CC BY
113
Итак, представляется возможным сделать следующие выводы:
1. Разработанная математическая модель компенсатора позволяет регулировать напряжение у потребителя в соответствии с требованиями ГОСТ на качество электрической энергии.
2. Диапазон регулирования зависит от суммарной мощности батарей конденсаторов и реакторов, реактивной проводимости Х5.
3. Если реактивная мощность нагрузки превышает реактивную мощность батарей конденсаторов или реакторов компенсатора, то компенсатор не может обеспечить поддержание напряжения на задан-
ном уровне.
4. Если увеличить коэффициент усиления пропорциональной части регулятора или уменьшить мощность системы, пренебрегая Тт и Т& то возникнет колебательная неустойчивость (см. рис. 6).
5. Разработанная математическая модель позволяет проводить исследования автономных и централизованных систем электроснабжения, включающих источники возобновляемой энергетики: ветроэнергетические установки, малые ГЭС на основе асинхронных и синхронных генераторов с различными видами систем автоматического управления.
Статья поступила 16.11.2015 г.
Библиографический список
1. Веников В.А. Статические источники реактивной мощности в электрических сетях. М.: Энергия, 1975. 136 с.
2. Пионкевич В.А. Классификация устройств и технологий FACTS. Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сиби-
ри // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Иркутск: ИрГТУ, 2009. С. 385-392. 3. Hingorani N.G., Gyugyi L. Understanding FACTS; Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems. IEEE Press book, 2000. 452 с.
УДК 621.311
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕТЯХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
© В.С. Степанов1, Н.Н. Солонина2, К.В. Суслов3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
На сегодняшний день известен ряд способов повышения качества электрической энергии в распределительных и магистральных сетях. Однако все эти методы решают данную задачу с отсрочкой по времени. В статье предлагается процедура непрерывного распределенного мониторинга качества электрической энергии, в частности несинусоидальности формы питающего напряжения. Данный метод основан на использовании инфраструктуры регистраторов векторных параметров (РМи) для непрерывного получения информации о мгновенных значениях токов и напряжений. В качестве первичного средства измерения для контроля уровня и направления гармоник в различных сечениях энергосистемы предлагается использовать интеллектуальный счетчик, предложенный ранее авторами. Указанная процедура осуществляется в режиме текущего времени, и, таким образом, происходит непрерывная настройка системы электроснабжения на режим, близкий к оптимальному с точки зрения содержания высших гармоник в питающем напряжении в выбранных точках присоединения.
Ключевые слова: качество электрической энергии; гармоники напряжения и тока; распределенный мониторинг качества электроэнергии; эффективность использования электрической энергии.
Степанов Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89149228606, e-mail: [email protected]
Stepanov Vladimir, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89149228606, e-mail: [email protected]
2Солонина Нафиса Назиповна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89500846006, e-mail: [email protected]
Solonina Nafisa, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89500846006, e-mail: [email protected]
3Суслов Константин Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89148704673, e-mail: [email protected]
Suslov Konstantin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89148704673, e-mail: [email protected]
TO ELECTRICAL ENERGY QUALITY IMPROVEMENT IN POWER SUPPLY NETWORKS V.S. Stepanov, N.N. Solonina, K.V. Suslov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
A number of methods to improve the quality of electric energy in distribution and transmission networks is known today. However, all the methods solve this task with a delay in time. The article proposes a procedure of continuous distributed monitoring of electric power quality, in particular of unsinusoidality of the supply voltage form. This method is based on the use of the infrastructure of the registrars of vector parameters for continuous receiving of information on the instantaneous values of currents and voltages. A smart meter proposed by the authors earlier can be used as a primary measurement tool monitoring the level and directions of harmonics in the different sections of the power system. The specified procedure is carried out in the real time regime, therefore the power supply system continuously adjusts to the mode close to the optimum one in terms of the presence of higher harmonics in the supply voltage in chosen coupling points. Keywords: quality of electrical energy; voltage and current harmonics; distributed monitoring of electrical energy quality; efficient use of electrical energy.
Введение
Гармонические колебания Nх порядков (грамоники), вызванные нелинейной нагрузкой, приводят ко многим негативным последствиям. Гармоники напряжения и тока оказывают влияние на элементы систем электроснабжения и линии связи.
Основными формами воздействия гармоник на системы электроснабжения являются: увеличение токов и напряжений гармоник вследствие параллельного и последовательного резонансов; снижение эффективности процессов генерации, передачи, использования электроэнергии; старение изоляции электрооборудования и сокращение вследствие этого срока его службы; ложная работа оборудования.
Дополнительные потери - одно из самых отрицательных явлений, вызываемое гармониками во вращающихся машинах. Они приводят к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе.
Гармоники тока в линиях вызывают дополнительные потери электроэнергии и напряжения. В кабельных линиях гармоники напряжения усиливают воздействие на диэлектрик. Это, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабеля и стоимость ремонтов. Ускоряется старение изоляции проводов и кабеля. В линиях сверхвысокого напряжения гармоники напряжения по той же причине могут вызывать рост потерь на корону. Гармоники значительно повышают потери из-за увеличения вихревых токов в силовых трансформаторах.
При росте потерь вырастает и фактическая рабочая температура трансформатора, что значительно сокращает срок его службы. Ускоряется износ, происходит вспучивание и преждевременное разрушение конденсаторов установок компенсации реактивной мощности. Устройства защиты обычно реагируют на напряжение или ток основной частоты, а все гармоники в переходном режиме либо отфильтровываются, либо не воздействуют на устройство. Произвольно срабатывают предохранители и автоматические выключатели вследствие их внутреннего дополнительного нагрева.
Возрастает вероятность резонансных коммутационных перенапряжений, приводящих к преждевременному выходу из строя электронного оборудования.
Постановка задачи
В настоящее время, в связи с глобальным дефицитом энергоносителей, на первое место выдвигается задача более эффективного использования существующих источников мощности и линий электропередач.
При решении этой задачи необходимо учитывать известное противоречие. Для повышения эффективности широко применяется современная промышленная электроника: выпрямители, преобразователи частоты, инверторы и т.д. (рис.1).
При этом эффективность работы технологических установок повышается, но вместе с тем в питающем напряжении увеличивается уровень гармонических составляющих (гармоник) в сети (рис. 2).
Только основная гармоника
Рис. 1. Пример нелинейной нагрузки
I, A,
IV
IV
л
t, сек
|\
Im, % ' 1 31
32,521,51 -0,50-
0,8
0,1 0,2 0,1 0,1 0,1
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Номер гармоники
Рис. 2. Спектральный состав гармонических составляющих
Уровень гармоник в питающем напряжении, согласно нормативным документам, характеризуется суммарным коэффициентом гармонических составляющих напряжения Ки, выраженного в процентах по отношению к основной гармонике. Это, как известно, снижает эффективность использования электрической энергии.
Согласно данным [1, 2, 3] доля гармоник в общем спектре, вызванная нелинейной нагрузкой, достигает 20%.
В связи с этим необходимо контролировать распределение гармоник в различных сечениях питающей сети. На основе анализа распределения гармоник можно выработать сигналы управления работой частотозадающих цепей: управляемых конденсаторных компенсирующих
устройств, реакторов, пассивных и активных фильтров. Авторами предлагается в качестве источника первичной информации в различных точках сети использовать имеющиеся инфраструктуры регистраторов векторных параметров (PMU), которые уже используются для мониторинга режимов работы энергосистемы. С этой целью в уз-
ловых точках системы (генераторы, распределительные подстанции, подстанции потребителей) установлены датчики мгновенных значений токов и напряжений, которые по спутниковой связи поступают в центр управления для мониторинга режимов. Эти же сигналы можно использовать и для контроля качества электрической энергии. В центре управления необходимо установить интеллектуальный счетчик раздельного измерения энергии гармоник и энергии основной гармоники [4], на вход которого поступает информация о токах и напряжениях в различных узлах системы. Затем эта информация обрабатывается, и принимается решение о воздействии с помощью аппаратуры FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems -гибкие системы передачи энергии переменным током) на переменные (управляемые) реактивные элементы С и L.
Энергосистема напоминает живой организм, для обеспечения жизнеспособности которой необходимы устройства управления ее параметрами. Эти устройства, с одной стороны, автономны, а, с другой стороны, их параметры должны быть
2,1
1,4
,2
00
взаимосогласованы. Иначе говоря, для успешного функционирования энергосистемы необходимо создать распределенную систему мониторинга качества электроэнергии. С этой целью необходимо измерять потоки энергии гармоник в различных сечениях системы в режиме, близком к режиму реального времени. Для выполнения этой задачи есть следующие предпосылки. Первая состоит в том, что существующая инфраструктура PMU [5, 6] позволяет производить измерение мгновенных значений тока и напряжения в различных сечениях и передачу их в центр управления. Традиционно эта информация используется для регистрации векторных параметров энергосистемы. Авторы предлагают эту же первичную информацию использовать для определения потоков энергии основной гармоники и гармоник таких перетоков в разных сечениях с помощью интеллектуального счетчика, разработанного авторами [7, 8]. Вторая предпосылка состоит в том, что существует FACTS, позволяющая дистанционно изменять величины реактивных элементов цепи. В данной работе рассмотрение этой задачи ограничивается мониторингом уровня гармоник в питающем напряжении.
Принцип работы предлагаемой системы
Однако теоретически разработать алгоритм для автоматического управления параметрами нескольких реактивных элементов практически невозможно. Поэтому
предлагается использовать метод последовательных приближений, позволяющий, произвольно изменяя в небольших пределах один из параметров, к примеру, регулируемую емкость, наблюдать за реакцией системы. В качестве целевой функции используем отношение мощности основной гармоники р к мощности гармоник рн,
получаемых с выхода интеллектуального счетчика:
P
1 _ f(Х1> Х2, Х3, "'Xn ) ■
(1)
HH
В общем случае данная целевая функция (1) зависит от многих переменных: X, х2, х3... хи - значения реактивных элементов, влияющих на частотные свойства цепи, причем х,х2- это переменные
величины, которые можно изменять дистанционно с центра управления; остальные величины - х,х4 и т.д. - квазипостоянные, т.е. изменяющиеся со скоростью изменения режимов работы системы.
Рассмотрим схему замещения типичной локальной системы электроснабжения (рис. 3). Для простоты считаем, что в напряжении присутствует только одна гармоника, например третья, которая генерируется как источником е , так и нелинейным потребителем е3. Кроме того, в системе имеются два переменных реактивных элемента: емкость С и индуктивность Ьг.
Рис. 3. Схема замещения сети
e
Для определения принципиальной возможности изменения соответствующих переменных величин в автоматическом режиме рассмотрим частный случай. Пусть необходимо обеспечить максимально высокое качество электроэнергии в точке присоединения (аЬ) линейного потребителя. Индуктивность генератора ь , распределенную емкость С, распределенную индуктивность ьа и индуктивности потребителей ь и ь считаем неизменными, а
ПС 1С '
величины регулируемых емкости С и индуктивности ь - переменными.
Процедура определения максимума целевой функции при двух изменяющихся параметрах цепи (х - переменная емкость, х - переменная индуктивность)
представлена на рис. 4. В приведенную модель вводим исходные числовые параметры постоянных величин х3,х4 и др. и минимальное значение диапазона изменения переменных х,х. Затем, фиксируя первое значение переменной х в начале установленного диапазона ( х ), увеличиваем переменную х с постоянным шагом Ах от минимального хп до максимального значения х1и диапазона, где п - общее число сечений. При каждом значении х
определяем расчетным путем отношение мощности основной гармоники к мощности
гармоник в точках (ab), используя методы расчета электрических цепей. Находим значение x ,, соответствующее макси-
maxi ' J 1
муму целевой функции (1) при данном значении Xi. Полученные значения xmxXi и значение целевой функции f заносятся в память логического устройства.
Затем даем приращение переменной х с шагом Ax и получаем
Х21 + Ax2 = Х22 ■
Вновь повторяем операцию изменения х во всем диапазоне и находим х1тах2 при значении х22. Аналогично первому случаю определяем /тх2. Этот процесс продолжаем до достижения переменной х верхнего предела диапазона его изменения X = х2и и, соответственно, определения /тхп. Полученный массив данных обрабатывается логическим устройством, и определяются конечные значения xlmax, х2тах ■
Затем путем сравнения найденных локальных максимумов целевой функции /maxi - /max n находим наибольшее из них Fmax, которое является максимумом целевой функции (1).
Эти значения /maxi - /maxn п°ступают
на логическое устройство, которое вырабатывает выходной сигнал, управляющий исполнительными устройствами, которые изменяют значения х и х ■
f
x11 x12(x1 max ) x13
x23 (X2max)
Рис. 4. Поиск максимума целевой функции
Это было предварительное определение оптимальных значений переменных, так как не учитывались многие влияющие факторы, а именно: все гармоники высших порядков, кроме 3-й, другие источники гармоник и т.д.
Схема реализации Для обеспечения требуемого качества электроэнергии (содержание высших гармоник на входе подстанции) в заданных пределах необходимо, чтобы значение целевой функции (1) удовлетворяло следующему соотношению:
P
>е.
(2)
HH
Согласно европейскому стандарту BS EN 50160:2010 допустимый уровень гармоник в сетях среднего напряжения не превосходит 0,08 по отношению к основной гармонике, т.е. отношение должно быть:
P
> ■
1
= 12,5.
Рнн 0,08 Для обеспечения условий стандарта при технической реализации этого метода для определения истинных значений переменных х и х2 необходимо осуществить выше описанную процедуру путем реаль-
ного изменения параметров. В качестве регистратора целевой функции выступает интеллектуальный счетчик раздельного измерения энергии гармоник и энергии основной гармоники, что позволяет определить значение реальной целевой функции и значения локальных максимумов
( , - ^ . В соответствии с этим испол-
^ тах 1 У тах п
нительные устройства изменяют значения переменных х1 и х2.
Возможности регулирования реактивных параметров
В частности, регулирование реактивных параметров может осуществляться посредством статических синхронных компенсаторов (СТАТКОМ). СТАТКОМы способны регулировать выходной ток в полном диапазоне емкостного или индуктивного тока, независимо от уровня напряжения системы переменного тока. Внешняя характеристика СТАТКОМа представлена на рис. 5. По сравнению с другими устройствами, к примеру, со статическим компенсатором реактивной мощности (СТК), СТАТКОМ имеет следующие преимущества [9]:
• возможны оба режима работы -индуктивный и емкостной;
Рис. 5. Внешняя характеристика СТАТКОМа [9]
• уменьшается занимаемая площадь, так как исчезает необходимость использования громоздких конденсаторов батарей и реакторов, используемых в СТК;
• имеет большой динамический диапазон регулирования;
• высокое быстродействие и лучшие характеристики в переходных процессах;
• нечувствителен к гармоническим резонансам в системе и т.д.
Поскольку система мониторинга работает в режиме реального времени, то и режим возможного минимального содержания доли гармоник в точках присоединения поддерживается непрерывно. Рассмотренная система регулирования может быть распространена и на более разветвленные электрические схемы. Для этого необходимо в дальнейшем перед счетчиком поставить мультиплексор, что позволит оптимизировать частотные режимы во многих точках присоединений.
Указанная процедура осуществляется в режиме текущего времени, и, таким образом, происходит непрерывная настройка системы электроснабжения на режим, близкий к оптимальному с точки
Библиогр1
1. Suslov K.V., Solonina N.N., Stepanov V.S. A principle of power quality control in the intelligent distribution networks // International Symposium on Smart Electric Distribution Systems and Technologies (EDST), Vienna, 8-11 Sept. 2015. Vienna, 2015. С. 131-137.
2. Arrillaga J., Watson N.R. Power system harmonics. 2nd. ed. Chichester: Wiley, 2003. 670 p.
3. Смирнов С.С. Высшие гармоники в сетях высокого напряжения. Новосибирск: Наука, 2010. 327 с.
4. Smirnov A.S., Solonina N.N., Suslov K.V. Separate measurement of fundamental and high harmonic energy at consumer inlet - a way to enhancement of electricity use efficiency // International Conference on Power System Technology (PowerCon), 24-28 Oct. 2010. Hangzhou, 2010. P. 613-620.
5. Wu Z, Zora L.T., Phadke A.G. Simultaneous transmission line parameter and PMU measurement calibra-
зрения содержания высших гармоник в питающем напряжении в выбранных точках присоединения.
Выводы
Содержание уровня гармоник в питающем напряжении существенным образом сказывается на эффективности использования электрической энергии. Для осуществления непрерывного контроля уровня гармоник в различных сечениях энергосистемы авторами предлагается распределенная система мониторинга качества электроэнергии.
Система позволяет определять направление и уровень гармоник с помощью интеллектуального счетчика, разработанного авторами.
Передача информации о мгновенных значениях тока и напряжения от системы осуществляется инфраструктурой PMU.
Разработана методика определения оптимальных значений регулируемых реактивных сопротивлений для снижения уровня гармоник с применением устройств FACTS.
Статья поступила 08.11.2015 г.
кии список
tion // Power & Energy Society General Meeting IEEE, 26-30 July 2015. Blacksburg, 2015. P. 450-458.
6. Nuthalapati S., Phadke A. Managing the Grid: Using Synchrophasor Technology // IEEE Power and Energy Magazine. 2015. Vol. 13, is. 5. P. 340-348.
7. Suslov K.V., Solonina N.N., Smirnov A.S. Distributed filtering of high harmonics in Smart Grid // CIGRE Bologna Symposium - The Electric Power System of the Future: Integrating Supergrids and Microgrids, Bologna, 13-15 Sept. 2011. Bologna, 2011. P. 230-238.
8. Суслов К.В., Солонина Н.Н., Смирнов А.С. Перспективный путь снижения высших гармоник в питающей сети // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2012. № 6. С. 52-53.
9. Sood V.K. HVDC and FACTS Controllers. Applications of Static Converters in Power Systems. Boston, New York, London: Springer, 2004. 450 p.
