Комбинированное компенсирующее устройство на реактивных элементах

Введение. Как известно, одним из факторов, снижающим эффективность передачи электрической энергии, является наличие в трехфазной сети неоднородной нагрузки, накапливающей в процессе работы электромагнитную энергию и имеющей нелинейную вольт-амперную характеристику [1]. Такая нагрузка генерирует реактивный ток, токи обратной и нулевой последовательности, а также токи высших гармоник. Протекание этих токов в электрической сети вызывает дополнительные потери активной мощности (энергии) и снижение ее пропускной способности.

В настоящее время существует довольно много технических средств, снижающих отрицательное воздействие на сеть такой нагрузки. Применяются устройства, компенсирующие реактивную мощность, устройства, симметрирующие токи в сети, и устройства, снижающие высшие гармоники тока и напряжения как по отдельности, так и в комбинации друг с другом [2-5].

На рисунке 1 представлена одна из возможных классификационных таблиц таких устройств. Причем, очевидно, что использование комбинированных уст ройств, сочетающих в себе все виды компенсации, является экономически более целесообразным.

Например, в статье [6] предлагается совместить компенсацию реактивной мощности, симметрирование и активную фильтрацию токов нагрузки на базе статического компенсатора на IGBT-транзисторах. С другой стороны, в конструкцию компенсаторов реактивной мощности, симметрирующих устройств и пассивных гармонических фильтров, так или иначе входят индуктивности и емкости. Следовательно, для разработки универсального компенсирующего устройства дешевле и надежнее использовать эти реактивные элементы.

Методика исследования. В предлагаемой статье предлагаются конструкция и расчет параметров комбинированного компенсирующего устройства на базе устройства симметрирования токов обратной и нулевой последовательностей и компенсации реактивной мощности, методика проектирования которого подробно описана в [7]. Базовая схема имеет следующий вид (рисунок 2). Проводимости компенсационного «треугольника» рассчитывались по формулам:

У _{= z} 2 G>(G₄-G₅).G_c-G|

• ■ ^{АВк 7} зТз G^+G_s+G_c

v • 2 GB+(G„-Gc)-G4-Gj

• - ВСк-г ъХ    ga + gb+gc

= . 2 G^ + (Gc - GA) • GB - GA- САк 7 зТз     ga+gb+gc где Ga, Gb и Gc - активные проводимости «звезды» нагрузки, ВА, Вв и Вс - реактивные проводимости «звезды» нагрузки.

Рисунок 1 - Классификация технических средств повышения эффективности передачи электрической энергии

Проводимости компенсационной «звезды» рассчитаны по следующим формулам:

T,.=v{4-4G„-Gr)-/i1 = y./^

r«.=7-f4-(Gc-G1)-sJ = .,5„,

( 1                   )

ҮСк=Г ^.

kN J              7

Если все проводимости компенсационной

«звезды» являются положительными, т.е. имеют емкостной характер, то на ее основе можно создать загра ждающий фильтр высших гармоник (рисунок 3). Наиболее значимой после первой гармоники является третья гармоника тока нагрузки. Поэтому расчетные формулы для z = А, В, С будут иметь следующий вид:

B_LiK⁼ & ’ ®ж"" индуктивная проводимость; g

B_CiK " —' ®ж"" емкостная проводимость.

• П    т ¹ С -^Ва

При этом Ц_к = —— ,    -    .

coBL]           со

Здесь СО = 314 рад/с.

Рисунок 2 - Схема электрическая принципиальная базового компенсирующего устройства

Рисунок 3 - Схема электрическая принципиальная комбинированного компенсирующего устройства на реактивных элементах

Результаты исследований и их обсуждение. Для определения численных значений симметрирующего устройства на реактивных элементах совместно с магистром Р.Р. Швек была выполнена статистическая обработка экспериментальных данных о коммунально-бытовой нагрузке ТП 10/0,4 кВ, собранных аспирантами кафедры «Электроэнергетика и электротехника» Азово-Черноморского инженерного института [8]. Статистическая обработка выполнена по 31 ТП 10/0,4 кВ, территориально расположенному в Ростовской области и Краснодарском крае. Исследования проводились сертифицированным прибором для измерений электроэнергетических величин и ПКЭ «Энер-гомонитор-З.ЗТ», который подключался на вводе 0,4 кВ силового трансформатора в начале сети. При измерениях были выполнены все требования, предъявляемые к средствам измерения показателей качества электроэнергии [9,10].

Вначале по полученным данным были рассчитаны с часовым усреднением активные и реактивные проводимости фаз нагрузки. Статистический анализ показал, что все они имеют нормальный закон распределения. Далее был выполнен расчет средних значений активных и индуктивных проводимостей фаз нагрузки для двух случаев: в первом случае расчет среднего значения выполнялся полностью для суток с 00:00 до 24:00 часов (таблица 1); во втором случае -среднее значение рассчитывалось для трех характерных периодов времени: с 00:00 до 08:00 часов, с 08:00 до 16:00 часов и с 16:00 до 24:00 часов соответственно. Первый случай соответствует статическому симметрирующему устройству, а второй случай - устройству с трехступенчатой регулировкой. Последующий технико-экономический расчет показал, что эффективнее оказывается статическое симметрирующее устройство. Поэтому приведем расчет параметров именно для такого устройства.

Таблица 1 - Результаты расчета среднего значения комплексных проводимостей нагрузки Үа, Үв и Yc

После определения проводимостей нагрузки был выполнен расчет проводимостей компенсационной «звезды» Үдк, Үвк и Үск и проводимостей компен сационного «треугольника» Үдвк, Үвск и Үсак по приведенным ранее формулам. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты расчета компенсационных проводимостей

Результаты расчета заграждающего фильтра третьей гармоники на базе компенсационной «звезды» сведем в таблицу 3.

Таблица 3 - Результаты расчета заграждающего фильтра третьей гармоники

Окончательный расчет реактивных элементов комбинированного компенсирующего устройства представлен в таблице 4.

Таблица 4 - Значения реактивных элементов комбинированного компенсирующего устройства

Полученные значения реактивных элементов комбинированного компенсирующего устройства дают полную возможность их практического применения. Промышленностью выпускаются недорогие конденсаторы необходимой емкости и катушки необходимой индуктивности.

Вывод. Проведенное имитационное моделирование по усредненным параметрам комбинированного компенсирующего устройства на реактивных элементах убедительно подтвердило возможность снижения потерь активной мощности (энергии) в элементах электрической сети до 20%.

Компенсационную «звезду» предлагается размещать в узле с наибольшей нелинейной и несимметричной нагрузкой. Компенсационный «треугольник» предлагается размещать на головном участке электрической сети.

• 1.    Жежеленко, И.В. Электрические потери от высших гармоник в системах электроснабжения / И.В. Жежеленко // Электрика. - 2010. - № 4. - С. 3-6.

• 2.    Розанов, Ю.К. Гибридные фильтры для снижения несинусоидальности тока и напряжения в системах электроснабжения / Ю.К. Розанов, Р.П. Гринберг // Электротехника. -2006,-№10.-С. 55-60.

• 3.    Simulation and experimental investigations on a shunt active power filter for harmonics and reactive power compensation / Kumar Jaing Shailendra, Agarwal Pramod, Gupta H.O. // IEEE Techn. Rev. - 2003. 20. - № 6. - P. 481-492.

• 4.    Qiao Chongming. Three-phase bipolar mode active filter / Qiao Chongming, Smedley Keyue Ma // IEEE Trans. Ind. Appl.-2002.-№1.-P. 149-158.

• 5.    El-Saadany E.F. Passive filter design for harmonic reactive power compensation in singl-phase circuits supplying nonlinear loads / E.F. El-Saadany, M.M.A. Salama, A.Y. Chikha-ni // IEEE proc. General., Transmiss, and Distrib. - 2000. 147. -№ 6.-P. 373-380.

• 6.    Ненахов, А.И. Совмещение функций компенсации реактивной мощности, симметрирования и активной фильтрации токов при построении алгоритма управления устройством СтатКом / А.И. Ненахов, С.И. Гамазин // Электричество.-2016. - №8. - С. 46-52.

• 7.    Кобзистый, О.В. Способ компенсации токов обратной и нулевой последовательностей / О.В. Кобзистый, П.И. Клищенко, Д.А. Бажанов // Энергобезопасность и энергосбережение. - 2015. - № 3. - С. 31-33.

• 8.    Кобзистый, О.В. Обоснование параметров устройства для симметрирования тока и напряжения на реактивных элементах в электрических сетях 0,38 кВ / О.В. Кобзистый, Р.Р. Швек // Вестник магистратуры. - 2017. - № 3-2 (66). -С. 49-52.

• 9.    Карташев И.И. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии / И.И. Карташев, И.С. Пономаренко, В.Н. Ярославский // Электричество. -2000,-№4.-С. 2-14.

• 10.    РД 153-34.0-15.501-00. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения. - М.: Минсельхоз России, 2000.-23 с.

• 1.    Zhezhelenko I.V. Elektricheskiye poteri ot vysshikh garmonik v sistemakh elektrosnabzheniya [Electric losses from higher harmonics in power supply systems], Elektrika, 2010, No 4, pp. 3-6. (In Russian)

• 2.    Rozanov Y.K., Grinberg R.P. Gibridnyye fil'try dlya snizheniya nesinusoidal'nosti toka i napryazheniya v sistemakh elektrosnabzheniya [Hybrid filters to reduce non-sinusoidal cur-

  rent and voltage in power supply systems], Elektrotekhnika, 2006, No 10, pp. 55-60. (In Russian)

• 3.    Kumar J.S., Agarwal P., Gupta H.O. Simulation and experimental investigations on a shunt active power filter for harmonics and reactive power compensation. IEEE Techn. Rev., 2003.20, No 6, pp. 481-492.

• 4.    Qiao C., Smedley K.M. Three-phase bipolar mode active filter. IEEE Trans. Ind. Appl, 2002, No 1, pp. 149-158.

• 5.    El-Saadany E.F., Salama M.M.A., Chikhani A.Y. Passive filter design for harmonic reactive power compensation in singl-phase circuits supplying nonlinear loads. IEEE proc. General., Transmiss, and Distrib., 2000,147, No 6, pp. 373-380.

• 6.    Nenakhov A.I., Gamazin S.l. Sovmeshcheniye funktsiy kompensatsii reaktivnoy moshchnosti, simmetrirovaniya i aktivnoy fil'tratsii tokov pri postroyenii algoritma upravleniya us-troystvom StatKom [Combining the functions of reactive power compensation, balancing and active filtering of currents when building an algorithm for controlling the StatKom device], Elektri-chestvo, 2016, No 8, pp. 46-52. (In Russian)

• 7.    Kobzisty O.V., Klishchenko P.I., Bazhanov D.A. Spo-sob kompensatsii tokov obratnoy i nulevoy posledovatel'nostey

  [Method of compensation for reverse and zero sequence currents], Energobezopasnost' I energosberezheniye, 2015, No 3, pp. 31-33. (In Russian)

• 8.    Kobzisty O.V., Shvek R.R. Obosnovaniye parametrov ustroystva dlya simmetrirovaniya toka i napryazheniya na reak-tivnykh elementakh v elektricheskikh setyakh 0,38 kV [Justification of device parameters for balancing current and voltage on reactive elements in electrical networks of 0,38 kV], Vestnik ma-gistratury, 2017, No 3-2 (66), pp. 49-52. (In Russian)

• 9.    Kartashev 1.1., Ponomarenko I.S., Yaroslavskiy V.N. Trebovaniya k sredstvam izmereniya pokazateley kachestva elektroenergii [Requirements for means of measuring indicators of quality of electric power], Elektrichestvo, 2000, No 4, pp. 2-14. (In Russian)

• 10.    Metodicheskiye ukazaniya po kontrolyu i analizu kachestva elektricheskoy energii v elektricheskikh setyakh ob-shchego naznacheniya [Guidelines for monitoring and analyzing the quality of electrical energy in general-purpose electrical networks]: RD 153-34.0-15.501-00, M., Minsel'khoz Rossii, 2000, 23 p. (In Russian).