ELECTRIC POWER QUALITY IN ELECTRIC POWER SYSTEMS OF BOILER STATIONS AND HEATING SUBSTATIONS USING PUMPS OPERATED BY VARIABLE-FREQUENCY DRIVE

Full Text

Важнейшим направлением в решении проблемы энергосбережения в инженерных системах городского хозяйства является применение частотно-регулируемого электропривода насосных и вентиляционных агрегатов [1]. При этом экономия энергии зачастую достигается не только за счет уменьшения энергопотребления собственно приводом, но и благодаря возможности реализовать более совершенные технологические процессы и алгоритмы управления. Это может быть оптимизация режимов горения в котле за счет регулирования производительности тягодутьевых машин, рационализация теплогидравлических режимов на тепловых вводах в здания путем количественно-качественного регулирования и т.п. Экономия электроэнергии при использовании частотно-регулируемых приводов в насосных и тягодутьевых механизмах котельных установок составляет до 30 %. Согласно п. 16.6 свода правил СП 89.13330.2012 «Котельные установки. Актуализированная редак- ция. СНиП II-35-76», которые устанавливают требования к проектированию, строительству, реконструкции, капитальному ремонту, расширению и техническому перевооружению котельных, электродвигатели насосов сетевых, подпиточных, рециркуляционных, горячего водоснабжения, питательной воды, тягодутьевых машин, угольных конвейеров и дробильных установок должны оснащаться преобразователями частоты (ПЧ) и устройствами плавного пуска. Технология частотного регулирования одновременно с уменьшением расхода электроэнергии позволяет получить дополнительный эффект ресурсосбережения применительно к оборудованию инженерных систем [2], а именно: - снижение пусковых токов электродвигателей продлевает срок их службы; - переключение коммутационных аппаратов в бестоковые паузы увеличивает их ресурс; - оптимизация переходных режимов и уменьшение средней скорости вращения приводов оказывает положительное влияние на работу технологических агрегатов; - контролируемое изменение напора при переключениях насосных агрегатов позволяет избежать гибравлических ударов и уменьшить вероятности аварий на трубопроводах. Вместе с тем внедрение частотно-регулируемого электропривода в инженерных системах требует пристального внимания к проблеме, обусловленной негативным влиянием ПЧ на источники электропитания. Частотно-регулируемый электропривод насосов и вентиляторов является потребителем несинусоидального тока, величина которого и спектральный состав зависят от параметров питающей сети и режима работы электропривода. Современные ПЧ для частотно-регулируемого электропривода выполняют в основном по схеме с промежуточным звеном постоянного тока, основными элементами которой являются неуправляемый (диодный) выпрямитель - сглаживающий фильтр - инвертор напряжения с широтно-импульной модуляцией. Так как выпрямители выполняют по трехфазной мостовой схеме, то входной ток ПЧ представляет собой сумму нечетных гармоник, за исключением кратных трем. При этом наиболее интенсивными являются гармоники с номерами 5 и 7. Потребление несинусоидального тока от источника питания приводит к тому, что на последовательных элементах системы электроснабжения (СЭС) возникают падения напряжения несинусоидальной формы. Вследствие этого напряжение в СЭС также приобретает несинусоидальную форму [3]. Для мгновенного значения напряжения на одной фазе СЭС можно записать следующее выражение: , (1) где L0, R0 - эквивалентная индуктивность и активное сопротивление фазы источника электроснабжения; i(t) - мгновенное значение тока нагрузки. ЭДС источника питания в общем случае представляет собой сумму гармонических составляющих , (2) где Enm, Ψn - амплитуда и начальная фаза n-й гармоники напряжения; n - номер гармоники; ω1 - частота основной гармоники. Выражение (2) в комплексной форме для n-й гармоники примет вид , (3) где - комплексы гармоник напряжения и тока с номерами n; - комплекс внутреннего сопротивления источника электропитания на n-й гармонике. Из выражения (3) следует, что наличие высших гармоник (ВГ) на шинах потребителей обусловлено наличием ВГ как в кривой источника питания e(t), так и в кривой тока нагрузки. При этом форма напряжения в СЭС зависит от соотношения параметров источника электроснабжения и нагрузки. Отметим, что несинусоидальность напряжения и тока вызывает дополнительные потери и нагрев, а также ускоренное старение изоляции электрооборудования, что подтверждается результатами диагностического обследования различного электроэнергетического оборудования: трансформаторов, кабельных линий, электродвигателей, компенсирующих конденсаторов, преобразовательных устройств, а также генераторов СЭС. Кроме того, ВГ вызывают нарушение работы и ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики, приводят к сбоям в работе электронных систем управления и вычислительной техники, создают помехи в аппаратуре телемеханики и связи, искажают показания счетчиков электрической энергии и т.д. В условиях, когда изготовители ПЧ применяют в основном конденсаторные сглаживающие фильтры, уровень ВГ в кривой входного тока ПЧ оказывается соизмеримым с уровнем основной гармоники. Это приводит к появлению высших гармоник напряжения на всех уровнях СЭС. В результате качество электроэнергии в СЭС перестает соответствовать требованиям ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 140 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Ситуация с качеством электроэнергии на шинах питания инженерных систем с частотнорегулируемым электроприводом усугубляется, когда электрооборудование объекта отключается от трансформатора и присоединяется к резервному источнику, например, дизель-генератору. Это обусловлено тем, что генераторы резервных источников питания имеют совершенно иные внутренние сопротивления , входящие в выражение (3), чем трансформаторы соизмеримой мощности. При этом возможность работы электрооборудования котельных и тепловых пунктов четко определена указанным выше сводом правил СП 89.13330.2012. Согласно п. 8.1 котельные, вырабатывающие в качестве теплоносителя воду с температурой более 95 °С, должны быть обеспечены двумя независимыми источниками электропитания. Для котельных, имеющих паровые котлы с общей установленной тепловой мощностью более 10 МВт, в качестве второго независимого источника электропитания могут быть использованы турбогенераторы напряжением 0,4 кВ. Тип и количество турбогенераторов обосновываются расчетом. Для котельных, работающих на жидком или газообразном топливе, в качестве второго источника электропитания могут быть использованы электрогенераторы с приводом от дизельных установок, работающих на жидком или газообразном топливе. Электродвигатели сетевых и подпиточных насосов в котельных, вырабатывающих в качестве теплоносителя воду с температурой выше 115 °С, а также питательных насосов (при отсутствии питательного насоса с паровым приводом), независимо от категории котельной как источника отпуска теплоты, а также все котельные, работающие на твердом топливе, независимо от параметров теплоносителя относятся по условиям электроснабжения к первой категории. Объекты, ограничение режима потребления электроэнергии которых может привести к возникновению угрозы жизни и здоровью людей, к которым относятся котельные, должны иметь независимый источник питания для обеспечения бесперебойного питания при перерывах в электроснабжении. Указанные требования к эксплуатации электроустановок предъявляются пп. 1.2.18; 1.2.19 Правил устройств электроустановок, утвержденных Приказом Минэнерго РФ от 08.07.2002, № 204, предусматривающих, что электроприемники первой категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного источника питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания. В качестве второго независимого источника питания для остальных приемников первой категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем, предназначенные для этих целей агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т.п. Отсутствие резервного источника электропитания в случае прекращения подачи электроэнергии на котельную может повлечь за собой остановку оборудования в отопительный период, размораживание систем тепло-водоснабжения, что приведет к чрезвычайной ситуации в муниципальном образовании, массовому нарушению прав граждан на защиту жизни, здоровья и личного имущества. Согласно ГОСТ 32144-2013 показателями качества электроэнергии (ПКЭ), характеризующими несинусоидальность кривой напряжения, являются коэффициенты KU и KU(n), для расчета которых используется представление периодических функций рядами Фурье. Коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения рассчитывается как отношение действующего значения n-й гармоники к действующему значению U1 первой гармоники . (4) Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения KU определяется отношением действующего значения ВГ к напряжению U1 основной гармоники , (5) где N = 40 - порядок (номер) последней из учитываемых ВГ. Из (4) и (5) следует, что суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения можно определять также по формуле . (6) Отклонение формы токов от синусоиды можно характеризовать коэффициентами, которые рассчитываются по формулам, аналогичным (4) - (6). Коэффициент n-й гармонической составляющей тока . (7) 141 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 И.И. Артюхов, С.В. Молот Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока . (8) Проанализируем, для примера, качество электроэнергии в СЭС объекта, схема которого показана на рис. 1. Электродвигатели насосов М1 и М3 мощностью 40 кВт могут получать электропитание как через преобразователи UF1, UF2, так и напрямую от шины 0,4 кВ/50 Гц. От этой же шины, при необходимости, запитывается электродвигатель насоса М2. Шина 0,4 кВ/50 Гц, в свою очередь, может быть подключена как к вторичной обмотке трансформатора 10/0,4 кВ мощностью 250 кВА, так и к выходу резервного источника питания (дизель-генератору мощностью 325 кВт). Рис. 1. Упрощенная схема электроснабжения насосов с частотно-регулируемым электроприводом Исследование процессов в электротехническом комплексе, в состав которого входят электрические машины, полупроводниковые преобразователи и большое количество индуктивных и емкостных элементов, является достаточно сложной задачей [6-9]. Математическая модель, описывающая поведение подобного комплекса, представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка. Аналитические методы анализа применимы в ограниченном числе случаев. Причина не только в нелинейном характере процессов, происходящих в исследуемых комплексах, но, в частности, в большой размерности их математических моделей. Поскольку сами объекты исследования представляют собой результаты агрегирования, то и их математические модели могут строиться как агрегаты математических моделей составляющих модулей. Для электротехнических систем это усложнение проявляется в возникновении цепей, общих для двух или более агрегируемых объектов, которые не могли существовать до агрегирования. В частности, это может вызвать неожиданный системный эффект. Современные программные продукты безусловно позволяют получать численное решение таких систем нелинейных дифференциальных уравнений. В результате решения определяются мгновенные значения токов и напряжений всех элементов электротехнического комплекса, максимальных и интегральных значений тех переменных, которые определяют выбор элементов, спектрального состава кривых напряжений и токов нагрузки, конденсаторов и других элементов. Помимо расчёта отдельных схем возможен анализ работы целых комплексов, содержащих несколько ПЧ и электрических машин. Для исследования негативного влияния частотно-регулируемого электропривода насосов на СЭС целесообразно применить имитационное моделирование объекта в среде MATLAB с пакетом расширения Simulink [4]. Схема модели показана на рис. 2. Блоки Three-Phase Source и Three-Phase Transformer моделируют питающую сеть 10 кВ и трансформатор подстанции 10/0,4 кВ. Блоки Diesel Engine Spid&Voltage Control и SM325 kVA отображают дизель-генератор с системами стабилизации частоты вращения вала и напряжения. Блоки Three-Phase Breaker позволяют подключить электрооборудование на электропитание от одного из источников. Блок Three-Phase Parallel RL моделирует активноиндуктивную нагрузку СЭС. Имитационная модель каждого из частотнорегулируемых электроприводов насосов содержит следующие блоки: Universal Bridge (трехфазный выпрямитель), RS (сетевые дроссели на входе выпрямителя), LD, RD, СФ (сглаживающий дроссель с конденсатором фильтра), RИ (эквивалентное сопротивление инвертора). При построении имитационной модели использован подход [5], который предусматривает представление инвертора напряжения с подключенным электродвигателем в виде эквивалентного активного сопротивления. Правомерность такого представления обусловлена тем, что в рассматриваемом случае целью моделирования является анализ влияния канонических гармоник в спектре входного тока ПЧ на качество электроэнергии в питающей сети. В соответствии с требованиями действующего Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 142 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ стандарта на качество электроэнергии при анализе ПКЭ должны учитываться гармоники с частотой до 2 кГц. В качестве силовых полупроводниковых ключей в современных инверторах напряжения применяют в основном IGBT-модули. Тактовая частота работы этих модулей составляет не менее 8 кГц. Поэтому спектр гармоник во входном токе ПЧ, вызванных коммутациями IGBT-модулей, находится в высокочастотном диапазоне, значительно удаленном от частоты 2 кГц. Спектр гармоник во входном токе ПЧ, вызванных коммутациями IGBT-модулей, оказывается смещенным в высокочастотную область. Величину эквивалентного сопротивления RИ определим на основе баланса активных мощностей. В этом резисторе рассеивается активная мощность , (9) где Ud - напряжение питания инвертора. От выпрямителя ПЧ отбирается активная мощность , (10) где Hном., Qном. - соответственно номинальные величины напора и расхода k-го вентилятора; ηпч, ηэл.дв., ηвент. - соответственно КПД преобразователя, электродвигателя и вентилятора; fпч.ном., fпч. - номинальное и текущее значения частоты напряжения на выходе ПЧ, которым соответствуют значения частоты вращения вентилятора ωном., ω. В формуле (10) также введено обозначение: - мощность, потребляемая от выпрямителя ПЧ в номинальном режиме работы электропривода. Объединяя выражения (9) и (10), получим формулу для расчета эквивалентного сопротивления инвертора . (11) Отметим, что входящая в формулу (11) величина напряжения Ud зависит от напряжения питания, а также от тока выпрямителя Id, который, в свою очередь, является функцией сопротивления RИ. В составе модели на рис. 2 имеются также сервисные блоки для получения и отображения информации. В частности, для гармонического анализа токов и напряжения в рассматриваемой СЭС используется специально созданный блок Subsystem_ Current&Voltage Analizer. На рис. 3 показаны результаты моделирования при питании частотно-регулируемых электроприводов от трансформаторов подстанции. При этом полагается, что насосы работают в режиме номинальной производительности, при которой частота напряжения на выходе ПЧ составляет 50 Гц. На рис. 4 приведены графики, которые характеризуют качество электроэнергии в СЭС при подключении электроприводов насосов к дизель-генератору. Результаты проведенного исследования показывают, что при подключении двух частотно- Рис. 2. Схема имитационной модели для исследования качества электроэнергии в СЭС насосов с частотно-регулируемым электроприводом 143 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 И.И. Артюхов, С.В. Молот регулируемых электроприводов к резервному генератору ПКЭ на шинах электропитания выходят за границы, установленные стандартом на качество электроэнергии. В частности, суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжений превышает нормативные 8 %. Кроме того, наблюдается превышение допустимых значений гармониками напряжения с номерами 5, 11, 13 и 19. Уровни остальных ВГ напряжений находятся вблизи допустимых значений. Заметим, что при переводе электропитания насосов на резервный генератор коэффициенты гармоник в кривой потребляемого тока уменьшаются, что объясняется увеличением эквивалентной индуктивности во входной цепи ПЧ. Однако суммарный уровень ВГ остается настолько большим, что может приводить к существенным потерям мощности в генераторе. Наибольшую интенсивность имеют гармоники тока с номерами 5 и 7. В связи с этим для надежной работы дизель-генератора его мощность должна выбираться большей, чем это требуется при работе на асинхронных двигателях без ПЧ. Таким образом, возникает необходимость решения комплекса задач по обеспечению электромагнитной совместимости частотно-регулируемого электропривода насосов с источниками питания. В противном случае процесс оснащения инженерных систем частотно-регулируемыми электроприводами может привести к ситуации, когда в результате значительного содержания ВГ в СЭС будет нарушено нормальное функционирование электрооборудования. а б Рис. 3. Значения суммарного коэффициента гармонических составляющих и коэффициентов n-х гармонических составляющих для напряжения (а) и тока (б) при подключении частотно-регулируемых электроприводов насосов к трансформатору подстанции а б Рис. 4. Значения суммарного коэффициента гармонических составляющих и коэффициентов n-х гармонических составляющих для напряжения (а) и тока (б) при подключении частотно-регулируемых электроприводов насосов к дизель-генератору

About the authors

Ivan I. ARTYUKHOV

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

Svetlana V. MOLOT

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files