СПОСОБ ОЦЕНКИ ВКЛАДА НЕЛИНЕЙНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В ИСКАЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ТОЧКЕ ОБЩЕГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ
METHOD FOR ESTIMATING CONTRIBUTION OF NONLINEAR CONSUMERS TO VOLTAGE DISTORTION AT POINT OF COMMON CONNECTION

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к способам определения влияния нелинейных потребителей электроэнергии на несинусоидальность напряжения в точке общего присоединения (ТОП). Данное изобретение может быть использовано для регулирования коммерческих отношений между поставщиком электроэнергии и потребителями в вопросе оценки вклада каждого из потребителей в ухудшения качества напряжения в ТОП в процентном соотношении.
Известен способ определения потребителя, искажающего показатели качества электрической энергии в узле энергоснабжающей организации, и его вклада в искажение (патент РФ № 2244313, опубл. 10.01.2005). Данный способ предполагает расчет сопротивлений неискажающих нагрузок и расчет токов искажений искажающих нагрузок каждого потребителя. После чего полученные значения токов соотносят с суммарными значениями.
Недостатком способа является тот факт, что за суммарное значение токов искажений авторы принимают алгебраическую сумму токов потребителей, аргументируя это тем, что такое допущение не повлияет на значение долевых вкладов. Однако очевидно, что векторная сумма токов будет значительно отличаться от алгебраической, так как взаимное расположение векторов токов каждой из ветвей может быть любым.
Известен способ определения долевых участий нагрузки и энергосистемы в изменении качества напряжения (патент РФ № 2307364, опубл. 27.09.2007), который включает измерение и определение интегральных составляющих анормальных напряжений ветвей с ЭДС и анормальных составляющих токов ветвей нагрузки, на основе чего рассчитываются долевые участия каждого энергообъекта.
Недостатком способа является значительное количество исходных данных, касающихся как системы электроснабжения (мгновенные значения ЭДС системы), так и потребителей (индуктивность L). Для корректной оценки долевых участий каждого энергообъекта необходимо постоянно определять вышеуказанные величины.
Известен способ выявления фактического вклада субъектов электрических сетей в искажение качества электрической энергии в точке общего присоединения в электрической сети (патент РФ № 2364875, опубл. 20.08.2009). Согласно данному способу, вклад каждого субъекта энергосистемы определяется на основании действующего значения напряжения обратной волны, при этом напряжение каждой гармоники в ТОП разлагают на составляющие прямой и обратной волн при помощи Т-преобразования.
Недостатками является необходимость определения в реальном времени волнового сопротивления сети на каждой гармонике, так как его значение непрерывно меняется и зависит от режима работы каждого из субъектов энергосистемы.
Известен способ выявления источника высших гармоник (патент РФ № 2573706, опубл. 27.01.2016), в котором источник высших гармоник определяется по зависимости тока высших гармоник системы электроснабжения от активного сопротивления фильтрокомпенсирующего устройства, установленного параллельно одной из нагрузок.
Недостатком способа является то, что данный способ позволяет лишь определить, является ли источником искажения потребитель или система электроснабжения, но не позволяет оценить вклад каждого из них в общие искажения в процентном соотношении.
Известен способ оценки влияния потребителя на искажение напряжения в точке общего присоединения (патент РФ № 2627195, опубл. 03.08.2017), который включает определение параметров автономного напряжения для каждого потребителя в отдельности, расчет коэффициента его влияния на искажения напряжения и сравнение расчетных параметров с допустимыми.
Недостатком способа является необходимость расчета параметров схемы замещения, таких как проводимость каждого потребителя, что вносит дополнительную погрешность в окончательный результат. Авторы отмечают, что относительная погрешность определения параметров схемы замещения при использовании предлагаемого способа не превышает 7%, что является значительной величиной. Кроме того, в результате определяется не вклад потребителя в общие искажения, а лишь сравнивается его влияние с допустимой величиной и делается вывод о допустимости или недопустимости такого режима работы потребителя.
Известен способу является способ определения фактического вклада источников искажений в значения показателей качества электроэнергии в точке общего присоединения (патент РФ № 2236016, опубл. 10.09.2004) принятый за прототип.  Фактический вклад каждого субъекта-источника искажений считается прямо пропорциональным проекции тока субъекта-источника искажений на суммарный ток всех субъектов-источников искажений.
Недостатком способа является то, что все субъекты делятся на источники и потребители искажений, в то время как в реальных энергетических системах большинство потребителей представляют собой набор различных линейных и нелинейных нагрузок. Такие нагрузки, согласно данному способу, результируются в исключительно в субъект-источник или субъект-потребитель. В таком случае упускается вклад субъектов-потребителей искажений, в то время как они также содержат источники высших гармоник. Кроме того, принадлежность субъекта к источникам или потребителям искажений определяется по фазовым углам сдвига между напряжением искажений и соответствующим током высших гармоник. Иными словами - по знаку мощности искажения на каждой из гармоник. Однако напряжение искажения в узле электрической сети является результатом совместной работы всех источников искажения, подключенных к ТОП. При существенном расхождении по фазе между токами искажения потребителей один или несколько искажающих потребителей будут иметь положительные мощности искажения и восприниматься как неискажающие.
Техническим результатом является точная оценка вклада каждого потребителя электроэнергии в искажения напряжения и тока в ТОП в процентном соотношении.
Технический результат достигается тем, что измеряют амплитуды и фазы токов высших гармоник системы электроснабжения, на основании измеренных данных для каждой гармоники отдельно для всех потребителей рассчитывают вклад потребителя в искажение напряжения и тока в точке общего присоединения как отношение проекции вектора тока высшей гармоники потребителя на вектор тока высшей гармоники системы электроснабжения к току высшей гармоники системы электроснабжения по формуле
n
h
где,  - вклад -ого потребителя в искажение напряжения и тока в точке общего присоединения на гармонике ,
h n
- амплитуда вектора тока гармоники -ого потребителя,
n
- косинус угла между фазой вектора тока высшей гармоники -ого потребителя и вектора тока высшей гармоники системы электроснабжения,
h
h
- амплитуда вектора тока гармоники системы электроснабжения, затем производят сравнение рассчитанных вкладов потребителей в искажение напряжения и тока в точке общего присоединения на гармонике  и производят компенсацию токов высших гармоник потребителей с наибольшими вкладами.
Способ поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - схема замещения двух потребителей, подключенных к одной системе электроснабжения;
фиг. 2 - зависимость вклада потребителя в искажения напряжения в ТОП от процента генерируемого тока по отношению к общему генерируемому току в системе, и от процента мощности потребителя по отношению к общей мощности потребителей в системе;
1 - комплексное сопротивление СЭС;
2 - измеритель тока СЭС;
3 -измеритель тока первого потребителя;
4 - измеритель тока второго потребителя;
5 - комплексное сопротивление первой линии;
6 - комплексное сопротивление второй линии;
7 - нелинейная нагрузка первого потребителя;
8 - линейная нагрузка первого потребителя;
9 - нелинейная нагрузка второго потребителя;
10 - линейная нагрузка второго потребителя.
Способ осуществляется следующим образом. В энергетической системе рассматриваемой на каждой гармонике h в отдельности устанавливается измеритель тока СЭС 2, определяющий амплитуды и фазы токов высших гармоник СЭС, протекающих по комплексному сопротивлению СЭС1, устанавливается измеритель тока первого потребителя 3, определяющий амплитуды и фазы токов высших гармоник, протекающих по комплексному сопротивлению первой линии 5, устанавливается измеритель тока второго потребителя 4, определяющий амплитуды и фазы токов высших гармоник, протекающих по комплексному сопротивления второй линии 6. нелинейной нагрузки первого потребителя 7.
При отклонении качества электрической энергии в точке общего присоединения от установленных стандартами норм выполняются следующие действия.
h
Для каждой гармоники  рассчитываются углы между векторами токов потребителей и токов СЭС по формулам (1) и (2):
где
h
- фаза вектора тока гармоники , определенная измерителем тока первого потребителя 3;
h
- фаза вектора тока гармоники , определенная измерителем тока второго потребителя 4;
h
- фаза вектора тока гармоники , определенная измерителем тока СЭС 2;
- угол между фазами  и ;
- угол между фазами  и .
h
Затем для каждой гармоники  рассчитываются проекции векторов токов потребителей на вектор тока СЭС по формулам (3) и (4):
где
h
- амплитуда вектора тока гармоники , определенная измерителем тока первого потребителя 3;
h
- амплитуда вектора тока гармоники , определенная измерителем тока второго потребителя 4;
h
- амплитуда вектора тока гармоники , определенная измерителем тока СЭС 2;
- проекция амплитуды вектора  на амплитуду вектора ;
- проекция амплитуды вектора  на амплитуду вектора ;
Далее рассчитывается вклад каждого потребителя в искажения тока и напряжения в ТОП по выражению (5):
где:
n
h
- вклад -ого потребителя в искажение напряжения и тока в ТОП на гармонике ;
h n
- амплитуда вектора тока гармоники -ого потребителя;
h n
- угол между фазами вектора тока гармоники -ого потребителя и .
Ů
Z
0
0
Обоснованность использования данного подхода подтверждается следующим. Из схемы на фиг. 1 видно, что несинусоидальное напряжение сети  пропорционально векторной сумме токов первого и второго потребителя при условии постоянства сопротивления сети по формуле (6):
где
h
- напряжение гармоники  в ТОП;
- величина комплексного сопротивления СЭС 1.
В ходе аналитического определения токов , ,  использовались следующие коэффициенты (7-11), характеризующие структуру рассматриваемой системы электроснабжения:
где
h
- коэффициент, показывающий во сколько раз комплексное сопротивление линейной нагрузки первого потребителя 8 больше комплексного сопротивления СЭС на гармонике ;
h
- коэффициент, показывающий во сколько раз комплексное сопротивление линейной нагрузки второго потребителя 10 больше комплексного сопротивления СЭС на гармонике ;
h
- коэффициент, показывающий во сколько раз комплексное сопротивление первой линии 5 больше комплексного сопротивления СЭС на гармонике ;
h
- коэффициент, показывающий во сколько раз комплексное сопротивление второй линии 6 больше комплексного сопротивления СЭС на гармонике ;
Тогда выражения для тока, протекающего в линии системы электроснабжения (12), и токов первого (13) и второго (14) потребителя принимают следующий вид:
где
- ток, генерируемый нелинейной нагрузкой первого потребителя 7;
- ток, генерируемый нелинейной нагрузкой второго потребителя 9.
По составляющим  и  видно, что генерируемый ток высших гармоник потребителей распределяется как в систему, так и на другого потребителя. Однако, они несут информацию о структуре всей системы электроснабжения в целом, а значит считать их за погрешность способа ошибочно, так как в данном случае рассматривается взаимное влияние всех объектов друг на друга, а не каждый объект в отдельности.
h
В итоге производится сравнение рассчитанных вкладов потребителей в искажение напряжения и тока в точке общего присоединения на гармонике в процентном соотношении, далее токи высших гармоник потребителей с наибольшими вкладами компенсируются в первую очередь любым из разработанных способов компенсации тока высших гармоник, например используя пассивные или активные фильтры высших гармоник.
Способ поясняется следующими примерами. Проведен расчет несинусоидального режима для системы электроснабжения, представленной на фиг. 1. Параметры схемы представлены в таблице 1.
Таблица 1
Исходные данные для расчета схемы замещения
Сопротивление системы электроснабжения
<img file="00000041.jpg" he="7" wi="28" img-content="undefined" img-format="jpg" />
0,435
Ом
Сопротивление линии от первого потребителя до ТОП
<img file="00000042.jpg" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000042.jpg" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" />=
0,380
Ом
Индуктивность линии от первого потребителя до ТОП
<img file="00000043.jpg" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000043.jpg" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />=
0,430
мГн
Сопротивление линии от второго потребителя до ТОП
<img file="00000044.jpg" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000044.jpg" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" />=
0,380
Ом
Индуктивность линии от второго потребителя до ТОП
<img file="00000045.jpg" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000045.jpg" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />=
0,430
мГн
Суммарная активная мощность двух потребителей
<img file="00000046.jpg" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000046.jpg" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" />=
4
МВт
Суммарная реактивная мощность двух потребителей
<img file="00000047.jpg" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000047.jpg" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" />=
3
Мвар
Суммарный ток третьей гармоники, генерируемый двумя потребителями
<img file="00000048.jpg" he="8" wi="13" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000048.jpg" he="8" wi="13" img-content="undefined" img-format="jpg" />=
72,27
A
В ходе расчетов менялись доли генерируемого тока каждого потребителя при условии сохранения значения суммарного генерируемого тока высших гармоник двух потребителей, а также менялось соотношение мощностей потребителей при постоянной потребляемой мощности на первой гармонике во всей системе в целом.
Проведем расчет для частного случая, при котором доля мощности первого потребителя составляет 40%, а генерируемый первым потребителем ток третьей гармоники составляет 60% от тока третьей гармоники, суммарно генерируемого первым и вторым потребителем.
Согласно предложенному способу, на практике необходимо измерить токи , ,  , а в случае аналитического  подхода - рассчитать их по формулам (12)-(14).
Перед этим рассчитывается индуктивная часть комплексного сопротивления СЭС 1 (равная полному комплексному сопротивлению в данном частном случае:
где
h
- номер гармоники.
Для третьей гармоники:
Тогда фаза комплексного сопротивления СЭС 1 на третьей гармонике:
Индуктивная часть комплексного сопротивления первой линии 5:
где
ƒ
- основная частота сети.
Для третьей гармоники:
Полное комплексное сопротивление первой линии 5:
Для третьей гармоники:
Фаза комплексного сопротивления первой линии 5 третьей гармоники:
Аналогично для комплексного сопротивления второй линии 6:
где
- индуктивная часть комплексного сопротивления второй линии 6;
- полное комплексное сопротивление второй линии 6;
- фаза комплексного сопротивления второй линии 6.
Далее рассчитываются параметры линейной нагрузки первого потребителя 8. Активная и реактивная мощности определяются следующим образом:
где
- доля мощности первого потребителя по отношению к суммарной мощности всех потребителей системы.
Так как потребители электроэнергии традиционно замещаются параллельным соединением активного и реактивного сопротивления, то рассчитаем следующие значения:
где
- базовое напряжение, к которому приведены значения всех элементов системы,
- активное сопротивление линейной нагрузки первого потребителя 8;
- реактивное сопротивление линейной нагрузки первого потребителя 8.
Однако для дальнейших расчетов необходимо эквивалентировать параллельное соединение в последовательное
где
- эквивалентное активное сопротивление линейной нагрузки первого потребителя 8;
- эквивалентное реактивное сопротивление линейной нагрузки первого потребителя 8.
Для третьей гармоники:
Тогда
где
- эквивалентное полное сопротивление линейной нагрузки первого потребителя 8.
- фаза линейной нагрузки первого потребителя 8.
Аналогично рассчитываются параметры линейной нагрузки второго потребителя 10.
Где
- активное сопротивление линейной нагрузки второго потребителя 10;
- реактивное сопротивление линейной нагрузки второго потребителя 10;
- эквивалентное активное сопротивление линейной нагрузки второго потребителя 10;
- эквивалентное реактивное сопротивление линейной нагрузки второго потребителя 10;
- эквивалентное полное сопротивление линейной нагрузки второго потребителя 10;
- фаза линейной нагрузки второго потребителя 10.
Далее проводится расчет параметров, необходимых для определения коэффициентов , , , ,
где
Тогда, учитывая особенности действий над комплексными величинами, рассчитываются следующие значения по формулам (10)-(14):
;
;
;
;
.
Далее рассчитывается ток третьей гармоники нелинейной нагрузки первого потребителя 7.
где
- доля тока высших гармоник первого потребителя по отношению к суммарному току, генерируемому двумя потребителями;
- ток третьей гармоники, генерируемый первым потребителем.
Аналогично, ток третьей гармоники нелинейной нагрузки второго потребителя 9:
Учитывая все полученные значения, а также задавшись нулевой фазой токов, генерируемых потребителями, производится расчет по формулам (15)-(17):
Далее рассчитываются углы между векторами токов потребителей ,  и тока СЭС по формулам (1) и (2):
Затем определяются проекции амплитуд векторов ,  на амплитуду вектора  по формулам (3) и (4):
В итоге рассчитывается вклад первого и второго потребителя в искажения тока и напряжения в ТОП по выражениям (5) и (6):
Аналогично проведен расчет для других долей мощности первого потребителя по отношению к суммарной мощности всех потребителей системы и других долей тока высших гармоник первого потребителя по отношению к суммарному току, генерируемому двумя потребителями.
Результаты расчетов для третьей гармоники представлены на фиг. 2, где отображены значения вклада первого потребителя в искажения тока и, как следствие, напряжения в ТОП при различных генерируемых токах и мощностях потребителей.
Видно, что полученные значения практически не зависят от соотношения мощностей потребителей, при этом с высокой точностью соответствуют долям генерируемого тока на первом предприятии, что говорит о незначительных величинах токов высших гармоник, перетекающих между предприятиями и не попадающими в систему электроснабжения, а также о возможности применять предложенный способ при любых соотношениях мощностей потребителей.
Таким образом, разработанный способ оценки вклада нелинейных потребителей в искажение напряжения в ТОП позволяет определить долю участия каждого из потребителей, подключенных к ТОП в процентном соотношении, учитывая не только ток высших гармоник, генерируемый нелинейной нагрузкой потребителя, но и особенности структуры всей системы электроснабжения в целом.