Установки поперечной емкостной компенсации, обеспечивающие демпфирование резонансных режимов в системах электроснабжения

ЦЕЛЬ. Серьезной проблемой конденсаторных установок, используемых в системах электроснабжения для компенсации реактивной мощности, является резонансное усиление гармоник, создаваемых нелинейными нагрузками, а также перенапряжения, возникающие при коммутациях в сети. Для защиты установок от перенапряжений и влияния гармоник последовательно с батареей конденсаторов (БК) включают демпфирующие звенья. В статье рассмотрены установки поперечной емкостной компенсации с демпфирующими звеньями в форме лестничного LC-четырехполюсника. Помимо компенсации реактивной мощности установки осуществляют фильтрацию гармоник и демпфирование переходных процессов, вызванных коммутациями в сети. МЕТОДЫ. Разработана процедура расчета демпфирующих звеньев лестничной структуры для установок поперечной емкостной компенсации, основанная на оптимизации частотной характеристики в пространстве параметров элементов демпфирующего звена. Определены условия, при которых звено обеспечивает демпфирование резонансных режимов, возникающих в параллельном контуре, образованном компенсирующим конденсатором и индуктивностью сети. С помощью предложенной процедуры расчета определены параметры звеньев различного порядка, осуществляющих демпфирование переходных процессов при коммутациях и фильтрацию гармоник, создаваемых нелинейными нагрузками. РЕЗУЛЬТАТЫ. Сравнительный анализ характеристик компенсирующих установок с различными вариантами демпфирующих звеньев показал, что установки с демпфирующими звеньями лестничной структуры эффективно ослабляют тяжелые переходные процессы, возникающие при ко ммутациях в сети, а также обеспечивают фильтрацию гармоник в широком диапазоне частот. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В системах электроснабжения с большой долей нелинейных нагрузок необходимы установки поперечной емкостной компенсации, обеспечивающие демпфирование резонансных режимов и ослабление гармоник, создаваемых нелинейными нагрузками. Эти функции выполняют демпфирующие звенья, включаемые последовательно с батареей конденсаторов. В статье рассмотрены новые варианты демпфирующих звеньев в форме реактивных четырехполюсников, ослабляющих перенапряжения при переходных процессах и уменьшающих гармонические искажения токов и напряжений.

1. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. – 6-е изд., - М., Энергоатомиздат, 2010. – 375 c.

2. Алферов И. В., Зырянов В. М., Митрофанов Н. А. Анализ аварийности и причин выхода из строя конденсаторных установок в системе электроснабжения нефтегазодобывающего месторождения. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019;23(1):63–74. DOI: 10.21285/1814-3520-2019-1-63-74.

3. Locci N., Muscas C., Sulis S. Detrimental effects of capacitors in distribution network in the presence of harmonic pollution. IEEE Trans. Power Delivery, 2007, vol. 22, No. 1, pp. 311-315.

4. Bose R., Samanta K., Ghosh K., Bandyopadhyay R., Chatterjee S. Transient analysis of mechanically switched capacitors with and without damping network connected to AC grid. 2016 2 nd International Conference on Control, Instrumentation, Energy & communication (CIEC), pp. 274-278.

5. Xu W., Ding T., Li X., Liang H. Resonance-free shunt capacitors – configurations, design methods and comparative analysis, IEEE Trans. Power Delivery, vol. 31, no. 5, pp. 2287-2295.

6. Wang Y., Xu W., A shared resonance damping scheme for multiple switchable capacitors, IEEE Trans. Power Delivery, 2018, vol. 33, no. 4, pp. 1973–1980.

7. Lamlom, A. Ahmed Ibrahim, Balc A., Karadeniz, A., Abdel Aleem, S.H.E. Optimal Design and Analysis of Anti-Resonance C-Type High-Pass Filters. In Proceedings of 2017 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEE IC/I&CPS Europe), Milan, Italy, 6–9 June 2017.

8. Xu S., Wang Y., Xiao X., Xu W., Wang Y. Adaptive Damping –An Improved Resonance Mitigation Scheme for Shunt Capacitors. IEEE Trans. Power Delivery, 2021, Early Access.

9. Wang Y., Xu S., Xu W., Wu J., Xiao X. Comparative Studies on Design Methods for Detuned C-Type Filter. IEEE trans. on Power Delivery. 2020, Vol. 35, No. 4, pp. 1725-1734.

10. Zhang G., Wang Y., Xu W., Sitther E. Characteristic parameter-based detuned C-type filter design. – IEEE power and energy technology systems journal. Vol. 5, No. 2, 2018, pp. 65-72.

11. Боярская Н.П., Довгун В. П., Егоров Д. Э., Новиков В. В., Шандрыгин Д. А. Минимизация потерь мощности в пассивных силовых фильтрах // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. Том 23, № 6, 2021, с. 42-52.

12. Enslin J., Knijp J., Jansen C., Schuld J. Impact of reactive power compensation equipment on the harmonic impedance of high voltage networks. Power Tech Conference Proceedings, IEEE Bologna. Vol. 2, 2003, pp. 274 – 278.

13. Aleem S. H. E. A., Zobaa A. F., Aziz M. M. A., Optimal C-type Passive Filter Based on Minimization of the Voltage Harmonic Distortion for Nonlinear Loads, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012,vol. 59, no. 1, pp. 281–289.

14. Aleem S. H. E. A., Zobaa A. F., Balci M. E., Optimal Resonance-free Third-order High-pass Filters Based on Minimization of the Total Cost of the Filters Using Crow Search Algorithm, Electric Power Systems Research, vol. 151, pp. 381-394, Oct. 2017.

15. Lange A., Redlarski G. Selection of C-type filters for reactive power compensation and filtration of higher harmonics injected into the transmission system by arc furnances. – Energies, 2020, 13, 2330; doi: 10.3390/en13092330.

16. Horton, R., Dugan, R., Hallmark, D. Novel Design Methodology for C-Type Harmonic Filter Banks Applied in HV and EHV Networks. Proceedings of the Conference PES T&D 2012, Orlando, FL, USA, 7–10 May 2012; pp. 1–6.

17. Егоров Д.Э., Довгун В.П., Боярская Н.П., Я н А.В., Слюсарев А.С. Коррекция коэффициента мощности в системах электроснабжения с многофазными нелинейными нагрузками // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020. Т. 22. № 6. С. 3-15. doi:10.30724/1998-9903-2020-22-6-3-15.

18. Довгун В. П., Егоров Д. Э., Новиков В. В. Широкополосные силовые фильтры для систем электроснабжения с многофазными преобразователями. Электротехника, 2020, № 5, с. 47-51.

19. Довгун В. П., Боярская Н. П., Егоров Д. Э., Синяговский А. Ф. Синтез широкополосных фильтров гармоник / В. П. Довгун, Н. П. Боярская, Д. Э. Егоров, А. Ф. Синяговский. // Известия вузов. Проблемы энергетики – 2014. - № 5-6. - С. 85-91.