Русский   Francais
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Погіршення якості електроенергії – одна з проблем сучасного електропостачання. У Росії якість електроенергії в електричних мережах загального призначення регламентує ГОСТ Р 54149-2010, який визначає тринадцять показників якості [1].

Сформована сьогодні практика регулювання якості електроенергії, як правило, обмежується контролем двох показників: відхилення напруги і частоти. При цьому не приділяється увага нормування показників, пов'язаних з вищими гармоніками струму і напруги.

1. Актуальність проблеми

Основними джерелами гармонік спотворень в мережі є навантаження великих промислових споживачів з нелінійними вольт-амперних характеристиками, що створюють при своїй роботі струми несинусоїдної форми [4]. Такими споживачами є імпульсні джерела живлення, приводи електродвигунів з регульованою швидкістю обертання, освітлювальна навантаження. Але в останні роки спостерігається значне погіршення якості електроенергії та в міських розподільчих мережах 0,4–10 кВ. Це пояснюється збільшенням частки нелінійного навантаження комерційних і офісних споживачів.

Погіршення якості електроенергії в міських розподільчих мережах характерно для більшості розвинених країн [6–9]. У Росії рішення цієї проблеми відноситься до одного з пріоритетних напрямків в галузі енергозбереження та енергоефективності. Розпорядженням Уряду Російської Федерації № 2446-р від 27 грудня 2010 року була затверджена державна програма «Енергозбереження та підвищення енергетичної ефективності на період до 2020 року», яка визначає основні тенденції розвитку енергетичної галузі країни.

Погіршення якості електроенергії призводить до серйозних негативних наслідків. Перелічимо основні з них

Якщо частка нелінійного навантаження перевищує 15–20%, необхідна установка спеціальних фільтрокомпенсуючі пристроїв – пасивних, активних і гібридних силових фільтрів гармонік.

Пасивний фільтр гармонік (ПФГ) являє частотно-селективну ланцюг, що забезпечує ослаблення вищих гармонік, що генеруються нелінійним навантаженням. Основними достоїнствами пасивних фільтрів є їх простота і економічність. Вони дешеві, не вимагають регулярного обслуговування, можуть здійснювати одночасно подавлення гармонік і корекцію коефіцієнта потужності. Завдяки своїй простоті, економічності і надійності пасивні фільтри гармонік є найпоширенішим видом фільтрокомпенсуючі пристроїв.

Активний фільтр гармонік (АФГ) являє собою коммутируемое пристрій, що виконує одночасно декілька функцій: подавлення вищих гармонік, корекцію коефіцієнта потужності, зниження Фліккер. Як комутованих елементів в активних фільтрах використовуються переважно потужні МОП-транзистори або біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT). Принцип дії активних фільтрів гармонік заснований на тому, що вони генерують струми або напруги гармонік в протифазі з гармоніками мережі, і тим самим компенсують спотворення споживаних струмів. Серйозним недоліком активних фільтрів гармонік є їх висока вартість і складність.

В останні роки значний інтерес проявляється до силових гібридним фільтрам гармонік (ГФГ), що представляють собою поєднання активного і пасивного силових фільтрів. Переваги гібридних пристроїв – значно менші потужності, а отже, і вартість активної частини. Використовують ГФГ в основному для ослаблення вищих гармонік струму і напруги.

2. Мета та задачі дослідження

Мета роботи: оптимізація методів і засобів управління якістю електроенергії в розподільних мережах з високим рівнем нелінійного навантаження за допомогою фільтрокомпенсуючі пристроїв, порівняння ефективності ФКУ різних конструкцій і типів.

Для досягнення мети були поставлені такі завдання:

  1. Аналіз якості електроенергії в розподільних мережах 0,4 кВ.
  2. Дослідження компенсаційних характеристик основних структур фільтрокомпенсуючі пристроїв, і визначення конфігурацій для ослаблення вищих гармонік струму і напруги, що створюються як нелінійним навантаженням, так і зовнішньою мережею.
  3. Розробка методів і алгоритмів оптимального вибору конфігурації фільтрокомпенсуючі пристрої.
  4. Розробка математичних моделей силових фільтрів вищих гармонік.
  5. Моделювання статичних і динамічних характеристик силових фільтрокомпенсуючі пристроїв.

Об'єкт дослідження: Розподільні мережі 0,4–10 кВ

Предмет дослідження: Методи і засоби управління якістю електроенергії в розподільних мережах.

Методи дослідження: при виконанні роботи були використані методи теоретичної електротехніки, теорії автоматизації управління, адаптивної цифрової обробки сигналів. Теоретичні дослідження поєднувалися з вимірами, проведеними за допомогою сучасних аналізаторів якості електроенергії та комп'ютерним моделюванням з використанням пакета прикладних програм MatLab.

Наукова новизна:

Теоретична цінність:

Практична цінність:

3. Причини появи гармонійних спотворень

Присутність гармонік говорить про спотвореній формі струму або напруги. Спотворення ж форми струму або напруги означає наявність збурень в розподільній мережі і погіршення якості електроенергії, що постачається.

Джерелами гармонік струмів є нелінійні навантаження, під'єднані до розподільної мережі. Перебіг гармонік струмів по мережі, що має деякий повний опір, призводить до появи гармонік напруг і відповідно до спотворення форми напруги живлення.

Пристрої і системи, які породжують гармоніки, є у всіх секторах економіки, тобто в промисловості, комерційному секторі і житловому господарстві. Гармоніки породжуються нелінійними навантаженнями, тобто навантаженнями, що споживають струм з формою хвилі, відмінної від форми хвилі напруги живлення.

Приклади нелінійних навантажень:

Обурення, створювані нелінійними навантаженнями: гармоніки струму і напруги

Нелінійні навантаження споживають струми гармонік, які надходять в розподільну мережу. Гармоніки напруги викликаються протіканням струмів гармонік по опорам живлять ланцюгів (по трансформатору і розподільної мережі для випадків аналогічних тому, який показано на рисунок 1).

Рисунок 1 - Однолінійна схема, що показує опір живильного ланцюга для гармоніки h–го порядку

Рисунок 1 – Однолінійна схема, що показує опір живильного ланцюга для гармоніки h-го порядку

Реактивний опір провідника зростає зі збільшенням частоти струму, що протікає по цьому провіднику. Тому для кожної гармоніки струму (h-го порядку) в ланцюзі харчування існує деякий повний опір Zh.

Коли по опору Zh протікає струм гармоніки h-го порядку, то, згідно із законом Ома, він створює напругу гармоніки

Uh = Zh x Ih. В результаті цього форма напруги в точці B спотворюється і відрізняється від синусоїдальної. Всі навантаження, що харчуються через точку B, отримують напругу спотвореної форми.

Для струму даної гармоніки це спотворення пропорційно опору розподільної мережі.

Перебіг несинусоїдальних струмів в розподільних мережах

Можна вважати, що нелінійні навантаження генерують струми вищих гармонік в розподільну мережу в напрямку джерела живлення.

На рисунки 2 і 3 показані схеми електроустановки, «забруднені» гармоніками. У схемі, зображеної на рисунку 2, протікає струм частотою 50 Гц, а на рисунку 3 – струм частотою гармоніки h-го порядку.

Рисунок 2 - Схема електроустановки, що живить нелінійну навантаження, в якій протікає тільки струм основної частоти 50 Гц

Рисунок 2 – Схема електроустановки, що живить нелінійну навантаження, в якій протікає тільки струм основної частоти 50 Гц

Рисунок 3 - Схема тієї ж електроустановки, в якій протікає тільки струм h–й гармоніки

Рисунок 3 – Схема тієї ж електроустановки, в якій протікає тільки струм h–й гармоніки

При харчуванні нелінійного навантаження виникає струм частотою 50 Гц (як показано на рисунку 2), до якого додаються струми Ih (рисунок 3), що відповідають кожній h-й гармоніці.

Як і раніше вважаючи, що навантаження генерують струми вищих гармонік в розподільну мережу в напрямку джерела живлення, можна побудувати схему протікання струмів різних гармонік в цій мережі (рисунок 4).

Рисунок 4 - Перебіг струмів гармонік в розподільній мережі

Примітка: хоча на даній схемі певні навантаження генерують струми гармонік в розподільну мережу, інші навантаження можуть поглинати такі струми.

Рисунок 4 – Перебіг струмів гармонік в розподільній мережі

де

  1. Резервне джерело живлення.
  2. Пристрій компенсації коефіцієнта потужності.
  3. Трансформатор високої/низького напруги.
  4. Сумарний струм гармонік і спотворена форма напруги.
  5. Гармонійні спотворення, що впливають на розподільчу мережу та інших споживачів.
  6. Випрямляч, дугова піч, зварювальний машина.
  7. Регульований привід.
  8. Люмінесцентні та газорозрядні лампи.
  9. Пристрої, які споживають випрямлений струм (телевізори, комп'ютерне обладнання).
  10. Лінійні навантаження.
  11. Не створюють гармонік.

4. Фільтрація вищих гармонік

Основним засобом ослаблення вищих гармонік в системах електропостачання є силові фільтри гармонік [4, 11, 12]. Пасивний фільтр гармонік є частотно-селективну ланцюг, що забезпечує подавлення або ослаблення вищих гармонік, що генеруються нелінійним навантаженням. Основними достоїнствами пасивних фільтрів є їх простота і економічність. Вони дешеві, не вимагають регулярного обслуговування, можуть виконувати одночасно подавлення гармонік і корекцію коефіцієнта потужності. Як правило, в якості вузькосмугового фільтра використовують послідовний коливальний контур, налаштований в резонанс на частоту певної гармоніки. Для потиску декількох гармонік використовують складові фільтри, утворені паралельним з'єднанням декількох коливальних контурів. Кожен контур налаштований на частоту однієї з гармонік (як правило, 5, 7, 11 і 13-й). Для одночасного подавлення декількох гармонік високого порядку (n ? 10) доцільно використовувати широкосмугові фільтри (ШПФ)

У даній роботі розробляється алгоритм швидкого і ефективного вибору пасивного фільтрокомпенсуючі пристрої на напрузі 0,4 кВ. Я грунтувався на методиці, описаної Жежеленко І. В. в [4]. Фільтркомпенсуючий пристрій за даною методикою виконує одночасно функції компенсатора реактивної потужності основної гармоніки і фільтра вищих гармонік.

Блок-схема алгоритму розрахунку і вибору ПФУ показана на рисунку 5. Вихідними даними для розрахунку є каталожні параметри трансформатора (первинне і вторинне напруга, номінальна потужність, свідчення втрат в дослідах короткого замикання і холостого ходу, а також напруга короткого замикання і струм холостого ходу) . Крок 2 включає в себе складання моделі проектованої мережі.

На третьому кроці проводиться розрахунок відсутніх параметрів трансформатора для коректної роботи моделі Simulink. На четвертому кроці проводиться розрахунок еквівалентного опору схеми. На п'ятому кроці визначаються струми гармонік, які необхідно компенсувати. На шостому етапі проводиться відбір гармонік, які найбільш сильно впливають на гармонійний спектр напруги і на які варто налаштовувати ПФУ. На сьомому етапі проводиться вибір рекомендованого фільтрокомпенсуючі обладнання з подальшою настройкою. На останньому етапі проводиться оцінка залишкового нелінійних викривлень після компенсації реактивної потужності і фільтрації вищих гармонік.

Результати компенсації гармонік представлені на рисунку 6.

Схема, що вимірюється, приведена на рисунку 7

Рисунок 5 - Алгоритм розрахунку та вибіра ПФП

Рисунок 5 – Алгоритм розрахунку та вибіра ПФП

Рисунок 6 - Результати застосування ФКП

Рисунок 6 – Результати застосування ФКП
(анімація: 4 кадри, 8 циклів повторення, 235 кілобайт)

де

  1. Початок.
  2. Введення каталожних параметрів трансформатора.
  3. Складання моделі Simulink.
  4. Розрахунок бракуючих параметрів.
  5. Розрахунок еквівалентного опору схеми.
  6. Визначення частотних характеристик.
  7. Налаштування частоти і потужності ФКП.
  8. Розрахунок залишкової несинусоїдальності напруги.
  9. Кінець.

Рисунок 7 - Схема, що вимірюється

Рисунок 7 – Схема, що вимірюється

Висновки

Дана магістерська робота виконується для дослідження методів і способів поліпшення якості електроенергії шляхом компенсації реактивної потужності, і фільтрації вищих гармонік.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2017 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати. Ця частина реферату виключно оглядова. Подальша робота буде спрямована на експериментальне дослідження і доопрацювання наявних результатів

Перелік посилань

  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.