Учебное пособие Номер государственной регистрации электронного издания в фгуп нтц информрегистр 0321300817
 Скачать 6.46 Mb.
|
|
7.4. Описание виртуальной модели и анализ результатов исследований Исследование влияния несимметричной нагрузки на потери мощности и потери напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ проведем на примере простейшей четырехпроводной сети, 203 состоящей из источника электрической энергии, четырехпроводной ЛЭП, выполненной проводами марки АС или СИП разного сечения и однофазной нагрузки. Схема виртуальной модели приведена на рисунке 7.5. Модель содержит: Трехфазный источник напряжения (Three-PhaseSource) из библиотеки SimPowerSistem/ElectricalSources. Блоки моделирующие фазные и нулевой провода сети 0,38 кВ (Pi Section Line) из библиотеки SimPowerSistem / Elements. Модель создана на основе однофазных блоков с целью моделиро- вания параметров линии при различных длинах фазных проводов и отличного от фазного сечения нулевого провода. Блоки, моделирующие нагрузку в каждой фазе (Series RLC Load) из библиотеки SimPowerSistem/Elements. При создании своей модели студент может выполнить моделирование нагрузки блоком (Parallel RLC Load) и выполнить сравнение по результатам моделирования. Измерители напряжения (Voltage Measurement), изме- рители тока (Current Measurement) из библиотеки SimPowerSistem / Measurement. Мультиметр (Multimeter) – прибор для измерения всех параметров, которые предварительно указываются в окнах на- стройки блоков элементов схемы. Включив в окне настройки этого блока опцию Plot selected measurement, выведем графики измене- ния во времени формы кривой тока и напряжения в фазах сети или в нулевом проводе без подключения осциллографа. Измерители активной и реактивной мощности (Active & Reactive Power) в начале и конце исследуемого участка сети из библиотеки SimPowerSistem/ExtraLibrary / Measurement. Блок пользователя (Powergui), который в зависимости от настройки параметров измерения на каждом элементе модели пока- зывает в заданном формате рассчитанные напряжения в начале и в конце участка, токи нагрузки в фазных и нулевом проводах (дейст- вующие –RMS values или амплитудные – Peak values значения), а также угол сдвига измеряемой величины по фазе. Блоки Display1 и Display2 в каждой фазе для количест- венного представления измеренных мощностей (Вт и вар) в опре- деленных точках сети. Блоки выбираются из главной библиотеки Simulink/Sinks. 204 Рисунок 7.5 – Модель трехфазной сети для исследования влияния несимметричной нагрузки по фазам и несимметрии сети 205 Окна настройки параметров элементов, входящих в состав мо- дели, приведены на рисунках 7.6 – 7.11, а описание параметров и спо- собы их определения в разделах 2 – 4. Рисунок 7.6 – Окно задания парамет- ров нагрузки блока Series RLC Load Рисунок 7.7 – Окно задания парамет- ров фазных и нулевого проводов блока Pi Section Line Рисунок 7.8 – Окна настроек блоков Display и Active & Reactive Power 206 Рисунок 7.9 – Окно настроек параметров источни- ка Three-PhaseSource При моделирова- нии сельских электри- ческих сетей 0,38 кВ с нулевым проводом не- обходимо выбирать со- единение фаз источника Yn (рис. 7.9), а в схеме сразу после вывода нейтрали соединить ее с землей (рис. 7.5), как того требуют Правила устройства электроус- тановок для реальных сетей. В виртуальной модели это позволяет выполнить подключе- ние нулевого провода, чего не позволяет сде- лать схема Yg. Рисунок 7.10 – Фрагмент окна настроек блока Multimeter На рисунке 7.12 приведен фрагмент интерфейса блока Po- wergue после процесса интегрирования установившегося режима при несимметричной нагрузке по фазам. При исследовании влияния не- симметрии нагрузки на потери мощности и энергии в реальных сетях возникают трудности в определении этих коэффициентов. Необходи- 207 мо применение специальных приборов, выполнение дополнительных замеров и трудоемких расчетов. Рисунок 7.11 – Фрагмент окна настроек параметров моделирования Рисунок 7.12 – Окно расчета параметров установившегося режима сети при несимметричной нагрузке с помощью блока Powergui 208 Рисунок 7.13 – Осциллограммы напря- жения и тока в нулевом проводе при не- симметричной нагрузке Благодаря наличию блока Powergui модель позволяет по- лучить данные не только о ве- личинах фазных напряжений и токов, но и о положении векто- ров напряжений и токов нагруз- ки каждой фазы в пространстве. На рисунках 7.13 и 7.14 при- ведены осциллограммы напря- жений и токов в нулевом прово- де (рис. 7.13) и на нагрузке (рис. 7.14). Действующие значения напряжений и токов и их фазы, полученные по показаниям бло- ка Powergui,приведены в таб- лице 7.1. Рисунок 7.14 – Осциллограммы напряжения и тока по фазам при несимметричной нагрузке 209 Таблица 7.1 – Результаты измерений токов и напряжений с помощью блока Powergui при несимметричной нагрузке по фазам Напряжение источника, В Ток нагрузки, А Напряжение на на- грузке, В А 230,94 66,03e -j31,91º 207,42e j0,55º В 230,94e -j120º 35,83e -j155,2º 225,1e -j122,74º С 230,94e j120º 7,56e -j89,03º 237,52e j121,49º N – 48,53e j119,18º 10,32e -j21,61º По результатам аналогичных замеров с помощью блока Power- gui по формулам (7.6, 7.8, 7.12) были определены коэффициенты об- ратной и нулевой последовательностей напряжений и коэффициент изменения потерь. Результаты расчетов представлены в виде графи- ческих зависимостей, приведенных на рисунках 7.15 – 7.16. Рисунок 7.15 – Зависимость коэффициента потерь мощности от коэффици- ента обратной последовательности напряжения для сети 0,38 кВ, выполнен- ной проводом 4хАС-70:1 – cosφ=1; 2 – cosφ=0,9; 3 – cosφ=0,8 Рисунок 7.16 – Зависимость коэффициента потерь мощности от коэффици- ента нулевой последовательности напряжения для сети 0,38 кВ, выполненной проводом 4хАС-70 :1 – cosφ=1; 2 – cosφ=0,9; 3 – cosφ=0,8 210 Задания для самостоятельной работы 1. Определить параметров схемы замещения сети и нагрузок по заданному варианту для моделирования в программе MATLAB. 2. Определить потери мощности в каждой фазе по приборам виртуальной установки. Потери определяются как разность показа- ний приборов в начале и конце моделируемого участка (Display1 и Display2) каждой фазы. 3. Определить величины токов и напряжений и их фазы на каж- дом участке сети по показаниям блока Powergui. 4. Построить векторные диаграммы токов несимметричного ре- жима. Определить симметричные составляющие и показатели несим- метрии для каждого из рассматриваемых режимов. 5. Оценить влияние показателей несимметрии на величину по- терь напряжения и потерь мощности в сети. 6. Оценить влияние конструктивного исполнения линии (сече- ния фазных проводов и нулевого провода, марка провода) на потери мощности в сети при одной и той же несимметрии нагрузки. 7. По формулам (7.12 или 7.14) определить коэффициенты уве- личения мощности. 7. Построить зависимости коэффициента потерь мощности от ко- эффициентов несимметрии U 2 K , U 0 K , I 2 K , I 0 K . Варианты моделирования параметров сети и нагрузок приведе- ны в таблице 7.2. Таблица7.2 – Варианты задания к самостоятельной работе № На- грузка, КВА Cosφ Длина, км Марка провода 1 51 0,8 0,5 3хА70+А70; 3хА70+А35; СИП 3х70+95 2 51 1 0,5 3хА70+А70; 3хА70+А35; СИП 3х70+95 3 63 0,6 0,4 3хА50+А50; 3хА50+А25; СИП 3х50+70 4 63 1 0,4 3хА50+А50; 3хА50+А25; СИП 3х50+70 5 30 0,6 0,7 3хА50+А50; 3хА50+А25; СИП 3х50+70 6 30 1 0,7 3хА50+А50; 3хА50+А25; СИП 3х50+70 7 45 0,8 0,6 3хА35+А35; 3хА35+А25; СИП 3х35+50 8 45 1 0,6 3хА35+А35; 3хА35+А25; СИП 3х35+50 9 39 0,8 0,5 3хА25+А25; 3хА25+А16; СИП 3х25+35 10 39 1 0,5 3хА25+А25; 3хА25+А16; СИП 3х25+35 211 Для каждого варианта необходимо провести по 9 опытов, рас- пределяя нагрузку по фазам в соответствии с таблицей 7.3. Таблица 7.3 – Программа проведения опытов на виртуальной модели сети (на примере первого варианта) Вариант Сеть Нагрузка по фазам, % /кВА 1 3хА70+А70 100/17 100/17 100/17 S н =51кВА; Cosφ=0,8; L=0,5 км 100/17 50/25,5 30/15,3 0/0 100/17 20/10,2 3хА70+А35 100/17 100/17 100/17 100/17 50/25,5 30/15,3 0/0 100/17 20/10,2 СИП 3х70+95 100/17 100/17 100/17 100/17 50/25,5 30/15,3 0/0 100/17 20/10,2 Контрольные вопросы 1. Назовите основные показатели качества электрической энер- гии согласно ГОСТ 13109-97. 2. Какие факторы влияют на величину допустимых потерь на- пряжения в сети? 3. Как влияет отклонение напряжения от номинального на ра- боту электроприемников? 4. Каковы причины значительных отклонений напряжения у сельскохозяйственных потребителей? 5. Каковы причины несимметрии напряжения у сельскохозяй- ственных потребителей? 6. Какие существуют способы регулирования напряжения, ка- кие из них наиболее приемлемы для сельских электрических сетей? 7. Что показывает коэффициент потерь мощности, как он опре- деляется? 8. Объясните с помощью векторной диаграммы напряжений причину появления напряжения смещения нейтральной точки сети. 9.Что является причиной появления систематической и вероят- ностной несимметрии в сети 0,38 кВ? 10. Назовите основные способы уменьшения несимметрии в сельских распределительных сетях 0,38 кВ. 11. На чем основан принцип действия симметрирующих уст- ройств? Нарисуйте их принципиальные схемы по результатам па- тентного поиска. 212 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной работе приведены основы моделирования систем сель- ского электроснабжения с помощью пакета Simulink, прилагаемого к программе MATLAB. Пакет Simulink является достаточно самостоя- тельным приложением программы MATLAB, при работе с ним в об- щем случае не требуется знания языков программирования, самой программы MATLAB и ее приложений. Это значительно облегчает работу по моделированию ситуаций и возможных режимов работы систем электроснабжения, однако для получения достоверных ре- зультатов студент должен четко представлять физику процессов, ко- торые он собирается моделировать, и иметь представление в целом о моделировании элементов системы электроснабжения. Создав на экране монитора из соответствующих элементов тре- буемую виртуальную электрическую схему, можно выполнить ее полный анализ изучить ее в установившихся и переходных режимах. При этом при корректной сборке схемы результаты исследований совпадают с результатами исследований в реальной схеме. В этом – суть имитационной модели и ее несомненное достоинство. Она дает возможность более углубленного исследования тех электрических схем, которые изучаются студентами, поскольку программа обладает широким набором измерительной техники. Имитационное моделирование может оказаться для студента иногда даже более показательным и более ясным, чем выполнение работ на некоторых современных многоцелевых лабораторных стендах, предназначенных для выполнения серии лабораторных работ. Здесь имеются в виду унифицированные лабораторные стенды, в которых элементы и устройства спрятаны, а на стенд вы- ведены только клеммы электротехнического и измерительного оборудования. При имитационном моделировании студент шаг за шагом, ос- мысленно извлекая нужный ему элемент, собирает электрическую цепь на мониторе компьютера. Прежде чем собрать схему, необхо- димо рассчитать параметры элементов. Моделирование при всей его кажущейся легкости должно осуществляться тщательно и кро- потливо, студент должен иметь представление, что в конечном ито- ге он должен получить, подготовка модели даже не очень сложной 213 системы требует серьезных знаний и немалых трудов по ее отладке. Это заставляет более досконально изучить все элементы электроус- тановки, методы определения их параметров. Исследовательские возможности модели неизмеримо больше, чем возможности любого современного стенда. Как показывает наш опыт применения программы MATLAB в учебном процессе, при использовании имитационного моделирова- ния наблюдается активизация самостоятельной работы студентов. Студент имеет возможность не только выполнить задание пре- подавателя, но предложить и апробировать свои технические реше- ния, а это превращает учебный процесс в увлекательное для студен- тов занятие. Заинтересованность в самостоятельном получении ре- зультатов исследования, готовность к проведению экспериментов с помощью моделирования на компьютере, которые практически не- возможно провести на действующем объекте или его физической модели, обсуждение и решение проблем, возникающих при модели- ровании электротехнических устройств, могут стать первым прояв- лением интереса к исследовательской деятельности, развитию твор- ческого начала у студентов. Кроме того, создание виртуальной ла- боратории делает более реальным дистанционное обучение студен- тов. Данное пособие написано с целью пробуждения интереса у студентов к моделированию, исследованию электротехнических комплексов и систем электроснабжения АПК, не претендует на за- конченность. Из-за ограниченности объема книги в пособие не во- шли вопросы моделирования электрических машин, на основании которых можно смоделировать автономные системы электроснаб- жения объектов. При желании студенты могут ознакомиться с соз- данными нами моделями автономных систем, получающих питание от микроГЭС [35, 36]. Программа MATLAB постоянно совершенст- вуется, ее возможности расширяется, поэтому это пособие лишь первый шаг к знакомству с ней. Автор надеется, что данное учебное пособие послужит для сту- дентов подспорьем при изучении режимов работы электрических се- тей и систем электроснабжения и будет способствовать становлению специалистов по профилю электрооборудование и электротехноло- гии в АПК. 214 ЛИТЕРАТУРА 1. Дьяконов В.П., Пеньков А.А. MATLAB и Simulink в электроэнер- гетике. Справочник. – М.: Горячая линия – Телеком, 2009. – 816 с. 2. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7.0 + Simulink 5/6. Основы при- менения. Серия «Библиотека профессионала». – М.: СОЛОН- Пресс, 2005. – 800 с. 3. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7.0 + Simulink 5/6 в математике и моделировании. Серия «Библиотека профессионала». – М.: СО- ЛОН-Пресс, 2005. – 576 с. 4. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. – М.: ДМК Пресс; СПб: Питер, 2008. – 288 с. 5. Черных И.В. Simulink. Среда создания инженерных приложений. – М.: Диалог-МИФИ, 2004. – 496с. 6. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лаборатор- ный практикум на базе Electronics Workbench и MATLAB. Изда- ние 5-е. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 800 с. 7. Герман-Галкин С.Г., Кардонов С.Г. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. – СПб.: КОРОНА принт, 2003. – 256 с. 8. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: учебное пособие. – СПб: КОРОНА, 2001. – 320 с. 9. Лурье М.С.,.Лурье О.М. Применение программы MATLAB при изучении курса электротехники: учеб. пособие. – Красноярск: СибГТУ, 2006. – 208 с. 10. Лурье М.С., Лурье О.М. Электротехника. Имитационное моделирование в лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании. Ч. 1: учеб. пособие. – Красноярск: СибГТУ, 2010. – 106 с. 11. Лурье М.С., Лурье О.М. Электротехника. Имитационное моделирование в лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании. Ч. 2: учеб. пособие. – Красноярск: СибГТУ, 2010. – 150 с. 12. Лурье М.С., Лурье О.М., Баранов Ю.С. Имитационное моделиро- вание схем преобразовательной техники: учебное пособие / М. С. Лурье, О. М. Лурье, Ю. С. Баранов. – Красноярск: СибГТУ, 2011. – 154 с. 215 13. Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электри- ческой энергии: Учеб. пособие. – Ростов-н/Д.: Феникс; Красно- ярск: Издательские проекты, 2006. – 720 с. 14. Электрические системы. Электрические сети: учеб. для электроэнерг. спец. вузов / В.А. Веников, А.А. Глазунов, Л.А. Жуков и др.: под ред. В.А. Веникова, В.А. Строева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк.,1998. – 511с. 15. Поспелов Г.Е., Федин В.Т. Электрические системы и сети. Проектирование: учеб. пособие для втузов. – 2-е изд., испр. и доп. – Минск: Высш. шк., 1988. – 308с. 16. Фадеева Г.А., Федин В.Т. Проектирование распределительных электрических сетей: учеб. пособие. – Минск: Высш. шк., 2009. – 365 с. 17. Справочник по проектированию электрических сетей / под редакцией Д.Л. Файбисовича. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2005. – 320 с. 18. Электротехнический справочник: В 4 т. Т. 3. Производство, передача и распределение электрической энергии / под общ. ред. проф. МЭИ В.Г. Герасимова [и др]. (гл. ред. А.И. Попов). – 8-е изд., испр. и доп. – М.: Изд. МЭИ, 2002. – 964 с. 19. Боровиков В.А., Косарев В.К, ХодотГ.А. Электрические сети энергетических систем. – Л.: Энергия, 1977. –392 с. 20. Керного В.В., Поспелов Г.Е., Федин В.Т. Местные электрические сети / В.В. Керного, Г.Е. Поспелов, В.Т. Федин. – Минск: Выш. шк., 1972. – 376 с. 21. Лещинская Т.Б.,.Наумов И.В. Электроснабжение сельского хозяйства. – М.: КолосС. – 2008. – 655 с. 22. Костюченко Л.П., Чебодаев А.В. Проектирование систем сельского электроснабжения: учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп.; Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2005. – 184 с. 23. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с. 24. Кацман М.М. Электрические машины. – М.: Высш. шк.; Изд. Ц. «Академия»; 2001. – 463 с. 25. Евдокунин, Г.А, Дмитриев М.П. Трансформаторы в электриче- ской сети. Моделирование переходных процессов с учетом кон- фигурации магнитной системы. // Новости электротехники 2008. – № 5 (53). 216 26. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Хачатрян Э.А. Устойчивость нагрузки электрических систем. – М.: Энергоиздат, 1981. – 208 с. 27. Лыкин А.В. Математическое моделирование электрических сис- тем и их элементов: учеб. пособие – 2-е изд., перераб. и доп. – Но- восибирск: Изд-во НГТУ, 2009. – 228 с. 28. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов – 6-е изд, перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1973 – 752 с. 29. Костюченко Л.П., Чебодаев А.В. Электроснабжение: учеб. пособие; Краснояр.гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2006. – 347 с. 30. Железко Ю.С., Артемьев А.В., Савченко О.В. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях: ру- ководство для практических расчетов. – М.: Изд – во НЦ ЭНАС, 2004. – 289 с. 31. ГОСТ 13109- 97 «Электрическая энергия. Совместимость техниче- ских средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» . 32. Шлыкин П. Р. Качество электрической. энергии в сельских сетях . // Механизация и электрификация с.-х. – 2002, №3, с. 19 – 21. 33. Косоухов Ф.Д, наумов И.В. Несимметрия напряжений и токов в сельских распределительных сетях: Иркутс. гос. с.-х. акад. – Ир- кутск, 2003. – 257с. 34. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электри- ческих системах. – М.: Энергия, 1970.– 519с. 35. Бастрон, А.В., Коровайкин Н.В., Костюченко Л.П. Моделирование режимов работы автономной микроГЭС для электроснабжения летней дойки // Вестник КрасГАУ. – Красноярск: КрасГАУ, 2010. – Вып. 4. – с. 166 – 171. 36. Бастрон А.В., Коровайкин Н.В., Костюченко Л.П. Компенсация ре- активной мощности в автономной системе электроснабжения лет- ней дойки от микроГЭС // А.В. Бастрон, Н.В. Коровайкин, Л.П. Костюченко // Ползуновский вестн. 2011. – № 2/1 – с. 66 – 70. |