Разработка методики исследования распространения высших гармоник в электроэнергетических системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Нгуен Динь Дык

• Нгуен Динь Дык
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Динь Дык

Введение.

Глава 1. Электромагнитная совместимость электрооборудования ЭЭС. Распространение высших гармоник при несимметричных режимах и резонансах.

1.1. Влияние высших гармоник тока и напряжения на способность функционирования элементов ЭЭС.

1.2. Анализ распространения высших гармоник в ЭЭС в несимметричных режимах.

1.3. Анализ распространения высших гармоник тока в ЭЭС в условиях резонанса.

Выводы.

Глава 2. Влияние характеристик намагничивания трансформатора на спектр генерируемых им высших гармоник.

2.1. Изменение магнитного поля в магнитопроводе трансформатора под влиянием нагрузки.

2.2. Ток намагничивания понижающего трансформатора как источника высших гармоник.

2.3. Моделирование тока намагничивания трансформаторов в задаче расчета несинусоидальных установившихся режимов систем электроснабжения.

2.4. Программное обеспечение (ПО) при моделировании кривой тока намагничивания магнитопровода для холоднокатанной стали в задаче расчета несинусоидальных установившихся режимов электрических сетей.

2.5. Высшие гармоники в составе кривых тока намагничивания трёхфазного трансформатора.

2.6. Программное обеспечение для моделирования кривых токов намагничивания трёхфазных трансформаторов.

2.7. Оценка влияния нагрузки трансформатора на спектр высших гармоник токов намагничивания.

Выводы.

Глава 3. Цепная модель линии электропередачи с грозозащитным тросом для расчета распространения ВГ.

3.1. Распространение высших гармоник вдоль ЛЭП.

3.1.1. Уравнение распространения высших гармоник прямой (обратной) последовательности. Цепная модель.

3.1.2. Математическая модель цепочки четырехполюсников.

3.1.3. Распределение токов и напряжений вдоль линии при коротком замыкании на ее конце.

3.1.4. Распределение токов и напряжений вдоль цепочки четырехполюсников при нагрузке на ее конце.

3.1.5. П-образная схема замещения цепочки четырехполюсников с нагрузкой на ее конце.

3.1.6. Пример расчета распространения ВГ прямой (обратной) последовательности в ЛЭП.

3.2. Особенности распространение нулевой последовательности ВГ вдоль ЛЭП.

3.3. Выводы.

Глава 4. Методика прогнозирования резонансных явлений.

4.1 Определение частотных характеристик ЭЭС и ее критических узлов с помощью матрицы узловых сопротивлений.

4.1.1. Формирование матрицы узловых сопротивлений.

4.1.2. Применение матрицы узловых сопротивлений для определения резонансной частоты и узлов с большой вероятностью возникновения резонанса.

4.1.3. Особенности собственных значений матрицы узловых сопротивлений при резонансах.

4.2 Анализ резонансных явлений СЭС с помощью матрицы узловых проводимостей.

4.3 Порядок исследования резонансных явлений в ЭЭС.

4.3.1 Общие требования к расчетной схеме.

4.3.2 Формирование расчетной схемы.

4.3.3 Анализ возможности возникновения резонансных явлений в расчетной схеме СЭС.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики исследования распространения высших гармоник в электроэнергетических системах»

Технологические процессы в электроэнергетической системе (ЭЭС) в значительной мере зависят от качества электроэнергии (КЭ). Поэтому они должны быть спроектированы с учетом соответствующих требований по КЭ. Один из распространенных видов электромагнитных помех представляют высшие гармоники тока (ВГ), источниками которых являются как электроприемники с нелинейной вольтамперной характеристикой, так и элементы ЭЭС.

Распространение ВГ, создаваемых источниками тока, зависит от схемы ЭЭС, ее параметров и конструкции.

Эти проблемы глубоко исследуются с целью разработки способов и средств снижения уровня гармоник, применяя расчетно-измерительные методы, математические модели, анализируя последствия, обусловленные искажением формы кривой напряжения.

В целом эти проблемы являются составной частью обеспечения качества электроэнергии в ЭЭС. Решение их должно быть направлено, прежде всего, на:

• проведение научных исследований, направленных на выявление и анализ факторов отрицательного воздействия помех на электрооборудование;

• разработку методов расчета уровней электромагнитных помех и способов их нормализации;

• проведение конструкторских разработок и освоение производства специальных средств обеспечения КЭ;

• проведение организационных мероприятий и разработка нормативных документов;

• проведение проектных разработок по совершенствованию существующих и вновь сооружаемых СЭС, электрических систем и их оборудования.

Исследования в области обеспечения КЭ широко освещены и представлены на международных конференциях CIGRE, CIGRED, PSCC, IEEE, в работе которых в разные годы участвовали и внесли свой вклад российские ученые Железко Ю.С., Зыкин Ф.А., Иванов B.C., Курбацкий В.Г., Кучумов JT.A., Смирнов С.С., Бердин A.C., Салтыков В.М., Карташев И.И. и др.

Тем не менее, проблема обеспечения КЭ как в России, так и за рубежом остается актуальной для современной электроэнергетики. Объяснение этому мы видим в растущем внедрении силовой электроники, что способствует возрастающему влиянию высших гармоник тока на работу как промышленных и бытовых электроприемников, так и на электрооборудование систем электроснабжения и электрических сетей высокого напряжения.

Целью данной работы является разработка методики исследования распространения ВГ в ЭЭС при несимметричных режимах и в условиях резонанса, включая:

- Разработку математического описания и модели трансформатора как источника высших гармоник тока;

- Разработку методов расчета распространения несимметричных высших гармоник в линиях электропередачи (ЛЭП) с учетом влияния грозозащитного троса;

- Разработку методики прогнозирования резонансных явлений в ЭЭС.

Методика исследования.

Для решения вышеперечисленных задач были использованы: гармонический анализ, теория четырехполюсников, метод симметричных составляющих, принцип суперпозиции в теории электрических цепей, математические численные методы (метод наименьших квадратов, алгоритм нахождения собственных значений невырожденных матриц), теория линий с распределенными параметрами.

Для расчетов по разработанным программам, реализующим предложенные методы, использованы пакеты программ MATLAB, MathCAD, P.Spice (США).

Достоверность полученных результатов базируется на фундаментальных классических положениях общей теории электротехники и математики, корректностью выполнения всех теоретических построений, апробацией полученных результатов на многочисленных примерах. Результаты расчета предложенными методами подтверждаются результатами, рассчитанными с помощью широко используемой на практике программы P.Spice.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель для однофазных и трехфазных трансформаторов, отличающаяся от известных тем, что позволяет рассчитать гармонический состав тока намагничивания не только в режиме холостого хода, но и с учетом влияния фактической нагрузки по активной и реактивной мощности.

2. Предложен метод анализа распространения высших гармоник прямой, обратной и нулевой последовательностей (в зависимости от их порядка) в линии с грозозащитным тросом.

3. Разработана методика прогнозирования и анализа резонансных явлений в ЭЭС. Показано, что максимальные собственные значения матрицы узловых сопротивлений (или минимальные значения матрицы узловых проводимостей) (далее — критические собственные значения) на какой-либо частоте являются признаком возможных резонансных явлений в ЭЭС на этой же частоте.

Практическая значимость основных результатов диссертационной работы.

Практическая ценность работы состоит в разработке математических моделей двух основных элементов ЭЭС трансформаторов и ЛЭП, которые могут быть применены в задачах расчета распространения высших гармоник в ЭЭС. Разработанная методика прогнозирования резонансных явлений может быть рекомендована к применению в реальных ЭЭС, при проектировании, исследовании и выборе средств с целью обеспечения нормальных уровней ВГ в этих сетях.

Предложенные модели трансформаторов, ЛЭП и методика прогнозирования резонансных явлений могут быть использованы как в уже существующих программных комплексах, так и могут быть положены в основу новых программ расчета.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Нгуен Динь Дык

Выводы

1) Разработана методика прогнозирования резонансных явлений в СЭС и ЭЭС. Показано, что а) Явно максимальные (минимальные) собственные значения по модулю, а далее - критические собственные значения- матрицы узловых сопротивлений (проводимостей) на какой либо частоте является признаком возможности возникновения резонансных явлений в ЭЭС на этой же частоте. При идеальных резонансных условиях критические собственные значения матрицы узловых сопротивлений равны бесконечности, а критические собственные значения матрицы узловых проводимостей - 0. б) Наибольшая составляющая правого критического вектора указывает на узел с наиболее «ярким» резонансом, а наибольшая составляющая левого критического вектора указывает на узел с наибольшей «возбуждающей» резонанс способностью. в) Узел с наиболее возбуждаемым резонансным свойством («яркостью») при данной частоте одновременно является так же узлом с наиболее возбуждающим при той же частоте.

2) Проведено сравнение двух способов исследования резонансных явлений: с помощью матрицы узловых сопротивлений и матрицы узловых проводимостей. Показано, что а) Два способа имеют равную эффективность и приводят к одинаковому результату. При этом анализ резонансных явлений для простых схем рекомендуется проводить с помощью матрицы узловых сопротивлений, а для сложных - матрицы узловых проводимостей. б) При работе с готовыми программами расчета установившихся режимов ЭЭС, для анализа резонансных явлений рекомендуется использовать тот алгоритм формирования матрицы узловых проводимостей (сопротивлений), который заложен в этой программе. в) Формирование матрицы узловых сопротивлений более сложно в сравнении с матрицей узловых проводимостей, но расчет ее критических (максимальных) собственных значений — проще.

3. Разработаны основные принципы формирования тестовой схемы электрической сети (рис. 4.13), позволяющей методически отработать организационные и технические мероприятия по обеспечению ЭМС установок с источниками искажения в электрических сетях напряжением 220 - 550 кВ. Для тестовой схемы проведен анализ возможности возникновения резонансных явлений с применением предложенной методики. Корректность результатов анализа с помощью данной методики была проверена с помощью программы P. Spice.

Заключение

1) Разработана математическая модель для однофазных и трехфазных трансформаторов, отличающаяся от известных тем, что позволяет рассчитать гармонический состав тока намагничивания не только в режиме холостого хода, но и с учетом влияния фактической нагрузки по активной и реактивной мощности.

2) Для трехфазных трансформаторов проведенный анализ показал, что несимметрия магнитопровода трансформаторов в общем случае приводит к несимметрии высших гармоник фаз А, В и С, в составе токов намагничивания трансформаторов. Степень несимметрии зависит как от нагрузки трансформатора, так и от схемы соединения его обмоток.

3) Разработана методика расчета распространения высших гармоник вдоль ЛЭП. Показано, что при наличии в ЭЭС высших гармоник нулевой последовательности при исследовании резонансных явлений в ЛЭП и при выборе сопротивления заземлителей опор необходимо учитывать влияния грозозащитного троса.

4) Разработана методика прогнозирования резонансных явлений в ЭЭС. Показано, что максимальные (минимальные) собственные значения по модулю (критические собственные значения) матрицы узловых сопротивлений (проводимостей) ЭЭС на какой либо частоте являются признаком возникновения резонансных явлений на этой же частоте. При идеальных резонансных условиях критические собственные значения матрицы узловых сопротивлений равны бесконечности, а критические собственные значения матрицы узловых проводимостей — нулю.

5) Сравнение двух способов исследования резонансных явлений ЭЭС: с помощью матрицы узловых сопротивлений и матрицы узловых проводимостей показало, что два способа имеют равную эффективность и приводят к одинаковому результату. При этом анализ резонансных явлений для простых схем рекомендуется проводить с помощью матрицы узловых сопротивлений, а для сложных - матрицы узловых проводимостей. 6) Для тестовой схемы ЭЭС проведен анализ возможности возникновения резонансных явлений с применением предложенной методики. Корректность результатов анализа с помощью данной методики была проверена с помощью программы P. Spice.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Динь Дык, 2008 год

1. Аррилага Дж. Брэдли Д. Боджер П. Гармоники в электрических системах:Пер. с англ.- М.: Энергоатомиздат, 1990. 320с, ил.

2. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий.- М.: Энергоатомиздат, 1984, 160с, ил.

3. Олег Григорьев и др. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ. «Новости электротехники» №6(18) 2002.

4. Правила устройства электроустановок. 7-ое издание. М: Главгосэнергонадзор России, 2001.

5. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. Минэнерго России № 6 от 13.01.03.

6. IEEE Std 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, 1992.

7. ГОСТ 30206—94 (МЭК 687-92). Статические счетчики ватт часов активной энергии переменного тока (класс точности 0.2s и 0.5s).

8. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.

9. Кучумов JI.A., Кузнецов А.А. Методика расчёта высших гармоник токов намагничивания понижающих трансформаторов. «Электричество» №3/1998.

10. Александров Г.Н. Особенности магнитного поля трансформаторов под нагрузкой. «Электричество» №5/2003.

11. Отчет по научно-исследовательской работе. Проведение исследований распространения высших гармоник тока в энергосистеме и их влияния на помехоустойчивость устройств FACTS. Гос.рег.№ 01200511658, рук. Карташев И.И., 2005г.-120 с.

12. Wilsun Xu, Zhenyu Huang, Yu Cui, Haizhen Wang. Harmonic Resonance Mode Analysis. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 20, NO. 2, April 2005.

13. Коверникова Л.И., Смирнов С.С. Один из подходов к поиску резонансных режимов на высших гармониках. «Электричество» №10/2005.

14. К. Wilkosz, Т. Sulka. Two-State Investigation of Resonances in Power Systems. IEEE MELECON 2006, May 16-19, Benalmadena (Malaga), Spain.

15. Лосев С.Б., Чернин А.Б. Вычисление электрических величин в несимметричных режимах электрических систем.- М.: Энергоатомиздат, 1983, 527с, ил.

16. Петров Г.Н. Трансформаторы. М.: ОНТИ, 1934.

17. Васютинский С.Б. Вопросы и теории и расчета трансформаторов. — Л.: Энергия, 1970.

18. Вольдек А.И. Электрические машины.-Л.: Энергия, 1974, -840с, ил.

19. Костенко М.П. и Пиотровский Л.М. Электрические машины. Т.1.- М.: Госэнергоиздат, 1958, 464с, ил.

20. Александров Г.Н. Передача электрической энергии переменным током. — М.: Знак, 1988.

21. Демирчян К.С. и др. Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Учебник для вузов. Том. 2.-4-е изд. СПб.: Питер, 2004. 576 е.: ил.

22. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Изд. 6-е, перераб. и доп. Учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. М., «Высшая школа», 1973. 752 е.: ил.

23. Веников В.А., Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи переменного и постоянного тока: Учебн. пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 272 е., ил.

24. Lj.Popovic: "General Equations of the Line Represented by Discrete Parameters, Part I Steady State", IEEE Transactionson Power Delivery, Vol.6, No. 1, Jan. 1991, pp.295-301.

25. Крючков И.П. и др. Расчет коротких замыканий и выбор оборудованиям., Академия 2005. 411с. Ил.

26. Амосов А.А. Дубинский Ю.А. Копченова Н.В. Вычисленные методы для инженеров. -М.: Издательство МЭИ, 2003,-594с, ил.

27. Джон Г.Мэтьюз, Куртис Д. Финк. Численные методы. Использование Matlab. Третье издание. Издательский дом «Вильяме»: Москва. Санк-Петербург. Киев. 2001.

28. Срочко В.А. Численные методы: Курс лекций. — Иркутск-: Иркут. ун-т, 2003. 168с.

29. Yuanning Wang, Wilsun Xu. The existence of Multiple Power Flow Solutions in Unbalanced Three-Phase Circuits. IEEE Transactions on Power systems, Vol. 18, NO. 2, May 2003.

30. Чернобронов Н.В. Релейная защита. Изд. 5-е переработанное и доп. М. , «Энергия», 1974. 674 с. с ил.

31. Виктор Петухов, Игорь Красилов. Резонансные явления в электроустановках зданий как фактор снижения качества электроэнергии. «Новости электротехники» №6(24) 2003.

32. IEC 61000-2-2:2000, Electromagnetic Compatibility (EMC), Part 2-2: Environment — Compatibility levels for low frequency conducted disturbances and signaling in public low-voltage power supply systems, 2000.

33. Zhenyu Huang, Wilsun Xu, V.R. Dinavahi. A practical harmonic resonance guideline for shunt capacitor applications, IEEE Transactions on Power Delivery, 2003. Vol.18, Page. 1382-1387.

34. I. J. Perez-Arriaga, G. C. Verghese, F. C. Schweppe. Selective modal analysis with applications to electric power systems. Part. I: Heuristic introduction, IEEE Transactions Power App. Syst, vol. PAS-101, no. 9, pp. 32163134, Sep. 1982.

35. Идельчик В.И. Электрические системы и сети. М.: Энергоатомиздат, 1989,-592с, ил.

36. Карташев И.И, Нгуен Динь Дык. Влияние характеристик намагничивания трансформатора на спектр генерируемых им высших гармоник // Вестник МЭИ.- 2007.- №1.- С. 56-63.

37. Электротехнический справочник. Том 3. М: Издательство МЭИ, 2004, 960с, ил.

38. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений.- М.: Энергоатомиздат, 1986, 462с, ил.

39. Тульский B.H. Развитие методики определения фактического вклада при оценке качества электроэнергии в точке общего присоединения. Дисс. к.т.н.-М. 2004.-134с.

40. Олег Григорьев и др. Компьютер в нагрузку. Журнал "Компьютера" №47.

41. Карташев И. И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения. М.: Издательство МЭИ, 2001.