“Київський Політехнічний Інститут”

РАДИШ Ігор Петрович

УДК 621.314

ОЦІНКА СКЛАДОВИХ ДОДАТКОВИХ ВТРАТ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ В СИСТЕМАХ
З НАПІВПРОВІДНИКОВИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ

Спеціальність 05.09.12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі промислової електроніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України,
м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Денисюк Сергій Петрович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

професор кафедри промислової електроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сенько Віталій Іванович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

професор кафедри теоретичної електротехніки

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Губаревич Володимир Миколайович,

Інститут електродинаміки Національної академії наук України,

старший науковий співробітник відділу систем стабілізованого струму

Провідна установа: Національний гірничий університет України Міністерства освіти і науки

України, м. Дніпропетровськ, кафедра систем електропостачання.

Захист відбудеться 21 лютого 2005 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.26.002.06 у Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги, 37, корп. 20, ауд. 3, тел. 241-76-62.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ “КПІ”.

Автореферат розісланий “____” січня 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кондра Б.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У світовій практиці загальновизнана роль напівпровідникових перетворювачів електроенергії (НПЕ) як ключової технології, що інтенсифікує всі галузі економіки, забезпечує підвищення її енергоефективності, здійснення модернізації та технічного переозброєння господарських комплексів. Від рівня розвитку НПЕ значною мірою залежить прогрес електротехніки та електроенергетики.

Нормалізація параметрів електроенергії, створення електроприводів загального і спеціального призначення, різних електротехнологічних комплексів та систем, схем живлення апаратури призводять до побудови різноманітних типів НПЕ і систем електроживлення з відомими структурами перетворювачів. Такі перетворювальні комплекси, що представляють собою групу перетворювачів, які спільно працюють для забезпечення одного енергетичного чи енерготехнологічного процесу, можна розглядати як окремий клас систем електроживлення з перетворювачами електроенергії (СНПЕ), яким притаманні вже нові системні властивості. Різноманітні типи перетворювачів, розташованих у системах, можуть суттєво спотворювати форму струму та напруги, призводити до суттєвих втрат електроенергії.

Підвищення енергоефективності СНПЕ вимагає детального розгляду причин появи та методів усунення втрат електроенергії. Дослідження складових втрат електроенергії при перетворенні енергетичних процесів у СНПЕ обумовлює створення адекватних математичних моделей, відповідних методів аналізу енергетичних процесів та оцінки різних сторін їх протікання, управління енергетичними процесами.

Для підвищення енергоефективності об’єктів з перетворювачами електроенергії актуальним є розв’язання задач аналізу структури та складових втрат електроенергії, оцінки кількісних та якісних співвідношень цих втрат. Це особливо важливо при розробці нормативно-методичного забезпечення енерготехнологічного обстеження підприємств та організацій, що експлуатують різноманітні типи СНПЕ та окремих типів НПЕ.

Тому дослідження складових додаткових втрат при перетворенні параметрів електричної енергії в СНПЕ, що розглядаються в дисертації, є актуальною та важливою проблемою підвищення енергоефективності при використанні різноманітних типів НПЕ.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” у відповідності з Координаційним планом АН УРСР на 1985-1990 рр. (комплексна проблема “Наукові основи електроенергетики”, п. 1.9.2.2.1.1.1.); “Альтернатива” (1987 – 1990 рр.), пост. ДКНТ СРСР № 274 від 03.08.87 р., пост. Президії АН УРСР № 921 від 10.09.87 р., Держ. реєстр. № 01.88.0009681; НАН України: “Полюс” (1991 – 1994 рр.), пост. бюро ВФТПЕ АН України № 7 від 03.12.90 р., Держ. реєстр. № 01.90.0009431; програми ДКНТ України 5.1.2. “Розвиток перетворювальної техніки як засіб енерго- і ресурсозбереження, підвищення технічного рівня продукції машинобудування”; програми ДКНТ України 5.51.03 “Методи і засоби практичної реалізації пріоритетних напрямків енергозбереження в економіці України”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток алгоритмів аналізу додаткових втрат електроенергії в системах з перетворювачами електроенергії на основі декомпозиції потужності Фризе з урахуванням несинусоїдальності струмів (напруг) та розробка на цій основі науково обґрунтованих алгоритмів розрахунку процесів, нормативно-методичного забезпечення для підвищення енергоефективності систем з напівпровідниковими перетворювачами.

Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішувалися наступні основні задачі:–

аналіз закономірностей миттєвих та інтегральних характеристик енергетичних процесів у системах з напівпровідниковими перетворювачами електроенергії;–

аналіз складових додаткових втрат електроенергії в одно- та багатофазних колах з ключовими елементами;–

визначення нових складових додаткових втрат електроенергії в СНПЕ, які відображають залежність додаткових втрат від впливу факторів, спричинених дією зміни параметрів елементів, режимів роботи перетворювачів і навантажень;–

формування нових аналітичних залежностей складових додаткових втрат електроенергії від показників якості електроенергії в системі;–

розширення сфер застосування наближеного розрахунку усталених і перехідних режимів з урахуванням циклічної зміни параметрів навантаження та тривалості технологічного процесу;–

створення нових способів розрахунку енергетичних характеристик для систем з перетворювачами електроенергії при врахуванні циклічності зміни параметрів і режимів роботи напівпровідникових перетворювачів електроенергії та навантажень;–

реалізація розроблених теоретичних положень в нормативно-методичному забезпеченні енерготехнологічного обстеження, програмному забезпеченні підвищення енергоефективності та їх практичного використання при аналізі та оптимізації енергетичних процесів у СНПЕ.

Об’єктом дослідження є енергетичні процеси в системах з перетворювачами електроенергії.

Предметом дослідження є системи з напівпровідниковими перетворювачами електроенергії при суттєвих спотвореннях форм струму та напруги.

Методи дослідження. Вирішення поставлених у дисертації задач виконано з використанням теорії диференціальних рівнянь, теорії електричних кіл, функціональних перетворень, методу змінних стану, розв’язання нелінійних диференціальних рівнянь, чисельних методів інтегрування.

Наукова новизна отриманих результатів:–

отримано нові співвідношення для визначення в одно- і багатофазних колах складових додаткових втрат електроенергії (складових потужності Фризе), які визначаються впливом різних факторів, обумовлених дією циклічної зміни параметрів елементів та режимів роботи системи в одно- та багатофазних колах;–

встановлено раніше невідомі узагальнені співвідношення для розрахунку складових додаткових втрат електроенергії, що відображають реальні фізичні процеси перетворення енергії в інші види та конкретні особливості структури СНПЕ;–

отримано нові аналітичні залежності складових додаткових втрат електроенергії від коефіцієнтів пульсацій напруги та струму;–

розроблено алгоритми аналізу на основі рівнянь змінних стану для наближеної оцінки енергетичних процесів, розрахунку електромагнітних процесів у схемах з циклічно змінними параметрами навантаження, а також на періоді технологічного процесу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:–

сукупність теоретичних результатів дослідження дозволила розробити ефективні алгоритми розрахунку складових додаткових втрат електроенергії, оцінки енергетичних процесів на основі декомпозиції потужності Фризе, що відображають реальні фізичні процеси в НПЕ; –

запропоновані алгоритми аналізу енергетичних процесів у СНПЕ дозволяють зменшити трудомісткість обчислень на ЕОМ, сформувати ефективні процедури аналізу режимів роботи систем, що містять НПЕ, проведення їх енерготехнологічного обстеження;–

проведений аналіз енергетичних процесів у СНПЕ став базою для розробки ефективного нормативно-методичного та програмного забезпечення енерготехнологічного обстеження СНПЕ;–

створене нормативно-методичне і програмне забезпечення аналізу та оптимізації енергетичних процесів у системах з НПЕ широко використано при проведенні енерготехнологічного обстеження, підвищенні енергоефективності промислових об’єктів з НПЕ на підприємствах Мукачева та інших міст України. Розроблена методика енерготехнологічного обстеження систем з НПЕ зареєстрована в Держкоменергозбереження України (номер реєстрації М 00013184.4.004-00). Розроблені та впроваджені комплексні режимні та організаційно-технічні заходи з підвищення енергоефективності в СНПЕ, що забезпечує значний економічний ефект від їх впровадження.

Основні результати роботи впроваджені також в учбовий процес у Національному технічному університеті України “КПІ”.

Особистий внесок здобувача в розробку нових наукових результатів, які виносяться на захист: розвиток теорії реактивної потужності на основі декомпозиції потужності Фризе; розклад потужності Фризе на складові, які відображають додаткові втрати електроенергії від впливу довільної сукупності факторів, обумовлених дією елементів та режимів роботи системи в одно- та багатофазних колах; алгоритми розрахунку енергетичних процесів у системах з перетворювачами; використання запропонованого нормативно-методичного, програмного забезпечення при аналізі та оптимізації електроживлення, проведенні енерготехнологічного обстеження та впровадженні енергозберігаючих заходів у системах, що містять різноманітні типи перетворювачів електроенергії.

Наукові положення і результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто.

В друкованих працях, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачеві належать: [1] – розрахунок складових втрат електроенергії, розробка комплексних заходів з підвищення енергоефективності в системах з перетворювачами електроенергії; [2] – розрахунок складових втрат електроенергії, розробка заходів з підвищення енергоефективності на об’єктах з перетворювачами електроенергії; [3] – формування енергетичних характеристик для аналізу та оптимізації систем з перетворювачами електроенергії; [4] – алгоритм аналізу електромагнітних процесів при циклічних змінах параметрів навантаження; [5] – визначення сукупності факторів впливу на величину додаткових втрат електроенергії, розподіл їх на складових та розрахунок цих втрат в системі електроживлення промислового вузла; [6] – визначення складові додаткових втрат в трифазних системах, розробка алгоритму аналізу складових додаткових втрат в трифазних системах; [7] – виведення формули застосування функцій Уолша для розрахунку складових повної потужності; [8] – застосування процедури декомпозиції потужності Фризе для аналізу режимів електроспоживання; [9] – постановка задачі та розробка алгоритму розрахунку втрат електроенергії; [10] – визначення алгоритму розрахунків інтегральних характеристик сигналів у базисі Уолша; [11] – програмне забезпечення розрахунку енергетичних процесів у перетворювачах електроенергії; [12] – аналіз складових додаткових втрат електроенергії в елементах системи з перетворювачами, оцінка внеску перетворювачів на рівні додаткових втрат електроенергії.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення та результати досліджень і розробок доповідались та обговорювались на: республіканських науково-практичних семінарах РДЕНТП, м. Київ, 1982, 1983 рр.; Всесоюзній науково-технічній конференції “Проблеми енергозбереження”, м. Київ, 1991 р.; Третій міжнародній виставці-конференції “Енергозберігаюча техніка і технології”, м. Київ, 1996 р.; Міжнародній науково-практичній конференції “Ефективність систем електроенергетики”, м. Київ, 1996 р.; Четвертій міжнародній виставці-конференції “Енергозберігаюча техніка і технології”, м. Київ, 1997 р.; Міжнародній конференції “Енергетична безпека Європи. Погляд у ХХІ століття”, м. Київ, 2000 р.; Першому міжнародному енергоекологічному конгресі “Енергетика. Екологія. Людина”, м. Київ, 2001 р.; Четвертому міжнародному енергоекологічному конгресі “Енергетика. Екологія. Людина”, м. Київ, 2004 р.

Публікації результатів наукових досліджень. За темою дисертації опубліковано 24 наукових праць, серед яких 1 монографія, 7 наукових статей у фахових виданнях, 1 методична вказівка, що має номер державної реєстрації.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і чотирьох додатків. Загальний обсяг роботи складає 251 сторінка, в тому числі 154 сторінки основного тексту, 45 рисунків, 16 таблиць, список використаних джерел з 129 найменувань та 4 додатки.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовані актуальність і доцільність роботи, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, наведені дані про зв’язок роботи з науковими програмами, викладені наукова новизна, практичне значення і реалізація результатів дисертаційних досліджень, наведені дані про їх апробацію, публікації і впровадження.

У першому розділі розглянуто особливості оцінки енергоефективності систем з НПЕ. Визначено, що основними елементами систем електроживлення технологічних комплексів є різні типи перетворювачів електроенергії, генераторів, різноманітні навантаження, при роботі яких не можна знехтувати спотвореннями струму i(t) та напруги u(t). В якості генераторів виступають джерела необмеженої (електромережа) та/чи обмеженої (автономні джерела електроенергії, вихідні напруги перетворювачів) потужності. Різноманітність типів і параметрів навантажень визначається широким спектром їх технологічного призначення.

Показано, що для СНПЕ характерними є різноманітні усталені чи перехідні режими, наявність вищих гармонічних складових, несиметрії та неурівноваженості багатофазних сигналів, змінний характер інтенсивності перетворення електромагнітної енергії в інші види. Проаналізовано основні джерела вищих гармонік струму в СНПЕ. Приклади досить поширених перетворювачів, які генерують суттєві рівні вищих гармонік струму, наведено на рис. 1.

При описі процесів за допомогою гармонічного спектра напруги u(t) та струму i(t) в перетинах чи на елементах СНПЕ ці сигнали представимо у вигляді

NГ NГ

u(t) = Um(k)sin(kt + ku); i(t) = Im(k)sin(kt + ki), ( 1 )

k=1 k=1

де Um(k) (Im(k)) – амплітудні значення k-ї гармоніки напруги та струму; ku (ki) – початкові кути k-ї гармоніки напруги та струму; NГ – кількість виділених гармонік сигналів. Покладемо U 2 = U12 + U2, I 2 = I12 + I2, де індекс “1” вказує на діюче значення першої гармоніки, індекс “” – на сумарні діючі значення вищих гармонік.

Розглянуто характеристику додаткових втрат електроенергії на основі аналізу потужності QФ. Ці втрати (розглядаються на інтервалі Т) складаються з суми необхідних втрат WН = RsIa2T = RsP2T/U2, які обумовлені протіканням активної складової струму ia(t), та додаткових втрат WД = RsIр2T = RsQФ2T/U2, які обумовлені протіканням реактивної складової струму iр(t) (величина Rs моделює сумарний активний опір генератора та ліній електроживлення), де i(t) = ia(t) + ip(t). Для заданих P та U мінімальному значенню діючого струму генератора відповідає струм iа(t) = Pu(t)/U2, де iа(t) – активна складова струму i(t). Для реактивної потужності QФ має місце вираз

QФ = U[I 2 – Iа2]1/2 = UIр, ( 2 )

де Iа та Iр – діючі значення активної iа(t) та реактивної iа(t) складових струму i(t). Згідно з (2) реактивна потужність Фризе характеризує втрати енергії у СНПЕ при передачі потужності P при встановленій потужності генератора S. При цьому аналіз складових втрат для кіл з нестаціонарними навантаженнями здійснюється на основі розгляду потужності QФ на довільному інтервалі , що часто вибирається рівним тривалості технологічного процесу TT, (потужність QФ).

Оцінено ефективність застосування методів та алгоритмів розрахунку енергетичних характеристик. Показано, що для окремих типів СНПЕ період роботи визначається періодом циклічності зміни параметрів самих технологічних процесів, а період роботи діючих джерел живлення кратний виділяємому періоду циклічності зміни параметрів та/чи структури TT.

Електромагнітні процеси в СНПЕ представимо таким чином:

1) системами диференціальних рівнянь відносно вектора змінних стану x = x1, ...,xnx’:

dxi/dt = Ai(x, РУ)xi + Bi(x, РУ)f(x, t), i = 1,...,m; ( 3 )

y = Ci(x, РУ)xi + Di(x, РУ)f(x, t), ( 4 )

де nx – число змінних стану кола; f(x, t) – вектор діючих генераторів; Ai(x, РУ), Bi(x, РУ), Ci(x, РУ), Di(x, РУ) – матричні коефіцієнти; m – число виділених у часовій області інтервалів сталості структури; РУ – вектор, що відображає параметричну залежність матричних коефіцієнтів;

2) умовами зміни структури моделі кола:

Фi (x(ti), f(ti), П, , ) = 0, i = 1 ,..., m, ( 5 )

де параметр відображає залежність моментів ti, i = 1 ,..., m, зміни структури моделі системи у відповідності з управляючими сигналами; параметр – функціональну залежність цих моментів від функцій вибраних критеріїв чи обмежень, що накладаються при аналізі процесів;

3) умовами безперервності x(ti + 0) = x(ti – 0) (умовами стрибків (умовами перерахунку некоректних комутацій) x(ti + 0) = Ci’x(ti – 0) + Di’f(ti – 0), де Ci’, Di’ – матричні коефіцієнти).

У другому розділі наведено алгоритм розрахунку енергетичних процесів в елементах СНПЕ. Сформовано узагальнену модель СНПЕ. Для представлення узагальненої структури СНПЕ введено множини елементів системи: генераторів Г, перетворювачів електроенергії НПЕ, ліній електроживлення Л, навантажень Н та систем управління СУ – потужністю множин відповідно nГ, nНПЕ, nЛ, nН, nСУ. Тоді СНПЕ можна охарактеризувати упорядкованою множиною S = ГНПЕЛНСУ, потужністю nS = nГ + nНПЕ + nЛ + nН + nСУ. Для цього випадку загальна структура СНПЕ показана на рис. 2.

Вид функціонального перетворення F = j(Fj, j = 1,..., nS), яке здійснюється елементами системи, де Fj – функціональне перетворення для j-го елемента, тип та склад вхідних вх,j, проміжних вн,j та вихідних вих,j, j = 1,..., nS, змінних елементів системи обумовлюються типом, складом, міжелементними зв’язками та режимами роботи СНПЕ. У системі генератор – перетворювач – навантаження періоди роботи елементів множини Г, НПЕ та Н позначимо відповідно TГ, TПР та TН. Для аналізу електромагнітних процесів у СНПЕ та в конкретних перетворювачах їх моделі доцільно представляти рівняннями змінних стану (рівняння (3)–(5)). Вихідна напруга генератора uГ(t) чи вхідна напруга навантаження uН(t), параметри моделей навантаження модулюються відповідною функцією модуляції.

Для здійснення якісної (наближеної) оцінки енергетичних процесів у СПЕЕ чи її фрагменті на основі принципу діакоптики та рівнянь змінних стану запропоновано алгоритм наближеного аналізу енергетичних процесів з використанням ітераційних процедур та норм матриць постійних коефіцієнтів. Для розв’язання рівнянь (3) і (4) використано метод послідовних наближень.

Використання функцій Уолша дозволило отримати вирази для розрахунку постійних, середніх та діючих значень сигналів, а також значень P, QФ та повної S потужностей за коефіцієнтами нестаціонарної спектральної характеристики сигналів у базисі Уолша, у яких виключена необхідність переходу в часову область для здійснення інтегрування сигналів. Досліджувані сигнали в цьому випадку представляються у вигляді часткових сум ряду Уолша:

, ( 6 )

де ak, – коефіцієнти нестаціонарної спектральної характеристики сигналу s(); N = 2n – число подвійно-раціональних відрізків на інтервалі часу [0, t]; n = 1,2,...; pal(k,) – функція системи Уолша-Пелі. У відповідності з (6) представимо дискретизовані функції u(x) та i(x), які відповідають напрузі u(t) та струму i(t) в розглянутому перетині системи еквівалентний генератор – еквівалентне навантаження, у вигляді часткових сум ряду Уолша:

, . ( 7 )

Тоді потужність визначається з формули

. ( 8 )

Розроблено алгоритм розрахунку електромагнітних процесів у схемах з циклічно змінними параметрами навантаження, який дозволяє при розрахунку складових додаткових втрат електроенергії в СНПЕ врахувати зміни тривалості технологічного процесу TT та параметрів елементів системи. При цьому передбачається, що на періоді TT для елементів R, L, C моделі навантаження можна виділити відповідно функції модуляції опору fR,M(t, ПR,М, R,M), індуктивності fL,M(t, ПL,М, L,M) та ємності fC,M(t, ПC,М, C,M). Розрахунок струму i(t) здійснюється на основі виділення вимушеного та вільного режимів для відповідних інтервалів, кратних TГ, TПР та TН, з урахуванням умов безперервності та періодичності процесів на періоді TT.

У третьому розділі виконано аналіз складових додаткових втрат електроенергії на основі декомпозиції потужності Фризе. Визначено, що причини появи додаткових втрат електроенергії в системі чи конкретному НПЕ є: спотворення якості електроенергії, що генерується генераторами (множина факторів появи додаткових втрат {А}); вплив режимів роботи інших систем чи НПЕ (наявність електромагнітних завад, порушення електромагнітної сумісності; множина факторів {В}); зміни технологічних процесів (зміни режимів чи параметрів технологічних процесів, зміни структури та параметрів навантажень; множина факторів {С}).

Нехай потужності множин {А}, {В} та {С} визначаються величинами nФ,А , nФ,В та nФ,С . Тоді на появу додаткових втрат електроенергії впливає nФ = nФ,А + nФ,В + nФ,С факторів із множини {Ф} = {А}{В}{С}. Покладемо, що для кожного з nФ вибраної множини факторів появи додаткових втрат електроенергії {Ф} можна виділити зміни {j} спектра сигналів i(t) та u(t). Згідно з характеристиками зміни j, j = 1,..., nФ, діючі значення струму iр(t) розділяються наступним чином:

nФ

Ip2 = Ij,p2 . ( 9 )

j=1

Зокрема, з урахуванням (9) квадрат потужності Фризе QФ при u(t) = Umsint розбивається на ряд адитивних складових:

nФ nФ

QФ2 = U2Ij,p2 = QФ,j2, ( 10 )

j=1 j=1

де QФ,j – складова додаткових втрат від впливу j-го, j = 1,..., nФ, фактора. Аналогічно (10) здійснюється декомпозиція QФ при довільному спектрі сигналів (1).

Кожному j-му фактору із множин {Ф} можна поставити у відповідність складову струму iр(t). Компенсація цієї складової струму усуне вплив зазначеного фактора на зростання додаткових втрат. Якщо множина гармонік з індексом “0” включає по одній гармоніці напруги та струму (наприклад, j1-ту гармоніку напруги u(t) та j2-ту гармоніку струму i(t)), то можна визначити відповідну складову додаткових втрат QФj1,j2 = Uj1Ij2,p та відповідний опір Rj1,j2 = Uj1 / Ij2,p.

Проаналізовано структуру додаткових втрат електроенергії з точки зору гармонічного спектра напруги u(t) та реактивного iр(t) і активного iа(t) струму. Нехай гармонічний спектр діючих значень гармонік напруги u(t) та реактивного струму iр(t) включає NU гармонік напруги та NI гармонік струму: U = {U1, ..., UNU}; Iр = {Iр,1, ..., Iр,NI}. Введено матриці [QФ]NU,NI та [R]NU,NI, елементи яких (відповідно qj1,j2 та rj1,j2) визначаються зі співвідношень qj1,j2 = Uj1Ij2,p; rj1,j2 = Uj1 / Ij2,p; j1 = 1, ..., NU; j2 = 1, ..., NI та характеризують рівні додаткових втрат, які обумовлені взаємодією довільної j1-ї гармоніки напруги та j2-ї гармоніки реактивного струму. На основі матриці [QФ2]NU,NI проведена оцінка впливів різних типів збурень (дії одного чи одночасно кількох факторів із множин {А}, {В} та {С}).

Розглянуто визначення складових додаткових втрат електроенергії для різних випадків виділення напруги та струму. Нехай декомпозиція діючих значень напруги U та реактивного струму I здійснена у вигляді U 2 = U12 + U2; I 2 = I12 + I2. У цьому випадку для потужності Фризе QФ має місце співвідношення

QФ2 = U12I12 + U12I2 + U2I12 + U2I2 = Q12 + Q12 + Q2, ( 11 )

де Q1 = U1I1 – реактивна потужність першої гармоніки; Q = UI – складова реактивної потужності Фризе QФ, обумовлена взаємодією вищих гармонік; Q1 = (U12I2 + U2I12)1/2 – складова реактивної потужності Фризе QФ, обумовлена перехресною взаємодією першої та вищих гармонік напруги і струму.

Згідно з (10), (11) отримано наближені рівності QФ2 Q12 + QФ2(КП,I2 + КП,U2) + Q2; QФ2 (Q12 + Q2) / (1 - КП,I2 + КП,U2), де КП,I = I / (I12 + I2)1/2 та КП,U = U / (U12 + U2)1/2 – коефіцієнти пульсацій за струмом та напругою. Якщо ж можна знехтувати добутком U2I2, то наближені рівності для визначення QФ мають вигляд QФ2 Q12 / (1 - КП,I2 + КП,U2) Q12 (КП,I2 + КП,U2). При використанні коефіцієнтів пульсацій kП,I = I / I1; kП,U = U / U1, для визначення QФ можна запропонувати співвідношення QФ2 = Q12 (1 + kП,I2 + kП,U2 + kП,I kП,U).

В залежності від характеру зміни напруги електроживлення, показників якості електроенергії, параметрів НПЕ та протікання технологічних процесів (виду uГ(t) та uН(t)) визначення величини QФ (при = ТТ) та її складових, обумовлених дією відповідних збурень, передбачає наступне. Спочатку розраховується середня активна потужність Р на інтервалі = ТТ. Потім визначаються складові струму iа(t) та iр(t) = i(t) - iа(t), які дають можливість розрахувати потужність QФ2 = U2Iр2.

Здійснено декомпозицію потужності QФ . Нехай на періоді технологічного процесу ТТ на окремих інтервалах (кількістю nЗБ та тривалістю tЗБ,j, j = 1,…, nЗБ) виникають збурення, котрі призводять до зміни струму iр(t). Тоді для періоду ТТ декомпозиція потужності QФ визначається рівністю

nЗБ

QФ2 = Q02 + Q,j2, ( 12 )

j=1

де Q0 = UIр0; Q,j = UIр,j, j = 1,…, nЗБ. Якщо на періоді ТТ збурення обумовлює зміни діючої напруги U2 = U02 + U,12, то складові втрат (12) визначаються з виразу (для спрощення наведено випадок одного збурення струму та напруги, які в загальному випадку можуть відбуватися на різних інтервалах періоду ТТ)

QФ2 = (U02 + U12)(I02 + I12) = QФ02 + QФ12 + QФ102 + QФ012,

де QФ0 = U0I0; QФ1 = U1I1; QФ10 = U1I0; QФ01 = U0I1. Складові QФ0 та QФ1 характеризують додаткові втрати в системі без збурень та додаткові втрати при одночасній дії збурень.

Розглянуто складові додаткових втрат в трифазних системах. На основі принципів декомпозиції потужності Фризе QФ додаткові втрати представлено сумою шести складових:

PД = PД1 + PД2 + PД3 + PД4 + PД5 + PД6. ( 13 )

Складові втрат PД у виразі (15) обумовлені наступними факторами неякісності електроенергії у виділеному перетині схеми: симетричністю реактивної потужності основної частоти – PД1; несиметричністю реактивної потужності основної частоти – PД2; несиметричністю активної потужності основної частоти – PД3; симетричністю реактивної потужності вищих гармонік – PД4; несиметричністю реактивної потужності вищих гармонік – PД5; несиметричністю активної потужності вищих гармонік – PД6.

Характер поводження складових PД1 ,…, PД6 розглянуто на прикладі фраґменту трифазної схеми (див. рис. 3), в електричних лініях якої протікають несинусоїдальні та несиметричні струми, а система напруг діючого трифазного генератора ЕРС симетрична. Згідно зі співвідношеннями (13) величина PД є функцією дванадцяти змінних: PД = f(IA, IB, IC, IA(3), IB(3), IC(3), A, B, C, A(3), B(3), C(3)). Проаналізовано кожну складову з виділенням
відповідних сімейств тривимірних поверхонь при ; j = 4, 5, 6. Графік зміни складової PД4 зображено на рис. 4 (Rs=1,5 Ом, IA = IB = IC = 100 А, IA(3) = IB(3) = IC(3) = 20 А, C(3) = 0), з якого видно, що складова PД4 має дві діагональні симетрії. Розглянуто визначення складових PД4, PД5 і PД6 та їх суми P = PД4 + PД5 + PД6 для низки граничних варіантів несиметричної системи відносно третьої гармоніки.

Запропоновано додаткові енергетичні показники для СНПЕ, побудовані на основі декомпозиції потужності Фризе. Враховуючи декомпозицію діючого значення активної та реактивної складової струму, можливими є два шляхи декомпозиції потужності Фризе QФ:

1) QФ2 = (U12 + U2)(Iр(1)2 + Iр()2) = Q12 + Q2, ( 14 )

де Q1 = U1Iр(1); Q2 = U12Iр(1)2 + U2Iр(1)2 + U2Iр()2;

2) QФ2 = U 2 (Iр(1)2 + Iр()2) = QФ,12 + QФ,22, ( 15 )

де QФ,1 = UIр(1); QФ,2 = UIр().

Отримано залежності для величин P та QФ від першої та вищих гармонічних складових активного та реактивного струму і напруги. Так, при Iа() = KПUIа(1) для величини активної потужності P справедлива рівність

P = UIа = U1 (1 + KПU2)1/2 Iа(1) (1 + KПU2)1/2 = U1Iа(1) (1 + KПU2).

Для величини потужності QФ при Iр() = KПIрIр(1); KПiр = Iр() / Iр(1) має місце співвідношення

QФ = UIр = U1 (1 + KПU2)1/2 Iр(1)(1 + KПIр2)1/2.

Запропоновано ефективний алгоритм розрахунку складових додаткових втрат в системі на періоді ТТ на основі виділення нормуючих функцій напруги та струму, які визначаються впливом факторів, спричинених дією зміни параметрів елементів, режимів роботи перетворювачів та навантажень. Введено функцію xT(t), для якої має місце співвідношення

jT

xT(t) = xT,j = ( x(t)dt )/T, t [(j-1)T, jT]. ( 16 )

(j – 1)T

При виділенні nФ факторів спотворення режимів електроспоживання (появи додаткових втрат електроенергії) співвідношення для реактивної потужності QФ на інтервалі часу [(j-1)T, jT] представляється в першому наближенні у вигляді

nф

QФl,T2(t) = ST2(t) - PT 2(t), ( 17 )

l=1

де QФl,T2 (t) – складова реактивної потужності Фризе, що обумовлена l-м фактором спотворення режимів. Для визначення складових необхідних та додаткових втрат для конкретного типу СНПЕ згідно з (16), (17) розглянуто формування моделей RL-навантаження при наступних типах моделей схем заміщення: 1) R(t) = var, L = 0; 2) R(t) = var, L = const; 3) R(t) = var, L(t) = var.

У четвертому розділі наведені результати підвищення енергоефективності в конкретних СНПЕ. Для проведення енерготехнологічного обстеження об’єктів з НПЕ розроблені методичні вказівки “Загальні положення енерготехнологічного обстеження систем електроживлення з перетворювачами електричної електроенергії”, які зареєстровані в Держкоменергозбереження України (реєстр. № М 00013184.4.004–00). Розроблене нормативно-методичне забезпечення широко використовувалося при оптимізації енергетичних процесів у системах, аналізі та раціоналізації енерговикористання систем з різноманітними типами НПЕ, підвищення енергоефективності роботи конкретних типів перетворювачів на підприємствах та організаціях України (довідка Держкоменергозбереження України), зокрема, в м. Мукачеве.

У відповідності до договору № 614–96 “Аналіз втрат електроенергії в мережах Мукачівського МРЕМ, розробка комплексу енергозберігаючих заходів для схеми енергопостачання м. Мукачеве” (між Інститутом проблем енергозбереження НАН України та міськвиконкомом м. Мукачеве) та Плану робіт Закарпатського регіонального центру енергоефективних технологій на 1996 р. було проаналізовано складові втрат електроенергії в системі Мукачівського міського району електромереж (ММРЕМ). У зв’язку з особливостями системи і режимів електричних мереж різних класів напруги розглядалися втрати в розімкнутих електричних мережах напругою 35 кВ; електричних мережах напругою 6–20 кВ; електричних мережах напругою 0,4 кВ з урахуванням споживання електроенергії (з внутрішніх потреб, втрат на транспорт в електромережах, виробничих потреб), а також величин сумарних втрат (технічних і комерційних) по м. Мукачеве.

За результатами аналізу складових втрат електроенергії в ММРЕМ були розроблені конкретні заходи з підвищення енергоефективності. Результати розрахунку втрат електроенергії в ММРЕМ показали зростання фактичних технологічних втрат в 1,5 – 2 рази (в залежності від номера виділеного фрагменту системи електроживлення району електричних мереж) у порівнянні з нормативними величинами, які були встановлені для електромереж ММРЕМ.

Проведено аналіз та оптимізація енергетичних процесів на об'єктах з НПЕ підприємств Мукачівського промислового вузла.

На ВАТ “Мукачівський верстатобудівний завод” роботи проводилися у відповідності до договору № 601 – 88 між ІПЕ НАН України та Мукачівським верстатобудівним заводом. При аналізі електромагнітних процесів спотворювальних нелінійних навантажень заводу були проведені виміри сигналів на діючому обладнанні. Для визначення заходів з енергозбереження на Мукачівському верстатобудівному заводі розраховувались складові втрат в трьох СНПЕ (систем електроживлення випрямляючих агрегатів ТВР–800/12Т–ОУХЛЧ та ТВ1–3150/12Т–0УХЛЧ гальванічної дільниці, напівпровідникових перетворювачів ділянки зварювальних агрегатів, пристрою для різання металу НА–418А). Так, підключення компенсатора потужністю 190 кВАр паралельно вхідним зажимам пристрою НА-418А на час перехідного режиму зменшує спад напруги в 3,6 разу. Паралельно НА-418А підключено компенсатор потужністю QК = 141,6 кВАр, що практично усунуло коливання напруги при включенні НА-418А.

На рис. 5 показано графіки споживання реактивної потужності Мукачівським верстатобудівним заводом до впровадження представлених заходів (крива 1) та після (крива 2), що дозволило привести рівні електроспоживання у відповідності з вимогами оптимальної роботи електроенергетичного обладнання. Проведений аналіз втрат дозволив впровадити конкретні організаційні та технічні заходи, які забезпечили зниження коефіцієнтів несиметрії та несинусоїдальності відповідно на 2,2 та 3,6 %. Річний економічний ефект від впровадження розробок, що складає 78,65 тис. крб. (у цінах 1990 року), досягнуто за рахунок зменшення споживання активної та реактивної потужностей підприємства, стабілізації параметрів режимів роботи електричних ліній.

На Мукачівському меблевому комбінаті проведено аналіз роботи компенсуючого та регулюючого обладнання. Проаналізовано та визначено оптимальні графіки навантажень (споживання активної і реактивної потужностей) відповідальних та критичних до спотворень навантажень комбінату. На ВАТ “Мукачівприлад” аналізувались складові втрат в СНПЕ, де працюють десять випрямлячів ВАКР–1200/12 гальванічної дільниці, два перетворювачі частоти АПГ–400/220 на дільниці наладки САКТ, високочастотна плавильно-загартовувальна установка ЛПЗ–67 та високочастотна плавильна установка типу ІСТ–016 на ливарній дільниці. Були розраховані складові втрат у відповідних системах, вплив на ці втрати коефіцієнта пульсацій напруги та несинусоїдальності струму (15 – 18 % загальних втрат електроенергії). Для зменшення втрат запропоновано використання компенсаторів реактивної потужності, активних та пасивних фільтрів, частотного регулювання електроприводів компресорної станції.

Результати енерготехнологічного обстеження 19 підприємств м. Мукачеве в рамках “Програми заходів підвищення енергоефективності підприємств Мукачівського промислового вузла” показали, що для міста річний економічний ефект у 1992 році за рахунок впровадження енергозберігаючих заходів на підприємствах міста складає 30,4 тис. кВт.год. У середньому економія електроенергії за рахунок використання різних типів НПЕ в системах електроживлення складає до 35 %, тобто потенціал економії електроенергії за рахунок використання перетворювачів електроенергії для підприємств міста складає близько 10 тис. кВт.год.

Отримані результати аналізу та оптимізації енергетичних процесів на об’єктах з НПЕ, підтверджені актами та довідками впровадження, показують високу ефективність використання розроблених нормативно-методичних та програмних засобів підвищення енергоефективності в різних типах СНПЕ.

В додатках наведено: в додатку А – характеристика складових потужності Фризе в трифазних системах; в додатку Б – основні напрямки енерготехнологічного обстеження СНПЕ; в додатку В – особливості електропостачання підприємств Мукачівського промислового району; в додатку Д – акти та довідки про використання результатів дисертаційної роботи.

висновки

В роботі вирішена актуальна науково-практична задача розробки алгоритмів аналізу додаткових втрат електроенергії в системах з НПЕ на основі декомпозиції потужності Фризе з урахуванням несинусоїдальності струмів (напруг) та створення на цій основі науково обгрунтованих алгоритмів розрахунку енергетичних процесів, орієнтованих на підвищення енергефективності роботи систем з напівпровідниковими перетворювачами електроенергії.

1. Аналіз можливих структур і режимів роботи систем з напівпровідниковими перетворювачами електроенергії показав, що при розв’язанні задачі підвищення енергоефективності в СНПЕ важливо враховувати суттєву несинусоїдальність напруги та струму, циклічну зміну параметрів та режимів роботи навантаження. При цьому порівняльна оцінка впливу неякісності електроенергії на роботу СНПЕ дозволила сформувати загальні вимоги до заходів з підвищення енергоефективності для об’єктів, у складі яких функціонують різноманітні типи НПЕ.

2. Співставний аналіз сфер застосування відомих енергетичних характеристик, призначених для оцінки енергоефективності в колах з несинусоїдальними струмами та напругами, показав доцільність використання потужності Фризе при здійсненні аналізу складових додаткових втрат електроенергії в СНПЕ, а оцінка ефективності використання методів аналізу електромагнітних процесів підтвердила необхідність при розрахунку електромагнітних процесів у цих системах та конкретних типах напівпровідникових перетворювачів використовувати алгоритми аналізу на основі змінних стану та спектрального методу в базі функцій Уолша.

3. Для оцінки складових додаткових втрат електроенергії розроблено модель системи з НПЕ, в якій враховано особливості протікання енергетичних процесів, зокрема, несинусоїдальність сигналів, характер зміни параметрів елементів системи, тривалість технологічного процесу.

4. Для здійснення якісної (наближеної) оцінки енергетичних процесів у СНПЕ чи її фрагменті на основі принципу діакоптики та рівнянь змінних стану запропоновано алгоритм наближеної оцінки енергетичних процесів з використанням норм матриці та ітераційних процедур. Використання функцій Уолша дозволило отримати вирази для розрахунку окремих інтегральних характеристик, що виключає необхідність переходу у часову область для здійснення інтегрування сигналів.

5. Розроблено алгоритми розрахунку електромагнітних процесів у схемах з циклічно змінними параметрами навантаження, які дозволяють при розрахунку складових додаткових втрат електроенергії врахувати зміни тривалості технологічного процесу та параметрів елементів системи.

6. На основі декомпозиції потужності Фризе отримано вирази розділення додаткових втрат електроенергії на складові, які зумовлені впливом різних факторів, що визначаються дією генераторів, перетворювачів, навантажень, особливістю протікання технологічних процесів; проаналізовано структуру додаткових втрат електроенергії при дії визначеної сукупності факторів впливу. При цьому визначено складові додаткових втрат електроенергії в трифазних системах при несинусоїдальності і несиметрії сигналів та детально розглянуто характер їх поводження при зміні функцій напруги та струму в перетинах системи.

7. Запропоновано оригінальні показники оцінки різних сторін перетворення електроенергії в СНПЕ, які враховують суттєву несинусоїдальність сигналів струму та напруги, тривалість технологічного процесу; отримано аналітичні залежності складових додаткових втрат електроенергії від коефіцієнтів пульсацій напруги та струму.

8. Проведений аналіз енергетичних процесів у СНПЕ (складових додаткових втрат електроенергії на основі декомпозиції потужності Фризе) покладено в основу нормативно-методичного забезпечення для енерготехнологічного обстеження систем електроживлення, до складу яких входять різні типи НПЕ (реєстр. № М 00013184.4.004–00), яке широко використовується при аналізі та оптимізації енергетичних процесів, підвищенні їх енергоефективності. Розроблені за участю автора методичні вказівки “Загальні положення енерготехнологічного обстеження систем електроживлення з перетворювачами електричної енергії”, базуючись на комплексному підході, дозволяють системно здійснити енерготехнологічне обстеження об’єктів з НПЕ.

9. Розроблене нормативно-методичне та програмне забезпечення широко використане при аналізі складових додаткових втрат електроенергії в системі Мукачівського міського району електричних мереж, аналізі та оптимізації енергетичних процесів у системах електроживлення підприємств м. Мукачеве, які містять різноманітні типи НПЕ. Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування при аналізі та оптимізації енергетичних процесів, проведенні енерготехнологічного обстеження в м. Мукачеве, що забезпечило значний економічний ефект від їх впровадження. Основні результати роботи впроваджені також в навчальний процес.

10. Вірогідність та обґрунтованість наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджуються використанням коректних методів досліджень, узгодженням розрахунків з експериментальними даними і раніше відомими з літературних джерел результатами.

список опублікованих праць за темою дисертації

1. Енергоефективність та напрями самоенергозабезпечення регіонів на прикладі Закарпаття / Денисюк С.П., Віхорєв Ю.О., Радиш І.П., Гололобов О.І., Ковальов О.В., Машкара О.Г. – К.: Українські енциклопедичні знання, 2000. – 118 с.

2. Віхарєв Ю.О., Денисюк С.П., Радиш І.П. Підвищення рівнів самоенергозабезпечення територіальних одиниць та