Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Курді Башар
(Сірійська Арабська Республіка)
УДК 621.311.153
ОЦІНКА І НОРМАЛІЗАЦІЯ ЯКОСТІ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ
В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ ВЕЛИКОГО
ПРОМИСЛОВОГО ЦЕНТРУ
Спеціальність 05.14.02 – “Електричні станції, мережі і системи”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк – 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Приазовському державному технічному університеті
Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.
Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Жежеленко Ігор Володимирович, Приазовський державний технічний університет, ректор, завідувач кафедри “Електропостачання промислових підприємств”
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Зорін Владлен Володимирович, Національний технічний університет України “КПІ”, професор кафедри “Електропостачання”;
кандидат технічних наук, доцент Дмитрієва Олена Миколаївна, Донецький національний технічний університет, доцент кафедри “Електричні системи”
Провідна установа - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра “Передача електричної енергії”, Міністерство освіти і науки України.
Захист відбудеться “_20___”__Червня_____2002р. о ___1315__годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.02 у Донецькому національний технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, I навчальний корпус к. 201.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДонНТУ (83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, II навчальний корпус).
Автореферат розісланий “ _17___ ” ____Травня_ 2002р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
К 11.052.02, к.т.н., доц. ___________ А.М. Ларін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
У міських електричних мережах з великою питомою вагою промислових навантажень виникає необхідність оцінки показників якості електроенергії (ПЯЕ), тому що у цьому випадку їх значення значно перевищують нормовані, що негативно позначається на працюючому устаткуванні і техніко - економічних показниках.
Більшість питань цієї проблеми розглядалися рядом авторів. Однак ряд питань залишився не досить вирішеним: це - вибір оптимального методу та засобів компенсації вищих гармонік (ВГ); дослідження закону зміни напруги в міських мережах такого роду; крім того, врахування амплітудно-частотних характеристик (АЧХ) активних опорів у розрахунках ПЯЕ. Ці питання були досліджені в даній дисертації та знайшли практичне застосування в процесі модернізації системи електропостачання (СЕП) міста Дамаска.
Актуальність теми. Характерною рисою сучасних міських мереж є збільшення питомої ваги промислових навантажень, що специфічно впливають на якість електричної енергії (ЯЕ) у мережі живлення. Ця специфічність характеризується високою частотою зміни рівнів ВГ, відхилень напруги. Результати експериментальних досліджень, проведених за останні роки, показують, що ЯЕ в більшості міських мереж з великою питомою вагою промислових навантажень не відповідає вимогам ДСТ 13109-97 по одному чи декільком показникам. У зв'язку з цим питання підвищення ЯЕ в мережах такого роду відносяться до категорії найбільш актуальних у сучасній електроенергетиці. Ці питання включені в цільову комплексну програму розвитку електричних систем Сірії з метою підвищення їхньої ефективності, надійності роботи і зниження втрат, тому що до електроенергетичної системи Сірії підключена ціла низка споживачів, що викликають спотворення напруги: зварювальні установки, тиристорні перетворювачі, телевізори, комп'ютери та інші.
Випадковий характер змін напруги в електричних мережах з великою питомою вагою промислових навантажень висуває особливі вимоги до вибору кількісних критеріїв оцінки його якості, для яких доцільно застосовувати математичний апарат теорії випадкових процесів. Для одержання достатньої інформації про випадкові процеси зміни ПЯЕ необхідно визначити їх числові, кореляційні, спектральні характеристики, а також закон зміни напруги. Це дозволить вибрати найбільш ефективні засоби нормалізації ПЯЕ, установити закон їхнього регулювання, розробити методи розрахунку ПЯЕ для мереж з показниками, що змінюються у часі.
У комплексі заходів, спрямованих на підвищення ЯЕ, істотне значення мають питання зниження несинусоїдальності напруги в міських мережах з великою питомою вагою промислових навантажень. Їхнє рішення дозволить підвищити надійність електропостачання Сірії і знизити втрати електроенергії.
Вирішення зазначених вище проблем вимагає розробки алгоритмів розрахунку і відповідного програмного забезпечення для вибору фільтрокомпенсуючих пристроїв (ФКП) у мережах з декількома джерелами ВГ.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в Приазовському державному технічному університеті. Результати даної дисертаційної роботи використані кафедрою “Електропостачання промислових підприємств” при виконанні науково-дослідної роботи № 0197U002518 “Оптимізація режимів систем електропостачання і вирішення завдань електрозбереження в умовах низької якості електроенергії”. Матеріали роботи включені в план розвитку електроенергетики Сірії на 2000 – 2004р.
Мета роботи і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів розрахунку і нормалізація ПЯЕ в міських електричних мережах Сірії.
Основними завданнями дисертації, які випливають із сформульованої вище мети, є:
- розробка методики експериментального дослідження ПЯЕ для міських електричних мереж з великою питомою вагою промислових навантажень;
- визначення параметрів кореляційних функцій (КФ) і спектральних щільностей змін напруги, а також законів їхнього розподілу в мережах такого роду для оцінки ПЯЕ;
- розробка методів розрахунку несинусоїдальності напруги в міських розподільних мережах;
- дослідження можливості використання для компенсації ВГ простих і комбінованих ФКП;
- розробка рекомендацій і методів зниження рівнів ВГ у системах електропостачання міських і промислових споживачів.
Об'єкт дослідження – міські електричні мережі з великою питомою вагою промислових навантажень (на прикладі СЕП Дамаск (Сірія)).
Предмет дослідження – ЯЕ в системах електропостачання міських і промислових навантажень, методи розрахунку ПЯЕ і їхня нормалізація.
Методи дослідження - завдання, поставлені в дисертаційній роботі, вирішувались на основі застосування чисельних методів рішення нелінійних систем диференційних рівнянь, математичного моделювання, імовірно-статистичного дослідження випадкових процесів, теорії електричних ланцюгів. Розрахунки і дослідження проводилися з використанням ЕОМ.
Наукова новизна отриманих результатів.
1. Подальший розвиток одержала математична модель, що описує спотворення, які вносяться в міську електричну мережу, що відрізняється урахуванням імовірнісного характеру процесів зміни параметрів режиму систем електропостачання. Застосування методів математичного моделювання до стохастичних процесів, що протікають в подібних мережах дозволило адекватно врахувати характерні риси властиві як параметрам режиму, так і різним конфігураціям електричних мереж.
2. Уперше визначені значення числових характеристик і параметрів КФ, спектральних щільностей і закон зміни напруги в таких специфічних областях, як електричні мережі міст зі значною часткою промислових навантажень.
3. Одержала подальший розвиток математична модель розрахунку рівнів вищих гармонік в електричних мережах великого промислового центру, елементи якої описані системами рівнянь з урахуванням активного опору. Модель відрізняється урахуванням амплітудно-частотних характеристик активних, вхідних і взаємних опорів вузлів електричної мережі, що дозволяє в міських мережах напругою 0,4 кВ з великою питомою вагою промислових навантажень одержати достатню точність розрахунків і вибрати доцільні способи компенсації вищих гармонік.
4. На підставі виконаного порівняльного аналізу використання простих і складних ФКУ, доведена доцільність застосування резонансних фільтрів з урахуванням мінімізації їхньої встановленої потужності в електричних мережах великого промислового центра.
5. Запропонований і розроблений метод централізованої компенсації ВГ, що дозволяє в складних розподільних мережах з великою питомою вагою промислових навантажень одержати економічно доцільне рішення щодо компенсації ВГ на відміну від загальноприйнятого методу локальних компенсацій вищих гармонік.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблено програмне забезпечення в середовищі Маthсоnnех для розрахунку ФКП в складних розподільних мережах при наявності декількох джерел ВГ на основі централізованої компенсації вищих гармонік, що дозволяє оптимізувати потужність фільтрів з урахуванням їхньої перевантажувальної здатності та АЧХ активних опорів.
Запропонована методика аналізу може бути використана в усіх випадках проектування і реконструкції систем електропостачання, у яких передбачається наявність декількох джерел ВГ.
Математична модель для розрахунку ВГ використовується в науково - дослідній роботі студентів.
Виконано оцінку економічної ефективності запропонованих засобів нормалізації ПЯЕ; результати роботи прийняті Генеральною Електричною компанією Сірії для апробації в умовах міста Дамаска.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи повідомлені та обговорені на IV Міжнародній конференції “Ефективність і якість електропостачання промислових підприємств” (Маріуполь, 2000), VI,VII регіональних науково - технічних конференціях, проведених у Приазовському державному технічному університеті (Україна, Маріуполь 1998 - 2000), а також на наукових семінарах, проведених на кафедрі електропостачання промислових підприємств Приазовського державного технічного університету в 1997 –2001 роках і на кафедрі електропостачання промислових підприємств Донецького державного технічного університету в 2001 року.
Публікації. По темі дисертації опубліковано 6 друкованих праць, у тому числі, три статті в наукових журналах та тези трьох доповідей.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, викладених на 122 стор. машинописного тексту, у тому числі 33 рисунки на 14 сторінках і 21 таблиця на 7 сторінках. Робота містить список використаних джерел з 120 найменувань і 6 додатків на 36 сторінках. Додатки містять 20 таблиць на 19 сторінках і 11 рисунків на 14 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність розв'язуваної проблеми, сформульовані мета, головні напрямки досліджень, а також основні наукові результати, що виносяться на захист. Коротко викладена інформація про структуру дисертації, зміст окремих розділів і додатків.
У першому розділі проведений аналіз якості електроенергії в електричних мережах міста Дамаска (Сірія), наведений огляд існуючих методів та засобів зниження рівня ВГ.
Зокрема, розглянуті результати вимірів відхилення і несинусоїдальності напруги в характерних вузлах схеми міських і промислових навантажень, проведені з участю співробітників енергетичного факультету Дамаського університету, а також статистичні дані пошкоджуваності устаткування в мережах 0,4-20 кВ міста Дамаска.
Аналіз показав необхідність додаткових досліджень і збору статистичних даних з відхилення і несинусоїдальності напруги, щоб мати можливість виявити основні причини пошкоджуваності устаткування.
Незважаючи на численні дослідження в області підвищення якості електроенергії в електричних мережах з великою питомою вагою промислових навантажень, деякі питання вимагають подальшого уточнення (необхідна тривалість вимірів ПЯЕ, закон зміни напруги в мережах такого роду, кореляційний зв'язок, вибір оптимального методу і засобів компенсації ВГ).
Показано вплив несинусоїдальності напруги, який перевищує нормовані ДСТ 13109-97 значення, на якість і надійність роботи електроспоживачів і системи електропостачання.
Виконано порівняльний аналіз використовуваних ФКП і методів зниження ВГ.
Показано що, вибір тієї чи іншої структури ФКП в загальному випадку не має однозначного вирішення, тому що істотний вплив мають економічні фактори: мінімізація розрахункових приведених витрат, обумовлених капітальними витратами на ФКП і вартістю втрат енергії як у СЕП, так і в елементах ФКП; необхідність забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС) параметрів устаткування і режимів роботи складної багатоелементної системи “СЕП - навантаження - ФКП”.
Другий розділ присвячений розробці методу дослідження ПЯЕ в електричних мережах міста Дамаска і визначенню їхніх параметрів, а також оцінці економічного збитку, обумовленого несинусоїдальністю напруги.
Зміни напруги в електричних мережах з великою питомою вагою промислових навантажень носять у значній мірі випадковий характер. Для дослідження подібних процесів використовують імовірнісні та спектральні методи. Основним завданням при цьому є визначення числових і спектральних характеристик процесу по реалізації кінцевої тривалості й обмеженій їхній кількості.
Були проведені дослідження відхилення, коливань, несиметрії і несинусоїдальності напруги. Дослідження проведені на шинах підстанції “Кабун”, навантаженням якої є житлові будинки і промислові райони (текстильні і прядильні фабрики, заводи з обробки шкіри та ін.), а також на шинах 230 кВ (станція “Тішрин”) і на підстанції “Салхія”, до яких підключені міські навантаження.
Коректність результатів експериментів і обсяг необхідних обчислень в значній мірі залежать від вибору величини кроку дискретизації Dt і тривалості вимірів Т. Вибір кроку дискретизації Dt для більшої ймовірності був зроблений двома способами:
1) На стадії статистичних проб оцінка величини Dt виконана, виходячи з припустимої максимальної відносної погрішності опису нормованої КФ при дискретизації процесу
, (1)
де - середнє число нулів за одиницю часу (число перетинання процесом U(t) лінії його математичного чекання), 1/час;
Вибір величини Dt зроблений при = 0,050; 0,075; 0,100.
Мінімальна довжина реалізації визначена на підставі теорії викидів випадкових процесів. За міру точності прийнята відносна середньоквадратична погрішність обчислення КФ . Розрахунки виконані при зміні в межах від 0,05 до 0,10.
2) Використання формули Котельникова для визначення значень Dt обмежено невизначеністю вибору максимальної частоти в спектрі досліджуваного сигналу. Для реалізацій різної тривалості отримані спектральні характеристики, аналіз яких дозволив визначити значення .
Необхідний час безперервного запису процесу:
, (2)
де - нижча частота, яку можна виділити в розглянутому процесі.
Використання виразу (2) вимагає уточнення значень мінімальних частот у спектрі досліджуваного сигналу.
У залежності від типів розв'язуваних завдань, КФ відхилення напруги мережі живлення, як показали проведені розрахунки, апроксимуються виразом вигляду (Рис. 1):
(3)
Для знаходження параметрів КФ, коефіцієнтів загасання і частот , використаний метод найменших квадратів у сполученні з методом послідовних наближень з метою запобігання громіздких перетворень експоненційно-косинусних функцій.
Спектральна щільність вузькополосних процесів може бути апроксимована більш простим виразом
. (4)
У результаті аналізу процесів у мережах такого роду визначені значення частот спектра і , які доцільно враховувати в розрахунках. Отримані реальні величини максимальних і мінімальних частот у спектрі досліджуваних процесів відхилень напруги, дозволили уточнити розрахункові значення і Т. Показане, що такими величинами є: для станції “Тішрин”, напруга якої 230 кВ, - = 20 хв., Т = 6 днів; для підстанції “Кабун”, напруга якої 230/20 кВ, - = 20 хв., Т = 6 днів; для підстанції “Салхія”, напругою 66/20 кВ, - = 30 хв., Т =6 днів.
Закон розподілу основних ПЯЕ був визначений дослідним шляхом. Крок дискретизації за часом прийнятий рівним інтервалу кореляції. Гістограми відхилень напруги в розподільних мережах на досліджуваних вузлах апроксимуються кривою нормального закону розподілу (Рис.2). Ці висновки підтверджені перевірочними розрахунками за критерієм згоди Пірсона.
Розрахунок коефіцієнта несиметрії напруги в електричних мережах з таким виглядом навантаження також доцільно проводити імовірнісно-статистичними методами. Замінивши безперервно записаний процес змін трилінійних напруг цифровою випадковою послідовністю і розрахувавши напругу прямої і зворотної послідовностей з інтервалом часу Dt у кожній точці досліджуваного процесу, можна розрахувати кореляційні і спектральні характеристики напруги прямої і зворотної послідовностей. Як показали проведені дослідження, експериментальні нормовані кореляційні функції напруги прямої і зворотної послідовностей добре апроксимуються виразом типу (3). Чисельні значення коефіцієнтів зворотної послідовності, отримані в результаті розрахунку, складають величини порядку: М (K2U) = (0,44 ё 1,39) %; s (K2U) = (0,14 ё 0,23) %.
Для визначення числових характеристик окремих гармонік і коефіцієнта несинусоїдальності, рівні гармонік напруги, характерні для даного типу навантаження, записані за допомогою аналізатора спектра. Виміри показали, що він знаходиться в межах (5,9 ё 6,5) %
Обробка результатів вимірів ПЯЕ містила в собі розрахунок математичних очікувань , середньоквадратичних відхилень , мінімальних і максимальних значень . Обробка результатів проводилася на ПЕОМ із використанням стандартної програми Statistica V4.5.
Наведений у дисертації аналіз результатів показує, що відхилення напруги, яке перевищує в окремих випадках припустиме за ДСТ 13109-97 значення ±5%, не виходить за 10%, що припустимо для батареї конденсаторів (БК). Статистичний аналіз показує, що середньоквадратичне відхилення напруги мале і досить стабільне, і відхилення напруги не має істотного впливу на рівень ВГ.
Коливання і несиметрія напруги знаходяться в межах нормованих значень. Тому в роботі основна увага приділена несинусоїдальності напруги, а також методам і засобам зменшення рівнів ВГ як основній причині виходу з ладу БК.
Далі розглянуто методику оцінки збитків від неякісної електроенергії і її впливу на окремі види устаткування: асинхронні електродвигуни, трансформатори зв'язку з енергосистемою, трансформатори вентильних перетворювачів, кабелі і конденсаторні установки.
У третьому розділі виконаний розрахунок несинусоїдальних режимів в умовах розвитку виробництва міста Дамаска, а також проведений розрахунок АЧХ опорів елементів систем електропостачання.
Експериментальне дослідження параметрів режимів електропостачання не дозволяє повною мірою оцінити ефективність заходів щодо компенсації ВГ, режими комутацій, аварійні режими, прогнозувати режими СЕП при їхньому розвитку і ін. Для цієї мети пропонується використовувати розрахункові методи.
У розрахунку несинусоїдальних режимів на досліджуваній підстанції джерела гармонік входять у схему заміщення як джерела струму.
Джерелами гармонік в електричних мережах міста Дамаска є керовані і некеровані вентильні перетворювачі, зварювальні агрегати, газорозрядні лампи та ін. на напрузі до 1 кВ. Головною особливістю розрахунку коефіцієнта несинусоїдальності в розглянутому випадку є урахування активних опорів елементів мережі.
Велика кількість рекомендацій визначення активного опору на вищих гармоніках свідчить про відсутність даних, які були б підтверджені вагомими експериментами. Розглянуто рекомендації з оцінки залежностей впливу активного опору . Ці залежності в більшій мірі наближаються до, тому для розрахунку несинусоїдальних режимів СЕП використовуємо вираз , де - номер гармонік.
Опори електроустаткування (трансформатори, асинхронні двигуни і кабельні лінії) досліджуваної підстанції представлені у вигляді послідовно з'єднаних активних і реактивних опорів, а також ємнісних провідностей на початку і наприкінці лінії електропередач.
У дисертації розроблений алгоритм розрахунку коефіцієнтів несинусоїдальності з використанням програми MathCad 7. При цьому системи рівнянь (5) розв'язувались методом вузлових напруг.
. (5)
Чисельні значення коефіцієнтів несинусоїдальності на другій секції шин досліджуваної підстанції, здобуті в результаті розрахунку, складають величини порядку: Кнс = 5,6 % до реконструкції виробництва; Кнс = 11,5 % з урахуванням розвитку виробництва.
Сумарний збиток від несинусоїдальності напруги з урахуванням росту виробництва (целюлозно-паперове підприємство) зріс у 1,8 разів у порівнянні зі збитком без урахування зростання виробництва і склав 15,6 тисяч доларів у рік.
Програмою не передбачено урахування нелінійності опорів енергосистеми. Для її урахування зроблений розрахунок АЧХ вхідних і взаємних опорів на базі розробленої програми розрахунку ВГ в СЕП міста Дамаск.
Для визначення власного вхідного і взаємного опорів -го вузла схеми джерела струму ВГ у вузлах схеми були представлені в такий спосіб
(6)
У цьому випадку власний опір -го вузла
, (7)
а взаємний опір -го і -го вузлів
, (8)
де: - напруга -ї гармоніки відповідно у вузлах і .
Аналіз АЧХ вхідних і взаємних опорів підтвердив розподіл резонансних частот, отриманих у результаті розрахунку несинусоїдальності напруги, що дозволяє забезпечити коректний вибір ФКП (Рис. 3)
У четвертому розділі розглядаються питання компенсації вищих гармонік у системах електропостачання міста Дамаска і вибір ФКП.
З огляду на те, що в більшості випадків спектр ВГ є дискретним, найбільшого поширення одержали резонансні фільтри, настроєні на частоту однієї з гармонік. При необхідності компенсації декількох гармонік встановлюють кілька резонансних фільтрів паралельно (Рис. 4а). У ряді випадків застосовують складні фільтри. На рис. 4б представлений складний фільтр другого порядку.
Велика кількість відомих схем ФКП, які знайшли застосування в енергосистемах різних країн, вимагає їхнього зіставлення, яке зводиться до мінімізації розрахункових витрат, обумовлених капітальними витратами на ФКП і вартістю втрат електроенергії. У цій ситуації представляє важливий науковий інтерес питання порівняння характеристик складного фільтра другого порядку з характеристиками двох резонансних фільтрів першого порядку.
АЧХ реактивного опору цих двох резонансних фільтрів мають один і той же вигляд (Рис. 5).
Резонансна частота послідовного контуру фільтра визначається
(9)
Параметри фільтра L1, C1, L2 ,C2 визначаються при завданні резонансних частот , , частоти полюса і необхідної потужності фільтра Q0 на основній частоті :
1. Простий фільтр першого порядку
; (10)
; (11)
; (12)
, (13)
де k - коефіцієнт розподілу реактивної потужності між цими фільтрами на основній частоті і дорівнює
, (14)
де - генерована реактивна потужність першого фільтра на основній частоті.
2. Складний фільтр другого порядку
; (15)
; (16)
; (17)
. (18)
У роботі було проведено порівняння цих фільтрів за необхідною потужністю БК при заданих резонансних частотах , , частоті полюса і сумарній потужності фільтра Q0 на основній частоті.
Реактивний опір простого фільтра першого порядку
. (19)
На підставі рішення рівняння
(20)
було визначено частоти полюса фільтра у спрощеному вигляді
. (21)
Таким чином, змінюючи співвідношення потужностей БК фільтрів, можна змінювати частоту полюса двох резонансних фільтрів першого порядку
. (22)
Після підстановки в (15-18) виразу для частоти полюса фільтра (21) було отримано вираз для визначення співвідношення сумарних потужностей БК резонансних фільтрів першого порядку (Рис. 4а) і складного фільтра другого порядку (Рис. 4б)
. (23)
На Рис. 6 наведена залежність .
Таким чином, при будь-якому значенні коефіцієнта сумарна потужність БК резонансних фільтрів першого порядку більш, ніж у два рази, менша сумарної потужності БК складного фільтра другого порядку
На підставі викладеного випливає доцільність використання для компенсації ВГ у СЕП простих резонансних фільтрів першого порядку в порівнянні з використанням складних фільтрів вищого порядку.
У розподільних мережах міста Дамаск, підключення ФКП в місцях генерації ВГ є недоцільним в економічному відношенні через велику кількість джерел ВГ. Крім того, слід зазначити, що в цьому випадку ступінь компенсації реактивної потужності може істотно перевищувати необхідні рівні, тому що номінальна потужність кожного фільтра визначається з урахуванням його перевантажувальної здатності. Тому для мереж такого роду, наприклад, як міста Дамаск, доцільною є централізована компенсація ВГ, що полягає в розміщенні одного чи декількох ФКП на шинах однієї з підстанцій, або одного з розподільчих пунктів електричної мережі. Така компенсація ВГ повинна забезпечити зниження рівня несинусоїдальності в усіх вузлах електричної мережі.
Вибір потужності ФКП в розподільних мережах з декількома джерелами ВГ може бути вирішений за допомогою методу послідовних наближень. Це пов'язано з тим, що перевантажувальна здатність ФКП визначається рівнем несинусоїдальності, що, у свою чергу, залежить від потужності фільтрів.
На першому етапі потужність ФКП приймається в припущенні, що через відповідні фільтри протікають тільки ті гармоніки, на які вони настроєні. Іншими словами, для кожної з гармонік, яка відповідає резонансній частоті фільтра, розглядається режим короткого замикання. На підставі цього розрахунку виробляється попередній вибір потужності ФКП. Далі розрахунок несинусоїдальності повторюється з урахуванням завантаження фільтра іншими гармоніками і коректується потужність ФКП. Розрахунок продовжується до того часу, доки потужність БК фільтра не досягне оптимального значення.
Запропонований алгоритм вибору потужності ФКП реалізований у програмному середовищі MathConnex c використанням програми Маthсаd 7. Блок-схема програми розрахунку ФКП наведена на рис. 7.
За місце установки ФКП взяли другу секцію шин 20 кВ підстанції “Кабун”, яка є загальним вузлом, що живить всі нелінійні навантаження ділянки.
Показано, що при установці фільтрів, настроєних на 5, 11-у гармоніки, коефіцієнт несинусоїдальності напруги в деяких вузлах перевищує нормовані значення. При установці фільтрів 5, 13-ї гармонік сумарна потужність БК складає 8,13 Мвар, а при установці фільтрів 5,7,11-ї гармонік – 8,05 Мвар, хоча в останньому випадку ефективність фільтрів вища (коефіцієнт несинусоїдальності напруги нижчий).
На підставі аналізу різних експлуатаційних і аварійних режимів СЕП міста Дамаск, з урахуванням її перспективного розвитку, були розраховані й обрані три резонансних фільтри першого порядку, настроєні на частоти 5,7,11-ої гармонік (сумарна потужність 8 Мвар), які дозволяють забезпечити значення несинусоїдальності напруги в межах (0,5 - 2,3) %.
Аналіз АЧХ активних опорів показав, що відключення окремих електроспоживачів не приводить до істотних змін цих характеристик.
У додатках наведені результати виміру ПЯЕ в електричних мережах міста Дамаска, і їхньої статистичної обробки, приклад визначення закону розподілу відхилень напруги, схеми електропостачання підстанції “Кабун” 230/20 кВ, АЧХ власних і взаємних опорів на шинах підстанції, результати розрахунку гармонійних складових на досліджуваній підстанції, визначена економічна ефективність підключення ФКП на підстанції, що склала 35 тис. доларів США на рік, а також акт впровадження отриманих результатів.
ВИСНОВКИ
У дисертації поставлене і вирішене наукове завдання дослідження ПЯЕ в електричних мережах міста Дамаск Сірії.
Виконані дослідження дозволили зробити такі висновки:
1. У роботі поставлені і вирішені завдання аналізу і розрахунку ПЯЕ, розробки засобів і методів нормалізації ЯЕ в електричних мережах Сірії. За допомогою ЕОМ (програма Statistica) отримані чисельні дані з мінімальних тривалостей вимірів ПЯЕ, характеристики окремих ПЯЕ, параметри кореляційних і спектральних функцій, які можна використовувати як типові для мереж такого роду.
2. На підставі експериментальних досліджень установлено, що досліджувані криві розподілу напруг для мереж міського типу з промисловими навантаженнями апроксимуються кривими нормального закону розподілу; експонентно – косинусна АКФ для таких мереж є найбільш характерною.
3. Рівень несинусоїдальності і відхилень напруги в СЕП міста Дамаск не відповідає вимогам ДСТ 13109-97. Режими напруги в міських мережах міста Дамаск відрізняються досить високою стабільністю (D< (1,1), тому відхилення напруги не мають істотного впливу на рівень ВГ у цих мережах.
4. Розроблено програму розрахунку несинусоїдальності напруги з використанням математичного процесора Маthсаd, що дозволяє визначати значення напруг ВГ і коефіцієнти несинусоїдальності у вузлах схеми з урахуванням АЧХ активних опорів елементів СЕП і фаз джерел струмів ВГ.
5. Отримані АЧХ вхідних і взаємних опорів вузлів підстанції “Кабун”. АЧХ такого виду є характерними для мереж зі спокійним навантаженням; відключення окремих електроспоживачів не призводить до істотної зміни виду цих характеристик.
6. Проведено розрахунок економічних збитків від низького рівня ЯЕ в СЕП міста Дамаск. Річний збиток від несинусоїдальності напруги в існуючій СЕП складає 8,4 тис. доларів, при перспективному розвитку СЕП – 15 тис. доларів.
7. На основі порівняльного аналізу використання простих і складних ФКП доведено, що сумарна потужність БК складних фільтрів є більшою від сумарної потужності БК простих фільтрів; це свідчить про доцільність застосування простих фільтрів для компенсації ВГ. Отримано вираз, що дозволяє визначати співвідношення потужності БК окремих простих фільтрів у залежності від заданих резонансних частот і частоти полюса фільтра.
8. Розроблено методику розрахунку і програмне забезпечення в середовищі Маthсоnnех для вибору ФКП в складних розподільних мережах при наявності декількох джерел ВГ. Централізована компенсація вищих гармонік дозволяє оптимізувати потужність фільтрів з урахуванням їхньої перевантажувальної здатності.
9. На підставі аналізу резонансних, експлуатаційних і аварійних режимів СЕП міста Дамаск з урахуванням її перспективного розвитку були розраховані та обрані ФКП на частотах 5,7,11-ої гармонік сумарною потужністю 8 Мвар, що дозволяють забезпечити значення несинусоїдальності напруги в межах (0,5 ( 2,3) %.
10. Розрахунок економічного ефекту від впровадження засобів зниження рівня несинусоїдальності (35 тис. доларів за рік) підтвердив доцільність застосування ФКП в СЕП міста Дамаск.
ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Курди Башар, Саенко Ю.Л. О качестве электрической энергии в электрических сетях города Дамаск (Сирия) // Інтегровані технології та енергозбереження / Харківський держ. політехн. ун-т. - 1999. - №4 – С. 31 – 33.
2. Саенко Ю.Л., Курди Башар. Исследование отклонения напряжения в распределительных сетях крупного города // Вестник приазов. гос. техн. ун-та – 1999. – Вып. 8. – С 176 – 180.
3. Саенко Ю.Л., Курди Башар. Сравнительный анализ применения простых и сложных фильтров для компенсации высших гармоник в системах электроснабжения // Вісник приазов. держ. техн. ун-ту. – 2000. - Вып. 9. – С 199 – 205.
4. Курди Башар. Особенность расчёта несинусоидальных режимов систем электроснабжения города Дамаск (Сирия) / Тез. докл. VI региональной науч. – техн. конф., посвященной 100 –летию со дня рождения учёного – металлурга Казанцева И.Г / ПГТУ. – Мариуполь, 1999. - С 39.
5. Курди Башар. Исследование несинусоидальности и отклонения напряжения в СЭС города Дамаск / Тез. докл. VI региональной науч. – техн. конф., посвященной 100 –летию со дня рождения учёного – металлурга Казанцева И.Г. /ПГТУ. – Мариуполь, 1999. - С 40.
6. Курди Башар. Контроль несинусоидальных в электрических сетях города Дамаск (Сирия) / Тез. докл. VII региональной науч. – техн. конф., посвященной 70 –летию университета / ПГТУ. – Мариуполь, 2000. - С 8.
Особистий внесок здобувача. В опублікованих у співавторстві роботах автору належить: [1] – аналіз статистичних даних про пошкоджуваність устаткування і тенденцій розвитку нелінійних навантажень у мережах міста Дамаска; [2] – розробка методики експериментального дослідження відхилень напруги в розподільних мережах великих міст; [3] – розробка методики порівняння потужності простих і складних фільтрів для компенсації ВГ; [4-6] – розроблені алгоритми і програми розрахунку несинусоїдальності напруги ( з використанням програми MathCad), які враховують амплітудно-частотні характеристики активних опорів елементів електричної мережі.
АНОТАЦІЯ
Курді Башар. Оцінка та нормалізація якості електроенергії в електричних мережах великого промислового центру.-Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 –електричні станції, мережі та системи. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2002.
Дисертація присвячена розробці методів розрахунку та нормалізації показників якості електроенергії в міських електричних мережах Сірії. Проведений аналіз існуючого стану якості електроенергії і запропоновані методи зниження рівня вищих гармонік.
Викладена методика експериментального дослідження показників якості електроенергії в міських мережах з промисловим навантаженням.
За допомогою амплітудно-частотних характеристик проведений порівняльний аналіз використання простих і складних фільтрокомпенсуючих пристроїв.
На основі отриманого рішення розроблена програма централізованої компенсації вищих гармонік, яка дозволяє в складних розподільних мережах при наявності декількох джерел вищих гармонік оптимізувати потужність фільтрів з урахуванням їхньої перевантажувальної здатності.
Ключові слова: показники якості електроенергії, вищі гармоніки, міські мережі з промисловими навантаженнями, амплітудно-частотні характеристики, фільтрокомпенсуючі пристрої, централізована компенсація вищих гармонік.
АННОТАЦИЯ
Курди Башар. Оценка и нормализация качества электроэнергии в электрических сетях крупного промышленного центра. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 – электрические станции, сети и системы. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2002.
Диссертация посвящена разработке методов расчета и нормализации показателей качества электроэнергии в городских электрических сетях Сирии. Разработана методика экспериментального исследования показателей качества электроэнергии в городских сетях с большим удельным весом промышленных нагрузок, при этом определены параметры корреляционных функций и спектральных плотностей изменений напряжений, а также законов их распределения. Выбор шага дискретизации и длительности измерения для получения достоверности информации был произведен двумя способами:
- методом статистической оценки;
- по формуле Котельникова.
На основании разработанной методики исследования проведен анализ показателей качества электроэнергии в СЭС города Дамаск, при этом установлено, что опытные кривые распределения напряжений для сетей такого рода аппроксимируются кривыми нормального закона распределения; экспоненциально – косинусная автокорреляционная функция для таких сетей является наиболее характерной.
Разработан метод расчета высших гармоник с учётом активных сопротивлений элементов СЭС (метод узловых напряжений), позволяющий определять значения напряжения высших гармоник и коэффициенты несинусоидальности в узлах схемы с учётом амплитудно-частотных характеристик активных сопротивлений элементов СЭС и фаз источников токов высших гармоник. Показано, что амплитудно-частотные характеристики имеют вид характерный для сетей со спокойной нагрузкой; отключение отдельных электроприёмников не приводит к существенному изменению вида этих характеристик.
Проведен сравнительный анализ использования простых и сложных фильтрокомпенсирующих устройств, позволяющий оценить целесообразность применения резонансных фильтров с точки зрения минимизации их установленной мощности. Доказано, что суммарная мощность батареи конденсаторов сложных фильтров больше суммарной мощности БК простых фильтров, откуда следует целесообразность применения простых фильтров для компенсации высших гармоник. Получены выражения, позволяющие определять соотношения мощности батареи конденсаторов отдельных простых фильтров в зависимости от заданных резонансных частот и частоты полюса фильтра.
В среде МаthСоnnех (MathCAD) разработана методика централизованной компенсации высших гармоник для сложных распределительных сетей при наличии нескольких источников высших гармоник. Методика расчёта и выбора фильтрокомпенсирующих устройств позволяет оптимизировать мощность фильтров с учётом их перегрузочной способности.
На основании анализа резонансных, эксплуатационных и аварийных режимов СЭС города Дамаск с учётом её перспективного развития были рассчитаны и выбраны ФКУ на частотах 5,7,11-ой гармоник суммарной мощностью 8 Мвар, позволяющие обеспечить значения несинусоидальности напряжения в пределах (0,5 ё 2,3) %.
Практические рекомендации по расчётам и снижению уровня несинусоидальности переданы Генеральной Электрической Компанией Сирии для апробации. Предполагаемый экономический эффект от внедрения результатов диссертации составляет 34 тысячи долларов США.
Ключевые слова: показатели качества электроэнергии, высшие гармоники, городские сети с промышленной нагрузкой, амплитудно-частотные характеристики, фильтрокомпенсирующие устройства, централизованная компенсация высших гармоник.
ABSTRACT
Kurdi Bashar. Estimation and normalization of power quality in electrical networks of the large industrial center. - Manuscript.
The dissertation for application for a scientific degree of candidate of science in engineering: Speciality 05.14.02 - Electric power stations, networks and systems. – Donetsk National Technical University, Donetsk, 2002.
The thesis is devoted to development of the methods of calculation and normalization of power quality indices in residential electrical networks of Syria. The analysis of a present condition of quality of the electric power is carried out and the methods of reducing the level of higher harmonics are offered. The technique of an experimental research of quality parameters of electric power in residential distribution networks with industrial loads is described.
The comparative analysis of application of simple and composite filter compensatory devices has been carried out with the help of amplitude-frequency characteristics.
On the basis of the obtained solution the program of centralized compensation of higher harmonics has been designed which allows to optimize the power of the filters taking into account their overload capacity in complex distribution networks with several sources of higher harmonics.
Key words: power quality indices, higher harmonics, residential distribution networks with industrial loads, amplitude-frequency characteristics, filter compensatory devices, centralized compensation of higher harmonics.