжение для прямой последовательности растет, а для обратной – уменьшается. Уменьшаются провалы линейных и фазных напряжений, но их длительность увеличивается, т.к. увеличивается время действия земляной защиты. Осциллограмма, характерная для провала напряжения данного вида, приведена на рис. 1.1.17.
В соответствии с требованиями ГОСТ–13109–97 [6] провалы напряжения, глубиной менее 10% могут не учитываться. Однако результаты исследований показали, что даже провалы напряжения глубиной до 5 % (0,05 о.е.) оказывают существенное влияние на технологический процесс прокатного производства. Поэтому при анализе функционирования систем такие провалы учитывались, а пренебрегались провалы напряжения, по амплитуде меньшие 5 %.
В работе [13] для оценки характеристик резонансных режимов от гармонических составляющих необходимо учитывать активные составляющие сопротивлений в ветвях с индуктивным (L) и емкостным (C) характером сопротивления. Наибольшее напряжение на емкостных элементах будет от гармоник с частотой, определяемой по следующему выражению:
Определение уровня надежности и условий реализуемости
Структура электротехнической системы контроля и управления режимами работы ее элементов на основе нейронных сетей и закономерностей формирования требуемого уровня компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе. С1-С8- блоки конденсаторных батарей; К1-К4-магнитные пускатели; блок АРБК- автоматическое регулирование батарей конденсаторов; Q1-измерительное устройство; УВН –устройст во восстановления напряжения.
Оптимизация режима электроэнергетической системы по реактивной мощности состоит в определении оптимальной мощности и мест установки КУ, что способствует оптимальному распределению потоков реактивной мощности в системе (рис 2.1.3).
Для улучшения качества напряжения и повышения экономичности работы электрической сети необходимо выбирать оптимальные значения коэффициентов трансформации, которые в общем случае могут быть комплексными. При решении данной задачи минимизируемой функцией в общем случае являются суммарные по системе потери активной мощности. Данная математическая модель не учитывает в комплексе показатели эффективного использования электрической энергии.
Определение уровня надежности и условий реализуемости Процесс преобразования энергии в электрических машинах сопровождается потерями. Величина потерь определяет коэффициент полезного дей-44 ствия машины, ее экономичность, нагрев и в известной мере долговечность и надежность [21, 22, 23, 24].
В [20] в качестве основных факторов, влияющих на качество и эффективность использования электрической энергии, рассматриваются: высшие гармонические составляющие токов и напряжений, резонансные режимы от высших гармоник, несимметрия напряжения по обратной и нулевой последовательности, перенапряжения, колебания и провалы напряжения. где k0Uc - коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности существующего технического уровня; к0[/н - коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности нового технического уровня; k2Uc - коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности существующего технического уровня; k2UH - коэффициент не симметрии напряжения по обратной последовательности нового технического уровня; kUc - коэффициент искажения синусоидальности кривой жения существующего технического уровня; кин - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения нового технического уровня; кщп)с коэффициент n-гармонической составляющей напряжения существующего технического уровня; кВДн - коэффициент n-гармонической составляющей напряжения нового технического уровня; 5UVC - установившееся отклонение напряжения существующего технического уровня; SUVH - установившееся отклонение напряжения нового технического уровня; ДРС - дополнительные потери от протекания токов высших гармоник на существующем техническом уровне; &Р„ - дополнительные потери от протекания токов высших гармоник на новом техническом уровне.
Определение требуемого уровня наджности основано на техническом уровне как вводимых в эксплуатацию новых систем, так и усовершенствованием уже эксплуатируемых. Из целевого назначения технической системы следует, что система уравнений существующего (С) технического уровня рассматривается по отношению к новому (Н) техническому уровню системы по зависимостям потенциальной реализуемости, определяя соотношения уровня е разрабатываемости [25, 26, 27, 28, 29].
Конструктивные элементы системы распределения электрической энергии работают в условиях циклической переменной нагрузки, разрушение которых происходит при равенстве произведенной внутренней работы [30] А = kNAA (2.2.3) где N - число циклов коммутации электротехнических устройств перераспределения электрической энергии; &А - внутренняя работа, совершаемая за один цикл коммутации. Вероятность безотказной работы зависит от величины остаточного запаса энергии 3, который можно еще израсходовать при периодических нагрузках
Математическое описание взаимодействия элементов электроприемников электропитающих систем
Сегодня выпускаются приборы контроля качества электрической энергии с возможностью квалификации и отображения в графическом виде зафиксированных отклонений КЭ относительно кривой ITIC для оценки их влияния на электронное оборудование. Структурная схема модели блока АРБК, предназначенной для таких задач, представлена на рис. 3.2.4. Принцип функционирования такой же, как и у модели, реализующей ограничение по уставке тока, но в качестве сигнала, задающего параметры обратной связи, выступает сигнал, снимаемый с блока измерительных устройств и УВН.
Кроме увеличения быстродействия и защиты резервной линии от провалов напряжения появляется возможность частично скомпенсировать провалы напряжения, вызванные внутренними факторами на аварийной секции шин.
В математической форме это можно записать в виде требования неотрицательности характеристической функции q(t) , получаемой из анализа действующего напряжения за различные интервалы времени.
(3.2.14) С помощью предлагаемой системы АРБК возможно увеличить зону безопасности по амплитуде в случае провалов напряжения, обусловленных переходными процессами во внутренних сетях, за счет одновременного питания нагрузки от двух независимых источников и, соответственно, снижения импеданса питающей линии.
Поскольку сопротивление Zогр близко к нулю, приведенное сопротивление линии в этом случае Ток, потребляемый нагрузкой, вызовет падение напряжения на приведенном сопротивлении, которое в случае больших токов проявляется как провал напряжения (3.2.16) где, DU - падение напряжения, В; С Z - приведенное сопротивление системы, с которой осуществляется питание, Ом.
Следовательно, провалы напряжения при неизменном потребляемом токе прямо пропорциональны суммарному сопротивлению системы где АШ - провал напряжения в первом случае, В; AU2 - провал напряжения во втором случае, В; 1 ZS - суммарное приведенное сопротивление системы для первого случая, Ом; 2 ZS - суммарное приведенное сопротивление для второго случая, Ом. Выражая приведенные сопротивления через мощности коротких замыканий, получим где S1 - мощность короткого замыкания для первого случая, кВА; S2 -мощность короткого замыкания для второго случая, кВА.
На основании составления передаточных функций отдельных блоков структуры электротехнической системы контроля и управления режимами работы ее элементов на основе нейронных сетей и закономерностей формирования требуемого уровня компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе, необходимо составить общую передаточную функцию.
Определение рациональных конструктивных и режимных параметров системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях Изменение параметров одного из электропотребителей приводит к статистическим ошибкам испытываемых электропотребителей и, как следствие, суммарных показателей электропотребителей. Система контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях является замкнутой автоматической системой, динамические качества и устойчивость должны быть определены исходя из условий е эксплуатации, учитывающих схемы электроснабжения промышленных приемников от двух и более независимых источников с использованием средств автоматики (АПВ, АВР) и имеют двустороннее действие на секционном шиносоединительном выключателе в распределительных устройствах 6, 10, 35кВ с минимальным временем работы 0,4 – 0,5с.. С целью упрощения нелинейно системы учитываются только области малых отклонений – линеаризация.
Основные элементы электромеханической части системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях, находятся в сложной взаимозависимости, переходные процессы определяются как конструктивными параметрами, так и режимными параметрами. Зависимости между входными параметрами и выходными, а также оценочными показателями эффективности функционирования устанавливаются моделированием переходных процессов в системе контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях на основе двух способов решений уравнений движений, где прямое решение методом Рунге-Кутта и структурное моделирование в "Matlab".
Решение методом Рунге-Кутта – конечно-разностная аппроксимирующая производных, используется для определения рациональных параметров новых технических решений для повышения эффективности использования электрической энергии, устанавливая порядком их точности, которая прямо пропорционально числу ее элементов (п. 3.2). В случае большего числа элементов (п. 3.2) соотношение становится более громоздким. Поэтому достаточно эффективным способом уточнения решения при фиксированном числе элементов системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях, при использовании аппроксимирующих ко-71 нечно-разностных соотношений, является метод Рунге-Ромберга из которого получена формула Рунге, позволяющая по результатам двух расчетов значений производной „,.,.,.,.,! и (шаг h и kh) с порядком точности p рассчитать рациональ ные параметры системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях, где J - конечно-разностная аппрокси мация уравнений движения - производной с шагом h; k - коэффициент, и, с порядком точности их значения с точностью p+1. д 0 А +1 разности нуля, являющиеся конечными разностями при хЮ, ш h.
Поскольку расчет рациональных параметров системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях функционально связан с ее коэффициентом технического уровня kу и требуемым уровнем надежности qн, то порядок точности p позволит определить их уточненное значение с точностью порядка Причем для kp+1 должен учитываться требуемый уровень надежности kp-qн-1. Тогда, выражение принимает следующий вид:
Структурное моделирование переходных процессов проводилось на основе уравнений движения элементов системы контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях в "Matlab", наиболее распространенном и удобном языком для технических вычислений, который реализован методом Дорманда-Принса.
Переходные процессы в ЭГУА и системе контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях определяются ее структурой и параметрами.
На основе функциональной схемы системы контроля и управления режимами работы ее элементов на основе нейронных сетей и закономерностей формирования требуемого уровня компенсации реактивной мощности и про валов напряжения в комплексе в электрических сетях рис. 3.1.1 и анализа систем управления составлена структурная схема рис. 3.3.1.
Аппаратура и устройства системы контроля качества электрической энергии
По зависимостям (4.1.1) – (4.1.17) и исходным данным (рис.4.1.1) опре-делн диапазон изменения Pн = 0,9…0,95, которому соответствует минимальное число испытаний n = 26…38, и при непрерывной записи процесса интервал между точками отсчта выбирается из условия Pн=0,9; достаточности объма n = 108.
Увеличение быстродействия и реализация перераспределения электрической энергии от двух источников обеспечены использованием в качестве выключателя нагрузки между шинами устройствами устройство управления перераспределением электрической энергии (рис. 4.2.1). УПЭЭ представляет динамический ограничитель тока с последовательным трансформатором, во вторичную цепь которого включен управляемый источник ЭДС. Принцип действия УПЭЭ основан на том, что в нормальном режиме работы сопротивление ограничителя близко к бесконечности и реализуется принцип раздельной работы шин, а в случае необходимости (несимметричность нагрузки) осуществляет подпитка одной из фаз от другого источника.
Принцип действия устройства восстановления напряжения (рис. 3.2.2) основывается на динамическом введении в сеть добавочного напряжения с заданной формой, амплитудой и начальной фазой, за счет применения вольтодобавочных трансформаторов (Т), тиристорных преобразователей (ТП) и систем управления.
Схематическая модель функционально-измерительной части комплекса УВН для восстановления провалов напряжения Создается имитационная модель провалов напряжения в распределительных сетях 0,4 и 6-10 кВ для отражения работы устройства УВН (рис.4.2.2). Блочная система Matlab/Simulink основана на оперировании шаговыми итерационными алгоритмами с анализом состояний фазовой переменной. Блоком «Universal Bridge» моделируется «универсальный мост», это сделает возможным выбор числа плеч моста в диапазоне от 1 до 3 и вида электронных ключей, в качестве которых могут выступать такие элементы как диод, идеальный ключ, тиристор (IGCT), биполярный транзистор изолированным затвором (IGBT), полевые транзисторы на основе МОП-структур (MOSFET). Устройством определяются виды зажимов – A, B, C (входные/выходные), сопротивления и емкости в демпфирующей цепи, и измеряемые переменные «Measurements». Исследования проводились в случае трехфазного замыкания в электрической сети 6 кВ.
Параметры устройств и моделей, обеспечивающих эффективное использование электрической энергии, выбираются для конкретным условий эксплуатации. Причем, модель (рис. 4.2.2) реализованы в аппаратуре АСКУЭ ЭР APLM на микропроцессоре (МП) (рис. 4.1.4).
Экспериментальные исследования Для достижения максимально возможной надежности получения экспериментальных исследований системы контроля и управления режимами работы ее элементов на основе нейронных сетей и закономерностей формирования требуемого уровня компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе в электрических сетях и сопоставления с численным экспериментом, проведены экспериментальные исследования на трансформаторной подстанции №113 ЗАО «Алексинская электросетевая компания». Параметры устройств и моделей (рис. 3.1.1, 4.2.1, 3.2.2, 4.2.2) выбирались в соответствии с условиями эксплуатациями и конкретными токоприемниками ТП-113.
Пред доп. наиб. 1С наиб 1.41 0.00 0.00 наим 10 наим. 3.52 0.00 Скидка (надбавка), % 0% усреднение ті(і)иТ2Ш,% 0.00 0.00 Рис. 4.3.6 Установившиеся отклонения напряжения ТП-113 (Алексин) Рис. 4.3.7 Количество провалов и коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ТП-113 (Алексин)
Из рис. 4.3.5, 4.3.6, 4.3.7, видно, что расхождение значений теоретических и экспериментальных исследований не превышают 14% по отношению к системе контроля и управления качеством электрической энергии, что допустимо в инженерных расчетах.
Достигнутый эффект повышения эффективности потребления электрической энергии составляет 15-20%, по отношению системе контроля и управления качеством электрической энергии что подтверждает эффективность применения системы контроля и управления режимами работы ее элементов на основе нейронных сетей и закономерностей формирования требуемого уровня компенсации реактивной мощности и провалов напряжения в комплексе в электрических сетях.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических и экспериментальных исследований, и, разработанных технических решений по повышению эффективности потребления электрической энергии.
