Об опыте использования специализированного программного обеспечения для анализа режимов работы систем электроснабжения с нелинейными нагрузками

В статье приводятся характеристики и примеры использования для расчетов и оп-тимизации несинусоидальных режимов в системах электроснабжения разработанного в СПбГПУ программного комплекса «ГАММА». Abstract. There are the characteristics and the examples of use of the software complex “GAMMA”, developed in the Saint-Petersburg State Polytechnic University, which is used for calculation and optimization of non-sinusoidal modes at the electric supply systems.

Вопросы оценок ожидаемых уровней гармонических возмущений, создаваемых различного рода нелинейными нагрузками, являются предметом обязательного обсуждения и согласования представителей энергосистемы и потребителя. При этом обе стороны должны ориентироваться на безусловное обеспечение требований ГОСТ 13109-97 к показателям качества электроэнергии (ПКЭ). Если искажающие напряжение нелинейные электроприемники уже подключены к питающей сети, то при разрешении возможных претензий следует ориентироваться, в первую очередь, на результаты измерений ПКЭ. На стадии согласования условий подключения таких потребителей требуется выполнение расчетов ПКЭ, для чего в распоряжении специалистов должны иметься программы расчетов несинусоидальных режимов в электрических сетях с нелинейными электроустановками. К сожалению, число организаций, способных проводить расчеты и анализ ПКЭ, относительно невелико вследствие как отсутствия соответствующих развернутых методических указаний по проведению расчетов, так и непосредственно надежного программного обеспечения.

В докладе обращается внимание на имеющийся положительный опыт использования разработанного в СПбГПУ программного комплекса «ГАММА» [1], предназначенного для расчетов в трехфазной постановке квазиустановившихся несинусоидальных и, в общем случае, несимметричных режимов в системах электроснабжения с про-извольной конфигурацией и с произвольным количеством распределенных по сети нелинейных элементов. В программе «ГАММА» реализован метод гармонического баланса, идея которого состоит в замене искаженных синусоид тока в ветвях и напряжений в узлах расчетной схемы сети на их комплексные гармонические спектры и в выполнении с использованием уравнений баланса узловых токов расчетов установившихcя режимов относительно компонентов векторов первой и всех значимых высших гармоник. Применение фазной системы координат при математическом описании всех элементов электрической сети и процедуры гармонического баланса в трех фазах балансирующих узлов позволяет учитывать, при необходимости, пофазную несимметрию как самой сети, так и параметров моделируемого нелинейного элемента, представлять переменные в координатах симметричных составляющих.

 

В программе реализованы алгоритмы учета нелинейных элементов (электроустановок) типа преобразователей различного типа и пульсности выпрямления [2, 3, 4], учета влияния на несинусоидальные режимы нелинейных шунтов намагничивания трансформаторов [5]. Алгоритмы используют специально выведенные системы нелинейных алгебраических уравнений, описывающих взаимосвязи векторов гармоник приложенного к нелинейному элементу напряжения с векторами фазных гармоник токов этого элемента. В частности, преобразовательные устройства моделируются с использованием базовой модели управляемого мостового преобразователя и матриц узловых проводимостей его трансформатора, определяющих связи входных узловых токов преобразователя с входными узловыми напряжениями. Предусмотрена возможность несимметричного управления преобразователями. В простейшем случае, нелинейные элементы в программе могут быть заданы трехфазными источниками тока с соответствующими векторами высших гармоник (для этого их нужно предварительно рассчитать или измерить при наличии действующего объекта).

 

В результате, вычислительный алгоритм программы представляет собой два итерационных процесса. Первый основан на использовании для каждой из гармоник уравнений баланса узловых токов и служит для определения векторов узловых напряжений гармоник. Второй итерационный процесс находится внутри первого и предназначен для решения систем нелинейных алгебраических уравнений с целями определения реакции векторов тока нелинейного элемента на полученные в предыдущей итерации изменения гармонического спектра напряжений на его зажимах. Режим на первой гармонике рассчитывается в рамках общего алгоритма также в нелинейной постановке при традиционных представлениях схем замещения генераторов, электродвигателей и статической нагрузки.

 

Важной отличительной особенностью программы «ГАММА» является возможность учесть практически неограниченное число элементов в электрической сети и, главное, учесть реально существующие зависимости от частоты активных сопротивлений элементов, а также учесть зависимость от частоты эквивалентных индуктивностей, например, в схемах замещения трансформаторов. В программе реализован алгоритм расчета частотных характеристик (ЧХ), показывающих амплитудно-фазовые зависимости от частоты входных сопротивлений относительно любых трехфазных узлов линейной части сети. Предварительный анализ частотных характеристик позволяет определить резонансные частоты и наметить возможные мероприятия по оптимизации режимов. Вывод информации в программе «ГАММА» возможен как в табличной форме, так и в виде трехфазных кривых токов и напряжений, восстановленных методом обратного преобразования Фурье по данным расчетов комплексов гармоник.

 

Приведем примеры, показывающие эффективность использования программы «ГАММА» для выполнения прогнозов уровней гармонических возмущений и выбора фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) в системе электроснабжения по рис.1, согласно которой от обмотки 6 кВ трехобмоточного трансформатора 150/35/6 кВ мощностью 40 МВА питаются два шестипульсных тиристорных электропривода подъемных машин и электропотребители подземных выработок. Мощность двигателей электроприводов равна 1250 кВт. Емкостные проводимости находящихся под напряжением кабелей 6 кВ в сочетании со специфическим влиянием установленных в сети токоограничивающих реакторов (требования глубокого ограничения токов короткого замыкания по правилам эксплуатации шахтных электропотребителей) формируют рассчитанную по программе «ГАММА» ЧХ входного сопротивления Zвх (n)относительно шин 6 кВ, показанную на рис.2. В данной сети можно ожидать резонансных усилений гармоник кратности 17<25, что и было замечено на практике. Другая ЧХ Zвх.фку (n) соответствует случаю установки рекомендованного после выполнения многовариантных расчетов ФКУ, состоящего из резонансных звеньев 5, 7, 11 и 23 гармоник, генерирующих в совокупности реактивную мощность на основной частоте 2000 квар.

 

Рис. 1 Схема электроснабжения (а) и схема замещения в расчетах по программе «ГАММА» (б)

 

 

 

Рис. 2

 

 

Рис. 3

 

На рис.3 приведены полученные по программе «ГАММА» расчетные значения фазных напряжений и суммарных токов в фидере 6 кВ подъемных машин и их гармонические спектры для одного из режимов с большой величиной коэффициента искажения синусоидальности напряжения (KU=15.4 %). Гармоники тока затухают по мере увеличения их номера (показаны относительные значения гармоник KI(n)=In/II x 100%), но гармоники напряжения Ku(n)порядков n=17-25 усиливаются вследствие развития резонансов.

 

Рис. 4

 

На рис.4 можно видеть результаты обработки выполненных измерений в действующей сети напряжений и токов для аналогичного по загрузке режима. Гармоники тока здесь представлены в А (действующие значения) и гармоники напряжения Un в процентах. Измерения практически совпали с приведенными на рис.3 результатами. Расчеты несинусоидального режима, возникающего после установки ФКУ с вышеуказанными параметрами показали на возможность уменьшения коэффициента искажения синусоидальности до значения KU=2.5 %. Использование специализированного программного обеспечения с целями обоснования допустимости присоединения к сети нелинейных нагрузок и выбора, при необходимости, соответствующих мероприятий по уменьшению гармонических возмущений должно стать нормой в практике проектных и исследовательских организаций. Опыт эффективного использования программного комплекса «ГАММА» показывает реальность высказанного утверждения.

Литература

1.Кучумов Л.А., Картасиди Н.Ю., Кузнецов А.А., Пахомов А.В., Харлов Н.Н. Применение метода гармонического баланса для расчетов несинусоидальных и несимметричных режимов в системах электроснабжения. Электричество, №12, 1999.

2.Харлов Н.Н. Методика совместного расчета установившихся режимов сис-тем электроснабжения и преобразователей. – Автореф. дисс. … канд. техн. Наук. – Киев, 1985.

3.Картасиди Н.Ю. Разработка алгоритмов расчета несинусоидального режима при учете взаимовлияния нелинейной нагрузки и электрической сети по ме-тоду гармонического баланса. – Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. / СПб , 1993, 16 с.

4.Пахомов А.В. Разработка алгоритмов расчета и исследование несимметрич-ных несинусоидальных режимов электрических систем с преобразовательной нагрузкой. – Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. / СПб, 1993, 16 с.

5.Кучумов Л.А., Кузнецов А.А. Методика расчета высших гармонических в токах намагничивания понижающих трансформаторов. – Электричество, 1998, № 3.

Авторы:

Л.А.Кучумов, проф. СПбГПУ
А.А.Кузнецов, доцент СПбГПУ