Улучшение качества электрической энергии в электроэнергетических системах со значительной частью нелинейной нагрузки

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………….. 4

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СО ЗНАЧИТЕЛЬНОЙ ЧАСТЬЮ
НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ ……………………………………………………………………………… 12

1.1. Несинусоидальность напряжения в электроэнергетических системах . 12

1.2. Влияние несинусоидальности напряжения на процессы передачи и
распределения электрической энергии ………………………………………………………………………… 16

1.3. Экспериментальные исследования и статистический анализ
показателей качества электрической энергии ……………………………………………………………. 18

1.4. Средства улучшения качества электрической энергии …………………………… 36

1.5. Выводы …………………………………………………………………………………………………………………. 45

ГЛАВА 2. УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА
ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ МЕР ПО ЕГО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ……………………………….. 47

2.1. Метод снижения погрешности определения значений гармонических
составляющих ……………………………………………………………………………………………………………………….. 47

2.2. Методика построения пассивных фильтров специальной настройки в
питающих сетях ……………………………………………………………………………………………………………………. 64

2.3. Методика построения пассивных фильтров специальной настройки в
распределительных сетях ………………………………………………………………………………………………….. 78

2.4. Выводы …………………………………………………………………………………………………………………. 91

ГЛАВА 3. УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ
ЕЕ ПЕРЕДАЧЕ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ……………………….. 93

3.1. Моделирование работы пассивных фильтров специальной настройки
при передаче электрической энергии ……………………………………………………………………………. 93

3.2. Анализ частотных характеристик в сети при использовании пассивных
фильтров специальной настройки ………………………………………………………………………………… 107
3.3. Анализ эффективности работы пассивных фильтров специальной
настройки при изменении режима работы сети ………………………………………………………… 112

3.4. Выводы ……………………………………………………………………………………………………………….. 122

ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
ФИЛЬТРОВ ПРИ УЛУЧШЕНИИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ……………………………………………………. 123

4.1. Сравнение инвестиционной привлекательности фильтров
гармонических составляющих различного типа ……………………………………………………….. 123

4.2. Снижение потерь электрической энергии от гармонических
составляющих при применении пассивных фильтров специальной настройки . 129

4.3. Выводы ……………………………………………………………………………………………………………….. 134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………….. 135

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ………………………… 138

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………….. 139

ПРИЛОЖЕНИЯ ………………………………………………………………………………………………. 162

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ДОКУМЕНТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ……………………………………………………………………… 162

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ПАТЕНТЫ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ …………………………………….. 167

ПРИЛОЖЕНИЕ В. РАСЧЁТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ФИЛЬТРОВ ……………………. 172

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. РАСЧЁТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЭС …………… 188

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ …………………………….. 191

На основе анализа существующих средств и мер улучшения КЭ обосно-
вано применение пассивных фильтров специальной настройки. Эффективность
улучшения КЭ проверена на основе применения фильтра на модели и подтвер-
ждена внедрением в ЭЭС.
Основные результаты настоящего исследования позволяют сформулиро-
вать следующие выводы:
1. Экспериментальные исследования в ЭЭС позволили выявить несоот-
ветствие показателей КЭ, в частности КU(n) и KU, нормированным значениям. В
электрических сетях 10–220 кВ электроснабжения потребителя со значительной
нелинейной нагрузкой, составляющей порядка 20–30 % мощности питающей
ЭЭС, наблюдаются значительные искажения формы кривых токов и напряже-
ний. На подстанциях питающих и распределительных сетей, прилегающих к
узлам подключения такого потребителя, значения KU на шинах 35–220 кВ до-
стигают 4–6 % в нормальном и 12–15 % в ремонтном режиме работы сети, то
есть превышают требования норм более, чем в 2–3 раза. Статистический метод
анализа результатов измерений позволяет определить характер взаимосвязи
КU(n) в реальных условиях эксплуатации распределительной сети. Автокорреля-
ция КU(n) во времени показывает, что значения большинства гармонических со-
ставляющих колеблется в течение эксплуатации, что объясняется изменением
структуры сети и переменным характером нагрузки потребителей. Для умень-
шения отрицательного влияния нелинейной нагрузки на работу ЭЭС необходи-
ма реализация мер по улучшению КЭ.
2. Результаты проведённого анализа показывают, что решение задачи
улучшения качества электрической энергии в электрической сети осуществля-
ется путём разработки и применения пассивных фильтров специальной
настройки. Преимуществом пассивных фильтров специальной настройки по
сравнению с традиционными пассивными фильтрами является уменьшение
числа задействованных элементов, особенно в сопоставлении с фильтрами вы-
сокого порядка, и, как следствие, снижение стоимости и размеров фильтров.
Разработанные методики позволяют рассчитать и определить параметры ПФСН
и подтверждают возможность их применения на действующих и проектируе-
мых объектах электроэнергетики, как в питающих, так и в распределительных
сетях. Предлагаемый подход учёта погрешности, вызванной нелинейным ха-
рактером индуктивности измерительных трансформаторов, позволяет увели-
чить точность измерения амплитудных и/или действующих значений гармони-
ческих составляющих в электрических сигналах, как для силовых (первичных),
так и для компенсирующих (вторичных) цепей.
3. Результаты экспериментальных исследований и проверки алгоритма
моделирования работы и выбора узлов подключения пассивных фильтров спе-
циальной настройки в электрической сети в среде Matlab позволяют сделать за-
ключение о возможности применения ПФСН для улучшения КЭ при её транс-
порте в ЭЭС. Результаты моделирования работы пассивных фильтров специ-
альной настройки в нормальных и ремонтных режимах работы питающих и
распределительных сетей показывают, что их применение снижает значения КU
в питающей сети 110–220 кВ с 4–5 % до 1–2 %, в распределительной сети 10–35
кВ с 15–20 % до 3–4 %. Приведённые частотные характеристики в узлах до и
после подключения пассивных фильтров специальной настройки позволяют
провести анализ изменения уровней гармонических составляющих с учётом
схемно-режимной ситуации сети.
4. Капитальные затраты на реализацию пассивных фильтров специальной
настройки в 1,44 раза ниже по сравнению с пассивными фильтрами, в 3,57 раза
ниже по сравнению с гибридными фильтрами и в 15,49 раза ниже по сравнению
с активными. Выполненная оценка экономической эффективности, которая по-
казывает, что применение ПФСН в ЭЭС обеспечивает снижение дополнитель-
ных потерь электрической энергии в сети, вызванных гармоническими состав-
ляющими, в 2 раза.
Таким образом, развитие и совершенствование электроэнергетических
систем связано с улучшением КЭ на основе разработки и реализации мер по его
обеспечению, посредством внедрения пассивных фильтров специальной
настройки в электрических сетях.
Выражаю искреннюю признательность проф. А. Н. Висящеву за постоян-
ное внимание к работе, благодарность своему научному руководителю дирек-
тору Института энергетики ФГБОУ ВО «Иркутского национального исследова-
тельского технического университета» В. В. Федчишину за чуткое руководство,
конструктивные советы и замечания в работе над диссертацией, а также со-
трудникам кафедры электрических станций, сетей и систем Института энерге-
тики ФГБОУ ВО «Иркутского национального исследовательского технического
университета» за ценные советы, директору филиала АО «СО ЕЭС» «Регио-
нальное диспетчерское управление энергосистемы Иркутской области»
Д. В. Маякову за согласование программы проведения исследований в энерго-
системе, генеральному директору ОАО «Иркутская Электросетевая Компания»
Б. Н. Каратаеву за помощь в решении организационных вопросов и предостав-
лении возможности проведения измерений на подстанциях питающих и рас-
пределительных сетей. Проведённое исследование являются итогом выполнен-
ной работы, направленной на разработку и реализацию мер по развитию и со-
вершенствованию электроэнергетических систем.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АТ – автотрансформатор;
БСК – батарея статических конденсаторов;
ВЛ – воздушная линия;
ВН – высшее напряжение;
ГЭС – гидроэлектростанция;
ЕЭС России – Единая энергетическая система России;
КЗ – короткое замыкание;
КЭ – качество электрической энергии;
МОП-транзистор – (англ. MOS-transistor) транзистор, управляемый структурой
металл-оксид-полупроводник;
НН – низшее напряжение;
ПС – подстанция;
ПФСН – пассивный фильтр специальной настройки;
РУ – распределительное устройство;
С – секция шин;
СН – среднее напряжение;
СШ – система шин;
Т – трансформатор;
ФЗ – федеральный закон;
ШИМ – широтно-импульсный модулятор;
ЭЭС – электроэнергетическая система;
KU(n) – коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения, % U1;
KU – суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения, %;
n – номер гармонической составляющей напряжения;
IGBT – биполярный транзистор с изолированным затвором;
Matlab – (англ. Matrix Laboratory) пакет прикладных программ.