Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Научно-технические проблемы электроснабжения предприятий при наличии высших гармоник 9
1.1 Основные принципы построения системы электроснабжения 11
1.2 Характерные схемы электроснабжения 14
1.3 Электроснабжение медицинского учреждения 30
1.4 Выводы по главе 1 39
ГЛАВА 2 Частотные характеристики элементов системы электроснабжения и формирование обобщенной схемы замещения 42
2.1 Схемы замещения элементов при синусоидальном режиме 42
2.2 Схемы замещения элементов при наличии высших гармоник 44
2.2.1 Силовые трансформаторы 61
2.2.2 Формирование обобщенной схемы замещения промышленного предприятия 64
2.3 Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3 Эквивалентирование электрической сети при наличии высших гармоник 72
3.1 Метод моментов 73
3.2 Метод эквивалентного сечения 78
3.3 Метод среднего значения параметров 79
3.4 Влияние высших гармоник на точность расчета режимов работы электрической сети при её эквивалентировании 83
3.5 Выводы по главе 3 87
ГЛАВА 4 Фазовые характеристики нагрузки с полупроводниковыми преобразователями 88
4.1 Имитационное моделирование совместной работы шести-пульсных и двенадцати-пульсных преобразователей 90
4.2 Алгоритм реализации моделирования в среде MATLAB-Simulink 99
4.3 Выводы по главе 4 103
ГЛАВА 5 Комплексный подход к моделированию систем электроснабжения с учетом нелинейной нагрузки 104
5.1 Эквивалентирование системы электроснабжения 104
5.2 Алгоритм расчета токов КБ 106
5.3 Внедрение результатов работы 108
5.4 Выводы по главе 5 112
Заключение 113
Список литературы 116
- Электроснабжение медицинского учреждения
- Формирование обобщенной схемы замещения промышленного предприятия
- Влияние высших гармоник на точность расчета режимов работы электрической сети при её эквивалентировании
- Имитационное моделирование совместной работы шести-пульсных и двенадцати-пульсных преобразователей
Введение к работе
Актуальность работы
В условиях увеличения стоимости электроэнергии, роста объемов производства и необходимости энергосбережения все более актуальной становится проблема компенсации реактивной мощности. Реактивная мощность является причиной снижения качества электроэнергии поскольку увеличивает потери активной мощности и напряжения.
До сих пор основным средством компенсации реактивной мощности являются конденсаторные батареи (КБ), режим работы которых в значительной степени зависит от гармонического состава питающего напряжения. Наличие высших гармоник (ВГ) может привести к выходу из строя КБ, а значит ухудшить эффективность функционирования электротехнического комплекса предприятия и электромагнитную совместимость работы электрооборудования.
Для обеспечения безаварийной работы КБ прежде всего необходимо произвести расчеты режимов работы сети, на результатах которых должен основываться выбор типа параметров компенсаторов ВГ. Задача расчета сложных электрических сетей при наличии ВГ является чрезвычайно трудоемкой и в существующей постановке решается с рядом существенных допущений, что приводит к достаточно большим погрешностям определения тока КБ. В частности, известны методы расчета сложных электрических систем без учета сопротивлений кабельных линий. Кроме этого, в подобного рода расчетах, зависимость параметров электрической нагрузки от частот ВГ принимается в упрощенном виде, а источником ВГ со стороны нагрузки не предполагают наличие различных типов вентильных преобразователей.
В этой связи очевидна необходимость дальнейшего усовершенствования алгоритма методов расчета электрических сетей при наличии ВГ с учетом более точного их эквивалентирования с использованием реальных частотных характеристик элементов системы электроснабжения предприятий, что в свою очередь может существенно увеличить точность определения тока КБ и параметров устройств компенсации ВГ.
Степень разработанности
Решением задачи эффективной компенсации реактивной мощности при наличии высших гармоник занимались Абрамович Б.Н., Аррилага Дж., Жежеленко И.В., Кучумов Л.А., Железко Ю.С., Агунов А.В., Шклярский Я.Э. и др.
В работах Жежеленко И.В., Абрамовича Б.Н., Кучумова Л.А., Агунова А.В. обоснованы и представлены схемы замещения элементов системы электроснабжения, включая нелинейную нагрузку. Однако не учтены особенности работы представленных схем замещения при расчетах режимов функционирования электрических сетей в электротехнических комплексах, содержащих нелинейную нагрузку. Особенно это касается схемы замещения асинхронного двигателя.
В работах Шклярского Я.Э. приводятся эквивалентные схемы замещения без учета применения наиболее эффективного метода эк-вивалентирования и реальных частотных характеристик элементов систем электроснабжения.
В настоящее время не решен ряд вопросов, оговоренных выше. Их решение позволило бы более точно определять параметры устройств компенсации высших гармоник для обеспечения безаварийной работы конденсаторных батарей.
Цель работы
Повышение эффективности методов расчета сложных электрических сетей при наличии высших гармоник путем их эквивалентиро-вания с учетом реальных частотных характеристик элементов системы электроснабжения предприятия.
Идея работы
Для повышения эффективности выбора параметров устройств, компенсирующих высшие гармоники, при расчете режимов работы сети следует использовать схему замещения, сформированную по методу моментов с применением выявленных частотных характеристик элементов электротехнического комплекса.
Основные задачи исследования
-
Выявление и математическая формализация зависимостей параметров элементов системы электроснабжения от частоты значимых высших гармоник.
-
Разработка структуры эквивалентной схемы электрической сети для расчета тока КБ.
-
Разработка рационального метода эквивалентирования электрической сети.
-
Разработка модели электрической сети предприятия с 6-и и 12-и пульсными преобразователями и анализ режима работы сети.
-
Разработка алгоритма вычисления тока КБ с повышенной точностью.
Методология и методы исследований
В работе использованы методы теории электрических цепей, теории электроснабжения электротехнических комплексов, имитационного моделирования систем электроснабжения электромеханических систем с использованием пакета MATLAB.
Научная новизна
-
Выявлены зависимости параметров элементов электротехнического комплекса от частоты, определяющие формирование схемы замещения системы электроснабжения.
-
Обоснован алгоритм вычисления тока КБ, учитывающий применение метода моментов при эквивалентировании схем замещения системы электроснабжения и уточненных частотных характеристик элементов электротехнического комплекса промышленного предприятия.
Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на использовании апробированных аналитических методов исследований компьютерных моделей с использованием стандартных блоков, базируется на фундаментальных положениях теории электроснабжения и сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.
Теоретическая и практическая значимость работы
-
Разработан алгоритм выбора средств компенсации реактивной мощности, учитывающий изменение тока конденсаторной батареи и параметры системы электроснабжения на высших гармониках.
-
Определены зависимости параметров системы электроснабжения от частоты гармоник.
Реализация выводов и рекомендаций работы Рекомендации по расчету токов конденсаторных батарей используются при реконструкции системы электроснабжения Клиники имени Э. Эйхвальда СЗГМУ им. И.И. Мечникова.
Личный вклад автора
Получены зависимости параметров элементов системы электроснабжения от высших гармоник, включая нелинейную нагрузку. Разработан алгоритм формирования схем замещения систем электроснабжения, учитывающий изменение параметров элементов системы электроснабжения, включая нагрузку, в зависимости от частоты. На основе разработанных схем эквивалентирования произведен расчет параметров режимов электроснабжения электротехнического комплекса с усредненными параметрами, характерными для промышленных предприятий.
Апробация результатов
Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на международной научно-практической конференции в 2011 г. Санкт-Петербург; на симпозиуме «OKOLOGISHE TECHNOLOGISHE UND RECHLIHE ASPECTE DER LEBERSVERSORGUNG» в 2012 г.; на XIX Всероссийской технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» 2013 г. Томский политехнический университет.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.
Структура и объем работы
Электроснабжение медицинского учреждения
Из множества систем электроснабжения следует выделить те, которые относятся к муниципальным и городским объектам. Одним из таких объектов являются больницы с достаточно разветвленной радиальной схемой электроснабжения. На указанных объектах, кроме нагрузок, представленных в предыдущих разделах, широко используются аппараты с выпрямительными устройствами. Соотношение нелинейной и линейной нагрузок соизмеримы, что вызывает недопустимо высокий коэффициент несинусоидальности в напряжении питающей сети.
Ниже рассматривается система электроснабжения предприятия, все приемники электрической нагрузки которого получают питание от сети, напряжением 0,4 кВ, причем большая часть нагрузки представляет собой нелинейные приемники. К такой категории относятся электрическая сеть клиники имени Э.Э.Эйхвальда СЗГМУ им. И.И. Мечникова. Схема электроснабжения объекта приведена на приведена на рисунке 1.3.1.
Особенностью электротехнического комплекса является наличие мощной нелинейной нагрузки, основные типы которой представлены в таблице 1.3.1.
Проанализировав нагрузку электрической сети Клиники имени Э.Э.Эйхвальда СЗГМУ им. И.И. Мечникова, можно сделать следующие заключения:
- установленная мощность трехфазной нагрузки составляет 1056,34 кВт, установленная мощность однофазной нагрузки составляет 845,68 кВт, что в свою очередь может привести к несимметричному распределению нагрузки по фазам;
- в нормальном режиме работы значение cos варьируется в пределах 0,79-0,83, что говорит о необходимости установки компенсации реактивной мощности.
В сети 0,4 кВ были произведены замеры тока, напряжения, коэффициентов несинусоидальности по напряжению и току. Нелинейность нагрузки вызывает появление явновыраженных высших гармоник, что представлено на рисунках 1.3.2 – 1.3.4. Измерения, результаты которых приведены на рисунках, были произведены с помощью анализатора качества электроэнергии Fluke 43.
Аналогичные экспериментальные данные для различных отходящих линий приведены в Приложении А.
Анализ полученных экспериментальных данных показал, что:
- нелинейная нагрузка вызывает несинусоидальность напряжения на вводе секции шин подстанции 0,4 кВ, характеризующуюся коэффициентом несинусоидальности, превышающим допустимый уровень, установленный ГОСТом [18, 19] (THD до 12,3%);
- коэффициент несинусоидальности тока на отдельных линиях может достигать значительных величин (до 89%);
- наличие явновыраженных высших гармоник очевидно скажется на уменьшении надежности работы КБ, подключаемых на шинах ГРЩ, что должно быть учтено при выборе средств компенсации высших гармоник. Особенностью представленной системы электроснабжения является наличие однофазной нелинейной нагрузки, соизмеримой с трехфазной линейной. Этот факт создает условия неравномерности нагрузки фаз и в свою очередь определяет выбор пофазной компенсации реактивной мощности. Кроме этого, в случае применения КБ, конденсаторы должны быть включены в звезду.
В главе 1 проведен анализ систем электроснабжения различных промышленных предприятий. Целью анализа было определение характерных схем электроснабжения с последующим формированием обобщенной схемы замещения и определение диапазона мощности нагрузки и параметров кабельных линий.
Анализ схем электроснабжения предприятий нефтяной, нефтеперерабатывающей, металлургической, химической, текстильной, легкой и горнодобывающей промышленностей показал, что:
- наиболее распространенной является радиальная схема электроснабжения со средним и низким уровнями напряжения;
- доля нелинейной нагрузки велика, что однозначно определяет включение ее в схему замещения;
- мощность двигательной нагрузки составляет от 60 до 95 % суммарной мощности промышленного предприятия;
- число присоединений к секции шин источника питания от 5 до 15;
- длина кабельных линий высокого напряжения от 0,02 до 1 км;
- число присоединений к одному цеховому трансформатору от 1 до 7;
- длина шинопроводов и кабелей низкого напряжения от 0,01 до 0,3 км;
- число приемников электроэнергии низкого напряжения, электроснабжение которых осуществляется от одного трансформатора, составляет от 20 до 300 штук;
- наиболее распространенные сечения кабельных линий либо медных, либо алюминиевых находятся в диапазоне от 70 до 150 мм2. Анализ схем электроснабжения предприятия, относящегося к медицинскому учреждению, показал, что:
- определяющим фактором, влияющим на качество электроэнергии, является наличие однофазной нелинейной нагрузки. Значение коэффициента несинусоидальности по току может превышать значение 80%, а по напряжению – более 12%, что недопустимо относительно принятых стандартов;
- мощность линейной и нелинейной нагрузок соизмеримы, что указывает на необходимость учета нелинейной нагрузки при расчете показателей режимов работы системы электроснабжения для определения эффективности компенсации реактивной мощности.
Из вышесказанного в работе была поставлена цель и сформированы идея и задачи исследования.
Формирование обобщенной схемы замещения промышленного предприятия
На основе анализа литературных источников [3, 83, 42, 75] было выявлено, что обобщенная принципиальная схема электроснабжения может иметь вид, представленный на рисунке 2.2.18.
Обобщенная принципиальная однолинейная схема предприятия: ИГ - эквивалентная нелинейная нагрузка (источник высших гармоник); Тр ГПП -трансформатор ГПП; Тр - понижающий трансформатор; АД - эквивалентная линейная нагрузка предприятия; КБ - конденсаторные батареи; Л - линия электропередач. В этом случае применяются следующие допущения: - рассматриваются только радиальные линии, исключая магистральные; не учитываются параметры линий; рассматривается только одна секция шин приведенного к одной ступени напряжения, исключая секционирование; не учитывается генерирование энергии собственными источниками. Соответствующая принципиальной схема замещения в этом случае, может иметь вид, приведенный на рисунке 2.2.19 [75].
В данной схеме XS - сопротивление системы, RT1 и XT1 - параметры схемы замещения трансформатора, RH1 и XH1 - параметры схемы замещения эквивалентной линейной нагрузки низкого напряжения, RH 2 и XH2 - параметры схемы замещения эквивалентной линейной нагрузки среднего напряжения, XC - параметры схемы замещения КБ. Все вышеприведенные параметры приведены для первой основной гармоники. Особенно следует остановиться на источнике напряжения и нелинейной нагрузке.
В принципе, как указывалось в [28, 31], источник напряжения, содержащий высшие гармоники, можно представить источниками тока при фиксированной нагрузке. Однако, как доказано в [7], наиболее рациональным является его представление в виде совокупности источников напряжения с частотами от 1 до n. Причем источники включаются последовательно. Такой подход к формированию источника напряжения справедлив к системам электроснабжения, рассматриваемых в диссертации. На схеме рисунка 2.2.19 источник обозначен U 0.
Аналогичные рассуждения касаются нелинейной нагрузки, только наоборот. Нагрузку целесообразно представлять совокупностью источников тока, соединенных параллельно.
Такое представление нагрузки чревато «попаданием» на полюс эквивалентного сопротивления относительно ее зажимов. Однако, как показали многочисленные расчеты схем электроснабжения, такой факт маловероятен. На схеме рисунка 2.2.19 нелинейная нагрузка представлена источником тока I и I .
Как показано в [22], существенное значение имеет разность фаз на нелинейной нагрузке между напряжением и током на каждой гармонике.
Особое внимание этому вопросу будет уделено в главе 3.
В [75] был проведен множественный регрессионный анализ, на основе которого были определены элементы схемы замещения, мало влияющие на точность расчета режимов работы электрической сети. Однако при этом не была определена погрешность неучета сопротивлений линий и трансформаторов.
Кроме этого, не были учтены нелинейные зависимости сопротивлений элементов системы электроснабжения от порядкового номера гармоники, что очевидно также внесет погрешность в результаты расчетов.
И наконец, неучет сдвига фаз между напряжением и током на нелинейной нагрузке тоже внесет определенную погрешность в расчеты, что будет показано в 4 главе. Ниже приведено сравнение результатов расчета вышеприведенных фактов и без их учета с учетом
В основу была принята схема, представленная на рисунке 2.2.20.
Сравнению подлежат три варианта:
1. В схеме не учитываются (согласно [75]) сопротивления трансформаторов и кабельных линий, а также сдвиг фаз между напряжением и током на нелинейной нагрузке. Сопротивления элементов схемы замещения в зависимости от порядка гармоники:
2. В схеме учитываются сопротивления трансформаторов и кабельных линий, не учитывается сдвиг фаз между напряжением и током на нелинейной нагрузке. Сопротивления трансформаторов и кабельных линий в зависимости остальные сопротивления рассчитываются по выражению (2.2.9);
3. В схеме учитываются сопротивления всех элементов схемы (рисунок 2.2.20), но не учитывается сдвиг фаз. Сопротивления элементов схемы определяются согласно разделу 2.2 диссертации.
Расчеты проводились для трех случаев параметров нагрузки и соответствующих им параметров линий и трансформаторов, что отражено в таблице 2.2.6.
Влияние высших гармоник на точность расчета режимов работы электрической сети при её эквивалентировании
Величина тока через КБ с учетом высших гармоник ВГ определяется выражением: где Ifcs - ток КБ на k-й гармонике.
Оценим погрешность, вносимую методом эквивалентирования, при расчете тока КБ при наличии ВГ. В разделах 3.1-3.3 были определены погрешности, вносимые методом эквивалентирования для первой гармоники, представленные в таблице 3
Метод Метод моментов Методэквивалентногосечения Метод среднего значения
Погрешность в % 3,5 13 6,2
Поскольку ток на КБ определяется методом наложения, то для каждого метода в отдельности погрешность с учетом высших гармоник будет рассчитываться по выражению [66]:
Определенная по представленному выражению погрешность по трем методам с учетом высших гармоник до 40-го порядка (что превышает необходимые по ГОСТ-у [18, 19] 25 гармоник) и с учетом спектра гармоник согласно [2], представлена в таблице 3.4.2. Погрешности методов эквивалентирования с учетом высших гармоник Метод Метод моментов Методэквивалентногосечения Метод среднего значения Погрешность в % 3,8 14,7 6,5 Для сравнения полученных результатов с результатами расчета тока КБ с применением традиционных методов эквивалентирования [77, 78] т.е. без учета линий передач и трансформаторов, были проведены расчеты и для вышеуказанного традиционного метода. Результаты расчета приведены в таблице 3.4.3. Таблица 3.4.3 – Погрешности методов эквивалентирования с учетом высших гармоник при расчете традиционным методом при Xs = 1 Ом Наименование Метод моментов Методэквивалентногосечения Метод среднего значения Погрешность, % 15,4 15,4 15,4 Рисунок 3.4.1 – Зависимость погрешности при расчете традиционным методом На рисунке 3.4.1 приведена зависимость погрешности при расчете традиционным способом. Сравнение зависимостей, представленных в разделах 3.1-3.2 позволяет заключить, что при использовании метода моментов для эквивалентирования электрической сети промышленного предприятия с радиальной схемой электроснабжения с целью расчета токов КБ при наличии ВГ можно уменьшить погрешность расчета на 3 - 10 % в зависимости от сопротивления системы. 3.5 Выводы по главе 3 В главе 3 проведены теоретические исследования в области применения различных методов эквивалентирования.
Установлено, что по методу моментов погрешность расчета токов конденсаторных батарей стабилизируется при количестве отходящих линий, равном 10, и составляет 3,4%.
По методу эквивалентного сечения погрешность составляет 13 % и стабилизируется при количестве отходящих линий, равном 20. По методу среднего значения параметров погрешность составляет 6,2% и стабилизация наступает при количестве отходящих линий, равном 10.
Сравнение методов эквивалентирования позволило выявить наиболее эффективный метод с точки зрения точности расчета параметров режима работы системы электроснабжения предприятия, а именно - метод моментов, который обеспечивает точность расчета в пределах допустимой при инженерных расчетах.
Установлено, что при уменьшении сопротивления системы (xs) погрешность расчета токов КБ уменьшается, причем для всех трех рассматриваемых методов.
При наличии высших гармоник тенденция определения тока КБ сохраняется. Наименьшую погрешность вносит метод моментов. При XS = 1 Ом погрешность составляет 3,8 %, по методу эквивалентного сечения 14,7 % и по методу среднего значения - 6,5%.
В зависимости от сопротивления системы, при использовании метода моментов для эквивалентирования электрической сети предприятия с радиальной схемой электроснабжения при наличии высших гармоник, погрешность расчета токов конденсаторной батареи можно уменьшить на 3 -10 %.
Имитационное моделирование совместной работы шести-пульсных и двенадцати-пульсных преобразователей
За целевой параметр принята величина тока КБ, от которого зависит срок службы КБ. В то же время КБ является наиболее чувствительным звеном по отношению к высшим гармоникам, так как на ВГ обладает малым сопротивлением. ГОСТом-1282-88 [17] определяется возможная перегрузка по току в 30% от номинальной его величины, а по напряжению в 10%. Кроме этого известно [30], что срок службы батарей значительно сокращается и при перегрузке по току составляющей менее 30%.
Структура анализируемой цепи соответствует тому случаю, когда источником искажений является как питающая сеть, так и нагрузка. Очевидно, что именно в этом случае угол сдвига фаз между током и напряжением на соответствующих гармониках будет влиять на расчетные параметры работы цепи, так как по методу наложения в рассматриваемой цепи на определенных гармониках в цепи будут присутствовать два источника энергии.
Также очевидно, что соотношение мощности, потребляемой шести- и двенадцати-пульсными преобразователями, является величиной, зависящей от отрасли, к которой относится промышленное предприятие, и технологии производства. Поэтому при исследовании искомые зависимости были получены для различных соотношений мощностей.
Структура исследуемой сети представлена на рисунке 4.1.2.
Система уравнений, описывающая процессы, протекающие в рассматриваемой цепи, представлена ниже. Уравнения, входящие в систему, сформированы по первому и второму законам Кирхгофа:
Для описания процессов были использованы абстрактные алгебраические векторы-столбцы, составленные из мгновенных значений фазных напряжений и токов сети, напряжений на силовом входе шести-пульсных и двенадцати-пульсных полупроводниковых преобразователей.Диапазон изменения параметров представленной схемы соответствует диапазону изменения для промышленных предприятий [77, 78, 24]. Параметры схемы изменяются в пределах : XS = [0,1; 1] Ом, XН1 = XН2 = [6; 60] Ом, RН1 = RН2 = [4,5; 45] Ом, XC= [2; 20] Ом, где XS-индуктивное сопротивление системы, соответствующее индуктивности Ls, XН1, RН1-активное и индуктивное сопротивление, соответствующие комплексному сопротивлению нагрузки Zn1, XН2, RН2-активное и индуктивное сопротивление, соответствующие комплексному сопротивлению нагрузки
Тип- трехфазный тиристорный, сопротивление снабберов Rs=100кОм, сопротивление ключей в открытом состоянии Ron=1мОм, управление ключами – фазовое. 6) Двенадцати-пульсный преобразователь Тип – трехфазный, неуправляемый, трансформатор: Y/Y – ктр=1, Y/Д ктр=1,7 , сопротивление снабберов Rs=100 кОм, сопротивление ключей в открытом состоянии Ron=1 мОм.
Модель, реализованная в системе Simulink, представлена ниже на рисунке 4.1.3. Её условно можно разделить на следующие подсистемы: 6ПП – блоки, относящиеся к 6-ти пульсному преобразователю: трехфазный управляемый тиристорый мост, обратный диод, нагрузка, СУ6- система управления зажигания ключей 6-типульсного преобразователя, реализующая фазовое регулирование выходного напряжения, 12ПП- блоки, относящиеся к 12-ти пульсному преобразователю: два трансформатора, один из которых соединен по схеме звезда-звезда, а другой - звезда-треугольник, два трехфазных неуправляемых диодных моста, обратный диод, нагрузка: НИ-система блоков, реализующая несинусоидальный источник питающего напряжения с заданным спектром, состоит из последовательно соединенных источников синусоидального напряжения, соответствующих спектру несинусоидального источника, Ls-индуктивность системы, Rn1,Ln1-первая линейная нагрузка, Rn2,Ln2- вторая линейная нагрузка. С-емкость конденсаторной батареи.
Помимо указанной модели был создан файл-скрипт, позволяющий управлять и автоматизировать процесс моделирования. По причине того, что на каждом шаге моделирования фаза источника нелинейного напряжения была разной, её изменение производилось с помощью разработанного скрипта. Обработка и сохранение окончательных результатов моделирования проводилось в рабочей среде программы Matlab.
В результате моделирования было получено семейство зависимостей тока КБ от начальной фазы пятой гармоники источника сетевого напряжения при различном соотношении мощностей 6-ти и 12-ти пульсного преобразователей представленные на рисунке 4.1.4. Также следует отметить, что при этом общая мощность преобразователей оставалась неизменной.
