авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Централизованное снижение напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Нгуен Чи Тхань

ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ СНИЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ

ВЫСШИХ ГАРМОНИК В СЕТИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ НЕЛИНЕЙНЫМИ НАГРУЗКАМИ С ПОМОЩЬЮ

ПАССИВНЫХ ФИЛЬТРОВ

05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иркутск 2012

Работа выполнена на кафедре электроснабжения и электротехники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Иркутский государственный технический университет” (ФГБОУ ВПО ИрГТУ)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент, старший

научный сотрудник ФГБУН ИСЭМ СО РАН

Коверникова Лидия Ивановна

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор, ведущий

научный сотрудник ФГБУН ИСЭМ СО РАН

Ковалев Геннадий Федорович

кандидат технических наук, доцент кафедры

электроснабжения железнодорожного транспорта

ФГБОУ ВПО “Иркутский государственный

университет путей сообщения”

Молин Николай Иванович

Ведущая организация – ФГБОУ ВПО “Томский политехнический

университет”

Защита состоится «27» ноября 2012г. в 11-00 на заседании диссертационного совета Д003.017.01 при ФГБУН Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130, к.355.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « 25 » октября 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор А.М. Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Качество электрической энергии, связанное с высшими гармониками, остается одной из острых проблем в электрических сетях России. В настоящее время количество нелинейных нагрузок различных мощностей непрерывно возрастает, что ведет к увеличению величин токов и напряжений высших гармоник. Высшие гармоники оказывают вредные воздействия не только на оборудование потребителей, но и электрических сетей. Решение проблемы высших гармоник в электрических сетях является решением актуальных задач улучшения качества электрической энергии, энергосбережения и повышения эффективности производства. В настоящее время известно достаточно много способов снижения напряжений высших гармоник, но самым распространенным остается применение пассивных фильтров. Пассивные фильтры являются актуальными, поскольку эффективны, достаточно дешевы, технология их изготовления хорошо отработана.



Проблемой применения пассивных фильтров для снижения напряжений высших гармоник в электрических сетях активно занимались как российские, так и зарубежные ученые и инженеры. Значительный вклад внесли Вагин Г.Я., Добрусин Л.А., Джафаров З.Т., Жежеленко И.В., Arrillaga J., Chang W.K., Czarnecki L.S., Grady W.M., Ginn H.L., Dwyer R., Emanuel A.E., Kawann C., Milanovic J.V., Mattavelli P., Samoty M.J., Watson N.R. и другие. В их работах решалась задача определения параметров пассивных фильтров, как правило, одночастотных, представляющих собой последовательную RLC-цепь, которые устанавливаются вблизи конкретных нелинейных нагрузок для поглощения их токов высших гармоник. В некоторых работах предлагалось использовать пассивные фильтры для централизованного применения при распределенных нелинейных нагрузках, но конкретных методик для определения мест установки и параметров фильтров разработано не было. Также не рассматривалось применение для этой цели фильтров С-типа и третьего порядка, которые имеют более сложные схемы, чем одночастотные, но в то же время имеют преимущества. Попытки вычисления параметров фильтров С-типа и третьего порядка были, но для частных случаев с существенными допущениями.

В связи с широким распространением нелинейных нагрузок задача снижения напряжений высших гармоник может решаться путем централизованного использования пассивных фильтров. Сложность вычисления параметров пассивных фильтров при подобном подходе заключается в том, чтобы одновременно удовлетворить следующие требования:

  • обеспечить снижение напряжений на гармонике, на которую фильтр настраивается, одновременно в некотором количестве соседних узлов в различных режимах сети;
  • не допустить возникновения резонансных условий между фильтром и сетью в узле подключения фильтра на более высоких гармониках, чем гармоника настройки;
  • выполнить компенсацию реактивной мощности с помощью фильтра на первой гармонике;
  • обеспечить малые потери активной мощности в фильтре на первой гармонике.

В связи с перечисленными требованиями с математической точки зрения в диссертации необходимо решить оптимизационную задачу.

Целью исследования является разработка методики, алгоритмов и вычислительных программ для централизованного снижения напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров.

Задачи исследования. В соответствии с целью были поставлены и решены следующие задачи:

  1. выполнен анализ существующих методов расчета параметров пассивных фильтров;
  2. разработана методика централизованного снижения напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров;
  3. разработан алгоритм определения узла для установки фильтра при централизованном снижении напряжений высших гармоник;
  4. получены выражения для вычисления параметров фильтра третьего порядка, на основе которых разработаны алгоритм и программа для исследования его свойств, исследованы свойства фильтра третьего порядка.
  5. сформулирована оптимизационная задача для определения параметров пассивных фильтров различных типов;
  6. разработаны алгоритм и вычислительная программа для решения сформулированной оптимизационной задачи;
  7. на примере реальной сети исследованы разработанные методика, алгоритмы и вычислительные программы.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач применялись методы теории электрических цепей, методы математического моделирования, методы численного анализа, методы математического программирования, метод сравнительного эксперимента. Для разработки вычислительных программ использовалась система программирования Matlab.

Объект исследования. Объектом исследований является электрическая сеть, питающая распределенные нелинейные нагрузки.

Предмет исследования. Предметом исследований являются режимы высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками.

Научную новизну работы представляют следующие основные результаты, которые выносятся на защиту:

  1. методика централизованного снижения напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров;
  2. алгоритм определения узла для установки фильтра при централизованном снижении напряжений высших гармоник;
  3. выражения для вычисления параметров фильтра третьего порядка, на основе которых разработаны алгоритм и вычислительная программа для исследования его свойств, результаты исследований свойств фильтра третьего порядка;
  4. формулировка оптимизационной задачи для определения параметров пассивных фильтров третьего порядка и С-типа, использующей в качестве целевой функции минимум потерь активной мощности в фильтре;
  5. двухэтапный алгоритм и вычислительная программа для решения сформулированной оптимизационной задачи, использующие методы роя частиц и внутренних точек;
  6. выражение для коэффициента инерции в методе роя частиц, ускоряющее процесс сходимости метода;
  7. результаты исследований разработанных методики, алгоритмов и вычислительных программ на примере участка сети высокого напряжения, питающего тяговые подстанции Восточно-Сибирской и Забайкальской железных дорог.

Практическая значимость исследования. Использование результатов исследований будет способствовать повышению качества электрической энергии, повышению эффективности работы электрических сетей с нелинейными нагрузками, энергосбережению. Разработанные методика, алгоритмы, вычислительные программы, научные результаты использовались при выполнении проектов по гранту ведущей научной школы РФ НШ – 4633.2010.8, а также в учебном процессе на кафедре “Электроснабжения и электротехники” ФГБОУ ВПО ИрГТУ.

Апробация работы. Основные результаты по различным разделам диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всероссийских научно-технических конференциях “Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири”, г. Иркутск, 2010-2011 гг.; на конференции молодых ученых ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 2010-2011 гг.; на XV Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2010 г.; на 11-ой международной конференции “Electrical Power Quality and Utilization” (EPQU’11), г. Лиссабон (Португалия), 2011 г; на 12-ой международной конференции “Renewable energies and power quality” (ICREPQ’12), г. Сантьяго де Компостела (Испания), 2012 г; на 5-ой Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», г. Томск, 2012 г.

Личный вклад автора. Методика централизованного снижения напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров, формулировка оптимизационной задачи для определения параметров пассивных фильтров третьего порядка и С-типа, использующей в качестве целевой функции минимум потерь активной мощности в фильтре, разработаны автором совместно с руководителем, все остальные результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены автором лично.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе, одна статья в журнале из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа представлена на 136 страницах машинописного текста, включает 23 рисунка, 11 таблиц. Библиографический список включает 101 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, отмечена новизна полученных результатов, перечислены положения, выносимые на защиту, определено основное содержание диссертации.

В первой главе на основе анализа литературы представлено современное состояние проблемы высших гармоник в электрических сетях России. Высшие гармоники остаются одним из острых вопросов в области качества электрической энергии.

Источником высших гармоник является оборудование с нелинейной вольт-амперной характеристикой, которое относится к высокотехнологичному электрооборудованию, широко применяемому как в промышлености, так и в быту, и имеющему широкий диапазон мощностей. Нелинейное оборудование оказывается присоединенным практически к каждому узлу сети, что позволяет говорить о нелинейных нагрузках, распределенных по сети. В некоторых случаях можно говорить о достаточно равномерном распределении нелинейных нагрузок примерно одинаковой мощности. Примером являются подстанции железной дороги, питающие тяговую сеть.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что высшие гармоники присутствуют в сетях всех напряжений – от низкого до сверхвысокого. Высшие гармоники генерируются нелинейным электрооборудованием в сетях низкого напряжения и распространяются в сети высокого напряжения, и наоборот, генерируются в сетях высокого напряжения и проникают в сети низкого напряжения. Кроме того, электрические сети способствуют созданию резонансных контуров на высших гармониках, в результате которых увеличиваются уровни токов и напряжений высших гармоник. В будущем количество нелинейного оборудования будет увеличиваться не только у потребителей, но и в самих электрических сетях в целях управления режимами, и уровень высших гармоник в электрических сетях будет возрастать.





Анализ литературы показал огромное количество негативных последствий, вызываемых высшими гармониками, которые приводят к значительному экономическому ущербу в масштабе всей страны. В связи с этим дальнейшее развитие рыночных отношений в электроэнергетике России, проведение политики энергосбережения, разработка и формирование интеллектуальных электроэнергетических систем заставляют повышать качество электрической энергии, в том числе, снижая уровни напряжений высших гармоник до требований ГОСТа 13109-97.

Из анализа литературы следует, что к настоящему времени разработано много методов снижения напряжений высших гармоник: увеличение пульсности выпрямительных преобразователей, применение пассивных, активных, гибридных фильтров и т.д, но среди множества подходов и технических средств пассивные фильтры по-прежнему считаются наиболее эффективным и экономичным способом.

Пассивные фильтры состоят из пассивных элементов, таких как, резистор, конденсатор и реактор. Пассивный фильтр выполняет две функции: на первой гармонике он генерирует реактивную мощность, на гармонике настройки фильтр создает путь низкого сопротивления для токов этой гармоники, чтобы их поглотить и не позволить растекаться по сети. Пассивный фильтр, представляя собой активное сопротивление на гармонике настройки, корректирует сопротивление сети таким образом, что в результате напряжение на гармонике настройки в узлах сети снижается.

Основываясь на выполненном анализе уровней напряжений высших гармоник в электрических сетях, тенденциях роста использования нелинейного оборудования в будущем, на анализе негативных последствий и ущербов от высших гармоник и способов, применяющихся для их снижения, в данной работе будет решаться задача централизованного снижения напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров.

Централизованное снижение напряжений высших гармоник в узлах сети с распределенными нелинейными нагрузками представляет собой одновременное снижение напряжений высших гармоник в соответствии с требованиями ГОСТа 13109-97 путем установки одного фильтра в определенном узле сети. Централизованный подход имеет следующие достоинства, например:

  1. в случае резонансных условий или повреждений время ремонта одного фильтра значительно сокращается, резонансную ситуацию с одним фильтром легко избежать;
  2. корректировка работы одного фильтра для различных нештатных ситуаций, аварийных режимов, расширения сети и изменения нагрузок может быть более удобной и эффективной и т.д.

Во второй главе предложена методика выбора пассивных фильтров для централизованного снижения напряжений высших гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками. Выбор фильтров выполняется, начиная с наименьшего номера гармоники. Методика выбора фильтра для снижения напряжений определенной гармоники (гармоники настройки) состоит из восьми пунктов, которые рассмотрены ниже.

  1. Анализ возможности применения централизованного подхода в рассматриваемой сети на гармонике настройки.

Централизованный подход может быть применен не для каждой сети. Он эффективен в сети со стабильными амплитудно-частотными характеристиками входных сопротивлений (проводимостей) узлов на гармонике настройки. Для оценки этих характеристик нужно вычислить входные сопротивления (проводимости) узлов для наиболее вероятных конфигураций сети и режимов нагрузки и сравнить их величины для каждого узла. На рис. 1 показаны, в качестве примера, кривые входных проводимостей узлов 3-ей гармоники для 19-ти состояний схемы сети. Видно, что величины входных проводимостей достаточно близки для большинства схем сети. Существенные различия имеются лишь в нескольких случаях. В целом, можно говорить о возможности использования централизованного подхода.

Рис. 1. Входные проводимости узлов

для различных состояний схемы сети

  1. Выбор расчетных схемы сети и режима нагрузок.

Расчетные схема и режим нагрузок выбираются для того, чтобы определить узлы, в которых превышены нормативные значения напряжений гармоники настройки, и которые будут рассматриваться в качестве претендентов на установку фильтра. Параметры режима на гармонике настройки в узле установки фильтра будут использоваться для вычисления параметров элементов фильтра. В качестве расчетных могут быть приняты нормальный эксплуатационный режим сети, режим с максимальными величинами напряжений гармоники настройки в узлах сети или режим, в котором напряжения превышены в наибольшем количестве узлов.

  1. Определение величины реактивной мощности фильтра на первой гармонике.

Величина реактивной мощности может быть определена из анализа режима сети на основной частоте или из анализа годовых графиков реактивной мощности, потребляемой нагрузкой, или другими способами. При необходимости установки фильтров нескольких гармоник возникает проблема распределения реактивной мощности между фильтрами. Распределение реактивной мощности необходимо выполнить, обеспечивая минимальные суммарные потери мощности в фильтрах разных гармоник.

  1. Выбор желаемой величины напряжения гармоники настройки в узлах сети после установки фильтра.

В общем случае, желаемая величина напряжения гармоники настройки должна определяться с учетом затрат на сооружение, эксплуатацию фильтра и возможных ущербов от высших гармоник. Расчеты показывают также, что желаемая величина напряжений высших гармоник может приниматься в интервале (0,5 – 0,75) от нормально допустимого значения, установленного в ГОСТе 13109-97.

  1. Определение узла для установки фильтра.

В данной работе предлагается алгоритм определения узла с помощью “пробного фильтра”. “Пробный фильтр” – это активное сопротивление величиной 10, 100 Ом и т.д. Алгоритм имеет несколько шагов:

  1. формируется массив узлов-претендентов для установки фильтра;
  2. “пробный фильтр” последовательно устанавливается в каждый из узлов-претендентов, проводится расчет режима на гармонике настройки для определения величин остаточных напряжений и вычисления суммы остаточных напряжений в узлах, в которых напряжение должно быть снижено в результате установки фильтра

, (1)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.