Повышение эффективности энергопотребления нелинейных нагрузок в системах электропитания

Актуальность работы.

Одна из тенденций развития мирового сообщества, неотъемлемой частью которого является и РФ — создание единого информационного пространстваобуславливает широкое внедрение информационно-вычислительных и телекоммуникационных технологий во всех сферах хозяйствования. Соответственно, неуклонно растет доля энергозатрат, связанная с обеспечением функционирования названных технологий, представляющих для энергетических систем специфический класс нелинейных потребителей, получивших название «электронных нагрузок» (ЭН) [1].

По современным оценкам [2 — 4] доля суммарного энергопотребления ЭН в развитых промышленных регионах приближается к 50%. В ряде крупных предприятий на их долю приходится до 70% суммарного энергопотребления.

Единичная мощность подобных нагрузок колеблется в широких пределах (от единиц Вт до нескольких сотен Вт и единиц кВт). Распространенным является вариант объединения однотипных ЭН в кластеры с суммарным энергопотреблением, исчисляемым десятками — сотнями кВт. Типичными примерами подобных систем являются компьютерные кластеры (учебные классы, службы обработки и хранения информации, инфокоммуникационные сервисные службы, центры обработки данных и др.).

Важной особенностью потребителей класса ЭН является их критичность к качеству поставляемой энергии и существенный нелинейный характер энергопотребления. Нелинейности ЭН обусловлены рядом факторов [1, 5, 6] и, в первую очередь, особенностями построения звена преобразования параметров электрической энергии первичного источника в структуре ЭН.

В рамках рассматриваемой в настоящей работе темы основным фактором нелинейности является импульсный характер энергопотребления от сети общего энергоснабжения (СОЭ). Характер энергопотребления обусловлен схемотехническими особенностями первичного звена преобразования электрической энергии в структуре ЭН, именуемого далее выпрямителем напряжения сети (ВНС). Коммерческая «привлекательность» бестрансформаторных ВНС на базе диодного моста с емкостным фильтромпривела к их массовому распространению в инфокоммуникационных приложениях. По существу именно они определяют характер энергопотребления предприятий, ориентированных на широкое применение ЭН. Они способны стать причиной отклонения показателей качества энергопотребления от нормативных и, в ряде случаев, являться источником аварий из-за перегрузок токораспределительной сети (ТРС) или ее фрагментов. По данным [5], потенциальные угрозы на предприятиях, не адаптированных к особенностям ЭН, возникают при суммарной доле их энергопотребления порядка 25% от общей нагрузки предприятия. Перечисленные проблемы и пути их разрешения широко обсуждаются в печати [6 — 10]. Ряд из них ориентирован на совершенствование преобразователей электрической энергии первичного источника ЭН. Вместе с тем, существующий парк ЭН, обслуживающий образовательные, научно-исследовательские, телекоммуникационные и др. учреждения и службы не может быть модернизирован и остается потенциальной угрозой для энергетической инфраструктуры предприятий.

Важно отметить, что стандартом [11] допускается применение единичных ЭН с мощностью до 600 Вт, ограничивая специфику их энергопотребления определенными нормами. При нарушении условия «единичности» потребителя, безотносительно к уровню мощности, качество энергопотребления нормируется ГОСТ 13 109–97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [12]. В частности, стандартом определена норма качества поставляемого энергоснабжающей организацией со ссылкой на нелинейные потребители как наиболее вероятные виновники ухудшения качества электрической энергии. Таким образом, стандарт фиксирует факт возможного влияния потребителя на качество напряжения сети, но не формирует требований к качеству потребляемого тока. В сложившейся ситуации групповой характер ЭН и особенности ТРС, часто не адаптированных к особенностям ЭН, вызывают проблемы надежного функционирования систем электроснабжения ответственных потребителей. Одной из осложняющих причин является зависимость поведения (характера энергопотребления) единичных и особенно групповых потребителей от «исходного» качества напряжения. В частности, пик-фактор тока потребления и связанные с ним показатели коэффициента искажения тока, величины полной мощности, и в том числе, мощности искажений существенно зависят от величины коэффициента искажений напряжения в точке присоединения к сети даже при условии, когда его величина не выходит за границу нормативного значения (не более 8%) [12].

Не менее актуален вопрос качества энергопотребления ЭН в автономных системах бесперебойного электроснабжения, где проблема осложняется ограниченной мощностью первичного источника электрической энергии. Для автономных систем питания переменного тока существенным показателем, связанным с качеством энергопотребления, является необходимый коэффициент превышения или запаса мощности по отношению к заявленной номинальной мощности нагрузки. Последнее особенно важно в случае ЭН, когда в технических заданиях оперируют эквивалентной мощностью по постоянному току потребителя или полной мощностью без учета фактора искажения тока потребления. Анализ источников показывает, что ряд поставщиков оборудования на основании опытных данных рекомендует выбор мощности дизель-генераторных установок (ДГУ) с двухи трехкратным значением полной мощности по отношению к мощности потребителей постоянного тока [1].

Наконец, следует отметить и фактор «недоиспользования» мощности автономных источников по условию ограничения максимального тока его силовых элементов. Наиболее «уязвимы» в этом случае оказываются инверторные устройства, для которых пик-фактор тока может достигать значения 3.5, при этом ограничение мощности инвертора будет диктоваться допустимым током их полупроводниковых ключей.

Используемые в работе критерии качества переменного тока могут быть рассмотрены и для систем распределения и питания технологических средств постоянным током, например автономных систем бесперебойного питания, где предусматривается преобразование энергии источника постоянного тока в энергию переменного тока или постоянного тока с другими параметрами, также применимы критерии оценки качества энергопотребления. Некоторые отличия, связанные с отсутствием мощности сдвига по основной гармонике тока, не меняют общего подхода, но, тем не менее, технические решения для снижения ущербов от нелинейных потребителей в системах с комбинированными или «чисто нелинейными» нагрузками могут быть аналогичными. Актуальность разрешения подобной задачи вызвана критичностью аккумуляторных батарей, как основных источников резервирования энергии в системах бесперебойного питания, к качеству потребляемого тока.

Отметим также, что анализ проблемы качества энергопотребления ЭН, осуществляющих эмиссию высших гармоник тока в сеть, неизбежно связывается с теорией полной мощности и ее составляющих. В научно-технической литературе на данный момент отсутствует единый подход к проблеме полной мощности и методов ее декомпозиции [7, 8, 9, 13, 14]. В настоящей работе используется, как наиболее признанная, теория полной мощности Квадэ, описывающая с энергетической точки зрения процессы в цепях с несинусоидальной формой тока.

Перечисленные проблемы и пути их разрешения широко обсуждаются в технической литературе. Из работ, посвященных вопросам данной проблемы следует отметить Абрамовича Б. Н., Дмитрикова В. Ф., Сергеева В. В., Самылина И. Н., группы под руководством Григорьева О. Г., а также Добрусина Л. А. и его группы. Ведущее место в этих работах занимают исследования, относящиеся к повышению эффективности преобразовательных и радиотехнических устройств, а также моделирования влияния преобразователей на сети.

Вместе с тем, существующий парк ЭН остается потенциальной угрозой для энергетической инфраструктуры предприятий.

Таким образом, продолжающаяся тенденция роста ЭН обуславливает актуальность проблемы и повышающийся интерес со стороны энергопоставляющих и потребляющих организаций с целью разрешения сложившейся ситуации по минимуму технико-экономических затрат.

Цель диссертационной работы: Повышение качества и эффективности энергопотребления ЭН в однои трехфазных сетях переменного тока без вмешательства в структуру ЭН.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка математических моделей электрических цепей с ЭН;

2. Получение аналитических решений для вычисления показателей качества энергопотребления в цепях переменного тока;

3. Выявление количественных и качественных закономерностей при вариации параметров цепей с ЭН;

4. Оценка искажения напряжения сети в точке подключения ЭН;

5. Оценка эффективности энергопотребления в цепях с ЭН с учетом потерь в ТРС;

6. Оценка эффективности пассивных и активных методов коррекции в однои трехфазных сетях переменного тока без вмешательства в структуру ЭН;

7. Разработка технических решений по повышению качества и эффективности энергопотребления единичных и групповых ЭН;

8. Проведение экспериментальных исследований.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались численные и интегральные методы расчета, прямые методы анализа схем, преобразование Фурье и Лапласа, методы теории мощности Фризе и Кваде, метод декомпозиции полной мощности по Будеану, методы математического моделирования электрических процессовметоды теории линейных и нелинейных цепей и теории сигналов.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработаны уточненные математические модели электрических цепей с ЭН второго порядка, учитывающие в отличие от известных моделей значения фильтровой емкости в структуре ЭН;

2. Разработано новое устройство компенсации тока искажений, адаптированное в отличие от известных для систем с преобладанием 3-й гармоники и низким коэффициентом мощности 0,5−0,6.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные уточненные математические модели электрических цепей с ЭН второго порядка учитывают величину фильтровой емкости в структуре ЭН;

2. Предложенная методика оценки искажения напряжения в точке подключения ЭН позволяет с достаточной точностью для практики определить коэффициент искажения по гармоникам низкого порядка;

3. Приведенная методика оценки показателей эффективности энергопотребления в цепях с ЭН позволяет их спрогнозировать в зависимости от коэффициента мощности;

4. Приведенные оценки эффективности рассмотренных методов пассивной и активной коррекции в однои трехфазных сетях с ЭН позволяют определить границы их возможностей по коррекции коэффициента мощности;

5. Предложенное устройство компенсации тока искажений (активный фильтр тока) адаптировано для сетей с преобладанием 3-й гармоники и позволяет повысить коэффициент мощности до значения 0,96.0,99.

Практическая ценность. В результате проведенного исследования получены методики для инженерного расчета ПКЭ, определены «возможности» пассивных и активных методов коррекции потребляемого тока в однофазных и трехфазных сетях с ЭН без вмешательства в их структуру. Предложены схемотехнические варианты устройств компенсации тока искажений в сетях с ЭН. Применение предложенных методов обеспечивает оперативную оценку показателей качества энергопотребления в условиях сложившихся ТРС предприятий, а также решить проблемы обеспечения нормативных показателей энергопотребления и повышения энергоэффективности.

Практические результаты. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с госбюджетной НИР по теме «Исследование условий загрузки ТРС учебного предприятия», хоздоговорной НИР «Разработка и исследование выпрямительных устройств на современной элементной базе». Получены акты о внедрении результатов работы в учебный процесс на кафедре БИСС и отраслевой лаборатории ОНИЛ-1 ФГОБУ ВПО «СибГУТИ».

Достоверность полученных результатов подтверждается теоретическим обоснованием разработанных моделей, методов и данными, полученными моделированием и экспериментальными исследованиями.

Личный вклад автора состоит в разработке математических моделей цепей с ЭН, методик оценки искажения напряжения в точке подключения ЭН и оценки потерьв проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Основные научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

— российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, СибГУТИ, 2004 — 2012 гг.- региональной научно-технической школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники», Новосибирск, НГТУ, 2003, 2005;

— всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, НГТУ, 2007;

— международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП», Новосибирск, НГТУ, 2007, 2008, 2010 гг.

Публикации. По основным научным результатам исследования опубликовано 19 печатных работ, в том числе, пять статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 14 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 132 страницах основного текста, содержит 58 рисунков, 14 таблиц.

4.7 Выводы.

— полученные зависимости ПКЭ в системах с ЭН от параметров цепи позволяют определить границы применимости относительно «простых» методов пассивной коррекции;

— метод пассивной коррекции на основе введения индуктивности в цепь с ЭН улучшает ПКЭ, однако снижает величину выпрямленного напряжения, увеличивает реактивную мощность сдвига;

— при некотором значении индуктивной составляющей реактивный ток первой гармоники и связанная с ним мощность сдвига близки к нулю (для единичных ЭН — 1.2 мГн);

— существенный эффект достигается пассивной коррекцией в трехфазных системах методом введения индуктивности в нейтральный провод. Вместе с тем, значительно снижается ток третьей гармоники в нейтрали.

— в целом, возможности методов пассивной коррекции относительно ограничены, в частности, позволяют увеличить коэффициент мощности до уровня 0,8.

— активная коррекция методом генерации в контур энергопередачи с ЭН противофазных токов/напряжений низких гармоник позволяет повысить коэффициент мощности выше 0,9.

— разработанное устройство компенсации тока искажений основано на принципе формирования тока сети по эталону на интервалах, когда ЭН не потребляет ток, накапливая энергию в конденсатор и генерации тока искажений в противофазе на интервале проводимости ЭН. Методами моделирования рабочих процессов полученный коэффициент мощности составил 0,96.0,98. проведенные экспериментальные исследования подтверждают спрогнозированные оценки эффективности пассивной коррекции.

— анализ ПКЭ действующего учебного заведения с суммарной долей энергопотребления ЭН свыше 25% от общего числа потребителей показал, что в ряде фрагментов ТРС пиковые мощности ослаблены из-за искажения формы напряжения сети.

— измеренные значения коэффициентов искажения напряжения в разное время суток и точках ТРС находятся на предельно допускаемом уровне нормативного показателя (8%).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Подавляющее число ЭН представляют для энергетических сетей специфический класс нелинейных потребителей электроэнергии. Специфика энергопотребления ЭН определяется диодным звеном с емкостной фильтром и характеризуется относительно низким значением коэффициента мощности за счет существенной составляющей мощности искажения. Суммарная доля мощности ЭН в структуре предприятия или его отдельных служб может достигать от 40 до 70%, а величина коэффициента мощности составлять порядка 0,55.0,65.

2. ГОСТ Р 51 317.3.2 допускает единичные ЭН с мощностью не более 600 Вт, ограничивая форму потребляемого тока определенными границами. В случае кластерного характера ЭН показатели регламентируются ГОСТ 1 310 997. Основные ПКЭ базируются на общепринятых показателях (коэффициент амплитуды, коэффициент гармоник и искажения, коэффициент мощности) и обусловлены качеством потребляемого тока.

3. Актуальным является введение дополнительных показателей энергопотребления в нормативные документы: коэффициент амплитуды по основной гармонике и обобщенный коэффициент энергетической эффективности.

4. Разработаны уточненные математические модели цепей с ЭН, учитывающие величину емкости фильтрового конденсатора в структуре ЭН. Полученные аналитические решения позволяют прогнозировать характер формирования тока/напряжения. Для оценки показателей качества энергопотребления ЭН рассмотрены аппроксимирующие функции кривых тока. Для оценки ПКЭ цепей с ЭН предложены аппроксимирующие функции кривых тока, рассмотрены их сравнительные характеристики.

5. Анализ поведения комплекса, включающего синусоидальный источник напряжения, фрагменты ТРС и к эквивалентов ЭН, объединяющих группы из N числа ЭН, показал, что индуктивная составляющая импеданса ТРС существенно уменьшает амплитуду импульса тока при одновременном увеличении интервала проводимости тока. Изменение формы тока за счет индуктивной составляющей цепи ТРС можно рассматривать как элемент пассивной коррекции тока.

6. Искажение формы напряжения в произвольной точке ТРС определяется суммой парциальных искажений, обусловленных полным сопротивлением различных фрагментов шлейфа от источника до рассматриваемой точки и параметрами тока в каждом из фрагментов ТРС.

7. Мощность потерь и КПД в системах с ЭН существенно зависит от величины коэффициента мощности. Объективным показателем является обобщенный коэффициент энергетической эффективности, определяемый произведением коэффициентов мощности и КПД.

8. Полученные зависимости ПКЭ в системах с ЭН от параметров цепи позволяют определить границы применимости относительно «простых» методов пассивной коррекции.

9. Метод пассивной коррекции на основе введения индуктивности в цепь с ЭН улучшает спектральные характеристики тока и связанные с ним ПКЭ, однако снижает величину выпрямленного напряжения, увеличивает реактивную мощность сдвига. При некотором значении индуктивной составляющей реактивный ток первой гармоники и связанная с ним мощность сдвига близки к нулю (для единичных ЭН — 1. .2 мГн). Это условие не является наилучшим с позиции улучшения ПКЭ, но в соответствии с ГОСТ Р 51 317.3.2 является необходимым для импульсных потребителей, отнесенных к классу Э.

10. Существенный эффект достигается пассивной коррекцией в трехфазных системах методом введения индуктивности в нейтральный провод. Индуктивность поочередно «участвует» в каждой из фаз, улучшая ПКЭ аналогично введению индуктивного сопротивления в каждую фазу. Вместе с тем, значительно снижается ток третьей гармоники в нейтрали.

11. В целом, возможности методов пассивной коррекции ограничены и, как показал анализ, позволяют увеличить коэффициент мощности не более 0,8.

12. Активная коррекция методом генерации в контур энергопередачи с ЭН противофазных токов/напряжений низких гармоник позволяет повысить коэффициент мощности выше 0,9. В частности, введение в контур с ЭН гармоник напряжений «предыскажает» напряжение сети на зажимах ЭН, приближая его к форме близкой к трапецеидальной с одновременным формированием условий получения симметричной формы потребляемого тока с ослабленной величиной третьей гармоники.

13. Разработанное устройство компенсации тока искажений основано на принципе формирования тока сети по сигналу «эталона» на интервалах, когда ЭН не потребляет ток, накапливая энергию в конденсаторе устройства и генерации компенсирующего тока на интервале проводимости ЭН. Методами моделирования рабочих процессов полученный коэффициент мощности составил 0,96.0,98.

14. Проведенные экспериментальные исследования подтверждают спрогнозированные оценки эффективности пассивной коррекции.

15. Экспериментальные исследования и анализ ПКЭ действующего учебного заведения с суммарной долей энергопотребления ЭН свыше 40% от общего числа потребителей показал, что в ряде фрагментов ТРС пиковые мощности ослаблены из-за искажения формы напряжения сети. Причем, измеренное значение коэффициента искажения напряжения находится на предельно допускаемом уровне нормативного показателя (8%).

16. Анализ зарубежного рынка продукции, обеспечивающей качественное и бесперебойное электропитание, показывает, что подобные идеи ориентируют основных производителей и поставщиков на новые принципы организации систем электроснабжения нелинейных потребителей.