Параметры энергосистемы в электротехнических комплексах с нелинейными электрическими нагрузками

Проведен анализ проблемы качества электроэнергии для предприятий по добыче твердых полезных ископаемых в арктических регионах России. Показано, что в условиях изолированных систем электроснабжения для расчета и прогнозирования показателей качества электроэнергии важной составляющей является определение частотной характеристики сопротивления системы. Получены зависимости гармонического сопротивления системы от параметров нелинейной электрической нагрузки со звеном постоянного тока в виде емкостного элемента, характеризующие наличие резонансных явлений и подтверждающие необходимость учета таких элементов при оценке параметров энергосистемы. Показано, что увеличение мощности нелинейной нагрузки приводит к увеличению погрешности оценки гармонического сопротивления системы относительно традиционного представления энергосистемы в виде индуктивного сопротивления. Представлены результаты компьютерного моделирования по оценке гармонического сопротивления сети на основе применения генератора нехарактерных гармоник при различных параметрах нелинейной электрической нагрузки, которые подтверждены в лабораторных условиях. В качестве генератора нехарактерных гармоник может применяться тиристорный регулятор мощности, который используется в горной промышленности в качестве устройств плавного пуска электродвигателей и регулирования параметров нагрузки. Представлены результаты экспериментальных измерений при определении частотной характеристики сети в учебно-лабораторном центре с мощностью вводных трансформаторов 400 кВА.

Скамьин А. Н., Добуш В. С., Шклярский Я. Э., Васильков О. С. Параметры энергосистемы в электротехнических комплексах с нелинейными электрическими нагрузками // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 6. – С. 88–104. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_6_0_88.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-10027, https://rscf.ru/project/21-79-10027.

Скамьин Александр Николаевич¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: skamin_an@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0001-7738-7539,
Добуш Василий Степанович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: dobush_vs@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-9401-5638,
Шклярский Ярослав Элиевич¹ — докт. техн. наук, зав. кафедрой, e-mail: shklyarskiy_yae@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0001-8803-9898,
Васильков Олег Сергеевич¹ — канд. техн. наук, ассистент, e-mail: vasilkov_os@pers.spmi.ru,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Скамьин А.Н., e-mail: skamin_an@pers.spmi.ru.

1. Litvinenko V. S., Dvoynikov M. V., Trushko V. L. Elaboration of a conceptual solution for the development of the Arctic shelf from seasonally flooded coastal areas // International Journal of Mining Science and Technology. 2022, vol. 32, no. 1, pp. 113—119. DOI: 10.1016/j.ijmst.2021.09.010.

2. Коваленко М. С., Сибилева Е. В. Ресурсный состав Арктики, сложности добычи и перспективы ее развития // Арктика XXI век. Гуманитарные науки. — 2023. — № 1(31). — С. 26—36. DOI: 10.25587/SVFU.2023.44.59.003.

3. Митрофанова Г. В., Марчевская В. В., Таран А. Е. Флотационное выделение титанитового концентрата из апатит-нефелин-титанитовых руд аномальных зон Хибинских месторождений // Записки Горного института. — 2022. — Т. 256. — С. 560—566. DOI: 10.31897/PMI.2022.81.

4. Potravnyi I. M., Yashalova N. N., Boroukhin D. S., Tolstoukhova M. P. The usage of renewable energy sources in the Arctic: The role of public-private partnership // Economic and Social Changes: Facts, Trends, Forecast. 2020, vol. 13, no. 1, pp. 144—159. DOI: 10.15838/esc.2020.1.67.8.

5. Belsky A. A., Glukhanich D. Y. Standalone power system with photovoltaic and thermoelectric installations for power supply of remote monitoring and control stations for oil pipelines // Renewable Energy Focus. 2023, vol. 47, article 100493. DOI: 10.1016/j.ref.2023.100493.

6. Устинов Д. А., Айсар А. Р. Анализ влияния объектов распределенной генерации на системы защиты и режим напряжения: обзор // Безопасность труда в промышленности. — 2023. — № 2. — С. 15—20. DOI: 10.24000/0409-2961-2023-2-15-20.

7. Achitaev A., Suslov K., Nazarychev A., Volkova I., Kozhemyakin V., Voloshin A., Minakov A. Application of electromagnetic continuous variable transmission in hydraulic turbines to increase stability of an off-grid power system // Renewable Energy. 2022, vol. 196, pp. 125—136. DOI: 196. 10. 1016/j.renene.2022.06.062.

8. Устинов Д. А., Айсар А. Р. Разработка нового рабочего алгоритма для повышения эффективности удаленной защиты в сетях распределенной генерации // Безопасность труда в промышленности. — 2023. — № 5. — С. 20—27. DOI: 10.24000/0409-2961-2023-5-20-27.

9. Jopri M. H., Abdullah A. R., Manap M., Yusoff M. R., Sutikno T. A fast localization of multiple harmonic sources for rectifier loads by utilizing periodogram // TELKOMNIKA (Telecommunication Computing Electronics and Control). 2017, vol. 15, no. 1, article 71. DOI: 10.12928/telkomnika. v15i1.3120.

10. Zhukovskiy Y., Tsvetkov P., Buldysko A., Malkova Y., Stoianova A., Koshenkova A. Scenario modeling of sustainable development of energy supply in the Arctic // Resources. 2021, vol. 10, no. 12, article 124. DOI: 10.3390/resources10120124.

11. Belsky A., Glukhanich D., Sutikno T., Jopri M. H. Estimation of hourly solar irradiation on tilted surfaces // Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2023, vol. 12, no. 6, pp. 3202—3214. DOI: 10.11591/eei.v12i6.6513.

12. Абрамович Б. Н., Богданов И. А. Повышение эффективности автономных электротехнических комплексов нефтегазовых предприятий // Записки Горного института. — 2021. — Т. 249. — С. 408—416. DOI: 10.31897/PMI.2021.3.10.

13. Мустафа Г. М., Гусев С. И. Фильтрация высших гармоник в электрических сетях при динамично меняющихся условиях // Энергия единой сети. — 2017. — № 4. — C. 44—52.

14. Yaroshevich V. V., Karpov A. S. Challenges in power supply of the Arctic // International MultiConference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). 2019, pp. 1—4. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934031.

15. Гусев С. И., Мустафа Г. М. Особенности использования модульных многоуровневых преобразователей для нормализации показателей качества напряжения электрической сети // Электроэнергия. Передача и распределение. — 2018. — № 4(49). — C. 58—65.

16. Mahmoud M. O., Mamdouh W., Khalil H. Source current harmonic mitigation of distorted voltage source by using shunt active power filter // International Journal of Electrical and Computer Engineering. 2020, vol. 10, no. 4, article 3967. DOI: 10.11591/ijece.v10i4.pp3967-3977.

17. Yaroshevich V. V., Karpov A. S., Burtsev A. V. The consumer localization distorting power quality: Studying of a possibility // International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). 2018, pp. 1—4. DOI: 10.1109/FarEastCon.2018.8602817.

18. Толкачев Я. М., Тютин Д. А., Авакян М. К., Толкачев В. М., Баталов П. В. Надежность энергоснабжения крупных промышленных потребителей в Арктике // Известия ТулГУ. Технические науки. — 2021. — № 9. — C. 44—51. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-44-51.

19. Невретдинов Ю. М., Фастий Г. П., Ярошевич В. В., Карпов А. С. Анализ результатов мониторинговой регистрации показателей качества электроэнергии // Вестник МГТУ. — 2014. — № 17(1). — C. 67—76.

20. Zhou X., Liu Y., Chang P., Xue F., Zhang T. Voltage stability analysis of a power system with wind power based on the thevenin equivalent analytical method // Electronics. 2022, vol. 11, no. 11, article 1758. DOI: 10.3390/electronics11111758.

21. Dvoynikov M., Buslaev G., Kunshin A., Sidorov D., Kraslawski A., Budovskaya M. New concepts of hydrogen production and storage in Arctic Region // Resources. 2021, vol. 10, no. 1, article 3. DOI: 10.3390/resources10010003.

22. Morgunova M. O., Solovyev D. A., Nefedova L. V., Gabderakhmanova T. S. Renewable energy in the Russian Arctic: Environmental challenges, opportunities and risks // Journal of Physics: Conference Series. 2020, vol. 1565, no. 1, article 012086. DOI: 10.1088/1742-6596/1565/1/012086.

23. Змиева К. А. Проблемы энергоснабжения арктических регионов // Инновационная электроэнергетика для Арктики. — 2020. — № 1(8). — C. 6—14. DOI: 10.24411/2658-4255-2020-10086.

24. Жаров В. С., Цукерман В. А., Жаров Н. В., Иванов С. В. Инновационная активность северных горнопромышленных предприятий как важнейший фактор снижения воздействия на окружающую природную среду // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 10-2. — С. 95—104. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_102_0_95.

25. Luhtala R., Messo T., Roinila T., Alenius H., de Jong E., Burstein A., Fabian A. Identification of three-phase grid impedance in the presence of parallel converters // Energies. 2019, vol. 12, no. 14, article 2674. DOI: 10.3390/en12142674.

26. Kryltcov S., Solovev S. Efficient wind energy generation within Arctic latitudes // E3S Web of Conferences. 2019, vol. 140, no. 6, article 11005. DOI: 10.1051/e3sconf/201914011005.

27. Asiminoaei L., Teodorescu R., Blaabjerg F., Borup U. A digital controlled PV-Inverter with grid impedance estimation for ENS detection // IEEE Transactions on Power Electronics. 2005, vol. 20, no. 6, pp. 1480—1490. DOI: 10.1109/TPEL.2005.857506.

28. Liserre M., Blaabjerg F., Teodorescu R. Grid impedance estimation via excitation of LCL-filter resonance // IEEE Transactions on Industry Applications. 2007, vol. 43, no. 5, pp. 1401—1407. DOI: 10.1109/TIA.2007.904439.

29. Stiegler R., Meyer J., Schegner P., Chakravorty D. Measurement of network harmonic impedance in presence of electronic equipment / IEEE International Workshop on Applied Measurements for Power Systems (AMPS). 2015, pp. 1—6. DOI: 10.1109/AMPS.2015.7312737.

30. Jopri M. H., Ab Ghani M. R., Abdullah A. R., Manap M., Sutikno T., Too J. K-nearest neighbor and naïve Bayes based diagnostic analytic of harmonic source identification // Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2021, vol. 9, no. 6, pp. 2650—2657. DOI: 10.11591/eei.v9i6.2685.

31. Kannan S., Meyer J. Recent developments in harmonic resonance detection in low voltage networks using impedance measurement techniques / 8th International Conference on Power Systems (ICPS). 2019, pp. 1—6. DOI: 10.1109/ICPS48983.2019.9067345.

32. Lei W., Nie C., Chen M., Wang H., Wang Y. A fast-transient repetitive control strategy for programmable harmonic current source // Journal of Power Electronics. 2017, vol. 17, no. 1, pp. 172—180. DOI: 10.6113/JPE.2017.17.1.172.

33. Kanálik M., Margitová A., Beňa Ľ., Kanáliková A. Power system impedance estimation using a fast voltage and current changes measurements // Energies. 2020, vol. 14, no. 1, article 63. DOI: 10.3390/en14010063.

34. Скамьин А. Н., Добуш В. С., Жопри М. Х. Определение сопротивления электрической сети при расчете режимов с искажениями в напряжении // Записки Горного института. — 2023. — Т. 261. — С. 443—454. DOI: 10.31897/PMI.2023.25.

35. Singh R. S., Ćuk V., Cobben S. Measurement-based distribution grid harmonic impedance models and their uncertainties // Energies. 2020, vol. 13, no. 16, article 4259. DOI: 10.3390/en13164259.

36. Zhukovskiy Y. L., Vasilev B. Y., Korolev N. A., Malkova Y. M. Analysis of the behavior of asynchronous electric drive with a closed scalar control system when changing the inductance of the magnetizing circuit // Indonesian Journal of Science and Technology. 2022, vol. 8, no. 1, pp. 65—78. DOI: 10.17509/ijost.v8i1.51983.

37. Aguila Tellez A., Lopez G., Isaac I., Gonzalez J. W. Optimal reactive power compensation in electrical distribution systems with distributed resources. Review // Heliyo. 2018, vol. 4, article e00746. DOI: 10.1016/j.heliyon.2018.e00746.