Введение к работе
Актуальность работы. Задачи улучшения качества электрической энергии (КЭ) при эксплуатации электроэнергетических систем (ЭЭС) являются достаточно важными. Появление новых свойств в ЭЭС, связанных с усложнением структуры и функций сетей, сложностью и необходимостью поддержания стабильности современных технологических процессов, с использованием новых промышленных технологий, актуализирует вопросы обеспечения качества потребляемой электрической энергии.
Развитие энергетики России в условиях рыночной экономики сопровождается ужесточением требований к КЭ. Согласно ФЗ–35 «Об электроэнергетике» КЭ в электрических сетях регламентируется требованиями норм ГОСТ 32144–2013. Несоответствие показателей КЭ требованиям приводит к судебным издержкам и штрафам для гарантирующих поставщиков и сетевых компаний, а также к снижению энергетических показателей, ухудшению функционирования оборудования и технологических процессов, экономическому ущербу, как конечных потребителей, так и ЭЭС в целом.
Доля потребителей электрической энергии, имеющих нелинейную вольт-амперную характеристику, неуклонно растёт из-за возрастающего использования силовой электроники в промышленности и в быту. В ряде ЭЭС России основную часть нелинейной нагрузки в потреблении составляют металлургические предприятия по производству алюминия. Суммарные мощности современных алюминиевых производств, как правило, соизмеримы с мощностью питающей ЭЭС, что обуславливает появление гармонических составляющих в схеме электроснабжения металлургического предприятия и во внешней сети.
Экспериментальные исследования, проведённые в 2007–2012 гг. показали, что в нормальных и ремонтных режимах работы электрических сетей 6–500 кВ, показатели КЭ, относящиеся к гармоническим составляющим напряжения, не соответствуют нормированным значениям. Результаты измерений в сетях 10–220 кВ системы электроснабжения потребителя со значительной нелинейной нагрузкой, составляющей порядка 20–30 % от мощности питающей ЭЭС, свидетельствуют о существенном превышении как гармонических составляющих напряжения КU(n), так и суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения КU над допустимыми нормами. Аналогичная ситуация имеет место в сетях 10– 220 кВ не только самого потребителя, но и в удалённых участках распределительных сетей 6–35 кВ.
Приведённые обстоятельства обуславливают необходимость разработки фильтров, позволяющих эффективно решать задачи улучшения КЭ в питающих и распределительных
электрических сетях, с учётом снижения как капитальных затрат на их реализацию, так и их габаритов для возможности последующего внедрения на действующих и вновь проектируемых объектах электроэнергетики.
Для снижения величин КU(n) и КU в электрических сетях, широкое применение получили пассивные фильтры. Использование пассивных фильтров остаётся важным в связи с их высокой надёжностью, низкой стоимостью и простотой проектирования. Поэтому разработка средств для улучшения КЭ на основе применения пассивных фильтров является актуальным решением, как в теоретическом, так и в практическом аспектах.
Степень разработанности темы. Задачи улучшения КЭ, вызванные гармоническими искажениями напряжения в электрической сети, рассматриваются как российскими, так и зарубежными учёными. Практическая значимость исследований в задачах обеспечения КЭ на современном этапе развития энергетики предопределяется возрастающим влиянием отрасли на развитие общества. Вопросам улучшения КЭ посвящены исследования российских научно-исследовательских институтов ВНИИЭ, ИСЭМ СО РАН, НИУ МЭИ, а также ведущих научных центров и высших образовательных учреждений мира, например, University of Michigan (США), University of Canterbury (Новая Зеландия), Tokyo technology instate (Япония), и международных организаций CIGRE, IEEE.
Значительный вклад в теоретические и практические исследования по улучшению КЭ внесли отечественные и зарубежные учёные: Горюнов В.Н., Довгун В.П., Долингер С.Ю., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Иванов В.С., Карташев И.И., Коверникова Л.И., Кузнецов В.Г., Кучумов Л.А., Розанов Ю.К., Смирнов С.С., Соколов В.И., Харлов Н.Н., Шидловский А.К., Шклярский Я.Э., Akagi H., Arrillaga J., Baggini A., Bhattacharya S., Das J.C., Fujita H., Kusko A., Peng F.Z., Thompson M.T., Watson N.R. и другие.
Цель работы заключается в улучшении качества электрической энергии в электрических сетях 6–220 кВ на основе использования пассивных фильтров специальной настройки.
В работе решены следующие задачи:
-
Выполнен мониторинг КЭ и статистический анализ измеренных значений показателей КЭ, параметров ЭЭС со значительной частью нелинейной нагрузки.
-
Предложен метод снижения погрешности измерения гармонических составляющих электрической энергии в сети.
-
Разработаны пассивные фильтры специальной настройки для улучшения КЭ в электрических сетях 6–220 кВ с высоким уровнем гармонических составляющих.
-
Проведены исследования по эффективности применения пассивных фильтров специальной настройки при передаче электрической энергии.
5. Выполнено экономическое обоснование эффективности применения пассивных фильтров специальной настройки для улучшения КЭ в питающих и распределительных электрических сетях.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использованы основные положения теории вероятностей и математической статистики, теоретической электротехники, математического моделирования. Теоретические результаты сочетались с измерениями в электрических сетях ЭЭС, экспериментальными исследованиями на основе моделирования несинусоидальных режимов с использованием программных средств, таких как Matcad и пакета Simulink SimPowerSystems системы Matlab.
Научная новизна. В результате выполнения работы получены следующие новые научные результаты:
-
Предложен метод снижения погрешности, вносимой нелинейной характеристикой измерительного трансформатора и зависимостью индуктивного сопротивления цепи от номера гармонической составляющей. По сравнению с известными методами предлагаемый подход позволяет достичь элиминирования гармонических составляющих в цепи равной точности автоматической системы, работающей на величине рассогласования сигнала в первичной цепи и величине компенсирующего воздействия. Получены математические выражения для определения величины искажения действующего (амплитудного, мгновенного) значения тока (и/или напряжения) конкретной гармонической составляющей.
-
Предложены технические решения и обоснована возможность использования пассивных фильтров специальной настройки в сетях высокого напряжения, обеспечивающих снижение уровней гармонических составляющих электрической энергии, создаваемых как нелинейной нагрузкой, так и питающей сетью. По сравнению с известными способами пассивные фильтры специальной настройки используют параметры конкретной сети и отличаются дешевизной и надёжностью.
-
Разработаны алгоритмы определения параметров пассивных фильтров специальной настройки и методики моделирования их работы в среде Matlab, отличающиеся учётом параметров конкретной сети, обеспечивающие их построение и применение на действующих и проектируемых объектах электроэнергетики.
Достоверность полученных результатов базируется на фундаментальных классических положениях общей теории вероятностей и математической статистики, электротехники и математики, а также подтверждается результатами измерений и экспериментов, проведённых автором в электрических сетях 6–220 кВ. Достоверность новизны предлагаемых способов и методов подтверждается патентами на изобретения.
На защиту выносятся:
-
Новый метод снижения погрешности определения гармонических составляющих тока и напряжения в сети, основанный на использовании нелинейной характеристики измерительного трансформатора и зависимости индуктивного сопротивления цепи от номера гармонической составляющей.
-
Новые технические решения пассивных фильтров специальной настройки, обеспечивающие снижение уровней гармонических составляющих электрической энергии, создаваемых как нелинейной нагрузкой, так и питающей сетью.
-
Новые алгоритмы определения параметров пассивных фильтров специальной настройки и методики моделирования их работы в среде Matlab, отличающиеся учётом параметров конкретной сети.
Практическая значимость результатов работы. Основные результаты исследования получили практическое применение и позволяют улучшать КЭ в электрических сетях высокого напряжения для обеспечения экономичной и надёжной транспортировки электрической энергии и снабжения потребителей электрической энергией требуемого качества.
Диссертационная работа выполнена в рамках плана научных исследований по направлению "Интеллектуальные сети (Smart Grid) для эффективной энергетической системы будущего", проводимых под руководством ведущих учёных в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 220 от 09.04.2010 г. (договор № 11.G34.31.0044 от 27.10.2011 г.).
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы использованы ОАО «Иркутская Электросетевая Компания» при выполнении мероприятий по улучшению КЭ в электрических сетях энергосистемы Иркутской области и ЗАО «Электро-сетьпроект» в системе электроснабжения производства поликристаллического кремния.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы в целом, и отдельные положения докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и университетских конференциях, конкурсах и семинарах: всероссийской научно-практической конференции с международным участием: “Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири” (г. Иркутск, ИРНИТУ, 2007–13 гг.); VIII-й ежегодной выставке и конференции «Russia Power 2010» (г. Москва, 2010 г.); Международной молодёжной научно-технической конференции “Энергосистема и активно-адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование” (г. Самара, СамГТУ, 2011 г.); V-й Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике» (г.
Пермь, ПНИПУ, 2011 г.); Областном конкурсе молодёжных инновационных проектов (г. Иркутск, 2011 г., диплом победителя); III-й Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2012 г.); VII-й Международной научно-практической конференции “Повышение эффективности энергетического оборудования” (г. Санкт-Петербург, ИМОП, 2012 г.); V-й международной научно-технической конференции “Электроэнергетика глазами молодёжи” (г. Томск, ТПУ, 2014 г.).
Публикации. По материалам проведённых исследований опубликовано 28 печатных работ, в том числе 5 – в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ.
Структура и объем работы. Общий объем диссертации составляет 193 страницы машинописного текста и включает в себя: введение, 4 главы, заключение, 5 приложений и библиографический список из 179 наименований. Работа содержит 43 рисунка и 44 таблицы.