Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов выявления источников высших гармоник в электрической сети 10
1.1 Анализ научно-технической проблемы высших гармоник, нормирование источников высших гармоник в электрических сетях 10
1.2 Метод активных двухполюсников 16
1.3 Методпотокаактивноймощности (Active Power Direction method) 18
1.4 Метод, основанный на неактивной мощности (Nonactive Power Direction method) 21
1.5 Анализ составляющих мощности трехфазной симметричной сети
1.5.1 Составляющие мгновенной активной мощности искажений 24
1.5.2 Математическая модель трехфазной симметричной системы, содержащей нелинейную нагрузку 28
Выводы по главе 1 43
Глава 2 Метод выявления определяющего источника высших гармоник с применением фильтрокомпенсирующего устройства 44
2.1 Формирование схемы замещения предприятия 44
2.2 Классификация источников с использованием фильтрокомпенсирующего устройства 48
2.3 Зависимость тока системы от активного сопротивления фильрокомпенсирующего устройсва при различном сочетании источников высших гармоник 53
2.4 Влияние высших гармоник на батарею конденсаторов 61
2.5 Алгоритм выявления определяющего источника высших гармоник с помощью фильтрокомпенсирующего устройства. 68
Выводы по главе 2 71
Глава 3 Определение источника искажения в электрической сети путем варьирования параметров трансформатора 73
3.1 Анализ расчета параметров схемы замещения трансформатора при наличии высших гармоник 73
3.2 Анализ режимов трансформатора с учетом высших гармоник 85
3.3 Анализ режимов сети при представлении трансформатора Т-образной схемой замещения 87
3.4 Исследования режимов электрической сети при совокупном влиянии источников искажения как со стороны нелинейной нагрузки, так и состороны питающей сети 96
Выводы по главе 3 101
Глава 4 Апробация методов определения источников высших гармоник ... 103
4.1 Моделирование электрической сети при различных источниках гармонических искажений 103
4.2 Экспериментальная апробация метода 106
4.3 Методика выявления источников высших гармоник 111
Выводы по главе 4 116
Заключение 117
Список литературы 119
- Метод, основанный на неактивной мощности (Nonactive Power Direction method)
- Классификация источников с использованием фильтрокомпенсирующего устройства
- Алгоритм выявления определяющего источника высших гармоник с помощью фильтрокомпенсирующего устройства.
- Исследования режимов электрической сети при совокупном влиянии источников искажения как со стороны нелинейной нагрузки, так и состороны питающей сети
Метод, основанный на неактивной мощности (Nonactive Power Direction method)
Проблемам, связанным с компенсацией высших гармонических искажений посвящен ряд работ [12,16,35,36,44,55,69,70], согласно которым, основными способами устранения влияния высших гармоник являются: - выбор правильного подхода к топологии электрических сетей с учетом размещения нелинейных нагрузок на этапе проектирования; - применение фильтрокомпенсирующих устройств; - применение активных фильтров; - установка дополнительных реакторов в электрической сети. Однако, по сей день актуальным является вопрос определения долевого вклада потребителя и питающей сети в нелинейные искажения питающей сети. Решение данного вопроса позволит, помимо определения виновника искажений, также применить грамотный подход к выбору средств и параметров устройства компенсации высших гармоник [18].
Следует подчеркнуть особенность определения источников искажений в узле электрической сети предприятия с непрерывным технологическим процессом согласно ПУЭ. Непрерывный технологический процесс характеризуется наличием приемников первой и первой особой групп потребителей для которых невозможно отключение электроснабжения. Это создает определенные трудности при оценке влияния источников искажений либо со стороны питающей сети, либо нагрузки.
В настоящее время нет устоявшегося подхода к решению данного вопроса, однако разными авторами предлагаются различные методы, среди которых можно выделить следующие: - метод активного двухполюсника; - метод потока активной мощности (Active Power Direction method); - Global power quality index; - метод, основанный на неактивной мощности (Nonactive Power method).
В указанных методах применяются точечные измерения. Помимо перечисленных методов рядом авторов предлагается применять системы, снимающие показания во множестве узлов системы. Часть из этих методов базируется на вышеперечисленных, однако стоит отметить, что их распространенность очень невелика вследствие необходимости использования большого количества дорогостоящих приборов и точной синхронизации всех средств измерения, что является сложной технической задачей. Рассмотрим и проанализируем каждый из перечисленных подходов в отдельности [50]. Метод активных двухполюсников был предложен в работе [84], в дальнейшем свое развитие получил в статьях [8,21,29, 38], а также нашел применение в алгоритмах выявления виновника искажений [37], основанных на статистической обработке результатов измерений.
Метод базируется на представлении линейных нагрузок и параметров питающей сети в виде схем, представленных на рисунке 1.2.1.
Примеры схем замещения при растете по методу активных двухполюсников а) представление параметров системы и потребителя в виде источников тока; б) представление параметров системы в виде источника напряжения и потребителя в виде источников тока Как система, так и потребитель представляются в виде двухполюсника, т.е. в виде источника тока либо напряжения на частоте исследуемой гармоники. Далее оценивается их фактический вклад в напряжение в точке измерения.
Для схемы (рисунок 1.2.1 а) можно выделить закономерности, приведенные ниже. Фактический вклад потребителя в напряжение исследуемой гармоники: йФВП = (і)Т+ІТ2П)2с , (1.2.1) zc + zП где UТ - напряжение в точке измерения, ІТ ток в точке измерения, zП - сопротивление линейной части нагрузки для исследуемой гармоники, zС - сопротивление системы для исследуемой гармоники. Фактический вклад системы в напряжение исследуемой гармоники: Данный метод подходит как для однофазных, так и трехфазных систем и использует статический сбор и обработку данных, в результате которой можно определить вклад, как потребителя, так и питающей сети в искажения напряжения. Однако, метод имеет ряд недостатков. В нем предполагается, что в процессе измерений изменяется либо вклад в искажения со стороны потребителя, либо со стороны системы. В реальных условиях возможно их совместное изменение, что приведет к ошибке при вычислениях сопротивлений по выражениям (1.2.4, 1.2.5), что в свою очередь вызовет ошибку при вычислении фактических вкладов в искажения напряжения.
Интерес представляет собой метод потока активной мощности, предложенный в [76]. Однако, в статье показано применение метода к однофазной нагрузке. Авторами в [67,68,66,64,63] было предложено использование метода с применением преобразований Парка для трехфазной системы, а также доказано, что нулевая составляющая, возникающая в трехфазных четырехпроводных системах, не оказывает большого влияния на результат. В основе метода лежат мгновенные величины трехфазных токов и напряжений (ia, ib, ic, ua, ub, uc), полученные в результате измерений и их преобразование на основе Парка в ортогональную систему.
Далее, применяя трансформацию Парка определяют ортогональные компоненты мгновенных токов и напряжений: где ud и uq соответственно проекции обобщенного вектора напряжения на ортогональные оси координат d и q, u0 – нулевая составляющая напряжения, id и iq – проекции обобщенного вектора тока на ортогональные оси координат d и q, i0 – нулевая составляющая тока, T – матрица преобразования.
Классификация источников с использованием фильтрокомпенсирующего устройства
Произведены расчеты тока в системе при различном активном сопротивлении фильтра RФ. Параметры нагрузки приняты неизменными, значение активного сопротивления фильтра варьировалось в пределах от 0 до 25 Ом. Расчет проводился с параметрами схемы замещения, представленными выше. Источником высших гармоник является либо питающая сеть (In=0, Un=const), либо нелинейная нагрузка самого предприятия (Un=0, In=const). По результатам расчетов были получены зависимости тока в системе IS, а также тока через ФКУ (IФКУ) от значения сопротивления фильтра RФ. Зависимости представлены на рисунках 2.2.2 -2.2.5.
Пунктирной линией на графике обозначен ток в системе при отсутствии ФКУ. Проанализировав полученные зависимости можно сказать, что при источнике высших гармоник со стороны нелинейной нагрузки, на предприятии ток в системе на исследуемой гармонике падает при уменьшении активного сопротивления фильтра. При источнике искажений со стороны питающей сети зависимость имеет обратную тенденцию. Таким образом присутствует четкая закономерность изменения значения тока на исследуемой гармонике. Существенным моментом является то, что ФКУ можно настраивать на любую гармонику. При этом закономерность зависимости тока IS от RФ остается неизменной. Очевидно, что выбор гармоники, на которую следует настроить ФКУ, следует производить из минимизации функции, которая должна включать энергетическую характеристику RФ и спектра гармоник.
Вышепредставленные результаты исследований указывают на то, что при использовании в качестве средства для классификации высших гармоник ФКУ, зависимости изменения тока системы от активного сопротивления фильтра имеют четко-выраженный характер.
Стоит отметить, что включенное ФКУ в сеть представляет для токов исследуемой гармоники исключительно активное сопротивление, поскольку настраивается в последовательный резонанс (резонанс напряжений). Также ФКУ оказывает малое влияние на процессы, происходящие в сети на основной гармонике.
Таким образом, использование ФКУ, включенного в сеть и, настроенного на исследуемую гармонику, можно считать обоснованным. 2.3 Зависимость тока системы от активного сопротивления фильтрокомпенсирующего устройства при различном сочетании источников высших гармоник
Искажения только со стороны питающей сети или только со стороны нагрузки встречаются довольно редко, в основном, как правило, в сети присутствуют обе составляющие.
Для определения количественного показателя наличия высших гармоник в сети были построены зависимости модуля тока в системе IS от активного сопротивления ФКУ Rф при различном соотношении искажений, вызванных как питающей сетью, так и со стороны нагрузки. Для расчета зависимостей руководствовались схемой замещения, приведенной ранее (рисунок 2.2.1).
При построении зависимостей в качестве допущения было принято, что угол сдвига фаз как источника напряжения (питающая сеть), так и источника тока (нелинейная нагрузка предприятия) остаются постоянными и равны нулю, при этом угол сдвига фазы тока в системе может меняться, но модуль тока в системе без включенного ФКУ остается постоянным. Таким образом, при выявлении указанных зависимостей задается ток нелинейной нагрузки на исследуемой гармонике от 0 до значения Imax, где Imax -максимальное значение тока нелинейной нагрузки (при отсутствии искажений со стороны питающей сети), определяемое из выражения: Is - модуль тока исследуемой гармоники в системе при отключенном ФКУ. Далее, при заданном значении тока нелинейной нагрузки рассчитывалось значение напряжения со стороны питающей сети при вышеупомянутых условиях (фі=0, (ри=0,), в комплексном виде, и при дополнительном условии - Is = 1, что приводит расчет к относительным единицам, при этом угол сдвига фазы тока системы может меняться, т.е. s=var.
При условии Is = 1 и принятых параметрах схемы замещения, изменения / и [/на 5-й и 7-й гармониках (согласно выражению 2.3.6) будут соответствовать данным, приведенным в таблице 2.3.1. Подчеркнем еще раз, что Is = 1 только при отсутствии ФКУ. Графики, показанные на рисунках2.3.1 и 2.3.2, представляют собой зависимости Is от Яф на 5-й и 7-й гармониках при включенном ФКУ. На графиках пунктирной линией обозначено значение модуля Is = 1 при отсутствии ФКУ.
Алгоритм выявления определяющего источника высших гармоник с помощью фильтрокомпенсирующего устройства.
Анализ полученных зависимостей показывает, что при изложенных допущениях, наблюдается серьезная разница между изменением коэффициента искажения высокого и низкого напряжений в случае наличия источника гармоник со стороны нагрузки и со стороны питающей сети.
При источнике гармоник со стороны нагрузки в ходе регулирования числа витков первичной обмотки KU1 и KU2 изменяется в пределах десятков процентов, в то время как при несинусоидальности питающего напряжения, этот параметр практически не изменяется. Это справедливо как для стороны высокого, так и низкого напряжения. Наблюдаются изменения порядка десятых долей процента.
Эта особенность наблюдается при однозначно определенном источнике высших гармоник, следовательно, динамика изменения коэффициента искажения напряжения при регулировании коэффициента трансформации является признаком наличия источника гармоник с той или иной стороны.
Влияние высших гармоник на трансформатор широко изучено в литературе [70]. Авторы предлагают различные схемы замещения трансформатора, представленные на рисунках 3.2.1-3.2.2. Данное представление трансформатора учитывает потери в сердечнике трансформатора при протекании токов высших гармоник. В книге авторами рассмотрены потери в сердечниках трансформатора с учетом насыщения сердечника при наличии токов высших гармоник. Также рассмотрены потери на гистерезис. Схема замещения трансформатора с нелинейными элементами в цепи намагничивания На рисунке 3.2.1. представлена модель трансформатора при наличии высших гармоник, которая базируется на следующих выражениях: напряжения первичной и вторичной обмоток; Np и Ns количество витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора; В, Н и Фт - магнитная индукция, напряженность магнитного поля и магнитный поток в сердечнике трансформатора; Ли I -поперечное сечение и длинна средней силовой линии магнитного поля в сердечнике. Ток ветви намагничивания iexc может быть получен из выражения 3.2.5 путем деления на Л : ip(t) +—is(t) = im(t)- (3-2.6)
На рисунке 3.2.2 представлена модель однофазного трансформатора с учетом указанных потерь для расчета модели, когда параметры тока и напряжения представлены функциями времени. В модели параметры ветви намагничивания представляются в виде зависимости тока от потокосцепления (-i), либо индукции от напряженности магнитного поля (H-B). Однако наибольшей сложностью при использовании данной схемы замещения является подбор выражений, описывающих данные зависимости в каждом квадранте, а также отражающие их форму при различных режимах.
Авторами, предлагающими вышеизложенные схемы замещения, указывается, что если трансформатор работает на линейном участке зависимости B(H) то приведенная T-образная схема замещения, представленная на рисунке 3.3.1 с достаточной степенью точности отражает процессы, происходящие в трансформаторе при наличии высших гармоник.
С учетом того, что сопротивление ветви намагничивания имеет гораздо большее значение, чем сопротивление рассеяния и, учитывая факт, что изменение коэффициента трансформации с помощью РПН приводит в первую очередь к относительно большему изменению сопротивлений рассеяния, для дальнейшего моделирования была принята Т-образная приведенная схема замещения трансформатора.
Как и в предыдущем случае, представленная ниже схема замещения трансформатора создавалась с целью анализа динамики изменения показателей качества электроэнергии как на входе так и на выходе трансформатора при изменении параметров трансформатора при регулирования под напряжением. Производился расчет электрической системы, содержащей нелинейную нагрузку либо со стороны питающей сети, либо со стороны нагрузки. Рисунок 3.3.1 – Т-образная схема замещения трансформатора В данном случае рассчитывалась классическая однофазная Т-образная схема замещения трансформатора, представленная на рисунке 3.3.1. В качестве допущений принято, что мощности холостого хода и короткого замыкания не изменяются при изменении коэффициента трансформации. В отличие от случая, описанного в предыдущем разделе, учитываются активные сопротивления первичных и вторичных обмоток. Расчет параметров производился для режима короткого замыкания, в котором определяются параметры первичной и приведенные параметры вторичной обмотки. Параметры ветви намагничивания определялись из опыта холостого хода, с учетом ранее определенных параметров первичной обмотки, что позволяет более точно определить сопротивления ветви намагничивания. Расчет параметров трансформатора выполнялся по следующим выражениям: номинальный ток первичной обмотки:
Исследования режимов электрической сети при совокупном влиянии источников искажения как со стороны нелинейной нагрузки, так и состороны питающей сети
На основе представленных выше методов была разработана методика выявления источников искажений, представленная ниже. На первом этапе необходимо провести анализ режимов электропотребления и коэффициентов искажения KU в зависимости от режима работы. Анализ проводится при помощи подключенных в электрическую сеть анализаторов качества электроэнергии.
В процессе обработки данных выявляются режимы работы электрической сети, подлежащие исследованию. Данные полученные в результате исследования анализируются на предмет наличия временных интервалов в процессе работы, когда коэффициент искажения по напряжению имеет максимальное значение.
На основе анализа выбираются промежутки времени для проведения эксперимента по выявлению источников высших гармоник.
Производится анализ схемы электроснабжения предприятия на предмет наличия пассивных фильтрокомпенсирующих устройств, а также на наличие системы регулирования под нагрузкой у трансформаторов. При наличии у питающего трансформатора системы регулирования под нагрузкой определяется возможный интервал изменения коэффициента трансформации при условии поддержания требуемого напряжения на отдаленных потребителях. После подключения измерительной аппаратуры и ее проверки проводится активный эксперимент. Переключая ступени РПН, производится запись изменения напряжения, тока и изменения суммарного коэффициента искажения напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Из полученных зависимостей исключаются интервалы времени, соответствующие переходным процессам. Производится усреднение значений напряжения и суммарного коэффициента искажений по напряжению для каждой ступени.
Для каждой ступени изменения коэффициента трансформации производится расчет производной изменения KU.
В приведенных выражениях Ки(1) и Ки(2) - суммарный коэффициент искажений напряжения для первичной и последующей ступени; Ки НОМ -суммарный коэффициент искажений напряжения при номинальном коэффициенте трансформации, kТ НОМ - номинальный коэффициент трансформации; кТ(1) и кТ(2) - коэффициенты трансформации, соответствующие первичной и последующей ступени, определяющиеся по выражениям:
Полученные значения для каждого изменения коэффициента трансформации сопоставляются с полученной в процессе расчетов схемы замещения зависимостью, представленной на рисунке 4.2.3.
Спроецировав значения, полученных в процессе эксперимента производных изменения KU от kТ, на расчетную кривую, определяются значения параметра d, соответствующего определенному соотношению источников искажения.
В случае отсутствия трансформатора с РПН и при наличии ФКУ определяются частоты, на которых будет проводиться исследование при отключенном фильтре. Параметры реостата подбираются из условий максимального тока ступени ФКУ, настроенной на частоту исследуемой гармоники. Снимаются зависимости изменения тока системы от активного сопротивления ФКУ на исследуемых частотах. По характеру зависимостей в соответствии с методом, описанным во второй главе, определяется источник высших гармоник.
В случае отсутствия трансформатора с РПН и ФКУ проводится ряд шагов, по аналогии с предыдущим экспериментом, описанным для трансформатора. Однако, в этом случае изменение ступени трансформатора может быть осуществлено при помощи перевода нагрузки на резервную секцию шин и переключением параметров трансформатора без возбуждения (ПБВ).
В дальнейшем, основываясь на данной методике можно дать рекомендации по выбору устройств компенсации высших гармоник.
Если основной источник искажения находится со стороны нагрузки, а параметры качества электрической энергии превышают установленные, то необходимо компенсировать высшие гармоники путем установки активных [22,33,34,61,69] или пассивных фильтров [3,12,35,70] в местах подключения нелинейной нагрузки.
В случае источника искажений со стороны питающей сети наличие фильтров может привести к ухудшению качества электроэнергии и вызвать дополнительные потери [36,79,80]. В первую очередь требуется защитить конденсаторные батареи от перегрузок высшими гармониками по току. Наиболее рациональным в данном случае является использование дополнительных реакторов [31,36,79] в электрической сети предприятия, установленных с учетом анализа частотных характеристик сети.
В главе приведена апробация предложенного метода определения источников высших гармоник путем изменения параметров трансформатора.
Выводы, полученные в главе 3 подтверждены результатами компьютерного моделирования и активного эксперимента на действующем предприятии.
В результате аналитических расчетов модели системы с последующим компьютерным моделированием в пакете прикладных программ Matlab Simulink получены зависимости изменения коэффициентов искажения по напряжению от коэффициента трансформации, трансформатора с РПН.
Зависимости, полученные при моделировании системы подтверждают результаты расчетов, представленных в главе 3.
Из анализов зависимостей следует, что влияние источника искажений либо со стороны питающей сети, либо со стороны нагрузки возможно установить при помощи изменения коэффициента трансформации. Определяющим показателем является изменение коэффициента искажения по напряжению во вторичной обмотке трансформатора.
Проведен эксперимент на энергообъекте ОАО «Сясьский ЦБК». Результаты, полученные в ходе эксперимента, сопоставлены с расчетной зависимостью изменения производной KU2 от kТ, из которой найден коэффициент d, соответствующий наличию источников высших гармоник со стороны нагрузки предприятия.
Сформирован обобщенный алгоритм определения источников высших гармоник в электрической сети предприятия, основывающийся на разработанных методах и приведена методика оценки определяющего источника искажений.