Электромагнитная совместимость в высоковольтных рудничных сетях с мощными тиристорными электроприводами постоянного тока

Актуальность темы. К мощным нелинейным потребителям электроэнер- гии на современных рудодобывающих предприятиях относятся подъемные уста- новки (ПУ) с электроприводами, выполненными по системе тиристорный преоб- разователь – двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (ТП-Д), которые генерируют в питающую сеть высшие гармонические (ВГ) составляющие токов и напряжений. Это ведет к снижению качества электроэнергии и наруше- нию электромагнитной совместимости, к дополнительным потерям мощности и электроэнергии в элементах высоковольтных систем электроснабжения руднич- ных предприятий. Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) и сни- жение потерь мощности и электроэнергии из-за наличия мощных электроприем- ников с нелинейными вольтамперными характеристиками являются важными и актуальными задачами как для рудодобывающих предприятий в частности, так и для современной энергетики в целом.
Степень разработанности темы. Задачи ЭМС в системах электроснабже- ния различного назначения, улучшения показателей качества электрической энер- гии, снижения потерь мощности, вызванные ВГ составляющими токов и напря- жений, рассматривались как отечественными [1–74], так и зарубежными учёными [75–85].
В решение проблемы ЭМС и улучшения качества электроэнергии в систе- мах электроснабжения различного назначения большой вклад внесли ученые Аб- рамович Б.Н., Агунов А.В., Арриллага Дж., Вагин Г .Я., Добрусин Л.А, Довгун В.П., Егоров А.Н., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Карташев И.И., Ко- верникова Л.И., Корнилов Г.П., Кузнецов Н.М., Николаев А.А., Плащанский Л.А., Розанов Ю.К., Семёнов А.С., Смирнов С.С., Тульский В.Н., Хабигер Э., Akagi H., Bhattacharya S., Baggini A., Chou C.J., Liu C.W., Zamora I. и др. Исследования и разработки таких учёных как Егоров А.Н., Кузнецов Н.М., Плащанский Л.А., Ре- шетняк С.Н., Семёнов А.С. посвящены особенностям построения систем электро- снабжения горных и рудодобывающих предприятий и оценке качества электро- энергии [17, 18, 34, 44–48, 51–54, 59–65, 86, 87].
6
Диссертации Васильева Е.И., Боярской Н.П., Долингера С.Ю., Егорова Д.Э., Жилина Е.В., Клюева Р.В., Колмакова В.О., Коржова Д.Н., Лимарова Д.С., Люта- ревича А.Г., Матиняна А.М., Селезнёва А.С., Сташкова И.А., Темербаева С.А., Третьякова Е.А. посвящены теме обеспечения ЭМС в системах электроснабжения различного назначения и разработке средств компенсации и снижения негативных воздействий ВГ токов и напряжений. В этих трудах рассматриваются причины возникновения ВГ составляющих токов и напряжений, технические средства для их подавления (пассивные, активные и гибридные фильтрокомпенсирующие устройства).
В ряде работ [88–91] рассмотрены некоторые аспекты ЭМС в высоковольт- ных системах электроснабжения горных предприятий, где показывается значи- тельное влияние ВГ на элементы сети. Результаты получены имитационным мо- делированием, что подтверждает актуальность проблемы обеспечения ЭМС и снижения потерь мощности в высоковольтных системах электроснабжения гор- ных и рудодобывающих предприятий. Однако акцент не делается на влияние мощных тиристорных электроприводов, выполненных по системе ТП-Д, работа- ющих в повторно-кратковременных режимах, на ЭМС в рудничных высоковольт- ных системах электроснабжения.
Таким образом, задача обеспечения ЭМС и снижения потерь мощности в высоковольтных рудничных сетях с мощными тиристорными электроприводами ПУ является актуальной.
Объект исследования. Высоковольтная рудничная сеть, питающая мощные тиристорные электроприводы ПУ на примере Яковлевского рудника Белгород- ской области.
Предмет исследования. Электромагнитная обстановка в высоковольтной рудничной сети с мощными тиристорными электроприводами ПУ на примере Яковлевского рудника Белгородской области.
Область исследования соответствует паспорту специальности 05.14.02 «Электрические станции и электроэнергетические системы» в рамках которой: проводятся исследования по развитию и совершенствованию теоретической и технической базы электроэнергетики с целью обеспечения экономичного и

7
надежного производства электроэнергии, ее транспортировки и снабжения потре- бителей электроэнергией в необходимом для потребителей количестве и требуе- мого качества.
Области исследования (по паспорту специальности): разработка методов контроля и анализа качества электроэнергии и мер по его обеспечению.
Цель работы – разработка и совершенствование методов и средств по обеспечению ЭМС в высоковольтных рудничных сетях с мощными тиристорны- ми электроприводами постоянного тока на примере Яковлевского рудника Белго- родской области.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Выявление особенностей электромагнитной обстановки в высоковольт- ной рудничной сети с мощными тиристорными электроприводами на базе систе- мы ТП-Д с нелинейными вольтамперными характеристиками на основании экспе- риментальных исследований, имитационного моделирования и аналитических расчетов с учетом динамических режимов работы ПУ.
2. Идентификация параметров и определение вероятностных характери- стик случайных процессов изменения нагрузок в высоковольтной рудничной си- стеме электроснабжения с целью выявления наиболее вероятного диапазона зна- чений токов нагрузки и токов искажения для выбора технических средств ком- пенсации ВГ токов и напряжений.
3. Разработка имитационных моделей систем электроснабжения скиповой и клетевой ПУ в системе Matlab с пакетом расширений Simulink и библиотекой SimPowerSystems, позволяющие проводить исследования электромагнитной об- становки с учетом динамических режимов работы в соответствии с выполняемы- ми диаграммами движения.
4. Выполнение оценки уровня дополнительных потерь мощности при не- синусоидальных режимах в высоковольтной рудничной сети, анализ и расчет па- раметров фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) для компенсации ВГ токов и напряжений. Оценка частотных характеристик высоковольтных систем электро- снабжения ПУ «ФКУ – внешняя сеть». Выбор ФКУ для компенсации ВГ токов и напряжений на основании решения многокритериальной задачи оптимизации с

8
использованием аппарата нечетких множеств.
Связь работы с научными программами. Исследования по данной тема-
тике проводились в соответствии с приказом филиала ПАО «МРСК Центра» – «Белгородэнерго» от 26.10.2017 г. No 363-ЦА «Об утверждении и организации ис- полнения Программы экспериментальных исследований по выявлению дополни- тельных факторов, влияющих на объем технологических потерь» в исполнении вводимого в 2018 г. Министерством энергетики Российской Федерации подхода к расчету технологических потерь для снижения в потерях «коммерческой» состав- ляющей.
В результате выполнения диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
1. На основании экспериментальных, имитационных и теоретических ис- следований в высоковольтной рудничной сети на примере Яковлевского рудника Белгородской области установлено значительное влияние мощных тиристорных электроприводов на уровень ВГ токов и напряжений с учетом динамических ре- жимов работы ПУ.
2. Разработана методика идентификации параметров и определения веро- ятностных характеристик случайных процессов изменения нагрузок в высоко- вольтной рудничной системе электроснабжения с целью выявления наиболее ве- роятного диапазона значений токов нагрузок и токов искажения для выбора тех- нических средств компенсации ВГ токов и напряжений.
3. Разработана имитационная модель систем электроснабжения высоко- вольтной рудничной сети рудодобывающего предприятия с моделями электро- приводов ПУ, выполненных по системе ТП-Д, с учетом реальных настроек регу- ляторов на технический оптимум в замкнутых системах подчиненного регулиро- вания, реализующих заданные диаграммы движения в системе Matlab с пакетом расширений Simulink и библиотекой SimPowerSystems.
4. На основании решения многокритериальной задачи оптимизации с ис- пользованием аппарата нечетких множеств предложена и обоснована целесооб- разность применения ФКУ, устанавливаемых в высоковольтной рудничной сети, обеспечивающих ЭМС между мощными тиристорными электроприводами и си-

9
стемой внешнего рудничного электроснабжения.
Методы научных исследований. Для достижения поставленных целей и
решения задач использованы основные положения теоретической электротехни- ки, методов расчета и построения схем замещения систем электроснабжения, по- строения частотных характеристик электрических сетей, канонических схем реак- тивных двухполюсников, теории вероятности и математической статистики, задач оптимизации, аппарата нечетких множеств, математического моделирования. Анализ дополнительных потерь мощности проводился на основе эксперимен- тальных исследований при помощи сертифицированных приборов, а также на ос- нове имитационного моделирования в системе Matlab с пакетом расширений Sim- ulink и библиотекой SimPowerSystems.
Достоверность диссертационной работы и выводов базируется на фунда- ментальных классических положениях и законах электротехники и математики, общей теории вероятности и математической статистики, применении действую- щих стандартов и нормативных документов, подтверждается результатами экспе- риментальных исследований, проведённых автором в высоковольтной рудничной сети действующего предприятия. Также достоверность подтверждается хорошей сходимостью результатов экспериментальных исследований, имитационного мо- делирования и аналитических расчетов, высокой корреляцией данных и результа- тов расчетов, исключением систематических и случайных погрешностей на осно- вании методики обработки результатов измерений.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в следу- ющем:
1. Применение результатов исследований позволит снизить влияние ВГ токов и напряжений и уменьшить потери мощности в элементах высоковольтной рудничной системы электроснабжения.
2. Разработаны имитационные модели высоковольтных систем электро- снабжения ПУ в системе Matlab с пакетом расширений Simulink и библиотекой SimPowerSystems, позволяющих отслеживать электромагнитную обстановку.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментальных, имитационных и аналитических иссле-

10
дований, позволивших выявить особенности ЭМС в высоковольтных рудничных сетях с мощными тиристорными электроприводами, выполненными по системе ТП-Д, с учетом динамических режимов.
2. Метод идентификации параметров и определения вероятностных харак- теристик случайных процессов изменения нагрузок в высоковольтной рудничной системе электроснабжения с целью выявления наиболее вероятного диапазона значений токов нагрузки и токов искажения для выбора технических средств компенсации ВГ токов и напряжений.
3. Методика выбора ФКУ для компенсации ВГ токов и напряжений на ос- новании решения многокритериальной задачи оптимизации с использованием ап- парата нечетких множеств.
4. Имитационная модель с установкой ФКУ, обеспечивающая оптималь- ную электромагнитную обстановку в высоковольтной рудничной сети, питающей мощные тиристорные электроприводы ПУ.
Сведения о внедрении результатов. Теоретические и прикладные резуль- таты диссертации внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Белгородский госу- дарственный технологический университет им. В.Г Шухова» при подготовке ма- гистров по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» в рамках дисциплин «Качество электрической энергии» и «Электромагнитная совмести- мость в системах электроснабжения».
Личный вклад автора состоит в постановке задачи; проведении экспери- ментальных исследований и разработке имитационной модели высоковольтной рудничной системы электроснабжения ПУ с мощными тиристорными электро- приводами. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат поста- новка задачи, экспериментальные, имитационные и теоретические исследования, обработка результатов исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации до- кладывались и обсуждались на:
− Международной научно-практической конференции «Наукоемкие тех- нологии и инновации», Белгород, 2016 г.;
− Международной научно-практической конференции «Интеграция со-

11
временных научных исследований в развитие общества», Кемерово, 2016 г.;
− I Международной научно-технической конференции «Энергетические,
управляющие и информационные системы», Белгород, 2016 г.;
− X Международной научно-практической конференции студентов, аспи- рантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс», г. Губ- кин, 2017 г.;
− Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2017 г.;
− Международной научно-практической конференции «Электротехниче- ские комплексы и системы», Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т., Уфа, 2017 г.;
− Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100- летнему юбилею первого ректора Политехнического института В.Н. Борисова, Красноярск, 2017 г;
− IX Международном молодежном форуме «Образование. Наука. Произ- водство», Белгород, 2017 г.;
− Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика и электротехника», Воронеж, 2018 г.;
− Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 2018 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе четыре статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований, и одна статья, ин- дексируемая в Scopus.
Структура и объём работы. Диссертация включает введение, четыре главы основного текста, заключение, список сокращений и условных обозначений, спи- сок литературы из 140 наименований и пять приложений. Общий объем диссерта- ции 199 страниц, в тексте содержится 53 рисунка и 39 таблиц.