Реактивна потужність в системах електропостачання з нелінійними навантаженнями

(59)

Размещено на http://www.allbest.ru/

де - похибка, що виникає, якщо не враховувати зміну опору за рахунок поверхневого ефекту.

Рис. 13 Характер зміни активного опору провідника при прояві поверхневого ефекту

Складова втрат активної потужності, викликана реактивною потужністю, з урахуванням динамічної вольт-амперної характеристики активного опору

(60)

Еквівалентне значення реактивної потужності з погляду визначення втрат потужності й енергії

де U, I - діючі значення напруги і струму; P - активна потужність.

Сьомий розділ присвячений розробці методів імітаційного моделювання процесів споживання реактивної потужності нелінійними навантаженнями. Поряд з аналітичними методами розрахунку компенсації реактивної потужності в електричних мережах з нелінійними навантаженнями не менш важливе практичне значення мають методи імітаційного моделювання, що дозволяють одержати наочне представлення про характер протікання електромагнітних процесів, а також підтвердити теоретичні висновки і положення з проблеми, що розглядається. Моделі споживання реактивної потужності розроблені на основі застосування пакета SimuLink 3.0 комп'ютерної системи MATLAB 5.3. У роботі представлені моделі компенсації реактивної потужності однофазних, трифазних перетворювачів і ДСП.

Рис. 14 Графіки струму джерела і напруги моделі рис.15

Рис. 15 Графік миттєвої потужності

Проведений аналіз аналітичних розрахунків і результатів моделювання підтвердив справедливість теорії миттєвої реактивної потужності при вирішенні задач компенсації реактивної потужності нелінійних навантажень.

Розглянутий підхід до моделювання компенсації реактивної потужності вентильних перетворювачів і ДСП може бути використаний для створення моделей інших нелінійних навантажень, що може знайти широке застосування в науковій і проектній практиці розробки систем електропостачання.

У додатках наведені програми розрахунку реактивної потужності, документи, що підтверджують впровадження результатів дисертації.

Висновки по роботі

У дисертаційній роботі одержала подальший розвиток теорія реактивної потужності на основі комплексного підходу до проблеми визначення, розрахунку і компенсації реактивної потужності в нелінійних електричних колах, аналізу фізичних явищ, зв'язаних із процесами обміну електромагнітною енергією. Результати, отримані в роботі, є внеском у розвиток теорії реактивної потужності в електричних колах при несинусоїдальних режимах.

1. У нелінійних колах при несинусоїдальних струмах традиційне поняття реактивна потужність не відбиває повною мірою процеси обміну електромагнітною енергією між джерелом і навантаженням. У загальному випадку може мати місце як процес обміну електромагнітною енергією, що характеризується значенням реактивної потужності в загальноприйнятому розумінні, так і наявність зсуву фаз між першими гармоніками струму і напруги при відсутності обміну електромагнітною енергією між джерелом і нелінійним навантаженням.

2. Уперше встановлено, що для характеристики електромагнітних процесів у мережах з вищими гармоніками доцільне застосування поняття миттєва реактивна потужність. Доведено, на підставі теорії електромагнітного поля, доцільність застосування поняття миттєвої реактивної потужності в нелінійних трифазних колах несинусоїдального струму з урахуванням їхнього кутового зсуву. Застосування інтегральних оцінок реактивної потужності не може повною мірою охарактеризувати обмін електромагнітною енергією при несинусоїдальних режимах.

3. Аналіз електромагнітних процесів у перетворюючих установках однофазного і трифазного струму дозволяє зробити такі висновки. Керовані перетворювачі з активним навантаженням є споживачами реактивної потужності тільки по першій гармоніці. Обмінна реактивна потужність такого навантаження дорівнює нулю (обміну енергією між джерелом і перетворювачем не відбувається) і ця "реактивна потужність" обумовлена винятково потужністю спотворювання (потужністю зсуву фаз). У перетворювачах з активно-індуктивним навантаженням електромагнітні процеси в істотній мері залежать від схеми перетворювача.

4. Вперше встановлено, що реактивна потужність ДСП по основній гармоніці може істотно відрізнятися від реактивної потужності, отриманої шляхом еквівалентування миттєвої реактивної потужності, що обумовлено досить великими значеннями струмів вищих гармонік. При виборі засобів компенсації реактивної потужності ДСП і їхніх параметрів необхідно використовувати поняття миттєва реактивна потужність.

5. Вперше розроблена теорія миттєвої реактивної потужності для трифазних мереж з нелінійними навантаженнями. Розроблено метод оцінки реактивної потужності в нелінійних колах несинусоїдального струму, який полягає в еквівалентуванні миттєвої реактивної потужності. Даний метод може бути використаний для вибору параметрів ФКП різної структури.

6. Запропоновано метод компенсації реактивної потужності, який полягає в поділі миттєвої потужності навантаження на миттєву реактивну потужність і миттєву потужність лінійного активного опору незмінного в часі. Вперше отримані співвідношення, що дозволяють розраховувати миттєву реактивну потужність в однофазних і трифазних мережах з урахуванням внутрішнього опору джерела живлення.

7. Вперше розроблена методика визначення амплітудного спектра вхідного струму тиристорного перетворювача з компенсуючими і фільтро-компенсуючими пристроями, яка полягає в урахуванні зміни кута комутації. Запропонований метод розрахунку дозволяє враховувати вплив компенсуючих і фільтро-компенсуючих пристроїв на режими споживання реактивної потужності перетворювачем. Показано, що при неврахуванні зміни кута комутації відбувається завищення встановленої потужності компенсуючих пристроїв.

8. Доведено неправомірність застосування методу накладання для розрахунку активного опору при наявності в спектрі струму складових декількох частот. Вперше отримана динамічна вольт-амперна характеристика активного опору, що дозволяє враховувати явище поверхневого ефекту при розрахунку й аналізі режимів систем електропостачання часовими методами.

9. Запропоновано практичні методи розрахунку несинусоїдальних режимів систем електропостачання, що дозволяють врахувати зміну активного опору елементів, обумовлену поверхневим ефектом, які можуть бути використані при визначенні миттєвої реактивної потужності і при розрахунку втрат енергії в елементах електричних кіл. Вперше запропонований підхід до розрахунку активних втрат енергії в елементах систем електропостачання, обумовлених протіканням через них миттєвої реактивної потужності.

10. Розроблено принципи побудови моделей компенсації реактивної потужності нелінійних навантажень на основі застосування пакета SimuLink 3.0 комп'ютерної системи MATLAB 5.3. Розроблені моделі компенсації реактивної потужності однофазних і трифазних керованих перетворювачів і ДСП. Розглянутий підхід може бути використаний для створення моделей інших нелінійних навантажень, що може знайти широке застосування в науковій і проектній практиці розробки систем електропостачання.

Основні публікації з теми дисертації

1. Саенко Ю.Л. Реактивная мощность в системах электроснабжения с нелинейными нагрузками.- Zeszyty Naukowe Politechniki Slaskiej. Elektryka, z.123, Gliwice, 1991. - 118с.

2. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях.- М. Энергоатомиздат, 2000. - 252c.

3. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Реактивная мощность в системах электроснабжения // Учебное пособие.- Киев, УМК БО, 1989.- 108 с.

4. Жежеленко И,В., Саенко Ю.Л. Теоретические основы электромагнитной совместимости в системах электроснабжения // Учебное пособие. Часть 1.- Киев, УМК, ВО. 1992.- 116 с.

5. Жежеленко И,В., Саенко Ю.Л. Теоретические основы электромагнитной совместимости в системах электроснабжения // Учебное пособие. Часть 2.- Киев, УМК, ВО. 1992.- 104 с.

6. Саенко Ю.Л. К вопросу о компенсации реактивной мощности в сетях с нелинейными нагрузками // Изв. вузов и энергетических объединений СНГ Энергетика, 2002, № 4. - С.11-25.

7. Саенко Ю.Л. Оптимизация компенсации реактивной мощности в сетях с вентильными преобразователями // Сб. научн. тр. Вестник Приазовского гостехуниверситета Мариуполь, №11, 2001. -C.228-232.

8. Саенко Ю.Л. Имитационное моделирование процесса потребления реактивной мощности вентильными преобразователями в среде MATLAB // Сб. научн. тр. Вестник Приазовского гостехуниверситета Мариуполь, №12, 2002. -C.202-206.

9. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. К вопросу об определении частотных характеристик электрических сетей // Изв. вузов СССР Энергетика, № 11, 1982.- С.21-24.

10. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Метод определения частотных характеристик электрических сетей // Техническая электродинамика, № 4, 1983.-С.105-107.

11. Жежеленко И.В., Липский А.М., Саенко Ю.Л. Расчет параметров устройств компенсации колебаний напряжений // Изв. вузов СССР - Энергетика, № 2, 1984.-C.39-41.

12. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. О методах расчета реактивной мощности при несинусоидальных режимах // Промышленная энергетика. № 12, 1985.-C.40-41.

13. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Расчет параметров фильтро-компенсирующих устройств при наличии высших гармоник в системах электроснабжения // Изв. вузов СССР - Энергетика, № 12. 1985.-C.38-41.

14. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Оценка реактивной мощности при несинусоидальных режимах систем электроснабжения // Изв. вузов СССР -Энергетика, № 7, 1986.-C.34-35.

15. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Реактивная мощность в задачах электроэнергетики // Электричество, № 2, 1987.-С.7-12.

16. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Обмен электромагнитной энергией в нелинейной среде // Изв. вузов СССР - Энергетика, № 5, 1988.-C.6-10.

17. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Реактивная мощность в электрических сетях дуговых сталеплавильных печей // Изв. вузов СССР Электромеханика, № 5. 1989.-C.116-120.

18. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Влияние фильтро-компенсирующих устройств на амплитудный спектр тока вентильных преобразователей // Техническая электродинамика, № 3, 1990.-С.28-33.

19. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Взаимные сопротивления электрических сетей на частотах гармоник // Изв. вузов СССР Энергетика, № 9, 1990.-С.15-18.

20. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Учет активных сопротивлений в расчетах высших гармоник в электрических сетях // Промышленная энергетика, 1992, № 4.-С.23-24.

21. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Расчет несинусоидальных режимов в сетях автономных электрических систем // Промышленная энергетика, 1992, № 12.-С.25-28.

22. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Современная концепция реактивной мощности // Сб. научн. тр. Вестник Приазовского гостехуниверситета Мариуполь, 1995, №1.-С.192-197.

23. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Учет нагрузок в расчетах несинусоидальных режимов систем электроснабжения // Сб. научн. тр. Вестник Приазовского гостехуниверситета.- Мариуполь, №6 1998.-С.268-273.

24. Саенко Ю.Л. Оценка сопротивления обратной последовательности вентильного преобразователя // Сб. научн. тр. Вестник Приазовского гостехуниверситета Мариуполь, №9 2000. -С.195-198.

25. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л., Бараненко Т.К. Интергармоники в системах электроснабжения промпредприятий // Сб. научн. тр. Вестник Приазовского гостехуниверситета.- Мариуполь, №8 1999.-C.170-175

26. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Проблема качества электроэнергии в системах электроснабжения // Zeszyty Naukowe Politechniki Sl№skiej. Elektryka z.127, Gliwice, 1992.-P.177-185.

27. Zhezhelenko I.V., Sayenko Y.L. Centralized compensation of high harmonics in electrical networks // Electrical Power Quality and Utilisation. Vol.5, No 2, September 1999. -P.29-34.

28. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Вопросы качества электроэнергии в электроустановках.- Мариуполь, ПГТУ, 1996. - 173с.

29. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Амплитудно - частотные характеристики электрических сетей.- Мариуполь, ПГТУ, 1998. - 83с.

30. Нормирование показателей качества электрической энергии и их оптимизация / Войнов С.Л., Железко Ю.С., Саенко Ю.Л. и др. Под ред. А.Богуцки, А.3.Гамма, И.В.Жежеленко. Гливице - Иркутск, 1988.- 249 с.

31. Саенко Ю.Л., Курди Б. Сравнительный анализ применения простых и сложных фильтров для компенсации высших гармоник в системах электроснабжения // Сб. научн. тр. Вестник Приазовского гостехуниверситета Мариуполь, №9 2000. -С.199-205.

32. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л., Бараненко Т.К. Спектральный анализ тока нагрузки источников интергармоник в промышленных электрических сетях // Сб. научн. тр. Вестник Приазовского гостехуниверситета.- Мариуполь, №12, 2002.-С.194-201.

33. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Обмен электромагнитной энергией в электрических сетях // XIII Seminarium z Podstaw Elektroteсhniki i Teorii Obwodow, Gliwice-Wlsia, 1990.-P.307-315.

34. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л., Павелек Р. Практические методы реализации временного метода расчета несинусоидальных режимов в системах электроснабжения // Сб. Тр. III международн. научн. Конф. “Эффективность и качество электроснабжения пром. предпр."- Мариуполь, 1994.-С.55-58.

35. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Реактивная мощность в расчетах активных потерь в электрических сетях при несинусоидальных режимах // II Konferencja Elektronika Pr№dуw Niesinusoidalnych EPN'95.- Zielona Gуra, 1995.-P.198-201.

36. Саенко Ю.Л.: Реактивная мощность в расчетах надежности элементов систем электроснабжения // Тезисы докладов научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества электроснабжения" Мариуполь. Киев, Общество "Знание" Украинской ССР, 1990.- С.175-177.

37. Саенко Ю.Л. Компенсация реактивной мощности в электрических сетях с нелинейными нагрузками // Тезисы докладов научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества электроснабжения" Мариуполь. Киев, Общество "Знание" Украинской ССР, 1990.- С.212-214.

38. Саенко Ю.Л. Компенсация реактивной мощности в сетях с высшими гармониками // Сборник трудов международн. научной конференции "Качество энергии", Лодзь, 1991. -С.23-32.

39. Саенко Ю.Л. Принцип компенсации реактивной мощности в нелинейных цепях // III Miкdzynarodowy Polsko-Ukrainskie Seminarium Naukowy „Problemy Elektroenergetyki”, Lodz, June, 2002. -P.135-144.

40. Саенко Ю.Л. Применение методов имитационного моделирования при разработке средств компенсации реактивной мощности нелинейных нагрузок // Тезисы докладов IX-й региональной научн.-техн. конф. Приазовского государственного технического университета. Том 2. Мариуполь, 2002. -С.1-2.

41. Zhezhelenko I.V., Sayenko Y.L. Uwzlкdnienie zmiany rezystancij w czasowej metodzie oblicania stanуw niesinusoidalnych // XVII Seminarium z Pod.El.i Teor Obw. Gliwice-Ustroс, 1994. -P.39-44.

42. Zhezhelenko I.V., Sayenko Y.L. Resistance Approximation in High Harmonic Frequencies. International Symposium MEPS'96, Wroclaw,1996.-P.280-285.

Анотація

Саєнко Ю.Л. Реактивна потужність у системах електропостачання з нелінійними навантаженнями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.05 - теоретична електротехніка.

Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2003 р.

У дисертаційній роботі поставлено і вирішено завдання розробки теорії реактивної потужності при несинусоїдальних режимах. Запропоноване поняття миттєвої реактивної потужності дозволяє повною мірою вирішувати питання розрахунку і компенсації реактивної потужності в електричних колах з нелінійними навантаженнями. Розглянуто підхід до визначення реактивної потужності при несинусоїдальних режимах на основі застосування теорії електромагнітного поля і аналізу процесів обміну електромагнітною енергією між джерелом і навантаженням.

Ключові слова: реактивна потужність, вищі гармоніки, нелінійне навантаження, несинусоїдальність, електромагнітні процеси, математична модель.

Аннотация

Саенко Ю.Л. Реактивная мощность в системах электроснабжения с нелинейными нагрузками. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.05 - теоретическая электротехника.

Национальный университет "Львивска политэхника", Львов, 2003 г.

В диссертационной работе поставлена и решена задача разработки теории реактивной мощности при несинусоидальных режимах. Предложенное понятие мгновенной реактивной мощности позволяет в полной мере решать вопросы расчета и компенсации реактивной мощности в электрических цепях с нелинейными нагрузками.

Рассмотрен подход к определению реактивной мощности при несинусоидальных режимах на основе применения теории электромагнитного поля и анализа процессов обмена электромагнитной энергией между источником и нагрузкой. Проведен анализ электромагнитных процессов и расчет мгновенной реактивной мощности в ряде таких нелинейных нагрузках как вентильные преобразователи и дуговые сталеплавильные печи (ДСП).

Предложен принцип компенсации реактивной мощности, заключающегося в разделении мгновенной мощности нагрузки на мгновенную реактивную мощность и мгновенную мощность линейного неизменяющегося во времени активного сопротивления, позволяющий повысить точность расчета параметров компенсирующих устройств при высоком уровне несинусоидальности. В работе представлено решение этой проблемы с учетом параметров источника питания и питающей сети, как для однофазных, так и для трехфазных цепей.

Приведен метод имитационного моделирования процессов компенсации и потребления реактивной мощности вентильными преобразователями и дуговыми сталеплавильными печами (ДСП) на основе применения пакета SimuLink 3.0 компьютерной системы MATLAB 5.3, позволяющий отслеживать динамику изменения потребления мгновенной реактивной мощности нелинейными нагрузками. Проведен анализ на основе разработанной теории мгновенной реактивной мощности энергетических процессов в наиболее распространенной нелинейной нагрузке - вентильных преобразователях однофазного и трехфазного тока.

Разработаны методика расчета амплитудного спектра входного тока вентильных преобразователей, позволяющая учитывать влияние компенсирующих и фильтро-компенсирующих устройств на режимы потребления реактивной мощности преобразователем, методики расчета оптимальной мощности батареи конденсаторов и параметров фильтро-компенсирующего устройства для компенсации мгновенной реактивной мощности вентильного преобразователя с учетом изменения угла коммутации. Предложена динамическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) активного сопротивления, необходимая для использования теории мгновенной реактивной мощности при расчете потерь энергии.

Ключевые слова: реактивная мощность, высшие гармоники, нелинейная нагрузка, несинусоидальность, электромагнитные процессы, математическая модель.

Summary

Sayenko Y. L. Reactive Power in Power Supply Networks with Non-linear Loads. - Manuscript.

Thesis on the grade of doctor of technical science, speciality 05.09.05 - theoretical electrical engineering.

National university "Lviv Polytechnics", Lviv, 2003.

The dissertation presents new contribution to developing the theory of reactive power in nonsinusoidal conditions. The concept of an instantaneous reactive power offered by the author allows to solve the problem of calculation and compensation of reactive power in electric circuits with nonlinear loads. The approach to defining the reactive power at nonsinusoidal conditions is based on the theory of electromagnetic field and analysis of electromagnetic energy interchange between the source and the load.

The simulation method for compensation and consumption of reactive power by nonlinear has been developed on the basis of SimuLink 3.0 computer systems MATLAB 5.3 Application Package

Keywords: reactive power, high harmonics, nonlinear load, nonsinusoidality, electromagnetic processes, mathematical model.

Размещено на Allbest.ru