Оценка составляющих коэффициента мощности при несинусоидальных режимах промышленных систем электроснабжения с линейной и нелинейной нагрузкой

Полный текст

Введение

Актуальность проблемы обеспечения качества электрической энергии обоснована и раскрыта во многих отечественных и зарубежных публикациях [1, 2]. Ненадлежащий уровень качества электроэнергии связан с возникновением несинусоидальных режимов, обусловленных наличием высших гармоник, как со стороны питающей сети, так и со стороны подключенной нагрузки. Это приводит к росту потерь в элементах энергосистем и электрооборудовании, ложному срабатыванию систем релейной защиты, сокращению срока службы электроустановок. Основными показателями качества электроэнергии согласно ГОСТ 32144-2013 являются суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения и коэффициенты n-ых гармонических составляющих напряжения [3], при этом аналогичные показатели по току не нормируются, в отличие от международной нормативной базы [2, 3].

При применении различных технических средств и решений, направленных на обеспечения качества электроэнергии, включая пассивные, активные и гибридные фильтрокомпенсирующие устройства, оценка эффективности их работы производится, как правило, по степени снижения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения и коэффициентов n-ых гармонических составляющих напряжения. Однако эффективность активных и гибридных фильтров, являющихся многофункциональными устройствами повышения качества электроэнергии, должна оцениваться также по ряду дополнительных показателей, к числу которых относятся составляющие коэффициента мощности при несинусоидальных режимах. Помимо этого указанные устройства могут быть использованы для компенсации реактивной мощности, которая при несинусоидальных режимах создается как на частоте основной составляющей, так и на частоте высших гармоник. В последнем случае подобные составляющие в отечественной и зарубежной научно-технической литературе принято именовать неактивными составляющими полной мощности [2]. Кроме того, вариация составляющих коэффициента мощности может служить косвенным показателем эффективности работы фильтрокомпенсирующих устройств различной структуры и алгоритмов управления, а также причины и характера возникновения несинусоидального режима.

 

Результаты и обсуждение

Известно следующее выражение для определения составляющих коэффициента мощности λ при несинусоидальных режимах [4, 5]:

$\lambda ={\lambda }_1{k}_S\left(1+k_h\right)$ (1)

где: λ₁ – коэффициент мощности по первой гармонике (cosφ₁), k_S = S₁/S – коэффициент, отражающий степень завышения полной мощности S сетевого оборудования из-за потерь, обусловленных возникновением высших гармоник, относительно полной мощности основной составляющей S₁; k_h – коэффициент, отражающий наличие неактивных составляющих полной мощности из-за присутствия высших гармоник тока и напряжения.

При этом вариация коэффициента λ₁ отражает степень эффективности компенсации реактивной мощности по основной составляющей [6], коэффициента k_S – степень снижения потерь в элементах системы электроснабжения по результатам компенсации высших гармоник [7], коэффициента k_h – степень эффективности компенсации высших гармоник различными фильтрокомпенсирующими устройствами [8].

В рамках проведенного исследования рассматривались следующие пути формирования несинусоидальных режимов:

• подключение линейной и нелинейной нагрузок к питающей сети без искажений напряжения;
• подключение линейной и нелинейной нагрузок к питающей сети с искажениями напряжения;
• подключение нелинейной нагрузки к питающей сети без искажений напряжения;
• подключение линейной нагрузки к питающей сети с искажениями напряжения;
• подключение нелинейной нагрузки к питающей сети с искажениями напряжения.

Разработана компьютерная имитационная модель промышленной системы электроснабжения с нелинейной и линейной нагрузками в среде Simulink системы Matlab. Упрощенная структура указанной модели приведена на рисунке 1, детальная структура в среде Simulink системы Matlab представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 1 – Упрощенная структура имитационной модели промышленной системы электроснабжения с линейной и нелинейной нагрузками (ТОП – точка общего присоединения, НН – нелинейная нагрузка, ЛН – линейная нагрузка)

 

Рисунок 2 – Имитационная модель промышленной системы электроснабжения с линейной и нелинейной нагрузками

 

При имитационном моделировании упомянутых выше путей формирования несинусоидальных режимов были приняты следующие основные допущения и ограничения [9, 10]:

• питающая сеть представлена в виде источника напряжения с возможностью генерации высших гармоник с внутренним индуктивным сопротивлением Xс;
• линейная нагрузка представлена в виде активно-индуктивного сопротивления;
• нелинейная нагрузка представлена в виде неуправляемого диодного выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой на стороне постоянного тока;
• питающая линия от источника до узла нагрузки представлена в виде индуктивного сопротивления Xл;
• вариация внутреннего сопротивления питающей сети Xс производилась с учетом допустимого уровня отклонения напряжения на источнике и нагрузке (не более ±10 % согласно требованиям ГОСТ 32144-2013);
• линейная и нелинейная части узла нагрузки приняты одинаковой мощности (токи линейной и нелинейной нагрузки одинаковы);
• линии, идущие от точки общего присоединения к линейной и нелинейной нагрузке, приняты одинаковой длины с учетом допустимой потери напряжения (не более 5 %);
• вариация внутреннего сопротивления питающей сети Xс осуществлялась в относительных единицах, при этом за базис принято сопротивление энергосистемы бесконечной мощности.

На рисунках 3-6 приведены графики зависимостей составляющих коэффициента мощности от вариации внутреннего сопротивления питающей сети Xс и длины питающей линии от источника до узла нагрузки, влияющей на уровень потерь напряжения в линии. Данные зависимости получены для наиболее распространенного несинусоидального режима, при котором присутствует линейная и нелинейная нагрузки, а также искажения со стороны питающей сети. Для остальных режимов – закономерности аналогичные.

 

Рисунок 3 – Зависимости λ1 от Xс при вариации Xл в соответствии с различными уровнями потерь напряжения dU

 

Рисунок 4 – Зависимости kS от Xс при вариации Xл в соответствии с различными уровнями потерь напряжения dU

 

Рисунок 5 – Зависимости kh от Xс при вариации Xл в соответствии с различными уровнями потерь напряжения dU

 

Рисунок 6 – Зависимости λ от Xс при вариации Xл в соответствии с различными уровнями потерь напряжения dU

 

По результатам имитационного моделирования выявлены следующие особенности и закономерности, характеризующие различные пути формирования несинусоидальных режимов:

• изменение длины питающей линии до узла нагрузки (уровень потерь напряжения) оказывает более существенное влияние на составляющие коэффициента мощности, нежели вариация внутреннего сопротивления питающей сети;
• во всех исследуемых режимах на зажимах узла нагрузки (в точке общего присоединения) коэффициент kh принимает отрицательные значения, при этом на зажимах линейной и нелинейной нагрузки он может менять знак;
• в области малых значений потерь напряжения (длина питающей линии незначительна) при наличии линейной и нелинейной нагрузок, как при отсутствии, так и наличии искажений со стороны питающей сети коэффициент kh принимает отрицательные значения на зажимах линейной нагрузки и положительные значения на зажимах нелинейной нагрузки;
• также в области малых значений потерь напряжения (длина питающей линии незначительна) при наличии искажений со стороны питающей сети и присутствии только линейной нагрузки коэффициент kh принимает отрицательные значения, аналогичная ситуация справедлива и для другого режима, когда присутствует только нелинейная нагрузка, а искажения со стороны сети отсутствуют;
• положительные значения kh приводят к увеличению суммарного коэффициента мощности согласно выражению (1), а отрицательные – к его снижению, однако практически во всех исследуемых режимах суммарный коэффициент мощности на зажимах нелинейной нагрузки меньше аналогичного значения на зажимах линейной нагрузки и в точке общего присоединения.

 

Заключение и выводы

Полученные закономерности и выявленные особенности необходимо учитывать при обосновании выбора того или иного технического средства или решения по компенсации высших гармоник, включая параллельные и последовательные активные фильтры, гибридные фильтрокомпенсирующие устройства, статические компенсаторы реактивной мощности (СТАТКОМ), динамические компенсаторы искажения напряжения [11, 12].

Предметом дальнейших исследований является оценка влияния фильтрокомпенсирующих устройств различной структуры, в частности, параллельных и последовательных активных фильтров, а также гибридных фильтров на составляющие коэффициента мощности при несинусоидальных режимах [13, 14].

Исследования, приведенные в данной статье, выполнены в рамках реализации гранта МД 1536.2022.4 «Создание систем комбинированного электроснабжения для особо ответственных технологических и стратегических объектов».

Об авторах

Юрий Анатольевич Сычев

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II

Автор, ответственный за переписку.
Email: ya_sychev@mail.ru

доктор технических наук, профессор кафедры электроэнергетики и электромеханики

Россия, Санкт-Петербург

Максим Евгеньевич Аладьин

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II

Email: m.aladyin@gmail.com

аспирант кафедры электроэнергетики и электромеханики

Россия, Санкт-Петербург

Ульяна Александровна Холодович

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II

Email: s200311@stud.spmi.ru
Россия, Санкт-Петербург

Владимир Александрович Сериков

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II

Email: serikov.va@bk.ru

кандидат технических наук, ассистент кафедры электроэнергетики и электромеханики

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы