CC BY
14
2022 Электротехника, информационные технологии, системы управления № 42 Научная статья
DOI: 10.15593/2224-9397/2022.2.01 УДК 621.314
В.С. Климаш1, А.М. Константинов2
Комсомольский-на-Амуре государственный университет, Комсомольск-на-Амуре, Россия 2 Дальневосточный государственный университет путей сообщения,
Хабаровск, Россия
УПРАВЛЯЕМЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ
Рассмотрена проблема нестабильного напряжения у трёхфазных потребителей электроэнергии при их питании от трансформаторных подстанций напряжением 10/0,4 кВ. Современные промышленные потребители получают электроэнергию, не отвечающую установленным стандартам качества и оказывающую неблагоприятное влияние на электрооборудование. Одним из направлений решения указанной проблемы по повышению качества питающего напряжения является применение устройств регулирования и стабилизации напряжения. Однако эти устройства как среди отечественных, так и мировых разработок по техническим параметрам на сегодняшний день перестают соответствовать критериям обновления современных электрических систем. Целью исследования является усовершенствование управляемого стабилизатора переменного напряжения с трёхфазным звеном повышенной частоты трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ, который обеспечивает высокое качество напряжения у потребителей без ухудшения энергетических показателей в сети и нагрузке. Методы исследования и результаты: интегральным исчислением получены аналитические соотношения для действующего значения напряжения на нагрузке и его первой гармоники в процессе стабилизации, на основании которых выполнено построение регулировочных характеристик стабилизатора напряжения при управлении двухмостовым транзисторным инвертором напряжения. Гармонический анализ показал, что улучшение качества напряжения при регулировании на нагрузке достигается применением шестиподдиапазонного способа управления. На созданной имитационной модели в среде MatLab/Simulink проведен комплекс исследований пусковых, установившихся и переходных процессов в составе трансформаторной подстанции. Стабилизация напряжения на нагрузке производилась в замкнутой системе автоматического регулирования с обратной связью по напряжению при различных возмущающих факторах (отклонения напряжения в сети и на нагрузке). Проведенные численные эксперименты на модели с высокой достоверностью показали работоспособность управляемого стабилизатора в различных режимах работы с улучшением внешних характеристик трансформаторной подстанции, подтвердивших целесообразность его применения в составе подстанции. Практическая значимость: усовершенствованный управляемый стабилизатор с автоматической системой регулирования и улучшенными характеристиками для трансформаторной подстанции позволит обеспечить высококачественное напряжение, в таких промышленных системах электроснабжения, для которых точность и цикличность являются важными критериями для выпускаемой продукции.
Ключевые слова: электрическая система, FACTS, трансформаторная подстанция, силовой трансформатор, транзисторный выпрямитель, инвертор напряжения, управляемый стабилизатор напряжения, звено повышенной частоты.
V.S. Klimash1, A.M. Konstantinov2
Komsomolsk-na-Amure State University, Komsomolsk-na-Amure, Russian Federation
Far Eastern State Transport University, Khabarovsk, Russian Federation
CONTROLLED AC VOLTAGE STABILIZER OF TRANSFORMER SUBSTATIONS
The problem of unstable voltage in three-phase consumers of electricity when they are fed from transformer substations of 10/0,4 kV is considered. Modern industrial consumers receive electricity that does not meet the established quality standards and has an adverse effect on electrical equipment. One of the directions of solving the above problem to improve the quality of supply voltage is the use of voltage regulation and stabilization devices. However, these devices, both among domestic and global developments in terms of technical parameters to date, no longer meet the criteria for modern electrical systems update. The aim of the research is to develop a controllable stabilizer of alternating voltage with improved characteristics for transformer substations 10/0,4 kV, which provides high quality voltage for consumers without affecting the energy performance of the network and load. Methods of research and results: by integral calculus obtained analytical relationships for the effective value of the voltage on the load and its first harmonic in the stabilization process, based on which performed the construction of the regulating characteristics of the voltage regulator under the control of a two-bridge transistor voltage inverter. Harmonic analysis has shown that the improvement of voltage quality when regulating on load is achieved by using a six-bridge method of control. On the created simulation model in MatLab/Simulink environment a set of studies of starting, steady-state and transient processes in the transformer substation. Stabilization of voltage on the load was carried out in a closed-loop automatic control system with voltage feedback at various disturbing factors (voltage deviations in the network and the load). Conducted numerical experiments on the model with high confidence showed the performance of the controlled stabilizer in different modes of operation with the improvement of the external characteristics of the transformer substation, and confirmed the feasibility of its use as part of the substation. Practical significance: developed controlled stabilizer with automatic regulation system and improved characteristics for transformer substation, as the research showed, will provide constant quality voltage, especially for those industries, where repeatability and accuracy are fundamental factors in creating quality products.
Keywords: electrical system, FACTS, transformer substation, power transformer, transistor rectifier, voltage inverter, controlled voltage regulator, high frequency link.
Введение
В настоящее время в электроэнергетике всё большее применение находят устройства, выполненные на базе силовой электроники, в том числе применяемые совместно с трансформаторно-реакторным оборудованием. Управляемые преобразователи предназначены для решения широкого спектра задач, направленных на изменение режимных параметров с целью повышения эффективности, надежности и управляемости в электрических системах и сетях.
В документах о цифровом развитии электроэнергетики России [1, 2] предусматриваются новые подходы при создании устройств ре-
гулирования, которые направлены на усовершенствование их функциональных возможностей и улучшение характеристик.
Задачи управления решаются применением современных технологий и класса устройств, относящихся к управляемым системам передачи переменного тока (FACTS) [3]. Эти устройства подразделяются на несколько основных разновидностей [4], которые предназначены для изменения следующих режимных параметров: регулирование напряжения (реактивной мощности) в узлах подключения к электрической сети, увеличение максимально-допустимого перетока по активной мощности линий электропередач, обеспечение статической и динамической устойчивости электроэнергетической системы, регулирование перетоков мощности.
По способу управления вышеперечисленные устройства объединяются в две группы: со скалярным и векторным управлением [5]. К первой группе относят устройства, выполняющие регулирование (повышение или снижение) амплитуды напряжения в узле подключения к электрической сети: батареи конденсаторов (БСК) [6, 7], статические тиристорные компенсаторы (СТК) [8], шунтирующие реакторы (ШР, УШР) [9, 10]; регуляторы напряжения под нагрузкой (РПН) трансформаторов [11, 12], вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ) [13-15]. Ко второй группе относят устройства, выполняющие регулирование амплитуды и фазы напряжения: синхронные статические компенсаторы (СТАТКОМ) [16, 17], устройства для изменения фазы напряжения (ФПУ), в том числе фазоповоротные трансформаторы [18], компенсирующие устройства на базе преобразователей напряжения, совмещенные регуляторы потоков мощности (ОРПМ) [19], вставки постоянного тока (ВПТ) [20].
Необходимость применения устройств регулирования параметров электроэнергии для предприятий различных отраслей промышленности вызвано тем, что ключевыми становятся вопросы получения эле-троприёмниками более качественного напряжения и тока, отклонение которых от требований существующих стандартов происходит в силу различных причин.
Существующие устройства силовой электроники, предназначенные для повышения качества напряжения и тока в нашей стране, а также мировые разработки не полностью соответствуют предъявляемым
техническим требованиям и новой концепции развития электроэнергетики по ряду параметров.
В частности, подходы, заложенные в устройствах, предназначенных для регулирования напряжения РПН силовых трансформаторов или выпускаемых промышленностью стабилизаторов напряжения (например, типа СТС и др.) [21], которые находят применение в электрических сетях, для соответствия новой концепции в качестве активно-адаптивных элементов требуют пересмотра.
Вопросами, подлежащими решению, остаются: повышение качества выходного напряжения, снижение искажения потребляемого тока, улучшение электромагнитной совместимости с сетью, невысокие быстродействие и точность поддержания заданного выходного напряжения, дополнительное потребление реактивной мощности и отсутствие возможности для её компенсации и значительные массогабаритные показатели.
Разработка стабилизатора напряжения, адаптированного по электромагнитным параметрам к сети с улучшенными входными показателями по току и выходными показателями по напряжению, а также с частичной компенсацией реактивной мощности и улучшенными алгоритмами его управления, является актуальной технической и научной задачей. В приведенном исследовании предложен управляемый стабилизатор напряжения для трансформаторной подстанции с полупроводниковыми преобразователями и трёхфазным звеном повышенной частоты.
1. Основное содержание статьи
Структурная схема трансформаторной подстанции с управляемым стабилизатором напряжения нагрузки представлена на рис. 1.
Представленная на рис. 1 структурная схема подстанции 10/0,4 кВ с управляемым стабилизатором напряжения содержит [22]: СТ - силовой трансформатор подстанции, Ф1- входной Ь-фильтр, В - трёхфазный транзисторный выпрямитель, Ф2 - выходной ЬС-фильтр, ИН1 и ИН2 -первый и второй транзисторные мосты трёхфазного инвертора напряжения, ВТ - трёхфазно-шестифазный высокочастотный понижающий трансформатор, ЦК - циклический конвертор.
Подключение преобразователей управляемого стабилизатора осуществляется от вводов нагрузки, к которой параллельно подключен Ь-фильтр (Ф1), от которого получает питание трёхфазный транзистор-
ный выпрямитель (В), а также через фильтр LC-фильтр (Ф2) напряжение поступает на последовательно включенные двухмостовой инвертор напряжения (ИН1 и ИН2), высокочастотный трансформатор (ВТ) и циклический конвертор (ЦК). Циклический конвертор подключается к фазным выводам (см. рис. 1), предварительно разомкнутой нулевой точки вторичной обмотки силового трансформатора.
Сеть
Рис. 1. Структурная схема подстанции 10/0,4 кВ с управляемым стабилизатором напряжения
Первый преобразователь частоты (выпрямитель В с фильтром Ф1 и двухмостовой инвертор ИН с фильтром Ф2) управляемого стабилизатора (см. рис. 1) повышает частоту кратно числу фаз и частоте сети и выполнен со звеном постоянного напряжения, а второй преобразователь частоты (ЦК) выполнен с непосредственной связью. Второй преобразователь частоты из шестифазного напряжения на выходе высокочастотного трансформатора формирует регулируемое положительное или отрицательное трёхфазное добавочное напряжение с частотой, равной частоте сети.
Принцип стабилизации напряжения (см. рис. 1) заключается в получении на нагрузке суммарного напряжения, состоящего из преобразованного добавочного напряжения от устройства стабилизации и напряжения вторичных обмоток силового трансформатора.
В ходе исследования для достижения поставленной цели был принят ряд технических решений:
1) реверсивный трёхфазный выпрямитель выполнен транзисторным на ЮВТ-транзисторах с возможностью двухстороннего обмена энергией [23];
2) инвертор напряжения выполнен двухмостовым для шестипод-диапазонного регулирования напряжения и ускорения безинерционного регулирования выходного напряжения устройства при стабилизации.
Стабилизация напряжения на нагрузке производится как выпрямителем и двухмостовым инвертором напряжения, так и циклическим конвертором. В процесе стабилизации двухмостовым инвертором напряжения первый мост функционирует с углом регулирования транзисторами а, а второй мост с углом п - а. При таком регулировании возможны три поддиапазона для регулирования в сторону вольтопри-бавления и три поддиапазона при регулировании в сторону вольтовы-четания. Наименование поддиапазонов регулирования и интервалы изменения угла регулирования двухмостовым инвертором напряжения аи для каждого поддиапазона представлены в таблице.
Наименование поддиапазонов регулирования и интервалы
изменения угла регулирования двухмостового инвертора аи
Режим работы Наименование Интервал, град
Вольтоприбавление I поддиапазон 0-30
II поддиапазон 30-60
III поддиапазон 60-90
Вольто вычетание IV поддиапазон 90-120
V поддиапазон 120-150
VI поддиапазон 150-180
При управлении циклическим конвертором по отклонению напряжения на нагрузке регулируются передний и задний фронты высокочастотного напряжения на каждом его полупериоде.
Векторные диаграммы при стабилизации напряжения на нагрузке в составе трансформаторной подстанции показаны на рис. 2.
+1и\
и
и
УМ
-Аи I
и
>2? Г 'на ф. "ф н ✓ N
и
+и
д
/в
/2ТТ /на
фс
Фна
нс
Ж
ин
ин
нЬ К
а б
Рис. 2. Векторные диаграммы при стабилизации напряжения на нагрузке: а - режим вольтовычетания; б - режим вольтоприбавления
Как видно из векторных диаграмм (рис. 2, а, б), управляемый стабилизатор напряжения формирует вектор добавочного напряжения ид синфазно с вектором напряжения и2 во вторичной обмотке СТ. Направление вектора добавочного напряжения ид определяется тем, является напряжение в сети повышенным (+ДЦ) или пониженным (-ДЦ). Потребляемый устройством стабилизации напряжения ток /в, (на входе транзисторного выпрямителя) является синусоидальным и опережающим на 90 град фазу напряжения во вторичной обмотке СТ. Это приводит к смещению фазы тока во вторичной обмотке СТ в сторону опережения на угол фс относительно вектора тока нагрузки, таким образом обеспечивается частичная компенсация реактивной мощности СТ. При этом как в режиме вольтоприбавления, так и вольтовычетания вектор тока транзисторного выпрямителя не меняет своего направления и вне зависимости от режима смещает вектор тока /2 во вторичной обмотке СТ в сторону опережения.
Работа стабилизатора характеризуется через выведенные аналитические соотношения как для трёх поддиапазонов для вольтоприбавле-ния, так и трёх поддиапазонов для вольтовычетания с плавным изменением угла регулирования транзисторами двухмостового инвертора аи.
Величина действующего значения фазного напряжения нагрузки ин вычисляется через среднеквадратичное значение [24]:
и н (6) =
1 т
- / и2 (0>Ю,
(1)
где и(0) - мгновенное значение исследуемого напряжения, 0 = Ш.
Величина действующего значения первой гармоники напряжения нагрузки ин(1) определяется из выражения [24]:
ин0) (6) =
(2)
где а1 и Ь1 - коэффициенты тригонометрического ряда.
Действующее значение первой гармоники напряжения нагрузки ин(1) управляемого стабилизатора при пофазном симметричном управлении будет определяться при коэффициенте тригонометрического ряда Ь1 = 0, а также при учёте частоты модуляции, кратной числу фаз т = 3 и частоте сети / = 50 Гц [24]:
ин(1) (6) = ^ а1'
(3)
Коэффициент тригонометрического ряда а1 определяется по выражению [10]:
а =
2
- Г и(0)эш(Кб) Ж, Т
(4)
-л/2
где К - номер гармоники.
Аналитические соотношения для напряжения на нагрузке при широтном регулировании двухмостовым инвертором напряжения для I поддиапазона 0-30 град:
- действующее значение напряжения на нагрузке при стабилизации:
ин(6) =
>/2
( 2 1 12и2ти I 008 Р(ооэ а(2 э1п — Р - э1п - Р) - 2 эт а) +
2 1
+ эт Р(ооэ а(2 - ооэ — Р + ооэ - Р)) - 2 эт а -- ооэ а(эт 1Р + э1п 2 Р) I + и2 - эт Р (13л - 6аЫ)
где в = п/Ы, N - число интервалов коммутации;
- действующее значение первой гармоники напряжения на нагрузке при стабилизации:
U(1)(e) = - ^
sin Р
.2 .1 2Ud (cos P(2(sin а - cos a(sin — Р - sin - Р)) -
12
- sin Р cos a(cos - Р - cos — Р - 2)) - 3U2m7i sin Р + +4Ud sin a
(6)
Аналитические выражения для II (30-60 град) и III (60-90 град) поддиапазонов в данной статье не приводятся.
Регулировочные характеристики устройства для стабилизации 8н = У(аи), полученные на основании выведенных аналитических выражений при изменении угла регулирования двухмостовым инвертором напряжения аи = 0.. .180 град (5в = const и ацр = const) при коэффициентах трансформации ВТ квт = 8, 10, 12, 14, представлены на рис. 3, а, а зависимости коэффициентов несинусоидальности Ku = .Даи) в процессе стабилизации при изменении угла регулирования двухмостовым инвертором напряжения аи = 0.90 град (5В = const и ацр = const) представлены на рис. 3, б.
Линейность регулировочных характеристик (см. рис. 3, а) при изменении угла регулирования двухмостовым инвертором обеспечивает высокую точность при регулировании добавочного напряжения.
Зависимости коэффициентов несинусоидальности Ku для напряжения на нагрузке при изменении угла регулирования a = 0.90 град (см. рис. 3, б) нелинейны на каждом из диапазонов регулирования, и при максимальном коэффициенте трансформации ВТ не превышают значения 8 %, что согласуется с ГОСТом [25].
Зависимости коэффициентов формы Кф для напряжения на нагрузке при изменении угла регулирования аи = 0.30 град в I поддиапазоне, полученные по выражениям из [24], приведены на рис. 4, а, а зависимости коэффициентов искажения Ки для напряжения на нагрузке при изменении угла регулирования аи = 0.30 град, полученные так же по выражениям из [24], представлены на рис. 4, б.
£н 1,1
1,05
0,95
0,9
%=_ квт - кво В
лВт2-14
К
0 20 40 60 80 100 120 140 160 град
а
/ кш = 8 = 10
^вт = 12 = 14
"У
Л
10 20 30 40
б
50 60
70
град
Рис. 3. Характеристики управляемого стабилизатора при коэффициентах трансформации ВТ квт = 8, 10, 12, 14: а - регулировочные характеристики; б - зависимости коэффициентов несинусоидальности напряжения
Коэффициенты формы (рис. 4, а) при различных коэффициентах трансформации до значения аи =12 град изменяются незначительно, однако при значениях аи больше 12 град отклонения носят более значительный характер. Наибольшее значение коэффициента искажения напряжения Ки = 0,99725 наблюдается при коэффициенте трансформации £вт = 8 при значении угла аи = 11 град.
8
6
4
2
0
0
Кф
1,4
1,38
1,36
квт — 8 квт — 10' квт — 14' \
\
\
10
15
20
25
град
Ки
0,999
0,998
0,997
аи, град
б
Рис. 4. Характеристики устройства для стабилизации для I поддиапазона регулирования двухмостовым инвертором: а - зависимости коэффициентов формы Кф; б - зависимости коэффициентов искажения Ки
Для исследования функционирования управляемого стабилизатора выполнялось имитационное моделирование в программной среде MatLab/Simulink. Построение модели стабилизатора напряжения со звеном повышенной частоты выполнялось с применением следующих элементов с заданными параметрами: источник питания c активно-индуктивным сопротивлением сети (Three-Phase Source) ис =10 кВ; zc = 0,027 Ом, измерители токов и напряжений (V-I Meas) и мультиметр
а
0
5
а
(Multimeter), двухобмоточный силовой трансформатор 10/0,4 кБ (Three-Phase Power Transformer 10/0.4 kV) мощностью SCT = 1000 kBA, и1л = 10 kB; и2л = 0,4 kB, f = 50 Гц, активно-индуктивная нагрузка (Three-Phase Series RLC Load) - Rн = 0,127 Ом, Lн = 0,2 мГн, входной L-дроссель (L1, L2, L3), силовой мост транзисторного выпрямителя (TRB) с системой управления (Control System Transistor Rectifier), сглаживающий LC-фильтр (Lf, Cf), два транзисторных моста инвертора напряжения (TB1, TB2) с системой управления (Control System Transistor Invertor), циклический конвертор с тремя комплектами тиристоров (Sets of Thyristors CC1, CC2, CC3) и системой управления (Control System Cyclic Convertor), высокочастотный трансформатор (High frequency transformer 3-6) SCT = 250 kBA, и1ф = 660 B, и2ф = 133 B, £вт = S, fm = 450 Гц, датчик отклонения напряжения на нагрузке (Sensor1), датчик отклонения напряжения сети (Sensor2).
Модель управляемого стабилизатора напряжения, с трёхфазным звеном повышенной частоты, подключённого к силовому трансформатору подстанции, показана на рис. 5.
На имитационной модели (см. рис. 5) был проведен комплекс исследований пусковых, установившихся и переходных процессов.
Three-Phase Power
Рис. 5. Модель управляемого стабилизатора напряжения со звеном повышенной частоты, подключённого к трансформаторной подстанции
Стабилизация напряжения на нагрузке производилась в замкнутой системе автоматического регулирования с обратной связью по напряжению при различных возмущающих факторах (отклонения напряжения в сети, отклонения напряжения на нагрузке).
В ходе моделирования фиксировались параметры действующих значений сигналов (RMS) и получены осциллограммы мгновенных значений сигналов токов и напряжений с помощью осциллографа (Scope): напряжения на нагрузке ин, в первичной обмотке и1 и во вторичной обмотке и2 силового трансформатора, токов в первичной обмотке (сети) i1 и во вторичной обмотке i2 силового трансформатора, напряжение ин и ток iн в нагрузке, напряжение ив1 и ток iBl на входе транзисторного выпрямителя, напряжение Ud и ток id на выходе транзисторного выпрямителя, напряжение ии1 и ток /и1 на входе двухмостово-го инвертора напряжения, напряжение ии2 и ток /и2 на выходе двухмос-тового инвертора напряжения, напряжение ицк1 и ток /цк1 на входе циклического конвертора, напряжение ицк2 (добавочное напряжение ид) и ток /цк2 на выходе циклического конвертора, токи намагничивания /0ст силового и высокочастотного /0вг трансформаторов.
Временные диаграммы работы управляемого стабилизатора напряжения на нагрузке с частичной компенсацией реактивной мощности показаны на рис. 6. Временные диаграммы (см. рис. 6) получены при фиксированной скважности 5в управления транзисторами выпрямителя и с углом регулирования транзисторами первого моста двух-мостового инвертора напряжения аи = 15 град и углом регулирования транзисторами второго моста ри = 165 град. В циклическом конверторе в качестве напряжения управления углами открывания тиристоров применен закон управления прямоугольного синуса.
Внешние характеристики трансформаторной подстанции, полученные при исследовании на имитационной модели с управляемым стабилизатором и без него, показаны на рис. 7.
В процессе стабилизации транзисторный выпрямитель потребляет из сети синусоидальный ток, что не ухудшает гармонический состав тока сети. Предложенное устройство компенсирует отклонения напряжения во вторичной обмотке СТ подстанции, таким образом напряжение на нагрузке ин стабилизируется до уровня номинального напряжения.
5 К ^ ^ ' ^ Х 8 - "1 Х 20
0
1 0 0- "н /и Х 8 и2 1
0 „ 1 "а 0 4 , ■пщм И Ш:' \
^--/а 0 а 'в1 ив1
ии1 /'и
--\-т~-
0- 0
0 "цк1 гдк1 Х 90 0 ' Х 0
0 : : : : ^ и Х 4
0
^АМА ицк2(Мдо6) А^МЛ ллллл?^ 'цк2 Х 8
1,34 1,345 1,35 1,355 1,36 1,365 1,37 1,375 1,38
Рис. 6. Временные диаграммы работы управляемого стабилизатора с частичной компенсацией реактивной мощности
и
0,75
0,5
0,25
"""" 1 2
О
0 0,15 0,3 0,45 0,6 0,75 0,9 1,05 1,2 I*
Рис. 7. Внешние характеристики трансформаторной подстанции: 1 - без устройства стабилизации; 2 - с устройством стабилизации
Расчёт внешних характеристик (см. рис. 7) подстанции в виде зависимости и* = /(/*) - напряжения во вторичной обмотке силового
трансформатора от тока во вторичной обмотке, выраженных в относительных единицах, показал способность устройства повышать жесткость внешней характеристики.
Сдвиг тока в первичной обмотке по отношению к фазе напряжения сети приводит к частичной компенсации реактивной мощности. При этом сохраняется его синусоидальная форма по причине того, что устройство стабилизации потребляет также синусоидальный ток. При этом частичная компенсация может быть усилена за счет дополнительного подключения к шинам подстанции нерегулируемой батареи косинусных конденсаторов (ББК), тем самым обеспечивая большую величину компенсации реактивной мощности.
Заключение
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Устройство вне зависимости от режима работы повышает качество напряжения на нагрузке и сохраняет высокое качество тока в сети.
2. Достигается частичная компенсация реактивной мощности без увеличения установленной мощности и габаритов высокочастотного трансформатора в звене повышенной частоты.
3. Преимущество стабилизатора заключается в том, что улучшается форма и уменьшается фаза тока сети от применения транзисторного ШИМ выпрямителя с опережающим формированием синусоидального тока на его входе.
4. Улучшается форма магнитного потока в высокочастотном трансформаторе от применения двух инверторов напряжения.
5. Применение транзисторного выпрямителя позволяет сократить количество полупроводников в силовой схеме стабилизатора, а также его применение на стороне 0,4 кВ позволяет не завышать класс полупроводников по напряжению.
6. Полученные результаты могут быть применены при проектировании и создании компактных, быстродействующих управляемых стабилизаторов напряжения с высоким качеством выходного напряжения, выполненных на базе стандартных силовых модулей, выпускаемых промышленностью как элементов активно-адаптивных электрических сетей.
Библиографический список
1. Концепция интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью. (Редакция 5.0). - М.: Изд-во: НТЦ ФСК ЕЭС, 2012. - 238 с.
2. Концепция Цифровая трансформация 2030. (Одобрена Советом директоров ПАО «Россети» 21 декабря 2018, протокол № 336). - 31 с.
3. Glanzmann G. FACTS: flexible alternating current transmission systems // EEH - Power Systems Laboratory ETH Zürich. - 14 January 2005. -31 p. DOI: 10.3929/ETHZ-A-004891251
4. СТО 56947007-29.240.019-2009. Методика оценки технико-экономической эффективности применения устройств FACTS в ЕНЭС России (Утв. ОАО «ФСК ЕЭС» от 22 января 2009 № 22р). -М., 2009. - 37 с.
5. Тихонов А.В. Моделирование устройств FACTS при оценивании состояния современных ЭЭС: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.14.02 / Тихонов Александр Владимирович. - Иркутск, 2017. - 25 с.
6. Компенсация реактивной мощности в электрических распределительных сетях переменного тока на базе батарей статических конденсаторов / В.Н. Крысанов, Н.В. Ситников, Н.И. Королев [и др.] // Вестник Воронеж. гос. техн. ун-та. - 2018. - Т. 14. - № 6. - С. 61-67.
7. Fazal M., Waleed Raza M., Khan S. Faizullah. Reactive Power Compensation by Power Capacitor Method // Engineering Technology Open Access Journal. - 2018. - Vol. 1, № 3. - P. 1-4. DOI: 10.19080/ET0AJ.2018.01.555565
8. Reactive Power Compensation Technologies: State-of-the-Art Review / J. Dixon, L. Moran, J. Rodriguez, R. Domke // Proceedings of the IEEE. - Dec. 2005. - Vol. 93, № 12. - P. 2144-2164, DOI: 10.1109/JPR0C.2005.859937
9. Controlling power system parameters through reactive power (VAr) compensation [Электронный ресурс]. - URL: https://electrical-engineering-portal.com/reactive-power-var-compensation (дата обращения: 04.06.2022).
10. Александров Г.Н., Лунин В.П. Управляемые реакторы: учеб. пособие. - 3-е изд. - СПб.: Изд-во Центра подготовки кадров энергетики, 2005. - 199 с.
11. СТО 34.01-3.2-010-2017. Устройства регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой (РПН). Общие требования. (Утв. и введ. в действ. распоряж. ПАО «Россети» от 28.02.2017) / ПАО «Россети». - М., 2017. - 22 с.
12. Haibin Zhou1, Xiaojiang Yan, Guanwei Liu. A review on voltage control using on-load voltage transformer for the power grid // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2019. - Sci. 252 032144. -Р. 1-10. DOI: 10.1088/1755-1315/252/3/032144
13. CTO 34.01-3.2-013-2017. Вольтодобавочные трансформаторы. Общие технические требования. (Утв. и введ. в действ. распоряж. ПАО «Россети» от 02.08.2017) / ПАО «Россети». - М., 2017. - 42 с.
14. Власов С.П. Дополнительные возможности вольтодобавоч-ного трансформатора // Электротехника. - 2016. - № 9. - С. 26-30.
15. Machowski J., Bialek J.W., Bumby J.R. Power system dynamics: stability and control. - 2 nd ed. - John Wiley & Sons, Ltd. - 2008. - 629 p.
16. Арзуманов И. СТАТКОМ - основа регулирования реактивной мощности в интеллектуальной энергосистеме // Энергия единой сети. - 2012. - № 2(2). - С. 4-13.
17. Sen K.K. STATCOM-Static synchronous compensator: theory, modeling, and applications // IEEE Power Engineering Society. - 1999 Winter Meeting. Cat. No.99CH36233. DOI: 10.1109/pesw.1999.747375
18. Добрусин Л.А. Тенденции применения фазоповоротных трансформаторов в электроэнергетике // Силовая электроника. - 2012. -Т. 4. - № 37. - С. 60-66.
19. Analysis and simulation of UPFC in electrical power system for power flow control / G. Shahgholian, M. Mahdavian, M. Janghorbani, I. Eshaghpour, E. Ganji // 2017 14th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON). - 2017. - P. 62-65. DOI: 10.1109/ECTICon.2017.8096173
20. Dynamic Performance of a Back-to-Back HVDC Station Based on Voltage Source Converters / M. Khatir, S.A. Zidi, S. Hadjeri, M.K. Fellah // Journal of Electrical Engineering. - 2010. - 61(1). - P 29-36. DOI: 10.2478/v 10187-010-0004-9
21. Зинин Ю., Смирнов Ю., Яковлев В. Разработка программируемого блока управления мощными трёхфазными стабилизаторами напряжения типа СТС // Силовая электроника. - 2013. - № 1. - С. 78-83.
22. Пат. 2709186 РФ, H02M 5/458, G05F 1/30. Стабилизатор трёхфазного синусоидального напряжения со звеном повышенной частоты / Климаш В.С., Константинов А.М.; патентооблад. Дальневосточ. гос. ун-т путей сообщения (ДВГУПС). - № 2019117459; заявл. 04.06.2019; опубл. 17.12.2019. Бюл. № 35. - 6 с.
23. Kadir Vardar, Tolga Stirgevil, Eytip Akpmar. Rapid prototyping applications on three-phase PWM rectifier and shunt active power filter // Electrical and Electronics Engineering 2009. - ELECO 2009. International Conference on. - P. 258-262. DOI:10.1109/ELETO.2009.5355298
24. Климаш В.С. Вольтодобавочные устройства для компенсации отклонений напряжения и реактивной энергии с амплитудным, импульсным и фазовым регулированием: монография. - Владивосток: Дальнаука, 2002. - 141 с.
25. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения - принят Межгос. советом по стандарт., методолог. и сертифик. (протокол №55-П от 25 марта 2013 г.). - М.: Стандартинформ, 2014. - 16 с.
References
1. Kontseptsiia intellektual'noi elektroenergeticheskoi sistemy Rossii s aktivno-adaptivnoi set'iu [The concept of an intelligent electric power system of Russia with an active-adaptive grid]. Moscow: Nauchno-tekhnicheskii tsentr Federal'noi setevoi kompanii Edinoi energeticheskoi sistemy, 2012, 238 p.
2. Kontseptsiia Tsifrovaia transformatsiia 2030 (Odobrena Sovetom direktorov PAO "Rosseti" 21 dekabria 2018, protokol № 336) [Concept Digital transformation 2030 (Approved by the Board of Directors of PJSC Rosseti on December 21, 2018, protocol No. 336)], 31 p.
3. Glanzmann G. FACTS: flexible alternating current transmission systems. EEH - Power Systems Laboratory ETH Zürich. 14 January 2005, 31 p. DOI: 10.3929/ETHZ-A-004891251
4. STO 56947007-29.240.019-2009. Metodika otsenki tekhniko-ekonomicheskoi effektivnosti primeneniia ustroistv FACTS v ENES Rossii ([STO 56947007-29.240.019-2009. Methodology for assessing the technical and economic efficiency of applying FACTS devices in the Unified National Electricity System of Russia]. Moscow, 2009, 37 p.
5. Tikhonov A.V. Modelirovanie ustroistv FACTS pri otsenivanii sostoianiia sovremennykh EES [Simulation of FACTS devices in assessing the state of modern electric power systems]. Abstract of Ph. D. thesis. Irkutsk, 2017, 25 p.
6. Krysanov V.N., Sitnikov N.V., Korolev N.I. et al. Kompensatsiia reaktivnoi moshchnosti v elektricheskikh raspredelitel'nykh setiakh peremennogo toka na baze batarei staticheskikh kondensatorov [Reactive power compensation in AC power distribution networks based on batteries of static capacitors]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2018, vol. 14, no. 6, pp. 61-67.
7. Fazal M., Waleed Raza M., Khan S. Faizullah. Reactive Power Compensation by Power Capacitor Method. Engineering Technology Open Access, 2018, vol. 1, no. 3, pp. 1-4. DOI: 10.19080/ETOAJ.2018.01.555565
8. Dixon J., Moran L., Rodriguez J., Domke R. Reactive Power Compensation Technologies: State-of-the-Art Review. Proceedings of the IEEE, Dec. 2005, vol. 93, no. 12, pp. 2144-2164, DOI: 10.1109/JPR0C.2005.859937
9. Controlling power system parameters through reactive power (VAr) compensation, available at: https://electrical-engineering-portal.com/ reactive-power-var-compensation (accessed 04 June 2022).
10. Aleksandrov G.N., Lunin V.P. Upravliaemye reaktory [Controlled reactor]. 3nd ed. Saint Petersburg: Tsentr podgotovki kadrov energetiki, 2005, 199 p.
11. STO 34.01-3.2-010-2017. Ustroistva regulirovaniia napriazheniia transformatora pod nagruzkoi (RPN). Obshchie trebovaniia [STO 34.01-3.2010-2017. Transformer voltage regulation devices under load (OLTC). General requirements]. Moscow: PAO "Rosseti", 2017, 22 p.
12. Haibin Zhou1, Xiaojiang Yan, Guanwei Liu. A review on voltage control using on-load voltage transformer for the power grid. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, Sci. 252 032144, pp. 1-10. DOI: 10.1088/1755-1315/252/3/032144
13. CTO 34.01-3.2-013-2017. Vol'todobavochnye transformatory. Obshchie tekhnicheskie trebovaniia [STO 34.01-3.2-013-2017. Booster transformers. General technical requirements]. Moscow: PAO "Rosseti", 2017, 42 p.
14. Vlasov S.P. Dopolnitel'nye vozmozhnosti vol'todobavochnogo transformatora [Additional features of the booster transformer]. Elektrotekhnika, 2016, no. 9, pp. 26-30.
15. Machowski J., Bialek J.W., Bumby J.R. Power system dynamics: stability and control. 2nd ed. John Wiley & Sons, Ltd., 2008, 629 p.
16. Arzumanov I. STATKOM - osnova regulirovaniia reaktivnoi moshchnosti v intellektual'noi energosisteme [STATCOM - the basis of reactive power regulation in the smart grid]. Energiia edinoi seti, 2012, no. 2(2), pp. 4-13.
17. Sen K.K. STATCOM-Static synchronous compensator: theory, modeling, and applications. IEEE Power Engineering Society. 1999 Winter Meeting. Cat. No.99CH36233. DOI: 10.1109/pesw.1999.747375
18. Dobrusin L.A. Tendentsii primeneniia fazopovorotnykh transformatorov v elektroenergetike [Trends in the application of phase-shifting transformers in the electric power industry]. Silovaia elektronika, 2012, vol. 4, no. 37, pp. 60-66.
19. Shahgholian G., Mahdavian M., Janghorbani M., Eshaghpour I., Ganji E. Analysis and simulation of UPFC in electrical power system for power flow control. 2017 14th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), 2017, pp. 62-65. DOI: 10.1109/ECTICon.2017.8096173
20. Khatir M., Zidi S.A., Hadjeri S., Fellah M.K. Dynamic Performance of a Back-to-Back HVDC Station Based on Voltage Source Converters. Journal of Electrical Engineering, 2010, 61(1), pp 29-36. DOI: 10.2478/v10187-010-0004-9
21. Zinin Iu., Smirnov Iu., Iakovlev V. Razrabotka programmiruemogo bloka upravleniia moshchnymi trekhfaznymi stabilizatorami napriazheniia tipa STS [Development of programmable control unit of powerful three-phase voltage stabilizers of STS type]. Silovaia elektronika, 2013, no. 1, pp. 78-83.
22. Klimash V.S., Konstantinov A.M. Stabilizator trekhfaznogo sinusoidal'nogo napriazheniia so zvenom povyshennoi chastoty [Three-phase sinusoidal voltage stabilizer with overfrequency link]. Patent Rossiiskaia Federatsiia no. 2709186 (2019).
23. Kadir Vardar, Tolga Stirgevil, Eytip Akpmar. Rapid prototyping applications on three-phase PWM rectifier and shunt active power filter. Electrical and Electronics Engineering 2009. ELECO 2009. International Conference on, pp. 258-262. DOI:10.1109/ELECO.2009.5355298
24. Klimash V.S. Vol'todobavochnye ustroistva dlia kompensatsii otklonenii napriazheniia i reaktivnoi energii s amplitudnym, impul'snym i fazovym regulirovaniem [Voltodrawing devices for compensation of voltage and reactive energy deviations with amplitude, pulse and phase control]. Vladivostok: Dal'nauka, 2002, 141 p.
25. GOST 32144-2013. Elektricheskaia energiia. Sovmestimost' tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaia. Normy kachestva elektricheskoi energii v sistemakh elektrosnabzheniia obshchego naznacheniia [GOST 32144-2013. Electric energy. Electromagnetic compatibility of technical equipment. Power quality limits in the public power supply systems]. Moscow: Standartinform, 2014, 16 p.
Сведения об авторах
Климаш Владимир Степанович (Комсомольск-на-Амуре, Россия) - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Промышленная электроника» Комсомольского-на-Амуре государственного университета (681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина 27, e-mail: [email protected]).
Константинов Андрей Михайлович (Хабаровск, Россия) -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Системы электроснабжения» Дальневосточного государственного университета путей сообщения (680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47, e-mail: [email protected]).
About the authors
Vladimir S. Klimash (Komsomolsk-na-Amure, Russian Federation) -Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department Industrial Electronics Komsomolsk-na-Amure State University (681013, Kom-somolsk-na-Amure, 27, Lenin ave., e-mail: [email protected]).
Andrey M. Konstantinov (Khabarovsk, Russian Federation) - Ph. D. in Technical Sciences, Associate Professor of the Department Power System Far Eastern State Transport University (680021, Khabarovsk, 47, Serysheva str., e-mail: [email protected]).
Поступила: 30.03.2022 Одобрена: 13.06.2022 Принята к публикации: 12.09.2022
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов по отношению к статье.
Вклад авторов. Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Климаш, В.С. Управляемый стабилизатор переменного напряжения трансформаторных подстанций / В.С. Климаш, А.М. Константинов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2022. - № 42. - С. 5-26. DOI: 10.15593/2224-9397/2022.2.01
Please cite this article in English as:
Klimash V.S., Konstantinov A.M. Controlled ac voltage stabilizer of transformer substations. Perm national research polytechnic university bulletin. Electrotechnics, information technologies, control systems, 2022, no. 42, pp. 5-26. DOI: 10.15593/22249397/2022.2.01
