Анализ методов определения источников высших гармоник в электрических сетях промышленных предприятий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ методов определения источников высших гармоник в электрических сетях промышленных предприятий

Шклярский Ярослав Элиевич,

Бунтеев Юрий Евгеньевич

Аннотация

Анализ методов определения источников высших гармоник в электрических сетях промышленных предприятий

Шклярский Ярослав Элиевич, доктор технических наук, профессор кафедры общей электротехники,

Бунтеев Юрий Евгеньевич, аспирант кафедры общей электротехники,

Национальный минерально-сырьевой университет "Горный".

Проведен обзор проблемы наличия высших гармоник в электрических сетях. Рассмотрены основные методы определения источников высших гармоник в электрической сети. Проведен анализ различных методов и выявлены пути их совершенствования.

Ключевые слова: высшие гармоники, качество электроэнергии, метод потока активной мощности, метод потоков реактивной мощности, показатели качества электроэнергии.

A review of the problem harmonics in electric networks is presented. Basic methods of identifying sources of higher harmonics in electrical network have been considered. Also analysis of the various identification harmonic sources methods is presented.

Keywords: high harmonics, power quality, active power flow method, reactive power flow, power quality index.

Содержание статьи

Проблема наличия высших гармоник в электрических сетях становится все более актуальной в связи с увеличением доли нелинейных нагрузок в электрических сетях как промышленных предприятий, так и в частном секторе.

Наличие высших гармоник вызывает сокращение срока службы электрооборудования, выход из строя устройств компенсации реактивной мощности, ложные срабатывания устройств защиты и автоматики, вызывает проблемы при учёте реактивной мощности, колебания магнитного потока двигателей, дополнительные потери в процессе передачи электроэнергии и др. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению эффективности производства, увеличению затрат на производство, снижению качества конечного товара.

Проблема компенсации высших гармоник является актуальной для различных отраслей народного хозяйства, в частности нефтеперерабатывающей, горнодобывающей, металлургической, транспортной промышленности и других.

Проблемам, связанным с компенсацией высших гармонических искажений посвящен ряд работ, согласно которым, основными способами устранения влияния высших гармоник являются:

- выбор правильного подхода к топологии электрических сетей с учетом размещения нелинейных нагрузок на этапе проектирования;

- применение фильтрокомпенсирующих устройств;

- применение активных фильтров;

- установка дополнительных реакторов в электрической сети.

Однако, по сей день актуальным является вопрос определения долевого вклада потребителя и питающей сети в нелинейные искажения питающей сети. Решение данного вопроса позволит, помимо определения виновника искажений, также применить грамотный подход к выбору средств и параметров устройства компенсации высших гармоник [1].

В настоящее время нет устоявшегося подхода к решению данного вопроса [2], однако различными авторами предлагаются различные подходы к решению данного вопроса, среди которых можно выделить следующие:

- метод активного двухполюсника;

- метод потока активной мощности (Active Power Direction method);

- Global power quality index;

- метод, основанный на неактивной мощности (Nonactive Power method).

Метод активных двухполюсников был предложен в работе [3], в дальнейшем свое развитие получил в статьях [4]- [7], а также нашел применение в алгоритмах выявления виновника искажений, основанных на статистической обработке результатов измерений.

Рис. 1. Пример схемы замещения при расчете по методу активных двухполюсников

Для схемы (рис. 1) можно выделить закономерности, приведенные ниже.

Определяется фактический вклад потребителя:

(1)

где - напряжение в точке измерения, - ток в точке измерения, z_П - сопротивление линейной части нагрузки для исследуемой гармоники, z_С - сопротивление системы для исследуемой гармоники.

Фактический вклад системы:

. (2)

В любых условиях должно выполняться равенство:

(3)

Сопротивления системы и потребителя находят в процессе измерений, исходя из следующих предположений:

- при изменении тока системы

происходит соответствующее ему изменение напряжения

и тока

в точке измерения. При этом сопротивление линейной части потребителя определяется:

(4)

- при изменении тока потребителя

также происходит изменение напряжения

и тока

в точке измерения. В этом случае возможно определить сопротивление линейной части системы по выражению:

(5)

Активное сопротивление системы и потребителя всегда положительны. Из чего можно сделать вывод, что если

,

то произошло изменение тока системы и необходимо вычислить z_П (4). Соответственно при

изменился ток нагрузки и необходимо вычислить z_C.

Данный метод подходит как для однофазных, так и трехфазных систем и использует статический сбор и обработку данных, в результате которой можно определить вклад, как потребителя, так и питающей сети в искажения напряжения. Однако, метод имеет ряд недостатков. В данном методе предполагается, что в процессе измерений изменяется либо вклад в искажения со стороны потребителя, либо со стороны системы. В реальных условиях возможно их совместное изменение, что приведет к ошибке при вычислениях сопротивлений по выражениям (4, 5), что в свою очередь вызовет ошибку при вычислении фактических вкладов в искажения напряжения.

Интерес представляет собой метод потока активной мощности, предложенный в [8]. Однако, в статье метод применяется к однофазной нагрузке. Авторами в [9]-[13] было предложено использование метода с применением преобразований Парка для трехфазной системы, а также доказано, что нулевая составляющая, возникающая в трехфазных четырехпроводных системах, не оказывает большого влияния на результат.

В основе метода лежат мгновенные величины трехфазных токов и напряжений (i_a, i_b, i_c, u_a, u_b, u_c), полученные в результате измерений и их преобразование на основе Парка в ортогональную систему:

(6)

(7)

где u_d и u_q соответственно проекции обобщенного вектора напряжения на ортогональные оси координат d и q, u₀ - нулевая составляющая напряжения, i_d и i_q - проекции обобщенного вектора напряжения на ортогональные оси координат d и q, i₀ - нулевая составляющая тока, T - матрица преобразования:

(8)

c дальнейшим определением активных мощностей для каждой гармоники по выражениям:

(9)

где и - сопряженные значения напряжения и тока k-ой составляющей (n=|k|, знак "-" соответствует обратной последовательности). В [13] проанализированы различные нагрузки и установлены следующие закономерности:

- при наличии линейной симметричной нагрузки, составляющие P_+n и P_-n на каждой гармонике n имеют положительное значение;

- при наличии линейной несимметричной нагрузки, возможно существование таких гармоник n, на которых составляющая P_+n>0 и P_-n<0, либо, как и в предыдущем случае имеют положительные значения;

- при наличии нелинейной нагрузки, составляющие P_+n и P_-n на каждой гармонике n имеют отрицательное значение.

Согласно данным закономерностям, каждую компоненту можно отнести к одной из трех групп:

(10)

(11)

(12)

Наличие искажений и их количественный вклад определяется следующими коэффициентами:

(13)

(14)

где P - полная активная мощность, протекающая через точку измерения.

Стоит отметить, что указанные коэффициенты будут равны нулю, либо меньше нуля. В случае С_nl=0 нагрузка может рассматриваться как не вносящая нелинейность. Если C_u=0, то эффект нелинейности не присутствует ни на какой из гармоник.

Таким образом коэффициент С_nl указывает на наличие нелинейной нагрузки и его модуль характеризует количественный вклад в искажения. Коэффициент С_u отвечает за возможность появления несимметричного тока вследствие несимметричной нагрузки, либо несимметричного напряжения питания, а его модуль представляет количественную оценку несимметричности. гармоника электрическая компенсация нагрузка

Вышеприведенный метод широко обсуждается в литературе, однако он не лишен недостатков. Активная мощность, потребляемая на высших гармониках, зависит от параметров электрической системы, линейной нагрузки и топологии системы. В случаях, когда сопротивление системы электроснабжения мало (жесткая сеть), то падение напряжения в линии незначительно. Расчет активной мощности на высших гармониках затруднен вследствие невозможности точно измерить амплитуды и начальные фазы напряжений высших гармоник.

На разложениях (6-9) также базируется и метод предложенный автором в [14]. Представленный метод базируется на направлении активной мощности. В отличие от предложенного ранее метода автор вводит дополнительные коэффициенты. Коэффициенты рассчитываются как соотношения действующих значений токов, относящихся либо к источнику искажения со стороны питающей сети, либо со стороны нагрузки. Разделение тока на данные составляющие зависит как от направления активной мощности на исследуемой гармонике, так и от последовательности чередования фаз (прямой или обратной). Вводится понятие Power quality index. Однако, данный метод обладает недостатками предыдущего, поскольку учитывает направление активных мощностей на высших гармониках.

Дополнительно отметим метод, основанный на неактивной мощности.

Теория неактивной мощности [15] была подтверждена результатами моделирования систем, содержащих линейные и нелинейные нагрузки, а также источники питания и показала хороший результат, однако при помощи данной теории сложно оценить вклад как системы, так и самой нагрузки в общие искажения.

Таким образом подтверждается актуальность дальнейших исследований в области корректного определения источников искажений, провоцирующих отрицательное влияние высших гармоник на работу электротехнических комплексов.

На основе проведенного анализа методов, предлагаемых и используемых в настоящее время для определения источника искажения, были выделены основные из них, к которым относятся метод активных двухполюсников, Global power quality index, методы потока активной мощности, метод, основанный на потоках неактивной мощности.

Установлено, что все проанализированные методы в определенных условиях обладают недостатками, которые не приводят к корректному решению задачи по определению источников искажений. Выявлены основные факторы, определяющие пути совершенствования методов определения источников искажений в действующей электрической сети.

Литература

1. Shklyarsky Y.E., Skamin A.N., "High harmonic minimization in electric circuits of industrial enterprises", World Applied Sciences Journal, no.30 (12), pp. 1767-1771, 2014.

2. Шклярский Я.Э., Бунтеев Ю.Е. Оценка вклада нагрузки и питающей сети в искажения напряжения // Естественные и технические науки - 2015. - №3-с. 130-133.

3. Yang Hong Geng "Assessment for harmonic emission level from one particular customer". - University of Liege. - 1992.

4. Картышев И.И., Пономаренко И.С., Сыромятноков С.Ю. Определение виновника ухудшения качества электроэнергии при расчетах за электроэнергию. // АСЭМ. - 2000. - №19. - 3с.

5. Смирнов С. С., Коверникова Л.И. Вклад потребителя в уровни напряжения высших гармоник в узлах электрической сети. // Электричество. - 1996. - №1 - с. 56-64.

6. Майер В.Я., Зения Методика определения долевых вкладов потребителя и энергоснабжающей организации в ухудшении качества электроэнергии. - // Электричество. - 1994. - №9 - с. 19-24.

7. Гамазин С.И. Петрович В.А. Определение фактического вклада потребителя в искажения параметров качества электрической энергии. - // Промышленная энергетика - 2003. - №1 - с. 32-38.

8. R. Sasdelli, A. Menchetti, and G.C. Montanari, "Considerations on power definitions on nonsinusoidal conditions", IMECO TC-4 5th Int. Symp., Vienna, Austria, Apr. 8-10, 1993.

9. A. Ferrero and G. Superti-Furga, "A new approach to the definition of power components in three-phase systems under nonsinusoidal conditions", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 40, pp. 568-577, June 1991.

10. A. Ferrero, A.P. Morando, R. Ottoboni, and G. Superti-Furga "On the meaning of the Park power components in the three-phase systems under nonsinusoidal conditions", ETEP, no. 1, pp. 33-43, Jan./Feb. 1993.

11. M. Depenbrock, "Some remarks to active and fictitious power in polyphase and single-phase systems," ETEP, no.1, pp. 15-19, Jan./Feb. 1993.

12. L.S. Czarnecki, "Current and power equations at bidirectional flow of harmonic active power in circuits with rotating machines," ETEP, no. 1, pp. 45-52, Jan./ Feb. 1993.

13. L. Cristaldi, A. Ferrero "A Digital method for the Identification of the source of distortion in electric power systems," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 44, pp. 14-18, Feb. 1994.

14. C. Muscas, "Assessment of electric power quality: Indices for Identifying disturbing loads", ETEP, no. 4, pp. 287-292, Jul./Aug. 1998.

15. P.V. Barbaro, A. Cataliotti, V. Cosentino, S. Nucci, "A novel approach based on nonactive powers for the identification of distributing loads in power systems" IEEE Transactions on Power Delivery, vol.22, no.3, p.p. 1782-1789, Jul. 2007.

Размещено на Allbest.ru