CC BY
47
Моделирования совместной работы авиационных ГТД и элементов топливной автоматики на переходных режимах в компьютерной среде DVIG // Известия вузов. Авиационная техника. 2002. № 1. С. 43-45.
4. Reid L., Moore R.D. Performance of single-stage
axial-flow transonic compressor with rotor and stator aspect ratios of 1,19 and 1,26 respectively, and with design pressure ratio of 1,82, NASA Technical Paper 1338. National Aeronautics and Space Administration, Washington, D. C. 20546, Nove mber 1978. 102 p.
УДК 621.311
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФИЛЬТРОВ ПРИ НОРМАЛИЗАЦИИ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ
© А.С. Селезнев1, С.А. Кондрат2, А.Н. Третьяков3
1,2,3Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 3ЗАО «ИРМЕТ»,
664050, Россия, г. Иркутск, ул. Байкальская, 239, кор. 26 А.
Приведено описание отрицательного влияния несинусоидальных режимов на работу электроэнергетической системы (ЭЭС). Представлены результаты измерений в схеме электроснабжения потребителя со значительной по мощности нелинейной нагрузкой. Проведена оценка эффективности использования фильтров различного исполнения при решении задачи нормализации несинусоидальных режимов. Выполнено сравнение вариантов по критерию экономической эффективности.
Ключевые слова: несинусоидальные режимы; электроэнергетическая система; оценка эффективности; качество электрической энергии; стоимость фильтров; высшие гармоники; капитальные затраты.
ON FILTER EFFECTIVENESS IN NON-SINUSOIDAL REGIME NORMALIZATION A.S. Seleznev, S.A. Kondrat, A.N. Tretiakov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia CJSC "IRMET",
239 Baikalskaya St., block 26A, Irkutsk, 664050, Russia.
The paper describes the negative influence of non-sinusoidal regimes on the operation of EPS. It presents the measurement results in the power supply scheme with a significant non-linear load. The efficiency of using filters of various designs in solving the problem of non-sinusoidal regime normalization is evaluated. The variants are compared according to the criterion of economic efficiency.
Keywords: non-sinusoidal regimes; electric power system; efficiency evaluation; quality of electric energy; cost of filters; higher harmonics; capital costs.
Мощная нелинейная нагрузка в электроэнергетической системе (ЭЭС) приводит к возникновению несинусоидальных режимов [1, 3]. В отечественных [3, 9] и зарубежных работах [12, 13, 14, 16] рассмотрено отрицательное влияние несинусоидальных режимов на работу ЭЭС, а именно: увеличение потерь электроэнергии в
электроустановках; сбои в работе устройств релейной защиты и автоматики, телемеханики и связи; уменьшение пропускной способности электрических сетей; ускоренное старение изоляции электрооборудования; снижение срока службы электрооборудования; снижение качества и количества выпускаемой продукции;
1
Селезнев Алексей Спартакович, соискатель Института энергетики, тел.: 89246022602, e-mail: [email protected]
Seleznev Aleksey, Competitor for a scientific degree of the Institute of Power Engineering, tel.: 89246022602, e-mail: [email protected]
2Кондрат Сергей Анатольевич, аспирант Института энергетики, тел.: 89149270885, e-mail: [email protected] Kondrat Sergey, Postgraduate of the Institute of Power Engineering, tel.: 89149270885, e-mail: [email protected]
3Третьяков Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент, начальник службы по энергосбережению, тел.: 89148988520, e-mail: [email protected]
Tretiakov Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Energy Saving Service, tel.: 89148988520, e-mail: [email protected]
уменьшение производительности труда; увеличение погрешности электроизмерительных приборов [2].
Целью работы является оценка эффективности применения фильтров различного исполнения при решении задачи нормализации несинусоидальных режимов в ЭЭС со значительной по мощности нелинейной нагрузкой.
Оценка эффективности проводится на примере отрицательного влияния мощного алюминиевого завода на прилегающую сеть. Схема внешнего электроснабжения завода представлена на рис. 1. Питание завода осуществляется по воздушным линиям от мощной гидроэлектростанции
(ГЭС). Основная нагрузка завода является нелинейной, так как в технологическом процессе производства алюминия используется 12-пульсная схема выпрямления [7, 10]. Как следствие, в прилегающей сети наблюдается ухудшение показателей качества электрической энергии, а именно превышение значений гармонических составляющих напряжения и суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения Ки над нормированными значениями. Для оценки качества электрической энергии в табл. 1 приведены результаты натурных измерений, проведенных в схеме внешнего электроснабжения завода и прилегающей сети [8, 10].
500 кВ
ЭЭС - 2
Примечания:
1. ЭЭС-1 - ЭЭС-3 -эквивалентированные части энергосистемы;
2. ГГ1 - ГГ18 - гидрогенераторы ГЭС;
3. ВЛ 220 кВ №1-12 - воздушные линии посредством которых питается завод.
ЭЭС - 3
Нелинейная нагрузка алюминиевого завода Рис. 1. Схема электроснабжения завода с нелинейной нагрузкой
Таблица 1
Результаты измерения показателей качества электрической энергии в схеме _внешнего электроснабжения завода и прилегающей сети_
Объект Место измерения Измеренные значения Ки, % Нормированные значения Ки, %
ГЭС Шины 500 кВ 2,38-3,36 3,0
1-я секция 220 кВ 3,95-4,40 3,0
2-я секция 220 кВ 3,71-4,34 3,0
Завод Шины 10 кВ 13,1-16,9 5,0
Результаты измерений качества электрической энергии показывают, что выявленные значения превышают нормированные. При этом содержание 11 и 13-го гармонических составляющих напряжения в коэффициенте Ки составляет 55-65% [7, 10]. Преобладание в спектре определенных гармонических составляющих обусловлено схемой выпрямления, применяемой в технологическом процессе производства [2]. Необходима реализация мероприятий по приведению значений гармонических составляющих напряжения и суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения Ки в схеме внешнего электроснабжения завода и прилегающей сети к нормированным значениям.
Широкое распространение для решения задачи нормализации несинусоидальных режимов в сети до нормируемых значений получили три основных варианта фильтров высших гармоник: пассивные, активные и гибридные (активно-пассивные) [3, 7, 9, 13, 17]. Поэтому в работе рассматривается подключение различных вариантов фильтров в схеме электроснабжения завода (рис. 2).
В отечественных [3, 9] и зарубежных работах [13, 16] показано, что максимальный эффект при нормализации несинусои-
дальных режимов в схеме электроснабжения завода достигается подключением фильтров в непосредственной близости от источника искажений для снижения распространения высших гармоник в питающую сеть. Поэтому в статье подключение фильтров предусматривается ко всем 12-ти понижающим трансформаторам. Так как трансформаторы имеют расщепленную обмотку 10 кВ, фильтры подключаются к каждой обмотке.
Для выбора оптимального решения используются показатели экономической эффективности [4], а именно: чистый доход, чистый дисконтированный доход, срок окупаемости, индекс доходности, внутренняя норма доходности, рентабельность инвестиций. Однако в некоторых случаях допускается сопоставлять только капитальные затраты [3]. Поэтому в работе определение оптимального типа фильтра выполняется оценкой величины капитальных затрат, а именно определением стоимости оборудования фильтров. При этом в качестве допущений принимается, что затраты на остальное оборудование для выбранного варианта, а также техническая возможность реализации и ожидаемая эффективность использования фильтров равноценны.
220/10 кВ
+
Рис. 2. Подключение фильтров в схеме питания полупроводниковых преобразователей
Применение пассивных фильтров
Для снижения значений гармонических составляющих напряжения и суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения ^ на шинах секций 220 кВ ГЭС и шинах 10 кВ в схеме электроснабжения завода предусматривается подключение пассивных фильтров высших гармоник, настроенных на 5, 7, 11 и 13 гармоники.
Для выбора параметров фильтров в табл. 2 приведены результаты натурных измерений токов высших гармоник в прилегающей сети и результаты расчетов токов высших гармоник, приведенных к стороне напряжения 0,4 и 10 кВ в схеме электроснабжения завода.
Выбор параметров пассивных фильтров высших гармоник выполнен в соответствии с методикой, описанной в работах [3, 7]. Согласно этой методике за исходные данные для расчета приняты: токи высших гармоник, приведенные к напряжению 10 кВ (см. табл. 2); номинальное линейное напряжение электрической сети, равное 10 кВ, и максимальная мощность трехфазного
короткого замыкания, равная 700 МВА в месте подключения фильтров. При расчете капитальных затрат стоимость фильтров определена приближенно в размере 66,7 долл./квар согласно [18]. Результаты расчетов пассивных фильтров высших гармоник сведены в табл. 3.
Стоимость пассивных фильтров 5, 7, 11 и 13-й гармоник для подключения к одному понижающему трансформатору, согласно табл. 3., составляет 130 млн руб. (около 2,6 млн долл. США).
Капитальные затраты на пассивные фильтры, согласно выполненным расчетам, при суммарной мощности всех пассивных фильтров, равной 456 Мвар, составляют:
N
КШФ = X КПФт = 1560 млн ру6,
т=1
(1)
где КЯфш = 130 млн руб. - капитальные затраты на пассивные фильтры для одного трансформатора; N = 12 - количество трансформаторов.
Таблица 2
Измеренные и приведенные токи высших гармоник_
Номер гармоники Измеренные токи высших гармоник на стороне 220 кВ, А Приведенные токи высших гармоник к стороне 10 кВ, А Приведенные токи высших гармоник к стороне 0,4 кВ, А Фаза токов высших гармоник, град
3 0,01 - - -
5 3,7 81,05 2 239,47 0
7 3,2 70,1 1 936,84 0
9 0,01 - - -
11 22,0 481,91 13 315,8 0
13 20,0 438,1 12 105,2 0
Примечание. В дальнейших расчетах токами 3 и 9-й высших гармоник пренебрегли ввиду их малого значения.
Таблица 3
Параметры пассивных фильтров для одного трансформатора_
Пассивные фильтры Расчетная мощность, Мвар Стоимость, млн руб. (млн долларов США)
5 гармоника 4 15 (0,3)
7 гармоника 4 15 (0,3)
11 гармоника 15 50 (1,0)
13 гармоника 15 50 (1,0)
Сумма 38 130 (2,6)
Примечание. Мощности фильтров 5 и 7, 11 и 13-й гармоник для упрощения расчетов округлены.
Применение активных фильтров
Проведенный анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что отсутствует общепринятая методика расчета и определения параметров силовой части активного фильтра. Поэтому для определения номинальной мощности активного фильтра использовался расчет согласно [6]. За исходные данные для расчета приняты: токи высших гармоник, приведенные к стороне напряжения 0,4 кВ (см. табл. 2) и номинальное линейное напряжение электрической сети 0,4 кВ в месте подключения фильтров.
Номинальный ток активного фильтра для каждой фазы равен:
I = Y12
1 АФ \lY n
1 n=2
= 72239,52 +1936,82 +13315,82 +12105,22 = = 18237,7А,
где /и - ток п-й гармоники; п - номер гармоники.
Номинальная мощность активного фильтра равна:
SАФ =^АФ ' Uhom =
= 1,73 -18237,7 • 380
12МВА,
где ином - номинальное линейное напряжение активного фильтра.
Согласно [18] стоимость активного фильтра мощностью 2,4 МВА равна 50 млн
руб. (1 млн долл. США). Потребуется па-
раллельно подключение 5 активных фильтров мощностью по 2,4 МВА каждый. Тогда стоимость 5 активных фильтров на ЮВТ-транзисторах номинальной мощностью
12 МВА составит около 250 млн руб. (5 млн долл. США).
При расчете капитальных затрат стоимость активных фильтров определена приближенно в размере 416,7 долл./кВт согласно [18].
Капитальные затраты на активные фильтры, согласно выполненным расчетам, при суммарной мощности всех активных фильтров, равной 144 МВА, составляют:
N
К^АФ = Е КАФт = 3000 млн. руб., (2)
т=1
где КАфт = 250 млн. руб. - капитальные затраты на активные фильтры для одного трансформатора; N = 12 - количество трансформаторов.
Применение гибридных фильтров
В работе [11] проведен экспериментальный сравнительный анализ разных вариантов исполнения гибридных фильтров. Согласно выполненному анализу для расчетов выбран последовательный гибридный фильтр высших гармоник как наиболее эффективный. Фильтр состоит из последовательно соединенных пассивной части (пассивных фильтров, настроенных на 11 и 13 гармоники) и активной части на ЮВТ-транзисторах.
Для определения номинальной мощности активной части гибридного фильтра последовательного типа использовался расчет согласно [15]. За исходные данные для расчета принята мощность нелинейной нагрузки одного понижающего трансформатора, равная 160 МВА. Согласно [15] мощность активной части гибридного фильтра составляет 1,5% мощности нелинейной нагрузки, искажения которой потребуется компенсировать.
Номинальная мощность активной части гибридного фильтра равна:
РГФ = 1,5% Рии =
0,015 -160 = 2,4МВА, где Р - мощность нелинейной нагрузки
одного понижающего трансформатора.
Для активной части гибридного фильтра к расчету принят активный фильтр мощностью 2,4 МВА и ориентировочной стоимостью около 50 млн. руб. (1 млн долл. США) [18].
В соответствии с табл. 3 для пассивной части гибридного фильтра приняты пассивные фильтры 11 и 13 гармоники суммарной мощностью 30 Мвар. При этом стоимость пассивных фильтров 11 и 13-й гармоник для пассивной части гибридного фильтра, согласно табл. 3., равна 100 млн руб. (около 2 млн долл. США).
Капитальные затраты на гибридные фильтры, согласно выполненным расчетам, при суммарной мощности активной части гибридных фильтров, равной 28,8 МВА, и пассивной части гибридных фильтров, равной 360 Мвар, составляют:
N
К^гф = XКгФт = 1800 млн руб. (3)
т=1
где КГфт = 150 млн руб. - капитальные затраты на гибридные фильтры для одного трансформатора; N = 12 - количество трансформаторов.
В табл. 4 приведена стоимость фильтров для трех вариантов исполнения фильтров.
Исходя из результатов исследования, сформулируем следующие выводы:
1. Использование пассивных фильтров для нормализации несинусоидальных режимов, вызванных значительной по мощности нелинейной нагрузкой, при 6- и 12-пульсной схеме выпрямления соответственно, превалирующем содержании определенных гармонических составляющих (например, 5,7 или 11 и 13-й гармоник) в коэффициенте с учетом капитальных затрат, является более приемлемым в сравнении с активными и гибридными фильтрами.
2. Вариант применения активных фильтров для решения задачи нормализа-
Таблица 4
Стоимость фильтров в зависимости от типа исполнения_
Фильтры Силовые элементы ячейки Стоимость, млн. руб. (млн. долл. США)
Пассивные Резонансный реактор и батарея статических конденсаторов, разъединитель 1560 (31,2)
Активные Разъединитель и трансформатор 10,5/0,4 кВ 3000 (60)
Гибридные Резонансный реактор и батарея статических конденсаторов, разъединитель 1800 (36)
Как показывают выполненные расчеты, установленная мощность активного фильтра соизмерима с мощностью нелинейной нагрузки, высшие гармоники которой «фильтруются». В [3] указывается, что при 6-пульсной мостовой схеме преобразователя мощность активного фильтра достигает 30% активной мощности нелинейной нагрузки. Поэтому использование активных фильтров при значительной мощности нелинейной нагрузки экономически нецелесообразно.
Библиогра
1. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Электронный ресурс]. URL: http://www.standards.ru/ document/5314618.aspx (05.03.2015).
2. Висящев А.Н., Селезнев А.С., Кондрат С.А. Нормализация несинусоидальных режимов в электроэнергетической системе // Электроэнергетика глазами молодежи: науч. тр. V междунар. науч.-техн. конф. (Томск, 10-14 ноября 2014 г.): в 2 т. Томск: Мин-во образования и науки РФ, Томский
ции несинусоидальных режимов в схеме электроснабжения завода со значительной по мощности нелинейной нагрузкой практически в два раза дороже варианта применения пассивных фильтров.
3. Использование гибридного фильтра оказывается экономичнее по капитальным затратам в сравнении с использованием активного фильтра, что связанно с применением в гибридном фильтре активной и пассивной «фильтрации».
Статья поступила 19.05.2015 г.
чий список
политехнический университет, 2014. Т. 1. С. 118-122.
3. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2000. 331 с.
4. Карапетян И. Г., Файбисович Д.Л., Шапиро И. М. Справочник по проектированию электрических сетей. 4-е изд., перераб. и доп. М.: ЭНАС, 2012. 376 с.
5. Кудряшев Г.С, Селезнев А.С., Д.С. Федосов. Выявление источников искажения формы кривой напряжения в электроэнергетических системах //
Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. Russian Internet Journal of Industrial Engineering. 2014. № 3. С. 59-65.
6. Расчет мощности активного фильтросимметри-рующего устройства для нормализации напряжения на шинах ПС 220 кВ Сковородино / Г.М. Мустафа, С.И. Гусев, А.М. Ершов и др. // Электрические станции. 2015. № 3. С. 46-53.
7. Селезнев А.С. Снижение уровня высших гармоник в электрических сетях высокого напряжения // Вестник ИрГТУ. 2014. № 4 (87). С. 143-148.
8. Селезнев А.С. Эффективность применения фильтров специальной настройки для улучшения качества электрической энергии // Повышение эффективности энергетического оборудования: материалы VII междунар. науч.-практ. конф. (Санкт-Петербург, 13-15 ноября 2012 г.): в 2 т. СПб: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ИМОП), 2012. Т. 2. С. 458-466.
9. Смирнов С.С. Высшие гармоники в сетях высокого напряжения. Новосибирск: Наука, 2010. 327 с.
10. Яременко В.Н., Суров В.И. Анализ мероприятий по повышению качества электрической энергии на Братском алюминиевом заводе // Промышленная энергетика. 1995. № 1. С. 45-47.
11. Agrawal A., Agrawal P. Comparison of Various
Configurations of Hybrid Active Filter With Three Different Control Strategies // International Journal of Engineering Research & Technology. 2014. Vol. 3. Is. 5 (May). P. 1672-1678.
12. Akagi H. Modern active filters and traditional passive filters // Bulletin of The Polish Academy of Sciences Technical Sciences. 2006. Vol. 54. № 3. P. 255-269.
13. Arrillaga J., Watson N.R. Power systems harmonics. 2nd ed. Chichester: Wiley, 2003. 412 p.
14. Electrical Power Systems Quality / R.C. Dugan [et al.]. McGraw-Hill Companies, 2004. 522 p.
15. Fujita H., Akagi H. A practical approach to harmonic compensation in power systems series connection of passive and active filters // IEEE Transactions on Industry Applications. 1991. Vol. 27. Is. 6. P. 1020-1025.
16. Kusko A., Thompson M.T. Power quality in electrical systems. McGraw-Hill Companies, 2007. 225 p.
17. Sandoval G., Houdek J. A Review of Harmonic Mitigation Techniques (Обзор методов снижения гармоник) [Электронный ресурс]. 2005. URL: http://www. apqpowe r. co m/assets/fi les/ARevi ewOfH a rm MitigTech.pdf (21.03.2015).
18. Taming Harmonics in Switzerland / A. Hammad [et al.] // Transmission & Distribution World. 2008. Vol. 60. Is. 10. P. 42-47.
