Неактивная мощность и ее составляющие в электроэнергетических системах

При анализе различных процессов в электроэнергетических системах, традиционно большое внимание уделяют активной мощности. Этот важный параметр имеет вполне обоснованное и четкое определение, описывающее конкретные физические процессы. Поэтому довольно строгие и стройные методики измерения и расчета активной мощности не вызывают сомнений. Напротив, нет никакой строгости в определении неактивной мощности, под которой понимают «всё, кроме активной». Однако использование термина «неактивная мощность» (НМ) оправдано тем, что обменные процессы протекающие в энергосистемах при несинусоидальных режимах нельзя описать только реактивной мощностью (РМ). К тому же применение термина «реактивная мощность» для несинусоидальных режимов часто создает путаницу, затрудняет оценку вновь разрабатываемых подходов к определению мощностных характеристик, которые являются неизбежным атрибутом технологического контроля, влияющим на устойчивость работы энергосистем и их экономическую эффективность.

Вопросы определения неактивной мощности в несинусоидальных режимах являлись и являются до сих пор предметами полемики и дискуссий. Интерес к этим вопросам объясняется, с одной стороны, ростом несинусоидальных нагрузокс другой стороны, он связан с ростом «интеллекта» современной измерительной техники, что позволяет упростить и ускорить перевод теоретических наработок в практическую плоскость. Именно поэтому в последнее время появилось большое количество работ, посвященных неактивной или реактивной мощности при несинусоидальных режимах. Можно выделить два направления научных исследований. Первое — работы, направленные на решение конкретных задач, таких как компенсация реактивной мощности, снижение потерь от реактивной мощности, расчет энергетических характеристик электроустановок и т. д. Второе — работы, направленные на расширение понимания физических процессов происходящих в электрических цепях при несинусоидальных режимах.

Нельзя не отметить, что вопросами определения реактивной мощности занимались и занимаются специалисты, как в области электроэнергетики, так и специалисты в области силовой преобразовательной электроники. К сожалению, не всегда специалисты этих смежных областях техники используют результаты исследований своих коллег. Как следствие, большое количество исследований, проведенных при различных подходах и разных требованиях к решению отдельных задач, привело к еще большой путанице и неразберихе. Поэтому в данной работе сделана попытка выделения известных и (или) создание новых методов определения неактивной мощности и ее составляющих, которые удовлетворяли бы следующим требованиям:

1. Методы определения неактивной мощности (далее просто методы) должны быть пригодными для использования, как при синусоидальных, так и при несинусоидальных режимах.

2. Методы должны быть едиными для разного класса цепей (однофазные, трехфазные цепи с различными режимами работы нейтрали).

3. Методы должны в максимальной степени отражать реальные физические процессы в электрических цепях и должны быть универсальнымиих использование не должно ограничиваться какой-либо узкой областью применения.

4. Методы должны быть адаптированы под использование современной цифровой измерительной техники и современных компьютерных технологий обработки полученной информации.

Последнее требование является особенно логичным и важным ввиду бурного развития цифровой техники, при которой уже сейчас все современные измерительные устройства снабжены мощными цифровыми процессорами, которые способны производить довольно сложные вычисления и практически не накладывают ограничения на процедуры определения измеряемых величин, представленных массивами мгновенных значений (ММЗ).

До недавнего времени вопросы определения реактивной мощности в несинусоидальных режимах не поднимались по следующим причинам:

1. Уровень гармоник в сетях был невысок, соответственно ошибки расчета РМ и энергетических характеристик элементов были не очень значимы. Соответственно, неучет высших гармонических составляющих токов и напряжений не приводил к принципиальным ошибкам и большим производственным потерям.

2. Измерительная техника и технологии не позволяли создавать сложные, но недорогие приборы, в которых можно было бы реализовать простые алгоритмы определения РМ даже для синусоидальных режимов. Взять, к примеру, вопрос несимметрии напряжений в трехфазной системе. При возникновении несимметрии по амплитуде и, хуже того, по фазе резкое растет погрешность используемых приборов. И эта. проблемы на старой элементной базе так и не была решена.

3. Теория определения РМ в несинусоидальных режимах была на крайне низком уровне. МЭК всего лишь рекомендовал некую формулу, а в наших ГОСТ-ах не было даже упоминания о несинусоидальных режимах.

4. Считалось и еще сегодня считается, что для большинства задач, таких как расчет режимов энергосистем (как в установившихся, так и в переходных процессах), определения уровня компенсации РМ, расчета потерь мощности и т. д., достаточно определять РМ первой гармоники.

Конечно, с точки зрения анализа и ведения режимов энергосистем, при котором определяющим является синхронная работа генерирующих элементов энергосистем, для определения перетоков РМ достаточно учитывать РМ только первой гармоники. Но, с другой стороны, при этом остаются открытыми вопросы компенсации РМ, определения потерь мощности (в основном в сетях) и расчета мощностных характеристик (в основном трансформаторов) при проектировании энергосистем.

Наблюдается повышенный интерес к понятию качества электроэнергии. При этом основное внимание уделяется различным характеристикам такого параметра как напряжение (от формы и частоты до провалов и несимметрии), но совсеммало сказано о токе, и тем более ничего не говорится о более сложных параметрах (в частности о реактивной мопщости), которыми также можно было бы характеризовать качество электроэнергии [1, 2].

Усиление интереса к рассмотрению вопросов, связанных с несинусоидальными режимами, обусловлен рядом объективных причин. В первую очередь-, это объясняется увеличением: доли высших гармонических составляющих в токах нелинейных нагрузок. Увеличение числа и уровня высших гармонических составляющих токов, и напряжений связано с широким! распространением электротехнических и электромеханических^ устройств,. являющихсяисточниками гармоник: статических преобразователейэлектродуговых печей, сварочных аппаратов,' регулируемого привода электромеханизмов, устройств с насыщающимися магнитными элементами и т. д. Как. следствие — растут потери в линиях электропередач, увеличиваются: помехи в электрооборудовании, ухудшается ¦ электромагнитная обстановка-'и качество электроэнергии:

Поскольку в известных автору работах нет единых и устоявшихся определений и обозначений^ оговорим:

— под неактивной мощностью будем понимать интегральную величину, характеризующую те процессы в электрическойцепи, которые не описываются активной мощностью;

— реактивной мощностью сдвига будем считать интегральную величинуявляющуюся составляющей неактивной мощности и характеризующую процессы, обусловленные взаимодействием одинаковых по частоте гармоник тока и напряжения;

— соответственно мощностью искажения будем считать составляющую неактивной мощности, характеризующую процессы обусловленные взаимодействием разных по частоте гармоник тока и напряжения.

При этом, когда будут рассматриваться общие вопросы — будем считать термины «реактивная мощность в несинусоидальном режиме» и «неактивная мощность» синонимами.

Цель работы. Целью работы является создание методик определения неактивной мощности и ее составляющих (при несинусоидальных токах и напряжениях), пригодных для реализации в современных устройствах измерения и наиболее правильно описывающих физические процессы в энергосистемах и их элементах.

Методы исследования. Основные методы исследования — вычислительные эксперименты с использованием современных программных систем: программы моделирования электронных и электрических схем «Р8рюе» — математического пакет МаШСАБпрограммных средств собственной разработки. При отсутствии эталонной модели, для проверки достоверности результатов экспериментов была применена методика ковенной оценки результатов экспериментов, при которой в сигналы тока и напряжения вводились гармонические составляющие с разными по знаку фазами и по полученным значениям определялась правильность полученных результатов. При исследованиях использовались фундаментальные законы теоретических основ электротехники, численные методы обработки данных, методы математического моделирования электрических цепей.

Научная новизна диссертационной работы: 1. Показана целесообразность использования интегрального параметра «неактивная мощность» для несинусоидальных режимов, что позволяет, при анализе обменных процессов в энергосистемах, в комплексе учитывать влияние не только реактивной мощности, но мощности искажения.

2. Обоснована процедура определения неактивной мощности, как полусуммы интегралов обратной мощности за первую и третью (или вторую и четвертую) четверти периода основной частоты.

3. Разработана методика определения реактивной мощности сдвига для трехфазных цепей с использованием площадей вольт-амперных характеристик, построенных по мгновенным значениям токов и напряжений.

4. Предложено определять мощность искажения как алгебраическую разность между неактивной мощностью и реактивной мощностью сдвига.

Практическая ценность работы: 1. Разработана программная реализации предложенных методик расчета й микропроцессорных системах.

2. Показана возможность аппаратной реализации предложенных методик с использованием аналоговой измерительной электроники.

3. Предложена методика определения потерь в электрических сетях и силовых трансформаторах по текущим показаниям телеизмерений.

4. Показана возможность использования предложенных методик при определении уровня компенсации реактивной мощности в электрических сетях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа из' которых: 2 статьи в рецензируемых периодических изданиях по перечню ВАК- 1 монография (в соавторстве) — 4 патента РФ на изобретения- 4 патента РФ на полезную модель.

Список источников литературы представлен в порядке упоминания в тексте. Номера формул и таблиц состоят из двух цифр: первая — номер главы, вторая — порядковый номер формулы (таблицы) в главе.

Основные результаты исследований уже приведены в выводах по отдельным главам, поэтому ниже они кратко просуммированы Здесь же приведены сведения об основных публикациях автора.

1. Проведен анализ существующих методов определения неактивной, в том числе и реактивной мощности при синусоидальных и (или) несинусоидальных токах и напряжениях. Обращено внимание на отсутствие строгих и достаточно универсальных подходов к решению всего круга задач по определению реактивной мощности и ее. :

2. Обоснована теоретически и экспериментально подтверждена возможность находить мощность искажения в однофазной цепи как разность между неактивной мощностью и реактивной мощностью сдвига, рассчитанной по площади вольтамперной характеристики, построенной по мгновенным значениям токов и напряжений.

3. Предложена и экспериментально подтверждена возможность определять неактивную мощность, реактивную мощность сдвига и мощность искажения в четырехпроводной трехфазной цепи как сумму соответствующих составляющих для каждой из трех фаз.

4. Предложена и экспериментально подтверждена возможность находить суммарные неактивную мощность, реактивную мощность сдвига и мощность искажения в трехпроводных трехфазных цепях как соответствующие мощности в трехпроводных двухфазных цепях.

5. Рассмотрены особенности реализации всех предложенных процедур в микропроцессорных и аналоговых измерительных устройствах.

6. Предложены и проверены на большом количестве реальных примеров процедуры определения потерь мощностей в ЛЭП и силовых трансформаторах как разности соответствующих входных и выходных мощностей.

7. Показана возможность определения уровня компенсации реактивной мощности с использованием предложенных методик определения неактивной мощности и ее составляющих.

8. Основные положения диссертации докладывались: на восьмой международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученных «Современные техника и технологии» (Томск, 2002) — на всероссийской научно-практической конференции «Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления» (Томск, 2002) — на 48 международном научном коллоквиуме (Ильменау, Германия, 2003) — на международной научно-технической конференции «Электроэнергия — и будущее цивилизации» (Томск, 2004) — на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологий» (Иваново, 2005) — на международном научно-техническом семинаре «Системы электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии» (Томск, 2006) — на второй всероссийской научно-технической интернет-конференции «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. СЛЬБ-технологии в энергетике» (Пермь, 2009).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертационной работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором в Электротехническом институте Томского политехнического института в 2003;2009 гг.