Математическая модель узла нагрузки с эквивалентным электроприемником

Аннотация

В рамках математической модели узла нагрузки с эквивалентным электроприемником и компенсирующим устройством, подключенным к неидеальному источнику питания, рассматривается вопрос идентификации её параметров с целью уменьшения длительности изменения напряжения в динамических режимах путём генерации в узле потребления нагрузки реактивной мощности емкостного характера.

Ключевые слова: колебания напряжения, реактивная мощность, математическая модель, регулирование напряжения, узел нагрузки.

Исследуемая проблема колебания напряжения в узлах нагрузки возникла при эксплуатации в системах энергоснабжения промышленных объектов электроприемников, имеющих достаточно низкий коэффициент мощности при работе в динамических режимах с потребляемой мощностью, сравнимой с мощностью короткого замыкания источника питания. Таковыми являются, например, электроприводы на базе асинхронного электродвигателя прямого включения. энергосбережение электроприемник кирхгоф Основным источником потерь электроэнергии в рассматриваемых системах являются перетоки реактивной мощности, приводящие к падению напряжения в узлах потребления нагрузки. При этом наибольшие потери возникают из-за кратковременных провалов напряжения в динамических режимах работы оборудования, когда помимо бросков потребления тока резко изменяется и коэффициент мощности [1].

Режимы работы вне номинальных значений напряжения питания приводят к повышению расходов на электроэнергию, а также снижению ресурса работы электрооборудования [2].

Осуществлять компенсацию колебаний напряжения принципиально возможно с помощью источников бесперебойного питания (ИБП) и устройств динамической компенсации искажений напряжения (ДКИН) [3−5]. Однако как ИБП, так и ДКИН рассчитаны на работу с электроприемниками с высоким (0,8−0,9) коэффициентом мощности [6] и не подходят для компенсации колебаний напряжения, вызванных резкопеременной нагрузкой с изменяющимся коэффициентом мощности. В этом случае возможно применять быстродействующие установки компенсации реактивной мощности, например фильтрокомпенсирующие устройства на базе конденсаторных батарей или статических преобразователей [7, 8].

В данной статье рассматривается вопрос идентификации параметров узла нагрузки в целях реализации цифровой системы регулирования напряжения на базе статических компенсационных преобразователей [9].

С этой целью рассмотрим схему замещения узла нагрузки с регулируемой установкой компенсации (рис. 1), где электроприемник или группа электроприемников, представлены в виде эквивалентной схемы замещения параллельно-включенных активного сопротивления и индуктивности потребляющие активную и реактивную мощности.

Рис. 1. Схема замещения узла нагрузки с устройством компенсации.

На рис. 1 показано, что от источника по кабельной линии протекает электрический ток, приводящий к падению напряжения, величина которого определяется активным сопротивлением и индуктивностью линии. В результате в узле потребления мощности имеется напряжение, которое подается на нагрузку с эквивалентным активным сопротивлением и индуктивностью, через которые протекает соответственно активный и реактивный токи. Для компенсации реактивной мощности используется управляемый активный компенсатор, представляющий собой источник тока. Текущие значения напряжения на нагрузке и общего потребляемого тока подаются на систему управления компенсирующей установкой.

Представим источник напряжения и электроприемник в виде звеньев замкнутой системы регулирования и соответственно. Значения потребляемого напряжения и тока подаются на входы регуляторов напряжения и тока — и. Суммарный сигнал управления по обоим контурам подается на устройство компенсации, выходным сигналом которого является требуемый реактивный ток компенсирующей установки (рис. 2.).

Необходимо учитывать, что, в отличие от передаточной функции источника, передаточная функция нагрузки меняется при изменении режима работы оборудования, что сказывается на динамических характеристиках системы регулирования. Помимо этого, некоторые электроприемники изменяют свои характеристики в динамических режимах работы. Например, асинхронные электродвигатели прямого включения при пуске имеют низкий коэффициент мощности, который постепенно повышается до номинальных значений в течение всего периода пуска [10].

Записав для данной схемы замещения уравнения Кирхгофа в операторном виде, получим следующую систему соотношений (2), описывающую динамические процессы в узле нагрузки с эквивалентным электроприемником и компенсирующим устройством, подключенным к неидеальному источнику питания:

(1).

где,, ,, ? коэффициенты и постоянные времени передаточных функций источника и приемника.

Из (1) видно, что ток компенсирующей установки позволяет производить регулирование напряжения, компенсируя влияние изменения коэффициентов и эквивалентной схемы замещения электроприемника.

В момент времени производится подача реактивного тока, с компенсирующего устройства и напряжение восстанавливается до первоначального уровня.

Расчет амплитуды и фазы тока производится системой регулирования по информации с датчиков тока и напряжения. На основании этих данных возможно в реальном времени определять параметры схемы замещения электроприемника по формулам.

где? действующие значения тока, потребляемого от источника и тока компенсирующей установки,? действующее значение напряжения в узле нагрузки, и? соответственно коэффициенты мощности нагрузки и компенсирующей установки,? частота питающей сети.

Заключение

Построенная в статье математическая модель узла нагрузки с эквивалентным электроприемником и компенсирующим устройством, подключенным к неидеальному источнику питания, позволяет оценить влияние изменения параметров нагрузки на напряжение в узле потребления мощности. При этом возможный диапазон регулирования напряжения определяется как параметрами линии передачи, так и эквивалентными параметрами электроприемника. Путем мониторинга значений этих параметров возможно в реальном времени корректировать параметры системы управления компенсирующим устройством и, тем самым, уменьшать длительность изменения напряжения в динамических режимах работы нагрузки.

• 1. Браславский И. Я., Ишматов З. Ш., Поляков В. Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод под ред. И. Я. Браславского. М.: Академа. 2004. 202 с.
• 2. Зайцев А. И., Плехов А. С., Бойчук В. С., и др. Оценка возможных перенапряжений и токовых перегрузок в узлах нагрузки, влияющих на работоспособность конденсаторных установок / Энергетические системы. Электротехнические комплексы и системы управления 2008. № 1. С. 8−12.
• 3. Кондратьева Н. П., Юран С. И., Владыкин И. Р. и др. Инновационные энергосберегающие электроустановки для предприятий АПК Удмуртской Республики. // Инженерный вестник Дона, 2013, № 2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1632/.
• 4. Васюченко П. В. Управление потерями в электрических сетях с помощью регулируемых устройств продольной компенсации // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2014. № 8(126). С 10−16.
• 5. Чайка Д. Повышение энергоэффективности за счет улучшения качества электроснабжения // Современные технологии автоматизации. 2004. № 1. С. 22−26.
• 6. Chen, S.X., Foo Eddy, Y.S., Gooi, H.B., etc A centralized reactive power compensation system for LV distribution networks // Power Systems, IEEE transactions (vol 30, issue 1). 2015. pp. 274−284.
• 7. Dixon J., Moran L., Rodriguez J., etc Reactive power compensation technologies: State-of-the-art review // Proceedings of the IEEE (vol 93, issue 12). 2005, pp. 2144−2164.
• 8. Титов В. Г., Плехов А. С., Бинда К. А. и др. Управление энергосберегающими полупроводниковыми преобразователями // Инженерный вестник Дона, 2013, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1909.
• 9. Кашканов А. О., Плехов А. С., Титов В. Г., и др. Энергосберегающие полупроводниковые источники реактивной мощности // Производственно-технический журнал Промышленная энергетика. 2012. № 5. С. 47−51.
• 10. Кашканов А. О., Плехов А. С. Энергосберегающее управление электрическими узлами нагрузки // XII всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2014. Москва, 16−19 июня 2014 г.: Труды. С. 5171−5180.