Аннотация
В. С. Милых. Моделирование схем с высшими гармониками в среде MATLAB. Энергоэффективность предприятий разных отраслей промышленности зависит от качественного электроснабжения. Действующие нормативно-правовые документы определяют требования к величине коэффициента искажения синусоидальной кривой напряжения и n-й гармонической составляющей напряжения. Для исследования вопросов качества электроэнергии использовалось математическое моделирование в электронной среде Simulink системы MATLAB.
I ВВЕДЕНИЕ
В последние годы наблюдается повсеместное увеличение нелинейных нагрузок для сетей низкого и среднего напряжения. Рост мощности электроприемников с нелинейной характеристикой неизбежно приводит к повышению уровня высших гармоник (ВГ) в сети.
Во всем мире развиваются и совершенствуются методы контроля и управления показателями качества элек- троэнергии (ПКЭ). Нормативные документы в области регулирования и контроля ПКЭ постоянно обновляются [1].
Возрастающее количество приборов с нелинейной характеристикой связано с развитием производства современных силовых полупроводниковых элементов. Возможность их применения в различных преобразователях тока дало широкое распространение частотно-регулируемым двигателям. Частотно-регулируемые двигатели нашли применение во многих областях промышленности благодаря значительному снижению электропотребления и повышению энергоэффективности.
Исследование возможных уровней ВГ, возникающих при использовании частотных преобразователей (ЧП), и их влияния на оборудование в существующих системах электроснабжения методами непосредственных замеров ПКЭ может быть осложнено множеством факторов. Разработка методик математического моделирования упростит анализ качества электроэнергии в различных инженерных системах.
Далее в работе на примере сети электроснабжения нефтедобывающей скважины разрабатывается математическая модель для изучения влияния ЧП на ПКЭ.
II ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Истощение разрабатываемых нефтяных пластов требует применения новых энергоэффективных подходов и сокращения существующих потерь. Применение ЧП в системах нефтедобычи для электропривода установок электроцентробежных насосов позволяет улучшить энергетические показатели этих установок и добиться заданных режимов работы, но появление ВГ в этих сетях приводит к ускоренному старению или полному выходу из строя электрооборудования.
Типовая схема электрооборудования для разработки нефтяной скважины представлена на рисунке 1. Погружаемый модуль, в котором размещается погружной насос вместе с электродвигателем привода типа ПЭД, получает трехфазное питающее напряжение по кабельной линии КПБП от повышающего трансформатора типа ТМПНГ. Напряжение, подаваемое на трансформатор, формируется двухступенчатым преобразователем, который входит в состав станции управления.
Рисунок 1 – Схема электроснабжения скважины
Основным источником ВГ является двухступенчатый преобразователь тока, который состоит из выпрямителя и инвертора.
Для анализа ПКЭ в данной схеме выбираются следующие характерные точки:
место присоединения станции управления к шинам подстанции (анализ искажения питающего напряжения);
выходные зажимы станции управления (анализ формируемого напряжения и его влияния на повышающий трансформатор);
вывода обмоток статора ПЭД (анализ питающего напряжения).
III МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМЫ В СРЕДЕ MATLAB
Для построения математической модели схемы электроснабжения скважины использовались стандартные функциональные блоки библиотеки SimPowerSystems программной среды Simulink MatLab.
Для реализации модели с помощью функциональных блоков был произведен расчет параметров всех элементов схемы. Некоторую сложность при расчете параметров погружных асинхронных двигателей представляет отсутствие справочных данных.
ЧП моделируется шестипульсным выпрямителем и двухуровневым автономным инвертором напряжения.
Для управления инвертора используется широтно- импульсная модуляция.
Математическое моделирование проводилось для исследования установившихся режимов работы частотно- регулируемого привода и анализа влияния ВГ на форму
кривых напряжения в различных точках схемы при изменении мощности электропривода и отсутствии мер по ослаблению ВГ.
IV РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВГ
Анализ результатов моделирования схемы показывает, что в точке присоединения станции управления к шинам 0,4 кВ значение коэффициента искажения синусоидально- сти кривой напряжения не превышает установленное стандартом [1] предельно допустимое значение KU = 12 %.
Однако необходим дальнейший анализ работы сети с учетом всего оборудования подстанции, так как наличие ВГ в схеме с конденсаторными установками даже при нормально допустимых значениях KU может привести к значительному сокращению их срока службы.
Наибольшее искажение синусоидальности напряжения, превышающее предельно допустимые нормы в несколько раз, наблюдается на выходе ЧП, такое влияние ВГ на повышающий трансформатор ТМПНГ является недопустимым, и требуются меры по ослаблению уровня ВГ.
Несколько лучше показания в точке присоединения двигателя, но значения KU также существенно превышают предельно допустимые нормы, что может вызывать дополнительный нагрев двигателя, а основной причиной отказа погружных электродвигателей является их перегрев.
V ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На примере схемы электроснабжения нефтедобывающей скважины выявлены недопустимые уровни ВГ при применении частотно-регулируемого привода. Сформулирован вывод о необходимости дальнейшей разработки математических моделей для улучшения качества электроэнергии.
Дальнейшее изучение позволит:
разрабатывать более сложные модели, учитывающие совместное влияние нескольких ЧП на работу подстанционного оборудования, такого как батареи конденсаторов, силовые трансформаторы и т.п.;
проводить анализ качества электроэнергии и делать вывод о необходимости применения фильтро-компенсирующих устройств в данных сетях, а так- же выполнять правильный выбор параметров этих устройств.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт.
Совместимость технических средств электромагнитная.
Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (ЕN 50160:2010, NEQ). – Введ. 2014.07.01. – М.: Стандартинформ, 2014. – 16 с.
В последние годы наблюдается повсеместное увеличение нелинейных нагрузок для сетей низкого и среднего напряжения. Рост мощности электроприемников с нелинейной характеристикой неизбежно приводит к повышению уровня высших гармоник (ВГ) в сети.
Во всем мире развиваются и совершенствуются методы контроля и управления показателями качества элек- троэнергии (ПКЭ). Нормативные документы в области регулирования и контроля ПКЭ постоянно обновляются [1].
Возрастающее количество приборов с нелинейной характеристикой связано с развитием производства современных силовых полупроводниковых элементов. Возможность их применения в различных преобразователях тока дало широкое распространение частотно-регулируемым двигателям. Частотно-регулируемые двигатели нашли применение во многих областях промышленности благодаря значительному снижению электропотребления и повышению энергоэффективности.
Исследование возможных уровней ВГ, возникающих при использовании частотных преобразователей (ЧП), и их влияния на оборудование в существующих системах электроснабжения методами непосредственных замеров ПКЭ может быть осложнено множеством факторов. Разработка методик математического моделирования упростит анализ качества электроэнергии в различных инженерных системах.
Далее в работе на примере сети электроснабжения нефтедобывающей скважины разрабатывается математическая модель для изучения влияния ЧП на ПКЭ.
II ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Истощение разрабатываемых нефтяных пластов требует применения новых энергоэффективных подходов и сокращения существующих потерь. Применение ЧП в системах нефтедобычи для электропривода установок электроцентробежных насосов позволяет улучшить энергетические показатели этих установок и добиться заданных режимов работы, но появление ВГ в этих сетях приводит к ускоренному старению или полному выходу из строя электрооборудования.
Типовая схема электрооборудования для разработки нефтяной скважины представлена на рисунке 1. Погружаемый модуль, в котором размещается погружной насос вместе с электродвигателем привода типа ПЭД, получает трехфазное питающее напряжение по кабельной линии КПБП от повышающего трансформатора типа ТМПНГ. Напряжение, подаваемое на трансформатор, формируется двухступенчатым преобразователем, который входит в состав станции управления.
Рисунок 1 – Схема электроснабжения скважины
Основным источником ВГ является двухступенчатый преобразователь тока, который состоит из выпрямителя и инвертора.
Для анализа ПКЭ в данной схеме выбираются следующие характерные точки:
место присоединения станции управления к шинам подстанции (анализ искажения питающего напряжения);
выходные зажимы станции управления (анализ формируемого напряжения и его влияния на повышающий трансформатор);
вывода обмоток статора ПЭД (анализ питающего напряжения).
III МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМЫ В СРЕДЕ MATLAB
Для построения математической модели схемы электроснабжения скважины использовались стандартные функциональные блоки библиотеки SimPowerSystems программной среды Simulink MatLab.
Для реализации модели с помощью функциональных блоков был произведен расчет параметров всех элементов схемы. Некоторую сложность при расчете параметров погружных асинхронных двигателей представляет отсутствие справочных данных.
ЧП моделируется шестипульсным выпрямителем и двухуровневым автономным инвертором напряжения.
Для управления инвертора используется широтно- импульсная модуляция.
Математическое моделирование проводилось для исследования установившихся режимов работы частотно- регулируемого привода и анализа влияния ВГ на форму
кривых напряжения в различных точках схемы при изменении мощности электропривода и отсутствии мер по ослаблению ВГ.
IV РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВГ
Анализ результатов моделирования схемы показывает, что в точке присоединения станции управления к шинам 0,4 кВ значение коэффициента искажения синусоидально- сти кривой напряжения не превышает установленное стандартом [1] предельно допустимое значение KU = 12 %.
Однако необходим дальнейший анализ работы сети с учетом всего оборудования подстанции, так как наличие ВГ в схеме с конденсаторными установками даже при нормально допустимых значениях KU может привести к значительному сокращению их срока службы.
Наибольшее искажение синусоидальности напряжения, превышающее предельно допустимые нормы в несколько раз, наблюдается на выходе ЧП, такое влияние ВГ на повышающий трансформатор ТМПНГ является недопустимым, и требуются меры по ослаблению уровня ВГ.
Несколько лучше показания в точке присоединения двигателя, но значения KU также существенно превышают предельно допустимые нормы, что может вызывать дополнительный нагрев двигателя, а основной причиной отказа погружных электродвигателей является их перегрев.
V ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На примере схемы электроснабжения нефтедобывающей скважины выявлены недопустимые уровни ВГ при применении частотно-регулируемого привода. Сформулирован вывод о необходимости дальнейшей разработки математических моделей для улучшения качества электроэнергии.
Дальнейшее изучение позволит:
разрабатывать более сложные модели, учитывающие совместное влияние нескольких ЧП на работу подстанционного оборудования, такого как батареи конденсаторов, силовые трансформаторы и т.п.;
проводить анализ качества электроэнергии и делать вывод о необходимости применения фильтро-компенсирующих устройств в данных сетях, а так- же выполнять правильный выбор параметров этих устройств.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт.
Совместимость технических средств электромагнитная.
Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (ЕN 50160:2010, NEQ). – Введ. 2014.07.01. – М.: Стандартинформ, 2014. – 16 с.
Истощение разрабатываемых нефтяных пластов требует применения новых энергоэффективных подходов и сокращения существующих потерь. Применение ЧП в системах нефтедобычи для электропривода установок электроцентробежных насосов позволяет улучшить энергетические показатели этих установок и добиться заданных режимов работы, но появление ВГ в этих сетях приводит к ускоренному старению или полному выходу из строя электрооборудования.
Типовая схема электрооборудования для разработки нефтяной скважины представлена на рисунке 1. Погружаемый модуль, в котором размещается погружной насос вместе с электродвигателем привода типа ПЭД, получает трехфазное питающее напряжение по кабельной линии КПБП от повышающего трансформатора типа ТМПНГ. Напряжение, подаваемое на трансформатор, формируется двухступенчатым преобразователем, который входит в состав станции управления.
Рисунок 1 – Схема электроснабжения скважины
Основным источником ВГ является двухступенчатый преобразователь тока, который состоит из выпрямителя и инвертора.
Для анализа ПКЭ в данной схеме выбираются следующие характерные точки:
III МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМЫ В СРЕДЕ MATLAB
Для построения математической модели схемы электроснабжения скважины использовались стандартные функциональные блоки библиотеки SimPowerSystems программной среды Simulink MatLab.
Для реализации модели с помощью функциональных блоков был произведен расчет параметров всех элементов схемы. Некоторую сложность при расчете параметров погружных асинхронных двигателей представляет отсутствие справочных данных.
ЧП моделируется шестипульсным выпрямителем и двухуровневым автономным инвертором напряжения.
Для управления инвертора используется широтно- импульсная модуляция.
Математическое моделирование проводилось для исследования установившихся режимов работы частотно- регулируемого привода и анализа влияния ВГ на форму
кривых напряжения в различных точках схемы при изменении мощности электропривода и отсутствии мер по ослаблению ВГ.
IV РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВГ
Анализ результатов моделирования схемы показывает, что в точке присоединения станции управления к шинам 0,4 кВ значение коэффициента искажения синусоидально- сти кривой напряжения не превышает установленное стандартом [1] предельно допустимое значение KU = 12 %.
Однако необходим дальнейший анализ работы сети с учетом всего оборудования подстанции, так как наличие ВГ в схеме с конденсаторными установками даже при нормально допустимых значениях KU может привести к значительному сокращению их срока службы.
Наибольшее искажение синусоидальности напряжения, превышающее предельно допустимые нормы в несколько раз, наблюдается на выходе ЧП, такое влияние ВГ на повышающий трансформатор ТМПНГ является недопустимым, и требуются меры по ослаблению уровня ВГ.
Несколько лучше показания в точке присоединения двигателя, но значения KU также существенно превышают предельно допустимые нормы, что может вызывать дополнительный нагрев двигателя, а основной причиной отказа погружных электродвигателей является их перегрев.
V ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На примере схемы электроснабжения нефтедобывающей скважины выявлены недопустимые уровни ВГ при применении частотно-регулируемого привода. Сформулирован вывод о необходимости дальнейшей разработки математических моделей для улучшения качества электроэнергии.
Дальнейшее изучение позволит:
разрабатывать более сложные модели, учитывающие совместное влияние нескольких ЧП на работу подстанционного оборудования, такого как батареи конденсаторов, силовые трансформаторы и т.п.;
проводить анализ качества электроэнергии и делать вывод о необходимости применения фильтро-компенсирующих устройств в данных сетях, а так- же выполнять правильный выбор параметров этих устройств.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт.
Совместимость технических средств электромагнитная.
Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (ЕN 50160:2010, NEQ). – Введ. 2014.07.01. – М.: Стандартинформ, 2014. – 16 с.
Для построения математической модели схемы электроснабжения скважины использовались стандартные функциональные блоки библиотеки SimPowerSystems программной среды Simulink MatLab.
Для реализации модели с помощью функциональных блоков был произведен расчет параметров всех элементов схемы. Некоторую сложность при расчете параметров погружных асинхронных двигателей представляет отсутствие справочных данных.
ЧП моделируется шестипульсным выпрямителем и двухуровневым автономным инвертором напряжения. Для управления инвертора используется широтно- импульсная модуляция.
Математическое моделирование проводилось для исследования установившихся режимов работы частотно- регулируемого привода и анализа влияния ВГ на форму кривых напряжения в различных точках схемы при изменении мощности электропривода и отсутствии мер по ослаблению ВГ.
IV РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВГ
Анализ результатов моделирования схемы показывает, что в точке присоединения станции управления к шинам 0,4 кВ значение коэффициента искажения синусоидально- сти кривой напряжения не превышает установленное стандартом [1] предельно допустимое значение KU = 12 %.
Однако необходим дальнейший анализ работы сети с учетом всего оборудования подстанции, так как наличие ВГ в схеме с конденсаторными установками даже при нормально допустимых значениях KU может привести к значительному сокращению их срока службы.
Наибольшее искажение синусоидальности напряжения, превышающее предельно допустимые нормы в несколько раз, наблюдается на выходе ЧП, такое влияние ВГ на повышающий трансформатор ТМПНГ является недопустимым, и требуются меры по ослаблению уровня ВГ.
Несколько лучше показания в точке присоединения двигателя, но значения KU также существенно превышают предельно допустимые нормы, что может вызывать дополнительный нагрев двигателя, а основной причиной отказа погружных электродвигателей является их перегрев.
V ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На примере схемы электроснабжения нефтедобывающей скважины выявлены недопустимые уровни ВГ при применении частотно-регулируемого привода. Сформулирован вывод о необходимости дальнейшей разработки математических моделей для улучшения качества электроэнергии.
Дальнейшее изучение позволит:
разрабатывать более сложные модели, учитывающие совместное влияние нескольких ЧП на работу подстанционного оборудования, такого как батареи конденсаторов, силовые трансформаторы и т.п.;
проводить анализ качества электроэнергии и делать вывод о необходимости применения фильтро-компенсирующих устройств в данных сетях, а так- же выполнять правильный выбор параметров этих устройств.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт.
Совместимость технических средств электромагнитная.
Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (ЕN 50160:2010, NEQ). – Введ. 2014.07.01. – М.: Стандартинформ, 2014. – 16 с.
Анализ результатов моделирования схемы показывает, что в точке присоединения станции управления к шинам 0,4 кВ значение коэффициента искажения синусоидально- сти кривой напряжения не превышает установленное стандартом [1] предельно допустимое значение KU = 12 %. Однако необходим дальнейший анализ работы сети с учетом всего оборудования подстанции, так как наличие ВГ в схеме с конденсаторными установками даже при нормально допустимых значениях KU может привести к значительному сокращению их срока службы.
Наибольшее искажение синусоидальности напряжения, превышающее предельно допустимые нормы в несколько раз, наблюдается на выходе ЧП, такое влияние ВГ на повышающий трансформатор ТМПНГ является недопустимым, и требуются меры по ослаблению уровня ВГ.
Несколько лучше показания в точке присоединения двигателя, но значения KU также существенно превышают предельно допустимые нормы, что может вызывать дополнительный нагрев двигателя, а основной причиной отказа погружных электродвигателей является их перегрев.
V ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На примере схемы электроснабжения нефтедобывающей скважины выявлены недопустимые уровни ВГ при применении частотно-регулируемого привода. Сформулирован вывод о необходимости дальнейшей разработки математических моделей для улучшения качества электроэнергии.
Дальнейшее изучение позволит:
разрабатывать более сложные модели, учитывающие совместное влияние нескольких ЧП на работу подстанционного оборудования, такого как батареи конденсаторов, силовые трансформаторы и т.п.;
проводить анализ качества электроэнергии и делать вывод о необходимости применения фильтро-компенсирующих устройств в данных сетях, а так- же выполнять правильный выбор параметров этих устройств.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт.
Совместимость технических средств электромагнитная.
Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (ЕN 50160:2010, NEQ). – Введ. 2014.07.01. – М.: Стандартинформ, 2014. – 16 с.
На примере схемы электроснабжения нефтедобывающей скважины выявлены недопустимые уровни ВГ при применении частотно-регулируемого привода. Сформулирован вывод о необходимости дальнейшей разработки математических моделей для улучшения качества электроэнергии.
Дальнейшее изучение позволит:
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт.
Совместимость технических средств электромагнитная.
Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (ЕN 50160:2010, NEQ). – Введ. 2014.07.01. – М.: Стандартинформ, 2014. – 16 с.
1. ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (ЕN 50160:2010, NEQ). – Введ. 2014.07.01. – М.: Стандартинформ, 2014. – 16 с.