Расчет показателей качества электроэнергии в среде математического моделирования

Ненахов Александр Игоревич – студент Национального исследовательского университета Московского энергетического института. (МЭИ, г.Москва)

Аннотация: В данной статье представлены тезисы магистерской диссертации по теме «Улучшение качества напряжения во внутренних системах электроснабжения предприятий с помощью статических тиристорных компенсаторов». Описаны методы анализа показателей качества напряжения при различных режимах работы СТК с помощью математического моделирования.

Ключевые слова: Моделирование, качество электроэнергии, фликер, статический тиристорный компенсатор.

В настоящее время существует множество электронных программируемых приборов для измерения фликера и других показателей качества электроэнергии. Методика измерения строго определена в ГОСТ. Однако, практика показывает, что приборы, изготовленные различными производителями, дают сильно различающиеся результаты измерений, даже при одновременном их использовании.

В связи с этим, в компании «Нидек АСИ ВЭИ» была проведена проверка точности 4-х приборов в условиях лаборатории. Для проверки использовался математический имитатор, который позволяет с высокой точностью воспроизводить напряжения нужной формы.

В результате лабораторных исследований было выявлено, что только прибор фирмы «Ресурс», наиболее полно соответствует требованиям ГОСТ в большом диапазоне задаваемых частот модуляции сигнала. Остальные тестируемые приборы показали различные результаты доз фликера с погрешностями до 70% от требуемого значения.

Наравне с реальными приборами проверке подвергалась математическое модель фликерметра, разработанная ранее инженерами компании. Эта модель была реализована в системе моделирования Simulink, на основании принципиального устройства аналогового фликерметра, описанного в государственном стандарте. Она показала соответствие всем требованиям по точности измерений, и в связи с этим, открыла широкие возможности анализа результатов моделирования электромагнитных процессов в сетях.

С учетом опыта измерения фликера с помощью выше описанной модели, была продолжена работа по созданию математических измерителей других показателей качества электроэнергии по данным полученным в модели.
В рамках данного исследования была выполнена математическая модель энергосистемы питающей дуговую сталеплавильную печь и статический тиристорный компенсатор.

Модель была построена с помощью математических соотношений электрических параметров, без применения специальных средств моделирования электротехнических устройств. В результате, была получена простая модель, в которой можно отследить весь процесс вычисления требуемой величины.

Например, при расчете тока фильтрокомпенсирующей цепи, включающей последовательно соединённые емкость, индуктивность и сопротивление, использовались дифференциальные уравнения для электрической цепи переменного тока:

Эти управления не нуждаются окончательном решение. Выражая необходимую величину строится блок схема вычисления (рисунок 1), включающая операции сложения и интегрирования. Для ускорения вычисления сигнал обратной связи может быть задержан на 1 такт, что вызовет погрешность не более 0.2 %.

Рисунок 1.  Блок-схема вычисления тока цепи.

Из подобных вычислений строится полная модель, включающая необходимое количество промежуточных вычислений и несколько обратных связей.

Так, при задании фиксированной осциллограммы тока печи, были рассчитаны мгновенные значения напряжения в нескольких точках цепи питания: от шин подключения печного трансформатора до точки присоединения предприятия.  По этим графикам позднее в модели были измерены отклонения напряжения, дозы фликера, гармонический состав напряжения, причем все измерения проводились согласно требований ГОСТ Р 51317.4.30-2008.

Данные измерения позволили рассчитать показатели эффективности работы СТК в виде коэффициенты подавления фликера. Данный коэффициент представляет собой отношение кратковременной дозы фликера при работе печи без СТК к той же величине при подключенном компенсаторе.

В данной работе коэффициент был определен с достаточно высокой точностью, так как оба замера проводились при математической обработке одного и того же процесса плавки в ДСП. При реальных измерениях получение таких данных было бы невозможным, так как каждая плавка представляет собой случайный процесс и часто работа ДСП без компенсатора не допускается.

Дополнительно в данной работе проводился анализ подавления влияния печи на сеть с использованием статических компенсаторов разной мощности с соотношение с мощностью печи. По этим данным были построены зависимости коэффициента подавления, отклонения напряжений и других ПКЭ от мощности СТК. При этом мощность печи была зафиксирована, а мощность компенсатора изменялась от 0 до 200% от номинальной.

Основным недостатком математического моделирования остается дискретность расчетов, ведь чем более сложна модель и чем выше частота дискретизации, тем большая производительность компьютера требуется. На данный момент доступно рассчитывать модель системы «сеть-СТК-нагрузка» с периодом дискретизации около 50 мкс. Особенно эта проблема актуальна при работе в режиме реального времени, когда модель объекта взаимодействует с реальной системой управления.

Данная работа показала необходимость правильного выбора мощности компенсатора и его алгоритмов управления. Также выполненные модели позволяют в дальнейшем рассчитать эффективности компенсатора и значения ПКЭ для любого другого объекта и при различных особенностях установки СТК.

Список литературы:

1. Влияние характеристик дуговых сталеплавильных печей на качество напряжения в системах электроснабжения //    Салтыков В.М., О.А. Салтыкова, А.В. Салтыков. М: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 2006.
2. ГОСТ Р 51317.4.30-2008. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерения показателей качества электрической энергии.
3. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий // В.И. Кочкин, О.П. Нечаев М: Издательство НЦ ЭНАС, 2000.