CC BY
1
The article reveals that the level of efficiency in the electricity use at industrial enterprises depends on factors, the values of which are represented by quantitative and qualitative data, including expert estimates. It is proposed to use methods of system analysis and artificial intelligence when creating a model for studying the electricity consumption processes, which will make it possible to find a more reasonable assessment of the electricity efficiency use than when using mathematical models based on working with information presented in quantitative form. A fuzzy neural network is used to automatically generate knowledge with its subsequent application in the fuzzy logical inference mechanism.
Key words: energy efficiency, neural network, electricity, mathematical model, fuzzy logic, electricity consumption, knowledge base.
Biryulin Vladimir Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Kudelina Daria Vasilievna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University
УДК 621.311.1.018.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-414-415
ВЛИЯНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ НА КОНДЕНСАТОРНЫЕ БАТАРЕИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Чжан Цзысюань, В.А. Сериков, В.Н. Костин
Выполнен анализ режимов работы систем электроснабжения с нелинейной нагрузкой и линейной нагрузками и конденсаторной батареей. Нелинейная нагрузка, линейная нагрузка и конденсаторная установка подключена к обмотке распределительного трансформатора 110/10 кВ. Рассмотрены режимы суточного изменения линейной нагрузки и соответствующего регулирования мощности конденсаторной батареи для системы электроснабжения среднего напряжения. Определены мощности конденсаторов, при которых возникают резонансные режимы на канонических гармониках. Показано, что при суточном регулировании мощности конденсаторных батарей, качество напряжения может не соответствовать требованиям показателей качества электроэнергии, а сами конденсаторные установки могут быть перегружены токами высших гармоник.
Ключевые слова: имитационное моделирование, нелинейная нагрузка, высшие гармоники, качество напряжения, конденсаторная батарея, токовая перегрузка.
Причиной появления в электрических сетях высших гармоник тока и, следовательно, причиной искажения кривых тока являются нелинейные элементы. Растекание гармоник тока по распределительной сети, имеющей сопротивления, обуславливает появление высших гармоник напряжения и, соответственно, искажение формы напряжения. В качестве нелинейной нагрузки могут выступать вентильные преобразователи, которые широко применяются в промышленности для регулируемого электропривода, электролизных установок, гальванических ванн и других электротехнологических установок, а также на электрифицированном железнодорожном транспорте [1-6].
Высшие гармоники напряжения и тока негативно влияют практически на все элементы системы электроснабжения. Основными факторами негативного воздействия гармоник на элементы системы электроснабжения являются [7-12]:
- значительное увеличение токов высших гармоник вследствие резонансных явлений;
- снижение эффективности процессов генерации, передачи, использования электроэнергии;
- ускорение старения изоляции электрооборудования и сокращение вследствие этого срока его службы;
- ложные срабатывания некоторого оборудования.
В настоящей работе рассматривается система электроснабжения, включающая трансформатор Т напряжением 110/10кВ, работающий на линейную (Н) и нелинейную (выпрямитель В) нагрузки и конденсаторную батарею (БК), предназначенную для компенсации реактивной мощности линейной нагрузки (см. рис. 1).
Исследование режимов работы рассматриваемой системы электроснабжения выполняется в программных комплексах Multisim и Simulink МЛТЬЛБ. Multisim обладает интерактивной схемотехнической средой для мгновенной визуализации и анализа режима электрических и электронных схем. Simulink МЛТЬЛБ содержит библиотеку блоков SimPowerSystems для имитационного моделирования электротехнических устройств. Используя возможности Simulink и SimPowerSystems, можно не только имитировать работу устройств во временной области, но и выполнять различные виды анализа режимов.
Трансформатор Т рассматривался как источник питания СЭС и представлялся трехфазной системой напряжений Ц1, Ы2, П3 за приведенными к стороне низкого напряжения активным и индуктивным сопротивлениями
Я = ки"н 103 и Хт = ^%и™ 103, (1)
т я2 т 100^
° т ном Ши^т ном
где АРк - потери мощности (кВт) в режиме номинальной нагрузки трансформатора (потери короткого замыкания).
419
ивкВ
10кВ
т
-и- в
И
ы<
Рис. 1. Система электроснабжения
По индуктивному сопротивлению рассчитывалась индуктивность трансформатора
Ьт = Хт/ю = Хт/2/=Хт/314. (2)
Нелинейная нагрузка представлялась трехфазным мостовым выпрямителем, собранным на виртуальных диодах Б ... Бе и работающим на некоторую нагрузку, представленную активным сопротивление Ка. Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока последовательно с сопротивлением Ка включалась индуктивность Ьа.
Батарея конденсаторов моделировалась тремя виртуальными емкостями Ск, соединенными по схеме «звезда», которые опрелялись по выражению:
Ск = бк /юС2. (3)
где бк - мощность батареи конденсаторов, квар.
Линейная нагрузка моделировалась по схеме с последовательным соединением активного сопротивления Кн и индуктивности Ьн.
Моделирование режимов работы системы электроснабжения. Исследования проводились для типового ряда мощностей трансформаторов 110/10 кВ (6300, 10000, ... 63000 кВ-А). Основные параметры этих трансформаторов приведены в табл. 1.
Для обобщенности и большей наглядности результатов моделирования все регулируемые мощности представлялись в относительных единицах по отношению к номинальной мощности трансформатора:
- мощность нелинейной нагрузки Р*а = Ра / 5т ном;
- мощность линейной нагрузки 5*н = 5н / 5т ном;
- мощность конденсаторной батареи б к к / 5т ном
Таблица 1
Параметры трансформаторов 110/10 кВ __
5т но!^ кВА и, % ДРк, кВт Кт, Ом Х, Ом Ьт, мГн
6300 10,5 44,0 0,134 2,02 6,42
10000 10,5 60,0 0,073 1,27 4,05
16000 10,5 85,0 0,040 0,79 2,53
25000 10,5 120,0 0,0423 0,87 2,77
40000 10,5 170,0 0,0234 0,54 1,73
63000 10,5 260,0 0,0144 0,34 1,10
Известно, что компенсация реактивной мощности позволяет снизить потери напряжения и мощности в СЭС за счет перераспределения потоков реактивной мощности. Чаще всего эта компенсация выполняется подключением параллельно линейной нагрузке конденсаторных батарей. Однако в системах электроснабжения с нелинейной нагрузкой такая компенсация обуславливает ряд проблем [1-12]:
- искажение формы питающего напряжения;
- резонансные явления на частотах высших гармоник, обуславливающие токовую перегрузку конденсаторов;
- дополнительные потери напряжения и мощности в трансформаторах, кабелях распределительной сети и электрических машинах.
Конденсаторы наиболее чувствительны к гармоническим искажениям тока и напряжения, которые имеют наибольший негативный эффект в резонансных режимах. Поэтому в результате моделирования были оценены в относительных единицах мощности конденсаторных батарей, при которых возникает резонансный режим для канонических гармоник п = 6к ± 1.
Таблица 2
Мощности конденсаторных батарей, вызывающие резонанс___
5т ном, кВ-А и, % п 5 7 11 13 17 19
6300..16000 10,5 е*к 0,35 0,18 0,07 0,05 0,03 0,02
25000..63000 10,5 0,20 0,10 0,04 0,03 0,02 0,01
Очевидно, что указанные в табл. 2 и близкие к ним мощности бк* нецелесообразно устанавливать для компенсации реактивной мощности. При необходимости установки конденсаторной батареи близкой по мощности следует использовать средства подавления высших гармоник.
Результаты моделирования при оценке влияния высших гармоник на токовую перегрузку конденсаторов. В качестве примера приводятся результаты моделирования для трансформатора номинальной мощности 5т ном 10000 кВ-А.
На рис. 2 приведена осциллограмма тока через конденсаторы при резонансе на 13-й гармонике (Р*а = 0,2; 5*н = 0,4; ^ф = 0,8; б*к = 0,05)
На рис. 3 приведены осциллограммы тока через конденсаторы для режима между резонансами на 7 и 11 гармониках (Р*а = 0,2, 5*н = 0,4; cosф = 0,8; б*к = 0,112).
Таким образом, были смоделированы резонансный и межрезонансный режимы. В резонансном режиме, показанном на рис. 2, резонирующая 13 гармоника тока превышает основную в 1.8 раза,что видно из графика гармонических составляющих, а кривая тока БК сильно искажена.
В межрезонансном режиме высшие гармоники токов БК меньше основной гармоники тока. В случае, когда мощностью нелинейной нагрузки равна 20% (Р*а = 0,2, на рис. 3) коэффициент токовой перегрузки конденсаторов имеет допустимое значение. Однако в результате моделирования было установлено, что при увеличении мощности нелинейной нагрузки Р*а > 0,3 усиливается искажение кривой тока конденсаторных батарей, амплитуда гармоник тока увеличивается, вследствие чего увеличивается коэффициент токовой перегрузки и является недопустимым для данного режима.
Ж
ТТЛ
Г"
:........Г"ТШ'
ell
«IP*
ft г»; и +
U-Tl
Т«те Charrd J
ЗД-ЭДв» JS.+iJrM ?"H-7i3=e JS.+Umtf
OumJA Sole: 50m
1 EKt-t4oef
-r Sate: SfcVOv Edjt E:..r
мхи. ;T..-: 0 YpO*-(&v): 0 Vpo»-(C»v>: 0 UvH: ] V
ijcJLoJtfisJ [*г;Го~;гбет -
Fundamental (50Hz) = 38.03 , THD= 192.79%
11 .iilfll ■ ■ i. -.
10 15 20 25 30 35 40
Harmonic order
а б
Рис. 2. Осциллограмма тока через батарею конденсаторов при резонансе на 13 гармонике - (а) и спектральный состав тока через БК - (б)
л! 11/1 1 : АЙ 1 ■ AII
It F А : ИЛ « Ч If
N w ..* г'
ft
Fundamental (50Hz) = 86.34 , THD= 76.90%
11 ■». К *■ 4 j
Т2-Т1
iW * -Sumo) & -i»3?JmV
4)1.323 DW
Baft»«
II II
II
Stdn 5пь(Гти icit: I Stilt: SkV/Crv tijt.
П T(kK.<L»vi: D fptri^ttii; О Invd; g у q 5 10 15 20 25 30 35 40
¡BPTlirli'FI ®ШВ ■ liCjlAjStlLJ IwUllwM'iMBili^ Harmonic order
a 6
Рис. 3. Осциллограмма тока через батарею конденсаторов для режима между резонансами на 7 и 11 гармониках - (а) и спектральный состав тока через БК - (б) при P*d = 0,2
Поэтому в исследовании при моделировании режимов изменялась мощность нелинейной нагрузки в диапазоне P*d = 0,1...0,6. Для каждого значения P*d мощность линейной нагрузки изменялась таким образом, чтобы суммарная загрузка трансформатора не превышала 0,7, так как в промышленности, как правило, трансформаторы не загружаются более, чем на 70% от номинальной мощности. Мощность конденсаторных батарей определялась по реактивной мощности линейной нагрузки при условии, что на шинах 10 кВ коэффициент реактивной мощности должен быть tg ф < 0.4.
На рис. 4 приведены результаты компьютерного моделирования режимов - зависимости коэффициента токовой перегрузки конденсаторов Кпер от загрузки трансформатора. Допустимые значения коэффициентов указаны пунктирной горизонтальной линией.
~»-Pmd-06
-fd-0 5
-F'd- 0.4
-P'd" 0 }
-F'd- о:
-Pmd-0.1
- - *Kdon.n£p
0,1 0Д 0,3 0,4 0.5 0.6
(0,028) (0,056) (0,084) (0,112) (0,14) (0,16!)
Рис. 4. Зависимость коэффициента К„ер от загрузки трансформатора 10000 кВА
Полученная зависимость наглядно демонстрирует, что допустимые режимы имеют место между резонансами на 7-й (0к* « 0,18) и 11-й (0к* « 0,07) гармониках, однако лишь для значений Р*а < 0,2.
421
Таким образом, для рассматриваемой системы при суточном изменении линейной нагрузки и соответствующем изменении мощности конденсаторной батареи практически невозможно избежать перегрузки конденсаторов токами высших гармоник.
Результаты моделирования при оценке влияния высших гармоник на качество напряжения. Гармоники тока, генерируемые трехфазным мостовым выпрямителем, в результате воздействия на эквивалентное сопротивление системы вызывают появление гармонических составляющих напряжения соответствующей частоты. ГОСТ 32144-2013 нормирует значение коэффициентов гармонических составляющих напряжения Ки(п) до 40-го порядка в процентах от основной гармоники напряжения и значение суммарного коэффициента гармонических составляющих, определяемого по формуле:
Ж
Ки% =\- (4)
Значение суммарного коэффициента несинусоидальности напряжения в распределительных сетях 10 кВ должно быть не более 5%.
В результате компьютерного моделирования определены суммарные коэффициенты гармонических составляющих напряжения Ки, автоматически определяемые в программной среде 5ши1ткМЛТЬЛЕ после разложения в ряд Фурье периодической кривой фазного напряжения на выходе трансформатора.
В качестве примера приведены результаты моделирования для трансформатора номинальной мощности 5т ном 10000 кВ-А.
В табл. 3 приведены значения Ки для Р*а = 0,1 ..0,6 при отсутствии конденсаторной батареи.
Таблица 3
Значения коэффициента несинусоидальности напряжения^ при отсутствии конденсаторной батарее
Р*а 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Ки% 3,46 5,72 7,54 9,12 10,52 11,97
На рис. 5 приведены зависимости коэффициента Ки от загрузки трансформатора при изменении мощности БК. Допустимые значения коэффициентов указаны пунктирной горизонтальной линией.
Полученные зависимости Ки от загрузки трансформаторов показывают, что на всем диапазоне регулирования мощности БК допустимые режимы по качеству напряжения имеют место лишь при Р*а < 0,1 и в режиме между резонансами на 7 и 11 гармониках (бк*= 0,1 ... 0,14).
Таким образом, при работе конденсаторных батарей усиливаются искажения высших гармоник напряжения, которые увеличивают значение коэффициента Ки, имеющее наибольшую величину в резонансных режимах.
40
35 30 25 20 15 10 5 0
0.1 ОД 0.3 0,4 0.5 0,6
(0,02!) (0.056) (0,05-1) (0,П2) (0,11) (0.165)
Рис. 5. Зависимость коэффициента Ки от загрузки трансформатора 10000 кВА
Заключение. На основе компьютерного моделирования получены количественные данные для оценки негативного влияния высших гармоник на конденсаторные батареи и качество напряжения в системах электроснабжения 110/10 кВ с трансформаторами различной мощности, линейной и нелинейной нагрузками и конденсаторной батареей.
Показано, что в системах электроснабжения с нелинейной нагрузкой использование конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности линейной нагрузки заметно ухудшает качество напряжения в части его гармонического состава.
Установлено, что для рассматриваемых систем при суточном изменении линейной нагрузки и соответствующем изменении мощности конденсаторной батареи практически невозможно избежать перегрузки конденсаторов токами высших гармоник и выполнить нормативные требования к качеству напряжения.
Для подавления высших гармоник в рассматриваемых системах электроснабжения необходимо рассмотреть работу фильтрокомпенсирующих устройств для обеспечения нормируемых показателей качества электроэнергии и токовой перегрузки конденсаторов, что является задачей для дальнейшего исследования.
Список литературы
1. Сычев Ю.А. Анализ несинусоидальных режимов в системах электроснабжения горных предприятий с нелинейной нагрузкой и конденсаторными установками / Ю.А. Сычев, В.Н. Костин, В.А. Сериков, Аладьин М.Е. // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023. № 1. С. 159-179. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_1_0_159.
2. Сычев Ю.А. К вопросу о способе определения коэффициента мощности при несинусоидальных режимах / Ю.А. Сычев, М.С. Ковальчук, А.В. Кривенко, В.А. Сериков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 5. С. 473-482.
Кс -РЧ-О!
-Р*4=0.2 -Р*й = 0.3
-Р'с1= 0.4
-Р'ё=0.5
— — . Ки доп.
(Он*)
3. Костин В.Н. Влияние высших гармоник на качество напряжения и на работу конденсаторных батарей в системах электроснабжения с нелинейной нагрузкой / В.Н. Костин, А.В. Кривенко, В.А. Сериков // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 5. С. 431-441.
4. Костин В.Н. Качество напряжения питающей сети в системах электроснабжения с нелинейной нагрузкой / В.Н. Костин, В.А. Сериков, А.В. Кривенко // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2019. № 6. С. 74-77.
5. Костин В.Н. Качество напряжения питающей сети в системах электроснабжения с нелинейной нагрузкой /
B.Н. Костин, В.А. Сериков В.А. // Материалы Всероссийской научно-практической конференции Проблемы и перспективы развития электроэнергетики и электротехники. Казань. 2019. С. 62-67.
6. Костин В.Н. К вопросу о компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения с нелинейной нагрузкой/ В.Н. Костин, В.А. Сериков, И.А. Шерстенникова // Неделя науки СПБПУ: материалы научной конференции с международным участием. Институт энергетики и транспортных систем, 2018. Ч. 2. С. 95-98.
7. Костин В.Н. Компьютерное моделирование режимов работы систем электроснабжения с нелинейной нагрузкой / В.Н. Костин, В.А. Сериков // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. -2019. Т. 25. №1. С. 19-29. С.19-29. DOI: 10.18721/JEST.25102.
8. Костин В.Н. Моделирование несинусоидальных режимов работы систем электроснабжения / В.Н. Костин, А.В. Кривенко, В.А. Сериков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 7.
C. 394-405.
9. Kostin V.N. Higher harmonics and limiting thereof in power supply systems of different voltages / V.N. Kostin, V.A. Serikov, I.A. Sherstennikova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 378. No. 1. P. 012051. DOI: 10.1088/1755-1315/378/1/012051.
10. Kostin V.N. Modeling of operation modes of electrical supply systems with non-linear load / V.N. Kostin, A.V. Krivenko, V.A. Serikov // Scientific and Practical Studies of Raw Material Issues. 2020. P. 263-271. Doi: 10.1201/9781003017226.
11. Kostin V.N. Research of power supply system modes with nonlinear and linear loads connected to different winding of the transformer / V.N. Kostin, A.S. Krivenko, V.A. Serikov, T.S. Ivanova // Proceedings of the 3rd 2021 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2021. 2021. P 9387988. Doi: 10.1109/REEPE51337.2021.9387988.
12. Sychev Y.A. Developing a hybrid filter structure and a control algorithm for hybrid power supply / Y.A. Sychev, M.E. Aladin V.A. Serikov // International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS). 2020. Vol. 13. No. 3. P. 16251634. DOI: 10.11591/ijpeds.v13.i3.pp1625-1634.
Чжан Цзысюань, магистрант, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Сериков Владимир Александрович, ассистент, serikov.va@bk. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Костин Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент, kostin [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
INFLUENCE OF NONLINEAR LOAD ON CAPACITOR BATTERIES AND OPERATING MODES OF MEDIUM VOLTAGE
POWER SUPPLY SYSTEMS
Zhang ZIxuan, V.A. Serikov, V.N. Kostin
An analysis of the operating modes of power supply systems with nonlinear loads and linear loads and a capacitor bank was carried out. The non-linear load, linear load and capacitor unit are connected to the winding of a 110/10 kV distribution transformer. The modes of daily variation of linear load and corresponding regulation of the power of a capacitor bank for a medium voltage power supply system are considered. The capacitor powers at which resonant modes arise at canonical harmonics are determined. It is shown that with daily regulation of the power of capacitor banks, the voltage quality may not meet the requirements of power quality indicators, and the capacitor units themselves may be overloaded with higher harmonic currents.
Key words: simulation modeling, nonlinear load, higher harmonics, voltage quality, capacitor bank, current
overload.
Zhang ZIxuan, student, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining University, Serikov Vladimir Aleksandrovich, assistant, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining
University,
Kostin Vladimir Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining University
