ДонНТУ   Портал магистров

Данилов Владислав Геннадьевич

Французский технический факультет

Кафедра: Электроснабжения промпредприятий и городов

Специальность Электротехнические системы электропотребления

Компенсация реактивной мощности в сетях с нелинейными нагрузками

Научный руководитель: д. т. н., проф. Бершадский Илья Адольфович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность проблемы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Причины появления гармонических искажений
• 4. Фильтрация высших гармоник
• Выводы
• Библиографический список

Введение

Ухудшение качества электроэнергии – одна из проблем современного электроснабжения. В России качество электроэнергии в электрических сетях назначения регламентирует ГОСТ Р 54149-2010, который определяет тринадцать показателей качества [1].

Сложившаяся сегодня практика регулирования качества электроэнергии, как правило, ограничивается контролем двух показателей: отклонение напряжения и частоты. При этом не уделяется внимание нормированию показателей, связанных с высшими гармониками тока и напряжения.

1. Актуальность проблемы

Основными источниками гармоник искажений в сети являются нагрузки крупных промышленных потребителей с нелинейными вольт-амперными характеристиками, создающих при своей работе токи несинусоидальной формы  [4]. Такими потребителями являются импульсные источники питания, приводы электродвигателей с регулируемой скоростью вращения, осветительная нагрузка. Но в последние годы наблюдается значительное ухудшение качества электроэнергии и в городских распределительных сетях 0,4–10 кВ. Это объясняется увеличением доли нелинейной нагрузки коммерческих и офисных потребителей.

Ухудшение качества электроэнергии в городских распределительных сетях характерно для большинства развитых стран [6–9]. В России решение этой проблемы относится к одному из приоритетных направлений в области энергосбережения и энергоэффективности. Распоряжением Правительства Российской Федерации № 2446-р от 27 декабря 2010 г. была утверждена государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», определяющая основные тенденции развития энергетической отрасли страны.

Ухудшение качества электроэнергии приводит к серьезным отрицательным последствиям. Перечислим основные из них:

• увеличение потерь при передаче и распределении электроэнергии;
• сокращение срока службы электрооборудования, повышение аварийности в кабельных сетях, вызванное ускоренным старением изоляции;
• увеличение капитальных вложений, вызванное преждевременной заменой оборудования и необходимостью проведения комплекса организационных и технических мероприятий по улучшению качества электроэнергии;
• ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики [3];
• неправильная работа измерительных устройств и приборов учета электроэнергии;
• уерегрузка нулевых проводников токами третьей гармоники [5].

Если доля нелинейной нагрузки превышает 15–20%, необходима установка специальных фильтрокомпенсирующих устройств – пассивных, активных и гибридных силовых фильтров гармоник.

Пассивный фильтр гармоник (ПФГ) представляет частотно-селективную цепь, обеспечивающую подавление или ослабление высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой. Основными достоинствами пассивных фильтров являются их простота и экономичность. Они дешевы, не требуют регулярного обслуживания, могут осуществлять одновременно подавление гармоник и коррекцию коэффициента мощности. Благодаря своей простоте, экономичности и надежности пассивные фильтры гармоник являются самым распространенным видом фильтрокомпенсирующих устройств.

Активный фильтр гармоник (АФГ) представляет собой коммутируемое устройство, выполняющее одновременно несколько функций: подавление высших гармоник, коррекцию коэффициента мощности, снижение фликкера. В качестве коммутируемых элементов в активных фильтрах используются преимущественно мощные МОП-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Принцип действия активных фильтров гармоник основан на том, что они генерируют токи или напряжения гармоник в противофазе с гармониками сети и, тем самым, компенсируют искажения потребляемых токов. Серьезным недостатком активных фильтров гармоник является их высокая стоимость и сложность.

В последние годы значительный интерес проявляется к силовым гибридным фильтрам гармоник (ГФГ), представляющих собой сочетание активного и пассивного силовых фильтров. Преимущества гибридных устройств – значительно меньшие мощности, а следовательно, и стоимость активной части. Используют ГФГ в основном для ослабления высших гармоник тока и напряжения.

2. Цель и задачи исследования

Цель работы: оптимизация методов и средств управления качеством электроэнергии в распределительных сетях с высоким уровнем нелинейной нагрузки с помощью фильтрокомпенсирующих устройств, сравнение эффективности ФКУ различных конструкций и типов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Анализ качества электроэнергии в распределительных сетях 0,4 кВ.
2. Исследование компенсационных характеристик основных структур фильтрокомпенсирующих устройств, и определение конфигураций для ослабления высших гармоник тока и напряжения, создаваемых как нелинейной нагрузкой, так и внешней сетью.
3. Разработка методов и алгоритмов оптимального выбора конфигурации фильтрокомпенсирующего устройства.
4. Разработка математических моделей силовых фильтров высших гармоник.
5. Моделирование статических и динамических характеристик силовых фильтрокомпенсирующих устройств.

Объект исследования: Распределительные сети 0,4–10 кВ.

Предмет исследования: Методы и средства управления качеством электроэнергии в распределительных сетях.

Методы исследования: при выполнении работы были использованы методы теоретической электротехники, теории автоматизации управления, адаптивной цифровой обработки сигналов. Теоретические исследования сочетались с измерениями, проводимыми с помощью современных анализаторов качества электроэнергии и компьютерным моделированием с использованием пакета прикладных программ MatLab.

Научная новизна:

Теоретическая ценность:

• обосновать выбор алгоритмов эффективного снижения уровня высших гармоник и компенсации реактивной мощности в сетях промышленных предприятия 0,4–10 кВ;
• обобщить опыт применения технических средств для подавления высших гармоник;
• путем моделирования в среде Simulink пакета прикладных программ MatLab определить параметры фильтров с учетом оборудования, производимого электропромышленностью СНГ, позволяющего комплектовать фильтрокомпенсирующие устройства для сетей 0,4–10 кВ, требований по ограничению допустимого значения активного сопротивления фильтрокомпенсирующие устройства, а также его перегрузки;
• выявить преимущественную область применения силовых активных фильтрокомпенсирующих устройств путем цифрового моделирования, выбор метода и организация системы управления активным фильтром гармоник, определения случаев эффективного и целесообразного использования активных фильтрокомпенсирующих устройств.

Практическая ценность:

• разработка программной среды, которая позволяет в интерактивном режиме производить автоматический выбор ПФГ с учетом компенсации реактивной мощности;
• учитывая имеющийся на рынке выбор пассивных фильтрокомпенсирующих устройств, производить выбор типа и количества фильтров с последующей проверкой по перегрузке и токораспределению;
• использовать полученные модели для лабораторных работ для изучения курса электротехнологические установки и устройства.

3. Причины появления гармонических искажений

Присутствие гармоник говорит об искаженной форме тока или напряжения. Искажение же формы тока или напряжения означает наличие возмущений в распределительной сети и ухудшение качества поставляемой электроэнергии.

Источниками гармоник токов являются нелинейные нагрузки, подсоединенные к распределительной сети. Протекание гармоник токов по сети, имеющей некоторое полное сопротивление, приводит к появлению гармоник напряжений и соответственно к искажению формы питающего напряжения.

Устройства и системы, порождающие гармоники, имеются во всех секторах экономики, т.е. в промышленности, коммерческом секторе и жилищном хозяйстве. Гармоники порождаются нелинейными нагрузками, т.е. нагрузками, потребляющими ток с формой волны, отличающейся от формы волны питающего напряжения.

Примеры нелинейных нагрузок:

• промышленное оборудование (сварочные машины, электродуговые печи, индукционные печи и выпрямители);
• преобразователи частоты для асинхронных двигателей или двигателей постоянного тока;
• источники бесперебойного питания;
• офисное оборудование (компьютеры, фотокопировальные машины, факсимильные аппараты и др.);
• бытовые электроприборы (телевизоры, микроволновые печи, люминесцентные лампы);
• некоторые устройства с магнитным насыщением (трансформаторы).

Возмущения, создаваемые нелинейными нагрузками: гармоники тока и напряжения

Нелинейные нагрузки потребляют токи гармоник, которые поступают в распределительную сеть. Гармоники напряжения вызываются протеканием токов гармоник по сопротивлениям питающих цепей (по трансформатору и распределительной сети для случаев аналогичных тому, который показан на рисунке 1).

Реактивное сопротивление проводника возрастает с увеличением частоты тока, протекающего по этому проводнику. Поэтому для каждой гармоники тока (h-го порядка) в цепи питания существует некоторое полное сопротивление Zh.

Когда по сопротивлению Zh протекает ток гармоники h-го порядка, то, по закону Ома, он создает напряжение гармоники Uh = Zh x Ih. В результате этого форма напряжения в точке B искажается и отличается от синусоидальной. Все нагрузки, питающиеся через точку B, получают напряжение искаженной формы.

Для тока данной гармоники это искажение пропорционально сопротивлению распределительной сети.

Протекание несинусоидальных токов в распределительных сетях

Можно считать, что нелинейные нагрузки генерируют токи высших гармоник в распределительную сеть в направлении источника питания. На рисунках 2 и 3 показаны схемы электроустановки, «загрязненные» гармониками. В схеме, изображенной на рисунке 2, протекает ток частотой 50 Гц, а на рисунке 3 – ток частотой гармоники h-го порядка.

При питании нелинейной нагрузки возникает ток частотой 50 Гц (как показано на рисунке 2), к которому добавляются токи Ih (рисунок 3), соответствующие каждой h-й гармонике.

По-прежнему считая, что нагрузки генерируют токи высших гармоник в распределительную сеть в направлении источника питания, можно построить схему протекания токов разных гармоник в этой сети (рисунок 4).

где

1. Резервный источник питания.
2. Устройство компенсации коэффициента мощности.
3. Трансформатор выского/низкого напряжения.
4. Суммарный ток гармоник и искаженная форма напряжения.
5. Гармонические искажения, влияющие на распределительную сеть и других потребителей.
6. Выпрямитель, дуговая печь, сварочная машина.
7. Регулируемый привод.
8. Люминесцентные или газоразрядные лампы.
9. Устройства, потребляющие выпрямленный ток (телевизоры, компьютерное оборудование).
10. Линейные нагрузки.
11. Не создают гармоник.

4. Фильтрация высших гармоник

Основным средством ослабления высших гармоник в системах электроснабжения являются силовые фильтры гармоник [4, 11, 12] . Пассивный фильтр гармоник представляет собой частотно-селективную цепь, обеспечивающую подавление или ослабление высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой. Основными достоинствами пассивных фильтров являются их простота и экономичность. Они дешевы, не требуют регулярного обслуживания, могут выполнять одновременно подавление гармоник и коррекцию коэффициента мощности. Как правило, в качестве узкополосного фильтра используют последовательный колебательный контур, настроенный в резонанс на частоту определенной гармоники. Для подавления нескольких гармоник используют составные фильтры, образованные параллельным соединением нескольких колебательных контуров. Каждый контур настроен на частоту одной из гармоник (как правило, 5, 7, 11 и 13-й). Для одновременного подавления нескольких гармоник высокого порядка (n > 10) целесообразно использовать широкополосные фильтры (ШПФ).

В данной работе разрабатывается алгоритм быстрого и эффективного выбора пассивного фильтрокомпенсирующего устройства на напряжении 0,4 кВ. Я основывался на методике, описанной Жежеленко И. В. в [4]. Фильтрокомпенсирующее устройство по данной методике выполняет одновременно функции компенсатора реактивной мощности основной гармоники и фильтра высших гармоник.

Блок-схема алгоритма расчета и выбора ПФУ показана на рисунке 5. Исходными данными для расчета являются каталожные параметры трансформатора (первичное и вторичное напряжение, номинальная мощность, показания потерь в опытах короткого замыкания и холостого хода, а также напряжение короткого замыкания и ток холостого хода). Шаг 2 включает в себя составление модели проектируемой сети.

На третьем шаге производится расчет недостающих параметров трансформатора для корректной работы модели Simulink. На четвертом шаге производится расчет эквивалентного сопротивления схемы. На пятом шаге определяются токи гармоник, которые необходимо компенсировать. На шестом шаге производится отбор гармоник, которые наиболее сильно влияют на гармонический спектр напряжения и на которые стоит настраивать ПФУ. На седьмом шаге производится выбор рекомендуемого фильтрокомпенсирующего оборудования с последующей настройкой. На крайнем шаге производится оценка остаточного гармонического искажения после компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник.

Результаты компенсации гармоник представлены на рисунке 6.

Измеряемая схема приведена на рисунке 7.

где

1. Начало.
2. Ввод каталожных параметров трансформатора.
3. Составление модели Simulink.
4. Расчет недостоющих параметров.
5. Расчет эквивалентного сопротивления схемы.
6. Определение частотных характеристик.
7. Настройка частоты и мощности ФКУ.
8. Расчет остаточной несинусоидальности напряжения.
9. Конец.

Выводы

Данная магистерская работа выполняется для исследования методов и способов улучшения качества электроэнергии путем компенсации реактивной мощности, и фильтрации высших гармоник.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2017 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты. Эта часть реферата исключительно обзорная. Дальнейшая работа будет направлена на экспериментальное исследование и доработку имеющихся результатов.

Библиографический список

1. ГОСТ Р 54149–2010. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения
2. ГОСТ 13109–97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения
3. Fuller J. F., Fuchs E. F., Roesler D. J. Influence of harmonics on power distribution system protection. IEEE trans. on power delivery, Vol. 3 № 2, 1988, pp. 549–557
4. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. – 4-е изд., М., Энергоатомиздат, 1994.
5. Gruzs T. A. Survey of neutral currents in three-phase computer power system. IEEE trans. on industry applications. 1990, Vol. IA-26, No. 4, pp. 719–725
6. Akagi H. Active harmonic filters. – Proceedings of the IEEE. Vol. 93, 2005, No. 12, pp. 2128–2141
7. De Lima Tostes M., Bezerra U., Silva R. Impacts over distribution grid from the adoption of distributed harmonic filters on low-voltage customers. – IEEE transactions on power delivery, Vol. 20, No 1, 2005, pp. 384–389
8. Hu C-H., Wu C-J., Chen Y-W. Survey of harmonic voltage and current at distribution substation in the northern Taiwan. IEEE trans. on Power delivery, Vol. 12, No. 3, 1997, pp. 1275–1281
9. Pileggi D., Gulachenski E., Breen M. Distribution feeders with nonlinear loads in the northeast U.S.A. Economic evaluation of harmonic effects. IEEE transactions on power delivery, Vol. 11, No. 1, 1996, pp. 79–101
10. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ru.electricalinstallation.org/...
11. Das, J. Passive filters – potentialities and limitations – IEEE trans. on industry applications, Vol. 40, No 1, January/February 2004, pp. 232–241.
12. Phipps, J. A transfer function approach to harmonic filter design. IEEE industry application magazine, March/April 1997, pp. 68–82.