На правах рукописи

ГУЖОВ СЕРГЕЙ ВАДИМОВИЧ

Разработка методики расчёта установившихся режимов ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НАРУЖНОГО освещения с учётом нелинейных характеристик светодиодных светильников

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2009

Работа выполнена в Московском государственном университете на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Галина Ростиславовна Титова

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Ершов Михаил Сергеевич

кандидат технических наук,

Зиборов Борис Николаевич

Ведущая организация: ОАО ВНИПИнефть г. Москва

Защита диссертации состоится л_18 _июня__200_9_года в _14_час. _00_мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02. при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан л____ __мая__ 200_9_г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 212.157.02.

кандидат технических наук, доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы.

Внедрение полупроводниковых технологий в светотехнику развитием новых светодиодных источников света (ИС) с нелинейными вольтамперными характеристиками электронной пускорегулирующей аппаратуры (ЭПРА). Проблема качества электроэнергии обусловлена возрастающим влиянием высших гармонических составляющих тока на работу систем электроснабжения потребителя.

Для электрических сетей наружного освещения (ЭСНО) отсутствует нормативная база, регламентирующая требования проектирования и эксплуатации светодиодных светильников (СДС), однако существуют нормированные нормально и предельно допускаемые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точке присоединения УОС 0,4 кВ, которые составляют 8,0% и 12,0% соответственно. Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения для сетей 0,4 кВ нормируется для каждой гармоники (ГОСТом установлены нормы до 40-ой гармоники включительно). Присутствие высших гармоник тока в УОС 0,4 кВ приводят к резким скачкам напряжения в узлах нагрузки выше допустимого значения, выходу из строя технологического оборудования, дополнительной загрузке сетей, укоренному старению оборудования, увеличению погрешности измерения приборов учёта электроэнергии, нарушению законодательства РФ в области соблюдения потребителем показателей качества электроэнергии в точке присоединения.

В настоящее время данной проблеме посвящено множество публикаций и разработок, направленных на снижение гармонических составляющих тока в существующих сетях 0,4 кВ, эксплуатирующих разрядные ИС. Большой вклад в решение этих проблем внесли учёные: Железко Ю.С., Курбацкий В.Г., Кучумов Л.А., Смирнов С.С., Бердин А.С., Жежеленко И.В. и др. Вместе с тем, достаточно полного комплексного подхода к решению вопроса прогнозирования показателей качества электроэнергии (КЭЭ) для УОС, укомплектованных светодиодными ИС, пока нет.

Проведённый анализ показал, что для оценки эффективности капиталовложений при выборе мер по компенсации высших гармоник тока в настоящее время существует ряд методик, опирающиеся на принятие некоторых допущений, искажающих результаты расчётов. Расчёт, проведённый для двенадцати линий наружного освещения, принадлежащих ООО Орехово-Зуевская электросеть, для ИС типа ДНаТ-100 без учёта нелинейности нагрузки показал несоответствие расчётного значения годового электропотребления с практическими данными в 12,3%, что составляет 16200 кВт*ч в год. Результаты расчёта сети с учётом нелинейных характеристик используемого оборудования расходятся с практическими данными на 4.5%. Применение методики расчёта установившихся режимов в сетях наружного освещения с учётом нелинейных характеристик светодиодных светильников с использованием сертификационных данных позволяет снизить погрешность расчёта, использовать предупредительные меры по снижению уровней гармонических составляющих тока, выбрать рекомендуемое место фильтрокомпенсирующих устройств без дополнительного искажения показателя несинусоидальности тока в сети наружного освещения.

Рассматриваемый вопрос воздействия высших гармонических составляющих тока от светодиодных источников света на работу электрооборудования электроустановок потребителя является актуальным, т.к. высшие гармоники приводят к остановкам технологического оборудования, материальным затратам и нарушает экологическую безопасность окружающей среды.

Идея работы заключается в построении компьютерной модели электрической сети наружного освещения, в которой учитываются параметры используемого осветительного оборудования и работы светодиодных светильников, влияющие на показатели качества электроэнергии, с последующим определением спектра частот высших гармоник тока в любой точке рассматриваемой системы.

Цель работы: разработка методики расчёта установившихся режимов электрических сетей наружного освещения с учётом нелинейных характеристик светодиодных источников света.

Объект исследования: светодиодные источники света наружного освещения с нелинейной вольтамперной характеристикой ПРА.

Предмет исследования: взаимосвязь параметров высших гармоник тока, генерируемых электронной пускорегулирующей аппаратуры различных ИС в ЭСНО, с показателями качества электрической энергии.

Задачи исследования:

1. Анализ ПРА разрядных и светодиодных источников света, как источников гармонических составляющих тока;
2. Анализ существующих методик расчёта дополнительных потерь на несинусоидальность тока в сетях 0,4 кВ;
3. Исследования вольтамперных характеристик источников света и высших гармонических составляющих тока в осветительной сети;
4. Разработка программного комплекса по расчёту дополнительных потерь электроэнергии на несинусоидальность тока в электрических сетях наружного освещения с использованием метода четырёхполюсника;
5. Апробация разработанного программного комплекса на примере общегородской уличной осветительной сети, укомплектованной ИС с нелинейными характеристиками ПРА.

Методика исследования.

Для решения вышеперечисленных задач использованы гармонический анализ, теория четырёхполюсников, принцип суперпозиции в теории электрических цепей, математические численные методы (свойства решения интегральных уравнений, алгоритм нахождения собственных значений невырожденных матриц), теория линий с распределенными параметрами.

Для расчётов по разработанной методике, реализующей используемые методы, использован пакет программ MathCAD.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель для однофазных и трехфазных групповых линий ЭСНО, позволяющая рассчитать гармонический состав тока на аппарате защиты групповой линии, с учётом гармоник тока питающей сети, и сертификационных характеристик используемого оборудования;
2. Разработана методика расчёта мощности, потребляемой групповой и питающей сетью наружного освещения, с учётом нелинейных характеристик светодиодных источников света;
3. Доказано, что количество светодиодных источников света в фазе групповой сети определяется мощностью и напряжением зажигания светодиодного источника света с учётом дополнительных потерь от несинусоидальности тока.

Практическая значимость полученных результатов состоит в разработке математической модели сетей наружного освещения для расчёта дополнительных потерь при несинусоидальности тока в групповых линиях и прогнозировании состава высших гармоник тока для выбора места установки компенсирующих средств с целью обеспечения нормируемого уровня гармоник.

Предложенная модель прогнозирования может быть использована для коммерческих расчётов в существующих осветительных сетях, для проектирования сетей с учётом нелинейных характеристик применяемого оборудования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Алгоритм расчёта осветительных сетей, сочетающих линейные и нелинейные нагрузки, методом четырёхполюсников с использованием сертификационных данных, предоставляемых производителем осветительных приборов.
2. Программный комплекс по определению количества светодиодных светильников в наружных осветительных сетях с учётом нелинейности применяемой электронной пускорегулирующей аппаратуры.
3. Результаты экспериментальных исследований электропотребления в сетях наружного освещения, внедренные в ООО Орехово-Зуевские электросети г. Орехово-Зуево Московской области, подтвердили адекватность предложенной математической модели в области рассчитанной дополнительно потребляемой мощности вследствие нелинейных характеристик используемой нагрузки.

Апробация работы.

Основные результаты исследования апробировались на научно-технических и международных конференциях и семинарах: Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России (Казань. 2007); Электрификация металлургических предприятий Сибири. К 100-летию со дня рождения А.А. Фёдорова (Москва, 2007); Четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Москва. 2008); международной научно-технической конференции Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы (Казань. 2008).

Результаты исследований опубликованы пять статей, две из которых опубликованы в журнале Промышленная энергетика.

Предложен комплекс мероприятий, направленных на улучшение показателей качества электроэнергии в области несинусоидальности тока в системах уличного освещения ООО Орехово-Зуевская электросеть г. Орехово-Зуево Московской области.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка используемых источников из 101 наименования. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и решаемые в диссертации задачи, охарактеризованы научная новизна и практическая ценность результатов исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе Анализ проблемы ЭМС в осветительных сетях с использованием светодиодной техники и обзор литературы по вопросам влияния несинусоидальности токов и напряжений на электрооборудование электрических сетей проанализирована систематика электромагнитных помех по типу распространения. Определено место гармонических колебаний высших составляющих тока, генерируемых ЭПРА различных типов ИС, в классификации преобразователей и потребителей электрической энергии.

Выявлены особенности функционирования источников света различного принципа действия в групповых сетях наружного освещения. Для некоторых типов разрядных и светодиодных ИС представлены зависимости i(u), а также значения высших гармонических составляющих тока.

Показано влияние несинусоидальности тока на различные элементы систем электроснабжения, приведены формулы расчёта дополнительных потерь и используемые способы снижения уровня высших гармоник тока.

Определено, что сети наружного освещения работают в режимах, отличных от синусоидальных, обусловленных как наличием в групповой сети потребителей с нелинейной вольтамперной характеристикой, так и наличием потребителей, поставляющих высшие гармоники тока к точке общего присоединения. Это приводит к дополнительным потерям мощности и электрической энергии, а также снижению показателей КЭЭ. Повышение качества и снижение потерь электрической энергии в существующих сетях может быть достигнуто применением различных способов и технических средств.

Установлено, что в настоящее время проблема ЭМС в области соблюдения уровней высших гармоник тока для ЭСНО является актуальной. Способы устранения проблем применяются исходя из выявленных в процессе эксплуатации нарушений. Имеющиеся теоретические и экспериментальные исследования не позволяют осуществить прогнозирование уровней высших гармонических составляющих тока как на этапе проектирования, так и при выборе мер по их компенсации для эксплуатирующихся сетей. На основании проведённого анализа сформулированы выводы, цель и задачи исследования.

Во второй главе Анализ существующих методик расчёта несинусоидальности кривых тока и напряжения в осветительных установках представлены допущения и ограничения, принимаемые основополагающими теориям, описывающими процессы в сетях при наличии потребителей с нелинейной вольтамперной характеристикой:

• Диаметр проводников и расстояние между ними меньше длины волны;
• Между токами, протекающими по различным элементам линии, отсутствует взаимное влияние, наведённые токи не влияют друг на друга;

• Длина цепи много меньше длины волны, т.е. отсутствует эффект распространения (волновой эффект);
• Ток остаётся неизменным в пределах каждого элемента цепи.

При выполнении этих условий цепь может быть представлена сосредоточенными элементами (не имеющими размеров), соединёнными последовательно или параллельно в сеть, состоящую из узлов и ветвей, для которой составляются уравнения Кирхгофа. Искомые гармонические токи электрической цепи находятся прямым решением системы уравнений:

или, где - матрица комплексных сопротивлений электрической сети.