Минимизация потерь электроэнергии в системах электроснабжения индивидуального жилищного строительства

Актуальность темы. В соответствии c федеральной целевой программой «Жилище» 2015 – 2020 годы (постановление Правительства РФ от 17 декабря 2010 г. No 1050) намечено широкое развитие индивидуального жилищного строительства (ИЖС). Повышение доли ИЖС в общем объёме строительства приводит к увеличению роста потребления электроэнергии. Основными потребителями электроэнергии ИЖС являются коммунально-бытовые однофазные электроприемники (ОЭП), большинство из которых имеют нелинейные вольтамперные характеристики: газоразрядные лампы (энергосберегающие лампы); установки дуговой сварки; импульсные источники питания (персональные компьютеры, телевизоры, аудиосистемы); преобразователи частоты (СВЧ печи); двигатели с регулируемой скоростью вращения (дрели, стиральные машины, пылесосы); установки бесперебойного питания. Все они являются источниками высших гармоник (ВГ) тока и напряжения, генерируемых в систему электроснабжения ИЖС. Кроме того, все перечисленные ОЭП являются электроприемниками, питающимися от трехфазной четырехпроводной сети, что приводит к несимметрии токов и напряжений и протеканию тока небаланса в нулевом проводе. Увеличение доли ОЭП с нелинейными вольтамперными характеристиками вызывает искажение формы и, как следствие, генерирование ВГ токов и напряжений в систему электроснабжения ИЖС, что снижает показатели качества электроэнергии и приводит к увеличению потерь электроэнергии. Компенсация ВГ, составляющих и симметрирование токов и напряжений, достигается использованием технических средств: симметрирующих и фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ).
Полученные автором результаты диссертации использовались при выполнении гранта No А-5/17 «Разработка системы обеспечения электромагнитной совместимости электроприемников с сетью и повышения качества электроэнергии в электроэнергетических сетях напряжением 0,4 кВ» в
4
рамках реализации Программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова No ОУ-2017-098 от 17.07.2017 г. (стратегический проект «Центр превосходства национального уровня «Нанотехнологии, конструкционные и функциональные материалы строительного и специального назначения»).
Степень разработанности. В решение проблемы несинусоидальных и несимметричных режимов работы в системах электроснабжения большой вклад внесли ученые Агунов А.В., Арриллага Дж., Бартоломей П.И., Вагин Г.Я., Довгун В.П., Дрехеллер Р., Дьяков А.Ф., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Карташев И.И., Косоухова Ф.Д., Наумов И.В., Розанов Ю.К., Хабигер Э., Шидловский А.К. и др.
Диссертации Боярской Н.П., Егорова Д.Э., Колмакова В.О., Кронгауза Д.Э., Лютаревича А.Г., Матиняна А.М., Сташкова И.А., Темербаева С.А. посвящены построению пассивных, активных и гибридных ФКУ. В этих трудах рассматриваются причины возникновения ВГ и токов несимметрии в системах электроснабжения и технические средства их компенсации, но не делается акцент на минимизации потерь электроэнергии в элементах систем электроснабжения ИЖС.
Таким образом, задача минимизации потерь электроэнергии при несинусоидальных и несимметричных режимах работы систем электроснабжения ИЖС актуальна.
Цель работы – развитие и совершенствование методов минимизации потерь электроэнергии при несинусоидальных и несимметричных режимах работы систем электроснабжения индивидуального жилищного строительства.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Проведен анализ существующих способов и методов снижения потерь электроэнергии при несинусоидальных и несимметричных режимах работы в системах электроснабжения ИЖС. Выполнены экспериментальные исследования основных параметров сети, показателей электромагнитной совместимости (ЭМС) и проведена оценка потерь электроэнергии при
5

несинусоидальных и несимметричных режимах работы, действующей системы электроснабжения ИЖС.
2. Разработан метод статистической оценки и прогнозирования коэффициентов, характеризующих несинусоидальность и несимметрию питающего напряжения в системах электроснабжения ИЖС.
3. Разработана имитационная модель системы электроснабжения ИЖС, позволяющая производить исследования режимов работы с использованием различных вариантов технических средств компенсации ВГ и токов небаланса, с учетом несинусоидальных и несимметричных режимов работы.
4. Сформулирована и решена задача оптимизации потерь электроэнергии при несинусоидальных и несимметричных режимах работы систем электроснабжения ИЖС и обоснован выбор технических средств по минимизации потерь энергии в системах электроснабжения ИЖС.
Научная новизна:
1. Впервые доказана необходимость принятия специальных мер для минимизации потерь электроэнергии именно от несинусоидальных и несимметричных режимов в системах электроснабжения ИЖС в виде пассивных и активного фильтров гармоник, устанавливаемых на конечных опорах линии электропередач и на шинах низкого напряжения трансформаторной подстанции.
2. Впервые для прогнозирования коэффициентов, характеризующих несинусоидальность и несимметрию токов и напряжений, применены методы статистической оценки изменения спроса мощности электроприемников как случайных процессов в системах электроснабжения ИЖС, при этом установлено три характерных периода изменения спроса мощности в течение суток, недели и года.
3. Впервые сформулирована двухкритериальная задача оптимального размещения фильтрокомпенсирующих устройств и выбора их типа и мощности в системах электроснабжения ИЖС, для решения которой применены методы нелинейного программирования, неопределенных множителей Лагранжа и сопряженных градиентов.
6

Методология и методы исследования. Методология исследования основана на использовании основных положений теоретической электротехники, методов расчета и построения систем электроснабжения, теории вероятности и математической статистики, решения задач оптимизации. Анализ потерь электроэнергии проводился на основе экспериментальных измерений и компьютерного моделирования при помощи сертифицированных приборов и программного обеспечения MATLAB&Simulink.
Достоверность результатов диссертационной работы и выводов обоснована корректностью математической постановки задачи, корректным применением фундаментальных законов электротехники, теории вероятности и математической статистики, исключением систематических и случайных погрешностей на основании методики обработки результатов измерений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований основных показателей ЭМС и параметров несинусоидальных и несимметричных режимов работы, а также потерь электроэнергии в системе электроснабжения ИЖС без использования и при использовании ФКУ.
2. Метод статистической оценки и прогнозирования коэффициентов, характеризующих несинусоидальность и несимметрию тока и питающего напряжения при несинусоидальных и несимметричных режимах работы систем электроснабжения ИЖС.
3. Результаты решения задач минимизации потерь электроэнергии и выбора типов и мощностей фильтрокомпенсирующих устройств при несинусоидальных и несимметричных режимах в системах электроснабжения ИЖС, полученные на основании оптимизаций целевых функций и имитационного моделирования.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что на базе проведенных расчетных и экспериментальных исследований получены значения показателей ЭМС и оценены потери электроэнергии в системе электроснабжения ИЖС. Решена задача минимизации потерь
7

электроэнергии в системах электроснабжения ИЖС при несинусоидальных и несимметричных режимах работы. Результаты работы использовались при выполнении гранта No А-5/17 «Разработка системы обеспечения электромагнитной совместимости электроприемников с сетью и повышения качества электроэнергии в электроэнергетических сетях напряжением 0,4 кВ».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на VII Международном молодежном форуме «Образование. Наука. Производство», г. Белгород, 2015 г.; Международной научно-практической конференции «Научные открытия в эпоху глобализации», г. Казань, 2015 г.; Международной научно-практической конференции «Новая наука: от идеи к результату», г. Стерлитамак, 2015 г.; IX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс», г. Губкин, 2016 г.; Международной научно-практической конференции «Интеграция современных научных исследований в развитие общества», г. Кемерово, 2016 г.; X Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс», г. Губкин, 2017 г.; Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. г. Белгород, 2017 г.; II Международной научно-технической конференции; г. Белгород, 2017 г.; Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летнему юбилею первого ректора Политехнического института В.Н. Борисова, г. Красноярск, 2017 г; II Международной научно- технической конференции. «Энергетические системы», г. Белгород 2017 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе четыре статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований, и одна статья, индексируемая в Scopus.
Личный вклад автора состоит в анализе источников литературы с целью получения сведений о существующих методах снижения потерь электроэнергии при несинусоидальных и несимметричных режимах работы; в разработке
8

имитационной модели системы электроснабжения ИЖС; в анализе экспериментальных данных и сопоставлении их с результатами имитационного моделирования; выполнении статистического анализа, прогнозирования коэффициентов, характеризующих несинусоидальность и несимметрию, а так же постановке и решении задачи оптимизации потерь электроэнергии. Личный вклад соискателя в работах с соавторами составляет от 35 до 75 % результатов.
Структура и объём работы. Диссертация включает введение, четыре главы основного текста, заключение, библиографический список из 92 наименований и приложения. Общий объем диссертации 141 страница, в тексте содержится 59 рисунков и 17 таблиц.