ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В современном мире электрические сети играют ключевую роль в обеспечении энергоснабжения промышленных и бытовых потребителей. В условиях быстро развивающейся электроэнергетики возникает необходимость в глубоком понимании функционирования электрических систем, особенно в контексте качества электроэнергии.

Одной из основных проблем является несинусоидальность напряжения, вызванная наличием нелинейных нагрузок, которые становятся все более распространенными в современных энергосистемах. Нелинейные нагрузки, как правило, создают искажения в форме гармоник, которые могут негативно сказаться на работе оборудования и снизить его надежность.

Для начала, необходимо создать математическую модель электрической сети 35 кВ с учетом всех элементов: трансформаторов, линий передачи, генераторов, распределительных устройств и нагрузок. На этапе моделирования необходимо учитывать параметры сети, такие как: емкости и индуктивности линий передачи, характеристики трансформаторов и генераторов, а также типы и характеристики нелинейных нагрузок. После создания математической модели необходимо задать источники гармоник в виде модели общей нагрузки. Источники гармоник могут быть как внешними, например, присоединенными к сети нелинейными нагрузками, так и внутренними, имеющими искаженную форму напряжения из-за нелинейных элементов сети.

Для моделирования электрических сетей 35 кВ с нелинейными нагрузками применяются различные методы и подходы, в зависимости от решаемых задач и уровня детализации модели. При моделировании электрической сети 35 кВ с нелинейными нагрузками необходимо учитывать следующие особенности[1]:

- наличие источников высших гармоник в виде нелинейных нагрузок;

- взаимное влияние источников гармоник друг на друга и на линейные элементы сети;

- нелинейность параметров элементов сети, в том числе трансформаторов и линий электропередачи;

- влияние высших гармоник на режимы работы сети;

- влияние высших гармоник на потери мощности и энергии в элементах сети;

- влияние высших гармоник на показатели качества электроэнергии.

1 Цель и задачи исследования

Целью данного исследования является оценка выполнения норм по несинусоидальности напряжения в такой электрической сети и разработка методов управления для минимизации негативных эффектов несинусоидальных составляющих. Данное исследование сочетает в себе анализ моделей нелинейных нагрузок, моделирование сети 35 кВ и гармонический анализа, предоставляя новые практические решения для обеспечения качества электроэнергии и повышения эффективности электрических сетей.

2 Моделирование источников гармоник

Основными источниками высших гармоник в электрических сетях 35 кВ являются различные нелинейные нагрузки. Для моделирования источников гармоник применяются как модели отдельных нелинейных нагрузок, так и обобщенные модели групп нелинейных нагрузок подключенных к одному узлу сети.

3 Моделирование линейных элементов сети

Рассматриваемая электрическая сеть 35 кВ состоит из одноцепных и двуцепных воздушных линий электропередачи и двухобмоточных трансформаторов. При моделировании линейных элементов необходимо учитывать нелинейность их параметров при воздействии высших гармоник.

Моделирование линий электропередачи[1]:

- модель линии с распределенными параметрами;

- модель линии с сосредоточенными параметрами.

Моделирование трансформаторов:

- модель трансформатора с насыщением магнитопровода;

- модель трансформатора с учетом вихревых токов.

4 Общая информация об электрических сетях

Электрическая сеть 35 кВ представляет собой важный элемент распределительных сетей в системах электроснабжения. Она объединяет высоковольтные подстанции и потребителей энергии в пределах определенной территории. Основная задача данной сети заключается в передаче электроэнергии от генераторов к конечным потребителям с минимальными потерями и высоким качеством. Линейные нагрузки характеризуются постоянным сопротивлением, а нелинейные способны изменять свои характеристики в зависимости от приложенного напряжения[2,6]. Важно отметить, что к нелинейным нагрузкам относятся различные электронные устройства, такие как: выпрямители, инверторы и другие приборы, которые влияют на форму напряжения в электрической сети. Нормативные документы, такие как: ГОСТ и МЭК устанавливают требования к качеству напряжения в электрических сетях, и определяют допустимые уровни гармоник [5].

5 Нелинейные нагрузки и их влияние на электрическую сеть

Современные энергосистемы сталкиваются с проблемами вызванными нелинейными нагрузками. Их влияние на качество электроэнергии выражается в виде неполноценного синусоидального выходного напряжения, что приводит к возникновению гармоник. Они могут вызывать: перегрузку оборудования, повышенные потери и преждевременный выход из строя электрических аппаратов. Нелинейные нагрузки создают обратные токи и флуктуации за счет особенностей технологий регулирования. Такие нагрузки приводят к возникновению дополнительных токов, которые могут значительно превышать токи синусоидальной нагрузки. Наиболее распространенными источниками гармоник являются силовая электроника и устройства контроля. Эти факторы создают необходимость в более детальном анализе и моделировании электрических сетей[1].

6 Моделирование электрической сети

Моделирование электрической сети позволяет оценить процессы происходящие в ней и анализировать влияние различных факторов на качество электроэнергии. Существуют различные методы моделирования включая статические и динамические подходы. Статические модели позволяют оценить поведение сети в определенный момент времени, а динамические позволяют следить за изменениями во времени, что особенно важно при наличии нелинейных нагрузок. Создание модели сети 35 кВ подразумевает учет всех элементов системы, включая линии электропередачи, трансформаторы и потребителей. Модель должна также включать характеристики нелинейных нагрузок, а также источники гармоник. Для достижения высокой точности моделирования необходимо использовать современные программные комплексы, которые позволяют проводить симуляции различных сценариев функционирования системы.

7 Создание модели общей нагрузки

Определение общей нагрузки в электрической сети является важным шагом в моделировании. Важно учитывать, как регулярные нагрузки, так и временные пики нагрузки, которые могут повышать уровень гармоник. Для задания источников гармоник может использоваться модель общей нагрузки, которая объединяет все известные нелинейные нагрузки, и представляет их в виде эквивалентного источника. Таким образом, можно более эффективно оценить влияние гармоник на напряжение. Модель общей нагрузки позволяет учитывать различные сценарии работы системы, а также анализировать эффективность мероприятий по улучшению качества электроэнергии. Воспользовавшись данными по различным типам нагрузок и их вкладу в искажения напряжения, возможно создание достоверной модели, которая будет служить основой для дальнейших анализов и исследований.

8 Оценка выполнения норм по несинусоидальности напряжения

Нормы и стандарты по качеству электрической энергии определяются на международном и национальном уровнях. Важно установить допустимые уровни гармоник и их влияние на качество напряжения. Эти стандарты обеспечивают стабильность работы электрооборудования, и помогают избежать негативных последствий, вызванных несинусоидальностью.

Методики оценки несинусоидальности напряжения включают как измерения, так и расчетные модели. Возможно использование различных индикаторов, например коэффициента гармоник или коэффициента искажений, которые помогают оценить степень отклонения формы напряжения от идеальной синусоиды. Результаты анализа позволяют оценить качество электроэнергии и предпринять необходимые меры по ее улучшению[3,5].

Практическое применение модели электрической сети 35 кВ с нелинейными нагрузками является важным аспектом для повышения качества электроэнергии и надежности работы системы. Анализ моделей позволяет выявлять уязвимые места в сети и принимать меры по их оптимизации. Существуют рекомендации по снижению уровня гармоник, которые могут включать использование фильтров мощностных компенсаторов и других вспомогательных устройств.

Для моделирования электрической сети 35 кВ необходимо учитывать как линейные, так и нелинейные нагрузки. В первую очередь, создается математическая модель сети, которая включает в себя генераторы трансформаторы и линии электропередачи. Далее вводятся нелинейные нагрузки, которые могут быть представлены в виде эквивалентных схем.

9 Основные понятия и определения

Нелинейные нагрузки — это устройства, которые не подчиняются законам линейной электротехники. Они могут создавать гармонические искажения, что приводит к ухудшению качества электроэнергии.

Гармоники — это синусоидальные сигналы, частоты, которых кратны основной частоте системы. Например, в сетях с частотой 50 Гц основными гармониками будут 100 Гц, 150 Гц и так далее.

10 Методология моделирования

1. Определение структуры сети: Сеть должна быть четко спроектирована с указанием всех ключевых элементов.

2. Выбор программного обеспечения: Для моделирования используются специализированные программы, такие как MATLAB Simulink или PSS/E.

3. Задание параметров нагрузки: Нелинейные нагрузки задаются через их эквиваленты, учитывающие гармонические составляющие.

Гармоники могут возникать из-за работы различных устройств, таких как выпрямители инверторы и прочие полупроводниковые устройства.

Для моделирования необходимо задать источники гармоник в виде модели общей нагрузки. Это позволяет оценить влияние нелинейных устройств на качество электроэнергии.

Источники гармоник можно моделировать несколькими способами:

1. Синусоидальные источники: Используются для представления отдельных гармоник.

2. Эквиваленты нагрузок: Позволяют объединить несколько источников в одну модель, упрощая расчет.

3. Анализ временных характеристик: Оценка поведения системы во времени для выявления пиковых значений и периодов.

11 Оценка несинусоидальности напряжения

Несинусоидальность напряжения характеризуется гармоническими коэффициентами и другими параметрами, связанными с качеством электроэнергии. Для ее анализа необходимо провести исследование собранных данных.

Нормативные документы регулируют требования к уровню несинусоидальности напряжения в электрических сетях. В сетях общего электроснабжения на несинусоидальность напряжения устанавливает нормы стандарт ГОСТ 32144-2013.

Изменения характеристик напряжения в точках передачи энергии делятся на две категории: продолжительные изменения и случайные события. Продолжительные изменения — это длительные отклонения от номинальных значений, чаще всего они вызваны изменениями(воздействием) нелинейной нагрузки. Случайные события — это внезапные изменения формы напряжения, которые могут возникать из-за непредсказуемых ситуаций, таких как повреждения оборудования или внешние факторы, например, погодными условиями. Для продолжительных изменений характеристик напряжения, касающихся частоты, значений, формы и симметрии в трехфазных системах, установлены соответствующие показатели и нормы.

12 Несинусоидальность напряжения

Гармонические составляющие напряжения в основном возникают из нелинейных нагрузок, подключенных к электросетям. Гармонические токи, которые проходят через эти сети, вызывают падения напряжений на полном сопротивлении. Эти токи, полные сопротивления и напряжения гармонических составляющих изменяются со временем. К показателям гармонических составляющих напряжения относятся:[2]:

-значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка в процентном соотношении напряжения гармонической составляющей в точке распределения электроэнергии;

-значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения(до 40-го порядка), выраженный в процентах в точке передачи энергии.

Для этих показателей установлены следующие нормирования:[7]:

а) величина коэффициентов гармонических составляющих напряжения, усредненные за 10 минут, не должны превышать предельного значения, указанного в таблицах 12.1-12.3, в течение 95% времени за 7 дней;

б) величина коэффициентов гармонических составляющих напряжения, усредненные в интервале времени 10 минут, не должны превышать значения, установленного в таблицах 12.1 - 12.3, увеличенного в 1,5 раза, в течении 100% времени за 7 дней;

в) величина суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения, усредненные в интервале времени 10 минут, не должны превышать значения, установленного в таблице 12.4, в течении 95% времени за 7 дней;

г) величина суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения, усредненные в интервале времени 10 минут, не должны превышать значения, установленного в таблице 12.5, в течении 100% времени за 7 дней.

Таблица 12.1 – Значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения

Таблица 12.1 – Значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения

Таблица 12.2 и 12.3 – Значения коэффициентов нечетных гармонических составляющих напряжения, кратных трем

Таблица 12.2 и 12.3 – Значения коэффициентов нечетных гармонических составляющих напряжения, кратных трем

Таблица 12.4 и 12.5 – Значения коэффициентов напряжения четных гармонических составляющих

Таблица 12.4 и 12.5 – Значения коэффициентов напряжения четных гармонических составляющих

Для оценки уровня несинусоидальности напряжения в энергосетях применяют разные способы, основанные на измерении и анализировании формы кривой напряжения. К самым распространенным из них относят:

1. Спектральное анализирование кривой напряжения, благодаря быстрому преобразованию Фурье (БПФ).

2. Определение коэффициентов несинусоидальности напряжения по отдельным гармоникам и коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения.

3. Применение современных цифровых анализаторов качества энергии, осуществляющих алгоритмы спектрального анализирования.

13 Отклонение частоты

Показателем КЭ, относящимся к частоте, является отклонение основной величины частоты напряжения электрического потребления от номинальной величины f:
Формула 13.1 (13.1)

где fm – основная величина частоты напряжения электрического потребления, Гц, измеренная в течении 10 с в соответствии с нормами ГОСТа 30804.4.30;

fnom – номинальная величина частоты напряжения электропотребления, Гц.

Номинальная величина частоты напряжения электропотребления в электросети равно 50 Гц. Для показателя КЭ установлены определенные нормирования:

- отклонение частоты в синхронизированных системах энергоснабжения не более +/- 0,2 Гц в течение 95% времени за 7 дней и +/- 0,4 Гц в течение 100% времени за 7 дней;

- отклонение частоты в изолированных системах энергоснабжения с автономными генерирующими установками, которые не подключеные к синхронизированным системам передачи электроэнергии, не более +/- 1 Гц в течение 95% времени за 7 дней и +/- 5 Гц в течение 100% времени за 7 дней.

Кратковременные изменения напряжения электрического потребления (чаще всего, продолжительностью больше 1 минуты) обусловлены, скорее всего, изменениями нагрузки эл. сети[3].

Показателями КЭ, относящимися к кратковременным изменениям напряжения эл. потребления, являются отрицательное или положительное отклонение напряжения электропотребления в точке передачи электроэнергии от номинальной/согласованной величины, %:
Формула 13.2 (13.2)

где Um – значение напряжения электрического потребления, меньше U0 и больше U0 , усредненные во времени 10 минут в соответствии по соотношению требований ГОСТа 30804.4.30;

U0 – напряжение, соответствующее номинальному напряжению Unom или согласованному напряжению Uc.

В сетях НН стандарт номинального напряжения электропотребления Unom составляет 220 В и 380 В.

В сетях СН и ВН вместо величины номинального напряжения электропотребления принимают напряжение Uc.

Для этих КЭ установлены определенные нормирования: положительные или отрицательные отклонения напряжения в точке передачи эл. энергии не более 10% номинальной/согласованной величины напряжения в течение 100% времени за 7 дней.

В эл. сети потребителя должны быть соблюдены условия, при которых отклонения напряжения потребления на зажимах электроприемников не более установленных для них допустимых величин при выполнении требований настоящего стандарта к КЭ в точке передачи электроэнергии.

Выводы

Моделирование электросети напряжением 35 кВ с нелинейными нагрузками показывает собой сложную, но необходимую задачу для современных энергосистем. Оно позволяет более точно оценивать влияние различных факторов на качество электроэнергии, а также разрабатывать меры по его улучшению. Можно сказать, что проводимые исследования в данной области имеют высокую практическую значимость, и могут существенно помочь в решении проблем несинусоидальности напряжения в будущих электроэнергетических системах.

Применение различных методов моделирования источников гармоник линейных элементов сети и режимов работы, позволяет оценить влияние нелинейных нагрузок на показатели качества электроэнергии и разработать мероприятия по их улучшению.

В электрических системах всегда имеются нелинейные элементы, которые при приложении к ним синусоидального напряжения потребляют нелинейный ток. Однако режим считается несинусоидальным только в том случае, если искажения кривых токов и напряжений значительны (на уровне или выше допустимых пределов ГОСТ).

Оценка несинусоидальности напряжения в электрических сетях является важной задачей, решение которой позволяет обеспечить надежную и эффективную работу электрооборудования. Применение современных методов измерения, анализа и моделирования высших гармоник дает возможность выявлять источники несинусоидальности, оценивать ее влияние и разрабатывать мероприятия по улучшению качества электроэнергии в соответствии с действующими нормативными требованиями.

Пренебрежение искажением формы кривой тока и напряжения в расчете установившихся режимов является источником серьезных погрешностей.

Т. к. причиной нарушения синусоидальности формы кривой тока и напряжения является потребитель, то для повышения эффективности передачи и распределения электрической энергии необходимо повсеместное использование фильтрокомпенсирующих устройств. Их внедрение позволит снизить эффект от работы потребителей с нелинейной вольтамперной характеристикой[8].

Список источников

  1. Солдатов В. А., Попов Н. М. Моделирование сложных видов несимметрии в распределительных сетях 10 кВ методом фазных координат // Электротехника. 2003. с. 35–39.
  2. Возисова О. С., Шелюг С. Н. Реактивная мощность в несинусоидальных системах // Электроэнергетика глазами молодежи- 2015: тр. VI Междунар. молодежн. науч.-техн. конф., 9-13 ноября 2015 года.
  3. Жежеленко И. В., Саенко Ю. Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. 3-е изд., перераб. и доп. – М: Энергоатомиздат, 2000.
  4. Качество энергии в электрических сетях : пер. с англ. / Куско А., Томпсон М. ; пер. Рабодзей А. Н. - М. : Додэка-ХХI, 2008. - 333 с. : ил. - (Электротехника и энергетика).
  5. Управление качеством электроэнергии / И. И. Карташев, В. Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др.; под ред. Ю. В. Шарова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 320 с.
  6. Зажирко В.Н., Петров С.И., Тэттэр А.Ю. / Под ред. В.Н. Зажирко. Режимы постоянного и синусоидального токов в линейных электрических цепях. Учебное пособие / Омский государственный университет путей сообщения. Омск, 1997. 108 стр.
  7. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения ГОСТ 32144-2013.
  8. Виноградов А. А., Володин В. В., Рысев А. М.. Особенности расчета несинусоидальных режимов электрических сетей методом узловых напряжений // IV Всесоюзн. сов. по качеству электрической энергии. Винница: Тез. докл. – Киев: ФОЛ Института электродинамики АН УССР, 1978. – Ч. 3. – C. 106-108.