Определение оптимальных параметров компенсирующего устройства со ступенчатым регулированием Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.331

Ю. В. Москалев

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМПЕНСИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА СО СТУПЕНЧАТЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

В статье рассмотрена возможность сниження потерь активной мощности в распределительного электрического сети стационарных железнодорожных предприятий за счет применения компенсируюгцего устройства со ступенчатым регулированием. Предложен подход для определенгт оптимальных параметров компенсирующего устройства со ступенчатым регулированием реактивной могцности по фазам

Одним из приоритетных направлений научных исследований является разработка и совершенствование способов экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов. Появление современных высокопроизводительных ЭВМ позволило решать разнообразные сложные задачи численными методами и в области энергосбережения. Широкое внедрение микропроцессорных устройств обеспечило новый подход к решению многих задач во всех областях техники.

В области снижения потерь электрической энергии известно множество организационно-технических мероприятий [1]. Среди них важное место занимает компенсация реактивной мощности, применяемая в электрических сетях различного назначения [2, 3].

При проектировании компенсирующего устройства (КУ) стремятся увеличить количество его функций, т. е. использовать его для компенсации реактивной мощности и улучшения качества электроэнергии (КЭ) по нескольким показателям ГОСТ 13109-97.

Современные КУ, схемотехнической основой которых является четырехквадрантный преобразователь, позволяют полностью компенсировать все составляющие неактивной мощности практически во всех режимах работы электроприемников [4, 5]. При этом высокая стоимость элементной базы, сложность системы управления ограничивают широкое распространение подобных устройств.

Электрическая нагрузка в большинстве случаев изменяется во времени, это необходимо учитывать при проектировании и применении КУ. Наибольший технический эффект, заключающийся в снижении потерь и улучшении КЭ, возможен при идеальном плавном регулировании реактивной мощности КУ [3], но это редко экономически целесообразно.

Рассмотрим подход к определению оптимальных параметров КУ со ступенчатым регулированием для низковольтной сети 220/380 В железнодорожного предприятия. Структура КУ приведена на рисунке 1. Двухполюсники в виде ХС-цепей подключаются на линейные напряжения сети, параметры конденсаторов С\ и Сг, индуктивности Ь антирезонансных дросселей одинаковы у всех двухполюсников. Бесконтактные ключи на тиристорах УЗ} и позволяют изменять количество подключенных конденсаторов к сети.

Таким образом, КУ позволяет дискретно регулировать реактивную мощность и уменьшать несимметрию токов и напряжений. Шесть бесконтактных ключей могут находиться в двух состояниях (включено - отключено), поэтому КУ может находиться в 26 = 64 состояниях.

Рисунок 1 - Структура КУ со ступенчатым регулированием

74 ИЗВЕСТИЯ Транссиб^ Ир

06301360

Для каждого значения потребляемых активной и реактивной мощностей нагрузкой при одном из 64 состояний КУ потери активной мощности в сети будут минимальны. Реализация системы управления переключением бесконтактных ключей возможна с использованием современных микропроцессорных устройств.

Необходимо определить оптимальные значения параметров С\ и Сг, индуктивности Ь, при которых потери мощности в сети минимальны:

N

АР = -» тт,

/=1

(1)

где /V- количество ветвей распределительной сети;

Ш - активные сопротивления элементов электрической сети, Ом; /, - действующие значения токов в элементах электрической сети, А. Для решения задачи рассмотрим электрическую цепь, состоящую из распределительного трансформатора (Т), кабельной линии (КЛ), эквивалентной нагрузки железнодорожного объекта (Н) и КУ со ступенчатым регулированием (рисунок 2).

Уа(Т) Га(кл)

В

Гв(т) Гв(кл)

с

Хс(т) Гс(кл)

N

Го(т) У>Т(кл)

^ А

-

Щку)

7(

С1(ку)

У,

С2(ку)

■Цку)

У,

С1(ку)-

У.

С2(ку)-

Щку)

-С1(ку)-

Гс.2(ку)-

■А(н)

-В(н)

- С(н)

Рисунок 2 - Расчетная схема для определения оптимальных параметров КУ

При описании электрической сети с учетом трех фаз и нулевого провода минимизация потерь мощности в ее элементах предполагает одновременное снижение несимметрии и установившегося отклонения напряжения, так как минимум потерь будет в случае протекания только активных составляющих токов прямой последовательности [2, 6]. Аналитическую зависимость между ЭДС, проводимостями, токами и напряжениями можно установить с использованием любого классического метода анализа электрической цепи. В расчете использован метод узловых потенциалов:

/ = г • 5 (з - у_Е) |+ (2)

где Е - вектор-столбец комплексных ЭДС ветвей, В;

/- вектор-столбец комплексных узловых токов (нулевой), А; У- диагональная матрица комплексных проводимостей ветвей, См; I- вектор-столбец комплексных токов ветвей, А; £ - матрица связи.

Проводимости распределительного трансформатора ТМ-1000/10, приведенные к обмотке низкого напряжения, приняты (25,8 10,7) См, проводимость для токов нулевой последо-

=ИВНЕСТИЯ Транссиба 75

вательности принята на 10 % меньше проводимости фазы. Проводимости фаз КЛ с алюминиевыми жилами - (94,2 ^29,2) См.

Для полного информационного обеспечения задачи необходимо знать законы изменения потребляемых мощностей. В большинстве случаев единичный приемник и группа электроприемников имеет случайный характер графиков нагрузок, которые описываются с использованием нестационарных случайных процессов [7].

Для решения задачи необходимо использовать детерминированные составляющие нестационарных случайных процессов изменения потребляемых мощностей, методика их определения приведена в работе [8]. Значения потребляемых активной и реактивной мощностей на суточном интервале с осреднением в два часа приведены в таблице.

Допущения при расчете: рассматривается только основная частота; питающее напряжение содержит только прямую последовательность с действующим значением 220 В; параметры трансформатора и кабельной линии постоянны; для случайных нестационарных процессов потребления мощностей в расчете рассматривается только изменение математического ожидания.

Пояснить предложенный подход можно с использованием блок-схемы, приведенной на рисунке 3.

Минимизация потерь мощности с использованием оптимизационного метода нулевого порядка (управляемые переменные С\ и Со)

Переменные, определяющие завершение оптимизации

Ст, С2

Определение минимальных потерь мощности для всех сочетаний мощностей

ДЛ Р аЪ ОаЬ РЪЬ ОьЪ ^сЬ 0с1 Е

Д Рм РаМ, ОаМ, Ръм, Оьм, Рш, 0.

М /

АР = М

Ско, С2(Г)\

А А

^—I—

V_

Д Р, Раь О^аь Рьь С>Ъъ Рсь Qci

_____I_____|_____|_____I

'сМ <--—!-----1-----1-----

АР,

Вывод оптимальных значений С\ и Со

Определение потерь мощности для 64 состояний ключей КУ

0 0 0 0 0 0 АРХ

0 10 10 0 АР

к

АР] = 1ШП (АР к)

64

Рисунок 3 - Определение оптимальных параметров КУ

Для каждого «сечения» графика нагрузок при определенном состоянии ключей КУ потери мощности в сети будут минимальными. С использованием оптимизационного метода нулевого порядка [9] можно определить параметры конденсаторных батарей и дросселя, при

76 ИЗВЕСТИЯ Транс<1!11^^ИИ11

06301360

которых будет иметь место минимум потерь активной мощности в среднем для всех сочетаний потребляемых мощностей.

Защита конденсаторных батарей от перегрузок токами высших гармоник и возможных параметрических резонансов обеспечивается антирезонансными дросселями. Как известно, наибольший удельный вес в спектре высших гармоник тока (напряжения) в электрической сети промышленных и железнодорожных предприятий имеют нечетные гармоники. Относительные значения величин высших гармоник (относительно гармоники основной частоты) зависят от множества факторов. Для уменьшения влияния гармоник на конденсаторы КУ необходимо обеспечить резонанс напряжений в последовательной LC-цепи для всех возможных значений емкостей (Сi, С2, С\ + С2) на частоте ниже 150 Гц. При этом величина индуктивности дросселя

L= 2 2 1 . (3)

где Урез - резонансная частота (в расчетах принята 135 Гц), Гц.

Для решения задачи на языке высокого уровня составлена программа.

В результате расчета получены оптимальные значения емкостей конденсаторных батарей: С1 = 460 мкФ, С2 = 930 мкФ и индуктивности дросселя: L = ЗмГн.

Потери мощности и показатели качества электроэнергии с применением КУ и без него приведены в таблице.

Исходные данные для определения оптимальных параметров КУ и результаты расчета

Время Ед.изм. 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00

Детерминированные составляющие нестационарных случайных процессов

Ра кВт 30 30 30 50 100 100 180 100 150 100 50 30

Qa квар 20 20 20 24 80 80 50 80 80 60 20 20

Pb кВт 30 30 30 80 120 150 220 120 174 100 60 30

Qb квар 20 20 20 30 100 100 50 80 150 50 20 20

Рс кВт 30 30 30 70 150 150 240 150 150 116 60 30

Qc квар 20 20 20 30 100 116 100 60 100 50 20 20

Потери мощности и показатели качества электроэнергии без использования КУ

АР' кВт 0,95 0,95 0,95 4,07 16,99 19,18 33,56 14,94 25,49 9,76 2,65 0,95

mY % 0,65 0,65 0,65 1,32 2,70 2,89 3,86 2,53 3,33 2,10 1,09 0,65

K2U % 0,00 0,00 0,00 0,17 0,20 0,40 0,51 0,23 0,40 0,15 0,06 0,00

Kov % 0,00 0,00 0,00 0,60 1,18 0,93 0,80 1,15 1,16 0,20 0,24 0,00

Потери мощности и показатели качества электроэнергии с использованием КУ

АР" кВт 0,69 0,69 0,69 3,58 11,81 13,20 31,22 11,76 18,68 8,04 2,42 0,69

8Uy % 0,65 0,65 0,65 1,23 2,23 2,40 3,75 2,23 2,84 1,91 1,00 0,65

K2U % 0,00 0,00 0,00 0,17 0,18 0,13 0,01 0,16 0,25 0,07 0,09 0,00

Kov % 0,00 0,00 0,00 0,60 1,18 0,93 0,80 1,15 1,16 0,20 0,24 0,00

Снижение потерь активной мощности в элементах электрической сети

АР' -АР" кВт 0,26 0,26 0,26 0,49 5,18 5,98 2,34 3,18 6,81 1,72 0,23 0,26

Как видно из данных таблицы, показатели КЭ с использованием КУ и без них находятся в пределах норм ГОСТ 13109-97, при этом происходит снижение потерь активной мощности за счет компенсации реактивной мощности. Количественно снижение потерь активной энергии за сутки составит 54 кВт-ч (с учетом интервала осреднения в 2 часа). За год при заданных нагрузках снижение потерь энергии составит 19710 кВт-ч. Гели принять стоимость электроэнергии 2 р./кВт-ч, то в денежном выражении это составит около 40 тыс. р. для одного КУ со ступенчатым регулированием.

=ИВНЕСТИЯ Транссиба 77

Таким образом, при реализации КУ со ступенчатым регулированием необходимы капитальные затраты на силовую часть КУ и микропроцессорную систему управления, в связи с этим срок окупаемости составит примерно от трех до шести лет.

На основании изложенного можно сделать выводы.

1. Применение КУ со ступенчатым регулированием позволит более эффективно снижать потери электроэнергии, так как КУ будет иметь оптимальную структуру для каждого возможного значения потребляемых мощностей.

2. Для упрощения подбора конденсаторных батарей из единичных при необходимости можно дополнительно осуществить целочисленную оптимизацию.

3. Использование бесконтактных ключей на тиристорах позволит осуществлять бездуговую коммутацию конденсаторных батарей с высоким быстродействием (до 10 мс).

4. Для рассмотренной структуры КУ достаточно использование по одному антирезонансному дросселю в каждом двухполюснике, что позволит уменьшить единовременные капительные затраты на силовую часть КУ.

5. Количественные показатели технического и экономического эффектов зависят от нескольких факторов: состава и режимов работы электроприемников групповой нагрузки, параметров элементов цеховых и внешних сетей, выбранного критерия оптимальности и др. В каждом случае экономический эффект необходимо определять отдельно с учетом особенностей системы электроснабжения и нагрузок.

Список литературы

1. Железко, Ю. С. Стратегия снижения потерь и повышения качества электроэнергии в электрических сетях [Текст] / Ю. В. Железко // Электричество. 1992. — № 5. - С. 6 - 12.

2. Определение оптимальных узлов подключения и параметров нерегулируемых корректирующих устройств в низковольтных распределительных сетях для снижения потерь и улучшения качества электроэнергии [Текст] / В. Д. Авилов, В. Г. Аввакумов и др. // Промышленная энергетика. - 2009. - № 11. - С. 22 - 26.

3. Кудрин, Б. И. Электроснабжение промышленных предприятий [Текст] / Б. И. Кудрин. -М.: Интермет Инжиниринг, 2005. - 672 с.

4. Розанов, Ю. К. Цифровая система управления статическим компенсатором реактивной мощности [Текст] / Ю. К. Розанов, К. С. Кошелев, M. Н. Смирнов // Электричество. 2006. -№7.-С. 25-30.

5. Improving Passive Filter Compensation Performance With Active Techniques [Text] / D. Rivas, L. Morân, J. W. Dixon, J. R. Espinoza//IEEE Transactions on industrial electronics. 2003. -№ 1. - C. 232-238.

6. Аввакумов, В. F. Постановка и решение электроэнергетических задач исследования операций [Текст] / В. Г. Аввакумов. - Киев: Вища школа, 1983. - 240 с.

7. Шидловский, А. К. Введение в статистическую динамику систем электроснабжения [Текст] / А. К. Шидловский, Э. Г. Куренный. - Киев.: Наукова думка, 1984. - 273 с.

8. Никитин, Ю. М. Метод статистического исследования нестационарных случайных процессов в электроснабжении [Текст] / Ю. М. Никитин // Электричество. 1971. - № 2. - С. 25 -30.

9. Банди, Б. Методы оптимизации. Вводный курс [Текст] / Б. Банди - М.: Радио и связь, 1988.- 128 с.

78 ИЗВЕСТИЯ Транссиб^ ЩИ

06301360