Совершенствование методов расчета многофункциональных фильтрокомпенсирующих устройств для сетей 10 – 0,4 кВ

Ухудшение качества электрической энергии, вызванное увеличением уровня высших гармоник, становится серьезной проблемой для распредели- тельных сетей. Источником этой проблемы являются электроустановки с не- линейной вольтамперной характеристикой, к числу которых относятся мно- гие современные энергосберегающие устройства. Федеральный закон от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 18.07.2011) “Об энергосбережении и о повыше- нии энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные за- конодательные акты Российской Федерации” стимулирует потребителей к применению энергосберегающих устройств и технологий, поэтому в бли- жайшем будущем можно прогнозировать обострение проблемы качества электроэнергии.
Основной причиной ухудшения качества электроэнергии традиционно являлись нелинейные и резкопеременные нагрузки крупных металлургиче- ских предприятий, системы тягового электроснабжения железной дороги. Однако широкое внедрение статических силовых преобразователей, частот- но-регулируемых электроприводов, энергосберегающих систем освещения привело к значительному изменению характера электрических нагрузок мно- гих потребителей. В последние годы наблюдается значительное ухудшение качества электроэнергии в сетях электроснабжения большинства промыш- ленных предприятий, а также в непромышленном секторе (коммерческие и офисные потребители, медицинские учреждения, жилой сектор). Особен- ность искажающих нагрузок коммерческих, офисных и бытовых потребите- лей заключается в том, что они, как правило, однофазные, имеют небольшую мощность и распределены по сети.
Искажения формы кривых токов и напряжений приводят к увеличению потерь, ускоренному старению изоляции и вызванному этим сокращению срока службы электрооборудования. Увеличиваются капитальные вложения и эксплуатационные расходы, связанные с преждевременной заменой обору-
4
дования и необходимостью проводить организационные и технические меро- приятия по улучшению качества электроэнергии.
Таким образом, проблема поддержания необходимого качества элек- троэнергии приобрела важное значение для всех систем электроснабжения, включая сети промышленных предприятий, городские распределительные сети, а также автономные системы электроснабжения. Для ограничения от- рицательных последствий, вызванных ухудшением качества электроэнергии, требуется проведение мероприятий, направленных на поддержание качества электроэнергии и надежности электроснабжения.
Технические мероприятия по повышению качества электроэнергии включают схемные решения (выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин, использование многофазных систем выпрямления и т. п.), а также установку компенсирующих устройств, обеспечивающих регулирова- ние одного или нескольких показателей качества электроэнергии.
Универсальным средством регулирования параметров, определяющих качество электрической энергии, являются силовые фильтры гармоник. По- мимо ослабления высших гармоник токов и напряжений они выполняют функции компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения в точке подключения. Поэтому более точное название – фильтрокомпенсиру- ющие устройства (ФКУ).
Цель работы – разработка методов оптимального проектирования многофункциональных фильтрокомпенсирующих устройств, предназначенных для улучшения качества электрической энергии в сетях 10 – 0,4 кВ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи исследования:
1. Исследовать качество электроэнергии в сетях электроснабжения различных групп промышленных, коммерческих и офисных потребителей, выявить особенности основных видов искажающих нагрузок.
5

2. Разработать методы оптимального проектирования многофункциональных фильтрокомпенсирующих устройств, позволяющие обобщить известные структуры, а также получить новые конфигурации ФКУ, обладающие требуемыми характеристиками.
3. Разработать интерактивное программное обеспечение для автоматизированного проектирования фильтрокомпенсирующих устройств.
4. С помощью предложенных методов выполнить расчет ФКУ для потребителей с большой долей нелинейной нагрузки.
Объект исследования.
Многофункциональные фильтрокомпенсирующие устройства для си- стем электроснабжения.
Предмет исследования.
Методы расчета многофункциональных фильтрокомпенсирующих устройств для улучшения качества электрической энергии в системах электроснабжения
Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы основные положения теоретической электротехники, аппарат современных методов анализа и синтеза электрических цепей, элементы матричной алгебры, методы оптимизации. Теоретические решения сочетались с экспериментальными исследованиями на основе имитационного моделирования, а также проверкой результатов с помощью современного программного обеспечения (пакеты MatLab, Mathcad, PSpice).
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработан метод оптимального проектирования пассивных филь- трокомпенсирующих устройств, основанный на минимизации многокритери- альной целевой функции в пространстве параметров операторного входного сопротивления ФКУ.
6

2. Предложен метод оптимизации характеристик гибридных фильтро- компенсирующих устройств в смешанном пространстве параметров активно- го и пассивного фильтров.
3. Предложен новый метод расчета широкополосных фильтров гармо- ник, основанный на представлении фильтра в виде резистивно нагруженного LC-четырехполюсника.
Практическая ценность работы. Проведенные исследования позво- ляют синтезировать многофункциональные ФКУ, использование которых повысит качество электроэнергии в распределительных сетях с высокой до- лей нелинейных нагрузок, что способствует более эффективной и длительной работе оборудования, снижению потерь, энергосбережению.
Достоверность полученных научных положений подтверждается их сравнением с результатами, полученными при моделировании с помощью апробированного программного обеспечения, практическим внедрением ре- зультатов работы, а также результатами, полученными другими авторами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион- ной работы докладывались и обсуждались на:
– XVIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, 2012 г.
– VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, ас- пирантов и молодых ученых, Красноярск, 2012 г.
– IХ Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспи- рантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 385- летию со дня основания г. Красноярска – Красноярск, 2013 г.
– I Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергоси- стемы» – Томск, 2013 г.
– XV Международной конференции «Электромеханика, электротехно- логии, электротехнические материалы и компоненты» – Алушта, 2014.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Зарегистрирована про-
7

грамма для ЭВМ (свидетельство No 2012616061 от 03.07.12 г.). В каждой ра- боте, опубликованной в соавторстве, личный вклад автора составляет не ме- нее 50%.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 133 страницах машинописного текста, списка использованных источников из 88 наименований и приложений.