| Kazimierz WILKOSZ
METODY ANALIZY WYŻSZYCH HARMONICZNYCH
|
 |
We współczesnych systemach elektroenergetycznych problem obecności wyższych harmonicznych staje się coraz bardziej istotny. Analizując ten problem można zauważyć, że w ostatnich dziesięcioleciach w systemach elektroenergetycznych nastąpiła znaczna zmiana. Wcześniej, odbiory o liniowych charakterystykach stanowiły zdecydowaną większość. Obecnie sytuacja jest inna. Można wskazać wiele przypadków, kiedy odbiory mają charakterystyki nieliniowe. Również, szczególnie małe jednostki elektroenergetyki wiatrowej oraz słonecznej stanowią źródła wyższych harmonicznych, których nie należy pomijać.
Gdy do odbioru nieliniowego przyłożone zostanie napięcie sinusoidalne, prąd płynący przez odbiór będzie miał przebieg różniący się od przebiegu sinusoidalnego. W prądzie tym, oprócz składowej sinusoidalnej o częstotliwości napięcia zasilającego (harmonicznej podstawowej), są także składowe sinusoidalne o częstotliwościach będących wielokrotnościami częstotliwości napięcia zasilającego (wyższe harmoniczne). Odbiór nieliniowy traktowany jest więc jako źródło wyższych harmonicznych.
Zniekształcony prąd, przepływając przez różne elementy systemu elektroenergetycznego (transformatory, linie elektroenergetyczne, wyłączniki itd.), wywołuje niesinusoidalne spadki napięcia. W konsekwencji w systemie elektroenergetycznym także napięcie staje się niesinusoidalne.
Wyższe harmoniczne w systemie elektroenergetycznym prowadzą do wielu negatywnych konsekwencji. Mogą prowadzić do uszkodzenia, wadliwego działania lub zaniku działania urządzeń, takich jak: urządzenia sterujące, pomiarowe, sprzęt elektroniczny itp. Długotrwale utrzymujący się prąd harmonicznych pociąga za sobą dodatkowe straty mocy czynnej, wzrost temperatury urządzeń, szybsze ich starzenie i w rezultacie skrócenie czasu ich pracy (transformatory, urządzenia elektryczne itd.). Szczególnie dotkliwe skutki obecności wyższych harmonicznych mogą być obserwowane w czasie ich rezonansu, kiedy następuje znaczne zwiększenie prądu, ewentualnie napięć harmonicznych.
Jednym z czynników, które są brane pod uwagę w ocenie jakości energii elektrycznej są wyższe harmoniczne. W wielu dokumentach, dotyczących eksploatacji systemu elektroenergetycznego, podawane są maksymalne wartości wskaźników odnoszących się do wyższych harmonicznych.
Uwzględniwszy konsekwencje obecności harmonicznych w systemie elektroenergetycznym, naturalne staje się dążenie do eliminacji albo redukcji wyższych harmonicznych w systemie elektroenergetycznym. Podjęcie działań dotyczących wyższych harmonicznych wymaga wiedzy na ich temat. Na podstawie tej wiedzy można:
- stwierdzić spełnienie odpowiednich wymagań normatywnych co do wyższych harmonicznych,
- rozeznać sytuację związaną z zaobserwowanym albo przewidywanym rezonansem wyższych harmonicznych (np. w związku z obecnością w systemie albo wprowadzeniem do systemu baterii kondensatorów),
- określić podstawy do projektowania filtrów.
Zdobycie wiedzy na temat wyższych harmonicznych w istniejącym systemie elektroenergetycznym wymaga odpowiedniej informacji pomiarowej oraz wykonania niezbędnych analiz. Informację pomiarową stanowi pomiar prądów oraz napięć wyższych harmonicznych. Przez pomiar rozumie się wyniki analizy spektralnej prądów oraz napięć w wyróżnionych miejscach systemu.
W celu przeprowadzenia jakiejkolwiek analizy niezbędna jest informacja o istniejących w systemie elektroenergetycznym źródłach wyższych harmonicznych. Badania, które pozwoliłyby ustalić miejsce występowania tych źródeł, a także ich charakterystyki, mogą być wykonywane, biorąc za punkt odniesienia określony punkt w systemie elektroenergetycznym (Punkt Wspólnego Przyłączenia – punkt PWP) albo uwzględniając dane pomiarowe z pewnego obszaru systemu elektroenergetycznego bądź – o ile jest to możliwe – z całego systemu elektroenergetycznego. W pierwszym z podanych przypadków wyznaczane jest dominujące źródło harmonicznych oraz – w przypadku niektórych metod – udział źródeł harmonicznych zlokalizowanych po przeciwnych stronach punktu PWP w prądzie albo napięciu mierzonym w tym punkcie. W drugim przypadku jest możliwość znalezienia źródeł harmonicznych zlokalizowanych w różnych miejscach systemu elektroenergetycznego. Obliczenia dające ten efekt to obliczenia estymacji stanu wyższych harmonicznych systemu elektroenergetycznego.
Gdy znane są informacje o źródłach wyższych harmonicznych, możliwe jest obliczenie napięć w węzłach sieci elektroenergetycznej oraz prądów w niej płynących, przeprowadzając obliczenia rozpływu mocy wyższych harmonicznych. Informacja o źródłach wyższych harmonicznych jest także istotna ze względu na możliwość wystąpienia rezonansów dla harmonicznych, których źródła znajdują się w systemie elektroenergetycznym.
Wymienione wcześniej analizy, tj.:
- lokalizacja źródeł wyższych harmonicznych (z punktu widzenia punktu PWP),
- estymacja stanu wyższych harmonicznych systemu elektroenergetycznego,
- obliczenia rozpływu mocy wyższych harmonicznych w systemie elektroenergetycznym,
- badanie rezonansów wyższych harmonicznych w systemie elektroenergetycznym,
stanowią zestaw analiz, które pozwalają stwierdzić obecność wyższych harmonicznych w systemie elektroenergetycznym oraz jak poważne są problemy związane z tymi harmonicznymi (jak duże są napięcia w węzłach sieci, jak duże są prądy płynące w gałęziach, jakie są możliwości występowania rezonansów).
W monografii przedstawiana jest aktualna wiedza dotyczącą wcześniej wymienionych analiz harmonicznych w systemie elektroenergetycznym, realizowanych – jak to jest najczęściej w dziedzinie częstotliwości. Uwzględnione zostały wyniki badań realizowanych przez Autora. Dla każdej z omawianych analiz przedstawione zostały różne metody, ze szczególnym uwzględnieniem idei postępowania oraz ich właściwości. Po przedstawieniu metod dokonane zostało ich porównanie.
Normal 0 21 false false false MicrosoftInternetExplorer