Исследование нормативной базы, методов расчета, анализа и измерения интергармоник в системах электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ, МЕТОДОВ РАСЧЕТА, АНАЛИЗА И ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕРГАРМОНИК В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Калимуллин А.Т.,

Лесков И.А.,

Грабовецкая К.А.,

Онищенко Р.А.,

Морозов П.В.

Интергармоники - относительно новый показатель качества электрической энергии. В Европе он был официально введен стандартом EN 50160, выпущенном в 1994 году. На сегодняшний день в большинстве стран мира нормирование интергармоник не является обязательным, а нормативы и стандарты, разработанные для этого показателя, носят рекомендательный характер. Это связано с тем, что природа и методы анализа интергармоник все еще являются новыми видами исследований, по отношению к которым отмечается повышенный интерес со стороны ученых и технических специалистов.

Наиболее точные и согласованные требования к показателям качества электроэнергии, включая интергармоники, были выработаны Международной электротехнической комиссией. Исследование данной темы позволяет успешно решать задачу электромагнитной совместимости, а именно задачи, связанные с теорией и практикой несинусоидальных режимов, обусловленных наличием таких оставляющих в кривых тока и напряжения, как высшие гармоники, субгармоники и интергармоники [1, С. 230].

Цель данной работы является рассмотрение вопросов нормирования, моделирования и расчета высших гармоник и интергармоник, выявление источников и причин возникновения интергармоник в промышленных предприятиях. А также приведение наиболее энергетически эффективных методов моделирования и расчета интергармоник в электроэнергетических сетях России.

Задачей, решаемой в данной работе, является предложение наиболее эффективных методов расчета интергармоник, основанных на спектрально-корреляционной теории для случайных процессов и метод дискретного преобразования Фурье, а также методы устранения высших гармоник с помощью активных фильтров и фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ).

В данное время известно большое количество работ, касаемо темы анализа, расчета и минимизации высших гармоник (Шидловский А.К., Жежеленко И.В., Куренный Э.Г., Кузнецов В.Г., и др.). За рубежом данной проблеме также уделяется большое внимание (Аррилага Д., Бредли Д., Боджер П. и др.).

Несомненная актуальность данной темы заключается в том, что интергармоники могут появляться на любом уровне напряжения, перетекать из одной части энергосистемы в другую, оказывают деформирующее действие на кривые токов, что в свою очередь ведет к электрическим потерям в этой сети.

Интергармоники в стандартах качества электроэнергии

интергармоника промышленный электроэнергетический

Согласно [1, С. 233], интергармоники представляют собой составляющие частот, которые не являются по своему значению кратными частотам электрической сети. Математическое описание этого определения выглядит следующим образом (показатель ѓ₁ представляет частоту питающей сети):

Гармоника: ѓ=h ѓ₁, где h>0 (h - целое число).

Интергармоника: ѓ?h ѓ₁, где h>0 (h - целое число).

Субгармоника: 0 Гц< ѓ < ѓ₁

Из приведенной математической модели видно, что интергамоники в частотном спектре располагаются между высшими гармониками, а также между постоянной составляющей и основной гармоникой. С этой точки зрения субгармоники представляют собой частный случай интергармоник.

Согласно [2, С. 2] несинусоидальность характеризуется следующими показателями:

- коэффициент искажения несинусоидальности напряжения;

- коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения,

Которые оцениваются по 40 гармоникам.

В стандартах качества электрической энергии показатели величин интергармоник стали появляться относительно недавно. На сегодняшний день в России и за рубежом разработано несколько документов, нормирующих данный показатель качества электрической энергии:

· МЭК 61000-4-30:2008, второе издание (Международный стандарт).

· МЭК 61000-4-7: 2002, второе издание (Международный стандарт).

В Российской Федерации основным документом, определяющим требования к показателям качества электроэнергии, включая связанные с интергармоническими составляющими, является ГОСТ Р 51317.4.30-2008. В этом государственном стандарте прописаны основные требования к процессу измерения показателей качества электрической энергии: контроль продолжительности измерений, объединение полученных результатов во времени.

Основная сложность определения интергармоник связана с нестабильностью их величины и частоты. Для нормирования таких показателей применяются коэффициенты искажения синусоидальной формы напряжения и n-ой гармоники. Для того чтобы получить достоверные данные применяют не меньше 9 наблюдений, после чего выполняют усреднение полученных данных. Коэффициенты искажения определяются по формулам [3, С. 171]:

(1)

(2)

Для нормирования качества электрической энергии по показателю несинусоидальности проводят измерения в течение 24 часов. Если наибольшее из полученных коэффициентов несинусоидальности не превышает заданного предельно допустимого для конкретной гармонической составляющей.

Несинусоидальность напряжения во всех стандартах оценивается по коэффициентам искажения синусоидальности напряжения и n-ой гармонической составляющей [4, С. 2337].

Электроприемники, являющиеся источниками интергармоник

Интергармоники появляются в результате действия двух различных механизмов:

1. Возникновение дополнительных составляющих частот в сетевом напряжении из-за изменения амплитуды или фазового угла. Причина таких явлений - резкое изменение величины тока, потребляемого оборудованием, в результате чего появляются возмущения переходных режимов случайного характера.

2. Появление интергармонических составляющих напряжения из-за переключения полупроводниковых устройств, которые являются частью статических преобразователей. Яркий пример этого механизма - приборы частотно-импульсной модуляции или преобразователи частоты, которые являются причиной появления интергармоник в любой части спектра питающей сети.

Интергармоники могут появляться на любом уровне напряжения, перетекать из одной части энергосистемы в другую. Так, интергармонические составляющие, которые появились в сети высокого напряжения, могут появиться и в низковольтной сети. Амплитуда этих составляющих практически никогда не превышает 0, 5% от амплитуды колебаний основной частоты.

В [3, С. 134] перечислены основные источники интергармоник: статические частотные преобразователи, циклоконвертеры, регулируемые приводы скорости для синхронных и индукционных двигателей, каскады подсинхронных преобразователей дуговые печи и другие типы нагрузок, которые не создают пульсаций, синхронных с основной частотой.

В отечественных источниках в качестве основной причины появления интергармоник указываются циклоконвертеры, которые представляют собой преобразователи частоты статического типа. Сетевой ток для циклоконвертера описывается следующим образом:

(3)

где p₁ характеризует количество пульсаций на входе устройства;

p₂ - количество пульсаций на выходе;

ѓ₁ и ѓ₂ - входная и выходная частота, соответственно.

Рис. 1 - Амплитудный спектр входного тока, характерный для циклоконвертера согласно (3)

Рис. 2 - Амплитудный спектр входного тока, характерный для печи ДСП согласно (3)

Еще один распространенный источник интергармоник - устройства, предусматривающие горение дуги. Из-за нелинейной вольт-амперной характеристики дуговые сварочные аппараты и ДСП становятся причиной появления колебаний, искажающих форму напряжения в сети. Искажения такого рода характеризуются случайным появлением.

Еще один источник интергармоник - асинхронные двигатели. Такие двигатели с короткозамкнутым ротором, подключение которых выполняется через асинхронные преобразователи, генерируют интергармоники, снижающие качество электрической энергии.

В качестве промежуточного вывода можно отметить, что основными источниками интергармоник выступает нагрузка, которая постоянно или в короткие периоды времени работают в переходных режимах. Эти режимы могут описываться периодичностью или носить случайный характер.

Негативное влияние интергармоник на системы электроснабжения. Методы устранения интергармоник

Согласно [5, С. 332], интергармоники оказывают деформирующее действие на кривые токов в электросистемах промпредприятий. Искажение формы кривой тока и напряжения повышает электрические потери в этой сети. На рис. 3 приведена энергетическая диаграмма, которая описывает распределение активной составляющей мощности в случае, когда к сети подключена нелинейная нагрузка.

Рис. 3 - Энергетическая диаграмма для сети с нелинейной нагрузкой

Из-за появления высших гармоник и интергармоник отмечается снижение эффективности распределения электроэнергии, увеличение нагрева оборудования, уменьшение нормативного срока службы изоляции электрооборудования.

Другие негативные последствия появления интергармонических составляющих напряжения и тока:

· мерцание светового потока, который называется флинкером и вызывается наложением интергармоники на основную гармонику питающей сети;

· помехи в прохождении управляющих сигналов, которые передаются по низкочастотным линиям;

· перегрузка полосовых или резонансных фильтров, установленных в сети.

Как показывает практика, влияние интергармоник на электрическую сеть аналогично воздействию высших гармоник. При этом нормативные документы и стандарты на сегодняшний день не предусматривают требований оценки несинусоидальности напряжений. Данный вопрос требует дальнейшего изучения и четкого регламентирования. При этом основная задача такой работы - снижение уровня интергармоник в энергосистемах для повышения качества электрической энергии.

На сегодняшний день методы устранения интергармоник аналогичны методам, применяемым для устранения влияния высших гармоник в электросетях. В первую очередь, сюда относятся силовые резонансные фильтры или ФКУ (фильтро-компенсирующие устройства, которые являются неотъемлемой частью быстродействующих статических компенсаторов) [6, С. 3]. Сложность в использовании таких фильтров состоит в значительной установленной мощности и необходимости использовать несколько таких устройств одновременно. Еще одна сложность - неэффективность использования ФКУ при сложном характере амплитудного спектра.

Еще один способ устранения интергармонических составляющих спектра - установка активных фильтров (АФ). Эти устройства представляют собой источники реактивного тока по основной гармонике и токов высоких гармоник и интергармоник. То есть, АФ осуществляют не устранение, а компенсацию составляющих спектра, снижающих качество электрической энергии. На рис. 4 приведена схема включения параллельного и последовательного включения АФ [7, С. 47].

Рис. 4 - Схема включения параллельного (а) и продольного (б) АФ

В [8, С. 143] приведена оценка метода дискретного преобразования Фурье, который рекомендован для контроля параметров интергармоник в ГОСТ Р 51317.4.30-2008. Для его реализации используется прямоугольное временное окно на 10 циклов по основной частоте 50 Гц. Погрешности в контроле интергармоник могут быть вызваны несовпадением длительности выбранного окна с длительностью сигнала контролируемых частот. Разложение графика случайных изменений тока или напряжения по этому методу позволяет оценить энергию интергармоник и вывести огибающую амплитудного спектра для этих частот. Однако эта методика не дает представления о величинах интергармоник, так как их определение зависит от выбранного шага дискретизации.

Еще один метод для моделирования и расчета интергармоник приведен в [9, С. 89], [10, С. 203]. Он представляет собой методику, основанную на спектрально-корреляционной теории для случайных процессов. Она позволяет оценить уровень интергармоник в кривых напряжения в выбранных узлах энергосистемы. Он эффективно работает при наличии нескольких источников интергармоник в электрической сети.

Необходимо иметь в виду, что при расчетах показателей несинусоидальности параметров сети сплошной спектр интергармоник случайного характера допускается не учитывать. Это связано с тем, что уровни напряжений интергармоник в сетях промышленных предприятий составляют менее 10% от уровня высших гармоник.

Заключение

В качестве вывода следует указать, что для основных источников интергармоник (ДСП, сварочные установки) на долю энергии дискретного спектра интергармоник приходится 10-25% всей энергии смешанного спектра. Это может оказаться существенным для управляющих и компьютерных сетей и вызвать ощутимые сбои в работе технологического оборудования, следовательно, решение и исследование вопросов данной тематики является актуальным.

Так же следует отметить, что в приведенном методе моделирования и расчета интергармоник относительная погрешность алгоритма оценки спектральных составляющих при изменении частоты основной гармоники - наименьшая, но она наиболее чувствительна к разного рода возмущениям сигнала.

Научная новизна рассмотренных методов расчета и моделирования высших гармоник и интергармоник заключается в необходимости учета фактической несинусоидальной формы тока нагрузки при их анализе и расчете, а также установки активных фильтров и ФКУ. Алгоритм выбора ФКУ интергармоник настраиваемых на относительные частоты менее 3, 5 Гц, подробно показан автором в работе [3 С. 116]. Основными источниками интергармоник выступает нагрузка, которая постоянно или в короткие периоды времени работают в переходных режимах, что следует учитывать при расчете ВГ.

Список литературы

1. Жежеленко, И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И.В. Жежеленко. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 331 с.

2. ГОСТ 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Электронный ресурс] // URL: http://www.matic.ru/clients/standard-directory/gost-13109-97-quality-electric-network/ (дата обращения: 13.11.2017).

3. Бараненко, Т.К. Разработка методов расчета интергармоник напряжения и тока в электрических сетях с электротехнологическими установками и непосредственными преобразователями частоты: дис. … канд. техн. наук: 05.14.02 - Электрические станции, сети и системы / Бараненко Татьяна Константиновна ; рук. работы Ю.Л. Саенко. - Мариуполь: Приазовский гос. тех. ун-т, 2003. - 198 с.

4. Testa A. Интергармоники: теория и моделирование / IEEE Труды поставки электроэнергии за год: 2007, Номер: 22, Тема: 4 Страницы: 2335 - 2348, DOI: 10.1109/TPWRD.2007.905505

5. Железко, Ю. С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю. С. Железко. -- М.: ЭНАС, 2009. -- 456 с.

6. Morsi W. G., EI-Hawary M. E. Время-частоты однофазного питания компонентов измерения гармоник и интергармоник искажения, основанные на Вейвлет-пакетных преобразованиях. Часть 1: Математическая формулировка // Электротехника и вычислительная техника, Канада, Номер: 35, 2010. -- 7 с.

7. Чижма, С. Н. Метод спектрального анализа интергармоник в электроэнергетических системах / С.Н. Чижма // Промышленная энергетика. - 2014. - №4. - 47 с.

8. Аррилага Д. Гармоники в электрических системах / Д. Аррилага, Д. Брэдли, П. Боджер. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 215 с.

9. Окороков Н.В. Дуговые сталеплавильные печи - М.: Металлургия, 1971. - 344 с.

10. Кузнецов В.Г. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения / В.Г. Кузнецов, Э.Г. Куренный, А.П. Лютый. - Донецк: Норд-пресс, 2005. - 250 с.

Размещено на Allbest.ru