Исследование условий возникновения резонанса на высших гармониках в электрической сети, питающей нелинейную нагрузку

АКТУАЛЬНОСТЬ. Увеличение в энергосистемах доли мощных нелинейных нагрузок, вызывающих несинусоидальность токов и напряжений, приводит к негативным техническим последствиям и экономическому ущербу для энергосистемы и неискажающих потребителей. В настоящее время отсутствуют практические рекомендации по выбору длин питающих линий электропередачи для подключения мощных нелинейных нагрузок с учётом их негативного влияния на показатели качества электрической энергии.

ЦЕЛЬ. В работе выполняется анализ условий возникновения резонансных перенапряжений на высших гармонических составляющих в схеме электроснабжения нелинейной нагрузки.

МЕТОДЫ. В качестве основных методов для исследования использованы составление схем замещения элементов электрической сети и расчёт токов и напряжений в электрических цепях с сосредоточенными параметрами. Для анализа несинусоидальных токов и напряжений применено разложение в ряд Фурье. С помощью имитационных моделей в MATLAB Simulink определены условия возникновения резонансов на высших гармониках при различных длинах линий электропередачи 35, 110 и 220 кВ и разных мощностях питающей системы.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Получены расчетные значения резонансных длин воздушных линий электропередачи 35-220 кВ, питающих нелинейную нагрузку, при которых в электрической сети возникают резонансные перенапряжения на высших гармониках с номерами от 3 до 49. Резонансные длины линий электропередачи на отдельных гармониках получены с учётом влияния сопротивления питающей системы. Полученные сочетания резонансных длин линий и сопротивлений систем предлагается учитывать при проектировании схем внешнего электроснабжения нелинейных нагрузок для исключения гармонических перенапряжений. Проведённые в работе расчёты позволили дать объяснение аномальным уровням токов и напряжений 35-й и 37-й гармоник в схеме внешнего электроснабжения алюминиевого завода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Сформулированы практические рекомендации по выбору длин линий электропередачи 35-220 кВ в системах электроснабжения с мощными нелинейными нагрузками для исключения резонансных перенапряжений. Результаты определения резонансных длин линий электропередачи согласуются с данными натурных экспериментов в действующей энергосистеме.

1. Чжан, Ц. Влияние нелинейной нагрузки на конденсаторные батареи и режимы работы систем электроснабжения среднего напряжения / Ц. Чжан, В. А. Сериков, В. Н. Костин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 9. С. 419-423. doi: 10.24412/2071-6168-2023-9-414-415.

2. Костин В.Н., Кривенко А.В., Сериков В.А. Влияние высших гармоник на качество напряжения и на работу конденсаторных батарей в системах электроснабжения с нелинейной нагрузкой // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 5. С. 431-441.

3. Badoni M., Singh A. and Singh B. Power Quality Enhancement Using Euclidean Direction Search Based Control Technique // IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 67, N 3, pp. 2231-2240, March 2020, doi: 10.1109/TIE.2019.2905835.

4. Гилязев В.Р. Анализ наиболее важных показателей качества электрической энергии: причины ухудшения, зависимость потребителей и методы борьбы с отклонениями // Мавлютовские чтения : Материалы XVI Всероссийской молодежной научной конференции; 25–27 октября 2022 г. Том 3. – Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2022. – С. 365-369.

5. Zhang X.-P., Yan Z. Energy Quality: A Definition // IEEE Open Access Journal of Power and Energy. Vol. 7. pp. 430-440. doi: 10.1109/OAJPE.2020.3029767.

6. Макашева, С.И. Анализ качества электрической энергии в питающей сети 220 кВ с присоединенными тяговыми подстанциями // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2021. № 4(72). – С. 143-151. – DOI 10.26731/1813-9108.2021.4(72).143-151..

7. Наумов, И. В. Минимизация последствий искажения качества электрической энергии при несимметрично-несинусоидальном электропотреблении / И. В. Наумов, Э. С. Федоринова, М. А. Якупова // Промышленная энергетика. – 2023. – № 3. – С. 52-61. doi: 10.34831/EP.2023.56.49.007.

8. Овечкин, И. С. Разработка технических решений по уменьшению искажения синусоидальности кривой напряжения воздушных линий, питающих устройства автоблокировки / И. С. Овечкин, Е. Ю. Пузина // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2023. №3(79). С. 112-123. doi: 10.26731/1813-9108.2023.3(79).112-123.

9. Коваленко Д.В. Определение резонансной частоты системы электроснабжения при изменении степени компенсации реактивной мощности и наличии высших гармоник // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2017. № 8-1. С. 16-21.

10. Fedosov D.S. Research of multipulse rectification circuits for alternating current by the example of Taishet aluminum plant // Proceedings «Smart Grid for Efficient Energy Power System for the Future». Vol. I. Magdeburg-Irkutsk: OvGU, 2012.

11. Федосов Д.С., Пудов А.Н., Медведев Р.Ю. Исследование схем выпрямления переменного тока на алюминиевых заводах // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012.

12. Способ определения комплексного значения совокупных потерь полной мощности в системе электроснабжения / В. С. Ливенцов, С. С. Костинский, А. И. Троицкий, Н. С. Савелов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2022. Т. 65, № 4. С. 97-107. doi: 10.17213/0136-3360-2022-4-97-107.

13. Федосов Д.С., Тарасов И.А., Воронцов Д.В. Исследование резонансных явлений на высших гармониках в схеме внешнего электроснабжения нелинейной нагрузки // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 4(111). С. 145-154. doi: 10.21285/1814-3520-2016-4-145-154.

14. Чадов С.Н. Численное исследование модели энергетической системы // Вестник ИГЭУ. 2009. №4. С. 49-52.

15. Мукенди К.Л., Тигунцев С.Г. Исследование несинусоидальных режимов в частной электрической сети "KAMOTO COPPER COMPANY" с выпрямительной нагрузкой // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием; 22–26 апреля 2019 года. Иркутск: Иркутский национальный исследовательский технический университет, 2019. Т. 2. С. 253-257.

16. Kulikov A., Ilyushin P., Suslov K., Filippov S. Organization of Control of the Generalized Power Quality Parameter Using Wald's Sequential Analysis Procedure // Inventions. 2023. Vol. 8, No. 1. P. 17. doi: 10.3390/inventions8010017.

17. Шепелев А.О., Шепелева Е.Ю. Исследование несинусоидальных режимов работы электрооборудования в системе электроснабжения с 6-пульсным преобразователем // Вестник Югорского государственного университета. 2022. № 2(65). С. 68-78. doi: 10.18822/byusu20220268-78.

18. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Суслов К.В. Исследование работы прогностических регуляторов установки распределенной генерации в системе электроснабжения с мощным накопителем электроэнергии // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 14. № 4. С. 448-458. doi: 10.17516/1999-494X-0325.

19. Gerasimyuk A.Y., Smokovenko N.V., Nasyrov R.R., Kalenkin D.A. Development of a methodology for the assessment of the actual contribution of a certain consumer to the distortion of the voltage sinusoid // 2021 3rd International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE). 2021. pp. 1-5. doi: 10.1109/REEPE51337.2021.9388000.

20. Плащанский Л.А., Зарипов Ш.У. Влияние высших гармоник на состояние электрических сетей // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2010. № 2. С. 61-66.