Определение уровней качества электроэнергии

Определение уровней качества электроэнергии и простейший подход к диверсификации потребителей по требованиям к качеству электроэнергии

В условиях децентрализации энергосистем и необходимости разделения потребителей на отдельные категории в зависимости от требуемой цены и качества электроэнергии уделяется много внимания обеспечению заданного качества электроэнергии на конкретных нагрузках. Одной из функций «гибкой, надёжной и интеллектуальной системы энергоснабжения» является диверсификация потребителей по требуемому качеству электроэнергии. Она необходима для контроля качества электроэнергии при построении аппаратной части «центра управления качеством», которая встраивается в систему распределения электроэнергии для предоставления потребителям нескольких уровней ее качества, которое, в свою очередь, может оцениваться по различным критериям. Далее рассмотрим один из методов контроля качества электроэнергии, который предполагает 3 уровня качества: наивысшее, высокое и нормальное качество. Также вашему вниманию в данном материале будет конфигурация экспериментального устройства центра управления качеством электроэнергии для однофазной нагрузки.

Что такое качество электроэнергии?

Термин «качество электроэнергии» в МЭК определяется как набор параметров, определяющих параметры качества электроэнергии, доставляемой потребителю в нормальных условиях работы, с точки зрения бесперебойности и характеристик напряжения (симметрии, частоты, амплитуды, формы). В стандарте IEEE Std. 1100-1999 качество электроэнергии определяется как «реализация питания и заземления электронного оборудования способом, который обеспечивает нормальную работу этого оборудования и совместим с электрической сетью и другим подключенным оборудованием».

Как следует из этих определений, понятие «качество электроэнергии» включает в себя все аспекты энергоснабжения. Составляющие качества электроэнергии могут быть разделены на 3 категории: стабильность напряжения, бесперебойность подачи питания и форма напряжения. На основании этой классификации определены два критерия оценки качества электроэнергии и соответствующие конфигурации центра управления качеством. Первый из них предполагает большую важность стабильности амплитуды напряжения, то есть предотвращение провалов и выбросов напряжения, повышенного и пониженного напряжения. Второй критерий предполагает наибольшую важность бесперебойности электроснабжения.

Основные аспекты качества электроэнергии

Основные аспекты качества электроэнергии показаны в таблице 1. За основу этой классификации взята величина энергии, необходимой центру управления качеством для компенсации возмущений. Стабильность напряжения, за исключением отклонения частоты, может быть достигнута при использовании силовых электронных устройств, трансформаторов и небольшого накопителя энергии. С другой стороны, для поддержания непрерывности энергоснабжения требуется большой накопитель энергии и/или распределённый генератор. Для компенсации искажений формы напряжения необходим совсем небольшой накопитель энергии. Определение каждого события в таблице 1 показано на рис. 1, который взят из стандарта IEEE Std. 1159-1995.

Уровни качества электроэнергии для «диверсифицированной» системы управления качеством электроэнергии определены на основании классификации, приведённой в таблице 1. Для определения уровня качества рассматриваются 3 уровня качества - это нормальное, высокое и наивысшее качество. Провалы напряжения, которые появляются при коммутациях тиристорных выпрямителей, и отклонения частоты не принимались во внимание из-за особой природы этих событий. Отклонения частоты должны компенсироваться на более высоком уровне сети. Провалы напряжения необходимо устранять применением реакторов или трансформаторов на входе тиристорных выпрямителей.

Таблица 1. Аспекты качества электроэнергии

Рис. 1. Определения событий по IEEE Std.l159-1995

В таблице 2 показаны требования к качеству энергии для случая, когда компенсация кратковременных просадок и выбросов напряжения более важна, чем компенсация перебоев питания. Соответствующая конфигурация центра управления качеством показана на рис. 2. В таблице 2 знак «О» означает, что соответствующее возмущение полностью компенсируется, знак «Δ» означает, что соответствующее возмущение может компенсироваться не всегда, а знак «Х» означает, что соответствующее возмущение не компенсируется.

Центры управления качеством имеют систему АВР для уменьшения потерь в сети, кратковременных просадок и выбросов напряжения, и компенсации перебоев в питании. Некоторые возмущения в системе эффективно устраняются с помощью АВР, но если нарушения присутствуют на обеих линиях, питающих один и тот же участок, качество электроэнергии с помощью АВР улучшить невозможно. Понижения напряжения и перенапряжения могут быть компенсированы с помощью обычных трансформаторов с переключением ответвлений. От воздействия переходных процессов можно избавиться установкой разрядников на входе центра управления качеством. В линии высокого качества кратковременные просадки, выбросы напряжения и фазовые сдвиги, которые иногда возникают одновременно с кратковременной просадкой напряжения, могут быть компенсированы устройством, регулирующим напряжение, например динамическим устройством восстановления напряжения (ДВН). Но, как и прерывания, они не могут быть компенсированы, если нарушение происходит на обеих линиях, подходящих к центру управления качеством. Провалы также могут компенсироваться с помощью ДВН. Хотя трёхфазная асимметрия и гармоники напряжения также могут быть компенсированы ДВН с высокой частотой переключения, этот способ не рассматривался из-за высоких потерь при переключениях. В линии наивысшего качества прерывания компенсируются при помощи источника бесперебойного питания (ИБП). ИБП параллельного типа применим для уменьшения потерь энергии преобразователей. Также могут компенсироваться длительные перерывы в питании, если на стороне постоянного тока ИБП установлен автономный генератор (АГ), то есть микротурбинные установки или топливные элементы. Также с помощью ИБП с более высокой частотой переключения могут компенсироваться гармоники тока и трёхфазная асимметрия тока, возникающие из-за нагрузки. Однако гармоники тока и трёхфазная асимметрия тока, возникающие на стороне источника, не могут быть скомпенсированы ИБП параллельного типа.

На рис. 2 показана конфигурация центра управления качеством, соответствующая требованиям к качеству электроэнергии (1), приведённым в таблице 2. В этой конфигурации для повышения надёжности и снижения цены приняты две линии на стороне высокого напряжения и одна линия на стороне низкого напряжения. В качестве переключателей АВР на стороне высокого напряжения и изолирующего выключателя на линии наивысшего качества для снижения потерь используются гибридные выключатели с механическими контактами и полупроводниковыми ключами.

Таблица 2. Определение качества электроэнергии (1)

Вместо ДВН может использоваться компенсатор реактивной мощности параллельного типа. В этом случае могут компенсироваться токи гармоник и трёхфазная асимметрия токов, возникающие из-за нагрузки, но глубокие кратковременные просадки напряжения не могут быть скомпенсированы. На рис. 3 показана конфигурация центра управления качеством, соответствующая требованиям к качеству электроэнергии (1*), приведённым в таблице 3. Если на стороне нагрузки линии высокого качества подключены «грязные» нагрузки, являющиеся причиной возникновения гармоник и асимметрии, эта конфигурация подходит лучше, чем конфигурация, показанная на рис. 2.

Таблица 3. Определение качества электроэнергии (1*)

В таблице 4 показаны требования к уровню качества электроэнергии, когда вместо ИБП параллельного типа используется ИБП последовательного типа с выпрямителем и преобразователем (см. рис. 4). В этом случае могут быть компенсированы трёхфазная асимметрия и гармоники напряжения как возникающие из-за нагрузки, так и имеющиеся на стороне источника. Однако при этом потери в ИБП будут больше, чем в случае ИБП параллельного типа, показанного на рис. 2 и 3.

Таблица 4. Определение качества электроэнергии (1**)

В таблице 5 показаны требования к уровню качества электроэнергии для случая, когда компенсация прерываний более важна, чем компенсация кратковременных просадок и выбросов напряжения. Соответствующая конфигурация центра управления качеством показана на рис. 5 В этой схеме применён ИБП последовательного типа. Преобразователь ИБП обычно работает в режиме выпрямителя, он переключается в режим преобразователя при отсутствии напряжения на обеих линиях, подходящих к центру управления качеством. При изменении режима выпрямителя ИБП имеет место нарушение непрерывности огибающей напряжения. При изменении режима работы преобразователя выключатель на подходящей линии высокого качества и линии наивысшего качества разомкнут. Длительные перерывы в линиях высокого и наивысшего качества компенсируются, если на стороне постоянного тока ИБП установлен автономный генератор.

Определение качества электроэнергии (2)

Если нет необходимости компенсации трёхфазной асимметрии и гармоник (таблица 6), конфигурация центра управления качеством проще (см. рис. 6). Она содержит АГ, ДВН и изолирующий выключатель.

Таблица 6. Определение качества электроэнергии (2*)

Характеристики отдельного источника питания системы качества электроэнергии для трехфазной 4-проводной системы переменного тока

Простейшая схема, позволяющая получить различные уровни качества электроэнергии для однофазной нагрузки, показана на рис. 7. Система может выдавать 3 уровня качества электроэнергии на однофазную нагрузку при использовании трёхфазной 4-проводной системы переменного тока, одного преобразователя и аккумуляторных батарей. Этот центр управления качеством подобен изображённому на рис. 3 и является его однофазной версией. Устройство имеет несколько рабочих режимов.

Обычный режим работы. Система компенсирует трёхфазную асимметрию и гармоники напряжения, возникающие из-за нагрузки, а также токи гармоник нагрузки. Если имеется обратная мощность, генерируемая на стороне нагрузки, она накапливается в аккумуляторной батарее.

Режим компенсации кратковременных просадок напряжения. Кратковременные просадки напряжения в линиях наивысшего и высокого качества компенсируются добавлением реактивной мощности от преобразователя. Кратковременные просадки напряжения в линии нормального качества не компенсируются. Номинальный ток линии нормального качества может быть меньше, чем для других фаз, потому что эта линия не должна обеспечивать реактивный ток для компенсации кратковременных просадок напряжения.

Режим ИБП. Во время работы ИБП работает только линия наивысшего качества преобразователя, транзисторы двух других фаз закрыты. Преобразователь действует как ИБП параллельного типа, и энергия поступает от аккумуляторной батареи.

Таблица 7. Определение качества электроэнергии для центра управления качеством рис. 7

Подробная конфигурация экспериментального устройства приведена на рис. 8. Основными компонентами конфигурации являются трёхфазный преобразователь, аккумуляторные батареи и тиристорный ключ в фазе с энергией наивысшего качества. В качестве контроллера, показанного на рис. 8, используется цифровой сигнальный процессор ЦСП. В обычном рабочем режиме трёхфазный ток преобразуется в координаты d-q. Измеряются и компенсируются обратная последовательность, нулевая последовательность и компоненты гармоник токов нагрузки. В режиме компенсации кратковременных просадок напряжения реактивная мощность для компенсации напряжения подаётся в фазы А и В. В режиме ИБП преобразователь становится обычным источником напряжения и работает только одна фаза А.

На рис. 9 показана компенсация асимметрии тока и симметрия вторичного тока. К линиям наивысшего и высокого качества подключена активная нагрузка 2,3 кВт, к линии нормального качества подключена активная нагрузка 1,3 кВт. Коэффициент асимметрии тока после компенсации – 4,0%. На рис. 10 показана компенсация кратковременных просадок напряжения на линиях наивысшего и высокого качества.

На рис. 11 показаны экспериментальные результаты работы ИБП. Время прерывания питания равно 200 мс. Отсутствие трёхфазного напряжения на первичной стороне компенсируется только в фазе А. Вся энергия на нагрузку фазы А поступает от батареи.

На рис. 12 показана обработка потока обратной мощности от нагрузок, генерирующих электроэнергию (распределенного генератора). Для моделирования распределённого генератора использовался источник тока. К фазам А и В подключена активная нагрузка 1 кВА. К фазе С подключен источник синусоидального тока 50 А (амплитуда) со сдвигом фазы относительно напряжения на 180º. Мощность распределённого генератора больше мощности нагрузок, подключенных к фазам А и В, поэтому будет поток обратной мощности, если не будут приняты меры для его блокирования. Нулевой вторичный ток на рис. 12 свидетельствует о том, что поток обратной мощности отключен от центра управления качеством и заряжает аккумуляторную батарею.

Для системы электроснабжения с разделением потребителей по требованиям к качеству электроэнергии важно определение уровней качества электроэнергии. Аспекты качества электроэнергии, как мы убедились, делятся на 3 категории: стабильность напряжения, бесперебойность подачи питания и форма напряжения. Согласно трем категориям были рассмотрены примеры определения уровня качества и показаны соответствующие конфигурации центра управления качеством.