Содержание к диссертации
Введение
Глава І. Научно-технические проблемы контроля качества электрической энергии в сетях горных предприятий 8
1.1. Характеристики электропотребителей в условиях широкого внедрения тиристорного электропривода 8
1.2. Нормы КЭ 18
1.3. Технические средства контроля качества электрической энергии 27
1.4. Цель и задачи исследования 39
Глава 2. Разработка структуры и реализация виртуальной измерительной системы контроля качества электрической энергии 40
2.1. Методика определения несинусоидшіьности напряжения 40
2.2. Структура виртуальной измерительной системы. 44
2.3. Требования к системам измерения качества электрической энергии . 50
2.4. Техническая реализация виртуальной измерительной системы контроля качества электроэнергии. 52
2.5. Выводы к главе 2. 61
Глава 3. Алгоритмическое, математическое и программное обеспечение виртуальной измерительной системы контроля качества электрической энергии . 63
3.1. Алгоритм работы виртуальной измерительной системы контроля качества электрической энергии. 63
3.2. Математическое обеспечение виртуальной измерительной системы контроля качества электрической энергии .
3.3. Программная реализация алгоритма работы виртуальной
системы контроля качества электрической энергии. 72
3.4. Проверка адекватности предложенного алгоритмического, математического и программного обеспечения. 77
3.5. Выводы к главе 3 85
Глава 4. Бесконфликтный способ минимизации искажения формы кривой напряжения 87
4.1. Минимизация высших гармоник в сетях горных предприятий 87
4.2. Расчетное обеспечение нормируемых показателей качества напряжения в системах электроснабжения с вариацией параметров вентильной нагрузки и параметров системы электроснабжения. 88
4.3. Влияние параметров систем электроснабжения действующих электролизных производств на коэффициент искажения формы кривой напряжения 97
4.4. Компенсация высших гармоник напряжения в сетях электроснабжения с вариациями параметров технологического процесса с помощью ВИС контроля КЭ и АСУЭ. 102
4.5. Выводы к главе 4 112
Заключение 1 ] 5
Список литературы 121
Приложения
- Технические средства контроля качества электрической энергии
- Требования к системам измерения качества электрической энергии
- Математическое обеспечение виртуальной измерительной системы контроля качества электрической энергии
- Влияние параметров систем электроснабжения действующих электролизных производств на коэффициент искажения формы кривой напряжения
Введение к работе
Актуальность работы.
Характерной особенностью систем электроснабжения современных горных предприятий является большой удельный вес нелинейных нагрузок.
В схемах электроприводов механизмов, эксплуатируемых в горной промышленности, находят применение тиристорные преобразователи переменного тока в постоянный и постоянного в переменный (преобразователи частоты и тиристорные ключи). Наибольшее распространение в настоящее время имеют преобразователи переменного тока в постоянный, используемые в качестве статических возбудителей синхронных машин, источников питания цепей возбуждения и якорных цепей электроприводов постоянного тока станков шарошечного бурения, экскаваторов, шахтных подъемных установок. Мощные выпрямительные агрегаты электролизных установок и электропривод прокатных станов составляют существенную часть электрической нагрузки металлургических предприятий.
В состав преобразовательной техники входят различные нелинейные элементы (тиристоры, диоды и т.п.). Работа этих полупроводниковых приборов сопровождается генерацией в сеть высших гармоник.
Рост установленной мощности нелинейных нагрузок промышленных предприятий обусловил существенное увеличение уровня электромагнитных помех в электрических сетях предприятий и энергосистем. Эти помехи, в зависимости от их характера, интенсивности и продолжительности, неблагоприятно влияют на силовые электроустановки, схемы автоматики, телемеханики, связи и релейной защиты, что в ряде случаев приводит к снижению надежности электроснабжения, увеличению потерь электроэнергии, ухудшению качества и уменьшению количества выпускаемой продукции.
Все более широкое применение техники для управления технологическим процессом на производстве, в том числе и на предприятиях горной промышленности, предъявляет более жесткие требования к качеству питающего напряжения. Указанные обстоятельства обусловили возникновение проблемы качества электроэнергии или, иначе, электромагнитной совместимости различных видов электрооборудования, включая электрические сети.
Большое внимание, которое уделяется этой проблеме в России и за рубежом в последние 15-20 лет, объясняется в первую очередь значитель-
ным экономическим ущербом, возникающем при пониженном качестве электроэнергии. Таким образом, повышение качества электроэнергии является составной частью энерго- и ресурсосберегающей политики, роль и значение которой весьма важны для реализации программы по внедрению энергосберегающих технологий в добывающей и перерабатывающей промышленности.
В настоящее время крайне неудовлетворительно проводится контроль большинства показателей качества электрической энергии (ПКЭ) на предприятиях горной промышленности, в частности несинусоидальности напряжения, а вследствие этого не может адекватно производиться работа по улучшению КЭ.
Снижение уровня высших гармоник в сети предприятия и уменьшения несинусоидальности напряжения может быть достигнуто за счет:
увеличения числа фаз вентильных преобразователей;
рационального построения схемы электроснабжения;
применением фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ). Наиболее перспективным является применение силовых фильтров в
составе ФКУ. При подключении к сети силовых фильтров частично или полностью решается задача компенсации реактивной мощности, так как конденсаторы фильтра являются источниками реактивной мощности на основной частоте.
На предприятиях с вариацией параметров вентильной нагрузки и системы электроснабжения, к которым относятся горные предприятия и предприятия цветной металлургии, происходит постоянное изменение уровня искажения синусоидальности напряжения, связанное с особенностями технологических процессов производств. В результате, происходит перекомпенсация или недокомпенсация фильтруемых гармоник и превышение ПКЭ, нормируемых ГОСТ 13109-97.
Решением этой проблемы может стать разработка виртуальной измерительной системы (ВИС) контроля КЭ с открытой архитектурой как функционального эквивалента измерительной системы. ВИС представляется при помощи комплекса программно-технических средств и позволяет без потери функциональных возможностей или искажения функциональных результатов обеспечить непрерывный анализ ПКЭ (искажения формы кривой напряжения) в соответствии с ГОСТ-13109-97.ВИС может быть интегрирована в состав комплекса технических средств АСУЭ для автоматического непрерывного контроля КЭ, минимизации искажения формы кривой на-
пряжения в электротехнических комплексах предприятий горной промышленности и цветной металлургии и уменьшить энергозатраты на добычу и переработку полезных ископаемых.
Методические основы оценки и улучшения качества электроэнергии и электромагнитной совместимости разработаны такими учеными как В.А. Веников, Б.С. Константинов, А.К. Шидловский, И.В. Жежеленко, А.А. Яценко и др. Однако вопрос создания бесконфликтного способа минимизации искажения формы кривой напряжения является недостаточно изученным.
Решение задач, поставленных в диссертации, требует выполнения большого комплекса работ: разработки виртуальной измерительной системы контроля КЭ, включая алгоритмическое, математическое и программное обеспечение и аппаратную реализацию, введение ее в состав АСУЭ для оперативного контроля параметров электропотребления и повышения с ее помощью КЭ в электротехнических комплексах предприятий горной промышленности и цветной металлургии, разработку бесконфликтного способа минимизации искажения формы кривой напряжения и энергозатрат на добычу и переработку полезных ископаемых.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка виртуальной измерительной системы, позволяющей производить оперативный контроль качества электрической энергии в электротехнических комплексах горных предприятий и на основе данных контроля минимизировать энергозатраты на добычу и переработку полезных ископаемых.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
разработать структуру компьютерной модели виртуальной измерительной системы.
разработать теоретические и методические положения контроля ПКЭ с использованием виртуальной измерительной системы.
разработать алгоритмическое и программное обеспечение виртуальной измерительной системы;
выявить зависимость коэффициента искажения формы кривой напряжения от вариации параметров технологического процесса и системы электроснабжения;
разработать бесконфликтный способ минимизации искажения формы кривой напряжения с интеграцией в состав АСУЭ про-
граммно-технического комплекса ВИС.
Идея работы заключается в разработке виртуальной измерительной системы контроля качества электрической энергии, включая алгоритмическое, математическое и программное обеспечение и аппаратную реализацию, введение ее в состав АСУЭ для оперативного контроля параметров электролотребления и повышения с ее помощью КЭ в электротехнических комплексах предприятий горной промышленности и цветной металлургии.
Методы исследований. В работе использованы теория электрических цепей, метод гармонического анализа, метод наложения, методы теории электромагнитных процессов в системах электроснабжения, методы теории оптимизации, аналитические и численные методы решения алгебраических и дифференциальных уравнений, теория чувствительности, теория и методы обработки экспериментальных данных, решение задач проектирования и моделирования с помощью ЭВМ.
Научная новизна работы:
предложена структура, обосновано математическое обеспечение и разработан алгоритм функционирования ВИС контроля КЭ;
установлены зависимости изменения коэффициента искажения формы кривой напряжения в системах электроснабжения с вероятностным характером изменения параметров вентильной нагрузки от вариации параметров технологического процесса и системы электроснабжения;
предложена система бесконфликтного управления КЭ в системах энергоснабжения с вероятностным характером изменения параметров вентильной нагрузки с использованием ВИС и АСУЭ.
Обоснованность научных положений базируется на применении известных положений теории электрических цепей, теории электромагнитных процессов в системах электроснабжения, электрических аппаратах высокого напряжения и электрических машинах, теории и методах обработки экспериментальных данных.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом теоретических исследований, близкой сходимостью расчетных и опытных данных, а также положительными результатами внедрения разработок в АО «ВАМИ» при реконструкции СЭС ОАО «Кандалакшский алюминиевый завод».
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработана методика проектирования ВИС контроля КЭ, произведен
выбор структуры и комплекса технических средств ВИС, базирующийся
на применении высокоточных электронных компонент, работающих в стандарте PC-104. Показано, что в реальных условиях эксплуатации метрологические характеристики ВИС удовлетворяют требованиям ГОСТ 13109-97, ГОСТ 8.009-84
разработан комплекс программных средств ВИС, включающий средства управления ВИС, гармонического анализа, анализа КЭ в соответствии с ГОСТ 13109-97 и позволяющий производить непрерывный контроль и анализ искажения формы кривой напряжения в СЭС горных предприятий и предприятий цветной металлургии;
предложен бесконфликтный способ минимизации искажения формы кривой напряжения с использованием программно-технического комплекса ВИС контроля КЭ и АСУЭ.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании АСУЭ для АО «Кандалакшский алюминиевый завод». Положения, выносимые на защиту:
структура, алгоритмическое, математическое н программное обеспечения ВИС контроля КЭ с открытой архитектурой как функционального эквивалента измерительной системы, представленного при помощи комплекса программно-технических средств, без потери функциональных возможностей или искажения функциональных результатов для обеспечения непрерывного анализа ПКЭ (искажения формы кривой напряжения) в соответствии с ГОСТ-13109-97;
зависимости изменения коэффициента искажения формы кривой напряжения в системах электроснабжения с вероятностным характером изменения параметров вентильной нагрузки от вариации параметров технологического процесса и параметров системы электроснабжения.
комплекс технических средств АСУЭ для автоматического непрерывного контроля КЭ, позволяющий минимизировать искажения формы кривой напряжения в электротехнических комплексах предприятий горной промышленности и цветной металлургии;
Апробация.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на семинарах кафедры электротехники и электроснабжения горных предприятий СПбГГИ (ТУ), конференциях молодых ученых СПбГГИ (ТУ) в 1995-2000 годах, Всероссийском Молодежном Научном Форуме "Интеллектуальный Потенциал России
В XXI Век", V международном симпозиуме "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология", С.-Петербург,
-
Производственно-техническом совещании "Создание нового энергетического оборудования для нефтяной и нефтеперерабатывающей отрасли" г.Альметьевск 1997 г, Межвузовской научно-практической Конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения". Воркута
-
Третьей Санкт-Петербургской ассамблеи молодых ученых и специалистов Санкт-Петербург, 1998.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на wO страницах. Содержит jU рисунков, -/-С таблиц, список литературы из /№ наименований и # приложений. Общий объем работы -/4С страниц.
Технические средства контроля качества электрической энергии
Все это обуславливает разработку и проведение мероприятий по снижению уровня высших гармоник в сети предприятия. Важнейшим звеном в этой работе является разработка средств оперативного контроля качества электрической энергии в соответствии с ГОСТ 13109-97.
Впервые в СССР появился стандарт, нормирующий качество электроэнергии в 1967 г.: ГОСТ 13109-67 "Электрическая энергия. Нормы качества у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения". В нем были отражены нормы на такие ПКЭ, как отклонение напряжения, коэффициент несинусоидальности, коэффициент п гармонической, коэффициент обратной последовательности, коэффициент нулевой последовательности, отклонение частоты. СССР первым в мировой энергетике поднял вопрос о нормировании качества электроэнергии.
В 1979 г. появляются дополнения ГОСТ 13109-67, а в 1987 г. они утверждаются в ГОСТ 13109-87 "Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения". В ГОСТ 13109-87 также указаны погрешности измерения нормируемых ПКЭ.
В 1998 году принят ГОСТ 13109-97 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения". включивший себя изменения норм качества электроэнергии и методики измерения показателей качества электроэнергии.
ГОСТ 13109-97 соответствует стандартам международной энергетической комиссии МЭК 868, МЭК 1000-3-2, МЭК 1000-3-3, МЭК 1000-4-1. 1.2. Нормы КЭ
В современных условиях, электрическая энергия является для электроснабжающей организации — предоставляемой продукцией, а для потребителей — приобретаемой, необходимой для технологического процесса или жизнедеятельности продукцией. Как и любая другая продукция, электроэнергия должна отвечать следующим требованиям:
Продавец (исполнитель) обязан передать потребителю товар (выполнить работу, оказать услугу), качество которого соответствует договору. [80] Если стандартом предусмотрены обязательные требования к качеству товара (работы, услуги), продавец (исполнитель) обязан передать потребителю товар (выполнить работу, оказать услугу), соответствующий этим требованиям. [79]
Потребитель имеет право на то, чтобы товар (работа, услуга) при обычных условиях его использования... был безопасен для жизни, здоровья потребителя... не причинял вред имуществу потребителя. [80] Требования, которые должны обеспечивать безопасность товара (работы, услуги), ... являются обязательными и устанавливаются в порядке, определенном законом.[81]
Требования, устанавливаемые государственными стандартами для обеспечения безопасности продукции, ... жизни, здоровья и имущества, для обеспечения технической и информационной совместимости, взаимозаменяемости продукции, единства методов их контроля, и единства маркировки ... являются обязательными для соблюдения органами государственного управления, субъектами хозяйственной деятельности.[81]
Качество подаваемой электроснабжающей организацией энергии должно соответствовать требованиям, установленными государственными стандартами и иными обязательными правилами или предусмотренными договором электроснабжения.[82]
Качество электроэнергии в электрических сетях должно быть таким, чтобы было обеспечено функционирование с заданным качеством технических средств, подключаемых к указанным сетям.[82]
В Российской Федерации качество электрической энергии в настоящий момент нормируется ГОСТ 13109-97 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения".
Данный стандарт устанавливает требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц на границе раздела электрических сетей, между энергоснабжающей организацией и предприятием.
Качество электрической энергии определяется степенью соответствия ее параметров установленным (нормированным) значениям. Под параметрами электроэнергии понимают величины напряжения, тока, и частоты, форму кривой тока и напряжения, т.е. величины, количественно характеризующие свойства электроэнергии. Величины, характеризующие качество электроэнергии по одному или нескольким параметрам, называются показатели качества электрической энергии ПКЭ.
Требования к системам измерения качества электрической энергии
Ранее была предложена структура измерительного устройства, задачи котроля и требования к виртуальной измерительной системе контроля качества. Рассмотрим возможность реализации такой схемы с использованием известных микропроцессорных средств, объединенных в ВИС по принципу открытой архитектуры. Как известно из тригонометрии и [66,72], для качественного построения синусоиды достаточно располагать 5-7 точками за ее период. Так как для прибора последняя определяемая гармоника -сороковая, то потребуется определить не менее 254 точек за период основной частоты (0,02 с) или 12,8 кГц. Т.о. частота выборки, производимой ПСД, (с запасом) должна быть 20...40 кГц.
Поскольку на большинстве подстанций одновременно находятся в работе два трехобмоточных трансформатора и может возникнуть необходимость произвести замеры на системах шин этих трансформаторов одновременно, прибору потребуется не менее шести независимых входных каналов,
Для выполнения измерений с погрешностью в пределах определенных ГОСТ 13109-97, разрядность АЦП должна быть 12 и более разрядов.
« Для проведения измерений необходим ввод данных с АЦП в реальном масштабе времени. [51] для обеспечения требуемой скорости предачи данных при работе системы типа ПСД-NoteBook, ПСД должна поддерживать режим ЕРР или Bidirectional. В этих режимах, даже без увеличения частоты шины компьютера и размера буфера обмена NoteBook возможен обмен данными на частоте до 100 кГц. Время переключения каналов для организации многоканальных измерений должно быть не более 6-Ю мкс. Обобщенная функциональная схема ПСД приведена на рис.2.1. Реализация данной схемы позволит производить многоканальные замеры с заданной периодичностью п.2.1
Схема содержит три функциональных устройства: аналогово-цифровой канал (АЦК) с 12 разрядным аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), 16 разрядный цифровой порт (ЦП) и схему обработки прерываний. Схема обеспечивает ввод в компьютер аналоговых сигналов, преобразованных в цифровую форму, и ввод/вывод цифровых ТТЛ-совместимых сигналов.
Аналогово-цифровой канал (АЦК) включает в себя входной мультиплексор, инструментальный усилитель, устройство выборки-хранения и АЦП.
Инструментальный усилитель имеет переключаемые коэффициенты усиления: (1;2;5;10). Устройство выборки-хранения (УВХ) позволяет расширить полосу АЦК до 100 кГц УВХ находится в режиме выборки сигнала до начала цикла преобразования. По старту преобразования переходит в режим хранения. По импульсу конца преобразования (ИКП) УВХ опять переходит в режим выборки. Время выборки - всегда дано УВХ после старта преобразования для устойчивой работы АЦП па максимальной скорости преобразования. Это позволяет использовать АЦК с укороченным циклом преобразования» то есть старт АЦП можно задавать чаще.
Рассмотрим унифицированные компоненты, необходимые для построения виртуальной измерительной системы с открытой архитектурой. На рынке России широко представлены типовые современные платы/ имеющие большой диапазон рабочих частот, \/ погрешностей, большой разброс цен. Остановимся на электронной продукции, представленной на рынке двумя фирмами, выпускающими необходимые компоненты, имеющие наиболее предпочтительное соотношение требуемых параметров и соотношения цена/качество:
Платы ПСД, предлагаемые этими фирмами позволяют в полосе до 500 кГц с точностью до 0,003% при динамическом диапазоне 90 дБ реализовывать виртуальные осциллографы, вольтметры, спектроанализаторы. Как отмечалось ранее, характеристики прибора определяются выбранным устройством ПСД. При использовании ПК совместно с ПСД в качестве цифрового запоминающего осциллографа и спектроанализатора необходимо применять специально для этого разработанные ПСД - платы ЛА-20, ЛА-70, DM408 и др. Эти платы позволяют с помощью ПК обрабатывать как периодические сигналы в полосе до 200 кГц, так и однократные импульсы до 70 мкс. Построенный на этих платах и ПК виртуальный спектроанализатор позволит анализировать сигнал с различными оконными функциями и вычислять коэффициент несинусоидальности кривой. На экране ПК будет представлен обработанный сигнал в реальном масштабе времени. Однако при необходимости разгрузить ПК или разнести в пространстве ПСД и ПК (переносной прибор), можно использовать ПСД вместе с платой цифровой обработки сигналов (ЦОС), например, J1AMS или CMV586DX-133. 13 этом случае все задачи по обработке и передаче данных берет на себя плата ЦОС, а ПК отображает уже готовый результат.
Математическое обеспечение виртуальной измерительной системы контроля качества электрической энергии
Функции измерения кривой напряжения и определения спектра Фурье отводятся специальной программе Фурье, которая реализует рассмотренные выше методики определения показателей качества электрической энергии и алгоритм 157а определения тригонометрического полинома сорокового порядка исследуемой функции напряжения.
В задачи программы входит управление внешними устройствами в соответствии с п.п 2.4 (ПСД) обработка результатов измерения с целью определения спектра Фурье, определение ПКЭ в соответствии с п.п 3.1 анализ качества электрической энергии по результатам измерения ПКЭ. Для управления потоками данных, получаемых с ПСД используется ряд управляющих подпрограмм, (драйверов устройств) поставляемых в комплекте с ПСД. Эти подпрограммы транслируют команды процессора системы для исполнения ПСД. С их помощью задается
Примером такой подпрограммы может служить program douzeblts, являющуюся драйвером 12 разрядного АЦП предложенную П. Гедлем для управления ПСД LTCI286. Драйвер использует порт СОМІ (адрес 3F8h) для приема потока данных с АЦП. program douzeblts; uses crt; var nf,e:byte; b.gdnteger; d:real;
Для осуществления проверки предложенного алгоритмического, математического и разработанного в соответствии с ними программного обеспечения были использованы результаты измерений напряжения на шинах 6 кВ Кандалакшского Алюминиевого завода.
Краткая характеристика СЭС АО «Кандалакшский Алюминиевый завод» АО «Кандалакшский алюминиевый завод» располагается в районе г. Кандалакша Мурманской области. Электроснабжение алюминиевого завода осуществляется по двум воздушным линиям напряжением 110 кВ (Л-103 и Л-104) от ГЭС-2 и ГЭС-3 протяженностью 12.6 км и 12.4 км соответственно и по двум шинопроводам напряжением 10 кВ (Ф-4 и Ф-6) от ГЭС-3 длиною 1.5 км и 1.3 км.
Питание потребителей предприятия осуществляется от секций 1-А С.Ш. , 1-Б С.Ш. и трансфертной секции № 2 напряжением 10 кВ. К системам шин 1-А С.Ш. и 1-Б С.Ш. подключается технологическая (электролизная) нагрузка. А к 2 С.Ш. подключается как технологическая, так и общезаводские сети.
Принимая во внимание разработки Всероссийского алюминиево-магниевого института, нужно отметить, что для предприятия системой шин, получающее питание от главного распределительного устройства - РУ-10 кВ через реактированные связи (реакторы РБ-10 / 1000). Вспомогательное РУ-10 кВ выполняется из комплектных камер КРУ и служит для питания линий небольшой мощности. К шинам вспомогательного РУ-10 кВ подключены асинхронные двигатели (6 х 2200 кВА) газодувок, а также одна секция трансформаторной подстанции ТП-3 и одна секция ТП-4.
Основными потребителями завода, понижающими качество электроэнергии являются электролизеры алюминия. Поэтому основное внимание в вопросе улучшения качества электроэнергии уделяется точкам подключения электролизной нагрузки.
В настоящее время на предприятии имеется 19 выпрямительных агрегатов типа ВАКВ2 - 12500 / 850, питающие серии электролизеров алюминия. Технические характеристики выпрямительных агрегатов и питающих их трансформаторов сведены в таблицы
Техническая характеристика выпрямительных агрегатов для электролизных установок ВАКВ2 - 12500 / 8 Номинальное Напряжение Номинальный Коэффи выпрямленное КПД, Тип питающей выпрямленный напряжение, % циент
Два выпрямительных агрегата временно выведены из строя. Причиной этому послужила неудачная попытка использования конденсаторов во вторичной цепи преобразовательного трансформатора. Цепи с конденсаторами использовались для создания режима опережающего включения тиристоров, чтобы данные выпрямительные агрегаты работали в качестве компенсационной нагрузки [86]. Такие мероприятия преследовали цель обеспечения на шинах преобразовательной подстанции приемлемого коэффициента мощности. При работе такой компенсационной нагрузки удавалось достичь на шинах КПП cos ф = 0.95. Однако ввиду высокого содержания высших гармоник в кривой напряжения, работа конденсаторов в данной системе оказалась невозможной.
В настоящее время в работе находится 17 выпрямительных агрегатов. Номинальный ток серии электролизеров составляет 80 кА. Уровень высших гармоник на секциях 1-А С.Ш. и 1-Б С.Ш. по данным исследований, проводимых специалистами ПЛИ «Цветметэлектропроект» достигает значения 6.16 %, что значительно превышает допускаемый ГОСТ 13109-87 коэффициент несинусоидальности для напряжения 10 кВ (4 %). Поэтому проведение мероприятий по улучшению качества электроэнергии на предприятии особенно актуально.
Однолинейная схема замещения системы электроснабжения АО «Кандалакшский алюминиевый завод» представлена на рисунке 4.2.
Произведенные замеры напряжения представляют собой выборку с частотой 15 кГц мгновенных значений за период основной частоты, равный 0,02 с. Замеры производились на секциях шин, к которым подключается электролизная нагрузка.
Таблицы мгновенных значений напряжения и тока представлены в приложении 2. Далее представлены результаты обработки мгновенных значений напряжения и тока на секции шин 1-Б. С.Ш., (см. рис. 3.5, 3.6, 3.7, 3.8). гармоники тока на 1 -Б С.Ш. Кандалакшского Алюминиевого завода С использованием выражения для вычисления Ки, приведенного в [51] определена величина коэффициента искажения формы кривой К„ . Для приведенного выше интервала времени Ки =6,88 %.
Для массива данных по АО Кандалакшский Алюминиевый Завод, приведенных в приложении 2, с использованием известных соотношений, вычислялась величина коэффициента искажения формы кривой, которая составила Кц =6,88%. Таким образом, расхождения данных по коэффициенту искажения формы кривой не превышает 0,02%, что позволяет считать адекватными предложенные алгоритм, математиеское и программное обеспечение для определения несинусоидальности напряжения.
Влияние параметров систем электроснабжения действующих электролизных производств на коэффициент искажения формы кривой напряжения
Полупроводниковые выпрямительные агрегаты, управляемые дросселями насыщения, изменяют в процессе эксплуатации коэффициент мощности. Работа агрегатов с различными значениями коэффициента, мощности оценивается определенными значениями вероятности. В связи с этим предельные значения параметров системы электроснабжения, при которых обеспечивается нормированное значение KJJ - также характеризуется определенными вероятностями.
Учитывай вероятностную оценку режимов работы полупроводниковых выпрямительных агрегатов, можно сформулировать следующий вывод. Для того чтобы коэффициент несинусоидальности напряжения на шинах 10 кВ преобразовательной подстанции не превышал 5 %, необходимо, чтобы с вероятностью около 0,19 отношение S/c/Sn =70 и с вероятностью 0,68iV 5n=54. Режим работы полупроводниковых агрегатов 100 с низким значением коэффициента мощности требует существенного (на 23 %) повышения жесткости системы электроснабжения.
Математическую модель влияния мощности и технических данных ; группового силового трансформатора на величину трехфазного короткого замыкания на тинах низкого напряжения SKI при известном значении этой мощности Sia на шинах высокого напряжения (см. рис. 4.4). где ST - номинальная мощность группового силового трансформатора серии электролизеров. Определяя действительные корни уравнения (4.9) для условий АО «Кандалакшский алюминиевый завод» при КиЕ 5%, получаем Sy5i7 10-5-12
Следовательно, для обеспечения Кц = 5 % в точке 1 (см, рис.4.4. необходимо, чтобы загрузка группового силового трансформатора была не более 10 %. В связи с этим совершенно очевидно, что нельзя практически существенно понизить математическое ожидание Кц путем применения более мощных групповых силовых трансформаторов.
Компенсация высших гармоник напряжения в сетях электроснабжения с вариациями параметров технологического процесса с помощью ВИС контроля КЭ и АСУЭ.
Использование силовых фильтров высших гармоник представляется в настоящее время весьма перспективным способом минимизации высших гармоник [4, 35, 56, 60]. На рисунке 4.5. представлены типовые цепи фильтрации и их частотные характеристики.
При установке силовых фильтров частично или полностью решается задача компенсации реактивной мощности, так как конденсаторы, входящие в состав фильтров, являются источниками реактивной мощности Совокупность нескольких силовых фильтров образует фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ). При необходимости в состав ФКУ может входить отдельная конденсаторная установка. В СЭС горных предприятий применяются исключительно простые режекторные фильтры, состоящие из последовательно включенных конденсаторов и катушек индуктивности - реакторов. Более сложные фильтры, а также комбинированные фильтры, предназначенные для фильтрации нескольких гармоник (полосовые фильтры), на отечественных предприятиях применяются крайне редко. На рисунке 4.6. показаны варианты конструктивного исполнения силовых фильтров. В зарубежной практике в составе конденсаторных установок таких известных фирм, как NOKIA, ABB, Siemens, Westinghouse, Merlin Gerin и других, широкое применение нашли не только одночастотньге силовые фильтры 5-й, 7-й, 11-й и 13-й высших гармоник, но и двухчастотные и широкополосные силовые фильтры.
Совершенствованию методик выбора и размещения фильтров высших гармоник посвящены работы [83, 93]. Показано, что эффективность многофункциональных устройств, каковыми являются силовые фильтры высших гармоник, в 1.8 раза выше, чем типовых конденсаторных установок.
В [87J отмечается, что в тех случаях, когда уровень высших гармонических в сети превышает значение, определяемое в стандарте IEEE Std 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Power Systems, должны быть предусмотрены меры по его снижению. В большинстве случаев снижение уровня высших гармонических в сети достигается путем установки нескольких фильтров гармоник.
Для шахтных и рудничных сетей характерно подключение фильтрокомпенсирующего устройства и отдельных батарей конденсаторов к шинам ГШТ.
Цепи фильтров включаются в звезду с изолированной нейтралью (рис.4.5). Соединение в треугольник не применяется из опасения, что перекрытие изоляции одной фазы конденсаторов, приводящее к междуфазному замыканию, может вызвать большие повреждения фильтров. Подключение к нулевой точке реакторов приводит к уменьшению напряжения корпусной изоляции конденсаторов относительно земли на несколько процентов, чем в случае, когда к нулевой точке подключены конденсаторы [34, 35]. Батареи большой мощности комплектуют из двух трехфазных групп, соединенных звездой, с трансформатором тока (напряжения) в уравнительном проводе между нулевыми точками (рис.4.7.).
Для фильтров, применяемых на горных предприятиях, используются конденсаторы большой единичной мощностью - 21 - 100 квар, с напряжением, соответствующим номинальному напряжению сети. По нормам, принятым в ряде стран Западной Европы, допускается отклонение емкости конденсаторов от номинальной в пределах 2 - 8 %. Отечественные конденсаторы имеют стандартные отклонения от -5 % до +10 %. Для конденсаторов, используемых в схемах фильтров, эти отклонения считаются очень большими; допускаются отклонения в пределах 0 - 4 % [33]. Влияние отклонения емкости батареи конденсаторов фильтра на его характеристики будет рассмотрено далее.
Реакторы, используемые в схемах силовых фильтров, - это обычно нерегулируемые индуктивности, по конструктивному исполнению напоминающие фидерные реакторы. Реакторы с масляным охлаждением применяются редко. В последнее время в схемах ФКУ стали использовать регулируемые реакторы, имеющие отпайки со ступенью регулирования индуктивности а. Причем переключение ступени регулирования (изменение индуктивности реактора) производится только при отключенном от сети ФКУ [17, 57]. Технические данные фильтров для
