Компенсация высших гармоник с учетом фазовых соотношений в электротехническом комплексе промышленных предприятий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Добуш, Василий Степанович

• Добуш, Василий Степанович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Добуш, Василий Степанович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ УЧЕТА ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

1.1 Влияние высших гармоник на работу электрооборудования

1.2 Особенности возникновения высших гармоник в электрических сетях

1.3 Основные показатели, характеризующие наличие высших гармоник

1.4 Способы и средства компенсации высших гармоник

1.5 Определение параметров компенсирующих устройств на основе расчетных схем

1.6 Выводы по главе 1

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ

2.1 Описание эксперимента

2.2 Преобразование экспериментальных данных

2.3 Результаты обработки экспериментальных данных

2.4 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

3.1 Моделирование нелинейной нагрузки в виде источников тока

3.2 Результаты моделирования при учете угла сдвига фаз

3.3 Моделирование с помощью имитационной модели

3.4 Алгоритм реализации моделирования в среде Ма1:1аЬ-8игшНпк

3.5 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ВЫБОРА СРЕДСТВ КОМПЕНСАЦИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК С УЧЕТОМ ФАЗОВЫХ соотношений

4.1 Анализ схем замещения промышленных предприятий

4.2 Анализ спектра гармоник КБ

\ V

4.3 Определение зависимости изменения угла сдвига фаз от изменения

параметров системы электроснабжения

4.4 Алгоритм выбора реакторов

4.5 Выводы по главе 4

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

\

\ \

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компенсация высших гармоник с учетом фазовых соотношений в электротехническом комплексе промышленных предприятий»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

При современном развитии технологий силовой электроники все шире внедряется преобразования электрической энергии с использованием силовых ключей-тиристоров, IGBT и MOSFET-транзисторов с частотой коммутации до нескольких килогерц. Доля таких приборов непрерывно растет, при этом происходит насыщение электрической сети токами высших гармоник (ВГ). К негативным последствиям наличия ВГ следует отнести ускоренное старение изоляции кабеля, перегрузки по току электрооборудования, ложное срабатывание устройств защиты, выход из строя конденсаторных батарей. Следовательно, при наличии ВГ снижается эффективность функционирования электротехнического комплекса предприятия в целом.

Оценкой работы электрических сетей при наличии искажений в напряжении и токе занимался ряд известных ученых, среди которых Абрамович Б.Н., Арриллага Дж., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Ильяшов В.П., Шидловский А.К., Томпсон М., Фукс Эв., и др.

Однако до сих пор при расчетах несинусоидаЛьных режимов работы сети не учитывалось влияние фазовых соотношений на высших гармониках, характеризующих сдвиг фаз между напряжением и током на разных гармониках как на нагрузке, так и в питающей сети. Очевидно, что учет указанных соотношений должен привести к более точному выбору параметров компенсаторов ВГ, что в конечном итоге повысит качество электроэнергии и надежность работы электрооборудования.

В этой связи очевидна необходимость оценки влияния фазовых соотношений с дальнейшей разработкой алгоритма выбора уточненных параметров компенсатора ВГ.

Цель работы

Повышение эффективности функционирования системы компенсации высших гармоник путем применения модели, учитывающей фазовые характеристики электропривода при различных режимах его работы.

Основные задачи исследования

1. Разработка структуры модели электрической сети предприятия при наличии ВГ как со стороны внешнего источника относительно ввода предприятия, так и со стороны самого предприятия;

2. Выявление зависимостей тока нагрузки от фазовых соотношений на ВГ на типовой модели;

3. Оценка влияния фазовых соотношений источников ВГ на работу электрооборудования;

4. Разработка алгоритма выбора средств ВГ при учете угла сдвига фаз на нелинейной нагрузке;

5. Разработка методики рационального выбора средств компенсации на ВГ.

Идея работы

Для повышения эффективности работы средств компенсации высших гармоник при выборе их параметров следует учитывать фазовые соотношения напряжений и токов источников высших гармоник на нагрузке и в питающей сети.

Методология и методы исследований

Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, решения вариационных задач, математического моделирования электрических сетей с использованием пакета МайаЬ, интерполяции и аппроксимации данных, экспериментальные исследования режимов работы электрической сети. 4

Научная новизна

¡.Выявлены зависимости изменения коэффициента перегрузки по току на конденсаторных батареях (КБ), как наиболее чувствительного элемента по отношению к ВГ, от фазовых соотношений токов и напряжения на нелинейной нагрузке при вариации параметров источников;

2. Обоснован алгоритм выбора структуры компенсации ВГ с учетом максимального воздействия угла сдвига фаз между током и напряжением на нелинейной нагрузке.

Положения, выносимые на защиту

1. Выбор параметров расчетной схемы замещения электротехнического комплекса в границах определенного диапазона изменения нагрузки и конфигурации сети, характерного для электротехнического комплекса промышленных предприятий, следует осуществлять с учетом зависимостей токов нагрузки от фазовых соотношений источников высших гармоник, с учетом соотношения линейной и нелинейной нагрузок, что позволит повысить точность определения параметров режимов работы электрооборудования;

2. Выбор структуры и параметров системы компенсации высших гармоник в электрической сети, содержащей в общем виде различные источники гармоник, следует осуществлять на основании выявленных сдвигов фаз тока и напряжения на определяющих режим работы оборудования гармониках, учитывая максимальное их воздействие на конденсаторную батарею.

\

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается применением апробированных методов теории нелинейных цепей, математического и имитационного моделирования и достаточной сходимостью теоретических изысканий и экспериментальных исследований параметров и режимов работы нагрузки с силовыми полупроводниковыми преобразователями.

Реализация выводов и рекомендаций работы

Алгоритм выбора устройства компенсации высших гармоник, его параметров и координат подключения, могут быть рекомендованы при проектировании в компании ООО «М-ПРО».

Апробация

Основные положения и результаты работы Докладывались и получили положительную оценку на: «2-ой Международной научно-практической

конференции молодых ученых и студентов «Опыт прошлого - взгляд в будущее», г. Тула, восемнадцатой всероссийской'конференции «Энергетика: «Эффективность, надежность, безопасность», г. Томск. Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

\ 4

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Добуш, Василий Степанович

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1)Разработана структура модели электрической сети предприятия при наличии высших гармоник как со стороны внешнего источника относительно ввода, так и со стороны самого предприятия, включающая элементы, характеризующие сдвиг фаз между напряжением и током на указанных источниках

2)Выявлены зависимости тока КБ от фазовых соотношений на высших гармониках на типовой модели. Построены зависимости тока КБ от фазовых соотношений на имитационной модели при наличии высших гармоник как со стороны внешнего источника относительно ввода, так и со стороны самого предприятия. Установлено, что сдвиг фаз на ВГ может варьироваться в широких пределах от 137° до 348°. Неучет фазовых соотношений приводит к погрешности определения тока КБ равной 20% и более процентов.

3)Произведена оценка влияния фазовых соотношении источников высших гармоник на режим работы электрооборудования. Выявленная погрешность использования типовой модели при выборе компенсирующих устройств составляет 30%, что значительно уменьшает эффективность компенсации ВГ

4)Разработан алгоритм выбора средств компенсации высших гармоник при учете угла сдвига фаз на нелинейной нагрузке.

5)Алгоритм выбора устройства компенсации высших гармоник, его параметров и координат подключения рекомендованы при проектировании в компании ООО «М-ПРО»(Приложение Г). \

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Добуш, Василий Степанович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абрамович Б.Н., Асафов В.Н., Шклярский ЯЗ. Секционированная батарея конденсаторов для рудничных электрических сетей с ограничительными реакторами. Квартальник ГМА, Краков, №9,1999.-С.75-78.

2. Абрамович Б.Н., Полищук В.В. Надежность систем электроснабжения: Учебное пособие / СПГГИ. - СПб, 1997. - 37 с.

3. Абрамович Б.Н., Тарасов Д.М., Устинов Д.А., Сычев Ю.А. Проблемы контроля и компенсации гармонических искажений в сетях предприятий цветной металлургии // Цветные металлы. - 2008. - № 9. -С.90-94. ^

4. Абрамович Б.Н., Устинов Д.А. Электропривод и электроснабжение горных предприятий: Учебное пособие / СПГГИ. - СПб, 2004. - 84 с.

5. Агунов A.B. Статический компенсатор неактивных составляющих мощности с полной компенсацией гармонических составляющих тока нагрузки // Электротехника. - 2003. - № 2. - С. 10-12.

6. Александров Г.Н. Статический тиристорный компенсатор на основе управляемого шунтирующего реактора трансформаторного типа // Электричество. - 2003. - № 2. - С.38-46.

7. Александров Г.Н. Управляемые реакторы: принцип действия, основные характеристики и перспективы использования в электрических сетях // Электротехника. - 2007. - № 4. - С. 14-22. \

8. Арриллага Дж., Бредли Б., Боджер П. Гармоники в электрических системах. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.

9. Асафов Вагиф Назир оглы Разработка секционированной конденсаторной установки для сети горного предприятия с вентильной нагрузкой: дис. на соискание ученой степ. канд. техн. наук: 05.09.03. -СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1994.

Ю.Ахлюстин В.К. Электрификация обогатительных фабрик. - М.: Недра, 1973.-424 с.

11.Багаутинов Г.А., Марков Ю.А. Электропривод и электрификация приисков. - М.: Недра, 1989. - 303 с.

12.Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи, Учебник. 10-е изд. М.: Гардарики, 2002. 200 с.

13.Блантер С.Г., Суд И.И. Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности. - М.: Недра, 1980. - 478 с.

14.Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК.[Корона-Принт 2002- с.304

15. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТЬАВ 6.0. СПб., Корона-Принт, 2001320 с.

16.Глухарев Ю.Д., Замышляев В.Ф. Техническое обслуживание и ремонт горного оборудования. - М.: Издательский центр Академия, 2003. - 400 с.

17.Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника Учебник для вузов/Под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Эн^ргоатомиздат, 1988. - 320с

18.ГОСТ 1282-79 Конденсаторы для повышения коэффициента мощности электроустановок переменного тока частоты 50 и 60 Гц.

19.ГОСТ Р 54149-2010 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

20.Добрусин Л.А. Компьютерное моделирование влияния преобразователей на сеть. НТФ «Энергопрогресс», 2005. - 120 стр.

21.Добрусин Л.А. Фильтрокомпенсирующие устройства для преобразовательной техники. НТФ «Энергопрогресс», 2003. -84 стр.

22.Добуш В. С. Влияние угла сдвига фаз на расчет параметров сети при гармонических искажениях/ В. С. Доб^ш, Я. Э. Шклярский // Материалы докладов восемнадцатой всероссийской конференции

«Энергетика: эффективность, надежность, безопасность». Томск, 2012 - С.44-47. ^

23.Добуш В. С. Влияние энергетических характеристик на определение параметров электрической сети / B.C. Добуш, Я.Э. Шклярский // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - №4 -СПб. - 2012. - С. 77-80.

24. Добуш В. С. Оценка фазовых соотношений гармонических составляющих частотно-регулируемого привода/ Добуш В. С., Шклярский Я. Э. // Записки Горного института. - Т. 196. - СПб. 2012. - С. 285-288.

25.Добуш B.C. Влияние гармонического состава тока и напряжения на мощность искажения / B.C. Добуш, Я.Э. Шклярский, A.A. Брагин// Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2012. №4. С. 26-31. URL: http: //www.ogbus.ru /authors /ShklyarskW Shklyarskii_2.pdf.

26.Добуш B.C. Влияние угла сдвига фаз на расчет цепи, содержащей нелинейную нагрузку / B.C. Добуш, A.A. Брагин // 2-я Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов "Опыт прошлого - взгляд в будущее", Тула, 2012.-С. 447-454

27. Добуш B.C. Исследование зависимости мощности искажения от гармонического состава тока и напряжения / Добуш B.C., Шклярский Я.Э., Брагин A.A.// Сборник "Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения". Том 2, Воркутинский горный институт, 2010. -С. 399-404

28.Дьяконов А.Г. Среда для вычислений и визуализации МАТЛАБ. Москва, 2010.-84 с. ^

29.Дьяконов В.П. MATLAB 7.* /R2006/R2007. Самоучитель. М.: ДМК Пресс, 2008. — 768 с.

30. Жак Куро Современные технологии повышения качества электроэнергии при ее передаче и распределении // Новости электротехники. - 2005. - № 1.

31.Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. - 4-е изд., перераб. и доп. - М: Энергоатомиздат, 2000. -331с.

32.Жежеленко И.В., Рабинович М.Л., Божко В.М. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. - К.: Техника, 1981. -160 с.

33.Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Взаимное сопротивление электрических сетей на частотах гармоник// Известия вузов. Серия Энергетика. 1990. №2.

34.Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 252 с.

35.Железко Ю. С., Влияние потребителя на качество электроэнергии в сети и технические условия его присоединения. Промышленная энергетика, 1991, №8. - с 39-41.

36.Железко Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -176 с.

\

37.Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 200 с.

38.Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов М.: ЭНАС, 2009. - 456 с.

39.Железко Ю.С., Кордюков Е.И. Высшие гармоники напряжения обратной последовательности в энергосистемах Сибири и Урала. // Электричество, 1993, № 11 - С.32-37.

40.Железко Ю.С., Стан В.В. Построение системы контроля и учета качества электроэнергии.// Электричество, 1993, № 11, С. 32-37

41.3евеке Г.В. Основы теории цепей. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергия, 1975.-752 с. *

42.Золотых Н.Ю. Использование пакета Matlab в научной и учебной работе. Н.Новгород.- 2006.- 165 с. ^

43.Ильяшов В.П. Конденсаторные установки промышленных предприятий. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983. -152 с.

44.Карташев И. Я., Тульский В. К, Шамонов Р. Г. и др. Управление качеством электроэнергии. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006.

45.Кетков Ю.Л., Кетков А.Ю., Шульц М.М. MATLAB 7: программирование, численные методы

46.Кириенко В.П., Слепченков М.Н. Комплексное устройство компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с управляемыми выпрямителями // Электричество. - 2006. - № 11.- С.33-40.

\

47.Кужекин И.П. Основы электромагнитной совместимости современного энергетического оборудования. Учебное пособие для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - 144 с.

48.Кузнецов В.Г., Куренный Э.Г., Лютый А.П. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения Донецк, Донбасс, 2005.С.249

49.Кумаков Ю.В. Инверторы напряжения со ступенчатой модуляцией и активная фильтрация высших гармоник // Новости электротехники. -2005.-№6.

50.Куско А., Томпсон М. Качество энергии в электрических сетях М.: Додэка-ХХ1, 2008. — 336 с.

\

51.Кучумов Л. А., Кузнецов A.A. Методики расчета ВГ токов намагничивания понижающих трансформаторов. // Электричество, 1998 №3,- С. 13-20.

52.Кучумов Л.А., Спиридонова Л.В. Потери мощности в электрических сетях и их взаимосвязь с качеством электроэнергии. - Л.: Изд-во ЛПИ, 1985.-92 с.

53.Ланцов В., Эраносян С. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания: проблемы и пути их решения. Часть 1 // Силовая электроника. 2006. № 4

54.Ланцов В., Эраносян С. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания: проблемы и пути их решения. Часть 2 // Силовая электроника. 2007. № 1.

55.Лурье М.С., Лурье О.М. Применение программы МАТЪАВ при изучении курса электротехники. - Красноярск: СибГТУ, 2006. - 208 с.

56.Попков О. 3. Основы преобразовательной техники / М. из-во МЭИ, 2005.: 200 стр.

57.Пронин М.В. Активные фильтры высших гармоник. Направления развития // Новости электротехники. - 2006. - № 2.

58.Розанов Ю.К., Гринберг Р.П. Гибридные фильтры для снижения несинусоидальности тока и напряжения в системах электроснабжения // Электротехника. - 2006. - № 10. - С. 55-60.

59.Сапунов М.В. Вопросы качества электрической энергии // Новости электротехники. - 2001. - № 4.

60.Семенов Б.Ю. Силовая электроника. Профессиональные решения// СОЛОН-ПРЕСС, 2011. -С. 416.

\

61.Скамьин А.Н. Обоснование структуры' и параметров системы компенсации реактивной мощности при наличии высших гармоник в напряжении и токе. дис. на соискание ученой степ. канд. техн. наук: 05.09.03. - СПб.: Изд-во СПбГГТУ, 2011.

62.Чаплыгин Е.Е., Вилков А.Е. Трехфазные активные выпрямители с пофазовым управлением. Практическая силовая электроника, № 43, 2011, с. 14-20

63.Чаплыгин Е.Е., Ковырзина О.С. Компенсация неактивных составляющих полной мощности дуговых сталеплавильных печей // Электричество. - 2009. -№11.- С.30-37.

\ \

64.Черепанов B.B. Методика анализа несинусоидальных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий // Электротехника. -1989. -№17. \

65.Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems, Simulink. - СПб.: Изд-во ДМК Пресс, 2008.-290 с.

66.Шидловский А.К. Использование устройств силовой электроники для повышения эффективности энергетических процессов. II Seminarium Polsko-Ukrainskie «Problemy Electroenergetyki». Lodz. 1998-С. 15-26.

67.Шидловский A.K., Жаркин А.Ф. Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях. К.: Наукова думка, 2005. - 210 с.

68.Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества энергии в электрических сетях. - Киев: Наук, думка, 1985. - 268 с.

69.Шидловский А.К., Кузнецов В.Г., Мостфвяк И.В. Энергетические

\

характеристики электромагнитной совместимости цепей. // Техн. Электродинамика.- 1987.- №3.-С.32-37.

70.Шклярский Я.Э. Методы и средства повышения эффективности управления потоками реактивной мощности электротехнических комплексов горнодобывающих предприятий: дис. на соискание ученой степ. докт. техн. наук: 05.09.03. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2004.

71.Шклярский Я.Э. Переходные процессы в подземных сетях при коммутации поперечных конденсаторов. Краков: Изд-во КГМА. 1990.-С.-106

72.Шклярский Я.Э. Управление потоками реактивной мощности на горных предприятиях. - СПб.: Изд-во СПбГ^ГУ, 2002. - 94 с.

73.Шклярский Я.Э., Ситников Д.А., Скамьин А.Н. Уменьшение влияния высших гармоник на работу электротехнического комплекса горного предприятия // Сб. Записки Горного института. - 2008. - том 178. -С.162-165.

74.Шклярский ЯЗ., Скамьин А.Н. Способы уменьшения влияния высших гармоник на работу электрооборудования // Сб. Записки Горного института. - 2011. - том 189. - С. 121 -124.

75.Arrillaga, J.; Smith, B.C.; Watson, N.R.; and Wood, A.R.; Power Systems Harmonic Analysis, John Wiley & Sons, 1997.

76.B. Singh, K. Al-Haddad и A. Chandra, «Обзор активных фильтров для повышения качества электроэнергии» IEEE Trans. Ind. Electron., том 46, № 5, с. 960-971,

77.Das, J.C.; "Passive filters - potentialities and limitations," IEEE Transactions on Power Industry Applications, Vol. 40, no. 1, pp. 232-241, 2004.

78. David Chapman Harmonics: Causes and effects // Power quality application guide, March 2001. 13p.

79.EN-50160 Voltage Characteristics of Public Distribution Systems, 1994

80.Ewald F. Fuchs, Mohammad A.S. Masoum. Power Quality in Power Systems and Electrical Machines c. 635

81.Habrouk M.; Darwish M.K.; and Mehta P.,"Active power filters: a review," 1EE Proceedings-Electric Power Application, Vol. 147, pp. 203-213, 2000.

82.IEEE Std 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, 1992.

83.R. Faranda, E. Tironi, I. Valade и D. ZaniAelli, «Улучшение качества электроэнергии с помощью управляемого последовательного реактора и параллельного кондиционера электроэнергии», Электротехника на рубеже тысячелетий, Capri, Italy, 2000

84. Schneider Electric - Выпуск 22 - Гармонические искажения в электрических сетях и их снижение

85.Schneider Electric. Выпуск 30. - Измерение и устранение гармоник// Изд-во Schneider Electric, 2009 - С. 48.

\ N

106