CC BY
11
Paskar Ivan Nikolaevich, senior lecture, paskar-ivanamail. ru, Russia, Kemerovo, Kuzbass state technical University named after T.F. Gorbachev,
Berezin Denis Sergeevich, student, den42bamail. ru, Russia, Kemerovo, Kuzbass state technical University named after T.F. Gorbachev,
Savenkova Daria Evgenievna, student, dasha. saven 13agmail. com, Russia, Kemerovo, Kuzbass state technical University named after T.F. Gorbachev,
Karakulova Yulia Yuryevna, student, yu. karakulowaayandex. ru, Russia, Kemerovo, Kuzbass state technical University named after T.F. Gorbachev,
Tsimbalist Egor Evgenievich, student, [email protected], Russia, Kemerovo, Kuzbass state technical University named after T.F. Gorbachev,
Khamidulina Daria Vitalievna, student, hamidulina. dariaagmail. com, Russia, Kemerovo, Kuzbass state technical University named after T.F. Gorbachev,
Aksenova Anastasia Alexandrovna, student, a.aksenovaa inbox.ru, Russia, Kemerovo, Kuzbass state technical University named after T.F. Gorbachev
УДК 621.314
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ КРМСН-ТП В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ
С.В. Климаш, С.В. Власьевский
Рассмотрена проблема разгрузки сетей от реактивной мощности и выравнивания напряжения у потребителей. Для ее решения предлагается система компенсации реактивной мощности со стабилизацией напряжения трансформаторной подстанции (КРМСН-ТП). Выполнены исследования в среде МАТЬАБ, при которых определены энергетические показатели системы при работе в условиях отклонения и колебания напряжения сети.
Ключевые слова: стабилизация напряжения, компенсация реактивной мощности, коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, математическая модель, коэффициент искажения тока, коэффициент несинусоидальности напряжения.
Наилучшие результаты повышения энергоэффективности от компенсации неактивных составляющих полной мощности (реактивной мощности, мощности искажений и асимметрии) достигаются вблизи потребителей на концевых трансформаторных подстанциях (6.. .10) / 0,4 кВ.
58
Предлагается применение новых электронных систем и способов управления, которые позволяют убрать на низкой стороне силовых трансформаторов подстанции неактивные составляющие полной мощности, а на высокой стороне выровнять действующее значение питающего напряжения. Это компенсаторы реактивной мощности сети со стабилизацией напряжения у потребителей (КРМСН), выполненные на основе рекуперативных преобразователей амплитуды и фазы выходного напряжения и входного тока со звеном постоянного тока [1, 2]. К ним относятся также последовательные и параллельные активные фильтры соответственно напряжения и тока сети [3, 4] на основе транисторных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией.
ВТ СТ
Рис. 1. Структурная схема системы КРМСН-ТП: УВ — управляемый выпрямитель; ИН — инвертор напряжения;
ВТ — вольтодобавочный трансформатор; СТ — силовой трансформатор; БЗ — блок защиты; БКК — батарея косинусных конденсаторов; ДКП — диодно-конкакторный пускатель;
СУ — система управления
При рассмотрении целесообразности применения устройств КРМСН на трансформаторных подстанциях необходима полная характеристика как, несомненно, положительного, так и отрицательного влияния КРМСН на энергоэффективность устройств электроснабжения. Это вопросы, связанные с планированием и технико-экономическим обоснованием применения новой техники. Не навредит ли КРМСН потребителю электроэнергии высокочастотными искажениями напряжения, какой процент искажений тока, потребляемого из сети и величина потерь электроэнергии в ЛЭП от этих искажений? Не будет ли в конечном итоге фактического возрастания, а не уменьшения энергопотребления подстанцией.
Решая проблему компенсации реактивной мощности в сети и стабилизации напряжения у потребителей в условиях отклонений, колебаний и скачков напряжения в сети, изменений величины и фазы тока нагрузки, КРМСН [5, 6], воздействуя на напряжения и токи, оказывает влияние на их форму.
При проведении ряда численных экспериментов, в рамках основной направленности работы на повышение энергетической эффективности, ставится комплексная задача количественной оценки энергетических пока-
зателей и перетоков мощностей в системе КРМСН-ТП, а именно оценка во всех режимах работы следующих энергетических коэффициент и технико-экономических показателей, характеризующих повышение качества и экономию электроэнергии.
1) коэффициенты искажения токов сети Юс, нагрузки Кш и выпрямителя К1в, подключенного к вторичной цепи силового трансформатора подстанции. При исследовании будем учитывать искажения, вносимые только работой КРМСН, а не сетью и нагрузкой, которые могут быть в реальных условиях.
2) коэффициенты несинусоидальности напряжения потребителей Кин, напряжения на высокой стороне силового трансформатора Кит и добавочного напряжения, сформированного инвертором напряжения с ШИМ и вольтодобавочным трансформатором Кид.
3) величины активной Р, реактивной Q и полной 8 мощностей, а также коэффициенты мощности и полезного действия по штатной и новой схемам [7, 8] ТП для оценки экономии электроэнергии от степени повышения новым устройством эффективности потребления и использования электроэнергии.
Работа системы КРМСН-ТП в динамике. Исследование проведено в среде МЛТЬЛВ при помощи разработанного специализированного комплекса математических моделей [9]. Моделирование производилось при изменении напряжения питающей сети 6 кВ в пределах ±10% и коэффициенте мощности нагрузки 0,84. При этом напряжение на выходе подстанции поддерживалось на номинальном уровне 220В с точностью до ±0,5%, а коэффициент мощности на входе подстанции на уровне 0,99. Численные эксперименты сопровождались осциллографированием и проводились в следующем порядке согласно рис. 2.
На интервале 0 - 0,04с произведен пуск модели, переходные процессы, связанные с принципами расчетов МЛТЬЛВ, сбор информации интеграторами. БКК и КРМСН отключены, СТ с нагрузкой подключены сразу.
В момент времени 0.04с начато подключение БКК и КРМСН. Линейное напряжение питающей сети номинальное 6 кВ, напряжение на нагрузке 220В. Стабилизация напряжения не требуется, необходима только компенсация реактивной мощности. Поэтому фаза напряжения вольто-добавки 90 град относительно напряжения сети, режим компенсатора. Конденсаторами совместно с КРМСН выполнена полная компенсация реактивной мощности нагрузки, Км на входе подстанции 0,999.
Во время 0,12 с произошла просадка напряжения сети и, как следствие, снижение напряжения на нагрузке до 191В. Это привело к снижению тока, мощности и производительности потребителя.
На интервале 0,12 - 0,2 с система управления отработала на изменившийся режим. Изменено действующее значение и фаза напряжения вольтодобавки. Напряжение нагрузки восстановлено до 220В, Км на входе подстанции равен 0,999. Ток, потребляемый подстанцией из сети, при
этом, увеличился. Это объясняется тем, что при понижении питающего напряжения сети нагрузка нуждалась в прежней активной мощности, которую вновь восполнил КРМСН.
1МЯЧММ
1 чяяя
к
0 0.05 0.1 о.15 о.; 0.25 0. 3 0.35 0.4
Рис. 2. Осциллограммы работы системы в динамике:
1 - напряжение вольтодобавки, 2 - напряжение нагрузки;
3 и 6 - напряжение сети и его амплитудное значение; 4 - ток, потребляемый подстанцией из сети; 5 - действующее значение напряжения нагрузки; 7 - КПД системы КРМСН-ТП);
8 - Км на входе ТП
Следует отметить, что при возникновении во внешней энергосистеме дефицита электроэнергии в часы пика нагрузки (пониженное напряжение и повышенный ток) КРМСН сможет частично выполнять свои функции только при подключении выпрямителя к автономному резервному источнику питания, например, к дизельгенератору.
В момент времени 0.23 с произошло мгновенное повышение напряжения сети и, как следствие, скачек напряжения нагрузки до 270В. Такое высокое значение напряжения нагрузки обусловлено тем, что в момент скачка напряжения сети ВДУ работает еще в режиме вольтодобавки.
0.34 с - система управления отработала на изменившийся режим, изменено действующее значение напряжения вольтодобавки и его фаза относительно напряжения сети. Теперь она больше 90 градусов - произошел переход КРМСН в режим вольтовычета. Напряжение нагрузки было понижено до 220 В. Во время переходного процесса Км снижался с 0,999 до 0,9. Такая реакция измерителя коэффициента мощности вызвана как раз изменением фазы напряжения вольтодобавки, в переходное время изменялась его частота. Затем по завершении переходного процесса Км установился 0,9992.
Ток, потребляемый подстанцией из сети, при этом, снизился. Это объясняется тем, что при повышенном питающем напряжении сети нагрузка нуждается в прежнем количестве активной мощности, излишек которой с помощью КРМСН и возвращается в сеть.
Решая задачи компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения КРМСН, воздействуя на напряжение и ток, оказывает влияние на их форму, внося свои искажения. Для того, чтобы далее адекватно оценить энергоэффективность подстанции при применении КРМСН были рассчитаны Кии К для всех кривых токов и напряжений в системе КРМСН-ТП при различных режимах работы.
Исследование коэффициентов искажения токов. Коэффициент искажения тока определяется по формуле (1) как отношение действующего значения первой гармоники тока к действующему значению всего тока:
У = Кг (1)
Данный коэффициент характеризует процентный состав первой гармоники тока относительно всех гармоник тока и при улучшении гармонического состава стремится к единице.
На рис. 3 сверху приведены осциллограммы тока, потребляемого активным выпрямителя 1в (1), тока потребляемого нагрузкой 1н (2) и тока вторичной обмотки силового трансформатора 12 (3), а снизу К этих токов, соответственно 1, 2 и 3.
(ПК 91 015 02 025 0] 035
Рис. 3. Осциллограммы исследуемых токов и их коэффициенты
искажения
По этим данным можно сделать вывод, что К токов 1н и 12 стремится к 1, а это значит что работа КРМСН практически не вносит искажения в эти токи. Ток 12, являясь суммой токов 1н и 1в (с видимыми искажениями) в целом имеет незначилельные искажения. Также на
62
осциллограмме видна частичная компенсация реактивной мощности нагрузки, I2 меньше 1н по амплитуде и немного его опережает по фазе. Что же касается тока 1в, то наивысшее значение его коэффициента искажения наблюдается в режиме вольтодобавки (в среднем 0,99), промежуточное значение в режиме компенсатора (в среднем 0,975) и наихудшее в режиме вольтовычета (в среднем 0,965).
Резкие скачки Ki токов на рис. 2 (а также величин далее) объясняются изменением фазы тока и напряжения в системе УВ-ИН при изменении режима работы (переход КРМСН из вольтодобавки в вольтовычет и тд). В этих переходных периодах изменяется частота токов и напряжений в УВ и ИН, на что так и реагигуют все синхронизированные на частоту сети 50 Гц вычислители. Данные кратковременные искажения следует воспринимать как ошибку вычисления.
Исследование коэффициентов несинусоидальности напряжений. В ходе проведения эксперимента были осциллографированы и исследованы: напряжение питающей сети ис (рис.4, кривая 1), напряжение U1, приходящее на высокую сторону силового трансформатора (рис.4, кривая 2), добавочное напряжение Иин сформированного с ШИМ инвертором напряжения (рис.4 кривая 3). Также на этих рис.4 снизу приведены соответственно коэффициенты несинусоидальности этих напряжений.
Сумма высших гармоник в процентном отношении к первой является показателем качества напряжения, характеризующим его несинусоидальность, и нормируется российским ГОСТ 13109-97 и международным IEEE 519-1992 стандартами.
Коэффициент несинусоидальности напряжения
Ки= И 100%. (2)
__И: ' '
где Их=л/и2 -И12 - действующее значение суммы всех высших гармоник напряжения, которое определяется через И и И1 - действующие значения исследуемого напряжения и его первой гармоники.
Из выражения (2) видно, что при улучшении гармонического состава напряжения Ки стремится к нулю.
По сравнению с искажениями токов, исследуемые искажения напряжений оказались существенней. Причем их величина в устройстве КРМСН напрямую зависит от диапазона регулирования напряжения. Это неизбежно и обусловлено принципом работы подобного вида устройств [1,
3, 10].
Кривая 2 на рис. 4 снизу показывает значение коэффициента несинусоидальности напряжения, приходящего на высокую сторону силового трансформатора. Исключая переходные процессы, наилучшим значением этого коэффициента является 0,06. Такое значение имеет место быть при нормальном и пониженном напряжении сети.
Но при работе подстанции от повышенного напряжения Ки кривой 2 достигает 0,1. Процент высших гармоник в этом случае увеличился из-за повышения амплитудного значения ШИМ напряжения Иин вслед за напряжением сети Ис.
Рис. 4. Осциллограммы исследуемых напряжений и их коэффициенты несинусоидальности
На рис. 4 видно, как изменяется форма напряжения 2 и его значение коэффициента несинусоидальности при переходе КРМСН из режима компенсации реактивной мощности в режим вольтодобавки.
Коэффициент искажения кривой ШИМ напряжения инвертора на рис. 4 не отображен ввиду его значительно большего значения, чтобы не измельчить масштаб диаграмм. Этот показатель варьируется в пределах 0,25 - 0,4. Прямого влияния на потребителя данные искажения не оказывают.
Но особое внимание следует уделить именно напряжению, питающему потребителя. Именно искажения этого напряжения будут напрямую влиять на питающиеся от подстанции устройства.
Однако, на устройства имеющие на входе выпрямитель с фильтром (блок питания, ИБП, частотный привод и т.д.) это влияние будет близко к нулю. На работу электронагревательных приборов искажения напряжения не повлияют вовсе. А зато пониженное напряжение снизит производительность некоторых устройств до 2-3 раз (как пример - СВЧ печь).
Мерцания освещения у светодиодных светильников по вине искажений напряжения не будет, исходя из принципа их действия, у ртутных ламп искажения сгладит дроссель. А, например, повышенное напряжение в разы сократит срок службы осветительных приборов и повысит их электропотребление.
Исследование потребления системой КРМСН-ТП активной Р, реактивной Q и полной 8 мощностей потребителями и из сети для оценки экономии электроэнергии
Чтобы утверждать, что экономия электроэнергии реально происходит, необходимо чтобы полная мощность, потребляемая нагрузкой при номинальном стабильном напряжении, была меньше полной мощности, потребляемой подстанцией из сети. Результаты показывают, что с помощью установки на подстанцию КРМСН данный эффект происходит при всех режимах работы, что проиллюстрировано на рис. 5.
tJ» ID
................................1..............................U ..................
...............................1...................
А \....................
1
2.5 - _
Jг шяГШШ I
Я _............
]
-a 35 т а. Q i 2 0.25 а 3 0 щщ
Рис. 5. Значения полной мощности, потребляемой подстанцией
из сети (1) и нагрузкой (2)
Снижение потребления полной мощности произошло за счет компенсации реактивной мощности нагрузки. Что касается активной мощности, то уменьшить ее потребление за счет установки на подстанции дополнительного оборудования принципиально невозможно. Это оборудование только понизит общий КПД подстанции, а это, несомненно, приведет к большему потреблению активной мощности.
Однако, в случае с КРМСН повышение потребления активной мощности в разы меньше, чем уменьшение потребления реактивной мощности из сети, что подтверждается диаграммами на рис. 6 полной мощности (сверху), активной мощности (в центре) и реактивной мощности (снизу).
На нижней диаграмме рис. 6 видно, что реактивная мощность, потребляемая подстанцией стремится к нулю во всех режимах работы. Наблюдаемый всплеск реактивной мощности в момент перехода из воль-тодобавки в вольтовычет в расчет брать не следует, так как является ошибкой вычисления, возникшей из-за изменения частоты ШИМ напряжения в переходном процессе.
На средней диаграмме рис.6 видно, что активная мощность, потребляемая нагрузкой меньше активной мощности, потребляемой из сети Эта разница как раз и есть величина потерь в вольтодобавочном трансформаторе и транзисторном преобразователе. В исследуемом преобразователе теряется 660Вт на каждые 50кВт пропускаемой мощности, что соответствует реальным выпускаемым устройствам фирмы Mitsubishi.
65
Рис. 6. Диаграммы полной мощности (сверху), активной мощности (в центре) и реактивной мощности (снизу): 1 - полная мощность, потребляемая из сети, 2 - полная мощность, реально потребляемая нагрузкой, 3 - активная мощность, потребляемая из сети, 4 - активная мощность, реально потребляемая нагрузкой, 5 - реактивная мощность, потребляемая из сети,6 - реактивная мощность, реально
потребляемая нагрузкой
Основные результаты работы:
1) Создан комплекс программ в среде MatLab и математическая модель КРМСН на основе разработанных силовых транзисторных модулей и микроэлектронных модулей их систем управления с применением разработанных специализированных измерительных модулей. На основе этого комплекса программ проведены исследования КРМСН в установившихся и переходных режимах работы, по результатам которых дана оценка энергетическим показателям.
2) При отклонениях питающего напряжения в пределах ±10% от номинального КРМСН обеспечивает стабильный уровень напряжения потребителей на уровне 220±0,4%.
3) Величина коэффициента искажения синусоидальности напряжения у потребителя в зависимости от режима работы подстанции с КРМСН составляет от 5 до 11%.
4) При активно-индуктивном характере нагрузки с Км=0,84 КРМСН совместно с дискретной ступенью компенсации реактивной мощности (БКК) обеспечивают коэффициент мощности на входе подстанции в пределах от 0,99 до 0,999.
5) При снижении общего КПД подстанции за счет введения в ее состав КРМСН в среднем на 4% получаем повышение коэффициента мощности на входе подстанции на 16% по сравнению с той же подстанцией без КРМСН. Так среднее повышение энергоэффективности подстанции при применении КРМСН по данным эксперимента составило 12%.
Список литературы
1. Иньков Ю.М., Климаш В.С. Компенсаторы реактивной энергии сети со стабилизацией напряжения нагрузки. М.: Электричество, 2003. № 12. С. 11-16.
2. Солодухо Я.Ю. Состояние и перспективы внедрения в электропривод статических компенсаторов реактивной мощности (обобщение отечественного и зарубежного опыта). Реактивная мощность в сетях с несинусоидальными токами и статические устройства для ее компенсации. М.: Информэлектро. 1981. 88 с.
3. Розанов Ю.К. Основные этапы развития и современное состояние силовой электроники. М.: Электричество, 2005. № 7. С. 52-61.
4. Иньков Ю.М., Климаш В.С., Светлаков Д.П. Компенсаторы неактивной энергии со стабилизацией напряжения трансформаторной подстанции. М.: Электротехника, 2007. № 7. С. 34-37.
5. Иньков Ю.М., Климаш В.С., Климаш С.В., Жемчужина Е.А. Исследование электротехнического комплекса в среде Ма^аЬ с применением специализированных модулей. М.: Электротехника, 2017. № 9. С. 13-18.
6. Климаш С.В., Власьевский С.В. Исследование вольтодобавочно-го устройства с транзисторным преобразователем фазы в составе трансформаторной подстанции // Труды II Всероссийской научно-практической конференции. Электропривод на транспорте и в промышленности, ДВГУПС, 2018. С. 11-16.
7. Патент РФ на изобретение №2648690. Компенсатор реактивной мощности со стабилизацией напряжения трансформаторной подстанции. / С.В. Власьевский, С.В. Климаш // Опубл. Б.И. №10.
8. Патент РФ на изобретение №2579437. Система автостабилизации трехфазного синусоидального напряжения трансформаторных подстанций / С.В. Власьевский, С.В. Климаш // Опубл. Б.И. №10.
9. Климаш С.В., Климаш В. С., Власьевский С.В. Специализированные модули для исследования энергетических показателей электротехнических устройств в среде МА^АВ // Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова: Электротехнические системы и комплексы, 2017. №4. С. 11-16.
10. Климаш С.В., Власьевский С.В. Исследование вольтодобавоч-ного устройства с транзисторным преобразователем фазы в составе трансформаторной подстанции // Труды II Всероссийской научно-практической конференции. Электропривод на транспорте и в промышленности, ДВГУПС, 2018. С. 11-16.
Климаш Степан Владимирович, аспирант, klimash90 7@mail. ru, Россия, Хабаровск, Дальневосточный Государственный Университет Путей Сообщения,
Власьевский Станислав Васильевич, д-р техн. наук, профессор, vlasafestu.khv.ru, Хабаровск, Дальневосточный Государственный Университет Путей Сообщения
ENERGY INDICATORS OF THE KRMSN-TP SYSTEM IN DYNAMIC MODES
S. V. Klimash, S. V. Vlasyevsky
The problem of unloading networks from reactive power and voltage equalization at consumers is considered. To solve it, a reactive power compensation system with voltage stabilization of a transformer substation is proposed. Investigations in MATLAB were carried out, in which the energy indicators of the system were determined when operating in conditions of deviation andfluctuations of the mains voltage.
Key words:voltage stabilization, reactive power compensation, Power factor, efficiency factor, mathematical model, current distortion factor, non-sinusoidal voltage coefficient.
Klimash Stepan Vladimirovich, postgraduate, Klimash90 7a mail. ru, Russia, Khabarovsk, Far Eastern State University,
Vlasyevsky Stanislav VasiVevich, doctor of technical sciences, professor, vlasafestu. khv. ru, Russia, Khabarovsk, Far Eastern State University
УДК 621.31
ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ТРУДА ОПЕРАТИВНОГО ПЕРСОНАЛА ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ С ТРВД
О.В. Маслеева, А.Н. Фитасов, С. А. Петрицкий, С.Н. Юртаев
В статье приведены результаты оценки вредного воздействия электромагнитного поля промышленной частоты на здоровье оперативного персонала, обслуживающего твердотельные вольтодобавочные устройства в распределительных сетях 610 кВ. Были рассчитаны величины напряженности электрического поля, емкостного тока через тело человека при эксплуатации твердотельного вольтодобавочного устройства, подключенного в сеть 6 кВ и проведен акустический расчет для рабочего места оперативного персонала, персонала проводящего исследования, наладку и обслуживание ТРВДН. Сравнение полученных результатов с допустимыми величинами по санитарным нормам показало, что применение твердотельных вольтодобавочных устройств в электрических сетях 6-10 кВ практически не оказывает негативного воздействия на здоровье обслуживающего персонала.
Ключевые слова: электромагнитное поле, емкостной ток, оперативный персонал, твердотельное вольтодобавочное устройство.
При электроснабжении энергоудаленных потребителей, получающих питание по протяженным распределительным электрическим сетям (РЭС) 6-10 кВ, одной из актуальных задач является регулирование
68
