Методы и устройства симметрирования напряжений в системах электроснабжения

Интенсивное развитие силовой электроники и микропроцессорной техники делает возможным на новой элементной, схемотехнической и системотехнической базе решать реальные задачи управления качеством электроэнергии.

Электрическая энергия является товаром, специфичность которого по сравнению с обычными товарами заключается в следующем. Отдельно взятый потребитель может ухудшать качество электроэнергии в общей энергоснаб-жающей сети. В результате этого не только он сам становится потребителем некондиционной энергии, но и вынуждает других потреблять электроэнергию пониженного качества. Возникающий вследствие этого ущерб характеризуется увеличением потерь электроэнергии, выходом из строя электротехнического оборудования, нарушением работы автоматики, телемеханики, связи и электронной техники. По существу, это делает вопрос о качестве электроэнергии не только технической и экономической, но и экологической проблемой.

Электрическая энергия, являясь универсальным видом энергии, характеризуется большим числом показателей, значение которых проявляется при ее производстве, передаче и преобразовании в другие виды энергии. Совокупность этих показателей должна удовлетворять требованиям ряда государственных стандартов, среди которых основным является ГОСТ 13 109–97, который регламентирует качество электроэнергии в электрических сетях общего назначения.

К числу нормируемых относятся показатели, характеризующие, в частности, отклонения и колебания напряжения, несинусоидальность формы его кривой, несимметрию и неуравновешенность трехфазной системы, а также отклонения и колебания частоты. Несоответствие показателей качества электроэнергии нормативным значениям вызывает дополнительные потери электроэнергии по сравнению с теми, которые предусматриваются номинальным режимом работы электрооборудования.

Ущерб от некачественной электроэнергии имеет электротехническую и технологическую компоненту. Электротехническая компонента ущерба определяется взаимным влиянием элементов системы электроснабжения и выражается в снижении энергетических показателей работы электрооборудования и срока его службы, а также в аварийных отказах элементов. Технологическая составляющая проявляется в снижении количества и качества выпускаемой продукции вследствие влияния качества электроэнергии на производительность механизмов. Таким образом, проблема качества электроэнергии не является внутренней электротехнической проблемой, а непосредственно затрагивает все отрасли производственной деятельности.

Проблема качества электроэнергии с электротехнической точки зрения проявляется в электромагнитной совместимости элементов системы электроснабжения. Под электромагнитной совместимостью понимают степень взаимного влияния электрооборудования, при котором отсутствуют нарушения нормальной работы и падение эффективности ниже некоторого экономически обоснованного предела.

Большой вклад в решение проблем качества электроэнергии и электромагнитной совместимости элементов системы электроснабжения внесли отечественные ученые Веников В. А., Жежеленко И. В., Зиновьев Г. С., Мыцык Г. С., Розанов Ю. К., Туманов И. М., Харитонов С. А., Чванов В. А. и др.

Как показывают исследования, наибольший ущерб вызывают отклонения напряжения. Поэтому большое внимание в электротехнической литературе уделено разработкам мероприятий и оборудования, способствующим стабильности величины напряжения. Значительное внимание уделяется также разработкам, направленным на исследования влияния искажения синусоидальности формы кривой тока и напряжения и причин их возникновения. Предложено значительное число методов и устройств, позволяющих снизить ущерб от искажения синусоидальности.

Особое место среди всех проблем качества электроэнергии занимают проблемы, связанные с несимметрией напряжений систем переменного тока. Несимметрия токов уменьшает пропускную способность питающих трёхфазных сетей, снижает технико-экономические показатели трансформаторов, увеличивает потери активной мощности и энергии. Несимметричные напряжения уменьшают мощность выпрямительных установок, снижают эффективность использования регулирующих и компенсирующих устройств.

Среди наиболее распространенных источников несимметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения можно выделить такие потребители электроэнергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. К таким установкам, например, относятся тяговые нагрузки железных дорог, выполненные на переменном токе, индукционные и дуговые электрические печи, электросварочные агрегаты, осветительные установки.

Несимметричные режимы напряжений в электрических сетях могут возникать в аварийных ситуациях — при обрыве фазы или несимметричных коротких замыканиях.

Потери при несимметричной нагрузке обусловлены напряжением обратной последовательности и для коэффициента несимметрии, не превосходящего нормативного значения, достигают 2,4% для асинхронных двигателей, 4% — для трансформаторов, 4,2% —для синхронных двигателей от номинальных значений. Однако, как показывают обследования промышленных предприятий, весьма часто практикуется подключение значительных однофазных нагрузок, что приводит к нарушению нормативного значения коэффициента несимметрии по обратной последовательности. Применение различного рода однофазных электротермических установок большой мощности (до 10 МВт) и трехфазных дуговых печей приводит к значительному увеличению доли несимметричных нагрузок на промышленных предприятиях, что создает в системах электроснабжения длительные несимметричные режимы, характеризующиеся несимметрией токов и напряжений [90]. Естественное отклонение симметрии фазных токов имеет место в сетях со значительной осветительной составляющей нагрузки.

Несимметрия напряжения в системах электроснабжения оказывает влияние на работу всех потребителей электроэнергии. Особенно неблагоприятно несимметрия напряжения сказывается на работе и сроке службы асинхронных двигателей. Сопротивление асинхронных двигателей токам обратной последовательности в 5—7 раз меньше сопротивления токам прямой последовательности, и при наличии даже небольшой составляющей напряжения обратной последовательности возникает значительный ток обратной последовательности. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и вызывает дополнительный нагрев ротора и статора, что приводит к быстрому старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя. Например, при несимметрии напряжения, равной 4%, срок службы полностью загруженного асинхронного двигателя сокращается в 2 раза, а при несимметрии напряжения, равной 5%, располагаемая мощность двигателей уменьшается на 5—10%, при несимметрии, равной 10%, — на 20—50%.

В асинхронных двигателях несимметрия напряжений обусловливает также противодействующий вращающий момент, который уменьшает полезный момент. Уменьшение полезного момента за счет противодействующего момента при несимметричной нагрузке пропорционально квадрату коэффициента несимметрии напряжений.

Помимо этого несимметрия токов уменьшает пропускную способность питающих трёхфазных сетей, снижает технико-экономические показатели трансформаторов, увеличивает потери активной мощности и энергии. Несимметричные напряжения уменьшают мощность выпрямительных установок, снижают эффективность использования регулирующих и компенсирующих устройств.

Сказанное можно иллюстрировать расчетом потерь активной мощности в элементах системы электроснабжения промышленных предприятий, обусловленные несимметрией напряжения. Расчеты проведены по методике, приведенной в [83].

В любом элементе трехфазной сети без нулевого провода дополнительные потери рассчитывают по выражению: где ЛР2(. — потери активной мощности в элементе / системы электроснабжения, обусловленные токами обратной последовательностиА 7]- время работы /-го вида оборудования за учетный период.

Произведем расчет дополнительных потерь активной мощности применительно к следующему составу оборудования схемы электроснабжения:

Таблица В. 1.

Электрооборудование Количество Номинальное напряжение ином, кВ Мощность Рном {1 ном), кВт (кВА) Время работы 77, тыс. ч/год.

Трансформаторы связи с энергосистемой 1 110/6 80 000 8,5.

Цеховые трансформаторы 12 6/0,4 1 600 8.

2 6/0,4 2 500 8.

Синхронные машины 4 6 2 500 8.

Асинхронные двигатели 15 6 1 000 7.

Батареи конденсаторов 90 6 5 400 8,7.

Мощность КЗ электрической системы Я. =1000 МВ.А.

Расчет ЛР2/ производится по формулам:

Для трансформаторов:

АР2,=АРкК2нсы<�и ом/8к), где АРкпотери в меди трансформатора в опыте КЗик — напряжение КЗ трансформатора, отн.ед.- £ном — номинальная мощность трансформатора- 5'1с мощность КЗ на шинах высокого напряжения трансформатора-^нСМ, и — коэффициент несимметрии напряжения в узле подключения нагрузки. Для синхронных машин: где кси — расчетный коэффициент для различных типов СМ, полученный по усредненным данным.

Таблица В.2.

Расчетные значения коэффициентов ксм для синхронных машин.

Турбогенераторы Явнополюсные генераторы и двигатели Синхронные компенсаторы с успокоительной обмоткой без успокоительной обмотки.

1,856 0,681 0,273 1,31.

Результаты расчета для указанных выше параметров электрооборудования приведены в таблице В.З.

Если взять разницу для соответствующих строк таблицы в суммовом выражении: (т.е.: до и после применения мер по снижению несимметрии напряжений) из расчета тарифа за КВт/час = 1,27 руб., то получим следующую годовую экономию в рублях:

1) для трансформаторов связи: 146 665 руб.

2) для цеховых трансформаторов: 25 947 руб.

Таблица В.З.

При несимметрии напряже ний Кнолф= 0,04 При несимметрии на пряжений К111ши= 0,01.

Для трансформато ров связи с энер госистемой 8500−310 (0,04)2 ,"10, п АЭ2Г =7-——= 123 184 кВт (°'105+%оо) 8500−310(0,01)-=?б99 ^ (0,Ю5 + %00).

Для цеховых трансформаторов АЭ2ЦТ = 8000 -12−18 (0,04)2 • 6,4 + + 8000−2-25 (0,04)2−6,4 = 21 792 кВт АЭ2ЦТ = 8000−12−18 (о, 01)2 • 6,4 + + 8000- 2¦ 25 (0,01)2- 6,4 = 1361 кВт.

Таким образом, устранение даже незначительной несимметрии системы трехфазного напряжения приводит к существенной экономии. Поэтому задача разработки методов и устройств симметрирования напряжений в электроэнергетической трехфазной системе является актуальной. В то же время разработкам методов симметрирования системы трехфазного напряжения в научно—технической литературе уделено значительно меньшее внимание, чем другим проблемам качества электроэнергии.

Существует еще одна проблема, не относящаяся непосредственно к проблематике качества энергии, решение которой актуально для распределительных сетей промышленных предприятий, — сведение к минимуму передачи по элементам системы электроснабжения реактивной мощности.

Большая часть электроприемников (электродвигатели, трансформаторы и др.), потребляют не только активную мощность, но и реактивную мощность индуктивного характера. При передаче по элементам системы электроснабжения реактивной мощности, необходимой для преобразования электроэнергии, в них возникают потери активной мощности, а также отклонения напряжения от номинального значения.

Настоящая диссертация посвящена разработке методов симметрирования трехфазной системы напряжений и комплексов для их реализации. При этом особое внимание уделено системам, обеспечивающим одновременно с решением этой основной задачи частичное или полное решение задач компенсации неактивной мощности. Под последней понимается как реактивная мощность, так и мощность искажения, связанная с наличием нелинейных и импульсных нагрузок. Возможность такого совмещения следует из самого принципа функционирования предлагаемых устройств и комплексов, построение которых в настоящее время становится реальным благодаря интенсивному развитию элементной базы силовой электроники и внедрению микропроцессорной техники.

Кроме того, значительная часть диссертации посвящена проблеме симметрирования в выходных сетях вторичного электроснабжения, получающих в последнее время широкое распространение.

Сказанное свидетельствует об актуальности темы диссертации.

Целью работы является разработка и исследование электротехнических комплексов для симметрирования напряжений в трехфазных системах с совмещением частичного или полного решения задачи компенсации неактивной мощности нагрузки.

Методы исследований. При проведении исследований были использованы методы дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования и элементы теории нечеткой математики, а также методы анализа электрических цепей.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

— на основании проведенного анализа описанных в научно-технической и патентной литературе способов и устройств симметрирования предложен вариант классификации методов и устройств симметрирования напряжений в электроэнергетических трехфазных системах;

— в качестве наиболее перспективного метода симметрирования в сетях общего назначения предложен метод, основанный на использования комплекса «регулируемый выпрямитель — ведомый инвертор», и импульсной модуляции потребляемых его модулями токов, позволяющий совместить решение задачи симметрирования с решением задачи компенсации неактивных мощностей нагрузки- - для выходных сетей вторичного электроснабжения на основе полупроводниковых генераторов предложены методы симметрирования, не требующие использования дополнительного силового оборудования, а также комбинированная система на основе фаззирегулятора, реализующая эти методы, в которой с целью обеспечения выполнения требований к качеству электроэнергии в условиях изменения состояния сети и нагрузки осуществляется распределение функции симметрирования между подсистемами.

Практическая ценность работы заключается в разработке методов симметрирования напряжений в трехфазных системах и схем электротехнических комплексов, реализующих эти методы, позволяющие совмещать решение задачи симметрирования с частичной или полной компенсацией неактивной мощности нагрузки.

Предложенные методы и схемы могут быть использованы на промышленных предприятиях, применяющих различного рода однофазные электротермические установки большой мощности и трехфазные дуговые печи, приводящие к значительному увеличению доли несимметричных нагрузок и длительных несимметричных режимов, а также в тяговых сетях железных дорог. Они могут найти широкое применение в выходных сетях вторичного электроснабжения ограниченной мощности, построенных на основе полупроводниковых преобразовательных комплексов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Наиболее перспективным методом симметрирования системы трехфазного напряжения в сетях общего назначения является метод с перераспределением нагрузки между фазами с использованием промежуточного преобразования энергии на базе комплекса «регулируемый выпрямитель — инвертор, ведомый сетью» с импульсной модуляцией потребляемых его модулями токов. Эффективность метода определяется совмещением решения задачи симметрирования с частичной или полной компенсацией неактивной мощности нагрузки.

2. В выходных сетях вторичного электроснабжения на основе автономных инверторов тока симметрирование системы трехфазного напряжения достигается посредством импульсно-фазового регулирования вентильно-реакторного компенсатора реактивной мощности. В выходных сетях вторичного электроснабжения на основе полупроводниковых источников активной и реактивной мощности симметрирование системы трехфазного напряжения достигается на основе регулирования длительности интервалов проводимости рабочих вентилей. Реализующие эти методы системы симметрирования (5- система ивсистема соответственно) обладают высоким быстродействием и не требуют использования дополнительного силового оборудования.

3. Комбинированная система симметрирования фазных напряжений выходных сетей вторичного электроснабжения, соединяющая полезные свойства в — системы и 8 — системы и ослабляющая их недостатки, обеспечивает выполнение требований Госстандарта к качеству напряжения в отношении коэффициентов несимметрии по обратной последовательности и искажения синусоидальности для типичных параметров несимметричной нагрузки, что подтверждается компьютерным моделированием. Распределение функции симметрирования между в — и 5 — системами осуществляется с помощью фаззи-регулятора, решающие правила которого сформулированы на основании проведенных исследовании обеих систем и известных свойств преобразовательных комплексов.

3. Предложенный обобщенный функционал качества напряжения, используемый в системе минимизации несимметрии и искажения синусоидальности, не требует для своего расчета проведения нахождения спектра и коэффициентов несимметрии. Это способствует упрощению системы управления комплексом и повышению ее быстродействия.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и публиковались на следующих конференциях:

1) Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 28 февраля — 1 марта 2002 г;

2) Международная научно-техническая конференция «Проблемы современной электротехники — 2002», г. Киев, 2002;

3) Всероссийская конференция «Прогрессивные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, 24 — 27 апреля 2002 г;

4) Международная конференция «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении», г. Саратов, 2002 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе получено свидетельство на полезную модель. Материал диссертация разделен на четыре главы.

В первой главе произведен аналитический обзор существующих способов и устройств симметрирования, предложен вариант их классификации.

Во второй главе рассмотрены модели некоторых из существующих симметрирующих устройств и предложены способы симметрирования в выходных сетях вторичного электроснабжения на основе полупроводниковых генераторов.

Третья глава посвящена исследованию предложенных методов симметрирования системы трехфазного напряжения в выходных сетях вторичного электроснабжения. Предложен комбинированный симметрирующий комплекс, в системе управления которого применен фаззирегулятор границы области изменения одного из управляющих воздействий.

В четвертой главе проведены исследования симметрирующих комплексов для сетей общего назначения. Показана возможность полной компенсации влияния несимметрии нагрузки за счет генерирования специально подобранной несимметричной системы токов. Решение задачи совмещено с частичной компенсацией неактивной мощности нагрузки.

По теме диссертации автором опубликовано 11 работ. Материалы диссертации докладывались на двух международных и двух региональных научно-технических конференциях.

Выводы по главе 4.

1. Симметрирование системы трехфазного напряжения может быть совмещено с решением ряда задач повышения качества электроэнергии на базе единых комплексов силовой электроники. Одной из таких задач являются задача компенсации несинусоидальности напряжения сети, возникающей из-за наличия нелинейной нагрузки.

2. Симметрирование может быть совмещено также с компенсацией реактивной составляющей тока нагрузки. В частности, это может быть сделано на основе агрегированного управляемого источника реактивной мощности за счет реализации 0-системы симметрирования, предложенной во второй главе диссертации. Предложенный вариант управляемого компенсатора реактивной мощности генерирует токи с требуемым спектром кривой.

3. Предложенные варианты симметрирующих комплексов, развивающие принцип симметрирования, использованный в устройстве Сарва-Томсона, позволяют эффективно совместить решение поставленных задач за счет импульсной модуляции токов, генерируемых в сеть.

4. Теория, развитая в рассматриваем разделе, позволяет определять начальное приближение для решающего режима модуляции при заданных условиях в сети. Режимы модуляции уточняется в моделях симметрирующих комплексов минимизацией целевой функции методом градиентного спуска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

К основным результатам, полученным в работе, можно отнести следующие:

1. На основании проведенного анализа описанных в научно-технической и патентной литературе способов и устройств симметрирования предложен вариант классификации методов симметрирования напряжений в электроэнергетической трехфазной системе. В основу положены следующие признаки классификации: использование продольных или поперечных элементов симметрирования, характер используемых в системе симметрирования элементов, степень управляемости, масштаб времени изменения режима, наличие перераспределения нагрузки между фазами, использование промежуточного преобразования энергии.

2. В качестве наиболее перспективного метода симметрирования предлагается метод, основанный на комплексе «регулируемый выпрямитель — инвертор, ведомый сетью», дополненный импульсной модуляцией потребляемых его модулями токов. Метод, применимый в сетях общего назначения, позволяет совместить решение задачи симметрирования с решением задачи компенсации неактивных мощностей нагрузки.

3. Предложен метод симметрирования системы напряжений выходных сетей вторичного электроснабжения на основе полупроводниковых генераторов питающего напряжения с внутренней системой компенсации реактивной мощности. Метод основан на регулировании фазных напряжений генератора посредством импульсно-фазового управления вентильно-реакторным компенсатором реактивной мощности. Реализующая этот метод система симметрирования (дсистема), благодаря использованию внутренних силовых обратных связей генератора, отличается высоким быстродействием. Проведены оценки чувствительности величины фазных напряжений к изменению управляющего воздействия. Показано, что метод регулирования фазных напряжений не вызывает дополнительных искажений синусоидальности кривой выходного напряжения генератора.

4. Предложен метод симметрирования системы напряжений выходных сетей вторичного электроснабжения на базе полупроводниковых источников активной и реактивной мощности, основанный на регулировании длительностей проводимости рабочих вентилей система). Получены аналитические зависимости, позволяющие оценить чувствительность величины напряжения обратной последовательности к изменению управляющих воздействий системы при заданной величине и характере нагрузки. Найдены также аналитические оценки влияния управляющих воздействий на спектр напряжения сети.

5. Предложен алгоритм управления в— системой симметрирования выходной сети вторичного электроснабжения, использующий прямой метод поиска минимума функционала качества, позволяющий в реальном масштабе времени осуществлять управление двумя показателями качества напряжения сети: коэффициентом несимметрии обратной последовательности и коэффициентом несинусоидальности кривой фазного напряжения сети.

6. Выявленные закономерности функционирования в — и 6 — систем симметрирования позволили предложить комбинированную систему симметрирования фазных напряжений выходной сети вторичного электроснабжения, соединяющую полезные свойства системы и 5 — системы и ослабляющую их недостатки.

Распределение функции симметрирования между 0 — и 5 — системами осуществляется с помощью фаззи-ограничителя, решающие правила которого сформулированы на основании проведенных исследовании обеих систем и известных свойств преобразовательных комплексов. Исследование разработанной модели комбинированной системы симметрирования фазных напряжений выходной сети вторичного электроснабжения с фаззи-ограничителем позволяет сделать вывод о высокой эффективности комбинированной системы.

7. Предложены и исследованы варианты симметрирующих комплексов общего применения, позволяющие эффективно совместить решение задачи симметрирования с решением задач компенсации несинусоидальности напряжения сети, возникающей из-за наличия нелинейной нагрузки и компенсации реактивной составляющей тока нагрузки.