Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время распространенным видом искажений в электрических сетях являются высшие гармоники. В последнее время приходится считаться и с высшими гармониками (ВГ), генерируемыми дуговыми сталеплавильными печами (ДСП), так как растет производство стали в дуговых электропечах и их мощность.
Несинусоидальные режимы оказывают негативное воздействие на силовое электрооборудование, системы релейной защиты, автоматики и телекоммуникации. Экономический ущерб, возникающий в результате воздействия высших гармоник, обусловлен ухудшением энергетических показателей и сокращением срока службы электрооборудования, общим снижением надежности функционирования электрических сетей. В отдельных случаях возможно ухудшение качества и снижение количества выпускаемой продукции. Поэтому актуальным является обеспечение электромагнитной совместимости электрооборудования при снижении затрат на обеспечение качества электроэнергии. Важное значение приобретает вопрос разработки методов и математических моделей, позволяющих определять показатели качества электроэнергии, в частности, искажения синусоидальности кривой напряжения, создаваемые дуговыми электропечами на собственных шинах питания и в различных элементах системы электроснабжения. Таким образом, развитие математических моделей, адекватно отражающих влияние дуговых электропечей в различных режимах работы на электрическую сеть, позволит строить рациональные системы электроснабжения промышленных предприятий, имеющих ДСП и разрабатывать мероприятия по снижению уровней ВГ тока и напряжения.
Целью диссертационной работы является создание динамической модели электрической дуги и методики расчета уровня высших гармоник, генерируемых дуговыми электропечами, в Matlab (Simulink).
Основные задачи работы заключаются в следующем:
-
Проведен анализ методов определения и нормирования несинусоидальности кривой напряжения и средств экспериментальных исследований коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и значений отдельных гармоник;
-
Проанализированы характеристики электрической дуги, оказывающие наибольшее влияние на ее динамическую вольт-амперную характеристику в дуговой электропечи;
-
Выбран метод моделирования и разработана динамическая модель печной дуги в Matlab (Simulink);
-
Разработана методика расчета в пакете расширения Simulink системы MATLAB уровня высших гармоник тока и напряжения, генерируемых дуговыми электропечами;
-
Модернизированы стандартные библиотечные блоки SimPowerSys-tems, что позволило автоматизировать процесс расчета параметров схем замещения элементов и сократить общее время моделирования;
-
Рассчитаны уровни высших гармонических составляющих напряжения в точке общего присоединения дуговой сталеплавильной печи емкостью 40 тонн Металлургического производства ОАО «АВТОВАЗ». Определение оценочных характеристик показало достаточную точность разработанной модели печной дуги и методики расчета.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы анализа и математического моделирования систем электроснабжения с дуговыми электропечами. Математическая модель объекта системы электроснабжения дуговой электропечи была получена путем синтеза из отдельных элементов и реализована в пакете расширения Simulink системы MATLAB. Адекватность разработанной модели печной дуги и методики расчета проверена статистическими методами.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Создана динамическая модель печной дуги в Matlab (Simulink) для оценки уровня ВГ тока и напряжения, генерируемых ДСП;
-
Показано, что при проведении расчетов с целью проверки выполнения требований ГОСТ 13109-97 необходимо параметры динамической В АХ дуги задавать отдельно для положительного и отрицательного полупериода для получения достоверного уровня четных гармоник в расчетном спектре;
-
Доказано, что представление сопротивления дуги в период устойчивого горения в виде синусоидальной функции с характерной частотой колебаний, оказывает значительное влияние на уровень высших гармоник в модели системы электроснабжения (СЭС) с дуговой электропечью и позволяет повысить адекватность модели;
-
Разработана комплексная методика расчета уровней высших гармоник тока и напряжения в произвольных точках системы электроснабжения при различных режимах работы дуговых электропечей в программном продукте Matlab (Simulink).
Значение для теории состоит в развитии метода количественной оценки ВГ тока и напряжения, генерируемых дуговыми электропечами, и прогнозирования значений ВГ тока и напряжения в СЭС.
Достоверность результатов работы, теоретических выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием научных методов; обоснованностью принимаемых допущений; экспериментальной проверкой в реальных системах электроснабжения действующих предприятий.
Практическая ценность работы заключается в разработанной методике расчета в Matlab (Simulink) уровня высших гармоник тока и напряжения, генерируемых дуговыми электропечами. Данная методика позволяет промышленным предприятиям проводить расчеты уровней высших гармоник от действующих дуговых электропечей, прогнозировать значения ВГ тока и
напряжения в СЭС при схемных изменениях и подключении новых потребителей электроэнергии. Результаты моделирования могут быть использованы при разработке мероприятий по снижению уровней ВГ. В энергоснабжаю-щих организациях положения диссертации могут быть использованы для оценки уровней ВГ в точке общего присоединения, определения долевого вклада потребителей электроэнергии с ДСП в ухудшение КЭ по несинусоидальности напряжения и разработки технических условий на присоединение к электросетям новых потребителей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЛГТУ «Энергетика и Энергоэффективные технологии» (г. Липецк,
2006 г.), XIII Международной научно-технической конференции студентов и
аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва,
2007 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы
электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти,
2009 г), Всероссийской научно-практической конференции «Повышение на
дежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергети
ческих систем» (г. Москва, 2010 г.).
Реализация работы. Результаты работы внедрены для оценки показателей качества электрической энергии в точках общего присоединения и разработки технических условий на присоединение потребителей электроэнергии с резкопеременным характером нагрузки на Жигулевском производственном отделении филиала ОАО «МРСК Волги» - «Самарские распределительные сети»; для прогнозирования уровней высших гармоник от действующих ДСП при схемных изменениях и подключении новых потребителей электроэнергии на Энергетическом производстве ОАО «АВТОВАЗ»; используются в учебном процессе кафедрой «Электроснабжение и электротехника» ТГУ.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из которых: 3 статьи в ведущих периодических изданиях из перечня ВАК РФ, 1 статья в сборнике научных трудов, 8 работ в сборниках трудов международных и всероссийских научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 48 рисунков и 6 таблиц, состоит из введения, четырех глав, результатов и выводов, библиографического списка и трех приложений. Библиографический список состоит из 131 наименования использованной литературы, 31 из которых на иностранном языке.
Похожие диссертации на Разработка методики расчета высших гармоник тока и напряжения дуговых электропечей в точке общего присоединения
