Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Общая теория периодических энергетических процессов в преобразовательных установках 17
1.1. Общие свойства периодических функций, 17
1.2. Матричный метод расчета установившихся процессов в преобразовательных установках 21
1.3. Энергетические характеристики элементов цепи 23
1.4. Основные энергетические понятия и определения 32
1.4.1. Составляющие мгновенной мощности-. 36
1.4.2. Составляющие кажущейся мощности 40
1.4.3. Энергетические соотношения для линейного двухполюсника 44
1.5. Пассивная мощность и её составляющие 51
1.5.1. Реактивная мощ ность, 5 2
1.5.2.Искажающая мощность. 54
1.5.3. Ключевая мощность, 56
1.5.4.Уравнительная или компенсирующая реактивная мощность. 57.
1.6. Электрическое сопротивление цепи. Термины и определения 59
1.7. Методы расчёта энергетических процессов в преобразовательных установках 64
1.7.1. Методические основы энергетических расчётов электрических цепей 64
1.7.2. Цепь с последовательным включением двухполюсников. 68
1.7.3. Цепь с параллельным--включением двухполюсников- : 78.
1.7.4. Баланс мощности в сложной электрической-цепи* — 81
Глава 2. Энергетические характеристики преобразователей 85
2.1. Коэффициент мощности 85
2.2. Влияние пассивной мощности на потери 88
2.3. Общие принципы компенсации пассивной мощности 91
2.4. Классификация и сравнительные характеристики периодических энергетических процессов 97
Глава 3. Оснсеныз свойства преобразователей. 102
3.1. Последовательное включение несинусоидальных источниксз тока и напряжения 102
3.1.1. Постановка задачи 102
3.1.2. Режим максимальной мощности 104
3.1.3. Режим не макси мальной мощности^ 106
3.2. Электрическая цепь с источником постоянной ЭДС и переменным резистором 108
3.2.1. Электрическая цепь с переменным резистором 109
3.2.2. Электрическая цепь с переменным резистором и индуктивностью 116
3.2.3. Электрическая цепь с переменным резистором и емкостью, 122
3.2.4. Выводы -...- 127
3.3.Энергетические процессы в цепи с электрической дугой 130
3.4. Парадокс активной нагрузки... 133
Глава 4. Энергетические процессы в преобразователях 144
4.1. Преобразователь с полностью управляемыми тиристорами 144
4.1.1. Постановка задачи 144
4.1.2. Баланс мгновенных мощностей 146
4.1.3. Баланс кажущихся мощностей., 147
4.1.4. Выводы - 148
4.2. Двухполупериодный неуправляемый выпрямитель 150
4.2.1. Работа выпрямителя на резистивную нагрузку. 150
4.2.2. Работа выпрямителя на противо ЭДС 152
4.2.3. Определение мощности элементов схемы 153
4.2.4. Баланс мощностей в узлах. 156
4.2.5. Баланс мощностей в замкнутых контурах схемы замещения, 159
4.3. Управляемый выпрямитель со средней точкой 161
4.3.1. Работа выпрямителя на чисто активную нагрузку, 162
4.3.2. Энергетические характеристики выпрямителя, работающего на чисто активную нагрузку 171
4.3.3. Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку. 177
4.3.4. Энергетические характеристики выпрямителя, работающего на акти в но-индуктивную нагрузку 187
4.3.5. Энергетические характеристики выпрямителя со средней точкой 193
Глава 5. Измерение энергии и мощности в энергосистемах с мощнымипреобразователям и 19 Э
5.1 Система измерения и учёта электроэнергии. 199
5.2. Проблемы измерения и учёта мощности и электроэнергии в электрических сетях с искажёнными токами и напряжениями 201
5.3. Статистические методы повышения достоверности и качества информации об энергетическом процессе. 221
Заключение 230
Литература 234
Приложение 1. Транспортная модель энергетических процессов в электрических цепях 250
Приложение 2. Аналогия между периодическими энергетическими процессами в электрических и механических системах 2SS
1. Движение материальной точки под действием постоянной силы 268
2. Движение материальной точки под действием переменной возмущающей силы.- 271
3. Анализ энергетических процессов в механических системах. 274
Введение к работе
Интенсивное внедрение в электроэнергетику преобразовательных установок большой единичной мощности вызывает появление в электрической системе искажений синусоидальности токов и напряжений [I -67, 98-139]. Этот факт в настоящее время подтверждается не только прямыми измерениями, но и закреплён в национальных стандартах на качество электроэнергии и в документах, регламентирующих производство и потребление электрической энергии. Расширение области фактического существования в электрической системе режимов с искажёнными токами и напряжениями всё более настоятельно требует создания энергетической теории этих режимов [140 - 184]. Необходимость создания такой теории диктуется как проблемами, возникающими при сведении балансов энергии и мощности в энергосистеме, так и при рассмотрении энергетических процессов в самих преобразовательных системах и устройствах, а также при рассмотрении процессов обмена энергией между ними и энергосистемой [149 - 183]. Общепризнанно, что искажения напряжения и тока вызывают добавочные потери энергии и мощности [22, 27, 40, 52, 100, 150, 151, 153,163,166 и др.]. Поэтому проблема искажений, рассматриваемая с позиций теории энергетических процессов, весьма тесно связана с проблемой повышения эффективности работы всей электрической системы [157 - 179]. Это определяет актуальность и важность разработки теории энергетических процессов при несинусоидальных токах и напряжениях.
Существующее положение в этой области теории достаточно противоречиво. С одной стороны, разработаны методы расчёта напряжений и токов при наличии искажений. В частности, при использовании различных разновидностей гармонического анализа успешно решаются задачи контроля качества электроэнергии (спектрального состава токов и напряжений), фильтрации и компенсации искажений и другие [100, 149 и др.]. С другой стороны, единых методов энергетических расчётов, т. е. расчётов энергии и мощности по заданным несинусоидальным токам и напряжениям, не создано до сих пор. Вместо них, по существу, имеется некоторый набор методов и приёмов решения частных задач. Сюда можно отнести методы расчёта, основывающиеся на предположении, что искажения существуют только в токе, приближённые методы расчёта «по первой гармонике» и др. [100-107, 109 - 117, 123-135, 139]. В стандартах России и МЭК для несинусоидальных токов и напряжений дано определение только кажущейся мощности и средней составляющей активной мощности [142, 145]. Общепринятых методов оценки энергетической эффективности как отдельных установок, так и электрической системы в целом при наличии искажений в токе и напряжении нет. Более того, при наличии искажений существуют разногласия даже в оценке правильности алгоритмов измерения активной мощности [150]. С внедрением микропроцессорных устройств ограничивающим фактором повышения точности измерений и учёта электроэнергии в основном стала не техническая реализация измерительных устройств, а их алгоритмическое обеспечение, т. е. научное обоснование алгоритмов и формул вычислений [22,150-156].
Из-за отсутствия энергетической теории появляются теории «об обратном потоке энергии» от нагрузки в сеть [52, 150, 151, 166], неясности в определении КПД преобразователей и трансформаторов [107, 134] и даже предложения о перекачке энергии «из вакуума» с помощью электрической дуги [92 - 94].
Отставание теории особенно недопустимо при переходе энергетики к рыночным отношениям, которые диктуют необходимость всемерного сокращения издержек производства, в частности, потерь энергии и мощности, а также повышения точности учёта на всех стадиях производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии-[157 -165].
Отсутствие научно обоснованного подхода к решению указанных энергетических проблем неоднократно подтверждено выступлениями у нас и за рубежом [1 - 3, 30- 53, 50, 51, 90, 91]. Об этом свидетельствуют материалы специ ального заседания Научного Совета АН СССР, рассматривавшего в 1984 г методические аспекты понятий "активная и реактивная мощность," материалы Европейского Международного семинара по определению и измерению мощности в несинусоидальных процессах [55 - 67], материалы дискуссии, организованной в 1996 г. рабочей группой IEEE по той же проблематике. На этой дискуссии [22 - 24] принято предложение об использовании «практических» определений составляющих мощности переменного тока при наличии искажений (в 1998г. это предложение получило премию IEEE [24]).
Необходимо отметить, что существующее положение возникло не из-за невнимания энергетиков к решению данной проблемы. Начало развития теории энергетических процессов было положено в прошлом веке трудами М. Доливо-Добровольского. Ч. Штейнмеца, Ц. Пулье и других учёных. К концу прошлого века были сформулированы понятия активной, «безваттной» (реактивной) мощности и электрического сопротивления для цепей с синусоидальными токами и напряжениями. Однако собственно теория энергетических процессов в цепях с несинусоидальными токами и напряжениями начинает развиваться только после появления работ Будяну [4 6] (1927 г.) и Фризе [4 7] (1931 г.). До сего времени в этой области интенсивно работают учёные многих стран [1 - 67].
Были предприняты многочисленные попытки обобщить понятие реактивной мощности на несинусоидальные процессы или ввести другие общие понятия, заменяющие ее. Однако к созданию общепринятой энергетической теории, адекватно отражающей энергетические процессы в общем случае, при наличии искажений и в токе, и в напряжении, эти усилия не привели.
В отечественной литературе разработке фундаментальных теоретических положений и решению различных конкретных проблем теории процессов с несинусоидальными токами и напряжениями посвящены труды академиков В.Ф. Миткевича, К.А. Круга, Л.Р. Неймана, К.С. Демирчяна, Н.Н. Тиходеева, профессоров А.В. Поссе [99-103, 136], В.А. Лабунцова [ПО], Г.С. Зиновьева [5,6,112], О.А. Маевского [111], Н.П. Матханова [71,72] и других учёных [1-67, 98 - 117, 150-184]. Важный вклад сделали Emanuel А. [22, 23, 62, 63], Nowomiejski. [30], Czarnecki L.S. [32, 33, 57], Filipski P.S. [34, 50, 65, 66, 154 -156], Depenbrock M. [58-61] и другие зарубежные исследователи.
Дискуссии по данному направлению отличаются ожесточенностью и бескомпромиссностью [44]. Количество публикаций очень велико (только с 1965 по 1985 г.г. опубликовано более 500 работ). Перечислим наиболее распространенные предложения. Метод разложений в частотной области Будеану [46] положен в основу американского стандарта на термины и определения, на нем базируются основные руководства по силовой электронике [16-23, 116-134 и др.]. Органический недостаток всех частотных методов - отсутствие физического обоснования математических процедур из-за невозможности использования понятий составляющих мгновенной мощности. Вследствие этого появляются эффекты, свидетельствующие о внутренней противоречивости данного метода. Основной недостаток метода Фризе [47] (разложение во временной области) тот же - отсутствие физического обоснования и возможность разложения мгновенной мощности только на две ортогональные составляющие. К.А. Круг [74] рассматривал мощность ключевого элемента как реактивную, Troger R [40] ввел внешнюю, реверсную, входную и взаимную мощности, Penfild, П., Spens R., Duinker S., [80] свели энергетическую теорию к теореме Теледжена. О.А. Маевским [4] предложена приведенная реактивная мощность, Page С.Н. [31] -формулы для мощности непериодических процессов, Ф.П Жарков [26] предложил обменную мощность, Д.Е. Кадомский [14, 15] - интегральную приведенную реактивную мощность. Е.И.Беркович [35] рассматривал реактивную мощность как информационное понятие, К.С. Демирчян [1, 2] предложил ортомощ-ность для задач минимизации потерь и компенсации мощности, В.А. Лабунцов [ПО] ввел термин «пассивная мощность», Depenbrock М. [59] предложил метод FBD, Emanuel А. и др. [22,23,24] предложили "практическое" определение составляющих мощности.
При исследовании энергетических свойств возможны два подхода в определении мощности электрической системы [2-4, 7, 15. 17, 22, 36, 41 и др.]. Один подход характеризуется поиском универсальных формул, описывающих некоторые фундаментальные свойства системы на основании исследования только свойств напряжения и тока, отвлекаясь от рассмотрения структуры цепи и состава ее элементов. Такой подход характерен при исследовании энергетических характеристик в некоторой точке энергетической системы, когда нагрузки и источники представлены обобщенными параметрами, не отражающими внутреннюю структуру составляющих элементов. По самой постановке задачи этот подход характеризуется множеством возможных решений.
Второй подход (принятый в диссертации), преследует узко прагматические цели: разработать методы определения составляющих мощности источников энергии и их зависимость от состава элементов и структуры цепи. При таком подходе задача анализа энергетического процесса имеет единственное решение. Основу этого подхода составляет рассмотрение мгновенных значений мощности, отражающих физическую сторону энергетического процесса в цепи. Сам энергетический процесс рассматривается как взаимодействие различных составляющих мощности. Это определение составляющих мощности, с учётом их роли в энергетическом процессе всей цепи, носит системный характер.
Изучение различных фундаментальных свойств цепи в целом обеспечивается сочетанием обоих подходов и использованием как системных, так и внесистемных определений составляющих мощности, описывающих энергетические свойства цепи в других аспектах [1, 2, 4, 5, 7-15, 18 и др.].
