CC BY
1
Электротехнические комплексы и системы Electrotechnical complexes and systems
Научная статья УДК 621.314
DOI: 10.14529/power230304
СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПРИ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ И КОЛЕБАНИЯХ ТОКА НАГРУЗКИ
Б.Д. Табаров, behruz.tabarov@mail.ru В.А. Соловьев, epapu@knastu.ru А.В. Сериков, em@knastu.ru
Комсомольский-на-Амуре государственный университет, Комсомольск-на-Амуре, Россия
Аннотация. В статье рассматриваются проблемы, связанные с повышением качества электроэнергии и обеспечением нормальной работы промышленных систем электроснабжения при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки. Для устранения этих проблем в работе предлагается новый тип управляемого регулятора напряжения взамен известных механических регуляторов напряжения типа РПН и ПБВ. Приводятся результаты исследования качества электроэнергии и эффективности работы систем электроснабжения при стационарных и динамических процессах. Приводятся интегральные характеристики для систем электроснабжения с известным и новым управляемым регуляторами напряжения. Исследование проводилось в среде MATLAB на модели цехового трансформатора предприятия с существующим и предлагаемым управляемым регулятором напряжения мощностью 1000 кВА и напряжением 6/0,4 кВ. Полученные результаты численных экспериментов при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки подтверждают, что предлагаемый управляемый регулятор напряжения обладает способностью сохранить высокое значение качества электроэнергии и эффективность работы систем электроснабжения, а также сохранить их нормальный режим работы и продлить срок службы электрооборудования систем электроснабжения.
Ключевые слова: система электроснабжения, управляемый регулятор напряжения, системы импульсно-фазового управления, активно-индуктивная нагрузка, качество электроэнергии и энергетические показатели
Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (номер гранта: МК-3799.2022.4).
Для цитирования: Табаров Б.Д., Соловьев В.А., Сериков А.В. Система стабилизации напряжения потребителей при нестабильности питающего напряжения и колебаниях тока нагрузки // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2023. Т. 23, № 3. С. 41-50. DOI: 10.14529/power230304
Original article
DOI: 10.14529/power230304
A VOLTAGE STABILIZATION SYSTEM FOR VOLTAGE SUPPLY INSTABILITY AND LOAD CURRENT FLUCTUATIONS
B.D. Tabarov, behruz.tabarov@mail.ru
V.A. Solovyеv, epapu@knastu.ru
A.V. Serikov, em@knastu.ru
Komsomolsk-na-Amure State University, Komsomolsk-on-Amur, Russia
Abstract. This article discusses improving the quality of electricity and ensuring the normal operation of industrial power supply systems during voltage supply instability and load current fluctuations. To eliminate these problems, a new type of voltage regulator is proposed instead of mechanical voltage regulators. The quality of electricity and the efficiency of power supply systems in stationary and dynamic processes are presented. Integral characteristics for power
© Табаров Б.Д., Соловьев В.А., Сериков А.В., 2023
supply systems with known and new voltage regulators are given. The study was conducted in the MATLAB environment on the model of a workshop transformer of with a capacity of 1000 kVA and a voltage of 6/0.4 kV. The results of numerical experiments with the instability of the supply voltage and load current fluctuations confirm that the proposed voltage regulator has the ability to maintain a high quality of electricity and the efficiency of power supply systems, and to maintain their normal operation and extend the service life of the electrical equipment of power supply systems.
Keywords: power supply system, voltage regulator, pulse-phase control systems, active-inductive load, power quality and energy indicators
Acknowledgments. The study was carried out with the financial support of the Presidential Grants Council for state support of young Russian PhDs (grant number: MK-3799.2022.4).
For citation: Tabarov B.D., Solovyev V.A., Serikov A.V. A voltage stabilization system for voltage supply instability and load current fluctuations. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2023;23(3):41-50. (In Russ.) DOI: 10.14529/power230304
Введение
На сегодняшний день во всех отраслях систем электроснабжения вопрос повышения качества электроэнергии и сохранения его значения на заданном (номинальном) уровне является актуальным [1-3]. Поддержание качества электроэнергии на заданном уровне позволяет не только обеспечить нормальную работу технологических установок, но и улучшить в целом технико-экономические показатели систем электроснабжения [4-8]. Для достижения этого на производстве применяются разнообразные технические решения по повышению качества электроэнергии, среди которых достаточно широко распространены механические регуляторы напряжения типа ПБВ и РПН [9, 10]. Для снижения уровня колебаний напряжения, например, в сетях питания металлургических предприятий и электрофицированного транспорта достаточно широко применяют РПН [10]. Опыт эксплуатации систем электроснабжения показывает и подтверждает, что известные механические регуляторы напряжения не удовлетворяют базовым требованием систем электроснабжения по качеству электроэнергии, а в некоторых случаях могут вызвать нарушение основного цикла технологического процесса [11, 12]. И как следствие, это приводит к затягиванию процесса производства продукции и ухудшению качества выпускаемой продукции, что отражается на снижении технико-экономических показателей систем электроснабжения [13, 14]. Следует отметить, что к недостаткам существующих регуляторов напряжения, оказывающих влияние на показатели качества электроэнергии, относятся низкое быстродействие и сравнительно невысокая точность регулирования напряжения [15, 16], которые приводят также к сокращению срока службы и выходу из строя электрооборудования у потребителей электрической энергии [17]. Для устранения выше отмеченных недостатков в работе предлагается построение системы электроснабжения на основе двухподдиапазонного реактор-но-тиристорного управляемого регулятора напряжения (ДР-ТУРН) [18].
1. Цель и задачи исследований
Целью работы является обеспечение нормальной работы, повышение качества электроэнергии и эффективности работы всех отраслей систем электроснабжения, а также сохранение срока службы ее электрооборудования за счет сохранения уровня напряжения на номинальном значении при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки.
Для достижения поставленной цели в работе ставились и решались следующие задачи:
1) выполнить аналитическое исследование информационных источников по проблеме обеспечения нормальной работы, улучшения качества электроэнергии и эффективности работы всех отраслей систем электроснабжения, а также сохранения срока службы её электрооборудования при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки;
2) разработать новый принцип построения систем электроснабжения с предлагаемым управляемым регулятором напряжения для устранения недостатков существующих механических регуляторов напряжения и улучшения технико-экономических показателей систем электроснабжения во всех режимах работы сети и нагрузки;
3) разработать блочно-модульную модель системы электроснабжения с известным и предлагаемым регулятором напряжения для проведения исследований и оценки эффективности работы систем электроснабжения в стационарных и динамических процессах;
4) исследовать стабилизации напряжения у потребителей при номинальном напряжении в сети и номинальной нагрузке по штатной и новой схеме регулятора напряжения;
5) исследовать стабилизации напряжения у потребителей при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки по штатной и новой схеме регулятора напряжения;
6) построить внешнюю и регулировочную характеристики, а также характеристики стабилизации напряжения для определения диапазона поддержания напряжения на номинальном значении и
Рис. 1. Блочно-модульная модель анализируемой системы электроснабжения Fig. 1. Block-modular plan of the power supply system
оценки эффективности работы регулятора напряжения при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки.
2. Разработка имитационной модели предлагаемого управляемого регулятора напряжения в составе цехового трансформатора
Исследование стабилизации напряжения у потребителей при нестабильности питающего напряжения и колебаниях тока нагрузки проводилось на специализированном программном комплексе системы электроснабжения в среде МАТЬАБ [19]. Важно отметить, что на блок датчика отклонения напряжения (ДОН) с правой стороны в качестве задающего сигнала выступает действующее значение контролируемого параметра, который указывает, что обратная связь осуществляется по действующим значением контролируемого параметра исследуемого объекта. В качестве контролируемого параметра принималось действующее значение заданного напряжения (из) исследуемого объекта, которое равно из = 220 В. Описание применяемой системы управления и в целом принцип работы предлагаемой системы ДР-ТУРН в составе цехового трансформатора при стабилизации напряжения у потребителей в более широкой интерпретации представлены в работе [18].
Модель, представленная на рис. 1, разработана на основе функциональной схемы анализируемой системы электроснабжения [18] и состоит из блока питающей сети (ПС), линии электропередачи (ЛЭП), блока сетевого выключателя ^1), мо-
дулей основных (ТК-1) и дополнительных (ТК-2) тиристорных ключей, синхронизированных с сетью и с блоками систем импульсно-фазового управления СИФУ-1 и СИФУ-2, блока контактора (АС), основного (Ь1) и дополнительного (Ь2) реакторов, цехового трансформатора ЦТ, блоков датчика отклонения напряжения (ДОН) и обратной связи (БОС), блока выключателя нагрузки Qн, блоков активно-индуктивных нагрузок (2), блоков гибридных пускателей нагрузок (ГП-1, ГП-2 и ГП-3) и блока формирователя управляющих импульсов (ФУИ) тиристорных пускателей.
3. Результаты исследования стабилизации
напряжения у потребителей с существующим
и предлагаемым регулятором напряжения
Ниже рассмотрены результаты исследования стабилизации напряжения у потребителей по штатной и новой схеме регулятора напряжения при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки. На осциллограммах (рис. 2, 3) приведены мгновенные и действующие значения токов и напряжений, которые обозначены: ис и ис -мгновенные и действующие значения напряжения сети; г'с и 1с - мгновенные и действующие значения тока сети; ин и ин - мгновенное и действующие значения напряжения нагрузки; 'н и 1н - мгновенные и действующие значения тока нагрузки. Здесь на интервалах времени Т-1, Т-2 и Т-3 приведены фрагменты реакции выше указанных параметров на управляющие воздействия в системе, которые иллюстрируют процесс стабилизации напряжения у потребителей при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки.
ас/ю,в; te, A; «h,b;Uh,b;Îh/8,A
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
а)
b)
Рис. 2. Осциллограммы токов и напряжения при нестабильности питающего напряжения и тока нагрузки Fig. 2. Oscillograms of voltage and current during fluctuations of the supply voltage and load current
Uc/10,B: 1с,А;ан,В;ин,В;1н/8,А
а)
uc/io,b;«.h,b;Uh,b;îh/8,A
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
b)
uc/IO,B;IC,A;Uh,B;IH/8,A
Чс I ~--~A -
/UH ; -— 1 / 1
4IH! -H
^^ \
t|I I Ic i Ti2 . | . T-3
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
С)
Рис. 3. Осциллограммы мгновенных и действующих значений токов
и напряжения при стабилизации напряжения у потребителей Fig. 3. Waveforms of the instantaneous and effective values of currents and voltages during voltage stabilization
На рис. 2 приведенные осциллограммы иллюстрируют работу механического регулятора напряжения типа ПБВ при стабилизации напряжения у потребителей при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки. Исследование режима стабилизации напряжения у потребителей осуществлялось на примере цехового трансформатора предприятия, имеющего механический регулятор напряжения типа ПБВ, обеспечивающего питание промышленных активно-индуктивных нагрузок. Здесь приведены осциллограммы мгновенных (рис. 2а) и действующих (рис. 2b) значений токов и напряжения питающей сети, а также промышленной нагрузки. На осциллограммах рис. 2а и рис. 2b на интервале времени Т-1 приведены фрагменты из номинального режима работы цехового трансформатора, где цеховой трансформатор работает при номинальном напряжении питающей сети и токе нагрузки. Как видно из этого интервала времени (Т-1), напряжение у потребителей равно номинальному значению (кривые ин и ин). Окончание интервала времени Т-1 и начало интервала времени Т-2 характеризуются одновременным скачкообразным изменением напряжения и тока в сети и на нагрузке, в результате чего напряжение питающей сети снижается на 5 % (кривые ис и ис) и повышается ток нагрузки на 35 % (кривые /н и /н) относительно номинального значения, которые приведут к снижению напряжения у потребителей до ин = 194 В.
Кривые токов и напряжений на интервале времени Т-3 (см. рис. 2) отражают процессы в системе при пониженном напряжении питания на 5 % и возрастании тока нагрузки еще на 35 %. В результате нагрузка цехового трансформатора возрастает до 140 %, а просадка напряжения у потребителей возрастает примерно до 30 В.
На основании полученных результатов исследования физических процессов при нестабильности напряжения сети и тока промышленной нагрузки можно отметить, что существующие механические регуляторы напряжения, в частности регуляторы напряжения типа ПБВ, не обеспечивают сохранения качественных показателей электроэнергии у потребителей на уровне номинальных значений, что приводит к снижению эффективности работы установки, нарушению технологических процессов, созданию неудобств для эксплуатирующего персонала, а также к сокращению срока службы работы электрооборудования у потребителей электроэнергии и выхода их из строя.
Как отмечалось выше, с целью устранения этих проблем в работе предлагается новый тип управляемого регулятора напряжения на основе ДР-ТУРН [18] взамен известных механических регуляторов напряжения типа ПБВ и РПН.
Основные результаты исследования, демонстрирующие эффективность стабилизации напряжения у потребителей с предлагаемым регулятором,
приведены на рис. 3. Исследования стабилизации напряжения у потребителей проводились на той же модели цехового трансформатора предприятия, обеспечивающего питание промышленной активно-индуктивной нагрузки при угле сдвига нагрузки ф = 45 град. На рис. 3 приведенные осциллограммы иллюстрируют работу предлагаемого управляемого регулятора напряжения типа ДР-ТУРН при стабилизации напряжения у потребителей при разных уровнях напряжения питающей сети и тока промышленной нагрузки. Предлагаемый управляемый регулятор напряжения при разных уровнях напряжения питающей сети и тока промышленной нагрузки стабилизирует напряжение у потребителей следующим образом.
Номинальный уровень. Сохранение напряжения у потребителей на номинальном значении на этом уровне достигается за счет управления основными тиристорными ключами ТК-1 и дополнительным реактором L2 при номинальном напряжении питающей сети и номинальной нагрузке. Протекающий физический процесс иллюстрируют фрагменты, приведенные на интервале времени Т-1 (см. рис. 3). На этом интервале времени цеховой трансформатор работает на номинальном режиме и загружен на 70 %. Основные тиристор-ные ключи ТК-1 на этом уровне полностью включены (а = 15 град.) и напряжение на входе цехового трансформатора прикладывается только через основные тиристорные ключи ТК-1 и дополнительный реактор L2. Дополнительные тиристорные ключи ТК-2 и основной реактор L1 на этом интервале времени полностью выключены.
Кривые токов и напряжений, приведенные на интервале времени Т-1, наглядно иллюстрируют, что предлагаемое устройство не вносит дополнительных гармоник в форму входного и выходного тока и напряжения, сохраняет их синусоидальность, что позволяет утверждать о комплексном повышении качества электроэнергии во всей системе электроснабжения.
Промежуточный уровень. Поддержание напряжения у потребителей на номинальном уровне обеспечивается управлением основными ТК-1 и дополнительными ТК-2 тиристорными ключами, а также дополнительным реактором L2 при пониженном напряжении в питающей сети и повышенном токе нагрузки. Как видно из рис. 3, скачкообразное уменьшение напряжения в сети на 5 % и повышение тока нагрузки на 35 % от номинального уровня, возникающее на границе интервалов Т-1 и Т-2, обуславливает появление сигнала, который с датчика отклонения напряжения через блок обратной связи подает команду на блок СИФУ-2 для частичного включения в работу дополнительных тиристорных ключей ТК-2 в начале интервала времени Т-2 ^ = 0,038 с). Блок СИФУ-2 после получения команды на включение дополнительных тиристорных ключей ТК-2 формирует импульсы и
подает команду на управляющие входы ТК-2 для их частичного включения, и они на указанном интервале времени вступают в работу и частично шунтируют основные тиристорные ключи ТК-1 и дополнительный реактор L2 и стабилизируют напряжение у потребителей на заданном уровне. Дополнительные тиристорные ключи ТК-2 на этом уровне частично находятся в работе при угле их проводящего состояния а = 40 град. Дополнительный реактор L2 при промежуточном уровне также выключен. Благодаря предлагаемому устройству на этом интервале времени, несмотря на изменение напряжения питающей сети и тока нагрузки, напряжение у потребителей остается постоянным и не снижается от заданного (номинального) значения. Кроме того, при использовании такого регулятора напряжения на этом уровне происходит незначительное искажение формы выходного напряжения, которое укладывается в нормы, установленные ГОСТ 33073-2014 по искажению напряжения на высокой и низкой стороне трансформатора [20, 21]. На рис. 3 на интервале времени Т-2 кривая ин иллюстрирует искажение формы выходного напряжения регулятора. Следует отметить, что на этом уровне цеховой трансформатор загружен на 105 %.
Максимальный уровень. Обеспечение напряжения у потребителей на номинальном значении при максимальном уровне достигается только при помощи дополнительных тиристорных ключей ТК-2. На этом уровне основные тиристорные ключи ТК-1, а также основной L1 и дополнительный L2 реакторы полностью шунтированы дополнительными тиристорными ключами ТК-2 и напряжение на входе цехового трансформатора прикладывается только через дополнительные тири-сторные ключи ТК-2. Из анализа кривых, приведенных на рис. 3, наглядно прослеживается, что скачкообразное повышение тока нагрузки на 35 % относительно предыдущего уровня при сохранении пониженного напряжения питающей сети на границе интервалов времени Т-2 и Т-3 приводит к загрузке цехового трансформатора на 140 %. На интервале времени Т-3 повышение тока нагрузки приводит к появлению сигнала с датчика отклонения напряжения, который через блок обратной связи поступает на СИФУ-2 (сигнал об уменьшении напряжения у потребителей). Последняя, в свою очередь, формирует команды на управляющих входах тиристорных ключей для полного включения дополнительных тиристорных ключей ТК-2, в результате чего они полностью включаются и шунтируют основные тиристорные ключи ТК-1 и дополнительный реактор L2. Дополнительные тиристорные ключи ТК-2 на этом уровне полностью включены при а = 15 град. и стабилизируют напряжение у потребителей на номинальном значении и препятствуют снижению напряжения. Использование предлагаемого регу-
лятора напряжения на этом уровне, как и при номинальном уровне не оказывает влияние на форму входного и выходного тока и напряжения, протекающего через регулятор, и сохраняет их синусоидальность, что обеспечивает комплексное повышение качества электроэнергии систем электроснабжения.
На осциллограмме рис. 3а приведены мгновенные значения тока и напряжения в сети и на нагрузке, а также действующее значение напряжения на нагрузке при разных уровнях питающего напряжения и тока нагрузки. Фрагменты, которые представлены на осциллограмме рис. 3Ь, иллюстрируют изменения мгновенных значений тока и напряжения на нагрузке, а также действующих значений напряжения в питающей сети и на нагрузке при стабилизации напряжения у потребителей. На рис. 3с для большей наглядности, приведены осциллограммы действующих значений тока и напряжения в питающей сети и на нагрузке при скачкообразных изменениях возмущающих воздействий сети и нагрузки.
Анализ результатов исследования, приведенных на рис. 3, показывает, что предлагаемый управляемый регулятор напряжения обладает способностью повысить качество электроэнергии и сохранить нормальную работу систем электроснабжения при возникновении внешних и внутренних возмущений сети и нагрузки.
На рис. 4 приведены интегральные характеристики системы электроснабжения, отражающие регулировочные и стабилизационные свойства регулятора. При этом на рис. 4а приведена внешняя, а на рис. 4Ь, d - регулировочные характеристики основных ТК-1 и дополнительных ТК-2 тиристорных ключей, и на рис. 4 с - характеристики стабилизации напряжения при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки по известным и предлагаемым схемам регуляторов напряжения. Построение характеристик выполнялось следующим образом. Внешние характеристики (см. рис. 4а) - естественная 1 и искусственная 2 - построены при фиксированных углах управления тиристорных ключей при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки. Регулировочные характеристики рассчитаны при изменении углов управления основными ТК-1 (см. рис. 4Ь) и дополнительными ТК-2 (рис. 4d) тиристор-ными ключами таким образом, чтобы при изменении напряжения в сети (рис. 4Ь и рис. 4d, кривая 1) и тока на нагрузке (рис. 4Ь и рис. 4d, кривая 2) напряжение у потребителей оставалось постоянным (см. рис. 4с). Характеристика стабилизации напряжения на нагрузке построена с учётом регулировочной характеристики.
Изменения диапазонов углов управления предлагаемой системы ДР-ТУРН при стабилизации напряжения у потребителей в целом зависят от характера активно-индуктивной нагрузки и его
5000
4000
3000
Д-
,2 „
а)
Угол управления, b)
град
Рис. 4. Характеристики анализируемой системы электроснабжения при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки Fig. 4. The power supply system at different supply voltages and load currents
угла сдвиг фаз (ф) между фазным напряжением и током, а также от уровня отклонения и колебания напряжения исследуемого объекта. Для конкретики в качестве примера приведены результаты исследования системы при активно-индуктивной нагрузке с углом сдвига ф = 45 град., при снижении напряжения в питающей сети до минимального уровня и ступенчатом изменении тока нагрузки до максимального значения. При этом угол управления основных тиристорных ключей ТК-1 меняется от 15 до 175 град. (см. рис. 4Ь), а угол управления дополнительных тиристорных ключей ТК-2 меняется от 15 до 129 град. (см. рис. 4г). Плавное или дискретное изменение углов управления основных ТК-1 и дополнительных ТК-2 тиристор-ных ключей зависит от уровня и величины диапазона отклонения и колебаний напряжения исследуемого объекта, а также от характера активно-индуктивной нагрузки.
Выявление характера и диапазонов изменения углов управления тиристорными ключами при варьировании мощности питающей сети, изменении характера нагрузки и появлении средства компенсации реактивной мощности являются материалом отдельного исследования и будут приведены в следующих публикациях.
Необходимо особо выделить, что предлагаемый управляемый регулятор напряжения в составе цехового трансформатора позволяет стабильно поддерживать уровень напряжения у потребителей на номинальном значении при нестабильности напряжения питающей сети и тока нагрузки. Это подтверждает кривая действующего напряжения
иш которая показана на осциллограммах рис. 3, из которой видно, что при изменении напряжения питающей сети и тока нагрузки напряжение у потребителей остается постоянным (см. рис. 4с). Стоит отметить, что предлагаемый двухподдиапа-зонный реакторно-тиристорный управляемый регулятор напряжения (ДР-ТУРН) при увеличении тока нагрузки в зоне 3000 А (см. рис. 4с) сохраняет уровень напряжения у потребителей на заданном (номинальном) значении за счет подключения дополнительных тиристорных ключей ТК-2, с помощью которых трансформатор выводится на максимум числа витков первичной обмотки.
Необходимо добавить, что, учитывая величины отклонения и колебания напряжения в системах электроснабжения, для каждого исследуемого объекта можно разработать собственный (индивидуальный) ДР-ТУРН с определенными индуктивными сопротивлениями реакторов и способом управления системы ДР-ТУРН. Это позволяет расширить функциональные возможности предлагаемой системы ДР-ТУРН и сохранить высокое значение технико-экономических показателей установки.
Предлагаемый ДР-ТУРН также обладает способностью сохранить уровень напряжения в системах электроснабжения на номинальном значении при повышении напряжения питающей сети и (или) снижении тока нагрузки. Это достигается при помощи суммарного сопротивления основного L1 и дополнительного L2 реакторов при полностью закрытых основных ТК-1 и дополнительных ТК-2 тиристорных ключах.
Стоит также отметить, что исследование влияния работы предлагаемого устройства на коэффициент мощности в точке подключения к питающей сети проводились, но в рамках данной публикации не приведены. Полученные результаты исследования подтверждают повышение эффективности работы питающей сети и пропускной способности линии электропередачи.
Заключение
Полученные результаты исследования стабилизации напряжения у потребителей по штатной и новой схеме регулятора напряжения при нестабильности питающего напряжения и колебаниях тока нагрузки позволили сделать следующие выводы.
1. Существующие регуляторы напряжения не обладают способностью сохранения напряжения у потребителей на уровне номинального значения, что приводит к ухудшению качества электроэнергии, снижению эффективности работы, нарушению нормальной работы и технологического процесса производства, сокращению срока службы установки, в результате чего возникает аварийная остановка или выход из строя установки, что в целом ухудшает технико-экономические показатели систем электроснабжения.
2. Результатами численного эксперимента установлено, что применение предлагаемого регулятора напряжения взамен известных механических регуляторов напряжения позволяет устранить недостатки существующих регуляторов напряжения и сохранить уровень напряжения у потребителей на номинальном значении, несмотря на плавное или дискретное изменение напряжения питающей сети и тока нагрузки, что приводит к повышению качества электроэнергии и эффективности работы систем электроснабжения, а также к обеспечению нормальной работы технологического производства и повышению качества выпускаемой продукции и в целом улучшению технико-экономических показателей установки.
3. Предлагаемый регулятор напряжения незначительно искажает синусоидальность формы выходного напряжения и только на промежуточном уровне, при этом искажение формы выходного напряжения при промежуточном уровне соответствует ГОСТ 33073-2014 и не выходит за пределы допускаемой нормы. На остальных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки синусоидальность формы входных и выходных токов и напряжения полностью сохраняется, что характеризует эффективность его работы.
Список литературы
1. Лоскутов А.Б., Фитасов А.Н., Петрицкий С.А. Оценка энергетической эффективности применения напряжения 0,95 кВ в системе электроснабжения с распределенной нагрузкой // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 2019. № 3 (126). С. 73-79. DOI: 10.46960/1816-210X_2019_3_73
2. Classification of Power Quality Disturbances Via Deep Learning / J. Ma, J. Zhang, L. Xiao et al. // IETE Technical Review. 2017. Vol. 34, no. 4. P. 408-415. DOI: 10.1080/02564602.2016.1196620
3. Климаш В.С., Константинов А.М. Устройство для повышения качества напряжения и энергетических показателей трансформаторных подстанций // Известия ТулГУ. Технические науки. 2019. Вып. 9. С. 570-581.
4. Файда Е.Л., Сивкова А.П. Трансформаторные стабилизаторы переменного напряжения с регулированием на первичной стороне // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2014. Т. 14, № 3. С. 41-45.
5. Klavsuts D.A., Klavsuts I.L., Levinzon S.V. New Method for Regulating Voltage an AC Current // Proceeding of 46th International Universities' Power Engineering Conference - UPEC 2011. Section «Power Conversion». Germany: South Westphalia University of applied Sciences, Soest, September, 5-8, 2011. DOI: 10.1109/upec.2012.6398686
6. Fishov A.G., Klavsuts D.A., Klavsuts I.L. Multi-Agent Regulation of Voltage in Smart Grid System with the Use of Distributed Generation and Customers // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 698. P. 761-767. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.698.761
7. Edson H.W., Richard M.S., Mauricio A. New Concepts of Instantaneous Active and Reactive Power in Electrical Systems With Generic Loads // IEEE Transactions on Power Delivery. 1993. Vol. 8. DOI: 10.1109/61.216877
8. Насыров Р.Р., Тульский В.Н., Карташев И.И. Система активно-адаптивного регулирования напряжения в распределительных электрических сетях 110-220/6-20 кВ // Электричество. 2014. № 12. C. 13-18.
9. Xiao H., Zhu C., Liu F. Research of Power Quality Management Technology According to Distribution Network Involving Electric Arc Furnace // Proceedings of the 2012 4th International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics (IHMSC). Nanchang, Jiangxi (China), 2012. P. 7-10. DOI: 10.1109/IHMSC.2012.8
10. Akagi H., Kanazawa Y., Nabae A. Generalized theory of the instantaneous reactive power in three-phase circuits // IPEC'83-Int. Power Electronics Conf. Tokyo, Japan, 1983. P. 1375-1386. DOI: 10.1002/eej.4391030409
11. Power Quality Measurements in a Steel Industry with Electric Arc Furnaces / P.E. Issouribehere, J.C. Barbero, F. Issouribehere, A. Barbera // Proceedings of the Power and Energy Society General Meeting -
Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century. Pittsburgh, PA (USA): IEEE, 2008. P. 1-8. DOI: 10.1109/PES.2008.4596177
12. Николаев А.А. Повышение эффективности работы электротехнического комплекса «дуговая сталеплавильная печь - статический тиристорный компенсатор»: моногр. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2017. 318 с.
13. Modeling and analysis of common-mode voltages generated in medium voltage / J. Rodriguez, L. Moran, J. Pontt et al. // IEEE Transactions on Power Electronics. 2003. Vol. 18, no. 3. p. 873-879. DOI: 10.1109/TPEL.2003.810855
14. Николаев А.А., Анохин В.В. Управление устройством РПН сетевого трансформатора с учетом режимов работы электросталеплавильного комплекса // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2018. Т. 18, № 3. С. 61-74. DOI: 10.14529/power180308
15. Перетятько В.А. Проблемы регулирования напряжения // Вестник Черниговского государственного технического университета. Серия «Технические науки». 2011. № 1 (47). С. 142-151.
16. Power flow control device prototype tests / E. Sosnina, A. Loskutov, A. Asabin et al. // IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Asia. 2016. P. 312-316. DOI: 10.1109/isgt-asia.2016.7796404
17. Евдокимов С.А. Контроль технического состояния РПН трансформатора сверхмощной дуговой сталеплавильной печи // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2014. Т. 14, № 1. С. 22-30.
18. Пат. 2667095 Российская Федерация: МПК Н02М 5/25, G05F1/30. Способ управления пускорегу-лирующим устройством силового трансформатора / В.С. Климаш, Б.Д. Табаров; заявитель и патентообладатели В.С. Климаш, Б.Д. Табаров. № 2017147194; заявл. 29.12.2017; опубл. 14.09.2018. Бюл. № 26.
19. Свид. 2022611670 Российская Федерация. Блочно-модульная модель двухтрансформаторной подстанции с двухподдиапазонным реакторно-тиристорным устройством / В.С. Климаш, Б.Д. Табаров; заявитель и патентообладатели В.С. Климаш, Б.Д. Табаров. № 2022610782/69; заявл. 24.01.2022; опубл. 31.01.2022. Бюл. № 2.
20. ГОСТ 33073-2014. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2019. С. 47.
21. Волков Н.Г. Качество электроэнергии в системах электроснабжения: учеб. пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. 152 с.
References
1. Loskutov A.B., Fitasov A.N., Petritsky S.A. [Evaluation of energy efficiency of 0.95 kV voltage application in a distributed load power supply system]. Transactions of Nizhni Novgorod state technical university n.a. R.Y. Alexeev. 2019;3(126):73-79. (In Russ.) DOI: 10.46960/1816-210X_2019_3_73
2. Ma J., Zhang J., Xiao L., Chen K., Wu J. Classification of Power Quality Disturbances Via Deep Learning. IETE Technical Review. 2017;34(4):408-415. DOI: 10.1080/02564602.2016.1196620
3. Klimash V.S., Konstantinov A.M. Device for increasing voltage quality and energy indicators of transformer substations. Izvestiya TulSU. Technical sciences. 2019;9:570-581. (In Russ.)
4. Faida E.L., Sivkova A.P. Transformer stabilizers of alternating voltage with regulation on the primary side. Bulletin of the South Ural State University Ser. Power Engineering. 2014;14(3):41-45. (In Russ.)
5. Klavsuts D.A., Klavsuts I.L., Levinzon S.V. New Method for Regulating Voltage an AC Current. In: Proceeding of 46th International Universities' Power Engineering Conference - UPEC 2011. Section "Power Conversion". Germany: South Westphalia University of applied Sciences, Soest, September, 5-8, 2011. DOI: 10.1109/upec.2012.6398686
6. Fishov A.G., Klavsuts D.A., Klavsuts I.L. Multi-Agent Regulation of Voltage in Smart Grid System with the Use of Distributed Generation and Customers. Applied Mechanics and Materials. 2014;698:761-767. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.698.761
7. Edson H.W., Richard M.S., Mauricio A. New Concepts of Instantaneous Active and Reactive Power in Electrical Systems With Generic Loads. IEEE Transactions on Power Delivery. 1993;8. DOI: 10.1109/61.216877
8. Nasyrov R.R., Tulsky V.N., Kartashev I.I. [System of active-adaptive voltage regulation in 110-220/6-20 kV distribution electric networks]. Elektrichestvo. 2014;12:13-18. (In Russ.)
9. Xiao H., Zhu C., Liu F. Research of Power Quality Management Technology According to Distribution Network Involving Electric Arc Furnace. In: Proceedings of the 2012 4th International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics (IHMSC). Nanchang, Jiangxi (China), 2012. P. 7-10. DOI: 10.1109/IHMSC.2012.8
10. Akagi H., Kanazawa Y., Nabae A. Generalized theory of the instantaneous reactive power in three-phase circuits. In: IPEC'83-Int. Power Electronics Conf. Tokyo, Japan; 1983. P. 1375-1386. DOI: 10.1002/eej.4391030409
11. Issouribehere P.E., Barbero J.C., Issouribehere F., Barbera A. Power Quality Measurements in a Steel Industry with Electric Arc Furnaces. In: Proceedings of the Power and Energy Society General Meeting -
Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century. Pittsburgh, PA (USA): IEEE; 2008. P. 1-8. DOI: 10.1109/PES.2008.4596177
12. Nikolaev A.A. Povyshenie effektivnosti raboty elektrotekhnicheskogo kompleksa "dugovaya stale-plavil'naya pech' - staticheskiy tiristornyy kompensator": monogr. [Increasing the efficiency of the electrical complex "arc steel-smelting furnace - static thyristor compensator": monograph]. Nosov Magnitogorsk State Technical University Publ.; 2017. 318 p. (In Russ.)
13. Rodriguez J., Moran L., Pontt J., Osorio R., Kouro S. Modeling and analysis of common-mode voltages generated in medium voltage PWM-CSI drives. IEEE Transactions on Power Electronics. 2003;18(3):873-879. DOI: 10.1109/TPEL.2003.810855
14. Nikolaev A.A., Anokhin V.V. Controlling the OnLoad tap Changer Control of a Step-Down Transformer Taking into Account the Operating Parameters of the Electric-Arc Steelmaking Facility. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2018;18(3):61-74. (In Russ.) DOI: 10.14529/power180308
15. Peretyatko V.A. Problems of voltage regulation. Visnyk of Chernihiv State Technological University. Series "Technicalsciences". 2011;1(47):142-151. (In Russ.)
16. Sosnina E., Loskutov A., Asabin A., Bedretdinov R., Kryukov E. Power flow control device prototype tests. IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Asia. 2016. P. 312-316. DOI: 10.1109/isgt-asia.2016.7796404
17. Evdokimov S.A. Technical state control of on-load tap changing transformer of ultra high power electric arc furnace. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2014;14(1):22-30. (In Russ.)
18. Klimash V.S., Tabarov B.D. Sposob upravleniya puskoreguliruyushchim ustroystvom silovogo transfor-matora [Method of controlling the start-up device of a power transformer]. Patent RF 2667095: IPC H02M 5/25, G05F1/30, no. 2017147194; decl. 29.12.2017; publ. 14.09.2018, Bul. no. 26. (In Russ.)
19. Klimash V.S., Tabarov B.D. Blochno-modul'naya model' dvukhtransformatornoy podstantsii s dvukhpoddiapazonnym reaktorno-tiristornym ustroystvom [Block-modular model of a two-transformer substation with a two-band reactor-thyristor device]. Certific. 2022611670, no. 2022610782/69; decl. 24.01.2022; publ. 31.01.2022, Bul. no. 2. (In Russ.)
20. GOST 33073-2014. [Electrical energy. Electromagnetic compatibility of technical means. Control and monitoring of the quality of electrical energy in general-purpose power supply systems]. Moscow: Standartinform Publ.; 2019. P. 47. (In Russ.)
21. Volkov N.G. Kachestvo elektroenergii v sistemakh elektrosnabzheniya: ucheb. posobie [The quality of electricity in power supply systems. Textbook]. Tomsk: Publishing House of Tomsk Polytechnic University; 2010. 152 p. (In Russ.)
Информация об авторах
Табаров Бехруз Довудходжаевич, канд. техн. наук, доц. кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок, Комсомольский-на-Амуре государственный университет, Комсомольск-на-Амуре, Россия; behruz.tabarov@mail.ru.
Соловьев Вячеслав Алексеевич, д-р техн. наук, проф., проф. кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок, Комсомольский-на-Амуре государственный университет, Комсомольск-на-Амуре, Россия; epapu@knastu.ru.
Сериков Александр Владимирович, д-р техн. наук, доц., заведующий кафедрой электромеханики, Комсомольский-на-Амуре государственный университет, Комсомольск-на-Амуре, Россия; em@knastu.ru.
Information about the authors
Bekhruz D. Tabarov, Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof. of the Department of Electric Drives and the Automation of Industrial Installations, Komsomolsk-na-Amure State University, Komsomolsk-on-Amur, Russia; behruz.tabarov@mail.ru.
Vyacheslav A. Solovyеv, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Prof. of the Department Electric Drives and the Automation of Industrial Installations, Komsomolsk-na-Amure State University, Komsomolsk-on-Amur, Russia; epapu@knastu.ru
Aleksandr V. Serikov, Dr. Sci. (Eng.), Ass. Prof., Head of the Department of Electromechanics, Komso-molsk-on-Amur State University, Komsomolsk-na-Amure State University, Komsomolsk-on-Amur, Russia; em@knastu.ru.
Статья поступила в редакцию 30.03.2023; одобрена после рецензирования 19.05.2023; принята к публикации 19.05.2023.
The article was submitted 30.03.2023; approved after review 19.05.2023; accepted for publication 19.05.2023.
