ИССЛЕДОВАНИЕ НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ, МЕТОДОВ РАСЧЕТА, АНАЛИЗА И ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕРГАРМОНИК В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Калимуллин А.Т.¹, Лесков И.А.², Грабовецкая К.А.³, Онищенко Р.А.⁴, Морозов П.В.⁵

¹Аспирант, ассистент кафедры Электроснабжение промышленных предприятий, ²студент 2 курса, Факультет элитного образования и магистратуры, ³студент 1 курса, Факультет элитного образования и магистратуры, ⁴студент 2 курса, Энергетический факультет, ⁵студент 1 курса, Факультет элитного образования и магистратуры,

Омский Государственный Технический Университет, Омск, РФ.

ИССЛЕДОВАНИЕ НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ, МЕТОДОВ РАСЧЕТА, АНАЛИЗА И ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕРГАРМОНИК В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Аннотация

Понятие качества электрической энергии базируется на принятых установленных значениях ее параметров: частоты, напряжения, формы кривой. Отклонение от нормативных значений этих параметров влечет за собой изменение регламентированного режима работы приемников электроэнергии, что сказывается на производительности производств, качестве продукции, сроке службы оборудования, подключенного к электросети. Существенное повышение стандартов качества электроэнергии напрямую связано с бурным развитием IT-отрасли. Компьютерное оборудование должно надежно защищаться от помех, провалов напряжения, высокочастотных шумов колебаний, искажения формы кривой напряжения. Все это вызывает сбои при коммуникации оборудовании и передаче данных. Именно поэтому вопросы, касающиеся анализа и измерения интергармоник в СЭС актуальны.

Ключевые слова: качество электроэнергии, гармоники, интергармоники, амплитудный спектр тока.

Kalimullin A.T.¹, Leskov I.A.², Grabovetskaya K.A.³, Onishchenko R.A.⁴, Morozov P.V.⁵

¹Postgraduate student, Assistant of the Department of Electric Power Supply of Industrial Enterprises, ²Second year student, Faculty of Elite Education and Magistracy, ³First year student, Faculty of Elite Education and Magistracy, ⁴Second year student, Energy Faculty, ⁵First year student, Faculty of Elite Education and Magistracy,

 Omsk State Technical University, Omsk, Russian Federation.

INVESTIGATION OF NORMATIVE BASE, METHODS OF CALCULATION, ANALYSIS AND MEASUREMENT OF INTERHARMONICS IN ELECTRICAL SUPPLY SYSTEMS

Abstract

The concept of the quality of electrical energy is based on the accepted set values of its parameters: frequency, voltage, shape of a curve. The deviation from the normative values of these parameters entails a change in the regulated mode of operation of the receivers of electricity, which affects the productivity of production, the quality of the products, the service life of equipment connected to the power grid. A significant increase in the quality standards for electricity is directly related to the rapid development of the IT industry. Computer equipment must be reliably protected from interference, voltage dips, high-frequency noise, distortion of the shape of the voltage curve. All this causes malfunctions in communication equipment and data transmission. That is why the questions concerning the analysis and measurement of interharmonics in HIS are relevant.

Keywords: quality of electric power, harmonics, interharmonics, amplitude spectrum of current.

Интергармоники – относительно новый показатель качества электрической энергии. В Европе он был официально введен стандартом EN 50160, выпущенном в 1994 году. На сегодняшний день в большинстве стран мира нормирование интергармоник не является обязательным, а нормативы и стандарты, разработанные для этого показателя, носят рекомендательный характер. Это связано с тем, что природа и методы анализа интергармоник все еще являются новыми видами исследований, по отношению к которым отмечается повышенный интерес со стороны ученых и технических специалистов.

Наиболее точные и согласованные требования к показателям качества электроэнергии, включая интергармоники, были выработаны Международной электротехнической комиссией. Исследование данной темы позволяет успешно решать задачу электромагнитной совместимости, а именно задачи, связанные с теорией и практикой несинусоидальных режимов, обусловленных наличием таких оставляющих в кривых тока и напряжения, как высшие гармоники, субгармоники и интергармоники [1, С. 230].

Цель данной работы является рассмотрение вопросов нормирования, моделирования и расчета высших гармоник и интергармоник, выявление источников  и причин возникновения интергармоник в промышленных предприятиях. А также приведение наиболее энергетически эффективных методов моделирования и расчета интергармоник в электроэнергетических сетях России.

Задачей, решаемой в данной работе, является предложение наиболее эффективных методов расчета интергармоник, основанных на спектрально-корреляционной теории для случайных процессов и метод дискретного преобразования Фурье, а также методы устранения высших гармоник с помощью активных фильтров и фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ).

В данное время известно большое количество работ, касаемо темы анализа, расчета и минимизации высших гармоник (Шидловский А.К., Жежеленко И.В., Куренный Э.Г., Кузнецов В.Г., и др.). За рубежом данной проблеме также уделяется большое внимание (Аррилага Д., Бредли Д., Боджер П. и др.).

Несомненная актуальность данной темы заключается в том, что интергармоники могут появляться на любом уровне напряжения, перетекать из одной части энергосистемы в другую, оказывают деформирующее действие на кривые токов, что в свою очередь ведет к электрическим потерям в этой сети.

Интергармоники в стандартах качества электроэнергии

Согласно [1, С. 233], интергармоники представляют собой составляющие частот, которые не являются по своему значению кратными частотам электрической сети. Математическое описание этого определения выглядит следующим образом (показатель ƒ₁ представляет частоту питающей сети):

Гармоника: ƒ=h ƒ₁, где h>0 (h – целое число).

Интергармоника: ƒ≠h ƒ₁, где h>0 (h – целое число).

Субгармоника: 0 Гц< ƒ < ƒ₁

Из приведенной математической модели видно, что интергамоники в частотном спектре располагаются между высшими гармониками, а также между постоянной составляющей и основной гармоникой. С этой точки зрения субгармоники представляют собой частный случай интергармоник.

Согласно [2, С. 2] несинусоидальность характеризуется следующими показателями:

– коэффициент искажения несинусоидальности напряжения;

– коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения,

Которые оцениваются по 40 гармоникам.

В стандартах качества электрической энергии показатели величин интергармоник стали появляться относительно недавно. На сегодняшний день в России и за рубежом разработано несколько документов, нормирующих данный показатель качества электрической энергии:

• МЭК 61000-4-30:2008, второе издание (Международный стандарт).
• МЭК 61000-4-7: 2002, второе издание (Международный стандарт).

В Российской Федерации основным документом, определяющим требования к показателям качества электроэнергии, включая связанные с интергармоническими составляющими, является ГОСТ Р 51317.4.30–2008. В этом государственном стандарте прописаны основные требования к процессу измерения показателей качества электрической энергии: контроль продолжительности измерений, объединение полученных результатов во времени.

Основная сложность определения интергармоник связана с нестабильностью их величины и частоты. Для нормирования таких показателей применяются коэффициенты искажения синусоидальной формы напряжения и n-ой гармоники. Для того чтобы получить достоверные данные применяют не меньше 9 наблюдений, после чего выполняют усреднение полученных данных. Коэффициенты искажения определяются по формулам [3, С. 171]:

                                                                (1)

                                    (2)

Для нормирования качества электрической энергии по показателю несинусоидальности проводят измерения в течение 24 часов. Если наибольшее из полученных коэффициентов несинусоидальности не превышает заданного предельно допустимого для конкретной гармонической составляющей.

Несинусоидальность напряжения во всех стандартах оценивается по коэффициентам искажения синусоидальности напряжения и n-ой гармонической составляющей [4, С. 2337].

Электроприемники, являющиеся источниками интергармоник

Интергармоники появляются в результате действия двух различных механизмов:

1. Возникновение дополнительных составляющих частот в сетевом напряжении из-за изменения амплитуды или фазового угла. Причина таких явлений – резкое изменение величины тока, потребляемого оборудованием, в результате чего появляются возмущения переходных режимов случайного характера.
2. Появление интергармонических составляющих напряжения из-за переключения полупроводниковых устройств, которые являются частью статических преобразователей. Яркий пример этого механизма – приборы частотно-импульсной модуляции или преобразователи частоты, которые являются причиной появления интергармоник в любой части спектра питающей сети.

Интергармоники могут появляться на любом уровне напряжения, перетекать из одной части энергосистемы в другую. Так, интергармонические составляющие, которые появились в сети высокого напряжения, могут появиться и в низковольтной сети. Амплитуда этих составляющих практически никогда не превышает 0,5% от амплитуды колебаний основной частоты.

В [3, С. 134] перечислены основные источники интергармоник: статические частотные преобразователи, циклоконвертеры, регулируемые приводы скорости для синхронных и индукционных двигателей, каскады подсинхронных преобразователей дуговые печи и другие типы нагрузок, которые не создают пульсаций, синхронных с основной частотой.

        В отечественных источниках в качестве основной причины появления интергармоник указываются циклоконвертеры, которые представляют собой преобразователи частоты статического типа. Сетевой ток для циклоконвертера описывается следующим образом:

                                                          (3)

где p₁ характеризует количество пульсаций на входе устройства;

p₂ – количество пульсаций на выходе;

ƒ₁ и ƒ₂ – входная и выходная частота, соответственно.

Рис. 1 – Амплитудный спектр входного тока, характерный для циклоконвертера согласно (3)

Рис. 2 – Амплитудный спектр входного тока, характерный для печи ДСП согласно (3)

Еще один распространенный источник интергармоник – устройства, предусматривающие горение дуги. Из-за нелинейной вольт-амперной характеристики дуговые сварочные аппараты и ДСП становятся причиной появления колебаний, искажающих форму напряжения в сети. Искажения такого рода характеризуются случайным появлением.

Еще один источник интергармоник – асинхронные двигатели. Такие двигатели с короткозамкнутым ротором, подключение которых выполняется через асинхронные преобразователи, генерируют интергармоники, снижающие качество электрической энергии.

В качестве промежуточного вывода можно отметить, что основными источниками интергармоник выступает нагрузка, которая постоянно или в короткие периоды времени работают в переходных режимах. Эти режимы могут описываться периодичностью или носить случайный характер.

Негативное влияние интергармоник на системы электроснабжения. Методы устранения интергармоник

Согласно [5, С. 332], интергармоники оказывают деформирующее действие на кривые токов в электросистемах промпредприятий. Искажение формы кривой тока и напряжения повышает электрические потери в этой сети. На рис. 3 приведена энергетическая диаграмма, которая описывает распределение активной составляющей мощности в случае, когда к сети подключена нелинейная нагрузка.

Рис. 3 – Энергетическая диаграмма для сети с нелинейной нагрузкой

Из-за появления высших гармоник и интергармоник отмечается снижение эффективности распределения электроэнергии, увеличение нагрева оборудования, уменьшение нормативного срока службы изоляции электрооборудования.

Другие негативные последствия появления интергармонических составляющих напряжения и тока:

• мерцание светового потока, который называется флинкером и вызывается наложением интергармоники на основную гармонику питающей сети;
• помехи в прохождении управляющих сигналов, которые передаются по низкочастотным линиям;
• перегрузка полосовых или резонансных фильтров, установленных в сети.

Как показывает практика, влияние интергармоник на электрическую сеть аналогично воздействию высших гармоник. При этом нормативные документы и стандарты на сегодняшний день не предусматривают требований оценки несинусоидальности напряжений. Данный вопрос требует дальнейшего изучения и четкого регламентирования. При этом основная задача такой работы – снижение уровня интергармоник в энергосистемах для повышения качества электрической энергии.

На сегодняшний день методы устранения интергармоник аналогичны методам, применяемым для устранения влияния высших гармоник в электросетях. В первую очередь, сюда относятся силовые резонансные фильтры или ФКУ (фильтро-компенсирующие устройства, которые являются неотъемлемой частью быстродействующих статических компенсаторов) [6, С. 3]. Сложность в использовании таких фильтров состоит в значительной установленной мощности и необходимости использовать несколько таких устройств одновременно. Еще одна сложность – неэффективность использования ФКУ при сложном характере амплитудного спектра.

Еще один способ устранения интергармонических составляющих спектра – установка активных фильтров (АФ). Эти устройства представляют собой источники реактивного тока по основной гармонике и токов высоких гармоник и интергармоник. То есть, АФ осуществляют не устранение, а компенсацию составляющих спектра, снижающих качество электрической энергии. На рис. 4 приведена схема включения параллельного и последовательного включения АФ [7, С. 47].

Рис. 4 – Схема включения параллельного (а) и продольного (б) АФ

В [8, С. 143] приведена оценка метода дискретного преобразования Фурье, который рекомендован для контроля параметров интергармоник в ГОСТ Р 51317.4.30-2008. Для его реализации используется прямоугольное временное окно на 10 циклов по основной частоте 50 Гц. Погрешности в контроле интергармоник могут быть вызваны несовпадением длительности выбранного окна с длительностью сигнала контролируемых частот. Разложение графика случайных изменений тока или напряжения по этому методу позволяет оценить энергию интергармоник и вывести огибающую амплитудного спектра для этих частот. Однако эта методика не дает представления о величинах интергармоник, так как их определение зависит от выбранного шага дискретизации.

Еще один метод для моделирования и расчета интергармоник приведен в [9, С. 89], [10, С. 203]. Он представляет собой методику, основанную на спектрально-корреляционной теории для случайных процессов. Она позволяет оценить уровень интергармоник в кривых напряжения в выбранных узлах энергосистемы. Он эффективно работает при наличии нескольких источников интергармоник в электрической сети.

Необходимо иметь в виду, что при расчетах показателей несинусоидальности параметров сети сплошной спектр интергармоник случайного характера допускается не учитывать. Это связано с тем, что уровни напряжений интергармоник в сетях промышленных предприятий составляют менее 10% от уровня высших гармоник.

Заключение

В качестве вывода следует указать, что для основных источников интергармоник (ДСП, сварочные установки) на долю энергии дискретного спектра интергармоник приходится 10-25% всей энергии смешанного спектра. Это может оказаться существенным для управляющих и компьютерных сетей и вызвать ощутимые сбои в работе технологического оборудования, следовательно, решение и исследование вопросов данной тематики является актуальным.

Так же следует отметить, что в приведенном методе моделирования и расчета интергармоник относительная погрешность алгоритма оценки спектральных составляющих при изменении частоты основной гармоники – наименьшая, но она наиболее чувствительна к разного рода возмущениям сигнала.

Научная новизна рассмотренных методов расчета и моделирования высших гармоник и интергармоник заключается в необходимости учета фактической несинусоидальной формы тока нагрузки при их анализе и расчете, а также установки активных фильтров и ФКУ. Алгоритм выбора ФКУ интергармоник настраиваемых на относительные частоты менее 3,5 Гц, подробно показан автором в работе [3 С. 116]. Основными источниками интергармоник выступает нагрузка, которая постоянно или в короткие периоды времени работают в переходных режимах, что следует учитывать при расчете ВГ.

Список литературы / References

1. Жежеленко, И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И.В. Жежеленко. – М.: Энергоатомиздат, 2000. – 331 с.
2. ГОСТ 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Электронный ресурс] // URL: http://www.matic.ru/clients/standard-directory/gost-13109-97-quality-electric-network/ (дата обращения: 13.11.2017).
3. Бараненко, Т.К. Разработка методов расчета интергармоник напряжения и тока в электрических сетях с электротехнологическими установками и непосредственными преобразователями частоты: дис. … канд. техн. наук: 05.14.02 – Электрические станции, сети и системы / Бараненко Татьяна Константиновна ; рук. работы Ю.Л. Саенко. – Мариуполь: Приазовский гос. тех. ун-т, 2003. – 198 с.
4. Testa A. Интергармоники: теория и моделирование / IEEE Труды поставки электроэнергии за год: 2007, Номер: 22, Тема: 4 Страницы: 2335 - 2348, DOI: 10.1109/TPWRD.2007.905505
5. Железко, Ю. С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю. С. Железко. — М. : ЭНАС, 2009. — 456 с.
6. Morsi W. G., EI-Hawary M. E. Время-частоты однофазного питания компонентов измерения гармоник и интергармоник искажения, основанные на Вейвлет-пакетных преобразованиях. Часть 1: Математическая формулировка // Электротехника и вычислительная техника, Канада, Номер: 35, 2010. — 7 с.
7. Чижма, С. Н. Метод спектрального анализа интергармоник в электроэнергетических системах / С.Н. Чижма // Промышленная энергетика. – 2014. – №4. – 47 с.
8. Аррилага Д. Гармоники в электрических системах / Д. Аррилага, Д. Брэдли, П. Боджер. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 215 с.
9. Окороков Н.В. Дуговые сталеплавильные печи – М.: Металлургия, 1971. – 344 с.
10. Кузнецов В.Г. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения / В.Г. Кузнецов, Э.Г. Куренный, А.П. Лютый. – Донецк: Норд-пресс, 2005. – 250 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Zhezhelenko, I.V. Vysshiye garmoniki v sistemakh elektrosnabzheniya prompredpriyatiy [Higher Harmonics in Power Supply Systems for Industrial Enterprises] / I.V. Zhezhelenko. - Moscow: Energoatomizdat, 2000. - 331 p. [In Russian]
2. GOST 13109-97. Mezhgosudarstvennyy standart. Elektricheskaya energiya. Sovmestimost' tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaya. Normy kachestva elektricheskoy energii v sistemakh elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya [Interstate Standard. Electric Energy. Electromagnetic Compatibility of Technical Means. Norms of Quality of Electric Energy in General-purpose Power Supply Systems] [Electronic resource] // URL: http://www.matic.ru/clients/standard-directory/gost-13109-97-quality-electric-network/ (Reference date: 13.11 .2017). [In Russian]
3. Baranenko, T.K. Razrabotka metodov rascheta intergarmonik napryazheniya i toka v elektricheskikh setyakh s elektrotekhnologicheskimi ustanovkami i neposredstvennymi preobrazovatelyami chastoty [Development of Methods for Calculating Interharmonics of Voltage and Current in Electrical Networks with Electrotechnological Installations and Direct Frequency Converters:] PhD thesis in Engineering: 05.14.02 - Electric stations, networks and systems / Baranenko Tatyana Konstantinovna; hands. work Yu.L. Sayenko. - Mariupol: Priazovsky state. tech. university, 2003. - 198 p. [In Russian]
4. Testa A. Intergarmoniki: teoriya i modelirovaniye [Interharmonics: Theory and Modeling] / IEEE Proceedings of electricity supply for the year: 2007, Number: 22, Subject: 4 Pages: 2335 - 2348, DOI: 10.1109 / TPWRD.2007.905505 [In Russian]
5. Zhelezko, Yu. S. Poteri elektroenergii. Reaktivnaya moshchnost'. Kachestvo elektroenergii: Rukovodstvo dlya prakticheskikh raschetov [Electricity Losses. Reactive Power. Quality of Electricity: Guide for Practical Calculations] / Yu. S. Zhelezko. - M.: ENAS, 2009. - 456 p. [In Russian]
6. Morsi W. G., EI-Hawary M. E. EI-Hawary M. E. Vremya-chastoty odnofaznogo pitaniya komponentov izmereniya garmonik i intergarmonik iskazheniya, osnovannyye na Veyvlet-paketnykh preobrazovaniyakh. Chast' 1: Matematicheskaya formulirovka  [Time-Frequency of Single-phase Supply of Harmonic Components and Interharmonic Distortion, Based on Wavelet-packet Transformations. Part 1: Mathematical Formulation] // Electrical engineering and computer technology, Canada, Number: 35, 2010. - 7 p. [In Russian]
7. Chizhma S.N. Metod spektral'nogo analiza intergarmonik v elektroenergeticheskikh sistemakh [Method of Spectral Analysis of Interharmonics in Electric Power Systems] / S.N. Chizhma // Industrial energy. - 2014. - №4. - 47 p. [In Russian]
8. Arlilaga D. Garmoniki v elektricheskikh sistemakh [Harmonics in Electrical Systems] / D. Arrilaga, D. Bradley, P. Bodger. - Moscow: Energoatomizdat, 1990. - 215 p. [In Russian]
9. Okorokov N.V. Dugovyye staleplavil'nyye pechi [Arc Furnaces] - M.: Metallurgy, 1971. - 344 p. [In Russian]
10. Kuznetsov V.G. Elektromagnitnaya sovmestimost'. Nesimmetriya i nesinusoidal'nost' napryazheniya [Electromagnetic Compatibility. Unbalance and Non-sinusoidal Voltage] Kuznetsov, E.G. Kurenniy, A.P. Fierce. - Donetsk: Nord-press, 2005. - 250 p. [In Russian]