Помощь студентам в учебе
Оптимизация потребления реактивной мощности
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 8
1.1. Характеристика электросетевого комплекса сетевых организаций 8
1.2 Технологические потери электроэнергии в распределительных сетях
сетевых организаций 13
1.3. Анализ мероприятий по снижению потерь электроэнергии в распределительных сетях 16
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 20
2.1. Влияние реактивной мощности на параметры распределительных сетей 6- 10 кВ 20
2.2 Анализ потребления реактивной мощности асинхронными двигателями и
трансформаторами 23
2.3 Анализ зависимости коэффициента реактивной мощности от
коэффициента загрузки асинхронных двигателей 25
2.4. Анализ зависимости коэффициента реактивной мощности от
коэффициента загрузки трансформаторов 30
2.5. Исследование влияния свойств электротехнической стали на потери
холостого хода трансформаторов 35
2.6. Анализ коэффициента загрузки силовых трансформаторов в
распределительной сети сетевой организации 38
2.7. Оценка эффективности организационных мероприятий по компенсации
реактивной мощности, потребляемой силовыми трансформаторами 41
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 47
3.1. Описание задачи оптимизации размещения компенсирующих устройств с позиции системного подхода 47
3.2. Формулировка задачи оптимизации размещения компенсирующих
устройств в распределительных сетях сетевых организаций 49
3.3. Выбор метода оптимизации размещения компенсирующих устройств в
распределительных сетях сетевых организаций 52
3.4. Оптимизация размещения компенсирующих устройств в
распределительных сетях сетевых организаций на основе метода неопределенных множителей Лагранжа 56
3.5. Способы размещения компенсирующих устройств в электрических
сетях 59
3.6. Разработка алгоритма оптимизации размещения компенсирующих устройств в распределительных сетях сетевых организаций на основе метода
неопределенных множителей Лагранжа 61
3.7. Использование пакета MATLAB Simulink для имитационного
моделирования электрических сетей 66
3.8. Разработка имитационной модели распределительной сети сетевой
организации 67
3.9. Оптимизация размещения компенсирующих устройств в
распределительной сети на стороне 6 кВ 75
3.10. Оптимизация размещения компенсирующих устройств в
распределительной сети на стороне 0,4 кВ 80
3.11. Оценка экономического эффекта результатов оптимизации размещения компенсирующих устройств в распределительной сети сетевой организации 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 93
1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 8
1.1. Характеристика электросетевого комплекса сетевых организаций 8
1.2 Технологические потери электроэнергии в распределительных сетях
сетевых организаций 13
1.3. Анализ мероприятий по снижению потерь электроэнергии в распределительных сетях 16
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 20
2.1. Влияние реактивной мощности на параметры распределительных сетей 6- 10 кВ 20
2.2 Анализ потребления реактивной мощности асинхронными двигателями и
трансформаторами 23
2.3 Анализ зависимости коэффициента реактивной мощности от
коэффициента загрузки асинхронных двигателей 25
2.4. Анализ зависимости коэффициента реактивной мощности от
коэффициента загрузки трансформаторов 30
2.5. Исследование влияния свойств электротехнической стали на потери
холостого хода трансформаторов 35
2.6. Анализ коэффициента загрузки силовых трансформаторов в
распределительной сети сетевой организации 38
2.7. Оценка эффективности организационных мероприятий по компенсации
реактивной мощности, потребляемой силовыми трансформаторами 41
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 47
3.1. Описание задачи оптимизации размещения компенсирующих устройств с позиции системного подхода 47
3.2. Формулировка задачи оптимизации размещения компенсирующих
устройств в распределительных сетях сетевых организаций 49
3.3. Выбор метода оптимизации размещения компенсирующих устройств в
распределительных сетях сетевых организаций 52
3.4. Оптимизация размещения компенсирующих устройств в
распределительных сетях сетевых организаций на основе метода неопределенных множителей Лагранжа 56
3.5. Способы размещения компенсирующих устройств в электрических
сетях 59
3.6. Разработка алгоритма оптимизации размещения компенсирующих устройств в распределительных сетях сетевых организаций на основе метода
неопределенных множителей Лагранжа 61
3.7. Использование пакета MATLAB Simulink для имитационного
моделирования электрических сетей 66
3.8. Разработка имитационной модели распределительной сети сетевой
организации 67
3.9. Оптимизация размещения компенсирующих устройств в
распределительной сети на стороне 6 кВ 75
3.10. Оптимизация размещения компенсирующих устройств в
распределительной сети на стороне 0,4 кВ 80
3.11. Оценка экономического эффекта результатов оптимизации размещения компенсирующих устройств в распределительной сети сетевой организации 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 93
Актуальность темы исследования. Энергосбережение, энергосберегающие технологии и повышение энергоэффективности являются важнейшим направлением в экономике Российской Федерации. Они входят в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в России [1]. Проблема энергосбережения и повышения энергоэффективности обусловлена высокой энергоемкостью валового внутреннего продукта (ВВП), которая в среднем 4 раза больше таких же показателей быстро прогрессирующих стран. Снижение энергоемкости ВВП на сегодняшний день является одной из важнейших задач, и это можно достичь за счет реализации потенциала энергосбережения в электросетевом комплексе.
За последние несколько лет возникло большое количество различных сетевых организаций, оказывающие услуги по передаче электрической энергии потребителям. При этом большинство этих организации отличается низкой энергоэффективностью, что выражается в высоких потерях электроэнергии в электрических сетях, а также в значительном износе сетевого оборудования.
Существенное влияние на потери электроэнергии в распределительных сетях 6-10 кВ (РС) оказывает протекающая по ним реактивная мощность, что в отдельных случаях приводит к потерям электроэнергии до 35%.Это в свою очередь влечет за собой уплату за сверхнормативные потери из прибыли сетевых организаций. Из этого следует, что энергосбережение и повышение энергоэффективности в РС сетевых организаций является актуальной задачей.
Цель работы заключается в оптимизации потребления реактивной мощности, а так же в снижении потерь электроэнергии в распределительных сетях сетевых организации (СО).
Задачи магистерской диссертации:
1. Провести анализ влияния реактивной мощности на пропускную способность, потери электроэнергии и потери напряжения в распределительных сетях сетевых организации.
2. Исследование потребления реактивной мощности в силовых трансформаторах и асинхронных двигателях.
3. Анализ существующих способов размещения компенсирующих устройств (КУ) в электрических сетях и выбрать наиболее подходящий способ их размещения в РС СО.
4. Разработать алгоритм оптимизации размещения КУ в РС СО.
5. Создание модели РС СО для оценки эффективности разработанного алгоритма.
Научная новизна магистерской диссертации заключается в следующем:
1. При изменении коэффициента реактивной мощности в РС СО, получены зависимости относительного изменения пропускной способности, потерь электроэнергии и потерь напряжения.
2. Выбраны необходимые диапазоны нагрузок, которые отличаются от принятых на практике меньшим критическим значением коэффициента загрузки, при которых целесообразно производить замену малонагруженных асинхронных двигателей и силовых трансформаторов.
3. Предложен алгоритм оптимизации размещения КУ в РС СО.
4. Разработана имитационная модель РС СО, отличающаяся от известных моделей возможностью осуществлять управление реактивной мощностью в сети в зависимости от коэффициентов загрузки силовых трансформаторов.
Практическая значимость магистерской диссертации состоит в разработке алгоритма оптимизации размещения компенсирующих устройств для управления потреблением реактивной мощностью, обеспечения снижения потерь электроэнергии в распределительных сетях сетевых организации.
Разработана имитационная модель РС СО, позволяющая производить выбор мощности и мест установки КУ в проектируемой и существующей электрической сети.
Степень достоверности научных положений подтверждается корректным применением известных теорий и методов, применением сертифицированных методик, пакетов программ, изделий и материалов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII международной научно - практической конференции «Современные тенденции развития науки и технологий» (г. Белгород, 2016), IV российской молодежной научной школы-конференции «Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи» (г. Томск, 2016), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «1ХКамские чтения» (г. Набережные Челны, 2017), XII международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия - 2017» (г. Иваново, 2017).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах.
Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 98 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунков и список литературы из 54 источников отечественных и зарубежных авторов.
За последние несколько лет возникло большое количество различных сетевых организаций, оказывающие услуги по передаче электрической энергии потребителям. При этом большинство этих организации отличается низкой энергоэффективностью, что выражается в высоких потерях электроэнергии в электрических сетях, а также в значительном износе сетевого оборудования.
Существенное влияние на потери электроэнергии в распределительных сетях 6-10 кВ (РС) оказывает протекающая по ним реактивная мощность, что в отдельных случаях приводит к потерям электроэнергии до 35%.Это в свою очередь влечет за собой уплату за сверхнормативные потери из прибыли сетевых организаций. Из этого следует, что энергосбережение и повышение энергоэффективности в РС сетевых организаций является актуальной задачей.
Цель работы заключается в оптимизации потребления реактивной мощности, а так же в снижении потерь электроэнергии в распределительных сетях сетевых организации (СО).
Задачи магистерской диссертации:
1. Провести анализ влияния реактивной мощности на пропускную способность, потери электроэнергии и потери напряжения в распределительных сетях сетевых организации.
2. Исследование потребления реактивной мощности в силовых трансформаторах и асинхронных двигателях.
3. Анализ существующих способов размещения компенсирующих устройств (КУ) в электрических сетях и выбрать наиболее подходящий способ их размещения в РС СО.
4. Разработать алгоритм оптимизации размещения КУ в РС СО.
5. Создание модели РС СО для оценки эффективности разработанного алгоритма.
Научная новизна магистерской диссертации заключается в следующем:
1. При изменении коэффициента реактивной мощности в РС СО, получены зависимости относительного изменения пропускной способности, потерь электроэнергии и потерь напряжения.
2. Выбраны необходимые диапазоны нагрузок, которые отличаются от принятых на практике меньшим критическим значением коэффициента загрузки, при которых целесообразно производить замену малонагруженных асинхронных двигателей и силовых трансформаторов.
3. Предложен алгоритм оптимизации размещения КУ в РС СО.
4. Разработана имитационная модель РС СО, отличающаяся от известных моделей возможностью осуществлять управление реактивной мощностью в сети в зависимости от коэффициентов загрузки силовых трансформаторов.
Практическая значимость магистерской диссертации состоит в разработке алгоритма оптимизации размещения компенсирующих устройств для управления потреблением реактивной мощностью, обеспечения снижения потерь электроэнергии в распределительных сетях сетевых организации.
Разработана имитационная модель РС СО, позволяющая производить выбор мощности и мест установки КУ в проектируемой и существующей электрической сети.
Степень достоверности научных положений подтверждается корректным применением известных теорий и методов, применением сертифицированных методик, пакетов программ, изделий и материалов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII международной научно - практической конференции «Современные тенденции развития науки и технологий» (г. Белгород, 2016), IV российской молодежной научной школы-конференции «Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи» (г. Томск, 2016), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «1ХКамские чтения» (г. Набережные Челны, 2017), XII международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия - 2017» (г. Иваново, 2017).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах.
Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 98 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунков и список литературы из 54 источников отечественных и зарубежных авторов.
В магистерской диссертации содержится решение актуальной задачи снижения потерь электроэнергии в РС СО и повышения их энергоэффективности при оптимизации потребления реактивной мощности, что имеет важное научно-практическое значение для электросетевого комплекса.
Основные результаты выполненного исследования заключаются в следующем:
1. Установлено, что в общей структуре технологических потерь электроэнергии в РС СО доля потерь, обусловленных передачей реактивной мощности по элементам сети, составляет 47 %.
2. Выявлено, что при увеличении коэффициента реактивной мощности относительные значения пропускной способности, потерь электроэнергии и потерь напряжения в РС СО изменяются в кубической зависимости. Так, при среднем значении tg9 = 0 ,6 пропускная способность РС СО снижается на 14%, потери электроэнергии увеличиваются на 26%, а потери напряжения - на 38%.
3. Установлено, что критические значения коэффициентов загрузки асинхронных двигателей и силовых трансформаторов, при которых происходит резкое увеличение относительной величины потребляемой ими реактивной мощности, зависят от их конструктивного исполнения и материала магнитопровода и имеют более низкие значения по сравнению с принятыми на практике. Так, для электродвигателей критическое значение составило кзкр = 0,3 вместо установленного £зкр= 0,45, для трансформаторов - Ркр = 0,2 вместо Ркр = 0,4.
4. Предложен алгоритм оптимизации размещения КУ на основе метода неопределенных множителей Лагранжа, позволяющий получать оптимальное распределение реактивных мощностей в РС СОс учетом предварительной оценки коэффициентов загрузки силовых трансформаторов с использованием зависимости tg9x =/(Р).
5. Разработана имитационная модель РС СО, позволяющая осуществлять управление реактивной мощностью в сети в зависимости от коэффициентов загрузки силовых трансформаторов.
6. Установлено, что при оптимизации размещения КУ на стороне 6 кВ потери в РС СО при среднем коэффициенте загрузки трансформаторов Р = 0,15 снизились на 15,7 %, при Р = 0,502 - на 3,3 %, на стороне 0 ,4 кВ потери при среднем коэффициенте загрузки трансформаторов Р = 0,15 уменьшились на 16,7 %, при Р = 0,502 - на 4,3 %.
Основные результаты выполненного исследования заключаются в следующем:
1. Установлено, что в общей структуре технологических потерь электроэнергии в РС СО доля потерь, обусловленных передачей реактивной мощности по элементам сети, составляет 47 %.
2. Выявлено, что при увеличении коэффициента реактивной мощности относительные значения пропускной способности, потерь электроэнергии и потерь напряжения в РС СО изменяются в кубической зависимости. Так, при среднем значении tg9 = 0 ,6 пропускная способность РС СО снижается на 14%, потери электроэнергии увеличиваются на 26%, а потери напряжения - на 38%.
3. Установлено, что критические значения коэффициентов загрузки асинхронных двигателей и силовых трансформаторов, при которых происходит резкое увеличение относительной величины потребляемой ими реактивной мощности, зависят от их конструктивного исполнения и материала магнитопровода и имеют более низкие значения по сравнению с принятыми на практике. Так, для электродвигателей критическое значение составило кзкр = 0,3 вместо установленного £зкр= 0,45, для трансформаторов - Ркр = 0,2 вместо Ркр = 0,4.
4. Предложен алгоритм оптимизации размещения КУ на основе метода неопределенных множителей Лагранжа, позволяющий получать оптимальное распределение реактивных мощностей в РС СОс учетом предварительной оценки коэффициентов загрузки силовых трансформаторов с использованием зависимости tg9x =/(Р).
5. Разработана имитационная модель РС СО, позволяющая осуществлять управление реактивной мощностью в сети в зависимости от коэффициентов загрузки силовых трансформаторов.
6. Установлено, что при оптимизации размещения КУ на стороне 6 кВ потери в РС СО при среднем коэффициенте загрузки трансформаторов Р = 0,15 снизились на 15,7 %, при Р = 0,502 - на 3,3 %, на стороне 0 ,4 кВ потери при среднем коэффициенте загрузки трансформаторов Р = 0,15 уменьшились на 16,7 %, при Р = 0,502 - на 4,3 %.