Назад в библиотеку

Оценка составляющих мощности и показателей качества электрической энергии в промышленных сетях 0,4 кВ

Автор: В.В. Прус, А.В. Никитина
(Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского, г. Кременчуг, Украина)

Введение

Несмотря на существенные достижения в области цифровой измерительной техники, на сегодняшний день в методиках и средствах учета электрической энергии преимущественно используется подход, предложенный К. Будеану около 90 лет назад для определения в частотной области активной и реактивной мощности однофазной синусоидальной системы [1].

Хотя такое определение мощностей является явным и значимым в однофазных синусоидальных системах, оно становится достаточно неоднозначным и неэффективным, когда энергосистема становится многофазной, нелинейной, несбалансированной по загрузке фаз, с внесенными искажениями питающего напряжения [2, 3].

Данная ситуация характерна практически для всех систем электроснабжения промышленных предприятий, особенно на стороне низкого напряжения.

Анализ предыдущих исследований

Процесс искажения формы напряжения в сетях 0,4 кВ имеет свои особенности и обусловлен в основном влиянием резкопеременной динамической нелинейной нагрузки, чаще всего со стороны работающих электромеханических преобразователей, включающих в свой состав электрическую машину и силовую часть управляемого преобразователя. В рассматриваемом случае уровень искажений напряжения может значительно превышать значения, регламентируемые ГОСТ 13109 – 97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения промышленных предприятий – 8% для установившегося режима и 12% кратковременно и достигать подчас значений до 25 – 30% при значительной несимметрии напряжения и неравномерности загрузки фаз.

С учетом того, что компенсация искажений в данном случае фактически отсутствует, остальные группы потребителей питаются от сети с высоким уровнем несинусоидальности и несимметрии напряжения, что приводит к существенному повышению энергопотребления, а в отдельных случаях – и к нарушению электромагнитной совместимости потребителей [4].

На сегодняшний день отсутствуют какие-либо устройства для точного измерения энергопараметров в сетях низкого напряжения преимущественно по причине того, что они чаще всего проектируются на высокое напряжения для установки на вводах предприятия и на линиях подключения субабонентов, а искажения на высокой стороне находятся в пределах допустимых ГОСТом значений.

Применение современных средств учета электроэнергии, построенных на базе компьютеризированных систем, позволяет учитывать влияние на качество сетевого напряжения как отдельных потребителей, так и их групп, дополнительно выделяя ряд показателей качества электроэнергии, которые позволяют в полной мере оценить энергетические процессы в сети низкого напряжения и прогнозировать уровень электромагнитной совместимости.

Таким образом, актуальной задачей является оценка эффективности и информативности разрабатываемых способов по сравнению с традиционными.

Цель работы

Обеспечить необходимую точность измерения составляющих мощности с учетом действительных уровней изменения нелинейных искажений и несимметрии напряжения и разработать эффективный механизм оценки энергопроцессов в сетях низкого напряжения при снижении качества электроэнергии.

Материал и результаты исследования

В работе, на основании анализа современных теорий мощности [5, 6], проанализированы существующие подходы к учету электроэнергии и выполнена оценка их возможностей и информативности как в вопросах оценки параметров энергопотребления и показателей качества электроэнергии, так и в получении дополнительного ряда расчетных соотношений для параметров, позволяющих оценивать режим энергопотребления в сетях 0,4 кВ.

В процессе исследований учитывалось, что оценка потребления электроэнергии и ее показателей качества в данном случае не является самостоятельной задачей, а преследует цель получения необходимой информации для эффективной компенсации ее некачественности. С учетом этого, в качестве базиса для реализации информационного обеспечения была выбрана p-q-r – теория мощности [7], которая дает возможность получить эффективные алгоритмы компенсации при возможности учета спектрального состава мгновенных мощностей [8].

Представим мгновенную активную мощность в виде:

pic1
(1)

где Udc, Idc – постоянные составляющие, соответствующие напряжениям и токам прямой последовательности;

Un, In – соответственно действующие значения n-й гармоники напряжения и тока;

Uk – действующие значения гармоник напряжения, порядок которых не совпадает с порядком гармоник тока.

В отличие от подхода, предполагающего сведение всех составляющих соотношения (1) путем тригонометрических преобразований только к постоянной, синусным и косинусным спектральным составляющим, как в [6], позволяет получить обобщенный алгоритм расчета и оценки энергетических процессов как в однофазных, так и в трехфазных системах. Кроме этого, в отличие от [6], такой подход позволяет по величине отдельных составляющих, рассчитываемых из (1), выделять активную мощность искажения и мощности гармонических составляющих, величины которых негативно влияют на трехфазные вращающиеся машины, приводя к их перегреву и вибрации, реактивную мощность основной последовательности, отдельно оценивать составляющие от дисбаланса нагрузки и параметрической несимметрии сети и т.п.

В процессе исследований был уточнен подход относительно учета мощности искажения путем отнесения ее составляющих от комбинационных частот к синусной и косинусной знакопеременным составляющим мгновенной мощности по соответствующим осям в соответствии с методикой, предложенной в [9].

Была обоснована эффективность использования энергетических коэффициентов, используемых в p-q-r теории для оценки энергетических процессов в сетях низкого напряжения. Их использование, вместе с рядом показателей качества электроэнергии, регламентируемых ГОСТ 13109 – 97 и рассчитываемых из полученных в работе уточненных соотношений, позволяет адекватно оценивать энергетические процессы, в сетях низкого напряжения, а также их влияние на электромагнитную совместимость подключенных электромеханических преобразователей, регламентировать допустимые нормы качества электроэнергии и разрабатывать подходы к компенсации искажений.

Разработанные подход и методика позволяют контролировать спектральный состав токов, напряжений и мощностей, механизм и особенности формирования составляющих мгновенной мощности, что может быть использовано при построении устройств контроля энергопараметров и компенсации некачественностей в рассматриваемых сетях.

Выводы

  1. Обоснована эффективность использования p-q-r – теории мгновенной мощности для оценки энергетических параметров в низковольтных промышленных сетях.
  2. Обоснован подход к определению мощности искажения путем отнесения произведений напряжений и токов комбинационных частот к синусной и косинусной знакопеременным составляющим, что позволяет улучшить компенсацию переменных составляющих мгновенной мощности по сравнению с базовым вариантом p-q-r – теории.
  3. Получены уточненные расчетные соотношения для определения показателей качества электроэнергии в низковольтных промышленных сетях и подтверждена их более высокая точность и эффективность использования.

Литература

  1. C.I. Budeanu, Puissances Reactives at Fictives. Bucharest, Romania: Inst. Romain de l'Energie, 1927.
  2. L.S. Czarnecki, What is wrong with the Budeanu concept of reactive and distortion powers and why it should be abandoned, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 36, pp. 834-837, Sept. 1987.
  3. D. Sharon, Reactive power definitions and power-factor improvement in nonlinear systems, Proc. Inst. Elect. Eng., vol. 120, pp. 704-706, June 1973.
  4. Шидловский А.К., Жаркин А.Ф. Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях. – Киев: Наукова думка, 2005. – 210 с.

  5. Домнин И.Ф., Жемеров Г.Г., Крылов Д.С., Сокол Е.И. Современные теории мощности и их использование в преобразовательных системах силовой электроники // Технічна електродинаміка. Тем. випуск, 2004. – Київ.: Інститут електродинаміки НАН України, 2004. – С. 80-91.
  6. Родькин Д.И. Комментарий к теории энерго-процессов с полигармоническими сигналами // Збірник наукових праць Кіровоградського національного технічного університету, 2004. – Вип. 15. – С. 10-18.
  7. H. Kim, F. Blaabjerg, B. Bak-Jensen, I. Choi In-stantaneous power compensation in three-phase systems using p-q-r theory, IEEE Trans. Power Electronics, vol. 17, no 5, pp. 701-710, 2002.
  8. H. Kim, F. Blaabjerg, B. Bak-Jensen, Spectral analysis of instantaneous powers in single-phase and three-phase systems with use of p-q-r theory, IEEE Trans. Power Electronics, vol. 17, no 5, pp. 711-720, 2002.
  9. Прус В.В., Никитина А.В. Алгоритм визначення складових миттєвої потужності при полігармонічних напрузі і струмі, їх аналіз та інтерпретація // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. – Кременчук: КДПУ, 2004. – Вип. 4(27). – С. 45-50.