Методы исследования и нормализации режимов высших гармоник в сетях высокого напряжения

Актуальность проблемы. Необходимым условием успешной работы системы общего электроснабжения является обеспечение качества электрической энергии (КЭ) в узлах подключения потребителей. Вопросы обеспечения относятся к проблеме электромагнитной совместимости электрической сети и подключенных к ней потребителей. Показатели КЭ регламентируются ГОСТ 13 109–97 [1]. В показатели КЭ входят коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Ки и коэффициенты гармонических составляющих напряжения Ки (п). Для этих величин нормируются нормально допустимые значения и предельно допустимые значения. Нормально допустимые и предельно допустимые значения величины Ки для сетей общего назначения приведены в табл.1, взятой из [1]. Нормально допустимые значения для Ки (П) приведены в табл.2. Предельно допустимые значения величин Ки (П) превышают нормально допустимые значения в 1.5 раза.

Таблица 1.

Значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в процентах).

Нормально допустимое значение при ином, кВ Предельно допустимое значение при Шом, кВ.

0.38 6−20 35 110−330 0.38 6−20 35 110−330.

8.0 5.0 4.0 2.0 12.0 8.0 6.0 3.0.

В качестве минимального интервала времени измерения качества приняты одни сутки. В течение 95% времени измерения величины Ки и КщП) не должны превышать нормально допустимых значений, а максимальные значения должны быть меньше предельнр допустимых значений.

Диссертация посвящена методам исследования и расчета режимов высших гармоник (ВГ) и нормализации качества электроэнергии, измеряемого величинами Ки и Кщп), в узлах электрических сетей высокого напряжения (ВН) напряжением 110кВ и выше.

Таблица 2.

Значения коэффициента п-ой гармонической составляющей напряжения (в процентах).

Нечетные гармоники, не кратные 3, при ином, кВ Нечетные гармоники, кратные 3*, при ин0м, кВ Четные гармоники, при ином, кВ п 0.35 6−20 35 110 330 п 0.35 6−20 35 110 330 п 0.35 6−20 35 110 330.

5 6.0 4.0 3.0 1.5 3 5.0 3.0 3.0 1.5 2 2.0 1.5 1.0 0.5.

7 5.0 3.0 2.5 1.0 9 1.5 1.0 1.0 0.4 4 1.0 0.7 0.5 0.3.

11 3.5 2.0 2.0 1.0 15 0.3 0.3 0.3 0.2 6 0.5 0.3 0.3 0.2.

13 3.0 2.0 1.5 0.7 21 0.2 0.2 0.2 0.2 8 0.5 0.3 0.3 0.2.

17 2.0 1.5 1.0 0.5 >21 0.2 0.2 0.2 0.2 10 0.5 0.3 0.3 0,2.

19 1.5 1.0 1.0 0.4 12 0.2 0.2 0.2 0.2.

23 1.5 1.0 1.0 0.4 >1 2 0.2 0.2 0.2 0.2.

25 1.5 1.0 1.0 0.4.

25 0.2+1,Зх 25/п 0.2+0,8×25/п 0.2+0,3×25/п 0.2+0, 2×25/п п-номер гармонической составляющей Нормально допустимые значения, приведенные для п, равных 3 и 9, относятся к однофазным электрическим сетям. В трехфазных трехпроводных электрических сетях эти значения принимаются вдвое меньшими приведенных в таблице.

Причиной несинусоидальных режимов в электрических сетях являются нелинейные потребители с нелинейной вольтамперной характеристикой. К сетям ВН подключено множество таких потребителей, в том числе большой мощности: тяговые подстанции железных дорог, алюминиевые заводы, металлургические заводы и др. Потребление электрической энергии нелинейными потребителями сопровождается искажениями форм кривых токов и напряжений, что приводит к ухудшению качества электрической энергии.

Повышенные уровни напряжений высших гармоник (УНВГ) вызывают множество негативных последствий: увеличение потерь электроэнергии, повреждение и сокращение сроков службы оборудования, нарушение работы систем управления, автоматики, защиты, неправильную работу счетчиков электроэнергии и т. д. [2−9].

В связи с ростом мощностей потребителей с нелинейными нагрузками, вносящих искажения в сеть (преобразовательные установки, электротяга, дуговые печи) и широкому распространению электронных систем автоматического управления, чувствительных к искажениям в сети, внимание ученых многих стран мира привлечено к проблеме высших гармоник в напряжении электрических сетей. В международных организациях МЭК и СИГРЭ были созданы:

• технический комитет № 77 «Электромагнитная совместимость оборудования, присоединенного к общей электрической сети» — МЭК.

• рабочая группа 5 «Несимметрия, несинусоидальность и колебания напряжения» исследовательского комитета № 36 — СИГРЭ.

Данная рабочая группа провела опрос специалистов многих стран о сравнительной важности и необходимости первоочередного рассмотрения явлений в области электромагнитной совместимости. Большинство специалистов посчитало наиболее важной проблему высших гармоник[12].

По рассматриваемой проблеме имеется много монографий [2−10]. С 1991 по 1998 г, защищено 6 докторских диссертаций[14−18]. Об актуальности проблемы высших гармоник говорит большое число докладов на международных конференциях, посвященных электрическим системам [13], и проведение по программе IEEE с периодичностью 2 года международных конференций «Высшие гармоники и качество электрической энергии» (всего проведено 9 конференций), большое количество статей в журналах «Электричество» и «Промышленная энергетика».

Значительный вклад в изучение режимов высших гармоник, разработку методов измерения, расчета и нормализации внесли следующие отечественные и зарубежные ученые: Вягин Г. Я., Гамм А. З., Глинтерник С. Р., Гераскин О. Т., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Зыкин Ф. А., Карташев И. И., Кордюков Е. И., Крайчик Ю. С., Кузнецов В. Г., Курбацкий В. Г., Кучумов JI. А., Липский A.M., Никифорова Е. В., Розенов В. И., Саенко Ю. Л., Тимофеев Д. В., Тонкаль В. Е., Трофимов Г. Г., Федоров В. К., Фокин Ю. А., Черепанов В. В., Шидловский А. К., Аррилага Дж., Брэдли Д., Боджер П Геддея Д. К., Van Wyk J.D., Emanuel Е. и др.

Исследование режимов высших гармоник включает следующие основные вопросы: нормирование режимов, регламентацию взаимоотношений потребителей и сети, техника измерения, анализ режимов по результатам измерений, изучение свойств режимов нагрузок и сети, моделирование и расчет, нормализация режимов, влияние на оборудование.

Наиболее полно весь спектр вопросов, связанных с режимами высших гармоник, рассмотрен для сетей систем в монографии Аррилага Д., Брэдли Д. и Боджер П. [2], для сетей промышленных предприятий в монографиях Жежеленко И. А. [3, 4]. Применительно к сетям электроснабжения железных дорог режимы высших гармоник подробно рассмотрены в [7]. Методы расчета и нормализации качества электроэнергии, связанного с ВГ, рассматриваются в справочной литературе по электрическим сетям, например в [11].

Вопросы нормирования режимов высших гармоник и регламентации взаимоотношений потребителей и сети общего назначения рассмотрены в [1−9, 19−53]. Взаимоотношения между электрической сетью общего назначения и потребителями в части обеспечения формы кривой напряжения регламентируются следующими нормативными документами:

• ГОСТ 13 109–97 [1] - определяющим допустимые величины коэффициентов искажения синусоиды и коэффициентов гармоник напряжения и порядок их измерения.

• Методическими указаниями по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения [19] - определяющими порядок проведения измерений качества электроэнергии и обработки измерений.

• Правилами присоединения потребителя к сети общего пользования по условиям влияния на качество [20] -определяющими допустимые уровни вносимых искажений в величины Ку и КЩп) потребителями с нелинейными нагрузками.

• Правилами применения скидок и надбавок к тарифам за качество электроэнергии [21] - определяющими порядок измерения фактических вкладов нелинейных нагрузок и сопоставления их с допустимыми значениями.

Измерения коэффициента искажения синусоиды напряжения Кц и коэффициентов гармоник напряжения Ки (п) в сетях ВН показывают, что их величины часто превышают нормально допустимые значения, установленные ГОСТ 13 109–97. В табл.3 приведены результаты замеров, выполненных с участием автора в 1998;99 годах в сетях Восточной Сибири. Качество электрической энергии нарушено (Т1 превышает значение 5%) на 11 подстанциях из 23. Поэтому для сетей высокого напряжения (ВН) является актуальной задача нормализации качества напряжения.

Действующие нормативные документы разработаны на основании свойств режимов ВГ в сетях промышленных предприятий. Нормативные документы базируются на принципе бесплатного использования потребителями с нелинейными нагрузками свойства сети воспринимать токи ВГ. В связи с ростом мощностей нелинейных нагрузок возросли напряжения ВГ, и появилась необходимость в разработке сетей с учетом режимов ВГ и соответственно в пересмотре правил.

Таблица 3.

Результаты измерений Кц в 1998;1999 г. место измерений Дата измерений Фаза, А Фаза В Фаза С.

Среднее значение Стандартн ое отклонение Т1 Среднее значение [Стандартн ре [отклонение Т1 Среднее значение Стандартн ое отклонение Т1.

Байкальск, 220кВ 18.05.98% % % % % % % 1.26% 0.22% 0.2.

1.5 0.25 2.2 1.38 0.29 2.6.

Шелехов, 220кВ 28.5.98 1.14 0.2 0 1.11 0.21 0 1.12 0.23 0.

Коршуниха, 220кВ 17.06.98 1.79 0.3 22.6 1.91 0.36 35 2.05 0.34 51.7.

Братская ГЭС, 1с 220кВ 18.6.98 2.47 0.31 93.1 3.12 0.41 96 2.61 0.33 96.9.

Зима 220кВ 14.07.98 2.21 0.23 81.9 2.19 0.27 72.4 2.03 0.22 54.3.

Северобайкальск, 220кВ 22.07.98 2.08 0.69 37.3 1.82 0.47 26.6 2.15 0.44 60.1.

Тулун, 220кВ 23.07.98 2.17 0.51 58.5 2.15 0.69 49.4 2.3 0.68 60.

Уоян, 220кВ 23.07.98 1.89 0.88 35.2 1.96 0.59 40.9 2.29 0.67 60.9.

Улькан, 220кВ 26.07.98 2.08 0.56 52.7 1.76 0.42 27.6 2.08 0.61 46.5.

АНКХ, ЦРП2,110кВ 23.09.98 1.1 0.15 0 0.9 0.104 0 1.01 0.18 0.

АНКХ, 110кВ 29.09.98 1.24 0.18 0 1.14 0.16 0 1.19 0.15 0.

Иркутская, 220кВ 16.02.99 1.12 0.12 0 1.05 0.13 0 1.04 0.13 0.

Слюдянка, 220кВ 15.03.99 1.43 0.22 0.8 1.56 0.26 4.9 1.48 0.24 1.7.

Байкальская, 110кВ 17.05.99 1.28 0.24 0 1.28 0.26 0 1.05 0.19 0.

Правобережная, 110кВ 20.05.99 0.88 0.11 0 0.83 0.14 0 0.75 0.11 0.

ТЭС-11,110кВ 25.05.99 1.16 0.21 0 1.2 0.21 0 1.23 0.24 0.

ТЭС-11, 220кВ 26.05.99 1.31 0.23 0 1.3 0.16 0 1.41 0.23 0.

Черемхово 110кВ 24.06.99 2.2 0.46 65.3 2.2 0.44 67.7 2.21 0.38 69.7.

Черемхово 220кВ 23.06.99 2.06 0.32 53.6 2.04 2.28 60 2.23 0.32 — 72.8.

Новая Уда 110кВ 07.07.99 2.9 1.03 81 2.85 1.1 79.8 2.46 0.46 68.4.

Шелехов 110кВ 13.07.99 1.73 0.4 22.8 1.63 0.38 16.6 1.64 0.4 18.8.

Баяндай 110кВ 14.09.99 0.83 0.22 0 1.01 0.26 0 1.07 0.16 0.

УП15 110кВ 23.09.99 1.19 0.12 0 1.29 0.14 0 1.06 0.12 0.

Виновником превышения допустимых значений напряжений ВГ, в соот ветствии с «Правилами применения скидок.», может быть как потребитель, так и сеть. В соответствии с действующими правилами виновным в нарушении качества электроэнергии является потребитель, если его фактический вклад в величины Ку иКи (п) превышает допустимые значения. Величина вклада определяется до результатам сравнения величин Ки иКи (п) при включенном и отключенном потребителе. Обработки измерений режимов высших гармоник в сетях ВН показывают, что изменения Кц иКи (п) при подключении нелинейных нагрузок носят сложный характер и часто не соответствуют «Правилам». Отмечаются случаи, когда при подключении значительной искажающей нагрузки качество электроэнергии улучшается. Применительно к сетям высокого напряжения автором показано, что изменение напряжения высших гармоник при подключении потребителя не отражает его вклада в напряжение высших гармоник. [137,144].

Нормативно-техническая документация, сформулированная с учетом свойств несинусоидальных режимов в промышленных электрических сетях, не учитывает свойств несинусоидальных режимов в электрических сетях ВН с протяженными линиями электропередачи (ЛЭП). В промышленных сетях сопротивление сети определяется, главным образом, сопротивлением питающих трансформаторов. Нелинейные нагрузки расположены близко друг от друга, фазы напряжений основной гармоники для разных нелинейных нагрузок близки. В сетях с протяженными ЛЭП сопротивление в узле сети сильно зависит от сопротивлений ЛЭП. Нелинейные нагрузки удалены друг от друга на большие расстояния, фазы напряжений в узлах подключения различаются значительно, в коэффициентах распределения токов в сетях с протяженными линиями проявляется волновой эффект [2, 3]. Определение виновника искажений напряжения в узлах сети с протяженными ЛЭП затруднено, поскольку подключение нелинейного потребителя может уменьшить УНВГ в узле и улучшить качество электрической энергии, в отличие от промышленных сетей. Поэтому необходимо изучение свойств режимов ВГ в сетях ВН с целью учета их в нормативных документах.

Вопросы техники измерения режимов высших гармоник и анализа соответствия режимов высших гармоник нормативным требованиям рассмотрены в [1−4,51−55]. Для измерения качества электрической энергии в настоящее время используются измерительные комплексы «Омск», ППКЭ-50, ЭРИС-КЭ и др. Вычислительные комплексы позволяют регистрировать с заданным интервалом времени режимы нагрузок и параметры показателей качества электроэнергии, в том числе высших гармоник и создавать архивы измерений. Использование измерительных комплексов создало технические предпосылки для статистического анализа режимов ВГ сети и токов нелинейных нагрузок. В полной мере особенности несинусоидальных режимов в сетях высокого напряжения с протяженными ЛЭП удалось выявить после появления измерительно-вычислительного комплекса «Омск». Комплекс позволил в течение суток проводить измерения параметров несинусоидальных режимов — токов и напряжений высших гармоник, сохранять и затем обрабатывать измеренную информацию. По результатам измерений, проводимых с 1994 года в сетях Восточной Сибири, удалось установить следующее:

• УНВГ быстро и значительно изменяются, например, в течение 10 минут они могут измениться по величине более чем в 3 раза;

• в фазах сети УНВГ значительно отличаются между собой;

• при коммутациях в схеме и изменениях режима на основной частоте УНВГ могут изменяться на значительную величину;

• высокие УНВГ могут возникать в узлах сети, удаленных от места коммутации на большие расстояния;

• искажения, вносимые однотипными нелинейными нагрузками в сеть, могут значительно отличаться друг от друга.

С учетом использования измерительных комплексов для измерения режимов высших гармоник появилась возможность определения статистических параметров режимов ВГ сети и нагрузок с целью использования при расчетах.

Вопросы моделирования и расчета режимов ВГ рассмотрены в [2−4, 5675]. Несмотря на вероятностный характеррежимов ВГ часто используются детерминированные расчеты [2−4, 56], базирующиеся на средних значениях. Применительно к сетям промышленных предприятий и железным дорогам разработаны методы вероятностных расчетов режимов высших гармоник [7,57,66,67]. Однако, их применение для сетей с протяженными ВЛ требует уточнения с учетом особенностей режимов и использования фактических параметров искажающих нагрузок.

Вопросы анализа режимов высших гармоник по результатам измерений и расчетов рассмотрены [2−9, 77−86]. Это необходимо для выявления влияния сети и нагрузок на режим ВГ. Взаимодействие сети и нелинейных нагрузок в сетях ВН значительно сложнее, чем в промышленных сетях. Поэтому возникла необходимость в разработке метода анализа режима ВГ по результатам расчетов ВГ в электрической сети ВН с целью выявления взаимодействия сети и нагрузок и влияния состава сети на НВГ.

Для понимания наблюдаемых режимов ВГ необходимо знание основных свойств распространения ВГ в сетях ВН, которые выявляются путем анализа измерений и расчетов [2−6, 86−105]. Режимы высших гармоник в сетях ВН весьма сложны и многообразны. Поэтому возникает необходимость изучения свойств режимов ВГ с помощью специальных расчетов с целью выявления влияния состава сети на НВГ.

Вопросы моделирования электрических сетей при расчетах ВГ рассмотрены в [2−7, 106−128]. Важным элементом моделирования является определение параметров моделей по результатам измерения режимов. К сетям высокого напряжения подключены нелинейные нагрузки большой мощности. Для проведения расчетов высших гармоник в сетях ВН необходимо знание фактических величин искажения, вносимых каждой из нагрузок. Проведение измерений параметров режимов высших гармоник с помощью комплекса «Омск» позволяет получить информацию, необходимую для определения фактических параметров искажающих нагрузок. Измерения позволяют также определить статистические свойства напряжений высших гармоник.

Вопросы нормализации режимов высших гармоник в сетях промышленных предприятий рассмотрены в [2−6, 129−136]. Нормализация достигается за счет снижения напряжений высших гармоник в узлах присоединения крупных нелинейных нагрузок. Протяженные ВЛ могут приводить к значительному увеличению НВГ. Нормализации НВГ в узлах подключения нелинейных нагрузок недостаточно для обеспечения допустимых величин НВГ во всех узлах. Необходима разработка мероприятий по нормализации УНВГ в сетях высокого напряжения с учетом их свойств.

Свойства режимов высших гармоник в сетях ВН существенно отличаются от режимов высших гармоник в сетях промышленных предприятий. Поэтому возникла необходимость в развитии и уточнении методов анализа, расчета и нормализации режимов высших гармоник применительно к сетям ВН.

Объект исследований: сети напряжением 1 ЮкВ и выше с протяженными ЛЭП и крупными нелинейными нагрузками.

Целями работы являются:

• разработка методов расчета, анализа и нормализации УНВГ в сетях 110кВ и выше с протяженными ЛЭП и крупными нелинейными нагрузками;

• изучение свойств режимов высших гармоник в сетях ВН по результатам специальных расчетов и по результатам измерения режимов узлов сети;

• разработка методов моделирования линейных и нелинейных нагрузок узлов сетей высокого напряжения по результатам измерения их режимов. Научная новизна работы: Разработаны методы расчета, анализа и нормализации режимов ВГ в сетях ВН, в том числе:

• введены понятия генерации и поглощения искажающих мощностей;

• сформулировано условие обеспечения нормально допустимых значений коэффициентов гармоник напряжения в узле подсоединения нелинейных нагрузок, выраженное через генерацию и поглощение искажающей мощности.

• разработаны методы анализа режимов высших гармоник в узле и в исследуемом районе сети с использованием величин генерации и поглощения искажающей мощности;

• уточнен метод вероятностного расчета режимов высших гармоник в сетях ВН, основанный на законах сложения случайных комплексных величин с учетом режима сети на основной гармонике;

• разработан метод обработки режимов нелинейных нагрузок для определения параметров распределения величин ГИМ;

• разработан метод моделирования нагрузки с учетом распределительных сетей путем задания частотных характеристик ПИМ;

• разработана технология обоснования технических решений по нормализации режимов высших гармоник в протяженных сетях и в узлах присоединения крупных нелинейных нагрузок;

• разработан метод нормализации УНВГ за счет увеличения ПИМ в узлах сети;

• предложен метод оценки эффекта от введения фазовых сдвигов на выпрямительных блоках алюминиевых заводов основанный на суммировании генераций искажающих мощностей;

• разработан метод централизованной нормализации режима в протяженной сети с большим количеством тяговых подстанций.

Автор защищает:

1. Метод анализа режимов высших гармоник в сетях ВН, в том числе:

• введение понятий генерации и поглощения искажающих мощностей, представление напряжения высших гармоник узла как результат двух процессов: генерации искажающей мощности в узел сети нелинейными нагрузками и поглощения искажающей мощности проводимостями сети и узла;

• состав и способы отображения параметров, используемых при анализе режима одного узла и режима узлов заданного района.

2. Методы расчета параметров распределения случайных величин Ки и Ки (П) применительно к сетям ВН с использованием математических ожиданий, дисперсий и ковариаций на комплексной плоскости, режима основной гармоники и параметров нелинейных нагрузок, полученных по результатам измерения их режима.

3. Метод изучения свойств режимов высших гармоник в сетях ВН, основанный на изменении длин ЛЭП в специальных схемахсвойства режимов ВГ в сетях ВН, выявленные в результате исследований автора.

4. Методику моделирования исследуемого района сети высокого напряжения, в том числе метод моделирования ПИМ нагрузки узлов с учетом распределительных сетей.

5. Методы обработки измерений режимов высших гармоник в сетях высокого напряжения для целей моделирования режимов высших гармоник, в том числе определение параметров распределения НВГ, ГИМ нелинейных нагрузок, ПИМ нагрузок узлов.

6. Метод централизованной нормализации НВГ в сетях высокого напряжения, включающий: проведение измерений, обработку измерений, моделирование исследуемой сети, обоснование мероприятий по нормализации, проверку решения на совокупности расчетных режимов.

Практическая ценность работы и внедрение результатов. На основании выполненной работы разработан вычислительный комплекс «Гармоники», предназначенный для расчета режимов в сложных сетях, для обоснования мероприятий по нормализации УНВГ в сетях ВН, для изучения свойств режимов высших гармоник. Данные разработки предназначены для служб режимов энергосистем, проектных и исследовательских организаций. Комплекс «Гармоники» был использован при массовых расчетах при обосновании мероприятий по нормализации УНВГ в сетях Восточной Сибири.

Разработки автора были использованы для:

• обоснования средств компенсации реактивной мощности с учетом высших гармоник для Иркутского кабельного завода (1996 г.),.

• анализа аварийного режима высших гармоник в сети 35−1 ОкВ подстанции 220кВ Покосное, при коммутациях в сети 220кВ (1998 г.),.

• разработки мероприятий по нормализации режимов в сети 110- 220кВ, питающей тяговые подстанции ВСЖД от Лены до Таксимо (1999 г.),.

• разработки технических мероприятий по нормализации режимов высших гармоник в сети 220кВ БРАЗ — БРГЭС (1999 г.),.

• разработки мероприятий по нормализации режимов высших гармоник в сети внешнего электроснабжения тяговых подстанций ВСЖД на участке Слю-дянка — Петровский завод (2000г.).

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы обсуждались на международных конференциях и семинарах, в том числе:

1. Second SEI-EPRI. Seminar on Methods on Energy Power Systems Development and Control/ Irkutsk, Russia, August31-September 4,1992.

2. Ill международной конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий», Мариуполь, Украина, 15−17 сентября 1994.

3. 9th International Power System Conference. Proceeding, volume 1, St.- Petersburg, July 14−7, 1994.

4. Power Systems Computation Conference, Volume II, Dresden, Germany, Avgust 20−23,1996.

5. Proceedings of International Symposium on Modem Electric Power Systems, Wroclaw, Poland, September 26−27, 1996.

6. Proceedings 4-th International Conference" Electrical Power Quality and Utilization, Krakow, Poland, Sept. 23−25, 1997.

7. International Conference «Power Quality-Assessment of Impact», CIGRE Regional Meeting, Asia and Middle East, New Delhi, India, sept. 10−11 1997.

8. Proceedings of 8th International Conference on Harmonics and Power,, Athens, Greece, October 14−16, 1998.

9. International Conference on Electric Power Engineering «Power Tech 99» Budapest, August 29-September 2,1999.

10. IV М1жнародно1 науково1 конференцй «Ефективнють та яюсть електропостачання промисових шдприемств», Мар1уполь, Украша, 24−26 травня, 2000р

Результаты исследований отражены в докладах на международных конференциях в России и за рубежом, в ведущих отечественных журналах и монографиях.

Личный вклад автора. Автором разработаны методы расчета, анализа режимов высших гармоник, исследованы свойства режимов высших гармоник, разработаны программы по обработке измерений режимов высших гармоник, методы обоснования мероприятий по нормализации. Под руководством автора и при его активном участии разработан вычислительный комплекс «Гармоники».

Публикации. Результаты исследований отражены в 22 публикациях, подготовленных соискателем лично и в соавторстве [138−159].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 164 наименования, пяти приложений. Общий объем диссертационной работы 289стр., в том числе список литературы -18 стр., приложения — 36 стр.

6.7.Выводы к главе 6.

1. Автором разработан метод нормализации НВГ в сетях высокого напряжения включающий проведение измерений и их обработку, моделирование исследуемой сети, обоснование мероприятий по нормализации, проверку решения для совокупности расчетных режимов.

2. На примерах БРАЗа, БАМа, ВСЖД показана возможность проектирования сетей с обеспечением УНВГ и высокая эффективность централизованного обеспечения УНВГ.

3. С использованием искажающих мощностей обоснован выбор режимов конденсаторов резонансных фильтров. Разработана программа «Filter» для расчета параметров фильтров с учетом дискретности мощностей и напряжений банок конденсаторов.

4. Доказана возможность увеличения ПИМ сети высокого напряжения за счет подключения фильтров со специальной настройкой к обмоткам 10.5 кВ трансформаторов и автотрансформаторов.

5. Показано, что измерения ГИМ для блоков алюминиевого завода позволяет учесть существенное различие величин ГИМ для разных блоков и объективно оценить эффект от введения фазовых сдвигов на первой гармонике для блоков.

6. Показана возможность нормализации УНВГ в протяженном районе сети с большим количеством тяговых подстанций за счет увеличения ПИМ в небольшом числе узлов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В связи с тем, что качество электроэнергии, обусловленное напряжением высших гармоник в сетях ВН, часто не соответствует нормативным требованиям, необходим анализ причин нарушения качества электроэнергии и разработка мероприятий по нормализации НВГ.

Автором показано, что режимы высших гармоник в сетях ВН значительно отличаются от режимов высших гармоник в сетях промышленных предприятий. Потребовался учет свойств режимов ВГ в сетях ВН в методах расчета, анализа и нормализации НВГ.

Выполненная работа включает разработку методов анализа, расчета, изучения свойств, моделирования, обработки измерений и нормализации режимов высших гармоник в сетях ВН.

Основным итогом диссертационной работы является методический подход к исследованию режимов высших гармоник в сетях высокого напряжения на основе введения понятий генерации и поглощения искажающей мощности для анализа режимов высших гармоник узлов сети и разработке на их основе методов исследования и нормализации режимов высших гармоник в сетях высокого напряжения. Этот методический подход включает следующие результаты:

1. Разработан метод анализа режимов ВГ в сетях высокого напряжения, позволяющие понять сложившуюся ситуацию с НВГ в узлах сети, для чего расчет НВГ дополнен расчетом параметров, раскрывающих влияние нагрузок и сети на величины НВГ. Для анализа режимов высших гармоник в узлах сетей обосновано использование представления и сети через активный двухполюсник с параллельным соединением источника тока и проводимости. При таком представлении сети НВГ узла представлены как результат генерации искажающей мощности в узел сети нелинейными нагрузками и поглощения искажающей мощности эквивалентной проводимостью узла.

2. Для анализа режима узла предложено использовать следующие параметры:

• искажающие мощности, в которых отражен вклад каждой из нелинейных нагрузок сети в генерацию искажающей мощности узла, вклады сети и нагрузки в результирующее поглощение искажающей мощности для узланаличие резерва по поглощению ГИМ.

• напряжения гармоник, в которых отражен вклад каждой из нелинейных нагрузок в напряжение узла, что позволяет выделить наиболее значимые нагрузки.

3. Сформулировано условие совместимости сети и нагрузки узла по НВГ: величина ГИМ должна быть меньше величины ПИМ, умноженной на нормально допустимое напряжение гармоники. Введено понятие резерва по поглощению ГИМ.

4. Для анализа режима высших гармоник в заданном районе сети дополнительно к величинам Ки и Ки (п) предложено использовать величины ГИМ, ПИМ. Использование ГИМ и ПИМ позволяет определить причины наблюдаемых уровней высших гармоник и составить пространственную картину изменения ГИМ и ПИМ.

5. Применительно к сетям ВН уточнен метод расчета параметров распределения случайных величин Ки и Ки (П) — в части учета режима основной гармоники и параметров нелинейных нагрузок, полученных по результатам измерения их режима. Моделирование ГИМ нелинейными нагрузками по результатам измерения режима этих нагрузок позволяет значительно уточнить величины ГИМ и параметры распределения их случайных значений.

6. Показано, что для большинства узлов сетей напряжением 110 и 220кВ допустим неучет формы области рассеивания НВГ, а распределение случайных комплексных значений напряжений близко к нормальному распределению. Это позволяет вести расчеты с использованием математических ожиданий и дисперсий комплексных значений ГИМ. Для этого варианта расчетов разработан метод определения параметров распределения модуля случайной комплексной величины, использующий аппроксимацию характеристик параметров распределения случайных значений полиномами.

7. Разработаны методы расчетов, учитывающие форму областей рассеяния и отклонения закона распределения случайных значений от нормального распределения. Использование функции поворота координат на угол, обеспечивающей равенство нулю ковариации реальной и мнимой составляющей случайной комплексной величины, позволило уточнить расчет параметров распределения модуля комплексной величины.

8. Разработан метод исследования свойств режимов ВГ, использующий специальные схемы сетей и изменение длины ЛЭП в этих схемах. Автором выявлены следующие свойства режимов высших гармоник в сетях ВН:

• протяженные ЛЭП могут приводить к значительному увеличению напряжений высших гармоник,.

• в сетях ВН основной причиной повышенных уровней гармоник являются резонансы,.

• режимы напряжений высших гармоник взаимосвязаны на значительном расстоянии как по величинам ГИМ, так и по величинам ПИМ,.

• в узлах с пониженными величинами ПИМ отмечаются повышенные УНВГ,.

• наибольшие НВГ ожидаются в период летнего минимума нагрузки сети,.

• генерация искажающей мощности нелинейными нагрузками может распространяться на расстояние, превышающее 1000 км,.

• подключение фильтров к одному из узлов сети может приводить к существенному изменению УНВГ в сети на значительном расстоянии от узла присоединения,.

• коммутации в сетях энергосистем оказывают значительное влияние на УНВГ не только в примыкающих узлах, но и в узлах, удаленных от места коммутации на значительное расстояние.

9. Разработана методика моделирования исследуемого района сети, включающая решение следующих задач: выбор размеров и границ расчетной схемы, выбор представительных узлов для измерения НВГ, моделирование нагрузок узлов, составление списка расчетных режимов, проведение измерений режимов в узлах сети, обеспечение соответствия параметров режимов высших гармоник модели с результатами измерений, согласование режимов основной и высших гармоник. Задание расчетной схемы, значительно превышающей размеры исследуемой сети, позволяет уменьшить погрешность, обусловленную моделированием границ сети. Эквивалентирование частей расчетной схемы повышает наглядность и обозримость исследований без потери точности расчетов и значительном их ускорении. Модели нагрузок узлов сетей энергосистем должны учитывать входящие в их состав трансформаторы и распределительные сети, которые приводят к многократному увеличению ПИМ нагрузки. Для подтверждения правильности моделирования режимов высших гармоник в исследуемом районе используется сопоставление расчетных и измеренных величин НВГ. Многообразие режимов высших гармоник учитывается через список расчетных режимов. Для расчета режима основной гармоники расчетной схемы используется специализированный комплекс.

10. Разработаны методы проведения и обработки измерений режимов высших гармоник в сетях высокого напряжения для целей моделирования режимов высших гармоник, включающие определение параметров распределения НВГ, ГИМ нелинейных нагрузок и величин ПИМ нагрузок узлов.

11 .Разработан метод нормализации НВГ в сетях высокого напряжения, включающий проведение измерений и их обработку, моделирование исследуемой сети, обоснование мероприятий по нормализации, проверку решения на совокупности расчетных режимов. С использованием искажающих мощностей обоснован выбор режимов конденсаторов резонансных фильтров. Показана возможность увеличения ПИМ сети высокого напряжения за счет подключения фильтров со специальной настройкой к обмоткам 10.5кВ трансформаторов и автотрансформаторов. На примерах БРАЗа и БАМа, показана возможность проектирования сетей с обеспечением УНВГ и высокая эффективность централизованного обеспечения УНВГ. Показана возможность нормализации УНВГ в протяженном районе сети с большим количеством тяговых подстанций за счет увеличения ПИМ в небольшом числе узлов.

11. Результаты исследований реализованы в вычислительном комплексе «Гармоники», предназначенном для исследования и нормализации режимов высших гармоник в сетях высокого напряжения.

12 Разработки автора нашли практическое применение:

• для обоснования мероприятий по нормализации НВГ в сетях Восточной Сибири,.

• в службе режимов Иркутскэнерго при проведении текущих коммутаций на Братской ГЭС,.

• в службе электроснабжения Восточно-Сибирской железной дороги для разработки мероприятий по снижению напряжений высших гармоник.

Автор собирается продолжить исследования режимов высших гармоник по следующим направлениям:

• определение величин ПИМ и ГИМ комплексных узлов нагрузки по результатам измерений;

• моделирование границ расчетной схемы;

• эквивалентирование сетей при расчетах НВГ;

• обобщение свойств нелинейных нагрузок по величинам ГИМ;

• оценке У НВГ в сетях ВН с учетом многообразия их режимов;

• разработке и реализации мероприятий по нормализации НВГ в сетях ВН.