Развитие методов расчета несинусоидальности напряжения в точке общего присоединения

На правах рукописи

ДЕРЕНДЯЕВА Людмила Витальевна

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА

НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ В ТОЧКЕ ОБЩЕГО

ПРИСОЕДИНЕНИЯ

Специальность - 05.09.03 – «Электротехнические

комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2010

Работа выполнена в Вятском государственном университете на кафедре «Электроснабжение».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Черепанов Вячеслав Васильевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Кувалдин Александр Борисович

кандидат технических наук

Жичкин Сергей Владимирович

Ведущая организация – ООО «НИЦ Тест-Электро»

Защита диссертации состоится 26 февраля 2010 года в аудитории

М-611 в 14 час 00 мин на заседании диссертационного Совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул.Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан «___» _________ 2010г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.157.02

к. т. н., доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

К электрической энергии, как и к любому виду продукции применимо понятие «качество». Несоответствие электрической энергии требованиям к ее качеству приводит к тому, что потребление (использование) в обычных условиях электрической энергии может представлять опасность для здоровья людей, окружающей среды и причинить вред имуществу потребителей и повышать энергоемкость технологических процессов.

Качество электрической энергии определяется совокупностью ее характеристик, при которых электроприемники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции. Сейчас вся совокупность параметров, характеризующая пригодность электрической энергии к процессам передачи и потребления, сведена в ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Несинусоидальность напряжений и токов является одним из важнейших показателей качества электрической энергии, так как она оказывает влияние на работу практически всех видов электропримников.

Качество электроэнергии зависит не только от процессов производства электроэнергии, но и от процессов ее транспортировки к месту продажи, а так же от процессов ее потребления электроустановками потребителей электроэнергии, т.е. виновником возникновения несинусоидальности напряжений может быть как энергоснабжающая организация, так и потребитель с нелинейными вольт-амперными характеристиками. В связи с этим актуальной проблемой, связанной с несинусоидальностью напряжений, является необходимость определения допустимого вклада того или иного потребителя и энергосистемы в общий уровень несинусоидальности в точке общего присоединения (ТОП). Выявление виновного в искажении синусоидальности напряжений представляет так же экономический интерес. Одним из путей решение этой проблемы видится в создании методики расчета, которая позволяла бы определять несинусои-

дальность напряжения в точке общего присоединения. Это позволило бы при-

нять меры по ограничению уровня несинусоидальности напряжения, создаваемого конкретными потребителями, что в свою очередь, привело бы к улучшению качества электроэнергии в ТОП, от которой получают питание эти потребители.

Целью работы является развитие методов и разработка новых подходов к расчету несинусоидальности напряжений и токов в точках общего присоединения.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования явились распределительные электрические сети энергосистем и системы электроснабжения предприятий. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического моделирования электрических сетей, ряд положений теоретической электротехники и основ электроснабжения. Применены численные методы вычислительной математики при решении систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений, а также алгебра матриц.

Научная новизна.

1) Предложена математическая модель установившегося режима высших гармонических составляющих распределительных электрических сетей энергосистем.

2) Для расчета установившихся режимов высших гармонических составляющих предложена схема замещения линий электропередачи с учетом распределенности параметров линий.

3) Разработан новый подход к учету комплексных коэффициентов транс-

формации при расчете установившихся режимов высших гармонических составляющих.

4) Предложен метод эквивалентирования распределительных сетей энергосистем с учетом комплексных коэффициентов трансформации и распределенности параметров линий электропередачи.

Практическое значение работы.

1. Разработанная методика, алгоритм и программа расчета позволяют опре-

делить долевой вклад потребителей в несинусоидальность напряжения

в ТОП на стадии выдачи технических условий на присоединение потре-

бителей.

2. Разработанные методика и программа позволяют решать практические задачи по улучшению качества электроэнергии по показателю несинусоидальность напряжения в системах электроснабжения предприятий и ТОП.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов базируется на фундаментальных положениях общей теории электротехники. Обоснованность и достоверность научных положений, теоретических выводов, основных результатов и рекомендаций диссертации подтверждены их проверкой в реальных электрических сетях путем сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными, а так же с расчетами по известным методикам.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математические модели линии электропередачи с учетом распределенности параметров и трансформатора с учетом комплексных коэффициентов трансформации.

2. Математическая модель установившегося режима высших гармонических составляющих распределительных сетей энергосистем.

3. Методика, алгоритм и программа расчета параметров установившихся режимов высших гармонических составляющих в распределительных сетях энергосистем.

4. Методика эквивалентирования распределительных электрических сетей и определение частотных характеристик сопротивлений узлов электрической

сети с учетом распределенности параметров и комплексных коэффициентов трансформации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации док-

ладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технической и

методической конференции «Электрификация:история,настоящее,будущее» (Москва, 2007); на II молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007); на международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти,2009); на XXXIX международной научно-практической конференции (Москва,2009); на кафедpе «Электpоснабжение» ВятГУ( Киров 2008, 2009).

Публикации. Научные и практические результаты и основное содержание работы отражены в 9 публикациях в материалах конференций и научно-технических журналах, в том числе в двух рецензируемых научных журналах, утвержденных Высшей Аттестационной Комиссией.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения; четырех глав; заключения; списка литературы, включающего 98 наименований; 3 приложения. Общий объем диссертации состоит из 145 страниц машинописного текста (включая список литературы), 90 рисунков, 3 таблиц. Общий объем приложений - 26 страницы машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы. Сформулирована цель диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизна работы и ее практическая ценность, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ состояния проблемы расчета параметров режимов высших гармонических составляющих в распределительных электрических сетях энергосистем и системах электроснабжения, а так же анализ существующих методик определения расчетным путем долевого вклада в несинусоидальность напряжения в ТОП потребителей.

При обзоре технический литературы было установлено, что для оценки долевого участия в ухудшении качества электрической энергии на сегодняшний день нет алгоритма расчета установившегося режима высших гармонических составляющих в распределительных сетях энергосистем с учетом распределенности параметров линий, а при рассмотрении сетей с трансформаторными связями учитываются только действительные коэффициенты трансформации.

Отсутствие строго формализованного алгоритма для расчета комплекс-

ных коэффициентов трансформации и учета распределенности параметров вызывает ряд затруднений при постановке задачи на ЭВМ. Кроме того, нет литературы, где все эти расчеты производились бы в комплексе, т.е. с учетом влияния энергосистемы и потребителей на режим высших гармонических составляющих в ТОП.

В связи с этим возникает необходимость создания методики и программы расчета режимов высших гармонических составляющих, которые позволили бы рассчитывать действующие и комплексные значения отдельных гармонических составляющих токов и напряжений и эквивалентные действующие значения напряжений и токов высших гармонических составляющих в ТОП, а так же коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициент - й гармонической составляющей напряжения.

На основе проведенного анализа литературы сформулированы цель и задачи исследования данной диссертационной работы.

Во второй главе предложена математическая модель установившегося режима высших гармонических составляющих в распределительных сетях энергосистем. Предложена иерархическая модель энергосистемы и системы электроснабжения потребителей, которая содержит в общем случае три уровня иерархии. Каждый уровень является подсистемой, каждая из которых включает в себя в качестве элементов - подсистемы более низкого уровня, рис.1.

В первый уровень иерархии входят все электрические нагрузки предприятий, включая искажающие нагрузки. Подсистемы второго уровня включают в себя главные понизительные подстанции предприятий (ГПП), подстанции глубокого ввода (ПГВ) или главный распределительный пункт 10 кВ (ГРП), линии внешнего электроснабжения предприятий, непосредственно распределительные

сети энергосистем 10,35,110, 220 кВ, к которым подключены потребители электроэнергии, т.е. подсистемы первого уровня.

Третий уровень иерархии включает в себя системообразующие сети энергосис-

тем 220-750 кВ, понижающие трансформаторные подстанции 750-500/220 кВ, 750-500/110 кВ и подсистемы второго уровня.

Рис.1. Иерархическая модель сетей, включающая поставщика и

потребителя электрической энергии

Для решения поставленной в диссертации задачи интерес представляет второй уровень иерархии, включающий в себя линии электропередачи 10-220 кВ, трансформаторы 110/10 кВ и 220/10 кВ и потребители. Одной из главных проблем при расчетах установившихся режимов высших гармонических составляющих на этом уровне иерархии является распределенность параметров линий. Не менее важным при расчетах режимов высших гармонических составляющих является вопрос учета комплексных коэффициентов трансформации. Открытым остается и вопрос представления в расчетах систем электроснабжения предприятий, входящих в первый уровень иерархии.

В диссертации предложена модель линии электропередачи, которую предлагается представлять схемой замещения, где участвуют сопротивление линии, соответствующее частоте рассчитываемой гармоники, которое рассчитывается

по ее параметрам и длине, а так же дополнительные фиктивные токи, включае-

мые в начало и конец линии , рис.2.

Эти токи для группы линий представляют разность токов, протекающего по линии , рассчитанного по схеме замещения линии с сосредоточенными параметрами и тока, рассчитанного по телеграфным уравнениям с учетом распределенности параметров и :

, (1)

Данная модель применима для всех линий электропередачи на исследуемом диапазоне частот.

Рис.2. Схема замещения линии электропередачи, учитывающая

распределенность параметров с помощью фиктивных токов

Отношения уровней напряжений разных ступеней характеризуются комплексными коэффициентами трансформации , имеющими действительные и мнимые составляющие. Совместный расчет режимов высших гармонических

составляющих сетей разных номинальных напряжений в диссертации предлагается выполнять с применением схем замещения трансформаторов, в которых

Рис. 3. Схема замещения трансформатора с комплексными коэффициентами трансформации, учитываемых с помощью фиктивных токов

используются дополнительные (фиктивные) задающие токи, рис. 3

Фиктивные токи, включаемые в начало и конец каждой трансформатор-

ной ветви группы трансформаторов, имеют составляющие, зависящие от напряжения ветви:

(2)

Тогда матрица токов, дополняющих задающие токи в узлах схемы замещения после некоторого преобразования примет вид:

или

, (3)

где ,,, - диагональные матрицы проводимостей ветвей, содержащих трансформаторы для -ой гармоники; размерность матриц равна количеству ветвей, отображающих трансформаторы; - сопротивление ветви для -ой гармоники, содержащей трансформатор; - матрица соединений всей схемы, элементами которой служат нули и единицы с положительными знаками; - матрица соединений всей схемы, элементами которой служат нули и единицы с отрицательными знаками; ,- те же матрицы, но транспонированные; - комплексные матрицы узловых напряжений и токов для -ой гармоники.

Предложенные схемы замещения трансформатора и линии электропередачи позволяют рассчитывать установившиеся режимы высших гармонических составляющих с помощью узловых уравнений.

При расчетах высших гармонических составляющих на втором уровне

иерархии не имеет смысла представлять подробные схемы замещения систем

электроснабжения предприятий, так как это очень сильно усложнит расчеты и увеличит затраты времени на подготовку исходных данных и не приведет к существенному повышению точности расчетов. Автором предлагается в этом случае применять эквивалентирование и представить систему электроснабжения на втором уровне иерархии эквивалентным сопротивлением и эквивалентным источником тока высших гармонических составляющих.

Методика определения эквивалентного сопротивления системы электроснабжения и эквивалентного источника тока внешних гармонических составляющих предприятия предложена в четвертой главе данной работы.

Для описания установившихся режимов сложных электрических распре-

делительных сетей энергосистем в диссертации предлагается использовать метод, основанный на представлении системы с помощью разреженных матриц коэффициентов обращения типа , позволяющий при вычислении применять эффективную процедуру оптимального упорядоченного исключения Гаусса.

Достоинством этого метода является возможность хранения матрицы сети в памяти ЭВМ в компактном (сжатом) виде. Кроме того, отмечается, что при использовании - формы узловых уравнений сокращается время расчета режима высших гармонических составляющих.

Для математического моделирования режима напряжений высших гармонических составляющих рекомендуется использовать узловые уравнения, записанные – форме, а токи ветвей определить через их проводимости и напряжения узлов относительно узла баланса:

,

, (4)

где - комплексная матрица коэффициентов обращения; - знак специального умножения матрицы на вектор задающих токов ; - транспонированная матрица соединения ветвей в независимых узлах схемы; - матрица проводимостей для ветвей для -ой гармонической составляющей. В качестве балансирующего и базисного узла принят узел «0» (земля).

Столбцовая комплексная матрица узловых токов для -ой гармоники

состоит из составляющей задающего тока источников высших гармоник ,

составляющей фиктивных токов схем замещения линий и составляющей

фиктивных токов трансформаторов :

. (5)