Определение фактического вклада потребителей и системы в несинусоидальность напряжения на основе активных экспериментов

Электрическая энергия является специфическим видом товара и как любой вид продукции характеризуется рядом количественных и качественных свойств, отражающих особенности ее производства, передачи и потребления.

Постановлением Правительства РФ № 1013 от 13.08.97 г. в перечень товаров и услуг, подлежащих обязательной сертификации, включена электроэнергия. Госстандарт РФ совместно с Минтопэнерго РФ разработали и ввели в действие «Временный порядок сертификации электроэнергии по её качеству».

Юридическим обоснованием введения сертификации электроэнергии является Закон РФ «О сертификации продукции и услуг», «О защите прав потребителей». Гражданский кодекс РФ за ухудшение качества электроэнергии предусматривает применение разного рода санкции к виновнику искажений. Так, статья Гражданского кодекса РФ № 331 предполагает оплату неустойки «в случае ненадлежащего исполнения обязательств». В статье № 542 «Качество энергии» сказано, что «в случае нарушения энергоснабжающей организацией требований, предъявляемых к качеству энергии, абонент вправе отказаться от оплаты такой энергии», и далее по статье № 475 «Последствия передачи товара ненадлежащего качества» признается право «потребовать от продавца соразмерного уменьшения покупаемой цены» электроэнергии.

В связи с этими документами электроэнергия определяется как товар с соответствующим определением «Энергия, выступающая в процессах купли-продажи как товар, отличается особыми потребительскими свойствами, совпадением во времени процессов производства, транспортировки и потреблениязависимостью характеристик качества электроэнергии от процессов её потребления, невозможностью, хранения и возврата некачественной электроэнергии».

Одной из наиболее дискуссионных проблем в электроэнергетике и, в частности, электроснабжения промышленных предприятий является проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) источников высших гармоник (ВГ) с питающей сетью и компенсация реактивной мощности при несинусоидальности напряжения, являющейся важнейшим параметром качества электроэнергии (КЭ) [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].

ЭМС характеризует электромагнитную среду, обеспечивающую нормальное функционирование электроприемников (ЭП), исследования проблемы ЭМС и КЭ имеют не только большую научную значимость, но и практическую ценность. Так, только Европейский рынок средств ЭМС составлял в 1989 г 380 млн долл., а в 1994 г возрос до 780 млн долл., обеспечив 15% естественный прирост. Наибольший объем рынок товаров ЭМС достиг в Германии — 37%. Ущерб от ухудшения КЭ в промышленных сетях превысил 1,8 млн руб./год (в ценах до 1990 г) [9, 10, 11, 12].

В России совершенствуется законодательная база по КЭ. Так, разработан Федеральный Закон «О государственном регулировании в области обеспечения ЭМС технических средств», направленный на создание условий для обеспечения ЭМС технических средств, разработку и внедрения стандартов.

Основным стандартом в области КЭ, действием в России и принятом странами СНГ, является ГОСТ 13 109–97 [1, 13, 14].

Качество электроэнергии (КЭ) характеризует электромагнитное воздействия системы электроснабжения на приборы, аппараты электрооборудование через кондуктивные электромагнитные помехи (ЭМП), распространяющиеся по электросети.

Электроэнергетическая система (ЭЭС) и система электроснабжения промышленного предприятия (СЭС), как её составная часть, представляет собой ту электромагнитную среду, в которой ЭМП создаются, распространяются и воздействуют на электроприёмники (ЭП). В ряде случаев и сами ЭП являются источниками ЭМП.

Для оценки КЭ в СЭС установлены показатели КЭ (ГЖЭ), характеризующие уровень ЭМП в СЭС. Общим параметром для всех ПЭК является напряжение. Значения ПКЭ и их номенклатура установлены ГОСТ 13 109–97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения». Всего для характеристики СЭС применяют одиннадцать ПКЭ, определенных КЭ по напряжению и частоте.

Несинусоидальность в соответствии с ГОСТ 13 109–97 характеризуется следующими показателями:

— коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения Ки.

— коэффициентом п-ой гармонической составляющей напряжения Кщпу.

Значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Ки, определяется отношением действующего значения высших гармоник напряжения к ?7(1) или номинальному напряжению:

—100 —100%, (В.1) и и и{) и ном где ип — действующее значение напряжения гармоники, ВN — номер последней из учитываемых гармоник. г.

Согласно ГОСТ действующего в РФ допустимое значение Ки при ?/"",= = 6 — 20 кВ составляет 5%.

Нормально и предельно допустимые с интегральной вероятностью 95% значения Ки в точках общего присоединения к электрическим сетям с разными номинальными напряжениями приведены в таблице В.1.

Таблица В.1. Требования ГОСТ по ограничению коэффициента искажения синусоидальности {Ки) и НОМУ кВ 0,38 6−20 35 110−330.

Нормально допустимое значение Ки, % 8,0 5,0 4,0 2,0.

Предельно допустимое значение Ки, % 12,0 8,0 6,0 3,0.

В начальный период развития электроэнергетики основной являлась количественная оценка электроэнергии. Однако за последние 7−10 лет в России, в связи с развитием новых передовых технологий в ряде ведущих отраслей промышленности с использованием мощных тиристорных преобразователей (цветная, черная металлургия, машиностроение и д.р.), все большую актуальность приобретает показатель качества электроэнергии [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21,22, 23].

За эти годы появилась техническая база контроля ПКЭ с помощью отечественных и зарубежных средств измерения ПКЭ [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32,33,34,35,36,37,38].

Изучение режимов работы ЭП с учетом требований к КЭ и надежности электроснабжения является необходимым условием формирования СЭС в целом. С ростом мощности отдельных ЭП усложняется расчет режимов их работы и требований к КЭ, особенно при наличии нелинейных ЭП. К этим ЭП относятся, имеющие в настоящее время широкое распространение в промышленности, вентильные преобразователи (ВП) и иные ЭП, генерирующие высшие гармонические (ВГ) в СЭС и формирующие несинусоидальность напряжения [39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46].

Первые исследования несинусоидальности напряжения носили теоретический характер и были связаны с изучением работы трансформаторов [47]. Экспериментальные исследования стали проводиться с середины 60-х годов прошлого столетия в связи с появлением мощных преобразовательных установок и соответствующей измерительной аппаратуры [48, 49].

Несинусоидальность напряжения является важнейшим показателем КЭ. В работах отечественных и зарубежных ученых [50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58] установлено отрицательное влияние несинусоидальности напряжения на работу силового электрооборудования, релейной защиты и автоматика в СЭС промышленных предприятий. Несинусоидальность напряжения, вызываемая ВГ, снижает надежность работы СЭС, срок службы ЭП, приводит к ухудшению качества и недоотпуску продукции, и, в конечном счете, к значительному экономичному ущербу [59, 60, 61].

Опубликован ряд работ по исследованию актуальной проблемы фактического вклада нелинейных потребителей (ФВП) и системы (ФВС) в уровень несинусоидальности напряжения в точке общего присоединения (ТОП) СЭС промышленных предприятий и, в основном, носят теоретический характер [62, 63, 64, 65, 66, 67]. В недостаточно полной мере исследованы проблемы фактического вклада потребителей (ФВП) в уровень несинусоидальности напряжения в точке общего присоединения (ТОП) к СЭС для предприятий цветной металлургии. Решение этой актуальной проблемы лежит в плоскости не только теоретических, но и экспериментальных исследований на действующих предприятиях. Обобщенные результаты теоретического и экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик искажающих ЭП в СЭС позволяют внести существенный научный вклад в теорию и практику расчета влияния на несинусоидальность напряжения нелинейных потребителей.

Введение

обязательной сертификации электроэнергии в РФ [68, 69, 70] означает, что электроснабжающие организации должны осуществлять мониторинг качества электроэнергии отпускаемой потребителям. Если электро-снабжающая организация установит ухудшения: показателей качества электроэнергии сверх требуемых норм, то она должна выявить виновников (причины) ухудшения качества электроэнергии и применить к ним оговоренные законом штрафные санкции [71, 72, 73, 74, 75]. Естественно, что для выяснения причин ухудшения качества электроэнергии и для выявления виновников необходимо проведение анализа показателей качества электроэнергии, которые получают благодаря проведению экспериментальных исследований, частным видом которых и являются мониторинг.

Теоретические исследования по теме диссертации проводились на кафедре ЭПП МЭИ (ТУ). Экспериментальные исследования проводились совместно с кафедрой ЭПП СКГМИ (ГТУ) на заводах «Электроцинк» и «Победит» города Владикавказ — крупнейших в РФ предприятий по производству цветных металлов.

Объектом исследования являлись нелинейные ЭП — вентильные преобразователи используемые при электролизном процессе получения цинка. Результаты исследования позволили определить фактические параметры несинусоидальности напряжения в ТОП мощных источников ВГ.

Обобщенные результаты теоретического и экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик искажающего ЭП в СЭС являются существенным научным вкладом в теорию ФВП в несинусоидальность напряжения [76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83].

Важнейшим аспектом в изучении вопроса ухудшения качества электроэнергии от высших гармоник является разработка достаточно универсальной методики определения уровня высших гармоник, а также виновника искажения напряжения в СЭС, т. е. ФВП.

Уточненная методика определения ФВП, основанная на анализе и расчете схемы замещения системы и источника ВГ в ТОП, позволяет оценить несинусоидальность источников ВГ в ТОП и СЭС в целом.

В различных странах нормирование допустимых значений несинусоидальности осуществляется по-разному: по коэффициенту искажения синусоидальности или по значениям отдельных гармоник напряжения (тока) в узлах сети. Второй способ представляется более перспективным, так как современные автоматизированные системы оказываются весьма чувствительными к воздействию отдельных гармоник напряжения. Наиболее целесообразным решением является сочетание обоих способов нормирования — по допустимым значениям гармоник тока (напряжения) и коэффициенту искажений синусоидальности кривой напряжения.

Национальными нормами некоторых стран лимитируются значения гармоник тока, могущих проникать из электрических сетей потребителей в сети энергосистем, чтобы обязать потребителей ограничивать их в месте генерирования [84, 85, 86, 87]. Взаимное сопротивление на частоте (частотах) какой-либо гармоники канонического порядка может оказаться весьма малым, и гармоники тока из электрической сети предприятия с нелинейной нагрузкой могут почти полностью проникать в сети энергосистемы и предприятий, где таких нагрузок нет.

В последнее время Госстандарт переходит к использованию ряда международных стандартов, разработанных Международной электротехнической комиссией (МЭК).

Так, в 1999 г Госстандарт РФ утвердил два стандарта ГОСТ Р51 317.3.2−99 (МЭК 61 000−3-2−95). «Эмиссия гармонических составляющих тока. Технические средства с потребляемым током не более 16А на фазу» и «Нормы и методы использований» и ГОСТ Р51 317.3.3−99 (МЭК 6100−3-3−94). «Колебания напряжения и фликер, вызываемые техническими срывами с потребляемым током не более 16А на фазу».

Следует также отметить, что в связи с вступлением России в ВТО, требования к ПКЭ должны быть ужесточены. Так, например, по ГОСТ 1 310 997 нормально допустимое значение коэффициента искажения синусоидальности кривой межфазных напряжений Ки норм=5% для сетей при ииом=6 — 20 кВ. В тоже время, уже давно допустимые значения Ки норм составляют в Швеции для сетей 3,3−24 кВ — 3%, в Японии для сетей 11−66 кВ — 2%.

Представляется, что с учетом постоянного повышения требований к качеству электроэнергии [88], такие ограничения целесообразно внести в существующий ГОСТ 13 109–97.

Актуальность работы.

До настоящего времени проблема снижения искажения синусоидальности кривой напряжения остаются нерешенной, и является одной из серьезнейших научных и требующих своего решения проблем в области обеспечения потребителей электрической энергией надлежащего качества. В настоящее время происходит процесс увеличения доли чувствительной к качеству электроэнергии потребителей в общей нагрузке систем электроснабжения (СЭС) и поэтому в практике определение ЭП — виновника в искажении синусоидальности позволяет своевременно предпринять необходимые меры по снижению уровня высших гармонических составляющих в энергосистеме. Актуальность и важность темы диссертационной работа обусловлена не только научной ценностью и практической значимостью работы, но и экономической целесообразностью, предполагающей максимально заинтересовать нелинейного потребителя в проведении различных мероприятий по снижению уровня высших гармонических составляющих. Степень научной разработанности проблемы показывает, что методы исследования качества электроэнергии и расчета ФВП в несинусоидальность напряжения достаточно полно освещены в работах ряда отечественных и зарубежных ученых — Бушуевой O.A., Гамазина С. И., Жежеленко. И.В., Железко Ю. С. Иванова B.C., Карташова И. И., Кужекова C. JL, Соколова В. И., Черепанова В. В., Шевченко В. В., Шидловского А. К., Арланга Дж., Бредли Д., Yang Hong-Geng, Huddart K.W., Brewer G.L., Aly A., Dugan R.S., M. Mc. Granadham и других. Однако, используемые в этих работах способы представления ФВП носят достаточно общий характер и лишь частично отражают многообразие вклада нелинейных электроприемников. В частности, в недостаточной мере специфических условий процесса электролиза цинковых растворов.

Актуальность работы подтверждается постановлением Правительства РФ № 1019 от 13.08.97 г. «О временном порядке сертификации электроэнергии по ее качеству» и совместной с кафедрой ЭПП СКГМЩГТУ) работой по гранту президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых ученых МК-1324, 2007.8.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является разработка методики определения фактических вкладов нелинейных потребителей и системы в несинусоидальность напряжения в точке их общего присоединения (ТОП) на основе активных экспериментов.

Поставленная в диссертационной работе цель достигается последовательным решением ряда задач включающих:

1) анализ существующих методов определения фактических вкладов нелинейных потребителей в несинусоидальность напряжения;

2) составление эквивалентной схемы замещения электрической системы и нелинейных потребителей;

3) разработка математической модели определения ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения;

4) разработка методики экспериментальных исследований ВГ в электрических системах промышленных предприятий на основе современных измерительных комплексов;

5) определение ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения на основе активных экспериментов (оперативных переключений в электрических сетях промышленных предприятий).

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа существующих методик определения фактических вкладов нелинейных потребителей в несинусоидальность напряжения;

2. Методика и результаты исследования коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения при электролизе цинковых растворов;

3. Эквивалентная схема замещения электрической системы и нелинейных потребителей;

4. Математическая модель определения ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения;

5. Методика инструментального экспериментального определения и оценка погрешности ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения при электролизе цинковых растворов на основе активных экспериментов, включающих: а) включение-отключение батарей статических конденсаторов (БСК) — б) переключение ступеней регулирования напряжения силовых трансформаторов с РПНв) включение-отключение силовых трансформаторов на параллельную работу.

Научная новизна и ценность диссертационной работы.

1. Разработана математическая модель определения результирующего сопротивления электрической системы и потребителя, ФВП и ФВС для каждой гармонической составляющей в несинусоидальном напряжении.

2. Разработана методика инструментального экспериментального определения ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения на основе активных экспериментов в СЭС;

3. Выполнена оценка относительной погрешности определения ФВП и ФВС на основе экспериментальных данных и аналитических расчетов. Погрешность методики находится в пределах 7%.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

1. Предложена методика экспериментальных исследований ВГ в СЭС промышленных предприятий с использованием приборов комплексного контроля ПКЭ типа ПКК-57 и АЯ-5;

2. Проведен количественный и спектральный анализ фактического вклада 6-и и 12-и фазных вентильных преобразователей при электролизе цинковых растворов на действующих предприятиях цветной металлургии;

3. Определены коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения кнс в различных ТОП СЭС, источники ВГ, для которых Кц > 5%, и разработаны рекомендации по их снижению до значений регламентируемых ГОСТ-13 109−97;

4. Разработана инженерная методика проведения активных экспериментов для определения ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения;

5. Определены, как граничные условия, минимально-допустимые значения отклонения параметров СЭС при проведении активных экспериментов, обеспечивающих относительную ошибку расчета ФВП и ФВС в пределах 7%;

6. Предложен алгоритм аналитического расчета ВГ напряжения по эквивалентной схеме замещения СЭС, используемого при оценке погрешности результатов активного эксперимента;

7. Результаты диссертационной работы внедрены на заводах «Электроцинк», «Победит», в Северо-Осетинском филиале КЭУК (Кавказской энергетической управляющей компании), в учебный процесс для студентов энергетических специальностей по курсу «Качество электроэнергии» и «Электроснабжение»;

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использованы теоретические основы электротехники, теория электрических цепей, математическая статистика, натурные эксперименты на действующих объектах с использованием современных измерительных комплексов типа ПКК-57 и AR-5.

Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:

1) корректным использованием методов преобразования электрических цепей и математической статистики;

2) использованием измерительных комплексов с классом точности 1(2);

3) хорошим совпадением результатов активных экспериментов и аналитических расчетов ФВП и ФВС в несинусоидальность напряжения. Относительная погрешность расчетов для сложных СЭС промышленных предприятий не превышает 7%.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и ее отдельных частей докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях «Качество электроэнергии» (г. Владикавказ, 2007), на 10-й и 11-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов МЭИ (ТУ) «Радиоэлектроника, электротехника, энергетика» (г. Москва, 2004, 2005 гг.), на международной научной конференции «Теория операторов. Комплексный анализ и математическое моделирование» (г. Волгодонск, 2007).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы из 100 наименований. Объем диссертационной работы включает 167 страниц, включая 83 рисунка и 14 таблиц.

Выводы к четвёртой главе.

1. Разработана методика проведения активных экспериментов, связанных с искусственным созданием кратковременного возмущения в СЭС: включения-отключения БСК в ТОП, переключения отпаек трансформатора с РПН, включением-отключением трансформаторов на параллельную работу.

2. Сформулированы положения, по которым в методике измерения ФВП (ФВС) в ТОП, основанной на активных экспериментах, принято допущение, что вероятность одновременного изменения искажающих токов системы А[с и нелинейного потребителя Ана интервале времени измерения 3 сек ничтожно мала и им можно пренебречь и использовать математическую модель расчета? рЕз (п)> ФВП (ФВС) при всех видах активных экспериментов.

3. Предложенный метод расчета сопротивлений 2С (2я), основанный на отношении изменения напряжения АЦТ к изменению тока А1Т, вызванных искусственным изменением тока искажения А1с (А/я) является достоверным, поскольку при активном эксперименте происходит изменение только тока искажений А[с или только тока искажения А/я.

4. Доказано, что активные эксперименты позволяют определить в.

ТОП результирующее сопротивление? рЕз (п) Для всего фактического спектра п-х гармонических ФВП (ФВС) и могут применяться во всех случаях при наличии в СЭС соответствующих условий для их проведения.

5. Разработана методика определения погрешности расчета? рез{п), основанная на сравнении результатов экспериментальных и расчетных данных, полученных из схемы замещения СЭС для п-х гармонических. Относительная погрешность определения? рез (п) по всем активным экспериментам не превышает 7%.

6. Проведенные расчеты по определению ФВП (ФВС) на основе всех рассмотренных активных экспериментов подтверждают высокую эффективность разработанной методики, т.к. погрешность измерения находится в пределах 7%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе обоснованы новые положения и методики по определению фактических вкладов системы (ФВС) и нелинейных потребителей (ФВП) в несинусоидальность напряжения в точке их общего присоединения (ТОП) на основе активных экспериментов и получены следующие основные выводы:

1. Для измерения и расчёта коэффициентов п-й гармонической составляющих токов и напряжений разработана методика экспериментальных исследований и статистической обработки результатов экспериментов. Измерения проводились с использованием современных приборов комплексного контроля ПКК-57 и АК.-5.

2. Экспериментальные исследования проводились в системе электроснабжения (СЭС) крупнейшего предприятия цветной металлургии РФ по производству катодного цинка — завода «Электроцинк». По представительным выборкам коэффициентов п-й гармонической составляющих токов и напряжений получены новые данные амплитудно-частотных характеристик несинусоидального напряжения и фактические значения коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения при раздельной и совместной работе мощных 6 и 12-фазных вентильных преобразователей, обеспечивающих электролиз цинковых растворов.

3. Выбрана и обоснована эквивалентная схема замещения «Электрическая система — точка общего присоединения (ТОП) — нелинейный потребитель», позволяющая определить фактический вклад потребителя и электрической системы для каждой гармонической составляющей несинусоидального напряжения в точке общего присоединения.

4. Разработана и обоснована методика экспериментальных измерений эквивалентного сопротивления линейной части нагрузки потребителя и сопротивления электрической системы для каждой из гармонических составляющих на основе активного эксперимента, связанного с включением (отключением) батареи конденсаторов. По результатам измерений эквивалентных сопротивлений, напряжения в точке общего присоединения и тока в цепи питания потребителя может быть определен фактический вклад потребителя и электрической системы.

5. Разработана методика экспериментального измерения эквивалентного сопротивления электрической системы длякаждой из гармонических составляющих на основе активного" эксперимента, связанного с переключением регулировочных отпаек трансформатора. Результаты измерений могут быть использованы для определения фактических вкладов в несинусоидальность напряжения в точке общего присоединения.

6. Разработана методика экспериментального определения эквивалентного сопротивления линейной части нагрузки потребителя на основе активного эксперимента, связанного с включением (отключением) силовых трансформаторов на параллельную работу. Результаты измерений могут быть использованы для определения фактических вкладов в несинусоидальность напряжения в точке общего присоединения.

7. Расчеты1 экспериментальной проверки разработанных методик показали, что ¡-погрешность в определении эквивалентных сопротивлений и фактических вкладов составляет 4−7%.

8. Область применения разработанных методик определяется структурой системы-электроснабжения предприятия, а именно наличием батарей статических конденсаторов, трансформаторов с РПН.

9. На основе предлагаемых методик и рекомендаций может быть разработана автоматическая система измерения фактических вкладов потребителей в различных точках общего присоединения.