CC BY
28
УДК 621.314 ББК 31.27-082
ПИ. СКОМОРОХОВ, В.И. ЗАЦЕПИНА
ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОНОМНОЙ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ ДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ ИСКАЖЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ ИОНИСТОРНО-АККУМУЛЯТОРНОЙ СХЕМЫ
Ключевые слова: динамическая компенсация, искажения напряжения, надежность, ионистор, оптимизация, автономное электроснабжение, безотказность, нормализация.
В статье рассматривается схемный способ оптимизации работы устройства комбинированной нормализации напряжения в распределительной сети. Так как устройство работает в динамическом режиме, то в условиях резкого или длительного снижения напряжения, а также при вероятности полного погашения электроприемников требуется надежный способ обеспечения автономности работы как самого устройства, так и электроснабжения защищаемых потребителей. Целью работы является разработка способа повышения надежности работы устройств динамической компенсации искажений напряжения, в том числе обеспечения автономности работы как устройств компенсации, так и самих электроприемников. Предлагаемый в работе способ является актуальным для потребителей, подключенных к распределительной электросети, особенно для электроприемников первой и второй категорий надежности. Научная новизна заключатся в том, что для решения поставленной цели предлагается использовать инновационные накопители электроэнергии - ионисторы, отличающиеся, по сравнению с традиционными накопителями, более высокой удельной ёмкостью, увеличенными длительностью и надежностью сохранения заряда. Практическая значимость заключается в минимизации продолжительности простоя электроприемников при полной потере питания секции шин, а также в повышении надежности работы устройств динамической компенсации искажений напряжения за счет автономного их питания от гибридной аккумуляторной установки. Разработано схемное решение, позволяющее надежно запитывать электроприемники в случаях полной потери питания, обеспечивающее работу устройств динамической компенсации амплитудно-фазных искажений напряжения. Определено необходимое количество ионисторов и аккумуляторных батарей, в том числе их производственные параметры для представленной в работе схемы электроснабжения. Предлагаемый способ, базирующийся на оптимальном сочетании ионисторов и свинцовых аккумуляторных батарей, гибрид которых вводится в цепь постоянного тока устройства, является инновационным в плане обеспечения автономности и повышения надежности устройств динамической компенсации. Данное решение максимально оптимизирует работу как устройств динамической компенсации, так и системы электроснабжения в целом.
На сегодняшний день в большинстве случаев ненормальные режимы в распределительных электрических сетях ликвидируются, как правило, действиями устройств релейной защиты и автоматики, а также различного рода фильтрокомпенсирующих устройств. Основной их недостаток в том, что выдаваемое ими управляющее воздействие имеет статический характер и сложно поддается перестройке рабочих режимов. При этом при повышенной вероятности возникновения искажений ключевых параметров электрических режимов гораздо эффективней будет их динамическая компенсация нежели обесточивание пострадавшего элемента [1, 6, 7].
В целях решения задачи обеспечения ответственных электроприемников электроэнергией, качество которой максимально соответствует положениям действующего национального стандарта1, было разработано устройство динамического подавления амплитудно-фазных искажений напряжения, направленное на выполнение задач идентификации и динамической компенсации провалов, перенапряжений и высших гармонических составляющих [3]. Устройство восстанавливает уровень напряжения и форму кривой напряжения при бросках активно-реактивной мощности за счет непрерывного введения в распределительную электрическую сеть кривой компенсационного напряжения через вольтодобавочный трансформатор. Кодоимпульсная модуляция управляющего воздействия позволяет гораздо быстрее и эффективнее реагировать на негативные сетевые возмущения в распределительных сетях [4].
В качестве исследуемого объекта для разработанного устройства была выбрана первая секция шин номинального напряжения 6 кВ главной понизительной подстанции некоего промышленного предприятия номинального напряжения 110/35/6 кВ (рис. 1). Процесс оптимизации электроснабжения в данном аспекте исследования является неотъемлемой частью этапа параметрической и структурной оптимизаций на заключительных этапах электроценоза [1]. В процессе исследования осуществляется решение одновременно нескольких задач: повышение безотказности электрооборудования предприятия; улучшение качества поставляемой к электроприемникам электроэнергии; увеличение технико-экономических показателей производства. Основной проблемой помимо поддержания параметров кривой напряжения в норме, которую должна решать оптимизация, в рассматриваемом случае является минимизация вероятности полного погашения электроприемников секции шин.
Оптимальным решением проблемы является введение в цепь постоянного тока в разработанном устройстве [3] нормализации напряжения сети промышленных аккумуляторных батарей (далее - АКБ) повышенной ёмкости, что позволит избежать простоя агрегатов и дать время на устранение неисправности в сети. Запитывать же их предлагается от соседней секции шин 6 кВ. Стационарные свинцовые аккумуляторы хорошо зарекомендовали себя в роли аварийных источников питания. Также стоит отметить тяговые аккумуляторы, имеющие возможность глубокого разряда и относительно небольшую стоимость.
Особое внимание в рамках решения данной проблемы необходимо уделить ионисторам. К их уникальным свойствам относят высокую удельную емкость (порядка нескольких фарад), а также увеличенную по сравнению с аналогами длительность и надежность сохранности заряда. Они могут практически безотказно работать в цепях постоянного тока при значительных физических возмущениях. Главными преимуществами применения ионисторов
1 ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Утвержден Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 июля 2013 г. № 9400-ст.
являются: большой срок службы; быстрый заряд; практически неограниченное количество циклов «заряд/разряд»; относительная дешевизна; отсутствие необходимости контроля за режимом зарядки. Однако независимое использование ионисторов как высоковольтных источников питания перекрывается их следующими недостатками:
- малым накоплением электроэнергии;
- низкой энергетической плотностью;
- необходимостью последовательного соединения нескольких десятков элементов.
Согласно справочным данным, ионистор запасает энергию, равную примерно 10% энергии никель-металлогидридного или свинцового аккумулятора. При этом аккумулятор выдает относительно постоянное рабочее напряжение. Стоит учитывать, что электронные элементы, к которым относится ионистор, функционируют при ограниченных значениях питающего напряжения. Заряд, остающийся в ионисторе при достижении минимального напряжения, остается неиспользованным [2].
Для обеспечения постоянным питанием мощных потребителей в условиях совместной работы с разработанным устройством (в том числе при сильных просадках напряжения по секции шин) предлагается использовать иони-сторы совместно с аккумуляторными батареями. В предлагаемом схемном решении ионисторы должны будут снижать нагрузку на аккумуляторную батарею, что значительно повышает срок ее службы, одновременно с этим возрастет и пусковой ток, который способна отдавать эта установка. Кроме того, при совместном использовании АКБ с ионисторами уменьшаются масса и габариты первых, что имеет важное значение для промышленности.
Возвращаясь к схеме электроснабжения, представленной на рис. 1, для данной секции шин следует определить количество ионисторов, необходимое для обеспечения напряжением приемников (с учетом вероятности полного их погашения). Для начала надо рассчитать количество энергии, необходимой для обеспечения приемников достаточно мощностью P в период максимального потребления, который представляет собой отказ системы питания шины:
2
где Си - суммарная емкость группы ионисторов, Ф; инач - напряжение на входе группы параллельно соединенных ионисторов перед началом пикового потребления, В; и^он - напряжение на входе группы ионисторов в момент окончания пикового потребления, В.
С учетом того, что полностью заряженная гибридная аккумуляторная установка (далее - ГАУ) до момента отклонения амплитудно-фазных параметров напряжения от нормы находится в состоянии покоя или, так сказать, постоянной зарядки, выражение (1) примет вид
W = 0,5 • QU2.
Принимая во внимание тот факт, что на предприятии, возможно, имеются ответственные электроприемники, требуется обеспечивать большой ток зарядки и разрядки ионисторов, а также максимальное снижение габаритов гибридной аккумуляторной установки. Оптимальным вариантом для этой подзадачи являются ионисторы повышенной емкости типа К58-15, номинального напряжения отдельного ионистора Uu = 5,5 В и емкости С = 10 Ф. Допустимый ток зарядки и разрядки одного ионистора составляет не более 1,2 А. На основании статистических и экспериментальных данных ионисторы данного типа имеют наработку на отказ, равную 15000 циклов, при сроке службы не менее 12 лет [5].
Чтобы эффективно запасать необходимую для батарей энергию, необходимо ограничить напряжение заряда ионистора до уровня несколько меньшего, чем его допустимое напряжение. С учетом этого примем необходимое количество ионисторов
N = ином = 6000 = 1090,9 * 1091. (2)
и UH 5,5 ’ W
Суммарный запас энергии и мощности группы ионисторов для рассматриваемого случая (секции шин номинального напряжения 6 кВ) будет определяться на основании справочных данных следующим образом:
Жмм = C • — • N = 10 • — -1100 = 165,02 кВт- ч;
и. сумм. 2 и 2 * ’
P
U
5,52
(3)
• N =
4 R и 4 • 0,2
•1100 = 41,25 кВт,
где С - емкость отдельного ионистора, Ф; U - напряжение на электродах, В; R - эффективное последовательное сопротивление.
Касательно автономности работы при полученных значениях энергии группы ионисторов можно сделать вывод, что, будучи полностью заряженными, они способны несколько дней питать ряд бытовых электроприемников. Что касается промышленных электроприемников, например электродвигателей, то работы такой группы ионисторов хватит максимум на несколько часов, однако для устранения неисправности, приведшей к полному погашению секции, этого может быть вполне достаточно. А учитывая, что в разрабатываемой ГАО они будут работать совместно с аккумуляторными батареями, при этом запитываясь от другой секции шин, подобное структурное резервирования будет значительно снижать вероятность отказа оборудования и погашения питания электроприемников.
Согласно принятому типу ионисторов в условиях их работы в ГАО консолидированно с обычными аккумуляторными батареями необходимо соответствие емкостей этих двух составляющих. Принимаем в качестве свинцовых аккумуляторных источников три батареи марки СК-104 с номинальной емкостью 3744 А^ч каждая. На рис. 2 изображено разработанное схемное решение подключения ГАО к нагрузочной шине разработанного устройства, подсоединенного, в свою очередь, к рассматриваемой секции шин.
U„
R,
t к , к
vd,V Vd2V
R2
V VD
1091
R,
г1 1 ч 1 1 1 1 1 1 1 1 1 [К58 -15], С,
1 1
[К58 - 15]2 1 С2 \\
[К58 - 15Ц СКД
R н 1 1
— [СК -104]2
' [СК - 104]з i
Рис. 2. Схема подключения ГАО
Установка состоит из N параллельно соединенных ионисторов марки К58-15, которые подключены к трем параллельно соединенным аккумуляторным батареям типа СК-104. В качестве нагрузки Лн выступает вход тиристорного управляемого преобразователя напряжения. Отметим, что указанные на рис. 2 марки и количество ионисторов и аккумуляторных батарей примени-тельны только к конкретной схеме на рис. 1, в других случаях требуется аналогичный подбор на основании выражений, указанных выше. При этом схема подключения универсальна. Предлагаемое схемное решение позволяет:
- запитывать все приемники секции шин потребителей бесперебойно, имеется достаточное для устранения даже серьезных неполадок время (аварийный режим работы системы электроснабжения);
- объединяет в себе достоинства ионисторов и свинцовых аккумуляторных батарей как источников резервного питания, нивелируя основные недостатки обоих;
- повышает надежность системы электроснабжения в целом посредством структурной избыточности за счет внедрения в систему резервного инновационного элемента питания;
- максимально оптимизирует работу устройства комбинированной нормализации напряжения, так как разработанное решение снижает вероятность отказа в работе устройства динамической компенсации искажений напряжения.
Отметим, что в условиях крайней необходимости для повышения времени автономной работы ГАО рекомендуется отключать некоторые неответственные электроприемники намеренно, в особенности те, кратковременный перерыв в электроснабжении которых не ведет к значительным негативным последствиям для предприятия. Однако подобное решение необходимо использовать только тогда, когда, например, к одной секции шин присоединены электроприемники разных категорий надежности, что достаточно редко.
Литература
1. ГнатюкВ.И. Закон оптимального построения техноценозов. М.: Центр системных исследований, 2005. 383 с.
2. Кузнецов В., Панькина О., Маяковская Н. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство // Компоненты и технологии. 2005. № 50. С. 12-16.
3. Пат. 168544 РФ, (51)МПК H02J3/00 (2006/01). Устройство комбинированного регулирования напряжения сети / А.Н. Шпиганович, Е.П. Зацепин, П.И. Скоморохов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет. №2016107854; заяв. 03.03.2016; опубл. 08.02.2017, Бюл. № 4.
4. Скоморохов П.И. О перспективах использования кодоимпульсной модуляции в устройствах нормализации качества электроэнергии при резкопеременных искажениях // Современные тенденции в науке, технике, образовании: сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф.: в 3 ч. Смоленск, 2016. Ч. 1. С. 110-111.
5. Супер конденсаторы: 2002-2012 гг. [Электронный ресурс]. URL: http://www.eled-rosad.ru/Electronics/SuperCon.htm (дата обращения: 30.09.2018).
6. Filimonova A.A., Zatsepin E.P., Zatsepina V.I. Multilevel control or power consumption at metallurgical plants. International Russian Automation Conference. Sochi, 2018, pp. 1-4. DOI: 10.1109/RUSAUTOCON.2018.8501746.
7. Zatsepina V.I., Zatsepin E.P., Shachnev O.Y. Ensuring effective functioning of compensating device STATCOM in metallurgical enterprises. International Russian Automation Conference. Sochi, 2018, pp. 1-6. DOI: 10.1109/RUSAUT0C0N.2018.8501660.
СКОМОРОХОВ ПАВЕЛ ИГОРЕВИЧ - ведущий специалист службы релейной защиты и автоматики, Филиал АО «СО ЕЭС» «Региональное диспетчерское управление энергосистемами Липецкой и Тамбовской областей», Россия, Липецк
(pavelskomorokhov@mail.ru).
ЗАЦЕПИНА ВИОЛЕТТА ИОСИФОВНА - доктор технических наук, профессор кафедры электрооборудования, Липецкий государственный технический университет, Россия, Липецк.
P. SKOMOROKHOV, V. ZATSEPINA ENSURING AUTONOMOUS WORK OF DEVICES OF DYNAMIC COMPENSATION OF VOLTAGE DISTORTION BY MEANS OF IONISTOR-BATTERY CIRCUIT
Key words: dynamic compensation, voltage distortion, reliability, ionistor, optimization, autonomous power supply, reliability, normalization.
The article discusses a circuit method for optimizing the operation of a combined voltage normalization device in a distribution network. Since the device operates in a dynamic mode, under conditions of abrupt or long-term voltage reduction, as well as with the probability of full redemption of the power receivers, a reliable method is needed to ensure the autonomy of the device itself and the power supply of the protected consumers.
The goal of the work is to develop a method to increase the reliability of the operation of dynamic voltage distortion compensation devices, including ensuring the autonomy of operation of both the compensation devices and the electrical receivers themselves. The proposed method is relevant for consumers connected to the distribution network, especially for electrical receivers of the first and second categories of reliability. The scientific novelty is due to the fact that to meet this goal, it is proposed to use innovative electric energy storage devices - ionistors, which differ, as compared to traditional storage devices, higher specific capacity, increased duration and reliability of charge conservation. The practical significance lies in minimizing the duration of downtime of electric receivers with a complete loss of power to the busbar section, as well as in improving the reliability of devices for dynamic voltage distortion compensation due to their autonomous power supply from a hybrid battery installation. A circuit solution was developed that allows to power consumers reliably in cases of complete power loss, as well as ensuring the operation of devices for dynamic compensation of amplitude-phase voltage distortions. The required number of ion-detectors and rechargeable batteries, including their production marks for the power supply circuit presented in operation, has been determined. The proposed method, based on the optimal combination of ionistors and lead batteries, the hybrid of which is introduced into the DC circuit of the device, is innovative in terms of autonomy and increasing the reliability of dynamic devices compensation. This solution maximally optimizes the operation of both dynamic compensation devices and the power supply system as a whole.
References
1. Gnatyuk V.I. Zakon optimal'nogopostroeniya tekhnotsenozov [The law of optimal construction of technocenosis]. Moscow, 2005, 383 p.
2. Kuznetsov V., Pan'kina O., Machkovskaya N. Kondensatory s dvoinym elektricheskim sloem (ionistory): razrabotka i proizvodstvo [Electric Double Layer Capacitors (Ionistors): Design and Production]. Komponenty i tekhnologii, 2005, no. 50, pp. 12-16.
3. Shpiganovich A.N., Zatsepin E.P., Skomorokhov P.I. Ustroistvo kombinirovannogo regulirovaniya napryazheniya seti [Device for combined voltage regulation]. Patent RF, no. 168544, 2017.
4. Skomorokhov P.I. Operspektivakh ispol'zovaniya kodoimpul'snoi modulyatsii v ustroistvakh normalizatsii kachestva elektroenergii pri rezkoperemennykh iskazheniyakh [On the prospects for the use of code-pulse modulation in devices for the normalization of the quality of electric power with sharply alternating distortions]. Sovremennye tendentsii v nauke, tekhnike, obrazovanii: sb. nauch. tr. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf.: v 3 ch. [Proc. of Int. Sci. Conf. «Modern trends in science, technology, education». 3 parts]. Smolensk, 2016, part 1, pp. 110-111.
5. Super kondensatory: 2002-2012 gg. [Super capacitors]. Available at: http://www.electro-sad.ru/Electronics/SuperCon.htm (Accessed 30 September 2018).
6. Filimonova A.A., Zatsepin E.P., Zatsepina V.I. Multilevel control or power consumption at metallurgical plants. International Russian Automation Conference. Sochi, 2018, pp. 1-4. DOI: 10.1109/RUSAUTOCON.2018.8501746.
7. Zatsepina V.I., Zatsepin E.P., Shachnev O.Y. Ensuring effective functioning of compensating device STATCOM in metallurgical enterprises. International Russian Automation Conference. Sochi, 2018, pp. 1-6. DOI: 10.1109/RUSAUT0C0N.2018.8501660.
SKOMOROKHOV PAVEL - Leading Specialist, Service of Relay Protection and Automation, Branch of JSC «SO UES» «Regional dispatching Department of the power system of Lipetsk and Tambov regions», Russia, Lipetsk (pavelskomorokhov@mail.ru).
ZATSEPINA VIOLETTA - Doctor of Technical Sciences, Professor of Electrical Department, Lipetsk State Technical University, Russia, Lipetsk.
Формат цитирования: Скоморохов П.И., Зацепина В.И. Обеспечение автономной работы устройств динамической компенсации искажений напряжения посредством ионисторно-аккумуляторной схемы // Вестник Чувашского университета. - 2019. - № 1. - С. 146-153.
