Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЗАДАЧИ РАСЧЕТА РЕЖИМА ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ПРЕДПРИЯТИЙ
1.1. Сущность проблемы высших гармоник. Применение теории гармонического анализа
1.2. История развития методов расчета параметров режимов высших гармоник в сетях промышленных предприятий 11
1.3. Математическая модель несинусоидального режима 18
1.3.1. Уравнения модели режима высшей гармоники 19
1.3.2. Выбор формы узловых уравнений 19
1.3.3. Методы решения системы узловых уравнений 20
1.4. Методики расчета параметров режимов высших гармоник
1.4.1. Особенности расчета параметров режимов высших гармоник в сетях промышленных предприятий
1.4.2. Применение методов диакоптики для расчета режимов высших гармоник
1.4.3. Применение методов эквивалентирования при расчете режимов высших гармоник 31
1.4.4. Схемы замещения пассивных элементов СЭС 33
1.5. Алгоритмы и программы расчетов режимов высших гармоник промышленных предприятий 38
1.6. Оценка погрешностей при расчетах режимов ВГ
1.7. Основные направления развития проблемы анализа несинусоидальных режимов и задачи исследований
Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 43
2.1. Постановка задачи исследований
2.2. Применение метода диакоптики для решения узловых уравнений режимов высшей гармоники с делением на подсистемы по 44 узлам связи 45
2.2.1. Декомпозиция схемы по узлам связи и выбор независимых контуров 48
2.2.2. Формирование и решение контурных уравнений СЭС
2.2.3. Формирование и последовательное решение узловых уравнений для подсистем методом диакоптики 52
2.3. Алгоритм программы «Спектр-7»
2.4. Численные исследования эффективности программы расчета режима ВГ с использованием метода деления по узлам 55
2.5. Выводы по главе 2 56
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЙ УЗЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ПРЕДПРИЯТИЙ
3.1. Постановка задачи 5 8
3.2. Численные исследования сопротивлений узлов нагрузки 60
3.3. Эквивалентирование группы асинхронных двигателей 60
3.4. Эквивалентирование нагрузки цеховой подстанции 65
3.5 Оценка экономии времени на подготовку исходных данных при применении метода эквивалентирования.
3.6 Экспериментальная проверка полученных результатов. 76
3.7 Применение разработанной методики и программы для решения задач обеспечения качества электроэнергии. 78
3.5. Выводы к главе 3 89
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ РАСЧЕТОВ 91 РЕЖИМОВ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
4.1. Постановка задачи 91
4.2. Вывод формулы вычисления погрешности напряжения высшей гармоники, обусловленной потешностью задания исходных данных 92
4.3. Численные исследования «чувствительности» напряжений ВГ узлов электрической сети к погрешностям определения исходных данных 96
4.4. Применение статистического метода исследования совокупного влияния погрешностей множества элементов СЭС 105
4.5. Выводы по главе 4 П5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118
ПРИЛОЖЕНИЯ 120
П1. Схемы замещения пассивных элементов системы электроснабжения
П2. Алгоритм расчета режима высших гармоник с использованием матрицы G \ 29
ПЗ. Эталонные частотные характеристики и погрешности эквивалентирования нагрузки 0,4 кВ цеховой трансформаторной подстанции, на которой отсутствуют потребители, являющиеся
источниками высших гармоник 132
П4. Справка о принятии к внедрению 146
П5. Акт внедрения 147
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
Проблема качества электрической энергии в системах электроснабжения промышленных предприятий продолжает оставаться одной из важнейших, определяющих надежность и эффективность электроснабжения потребителей. Одной из основных ее составляющих частей является проблема высших гармоник (ВГ). Источники ВГ - промышленные потребители с нелинейными вольт- амперными характеристиками, а также отдельные устройства, широко применяющиеся во всех областях жизнедеятельности человека, резко ухудшают качество электрической энергии. Высшие гармоники в зависимости от их характера, интенсивности и продолжительности отрицательно влияют на работу систем автоматики и телемеханики, снижают экономичность и надежность работы электрических сетей, уменьшают срок службы электрооборудования и приводят к ряду других нежелательных последствий [53,50,55,67,79,95 и др]. Экспериментальные исследования, проводимые в нашей стране и за рубежом, показывают, что уровни ВГ нередко превышают установленные допустимые значения и год от года возрастают из-за увеличения количества мощных потребителей, генерирующих ВГ. Для прогнозирования парметров несинусоидальных режимов в системах электроснабжения промышленных предпритий на этапе проектирования предприятия и изменения его схемы, а также для определения уровней ВГ при подключении потребителей, являющихся источниками ВГ, необходимо решить задачу расчета параметров ВГ в сети предприятия.
В нашей стране и за рубежом достигнуты значительные результаты в решении проблемы ВГ. Вопросы, связанные с высшими гармониками, впервые были поставлены в работах Константинова Б.А., Либкинда М.С., Мельникова Н.А. Большой вклад в решение этой проблемы в нашей стране внесли: Глинтерник СР., Гераскин ОТ., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Зорин В.В., Кузнецов В.Г., Крайчик Ю.С., Кучумов Л.А., Мамошин P.P., Никифорова В.Н., Самородов Г.И., Салтыков В.М., Солодухо Я.Ю., Тимофеев Д.В., Трофимов Г.Г., Федоров В.К., Черепанов В.В., Шалимов М.Г., Шидловский А.К. и другие, за рубежом- Аррилага, Д. Брэдли, А. Роберт и многие другие.
Основополагающими работами в области анализа несинусоидальных режимов СЭС промышленных предприятий являются труды И.В. Жежеленко. Результатом этих научных разработок явилось создание детерминированных методик расчета несинусоидальных режимов сравнительно небольших СЭС промышленных предприятий, а также предпосылок для разработки вероятностных методов расчета.
Вместе с тем, СЭС современных предприятий относится к категории сложных систем, под которыми в первом приближении понимают системы, имеющие весьма глубокие внутренние связи и состоящие из большого числа взаимодействующих и взаимосвязанных элементов. Особенностью сложных СЭС, существенно ограничивающей применение известных методов расчета, является невозможность их корректного математического описания из-за большого числа элементов, неизвестным образом связанных друг с другом и неполноты информации о параметрах и режимах работы электрооборудования.
Значительное усложнение научных и инженерных задач обеспечения качества электроэнергии, решаемых методами моделирования, потребовало повышения уровня автоматизации при постановке задач моделирования на ЭВМ. В связи с этим практическую ценность приобретает разработка принципиально новых методов и эффективных с вычислительной точки зрения алгоритмов анализа рассматриваемых режимов, ориентированных на решение задач высокой размерности и реализуемых в виде программ для ЭВМ.
Целью диссертационной работы является развитие методов и разработка новых подходов к расчету несинусоидальных режимов электрических сетей предприятий, позволяющих повысить технико-экономический уровень решения комплекса задач обеспечения качества электроэнергии при проектировании и эксплуатации СЭС промышленных предприятий.
Разработанные в диссертации новые подходы к расчету режимов ВГ позволяют усовершенствовать математическое обеспечение при решении задачи повышения качества электроэнергии в электрических сетях промышленных предприятий.
Научная новизна.
1) Разработан метод расчета параметров режимов ВГ, основанный на применении метода диакоптики с делением схемы по узлам, позволяющий повысить скорость расчета и анализа режимов ВГ.
2) Предложен способ оценки чувствительности напряжений ВГ к погрешностям определения параметров отдельных элементов схемы замещения системы электроснабжения.
3) Разработан метод расчета погрешностей вычисления параметров режимов ВГ, позволяющий учесть влияние погрешностей исходных данных группы элементов схемы замещения СЭС.
Практическое значение работы проведенных исследований заключается в возможности использования их результатов как на стадии проектирования, так и в условиях эксплуатации действующих предприятий: при расчете режимов ВГ, при обосновании мероприятий по минимизации уровней гармоник с целью устранения нежелательного влияния на различные виды оборудования (резонансные явления, перенапряжения, потери электроэнергии от токов ВГ), при разработке новых видов устройств релейной защиты и автоматики, а так же проверке батарей статических конденсаторов, предназначенных для компенсации реактивной мощности, на перегрузочную способность токам ВГ;
1) Разработана методика определения эквивалентной проводимости группы асинхронных двигателей и комплексной нагрузки 0,4 кВ цеховой трансформаторной подстанции, позволяющая существенно сократить время сбора и подготовки исходных данных;
2) Создана программа расчета несинусоидальных режимов для современной ЭВМ, позволяющая решать следующие задачи обеспечения качества электрической энергии в системах АСУ и САПР: расчет показателей не синусоидальности напряжения в узлах предприятия; определение резонансных режимов при различных комбинациях подключения конденсаторных батарей; определение режима работы фильтрокомпенсирующих устройств; расчет частотных характеристик узловых сопротивлений СЭС; расчет долевого участия сторон в ухудшении качества электроэнергии; определение прогнозных значений показателей не синусоидальности при подключении новых устройств, являющихся источниками ВГ. # 3) Сформулированы требования и даны рекомендации по точности моделирования элементов СЭС в зависимости от степени их влияния на величину напряжений ВГ. На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Методика, алгоритм и программа расчета параметров режимов ВГ в сетях промышленных предприятий с применением методов диакоптики с делением схемы по узлам. 2. Методика определения частотных характеристик эквивалентного сопротивления двигательной (асинхронные двигатели) и комплексной нагрузки, подключенной к шинам 0,4 кВ цеховой трансформаторной подстанции. 3. Требования к точности моделирования элементов СЭС при заданной погрешности определения напряжений ВГ. 4. Методика и формулы вычисления погрешности определения напряжения ВГ, обусловленной неточностью задания исходных данных отдельных элементов СЭС. 5. Результаты исследований погрешностей расчета уровней ВГ, полученных на основе метода статистических испытаний. Для достижения поставленной цели в диссертации выполнены теоретические исследования, основанные на использовании принципов кибернетического моделирования, алгебры матриц, методов декомпозиции и эквивалентирования электрических схем, теории вероятностей и математической статистики. Численные исследования несинусоидальных режимов использованы для изучения закономерностей изменения параметров режимов ВГ в СЭС предприятий и проверки адекватности предложенных Р математических моделей и теоретических выводов. Основные теоретические положения и результаты исследований, полученные в данной диссертационной работе, реализованы в виде практических методик, алгоритмов и программ. Диссертация состоит из введения; четырех глав; заключения; списка литературы, включающего 101 наименование; 5 приложений. Общий объем диссертации 132 страниц машинописного текста (включая список литературы), рисунки 32, таблицы 19. Общий объем приложений 26 страницы машинописного текста. \
В первой главе проанализировано состояние проблемы исследования несинусоидальных режимов электрических сетей промышленных предприятий, определены основные направления совершенствования методов расчета и измерений рассматриваемых режимов и сформулированы цели и задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена разработке методов расчета несинусоидальных режимов в сетях электроснабжения промышленных предприятий. Предложен и применен для расчета режимов ВГ метод диакоптики с делением на подсистемы по узлам связи применявшийся ранее для решения узловых уравнений режима большой электроэнергетической системы. Описана реализация метода в виде алгоритма и программы для ЭВМ. Проведены численные эксперименты по сравнению скорости счета предлагаемой программы по сравнению с ранее существующей.
В третьей главе проведено исследование частотных характеристик узлов электрических нагрузок предприятий. Предложен и исследован способ эквивалентирования группы асинхронных двигателей и нагрузки цеховой трансформаторной подстанции промышленного предприятия с целью сокращения времени, необходимого на сбор исходных данных для расчета параметров режимов ВГ.
Четвертая глава посвящена исследованию погрешностей расчетов режимов высших гармоник в СЭС предприятий. Приведен вывод формул для непосредственного расчета напряжений в узлах при незначительных изменениях исследуемой схемы, проведен анализ формул. Приведены результаты исследований «чувствительности» напряжений ВГ узлов к погрешности определения исходных данных, в соответствии с этим признаком элементы СЭС предприятия разделены на группы. Предложено использование метода статистических испытаний к оценке погрешностей расчетов ВГ. Проведены вычислительные эксперименты с использованием этого метода, дан анализ результатов и практические рекомендации.
В приложениях приведены схемы замещения и алгоритмы, которые используются в программе расчета режима ВГ и результаты численных исследований эквивалентирования нагрузки цеховой подстанции.
