Повышение энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения

Вопросы повышения эффективности использования энергетических ресурсов, в том числе электрической энергии имеют принципиальное значение для устойчивого развития экономик и роста внутреннего валового продукта (ВВП) стран. На принятие действенных мер, обеспечивающих эффективное использование электрической энергии, направлена работа многих ученых и научно-исследовательских организаций по всему миру.

Актуальность проблемы обусловлена, главным образом, современными социально-экономическими тенденциями, приводящими к росту общей энергоемкости промышленных и бытовых потребителей, связанной, в частности, с количественным распространением различных электротехнических комплексов и систем, качественными изменениями режимов и графиков потребления электрической мощности, а также с увеличением протяженности магистральных, промышленных и бытовых электрических сетей.

В результате отмеченных тенденций, возникает недостаток генерируемой электростанциями мощности, появляется необходимость строительства дополнительных станций, комплексов автономной или систем распределенной генерации. Ввод этих комплексов и систем в эксплуатацию, безусловно, решает проблему нехватки мощности для потребителей, однако эффективность ее использования без разработки и реализации специальных мер остается на прежнем, как правило, низком уровне. Кроме этого, строительство новых станций электрогенерации сопряжено с большими экономическими затратами и значительными экологическими ущербами, которые можно минимизировать, а в некоторых случаях и полностью исключить, если обеспечить повышение энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения.

Под энергоэффективностью электротехнических комплексов и систем электроснабжения в общем случае понимается рациональное и эффективное 4 использование мощности, потребляемой от источников электроэнергии при сохранении параметров качества сети, питающей промышленных и бытовых потребителей.

Следовательно, комплекс мер, направленный на обеспечение энергетической эффективности должен включать в себя решение следующих основных задач:

1. Передачу электроэнергии от источников к приемникам (потребителям) с минимальными потерями.

2. Повышение эффективности электропотребления и качества электроснабжения потребителей.

Наиболее результативный способ решения указанных задач заключается в применении технических решений, методов и средств, способных в реальных условиях работы при разнообразных воздействиях, как со стороны источников, так и со стороны приёмников электроэнергии, обеспечить выполнение следующих действий:

1. Повышение пропускной способности линий электропередачи (ЛЭП) с минимизацией потерь мощности при транспорте электроэнергии.

2. Компенсацию реактивной мощности и стабилизацию параметров качества электроэнергии (электроснабжения) в точках подключения потребителей.

Для разработки и синтеза подобных технических решений следует серьезное внимание уделить вопросам анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях. Центральное место в этих вопросах занимают проблемы, связанные с представлением электрических колебаний в спектрально-временной области и вычислением действующих значений базовых электрических величин (напряжений и токов). Спектрально-временные представления и вычисляемые действующие значения сигналов должны адекватно и точно отражать параметры реальных физических процессов, происходящих в рассматриваемых электрических цепях с учетом требований скорости систем контроля и управления различными устройствами, способствующими повышению энергоэффективности в режиме реального времени.

Главным параметром (его можно назвать глобальным), который отвечает за точность и адекватную математическую интерпретацию при описании электрических колебаний, является основная (несущая) частота в спектре. Значение несущей частоты не остается постоянным и может изменяться с течением времени по вероятностным законам. Очевидно, что для правильной оценки параметров колебаний (сигналов) при помощи контрольно-измерительных систем необходимо следить за значением частоты.

В настоящее время такому важному для электротехнических комплексов и систем электроснабжения параметру как частота напряжения (тока) уделяется традиционно мало внимания. Это связано с одной стороны с недостатком технических средств и методов точного и быстрого определения частоты в реальных условиях при воздействии модуляции и помех, с другой стороны считается, что воздействовать на уровень частоты, в системах электроснабжения, в большинстве случаев, не представляется возможным. Тем не менее, для описания электроэнергетических процессов, значение частоты играет огромную роль. Поэтому возникает необходимость разработки способа измерения частоты сигналов, в условиях воздействия модуляции и помех, который отвечает требованиям скорости и точности систем контроля и управления различными преобразовательными устройствами, способствующими повышению энергоэффективности в режиме времени близком к реальному.

Для таких систем и устройств, где применяются сенсоры (датчики мгновенных значений напряжения и тока), чтобы производить оценку текущей электромагнитной обстановки, необходимо разработать методику анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в 6 электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов. Режимы потребления мощности в электрических цепях весьма разнообразны. Это разнообразие обусловлено сложными физическими явлениями, происходящими в источнике и нагрузке. Параметры элементов и алгоритмы работы как индивидуальных, так и групповых нагрузок заранее неизвестны, поэтому графики, потребляемой ими от источника электроэнергии мощности, описываются зависимостями, в качестве аргумента которых выступает время. Изменения параметров таких временных зависимостей, по отношению к внешним зажимам нагрузки или источника являются случайными. Графики случайных нагрузок характеризуются в основном изменениями составляющих полной (кажущейся) мощности. Разработанная методика анализа должна обеспечивать точное вычисление этих изменений в реальном времени, по мгновенным значениям напряжений и токов и использовать эту информацию для управления устройствами, обеспечивающими повышение энергоэффективности.

В настоящее время существуют различные показатели эффективности электропотребления и качественные показатели электроэнергии (электроснабжения) питающей сети, характеризующие энергоэффективность по различным параметрам, однако критерия количественной оценки энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, удовлетворяющих данному ранее определению энергоэффективности, на сегодняшний день нет.

Коэффициент мощности, используемый при оценке эффективности электропотребления, отражает основные параметры потребления мощности. В качестве таковых, могут выступать соответствующие энергетические коэффициенты, которые дают представление об искажениях, наличии фазовых сдвигов и несимметрии нагрузки фаз, возникающих в результате работы различных электротехнических комплексов и содержащихся в них приемников электроэнергии. Произведение этих коэффициентов равно значению коэффициента мощности в местах проведения измерений и анализа.

Коэффициент мощности учитывает основные параметры электропотребления, однако не позволяет в общем случае учесть параметры качества напряжения питания.

В нормативных документах и государственных стандартах по качеству электроэнергии, как правило, приведены различные показатели качества напряжений, характеризующие изменения четырех основных параметров:

1. Частоты.

2. Уровней.

3. Синусоидальности.

4. Симметрии.

Для указанных параметров регламентированы принятые диапазоны изменений, при соблюдении которых электроэнергия считается качественной, но нет какого — либо интегрального коэффициента, количественно оценивающего это качество, и кроме всего прочего ничего не говорится об эффективности электропотребления.

Следовательно, синтез интегрального критерия энергоэффективности, который бы объединял показатели эффективности электропотребления, показатели качества электроснабжения и потери мощности при снабжении потребителей электроэнергией, является весьма целесообразным в задачах оценки энергоэффективности и ее повышения при помощи различных методов и технических средств.

Значительную роль в обеспечении энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, играет процедура транспортировки электрической энергии от источников к потребителям по линиям электропередачи (ЛЭП). Производство электрической энергии концентрируется преимущественно на электростанциях, которые работают совместно (параллельно), при этом 8 центры потребления (приемники) электрической энергии (промышленные предприятия, города, сельские районы и т. п.) часто удалены от ее источников на десятки, сотни и тысячи километров и распределены на значительной территории. В связи с несовпадением центров производства и потребления электроэнергии возникают проблемы эффективности передачи мощности на дальние расстояния. Задача ЛЭП в данном случае состоит в том, чтобы донести выработанную на станциях электроэнергию до потребителей в необходимом объеме и с минимальными потерями. Это отдельное, очень важное направление в комплексе мер, направленных на повышение энергоэффективности, которое требует особого внимания.

Потери при транспортировке в ЛЭП переменного тока обусловлены главным образом конструктивными особенностями, нагревом проводов и волновыми свойствами линий. Эти характеристики влияют на передачу мощности переменного тока при ненулевых длинах линий. Чем длиннее линия, тем заметнее проявление волновых свойств электропередачи. Если длина линии соизмерима с длиной электромагнитной волны на частоте напряжения источника электроэнергии, то волновые свойства приобретают центральное место в совокупности факторов, приводящих к снижению энергоэффективности и пропускной способности электропередач.

Наиболее перспективным способом повышения пропускной способности линий переменного тока является способ, предусматривающий проведение специальных мероприятий, направленных на компенсацию электрических погонных параметров линий, способствующих снижению эквивалентной волновой длины ЛЭП и переходу в так называемый режим нулевой длины линий. Наибольшую эффективность при компенсации электрических параметров в условиях эксплуатации удается достичь при их оптимизации на стадии проектирования и использовании адаптивных линий электропередачи. В этом случае минимизируются потери мощности, увеличивается пропускная способность и повышается энергоэффективность, в том числе протяженных ЛЭП.

При транспортировке электроэнергии на дальние расстояния в мировой практике все чаще обращают внимание на возможность использования линий электропередач постоянного тока. Передача энергии при помощи линий постоянного тока имеет ряд преимуществ перед традиционной электропередачей переменного тока. Эти преимущества заключаются в большей экономичности, меньших электрических потерях и в значительно более высокой пропускной способности передачи. Поэтому для повышения пропускной способности при передаче мощности на сверхдальние расстояния используют линии постоянного тока.

Другим важнейшим направлением повышения энергоэффективности является повышение эффективности электропотребления и качества электроснабжения потребителей за счет компенсации реактивной мощности в точках подключения источников и стабилизации параметров качества напряжения или тока в точках подключения приемников электроэнергии при помощи специальных методов и средств. К наиболее перспективным техническим методам и средствам, способствующим повышению энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, относятся методы и средства адаптивной компенсации.

Принцип работы современных устройств адаптивной компенсации основан либо на изменении эквивалентных реактивных сопротивлений, либо на генерации потоков электроэнергии (мощности) при помощи специальных преобразователей. Методы повышения энергоэффективности, применяемые в устройствах адаптивной компенсации, предполагают использование систем контроля и управления реального времени, которые содержатся в любом адаптивном устройстве и при помощи сенсоров (датчиков напряжения и тока) осуществляют настройку элементов устройств по определенным алгоритмам. В результате такой настройки достигается максимальная для рассматриваемой системы энергоэффективность, определяемая функциональными возможностями конкретного устройства или комплекса устройств адаптивной компенсации. В задачах повышения.

10 энергоэффективности электротехнических комплексов и систем главным преимуществом устройств и методов адаптивной компенсации перед неадаптивными и нерегулируемыми компенсирующими электроустановками различного назначения и класса напряжений, является более высокая результативность в достижении конечной цели, связанная с постоянной настройкой характеристик устройств сообразно реальным изменениям внешних и внутренних системных параметров. Необходимо отметить немаловажную роль параметрической вариации и селективного выбора степени воздействия на различные составляющие энергоэффективности, что при работе устройств адаптивной компенсации в автоматизированном или в полностью автоматическом режиме управления позволяет осуществлять выбор и минимизацию отдельных негативных явлений, приводящих к снижению энергоэффективности согласно выбранному критерию. В зависимости от практических приложений и возможностей современных устройств повышения энергоэффективности (устройств адаптивной компенсации), они могут отличаться друг от друга сложностью схемотехнических решений и разнообразием алгоритмов работы. В качестве устройств, способствующих повышению энергоэффективности по выбранному критерию, в данном случае, выступают различные устройства или комплексы устройств, реализующие методы адаптивной компенсации за счет генерации адаптивных потоков электроэнергии или за счет адаптивного параметрического регулирования реактивных сопротивлений.

Цель работы заключается в разработке методов и средств повышения энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения за счет минимизации потерь при передаче мощности от источников электроэнергии к потребителям, а также за счет повышения показателей эффективности электропотребления и качественных показателей электроэнергии питающей сети.

Основные задачи. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Предложить методику анализа параметров, характеризующих специфику потребления мощности при работе электротехнических комплексов и систем электроснабжения различного назначения.

2. Предложить критерий энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, а также методику его измерения и расчета.

3. Разработать методику повышения пропускной способности ЛЭП переменного тока на основе принципа элементарной параметрической адаптации.

4. Предложить методы и разработать устройства адаптивной компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, обеспечивающие выполнение требований к энергетическим показателям электротехнических комплексов и систем электроснабжения в соответствии с предложенным критерием энергоэффективности.

Методы исследований. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В диссертации использованы основные положения теоретической электротехники, аппараты математического анализа, тригонометрии, теории вероятностей, линейной и векторной алгебры, современные методы экспериментального компьютерного моделирования электротехнических комплексов и динамических систем МаЙаЬ-ЗтшНпк, математический пакет программ для вычислений и обработки результатов МАТНСАЭ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов.

2. Коэффициент энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения и методика его измерения.

3. Методика повышения пропускной способности ЛЭП переменного тока с реализацией принципа элементарной параметрической адаптации.

4. Адаптивные методы и реализующие их устройства компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, обеспечивающие повышение энергоэффективности по выбранному критерию.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Предложена методика анализа и расчета характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов, которая с высокой точностью отражает реальные электроэнергетические процессы.

2. Предложен общий критерий показателей эффективности электропотребления, параметров качества электроснабжения, и потерь мощности, в виде коэффициента энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, а также методика его измерения.

3. Предложена методика повышения энергоэффективности и пропускной способности ЛЭП переменного тока на основе принципа элементарной параметрической адаптации.

4. Разработаны и реализованы методы, компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, обеспечивающие повышение энергоэффективности по предложенному критерию.

Достоверность научных результатов диссертационной работы подтверждается адекватностью методов исследования и математических моделей задачам, решаемым в диссертации, результатами экспериментального компьютерного моделирования электротехнических комплексов и динамических систем, патентами на изобретения и полезные модели, внедрениями на производстве и в учебном процессе.

Практическая ценность работы:

1. Методика анализа характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях, по мгновенным значениям напряжений и токов, предложенная в диссертационной работе, может быть использована в системах управления и контроля, в современных устройствах компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, а также в различных цифровых контрольно-измерительных приборах.

2. Предложенный коэффициент энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, а также методика его измерения по мгновенным значениям напряжений и токов, могут найти широкое применение в цифровых измерительных приборах, устройствах управления контроля и визуализации в реальном времени, в системах многопараметрической диагностики электроэнергетических систем (ЭЭС).

3. Методика и средства повышения энергоэффективности ЛЭП предложенные в диссертационной работе, могут применяться при проектировании и строительстве ЛЭП различной протяженности, а также в комплексных мероприятиях по повышению их пропускной способности и минимизации потерь.

4. Разработанные методы и устройства адаптивной компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, могут использоваться в разнообразных электротехнических комплексах и системах электроснабжения промышленных и бытовых потребителей мощности.

Реализация и внедрение результатов диссертационной работы.

Полученные в диссертационной работе результаты использовались:

1. в ЗАО «НПО «Тепломаш», г. Санкт-Петербург;

2. в НПФ «Вектор-Ш» ОАО «НИИ «Вектор», г. Санкт-Петербург;

3. в ООО «СВЧ-Радиосистемы», г. Санкт-Петербург;

4. в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ», внедрены в лекционные курсы и лабораторный практикум по дисциплинам: «Компьютерно-информационные технологии анализа и синтеза электротехнических комплексов» и «Силовая импульсная техника».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной научно — технической конференции «Передовые технологии, материалы и оборудование в сварке и родственных процессах» (г. СанктПетербург 2008 г.), на ХП-й международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты (МКЭЭЭ, г. Алушта 2008 г), на 63-й и 64-й научнотехнических конференциях СПбНТОРЭС им. А. С. Попова (СанктПетербург 2008, 2009 гг.), а также на 61 — 64 научно — технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (г. Санкт-Петербург, 2008;2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, среди них 4 статьи в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 4 патента РФ на изобретение, 4 патента РФ на полезную модель, 8 работ в других изданиях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка используемой литературы и изложена на 220 листах машинописного текста.

4.4. Выводы по четвертой главе.

1. Проведен анализ современных методов и устройств повышения энергоэффективности.

2. Показано, что наиболее существенный результат в задачах повышения энергоэффективности достигается при использовании устройств, реализующих методы адаптации.

3. Предложены оригинальные устройства и методы повышения энергоэффективности, использующие принципы генерации адаптивных потоков электроэнергии.

4. Предложены оригинальные устройства и методы повышения энергоэффективности, использующие принципы адаптивного параметрического регулирования.

5. При помощи компьютерного моделирования проведены экспериментальные исследования, основных возможностей предложенных устройств, доказана целесообразность использования этих устройств для повышения энергоэффективности по выбранному критерию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы были достигнуты следующие основные результаты:

1. Предложена методика анализа и расчета характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов, которая с высокой точностью отражает реальные электроэнергетические процессы.

2. Предложен общий критерий показателей эффективности электропотребления и параметров качества электроснабжения, в виде коэффициента энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения, а также методика его измерения.

3. Предложена методика повышения энергоэффективности и пропускной способности ЛЭП переменного тока на основе принципа элементарной параметрической адаптации.

4. Предложены методы и разработаны оригинальные устройства адаптивной компенсации реактивной мощности и стабилизации параметров качества электроэнергии, обеспечивающие повышение энергоэффективности по выбранному критерию.

Перспективами дальнейшего развития работы являются:

1. Повышение точности и снижение времени измерений характеристик сигналов и параметров потребления мощности в электрических цепях по мгновенным значениям напряжений и токов с учетом реальных системных параметров.

2. Совершенствование аналитических выражений для многопараметрического критерия энергоэффективности и разработка аппаратуры для измерений и контроля энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения на различных уровнях ЭЭС.

3. Разработка систем электропередачи переменного и постоянного тока, обеспечивающих минимизацию потерь при транспортировке электроэнергии.

4. Проектирование и создание электрооборудования с учетом предложенного критерия энергоэффективности.