Олійник Ю.С.
аналіз
Дослідження спектру вищих гармонік у системі «випрямлювач – інвертор»
Якість електроенергії – це сукупність властивостей, які
визначають дію на електрообладнання, прилади та апарати, яка в свою чергу
оцінюється показниками якості електроенергії. Ці показники характеризують рівні
електромагнітних перешкод в системі електропостачання по частоті, діючому
значенні напруги, формі його кривої, симетрії та імпульсам напруги.
Якість електричної енергії є складовою електромагнітної
сумісності , яка характеризує електромагнітне середовище. Погіршення якості
електроенергії, інакше кажучи, збільшення рівня електромагнітної сумісності в
системі електропостачання обумовлено технологічним процесам виробництва,
передачі, розподілу та споживання електроенергії.
Актуальність теми щодо аналізу спектру вищих гармонійних
у системі «випрямляч-інвертор» пов’язана з проблемою якості електроенергії в
системах електропостачання промислових підприємств протягом достатньо тривалого
часу залишається однією з найважливіших проблем, яка визначає надійність та
ефективність електропостачання споживачів. Ця проблема має декілька складових,
однією з яких є проблема гармонійних складових (вищі гармоніки). Джерелами ВГ є
промислові споживачі з нелінійними вольт-амперними характеристиками, а також
окремі прилади, які мають широке використання у багатьох сферах життєдіяльності
сучасної людини, які однак різко погіршують якість електричної енергії.
ВГ в залежності від їх характеру, інтенсивності та
тривалості негативно впливають на роботу систем автоматики та телемеханіки,
знижують економічність та надійність роботи електричних мереж, зменшують термін
експлуатації електрообладнання та призводять до багатьох інших негативних
наслідків [1, 3, 5, 8].
Вагомий внесок у вивчення режимів ВГ, розробку методик
вимірювання, розрахунку та нормалізації внесли вітчизняні та зарубіжні вчені:
Жежеленко І.В., Железко Ю.С., Зикін
Ф.А., Карташев І.І., Кордюков Е.І., Кузнецов В.Г., Курбацкий В.Г., Липський A.M., Тимофєєв Д.В., Тонкаль
В.Е., Трофимов
Г.Г., Федоров В.К., Черепанов
В.В., Шидловський А.К. та ін.
Проте основними роботами в сфері аналізу несинусоїдальних
режимів систем електропостачання промислових підприємств (СЕП ПП) є праці
Жежеленка І.В. В його працях показаний найбільш повний спектр питання, які
пов’язані з режимами ВГ для мереж промислових підприємств.
Існує багато різноманітних методів, які дозволяють
знизити амплітуду вищих гармонік в системах електропостачання, однак пошук
раціонального методу та способу підвищення якості електроенергії як з
технічної, так і з економічної точки зору залишається вирішеним не в повному
обсязі.
Питання, які пов’язані з розробкою заходів, які
направлені на підвищення ефективності функціонування фільтро-компенсуючих
установок, залишаються досить актуальними [2, 4].
Дослідження режимів ВГ містить наступні основні питання:
нормування режимів, регламентація відносин між споживачами та мережею, техніка
вимірювання, аналіз режимів за результатами вимірювань, дослідження
властивостей режимів навантажень та мережі, моделювання та розрахунок,
нормалізація режимів, вплив на електрообладнання.
Зв'язки між електричними мережами загального призначення
та споживачами в напрямку забезпечення форми кривої наруги регламентуються
наступними нормативними документами:
-
ДСТ 13109-97 – визначає допустимі величини коефіцієнтів спотворення
синусоїди та коефіцієнти гармонік напруги та порядок їх вимірювання [9];
-
Методичні вказівки з контролю та аналізу якості електричної енергії в
мережах загального призначення – визначає порядок проведення вимірювань якості
електричної енергії та обробки вимірювань;
-
Правила приєднання споживачів до мереж загального призначення за умови
впливу на якість – визначає допустимі рівні спотворень, що вносяться до величин
Ку та Кшп споживачами з нелінійним навантаженням;
-
Правила використання знижок та надбавок за якість електроенергії – визначає
порядок вимірювання фактичних вкладів нелінійних навантажень та порівнянна їх
з допустимим значенням.
Діючі нормативні документи розроблені на основі
властивостей режимів ВГ в мережах промислових підприємств. Нормативні документи
базуються на принципі безкоштовного використання споживачами з нелінійним
навантаженням властивості мережі приймати струми ВГ. У зв’язку з ростом
потужностей нелінійних навантажень збільшилася напруги ВГ та з’явилася
необхідність у розробці мереж з врахуванням режимів ВГ і відповідно у перегляді
правил. За даними деяких експериментальних досліджень, які проводяться у нашій
країні та за кордоном, було встановлено, що рівні ВГ частіше перевищують
встановлені допустимі значення та пропорційно зростають через збільшення
кількості потужних споживачів, які генерують ці ВГ [2, 3, 6].
У зв’язку зі збільшенням потужностей споживачів з
нелінійним навантаженням, які є причиною спотворення кривої напруги
(перетворювальні установки, електротяга, душові печі) та широкому
розповсюдженні електронних систем автоматичного управління, які є досить
чуттєвими до спотворень в мережі, увага видатних вчених у багатьох країнах було
приділено проблемам ВГ у напрузі електричних мереж. В міжнародних організаціях
МЕК та СІГРЕ було створено:
-
технічний комітет №77 «Электромагнитная
совместимость оборудования, присоединенного к общей электрической сети» – МЕК;
-
робоча група 5 «Несимметрия,
несинусоидальность и колебания напряжения»
исследовательского комитета №36 – СІГРЕ.
Дана робоча група здійснила опитування спеціалістів
багатьох країн з приводу важливості та гострої необхідності першочергового
розглядання явищ саме у сфері електромагнітної сумісності. Більшість з них
вважало, що проблема ВГ є найбільш важливою.
Як вказувалося раніше, вагомий внесок у вивчення режимів
ВГ, розробку методик вимірювання, розрахунку та нормалізації внесли вітчизняні
та зарубіжні вчені: Вягин
Г.Я., Гамм А.З., Жежеленко І.В., Железко Ю.С., Зикін Ф.А., Карташев І.І., Кордюков
Е.І., Кузнецов В.Г., Курбацкий В.Г., Липський
A.M., Тимофєєв Д.В., Тонкаль
В.Е., Трофимов
Г.Г., Федоров В.К., Черепанов
В.В., Шидловський А.К. та ін.
Проте основними роботами в сфері аналізу несинусоїдальних
режимів систем електропостачання промислових підприємств (СЕП ПП) є праці
Жежеленка І.В. В його працях показаний найбільш повний спектр питання, які
пов’язані з режимами ВГ для мереж промислових підприємств.
В роботах авторів Аррилага Д., Бредлі Д., Боджера П.,
Жежеленка І.В., Тимофєєва Д.В. розглядаються основні властивості розповсюдження
ВГ в мережах високої напруги, які виявляються шляхом аналізу та вимірювань та
розрахунків. Як показано у роботах видатних авторів [1-8, 10] режими ВГ досить складні та різноманітні. Тому виникає
необхідність вивчення властивостей режимів ВГ за допомогою спеціальних
розрахунків с метою виявлення впливу складу ВГ на мережі високої напруги.
Питання моделювання електричних мереж розглянуті в
роботах авторів Широкова
Н.Г., Самородова
Г.І., А Жежеленка
И.В., Левиуша
А.І.,. Данциса
Я.Б.,.
Кучумова Л.А., Вилесова Д.В., Глинтерника С.Р.. Важливим елементом моделювання є визначення параметрів
моделей по результатах вимірювань режимів. До мереж високої напруги підключені
нелінійні навантаження великої потужності. Для проведення розрахунків ВГ в
мережах ВН необхідно знання фактичних величин спотворення, які вносяться кожним
навантаженням [1-9].
Питання нормалізації режимів ВГ розглянуті в роботах
авторів Войтова
О.Н., Смирнова
С.С., Зака Л. Нормалізація, на думку цих авторів, досягається за рахунок зниження напруги ВГ у вузлах
приєднань крупних нелінійних навантажень. Досить протяжні ПЛЕП можуть
призводити до значного збільшення рівнів ВГ
[1-4, 6, 10]. Нормалізація ВГ
у вузлах підключення нелінійних навантажень недостатньо для забезпечення
допустимих величин ВГ у всіх вузлах.
В сучасний
час всі частіше різноманітні організації проводять дослідження стану
електропостачання споруд. В спорудах міститься велика кількість комп’ютерної
техніки, яка містить вищі гармоніки. Це
дещо нова проблема, але стрімке зростання комп’ютерної техніки створює проблему
для вчених, яку необхідно розв’язувати [10].
Вищі
гармонійні складові призводять до негативних наслідків:
·
робота обладнання погіршується, внаслідок чого
скорочується строк його роботи;
·
виникають додаткові втрати в трансформаторах;
·
можливо перегрів та руйнування кабельної лінії;
·
спотворюється синусоїдальність напруги, що живить [2, 4].
В даний час
найбільш відомі два підходи до розрахунку ВГ в електричних мережах. Один з них
заснований на розв’язанні системи нелінійних диференційних рівнянь, яка описує
електромагнітні процеси в вентильних перетворювачах. На основі цього рішення
визначаються криві струму та напруги. В даний час теорія ланцюгів містить
велику кількість аналітичних та неаналітичних методів розрахунку ланцюгів з
вентилями. Розроблено велику кількість методів чисельного рішення нелінійних
диференційних рівнянь таких, як методи Тейлора, Ейлера, рунне та Адамса.
Інший підхід
до розрахунку ВГ і напруги в ланцюгах з управляємимим випрямлювачами передбачає,
що вентильні перетворювачі заміщуються точками струму або ЕДС ВГ. Цей принцип
дозволяє розрахувати спектральний склад струмів та напруг до послідовного та
незалежного розрахунку їх діючих значень [1,
2, 6]. Розрахунок несиметричних та несинусоїдальних режимів відіграє важливу роль. Важливість
таких розрахунків та досліджень обумовлюється необхідністю забезпечити якість
електричної енергії не лише при експлуатації СЕП, але й при її проектуванні.
ЛІТЕРАТУРА:
1.
Аррилага Д., Брэдли Д.,
Боджер П. Гармоники в электрических системах. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 320
с.
2.
ГОСТ 13109-97.
Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная.
Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего
назначения. - М.: 1997,-60 с.
3.
Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий.
М.: Энергоатомиздат. 1984.
4.
Жежеленко И.В.
Высшие гармоники в системах электроснабжения пром-предприятий. М.:
Энергоатомиздат, 2000. - 331 с.
5.
Жежеленко И.В.,
Сезенко Ю.Л. Вопросы качества электроэнергии в
электроустановках. -Мариуполь: ПГТУ,
1996,- 173 с.
6.
Иванов A.B.
Высшие гармоники и их ограничение в ЭП 1150 кВ, оснащенной статическим
тиристорным компенсатором: Автореф. дис. канд. техн. наук. /СибНИИЭ
Новосибирск, - 1993. - 18 с.
7.
Князевский Б.А., Липкин
Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий: Учебник. – 2-е изд., перераб. и
доп. – М.: Высш. школа, 1979. – 431 с.
8.
Правила технической
эксплуатации электроустановок потребителей и Правила техники безопасности при
эксплуатации электроустановок потребителей. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 424
с.
9.
Правило устройства
электроустановок / Минэнерго СССР. М.: Энергоатомиздат, 1986.-424с.
10.
Смирнов С.С.
Несинусоидальные режимы в электрических сетях высокого напряжения. //
Монография. «Системные
исследования проблем энергетики», Новосибирск: Наука, 2000. С.
195-213.