Содержание к диссертации
Введение
1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ГАРМОНИК ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 10
1.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ10
1.2. МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ С ВЕНТИЛЯМИ 14
1.2.1. Общие приемы моделирования 14
1.2.2. Методика составления математических моделей
> электрических цепей с вентилями в дискретном виде 17
1.3. СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 22
1.3.1. Схема замещения однофазного вентильного преобразователя 22
1.3.2. Схема замещения трехфазного вентильного преобразователя.. 27
1.4. ДОЛЕВОЙ ВКЛАД ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В ПКЭ 31
1.5. ВЫВОДЫ 38
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 39
2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 39
2.2. УЧЕТ НЕСИНХРОННОЙ КОММУТАЦИИ ВЕНТИЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ В ОБЩЕЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 43
2.3. РАСЧЕТ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОКОВ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА 52
2.3.1. Исходные уравнения для расчета установившегося режима.,.. 52
2.3.2. Расчет гармонических составляющих токов без учета длительности коммутационных процессов 54
2.3.3. Расчет гармонических составляющих токов с учетом длительности коммутационных процессов 60
2.4. РАСЧЕТ ГАРМОНИК ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 67
2.4.1. Расчет гармонических составляющих токов без учета длительности коммутационных процессов 67
2.4.2. Расчет гармонических составляющих токов с учетом длительности коммутационных процессов 69
2.5. ВЫВОДЫ 72
3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ НАЛИЧИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК 74
3.1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 74
3.2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С УЧЕТОМ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ.. 91
3.3. РАСЧЕТ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ СОМЕСТНОЙ РАБОТЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 98
3.4. ВЫВОДЫ 107
4. ОЦЕНКА ДОЛЕВОГО ВКЛАДА ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 109
4.1. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ГАРМОНИК 109
4.1.1. Места контроля показателей качества электроэнергии 109
к 4.1.2. Методы экспериментального определения в ТКЭ источников гармоник 112
4.2. РАСЧЕТ ДОЛЕВОГО ВКЛАДА ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО ОТДЕЛЬНЫМ ГАРМОНИКАМ 118
4.3. РАСЧЕТ ДОЛЕВОГО ВКЛАДА ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО КОЭФФИЦИЕНТУ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ 121
4.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДВП В ПКЭ ДЛЯ ХАРАКТЕРНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 125
4.5. ОРГАНИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЛЬНОИ ЧАСТИ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДВП 131
4.5.1. Алгоритм расчета показателей качества электроэнергии 131
4.5.2. Структурирование задач программно-аналитического комплекса 135
4.6. ВЫВОДЫ 139
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140
ЛИТЕРАТУРА 14з
- МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ С ВЕНТИЛЯМИ
- УЧЕТ НЕСИНХРОННОЙ КОММУТАЦИИ ВЕНТИЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ В ОБЩЕЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
- ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
- ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ГАРМОНИК
Введение к работе
Актуальность темы. Интенсификация применения вентильных преобразователей во всех сферах экономики страны вызывает необходимость технического регулирования в области обеспечения установленных регламентирующими документами показателей качества электроэнергии (ПКЭ) в части уровня высших гармоник. Настоящая работа посвящена методам расчета высших гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения (СЭ), в дальнейшем будем понимать под ПКЭ только то, что относится непосредственно к высшим гармоникам.
Наиболее массовым источником помех, влияющим на качество электроэнергии, являются силовые вентильные (полупроводниковые) преобразователи. На промышленных предприятиях имеются наиболее мощные источники высших гармоник. Это вентильные преобразователи алюминиевых комбинатов, заводов черной металлургии, тяговых подстанций железнодорожного и городского электротранспорта, метрополитена.
В сетях напряжением 0,4 кВ подключены существенно менее мощные преобразователи технологических установок и бытовых электроприборов, но в количественном отношении их на несколько порядков больше, чем в системах электроснабжения более высоких напряжений. В этой связи актуальны как контроль за ПКЭ в сетях всех уровней номинального напряжения, так и применение уже на стадии проектирования технических мероприятий по ограничению уровня высших гармоник в случае использования устройств, искажающих синусоидальную кривую питающего напряжения.
Вместе с тем при разработке электротехнических комплексов и систем на базе преобразовательной техники недостаточно прорабатываются вопросы их последующей работы в системах электроснабжения в отношении воздействия на ПКЭ питающей сети как индивидуально, так и при совместной работе нескольких установок. Если учесть, что в сетях 0,4 кВ таких источников высших гармоник может работать одновременно от нескольких десятков до нескольких тысяч, подключенных к одному центру питания, то несомненной становится актуальность задач правильного расчета состава высших гармоник в системах электроснабжения при наличии любого количества преобразователей и оценки степени воздействия каждого источника высших гармоник на ПКЭ.
Признанным авторитетом в области исследования режимов СЭ при наличии источников высших гармоник является И.В. Жежеленко. Большие работы в этом направлении проводились также целым рядом отечественных і и зарубежных ученых. Современные экономические реалии обусловливают необходимость детального изучения особенности процесса передачи и распределения электроэнергии на высших гармониках и оценки участия в формировании ПКЭ всех присоединенных к общей сети электроприемников. Введение рыночных отношений в электроэнергетике приводит к потребности неукоснительного выдерживания ПКЭ: с одной стороны, за счет 1 сертификации электроэнергии, а с другой стороны, за счет разнесения доли ответственности между поставщиками электроэнергии и её' потребителями за ухудшение ПКЭ. Эта новая задача еще не решена законодательно и требует как технического, так и экономического обоснования.
Цель исследования состоит в разработке методов расчета режимов СЭ на высших гармониках тока и напряжения и определении на этой основе долевого вклада потребителей (ДВП) в изменение ПКЭ. Для достижения
, поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: привести гармонические математические модели отдельных вентильных преобразователей к единой схеме замещения системы электроснабжения при произвольно заданных их углах управления; разработать алгоритм решения нелинейных уравнений гармонического баланса в системе электроснабжения исходя из особенностей режимов работы однофазных и трехфазных преобразователей; - установить особенности работы систем электроснабжения на резонансных гармониках и обосновать методику расчета резонансных перенапряжений по гармоническим схемам замещения нагрузки; исследовать на математических моделях преобразователей спектральный состав токов сети при вариации спектра питающего напряжения и выявить степень взаимного влияния в зависимости от параметров сети и несинусоидальной нагрузки; - разработать методику оценки долевого вклада потребителей в ПКЭ по отдельным гармоникам и в целом по коэффициенту искажения синусоидальной кривой напряжения; - разработать методику расчетно-экспериментальной идентификации источников высших гармоник и определения параметров эквивалентных гармонических схем замещения.
Методы исследования, использованные в диссертации, базируются на теории электрических цепей, теории локального преобразования Фурье, теории вентильного электропривода. Расчеты, выполненные на ПЭВМ, основаны на использовании стандартных и специально разработанных программ.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Впервые составлена математическая модель системы электроснабжения на основе математически строгих схем замещения вентильных преобразователей для произвольно заданных их углов управления и разработаны алгоритмы расчетов режимов систем электроснабжения на высших гармониках.
Обоснована новая методика расчета режимов СЭ на высших гармониках на основе совместного расчета параметров режима СЭ и активных параметров схем замещения преобразовательной нагрузки, доказано влияние режимов работы СЭ на спектральный состав тока преобразовательной нагрузки.
Получены расчетные формулы определения долевого вклада потребителей в изменение показателей качества электроэнергии на отдельных гармониках и в целом по величине коэффициента искажения синусоидальной кривой напряжения, а также предложена методика начисления штрафных санкций.
Практическая значимость работы определятся возможностью корректного расчета перенапряжений в СЭ на резонансных гармониках і преобразователей и правильного выбора необходимых средств по их ограничению, а также снижением потерь электроэнергии от высших гармоник токов в электрических сетях при реализации разработанных технико-экономических мероприятий по введению штрафных санкций к виновникам ухудшения показателей качества электроэнергии.
Достоверность результатов и выводов диссертации определяется у использованием при решении поставленных задач корректных математических методов, строгостью выполняемых математических преобразований, физической обоснованностью применяемых допущений. Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается проведенными расчетами и сопоставлением с известными, опубликованными в научной литературе исследованиями,
На защиту выносятся следующие положения:г - схемы замещения системы электроснабжения с вентильными преобразователями в ее составе при их взаимно различных углах управления; - методика расчета режимов на высших гармониках для однофазных и трехфазных систем электроснабжения, основанная на поэтапном определении источников напряжения и источников тока в схемах замещения преобразователей; методика определения долевого вклада потребителей по отдельным гармоникам напряжения на основе их удельных значений; методика введения экономических санкций к виновникам ухудшения показателей качества электроэнергии на основе интегрального значения коэффициента искажения синусоидальной кривой напряжения и собственного долевого вклада потребителей в его величину.
Конкретное личное участие автора. Автору принадлежит формирование концептуальных положений, постановка задачи исследования, проведение теоретических исследований и экспериментальных расчетов, анализ полученных результатов. Сформулированы все основные идеи защищаемых результатов исследования, методы и алгоритмы.
Реализация результатов работы. Результаты и практические рекомендации диссертационной работы по методам расчета состава высших гармоник в системах электроснабжения и определения долевого вклада потребителей в изменение показателей качества электроэнергии внедрены в ОАО «Сетевая компания», г. Казань.
Методы математического моделирования электрических цепей с вентилями
В системах промышленного электроснабжения наличествует значительно количество электроприемников, вызывающих появление высших гармоник тока и напряжения в питающей электрической сети. И их количество растет: так, в связи с применением энергосберегающих мероприятий широко внедряется регулируемый частотный электропривод, который содержит звено постоянного (выпрямленного) тока. Учитывая, что главным источником высших гармоник в системах электроснабжения являются вентильные преобразователи, необходимо критически подойти к выбору их исходной математической модели. Выбор методов учета ключевых элементов - вентилей - в электрических цепях с преобразователями составляет одну из основных проблем, решение которой в той или иной степени с теми или иными приближениями можно найти в [6, 8, 12, 13, 16, 17, 18, 33, 37, 64, 41, 64, 69, 71,76]. Общепринятым допущением является представление вентилей ключевыми элементами, что является предельной идеализацией их внутренних свойств. В фундаментальном исследовании [8] записано полное уравнение состояния вентиля с учетом его внутренних физических свойств, и после анализа уравнения сделан вывод, что ключевая модель вентиля t полностью удовлетворяет требованиям к точности математического описания энергетических установок с вентильными преобразователями.
Поскольку вентили преобразователя находятся попеременно в открытом и закрытом состоянии и при этом число их изменяется в процессе работы (увеличивается на один при включении очередного вентиля, уменьшается на один при отключении очередного вентиля) вследствие т.н. явления коммутации (задержка в переключении вентилей в связи с наличием индуктивности в цепях питания) [71], электрические цепи с полупроводниковыми вентилями относятся к цепям с переменной структурой. Наиболее точной, как можно заранее утверждать, должна быть математическая модель преобразователя, в которой отслеживается работа каждого его вентиля. Очевидно, что в этом случае лучше всего подходит использование мгновенных значений переменных для определения граничных условий переключения вентилей.
В математическом отношении электрические цепи с вентильными преобразователями можно отнести к цепям с переменной структурой. Переключение вентилей выпрямителя изменяет проводящие фазы источника питания, что казалось бы требует описания работы каждого сочетания фаз, пока не замкнется цикл их повторения. Но данная проблема решается относительно легко при использовании "шагающей" системы координат, которая смещается дискретно с шагом, равным интервалу повторяемости преобразователя, каждый раз при подаче сигнала управления на открытие очередного вентиля. Тогда достаточно описать работу только одного сочетания фаз, распространив полученные уравнения на любое их сочетание, но при изменяемых начальных условиях.
Основная проблема моделирования электрических цепей с вентильными преобразователями заключается в учете коммутационных процессов. Когда на один из вентилей поступает сигнал управления и он открывается, в фазе источника, заканчивающей работу, в силу наличия индуктивности ток не может мгновенно снизиться до нуля. В результате образуется короткозамкнутый (коммутационный) контур. Только по истечении некоторого времени, называемого интервалом коммутации, закрывается вентиль в данной фазе. При идеальном вентиле протекающий через него ток в этот момент строго равен нулю.
Учет несинхронной коммутации вентилей преобразователей, работающих в общей системе электроснабжения
В полученных с помощью ЛПФ индивидуальных математических моделях вентильных преобразователей использовано совмещение локального интервала интегрирования с интервалом повторяемости вентильной схемы. Очевидно, что при наличии в СЭ двух и более вентильных преобразователей их углы управления отличаются и уже нельзя формально объединить их индивидуальные математические модели в общую, так как в этом случае не р совпадают начало (и конец) интервалов интегрирования при их общей одинаковой продолжительности. Если все же их ввести в математическую модель СЭ, то тем самым будут неправильно учтены фазовые сдвиги гармоник. По-видимому, такая модель может иметь право на существование: выполненные на ней расчеты дадут завышенный результат по коэффициенту искажения. Т.е. ее } целесообразно использовать для получения достаточных условий режима со стороны высших гармоник. Если же рассчитанный коэффициент искажения будет выше нормированного, то следует пересчитать гармоники по более точной модели.
Рассмотрим, как она получается, на примере однофазных полностью управляемых преобразователей, рис. 2.1, при условии мгновенной коммутации вентилей, что позволит яснее выявить принципы построения общей схемы замещения. На рис. 2.2 приведены диаграммы выпрямленных и фазных токов двух преобразователей. Один из преобразователей произвольно выбран за базовый, т.е. к нему привязана система отсчета текущей угловой координаты. Исходя из практических соображений, в качестве такового следует принимать наиболее мощный (по паспорту) преобразователь.
Особенности работы преобразователей в системе электроснабжения
Как уже отмечалось в 1-ой главе, общепринятым является рассмотрение режимов работы вентильных преобразователей в отрыве от режима работы системы электроснабжения. Единственно, производится учет изменения действующего значения напряжения питания преобразователей при изменении нагрузок в системе электроснабжения или же при изменениях напряжения со стороны поставщика электроэнергии. После определения состава гармоник тока на входе каждого вентильного преобразователя выполняется их наложение на всю электрическую сеть системы электроснабжения и вычисляются результирующие воздействия на ГЖЭ полученного состава гармоник.
К каким результатам это может привести, легко проследить на примере публикации [9], где рассматриваются вентильные преобразователи независимо от сети системы электроснабжения. При анализе условий возникновения резонансных перенапряжений в СЭС на одной из высших гармоник, генерируемых преобразователями, делается вывод, что теоретически эти перенапряжения должны быть бесконечно большими.
Действительно, если в электрической цепи, где есть фильтр-пробка, настроенный на одну из гармоник, допустить наличие тока именно данной частоты, то такой вывод напрашивается сам собой. Однако возникает вопрос: а возможно ли само существование тока именно на этой гармонике в такой электрической цепи? Поскольку на резонансной частоте сопротивление идеального фильтра-пробки равно бесконечности, то логично предположить отсутствие тока соответствующей гармоники в полигармоническом составе фазного тока.
Рассмотрим подробнее этот случай, поскольку неправильные теоретические посылки могут привести к неоправданным решениям в области ограничения перенапряжений в СЭС, где возникают резонансные явления. Последние могут быть спровоцированы как наличием конденсаторных установок, служащих для повышения косинуса угла нагрузки или же регулирования напряжения, так и распределенными емкостями элементов сети СЭС. В любом случае, для предотвращения опасных резонансных перенапряжений необходимо иметь возможность их правильного расчета.
Идентификация источников гармоник
Приведенные в первой главе схемы замещения потребителей, вносящих высшие гармоники в сеть системы электроснабжения, удобны для использования на этапе проектирования. При исследованиях в действующих системах электроснабжения приходится сталкиваться с недостаточностью исходной информации, когда потребители расположены на значительном удалении друг от друга и не удается провести синхронные замеры состава гармоник. Первоначально практически важной является задача установления источников высших гармоники в системе электроснабжения по отношению к точке контроля.
Пункты контроля при периодическом контроле КЭ в электрических сетях энергоснабжающей организации в соответствии с [49] принимаются следующие.
Пункты контроля качества закупаемой ЭЭ.
В качестве пунктов контроля КЭ закупаемой энергоснабжающей организацией ЭЭ выбирают границы раздела балансовой принадлежности двух энергоснабжающих организаций или иные пункты, связывающие электрические сети этих организаций и позволяющие проводить измерения КЭ. Выбранные пункты контроля указывают в договоре энергоснабжения между этими энергоснабжающими организациями.
Пункты контроля качества поставляемой потребителям ЭЭ.
Пунктами контроля КЭ, поставляемой потребителям, являются: центр питания (ЦП), если он принадлежит энергоснабжающей организации, в чьем ведении находится распределительная электрическая сеть (далее по распределительная сеть), и характерные точки в распределительной сети, выбор которых осуществляют в соответствии с рекомендациями, приведенными ниже.
Пункты контроля установившегося отклонения напряжения
Выбор контрольных пунктов в распределительной сети для измерения установившегося отклонения напряжения следует производить в следующем порядке.
Сгруппировать распределительные линии, отходящие от центра питания, если это возможно, по доминирующему характеру графиков нагрузки (линии с промышленной нагрузкой и линии с нагрузкой общественных, научных, коммерческих учреждений, жилых зданий и др.).
Выбрать в каждой из групп распределительных линий следующие контрольные пункты точек коммерческого контроля электроэнергии (ТКЭ):
- ТКЭ с потребителями, соответствующие точкам электрической сети, потери напряжения от ЦП до которых являются минимальными и максимальными в рассматриваемой группе распределительных линий в режимах наименьших и наибольших нагрузок ЦП;
- ТКЭ с потребителями, график нагрузки которых резко отличен от графика нагрузки ЦП;
- шины 0,4 кВ трансформаторных подстанций (ТП) 6-35/0,4 кВ, от которых осуществляется электроснабжение бытовых потребителей, потери напряжения от ЦП до которых являются минимальными и максимальными в рассматриваемой группе распределительных линий в режимах наибольших и наименьших нагрузок ЦП или вводно-распределительное устройство к этим бытовым потребителям.
