Влияние работы завода на качество электроэнергии в сети электроснабжения общего пользования
Подготовлено по материалам статьи
"After capacitor value has been established, reactor size can be selected
to tune the capacitor for desired frequency", Велимир Стругар
Электроэнергетическая промышленность акционерной компании Черногории,
Владимир Катич, Золтан Чобра, Миличевич Драган
Университет г. Нови-Сад, факультет технических наук, Сербия и Черногория
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Введение
2. Методика проведения измерения качества электроэнергии
3. Результаты измерений и анализ
4. Компьютерная имитационная модель
5. Разработка и действие фильтра гармоник
5.1. Этап 1. Выбор резонансной частоты для фильтра
5.2. Этап 2. Вычисление емкости батареи конденсаторов и резонансной частоты
5.3. Этап 3. Выбор параметров выпрямителей
5.4. Этап 4. Оценка нагрузки фильтра
6. Заключение
7. Список литературы
Введение
Военный судостроительный завод является потребителем, чьи основные характеристики похожи или соответствуют промышленным. Тем не менее, с ним связаны и некоторые особые нагрузки с нелинейным поведением. Соответственно, это может стать существенным источником паразитных гармоник и других отрицательных воздействий, которые поставят под угрозу качество электроэнергии других потребителей в сети электроснабжения общего пользования.
В данной статье представлен анализ характеристик качества электроэнергии в сети, снабжающей электроэнергией военный судостроительный завод и большое количество некрупных индивидуальных потребителей. Для анализа использовалась энергосистема на 35 кВ в городе Тиват, где расположен судостроительный завод.
Тиват это маленький городок на побережье Адриатики в Черногории (Сербия и Черногория). Электроэнергетическая компания в г. Тиват является частью электроэнергетической промышленности акционерной компании Черногории. Распределительная секция "Тиват" снабжает примерно 8 000 потребителей всех уровней напряжения.
Самым крупным потребителем является военный судостроительный завод. Он подключен к сети общественного пользования 35 кВ. Нагрузка от данного судостроительного завода емкостного (емкостные блоки для компенсации реактивной энергии) и индуктивного (электрические машины) происхождения. Тем не менее, присутствуют и довольно большие нелинейные нагрузки. Во-первых, для зарядки-разрядки аккумуляторов подводных лодок (~ 500 кВА) используется высокомощный преобразователь переменного тока в постоянный. Он является мощным источником гармоник тока и напряжения. А также, установка снабжена силовыми выпрямителями и инвертирующими преобразователями напряжения.. Более того, несколько высокомощных асинхронных двигателей (общей мощностью 70 кВт) для поднятия кораблей в доке, множество небольших двигателей (мощность одного ~ 1 кВт) и мощные электросварочные аппараты также влияют на общие нелинейные характеристики.
В точке общего присоединения (ТОП), на 35 кВ шинах, помимо военного судостроительного завода, подключены два других силовых трансформатора (4 МВА и 8 МВА), снабжающие электричеством небольших индивидуальных потребителей в электросети общего пользования. Вся электрическая распределительная сеть снабжает примерно 6 000 потребителей. Однополюсная схема электроснабжения военного судостроительного завода представлена на Рисунке 1. Линия подачи питания для военного судостроительного завода составляет примерно 600 м в длину. С другой стороны от питающей линии расположена подстанция на 35/10 кВ и вся система для распределения электроэнергии внутри судостроительного завода.
Характеристики качества электроэнергии в сети общего пользования были объектом жалоб потребителей, особенно в периоды высокого потребления в летний пик нагрузки и во времена ограничения по выработке электроэнергии, в результате возникновения неисправностей или низкой подводимой мощности поставщика электроэнергии.
Рис. 1. Однополюсная схема электроснабжения военного судостроительного завода
Параметры качества электроэнергии были проанализированы с помощью измерений и компьютерного моделирования. Измерение было сосредоточено на гармонических параметрах (THDU, THDI, HDU и HDI) и качестве напряжения. Использовался непрямой метод измерения, так как напряжения и токи брались из действующих (на площадке) трансформаторов напряжения и тока. Измерения проводились в течение одной недели в фактических условиях эксплуатации.
Результаты измерений легли в основу разработки компьютерной имитационной модели. Модель отображает полную схему питания и все значительные нагрузки. Это позволяет исследовать разные рабочие условия и вероятностные соединения всех нагрузок. Результаты моделирования были сопоставлены с измерениями. Было достигнуто надлежащее соответствие. После этого, имитационную модель использовали при разработке фильтра низких частот для подавления основных гармоник. Представлены результаты применения фильтра.
Методика проведения измерения качества электроэнергии
Измерительное оборудование было установлено на подстанции ТС 35/10 кВ "Тиват" на линии 35 кВ. В течение 7-ми дневного периода измерений (с 16 апреля 2004 г.до 22 апреля 2004 г.) были записаны среднеквадратические значения напряжения и тока и уровни гармоник (THDU, THDI, HDU и HDI). Измерения проводились одноминутными выборками, но в память системы измерения заносились средние значения десятиминутных интервалов. В период проведения измерений энергопотребление военного судостроительного завода составляло половину запланированного уровня, а максимум составлял 1,2 МВт.
Смотрите также: Измерение показателей качества электроэнергии в действующей распределительной сети
Результаты измерений и анализ
В период проведения измерений, было собрано огромное количество информации. Она была проанализирована, и наиболее важная информация будет представлена далее по тексту. Рис. 2 и 3. показывают колебания среднеквадратических значений напряжения и тока. Можно заметить, что среднеквадратические значения напряжения обладают большим разбросом (ΔV=Vмакс.-Vмин.=5.2 кВ), но остаются в заданных пределах (± 10%). Что касается тока, в первых 300 точках измерения (эти точки относятся к выходным дням, субботе и воскресенью, 144 точки в день), отмечаются низкие и относительно постоянные уровни. После этого периода, заметны ежедневные значительные колебания по току, так как начинаются рабочие смены.
Рис. 2. Напряжение фаз А и С
Рис.3. Ток на фазах А и С
Гармонический анализ вышеуказанных результатов представлен на рис. 4. и 5 (THDU и THDI). Видна значительная разница между гармоническими искажениями напряжения фаз "А" и "С". Это означает, что нагрузки на фазы, на которых производилось измерение, разного происхождения. Такое возникает вследствие того, что распределение нагрузок и их соединение с распределительной системой является неравномерным. На основе анализа результатов рис. 2-5 можно отметить, что высокие значения искажений появляются в периоды слабого тока. Это значит, что большое количество малых нелинейных нагрузок подключены все время, тогда как большие нагрузки преимущественно резистивного характера. Это и есть причина того, что искажение тока значительно ниже в утренние рабочие часы. THDU достигает 4% уровня, тогда как THDI имеет очень высокие значения в 25% - 30%. Тем не менее, 4% уровень THDU настораживает, так как, в случае полной нагрузки, THDU вероятно превысит ограничение, установленное в IEEE 519 (5%).
Рис. 4. THDU фаз А и С
Рис. 5. THDI фаз А и С
Для лучшего понимания данной проблемы была рассчитана спектральная структура напряжений и токов на линии в 35 кВ с 95% вероятностью возникновения, она представлена на рис.6 и 7. Видно, что нечётные гармоники наиболее велики: 3я, 5я , 7я, 11я и 13я.
Рис. 6. Распределение гармоник напряжения Р95% 35 кВ
Рис. 7. Распределение гармоник тока Р95% 35 кВ
Для того, чтобы показать колебания 3ей, 5ой и 7ой гармоник напряжения (рис. 8) была выбрана ежедневная диаграмма за понедельник, 19.04.2004 г. Доминирующей здесь является 5я гармоника. Она находится на высоком уровне весь день и в вечерние часы, в соответствии с рабочими часами для судостроительного завода и освещения общественных мест. А также, источником данных гармоник могут быть мелкие бытовые приборы и освещение общественных мест. Они подключены через трансформаторы 35/10 кВ и 10/0,4 кВ. У данных приборов наблюдается нелинейный ток, содержащий 3ю, 5ю и 7ю гармоники в качестве доминирующих. В особенности это касается электроснабжения таких приборов, как ПК, ТВ и аудио-видео плееры. [2].
.png)
Рис. 8. Изменение напряжений (3я, 5я и 7я гармоники соответственно)
Очевидно, что проблему искажений напряжения и тока необходимо анализировать с учетом конкретного состояния работы нелинейного оборудования. Это особенно важно в случаях максимального искажения и колебаний напряжения и тока, а также в ситуациях с максимальным и минимальным уровнем THDI и THDU.
Компьютерная имитационная модель
Компьютерная модель была разработана для того, чтобы промоделировать работу элементов сети, компенсацию реактивной мощности и различные линейные и нелинейные нагрузки. На рис. 9 представлена блок-схема компьютерной модели.
Рис. 9. Блок схема синхронной компьютерной модели
В данной модели, все нагрузки представлены с присвоенным им полным сопротивлением. Однофазная нагрузка и симметричная нагрузка представлены с серией RL- нагрузок. К однофазным нагрузкам относятся такие устройства, как электрическое освещение, однофазные асинхронные двигатели с вспомогательной емкостной обмоткой, однофазные обогреватели и т.д. К симметричным нагрузкам относятся такие устройства, как трехфазные асинхронные двигатели, трехфазные электрические обогреватели, мощные трехфазные электросварочные аппараты и т.д. Все это оборудование имеется на судостроительном заводе.
Батареи для компенсации реактивной мощности представлены серией RC-нагрузок. Данные батареи имеются на всех подстанциях 10/0,4 кВ военного судостроительного завода на уровне напряжения в 0,4 кВ.
Нелинейные нагрузки, такие как однофазные и трехфазные преобразователи переменного тока в постоянный, представлены аналогичной моделью, как на рис. 10.
Рис. 10. Трехфазные силовые выпрямители
Представлены несколько характерных форм колебаний, полученных в результате моделирования. На рис. 11 представлены токи на всех трех фазах в рабочем состоянии, называемом "слабый ток". Несколько циклов тока фазы А, взятые из диаграммы на рис. 11, приведены на рис. 12. Их можно сравнить с формой колебания, полученной путем измерения, показанного на рис. 13.
Рис. 11. Результаты моделирования для токов в рабочем состоянии "слабого тока"
Рис. 12. Несколько циклов тока фазы А, полученные в результате моделирования рабочего состояния "слабого тока"
Рис. 13. Те же формы колебания тока, что и на рис. 12, были получены измерениями
Похожие диаграммы для токов в рабочем состоянии "сильного тока" были получены путем моделирования и измерения и приведены на рис. 14 и 15, соответственно.
Можно отметить, что компьютерная модель очень хорошо согласуется с результатами измерений во всех рабочих условиях. Данный вывод позволяет использовать компьютерную модель для различных рабочих условий и для расчета уровней искажения. Она также может быть использована для разработки фильтра гармоник, необходимого для устранения высоких уровней гармоник.
Рис. 14. Несколько циклов тока фазы А, полученные в результате моделирования рабочего состояния "сильного тока"
Рис. 15. Те же формы колебания тока, что и на рис. 14, были получены измерениями
Разработка и действие фильтра гармоник
Существует ряд устройств, предназначенных для снижения гармонических искажений. Они могут быть простыми, как батарея конденсаторов или токоограничивающий реактор, или сложными, как активный фильтр.
Такие простые действия по их снижению, как добавление, изменение размера или расположения конденсаторных батарей может эффективно изменить нежелательную частотную характеристику измерительной цепи и, таким образом, снизить уровень гармонических искажений до приемлемого. Необходимо проверить эффективность таких простых решений для контроля гармонических искажений прежде, чем рассматривать более сложные устройства.
Наиболее распространенным решением для снижения гармоник являются пассивные фильтры, потому что они недороги дешевле других средств устранения гармоник. Тем не менее, недостаток пассивных фильтров заключается в том, что они потенциально могут негативно воздействовать на систему электропитания. Создание резкого параллельного резонанса на частоте ниже частоты режекции - один из серьезных побочных эффектов фильтров данного типа. Необходимо обезопасить нагрузку д от возникновения любых значительных гармоник или других частотных составляющих на данной резонансной частоте. Обычно фильтры настраивают немного ниже той гармоники, которую им предстоит фильтровать, чтобы обеспечить безопасный интервал, на случай каких-либо изменений системных параметров, увеличивающих частоту режекции. В нашем случае, для снижения гармоник был выбран пассивный фильтр. Процедура проектирования фильтра подробно описана в пунктах ниже.
Смотрите также: анализаторы сети электропитания
Этап 1. Выбор резонансной частоты для фильтра
Из-за особенности однорезонансного фильтра фильтрация должна начинаться с самой низкой гармонической частоты, создаваемой нагрузкой. Из рис. 7 следует, что доминантными гармониками являются 5ая и 7ая. Фильтры будут разработаны для каждой из этих гармоник, но отрегулированы немного ниже гармонической частоты. Это не даст фильтру оказаться коротким замыканием на частоте гармоники.. Первый фильтр будет настроен для 4 и 7, а второй для 6 и 7 гармоник.
Этап 2. Вычисление емкости батареи конденсаторов и резонансной частоты
Обычно, емкость фильтра основывается на требуемой реактивной нагрузки для компенсации реактивной мощности. В данном случае, новая батарея конденсаторов была добавлена к уже имеющейся.
Этап 3. Выбор параметров выпрямителей
Этап 4. Оценка нагрузки фильтра
Чтобы оценить допустимую нагрузку фильтра, обычно, необходимо нагрузку на батареи конденсаторов. Это включает в себя максимальное напряжение, ток, мощность кВАр и среднеквадратическое значение напряжения. Так как данная часть разработки является исключительно теоретической, этот этап не прорабатывался.
После определения ёмкости и реактивного сопротивления, модель сформирована. Блок-схема компьютерной модели с фильтром представлена на рис. 16.
Рис. 16. Блок-схема компьютерной модели с фильтром
На рис. 17 изображена конструкция фильтра, состоящая из соединенных звездой последовательно включенных конденсатора низкого напряжения индуктивным сопротивлением.
Рис. 17. Стандартная конструкция однорезонансного фильтра
С помощью разработанной компьютерной модели, были определены формы колебания тока для рабочих условий при слабом и сильном токе. На рис. 18 представлена форма колебания для рабочих условий при слабом токе, а на рис. 19 - при сильном. Можно отметить значительное улучшение значений THDI и HDI тока.
Рис. 18. Форма колебаний тока фазы А в условиях слабого тока после применения фильтра
Рис. 19. Форма колебаний тока фазы А в условиях сильного тока после применения фильтра
Видно, что в условиях слабого тока гармоническое искажение значительно выше, чем в условиях сильного тока. Гармонический спектр, представленный на рис. 20 и 21, подтверждает данный вывод. Как бы то ни было, уровень гармонического искажения значительно ниже, чем в случае с измерением (рис. 7), и намного ниже ограничения, приведенного в стандарте по гармоникам [3,5].
Заключение
Для сети электроснабжения общего пользования военный судостроительный завод является мощным источником искажений тока, оказывающим отрицательное воздействие на других потребителей. Высокие уровни искажения можно снизить, если использовать простые резонансные пассивные фильтры. Тем не менее, установка и эксплуатация таких фильтров затратна и, при отсутствии государственных стандартов по качеству электроэнергии, мероприятия по улучшению ситуации не ведутся.
Рис. 20. Гармоники тока в случае "слабых токов" с фильтром
Рис. 21. Гармоники тока в случае "высокой нагрузки" с фильтром
Список литературы
- В. Катич, "Качество электроэнергии - Гармоники", Университет г. Нови-Сад, Факультет технических наук, Издание: Технические науки - Монографии, № 6, Нови-Сад, 2002, (на сербском языке).
- С. Муйович, "Влияние персональных компьютеров на качество электроэнергии", Магистр Диссертация, Университет Черногории, Подгорица, 2004 г. (на сербском языке)
- Европейский комитет по стандартизации в электротехнике, "Коммунальные системы распределения электроэнергии. Характеристики напряжения потребляемой электроэнергии", EN 50160, 1995.
- А. Саннино, Дж. Свенссон, Т. Ларссон, "Электронные электротехнические решения проблем качества электроэнергии"
- Р. Дуган, М. Мак Грэнахан, Х. Бьюти, "Качество систем электроснабжения", МакГроу Хилл, Нью-Йорк, 1996 г.
- Cahier Technique, Schneider Electric (Шнайдер Электрик) № 183 /стр.3 и № 202/стр.4
- T. Уилди, “Электрические машины, приводы и электрические сети”, 4е изд., Прентис Холл, Аппер Садл Ривер, Нью-Джерси, США, 2000 г.
Если вам нужна профессиональная консультация по анализу качества электроэнергии, просто отправьте нам сообщение!
Смотрите также:
