ПАЛАУ ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ РАЦИОНАЛЬНУЮ СТЕПЕНЬ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ С НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ

На правах рукописи

ИЛИАНА АНТОНИА ГОНСАЛЕС ПАЛАУ

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ,

ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ РАЦИОНАЛЬНУЮ СТЕПЕНЬ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ С НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент

Шклярский Ярослав Элиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Смоловик Сергей Владимирович

кандидат технических наук

Лозовский Сергей Евгеньевич

Ведущее предприятие: федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт Петербургский государственный политехнический университет» (ФГБОУ ВПО СПбГПУ)

Защита диссертации состоится 26 декабря 2011 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 25 ноября 2011 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях дефицита и увеличения стоимости энергоресурсов, роста объемов производства и инфраструктуры городов в различных странах мира все более актуальной становится проблема энергосбережения и, в частности, экономии электроэнергии. Большинство электрических установок наряду с активной мощностью потребляют и реактивную мощность, которая расходуется на создание электромагнитных полей и являются бесполезной для потребителя. Наличие реактивной мощности снижает качество электроэнергии. Одним из основных средств компенсации реактивной мощности являются конденсаторные батареи (КБ). Однако, несмотря на разработки в области выбора места подключения и параметров КБ, которые связаны с именами таких ученых как Арриллага Д.Ж, Перес А. И., Абрамович Б.Н., Железко Ю.С., Шклярский Я. Э. и др., появляются все новые обстоятельства, требующие возврата к этой теме. Во первых, работа КБ в условиях появления высших гармоник (ВГ) ухудшается, что приводит к неэффективной компенсации реактивной мощности. Во вторых, до сих пор не решена задача выбора и размещения компенсирующих устройств в сложных, разветвленных сетях электротехнического комплекса предприятия по нескольким техническим и экономические критериям.

В этой связи очевидна необходимость разработки алгоритма выбора компенсирующих устройств для сложных электрических сетей, содержащих гармонические искажения в напряжении и токе.

Цель работы. Повышение эффективности функционирования системы компенсации реактивной мощности путем реализации алгоритма выбора ее параметров, исходя из комплекса критериев, включающих технические и экономические показатели, учитывающие наличие гармонических искажений в напряжении и токе.

Основные задачи исследования:

1. Выявление зависимостей параметров элементов системы электроснабжения от действия высших гармоник для дальнейшего формирования схемы замещения электрической сети;
2. Оценка погрешности расчетов основных показателей режимов работы электрической сети с учетом и без учета влияния высших гармоник тока и напряжения;
3. Разработка программной реализации метода на основе сравнительного анализа существующих методов расчета позволяющей с заданной точностью рассчитать режимы работы электрической сети при наличии высших гармоник;
4. Разработка алгоритма и программной реализации выбора параметров компенсации реактивной мощности, включая фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), позволяющего получить максимальные технический и экономический эффекты;
5. Оценка эффективности применения разработанного алгоритма на основе сравнения теоретических и практических исследований.

Идея работы. Для повышения коэффициента мощности, уменьшения потерь напряжения и мощности и повышения экономической эффективности компенсации реактивной мощности следует применять «метаэвристический» метод подхода к выбору мощности КБ с учетом уровня ВГ.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, математического моделирования электрических сетей, методы экспериментального исследования, методы итерационного решения матричных уравнений и эвристический метод.

Научная новизна работы:

1. Выявлены зависимости погрешности расчета потерь мощности и коэффициента мощности от спектра напряжения и тока в распределительной сети предприятия, учитывающие поверхностный эффект и вихревые токи в элементах электрического комплекса предприятия;

2. Обоснована структура алгоритма выбора параметров компенсирующих устройств, включая ФКУ, основанная на «метаэвристическом» методе и позволяющая обеспечить эффективную компенсацию реактивной мощности, определяемую как техническими, так и экономическими критериями.

Защищаемые научные положения:

1. Выбор структуры и расчетных параметров элементов системы электроснабжения предприятия, содержащего двигательную линейную и нелинейную нагрузки, следует проводить на основании выявленных зависимостей их сопротивления от поверхностного и вихревого токов, что повысит до 10 % точность определения основных показателей, характеризующих режим работы электрической сети.

2. Минимизацию целевой функции, сформированной на основе выбранных экспертами технических и экономических показателей эффективности управления потоками электроэнергии, обеспечивающей наиболее рациональную компенсацию реактивной мощности в сложных электрических сетях, следует проводить на основе «метаэвристического» алгоритма, включающего метод Чебышева и базирующегося на расчете сетей по методу Гаусса-Зейделя, что обеспечивает получение конечного результата с любой заданной точностью.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается достаточным объемом и близкой сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность диссертации:

1. Разработано программное обеспечение DYCSE для расчета сложных, разветвленных электрических сетей при наличии высших гармоник на основе метода Гаусса- Зейделя;

2. Разработана методика выбора параметров компенсирующих устройств на основе «метаэвристического» метода и составлена компьютерная программа для реализации указанной методики.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Рекомендации по выбору КБ и ФКУ с использованием программы DYCSE на механическом заводе «Густаво Машин», в больнице г. Моа и на предприятии «Эрнесто Че Гевара».

Личный вклад автора. Выявлены зависимости потерь мощности и коэффициента мощности от спектра гармоник напряжения и тока в электрической сети. Разработана программа по расчету режимов работы сети с высшими гармониками. Разработан алгоритм выбора параметров компенсирующих устройств, обеспечивающих эффективность компенсации реактивной мощности по техническим и экономическим критериям и разработана программа, соответствующая этому алгоритму.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Евро-латиноамериканском семинаре инженерных систем (Перу 2005г), IV Международной конференции по использованию минеральных ресурсов и устойчивому развитию. «ISMM 2008», (Моа, Куба, 2008г), Международной конференции FIE'2008 (Сантьяго-де-Куба, Куба, 2008г). XI Международном симпозиуме по электрооборудованию (Сьенфуэгос, Куба, 2009г), Евро-латиноамериканском семинаре инженерных систем (Гавана, Куба, 2009), Четвертом Международном семинаре по вопросам энергетики и окружающей среды (Сьенфуэгос, Куба, 2010г), Международной конференции «CINAREM» (Моа, Куба, 2010г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 58 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 83 наименований и 4 приложений. Общий объем диссертации 128 страниц.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность.

В главе 1 приведена характеристика научно-технической задачи разработки методов выбора параметров компенсирующих устройств, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 показан анализ существующих схем замещения для сетей, содержащих ВГ. Приведены теоретические исследования зависимости величины коэффициента мощности и потерь мощности от поверхностного эффекта и вихревых токов.

В главе 3 приведена разработанная программная реализация метода расчета сложных, разветвленных электрических сетей, основанная на методе Гаусса-Зейделя и позволяющая вести расчет при наличии ВГ.

В главе 4 приведены обоснованная структура и выбор параметров компенсирующих устройств, включая ФКУ, для сложных электрических сетей, основанные на «метаэвристическом» методе и учитывающие наличие высших гармоник в сети.

В главе 5 приведены результаты внедрения разработанной методики на промышленных предприятиях с указанием технического и экономического эффектов.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ научные ПОЛОЖЕНИЯ

1. Выбор структуры и расчетных параметров элементов системы электроснабжения предприятия, содержащего двигательную линейную и нелинейную нагрузки, следует проводить на основании выявленных зависимостей их сопротивления от поверхностного и вихревого токов, что повысит до 10 % точность определения основных показателей, характеризующих режим работы электрической сети.

Для корректного расчета режимов работы сложной электрической сети с последующим выбором компенсирующих устройств необходимо как можно более точно смоделировать сеть. Моделирование сети при наличии высших гармоник имеет свои особенности. Рядом авторов установлено, что источниками высших гармоник могут быть как нелинейная нагрузка самого предприятия, так и питающая сеть. Способ представления в схемах замещения этих источников различный. В первом случае, нелинейность представляется источниками тока, а во втором источниками напряжения.

Расчет полной схемы замещения электрической сети, включая линейную нагрузку, производится методом наложения с учетом влияния высших гармоник на элементы схемы замещения и их значимости при расчете.

В работе проведено исследование влияния высших гармоник на элементы сети и, как следствие, на результаты расчета основных показателей эффективности компенсации реактивной мощности. К основным показателям отнесены коэффициент мощности и потери мощности в сети.

На основе анализа научно-технической литературы установлено, что реактивные элементы следует представлять в классическом виде.

Сопротивления активных же элементов в зависимости от частоты можно представить в двух видах. Первый учитывает поверхностный эффект, второй - вихревые токи.

В первом случае наиболее точная модель определяется выражением , где - сопротивление на первой гармонике, -относительная частота, - экспериментальный коэффициент, значение которого для различных элементов сети определяется опытным путем. Фактор вихревых токов принято учитывать выражением , где - сопротивление вихревому току на первой гармонике. Величина ФВТ также определяется экспериментальным путем.

На основе обобщенной схемы замещения и с учетом влияния высших гармоник был произведен расчет режимов работы сети и анализ его показателей. Результаты расчета представлены на рис. 1, 2 и 3.

На рис. 1 и 2 показано три варианта зависимости коэффициента мощности от нагрузки предприятия, где приведены различные варианты учета поверхностного эффекта и вихревых токов:

Рис.1. Зависимость коэффициента мощности сети от мощности нагрузки при наличии нелинейной нагрузки на предприятии

Рис. 2. Зависимость коэффициента мощности сети от мощности нагрузки при наличии искажений со стороны питающей сети

Аналогичные зависимости, только для суммарных потерь активной мощности, показаны на рис. 3.

Рис.3. Зависимость потерь мощности в активных сопротивлениях от мощности нагрузки

Из анализа полученных зависимостей следует, что неучет поверхностного эффекта и фактора вихревых токов может привести к относительной погрешности при расчете коэффициента мощности, превышающую 10 %, а при расчете суммарных потерь до 10 %.

Таким образом, установлено, что при учете влияния высших гармоники, диапазон которых регламентируется стандартом, а именно до 40-ой гармоники, точность расчета режимов работы электрической сети может повыситься до 10 %.

2. Минимизацию целевой функции, сформированной на основе выбранных экспертами технических и экономических показателей эффективности управления потоками электроэнергии, обеспечивающей наиболее рациональную компенсацию реактивной мощности в сложных электрических сетях, следует проводить на основе «метаэвристического» алгоритма, включающего метод Чебышева и базирующегося на расчете сетей по методу Гаусса-Зейделя, что обеспечивает получение конечного результата с любой заданной точностью.

Для последующего анализа режимов работы электрической сети при наличии высших гармоник и выбора параметров компенсирующих устройств необходимо было выбрать метод расчета разветвленной электрической сети. На основе анализа существующих итерационных методов был выбран метод Гаусса-Зейделя, как наиболее быстро сходимый для условий электротехнического комплекса.

На основе выбранного метода была создан алгоритм расчета при наличии высших гармоник, представленный на рис.4.

Расчет ведется на каждой гармонике с последующим применением метода наложения для определения основных параметров режима работы сети.

Соответствующая алгоритму компьютерная программа, разработанная при участии автора названа DYCSE.

Для подтверждения ее эффективности в работе сравнивались результаты расчёта по DYCSE с результатами расчёта по другим программам, опубликованным в литературе. Так, сравнение для одних и тех же схем по программе Stagg-El Abiad и программе по данным IEEE 399-1997 показали, что погрешность не превысила 1%.

Представленный метод расчета использован в качестве составной части в общем алгоритме выбора параметров компенсирующих устройств. Поиск решения многокритериальной задачи по выбору параметров компенсирующих устройств прежде всего связан с проблемой подготовки к принятию решений на основе формирования системного анализа с последующим моделированием изучаемого процесса. В работе принят метод анализа и синтеза, предложенный в 2000 году Арзолом.

Рис. 4. Алгоритм расчета электрической сети

Иллюстрацией этого метода является схема, представленная на рис. 5.

Рис. 5. Формализация анализа

Где U1 Uk, d1 …dr - параметры независимых воздействий на систему, - параметры технических устройств, подлежащие изменению в процессе исследований, - технические и экономические показатели.

Для выбора показателей на выходе системы () был выбран экспертный метод, включающий привлечение экспертов, работа с которыми включает в себя следующие этапы:

1. Выбор экспертов на основе их квалификации;
2. Сбор данных, отражающих мнение группы экспертов;
3. Определение веса выбранных экспертами показателей.

Так, для предприятия, на котором внедрены результаты работы, были определены следующие показатели (), определяющие эффективность компенсации: напряжение в узлах сети; коэффициент мощности; коэффициент гармонических искажений; потери мощности в сети; экономическая эффективность. Эти показатели приняты в качестве критериев.

В качестве входных величин () приняты параметры элементов системы электроснабжения, подвергаемых изменению. К ним относятся мощность БК, параметры ФКУ, диапазон изменения напряжения на трансформаторах со ступенчатым регулированием напряжения.

Поиск эффективного решения по компенсации реактивной мощности представляет собой сложную задачу, для решения которой в работе был разработан алгоритм, основанный на эвристическом подходе.

Для поиска решения создается целевая функция

;