Анализ гармонического состава напряжения питающей сети высоковольтного частотно регулируемого синхронного электродвигателя в.И. Бабакин

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа)

Технологические процессы транспорта углеводородного сырья характеризуются высокой энергоёмкостью. В подавляющем большинстве случаев электроприводы технологических установок транспорта углеводородного сырья являются нерегулируемыми, что не обеспечивает режим рационального электропотребления. Выбранные по максимуму про–изводительности рабочие машины этих установок могут значительную часть времени работать с нагрузкой меньшей чем номинальная и, как следствие с превышением удельного расхода энергии на транспорт перекачиваемого сырья.

При использовании частотно–регулируемого электропривода может быть достигнута значительная экономия электроэнергии. При этом энергосберегающий эффект будет тем выше, чем больше неравномерность графика потребления нефти и нефтепродуктов. Помимо энергосбережения применение частотно–регулируемого электропривода обеспечивает ресурсосберегающий эффект за счёт уменьшения утечек перекачиваемого вещества через уплотнения, увеличения межремонтных периодов перекачивающих агрегатов и запорной арматуры, функционирующих в щадящих режимах а также значительно более точное соблюдение технологического режима

Прогресс в области силовой преобразовательной техники привёл к широкому внедрению мощных вентильных преобразователей, которые потребляют из сети ток, кривая которого оказывается несинусоидальной, в результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения сети (несинусоидальные режимы),которые неблагоприятно сказываются на работе силового электрооборудования, систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Возникающие в результате воздействия высших гармоник экономические ущербы обусловлены, главным образом, ухудшением энергетических показателей, снижением надёжности функционирования электрических сетей и сокращением срока службы электрооборудования [2].

Качество электроэнергии регламентирует ГОСТ 13109–97 «Качество электрической энергии. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Нормы качества электроэнергии, устанавливаемые настоящим стандартом, являются уровнями электромагнитной совместимости для кондуктивных электромагнитных помех в сис–темах электроснабжения общего назначения.

Безопасная и устойчивая эксплуатация магистральных нефтепроводов и трубопроводных систем невозможна сегодня без математического моделирования процесса перекачки нефти. С его помощью определяются оптимальные режимы эксплуатации магистральных нефтепродуктопроводов (МН) и технологического оборудования, параметры оборудования, разрабатываются системы защиты, формулируются принципы технологического управления.

Для того чтобы проанализировать влияние высоковольтного частотно-регулируемого синхронного электропривода с автономным инвертором напряжения( АИН) с различным числом фаз на питающую электрическую сеть, в статье используется модель электроснабжения в пакете SimPowerSystems.

Модель для анализа влияния частотно–регулируемого электропривода на питающую сеть представлена на рисунке 1.

В модели выделены две основные части:

1 система электроснабжения, включающая источник питания, воздушную линию электропередачи и понижающий силовой трансформатор.

2 электромеханическая система, включающая преобразователь частоты и электропривод магистрального насосного агрегата.

Модель источника питания Three–Phase Source имитирует вторичную обмотку трансформатора на подстанции энергосистемы, от которого по воздушной линии Line получает питание трансформатор главной понизительной подстанции (ГПП) Three–Phase Transformer.

Мощность в кВт, необходимая для привода магистрального насосного агрегата оп–ределяется по выражению:

где Q – расход, м³/с;

Н – напор, м;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

ρ – плотность перекачиваемой нефти, кг/м³;

η – КПД насоса.

Модель насоса относительно мощности, которая необходима электроприводу на валу, для вращения насоса представлена на рисунке 2.

Модель системы управления силовыми ключами инвертора представлена на рисунке 3.

Рисунок 1 – Модель электроснабжения и высоковольтного частотно–регулируемого синхронного электропривода высоковольтного частотно–регулируемого синхронного электропривода магистрального насосного агрегата

Рисунок 2 – Модель насоса относительно мощности (подсистема MNA)

Рисунок 3 – Система управления ключами инвертора

На рисунках 4 и 5 представлены осциллограммы токов трёхфазной обмотки ста–тора и угловой скорости ротора двигателя снятые с помощью осциллографа Scope2.

Рисунок 4 – Осциллограмма угловой скорости

Рисунок 5 – Осциллограммы токов статора в установившимся режиме

С помощью осциллографа Scope1 получены осциллограммы напряжений в системе электроснабжения, представленные на рисунке 6. На верхней осциллограмме представлено напряжение на подстанции энергосистемы, от которой получает пита–ние потребитель (ГПП НПС), на нижней осциллограмме представлено напряжение на вводе 110 кВ ГПП.

Для проведения анализа гармонического состава предусмотрено выведение исследуемых сигналов (линейных напряжений между фазами А и В на подстанции энергосистемы и на вводе 110 кВ ГПП потребителя) в рабочую область MATLAB. Это выполняется с помощью блока ToWorkspace. После окончания процесса расчёта модели в стандартном блоке Powergui выбирается FFTAnalysis (быстрое преобразование Фурье), с помощью которого производится анализ гармонического состава.

Рисунок 6 Осциллограммы напряжений в системе электроснабжения

На рисунках 7 и 8 представлены гистограммы амплитуд напряжений на подстанции энергосистемы и на вводе в головную понизительную подстанцию (ГПП) в % относительно амплитуды первой гармоники.

Рисунок 7 – Гармонический состав напряжения на подстанции энергосистемы

Коэффициент несинусоидальности (THD) = 1,02%

Рисунок 8– Гармонический состав напряжения на вводе 110 кВ ГПП

Коэффициент THD = 5,25%.

Проанализировав полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

Многофазные схемы обеспечивают взаимную компенсацию на шинах источника высших гармоник, не характерных для многофазного режима. Так, при 12–фаз–ной схеме компенсируются 5, 7, 17 и 19–я высшие гармоники.

В большинстве случаев 12–фазный режим реализуется на базе двух одинаковых 6–фазных преобразователей при соединении одной обмотки трансформатора в звезду, другой – в треугольник.

Векторы 5–й гармоники образуют симметричную систему обратной последовательности; следовательно, относительно векторов напряжения основной частоты, равной 6ω, где ω – круговая частота сети. Векторы 7–й гармоники образуют систему прямой последовательности и вращаются в ту же сторону, что и векторы напряжения питающей системы; частота вращения векторов тока гармоник, относительно той же системы векторов напряжения также составит 6ω.

При соединении обмоток трансформатора в звезду и треугольник сдвиг по фазе между векторами напряжений составляет 30°, следовательно, векторы высших гармоник одноимённых фаз, сдвинутые на угол 30∙6 = 180°, окажутся в противофазе и будут взаимно компенсироваться на шинах подстанции. В равной мере это относится к 17–й и 19–й гармоникам [2].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Великий С.Н., Ершов М.С., Яризов А.Д. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике нефтегазовой промышленности. – М.:ООО «Недра–Бизнесцентр», 2007. – 478 с. ил.

2. Жежеленко И.В., Высшие гармоники в системах промышленного электроснабже–ния промпредприятий. –2–е изд., перераб. и доп.–М.: Энергоатомиздат, 1984.–160 с., ил.

3. Правила устройств электроустановок. – 6-е изд. – М.: Главэнергонадзор, 1998.

4 Г.Г. Соколовский. Электроприводы переменного тока с частотным регули–рованием. М., Академия, 2006. – 259 с. с ил.

5 Гармоники в электрических системах: Пер. с англ./ Дж. Арриллага, Д. Брэдли, П. Боджер. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 320 с. ил.

УДК 622.691.4.4.052.012