30
Асташев
М
.
Г
.,
д
.
т
.
н
.,
доцент
,
заведующий
кафедрой
промышленной
электроники
НИУ
«
МЭИ
»
Лунин
К
.
А
.,
к
.
т
.
н
.,
генеральный
директор
АО
«
ЭНИН
»
Панфилов
Д
.
И
.,
д
.
т
.
н
.,
профессор
,
научный
руководитель
АО
«
НТЦ
ФСК
ЕЭС
»
А
ктуальность
поиска
эффективных
путей
решения
проблемы
несимметрии
все
более
возрастает
на
фоне
общего
роста
энергопотребления
.
За
счет
непрерыв
-
ного
процесса
технологического
присоединения
новых
потребителей
,
а
также
за
счет
увеличения
числа
и
единичной
мощности
электроприемников
токовая
загрузка
существующей
сетевой
инфра
-
структуры
многих
субъектов
электроэнергетики
постепенно
приближается
к
своим
предельно
допустимым
значениям
.
В
этих
условиях
,
наря
-
ду
с
преобладающей
нелинейностью
и
высокой
динамикой
изменения
параметров
современных
электрических
нагрузок
,
значительными
уровня
-
ми
передаваемой
по
сетям
реактивной
мощности
,
несимметрия
режимов
работы
линий
электропе
-
редачи
(
ЛЭП
)
также
становится
одним
из
значи
-
мых
факторов
,
оказывающих
отрицательное
воз
-
действие
на
показатели
качества
электрической
Ключевые
слова
:
трехфазная
сеть
,
несимметрия
токов
и
напряжений
,
устройство
симметрирования
,
компенсатор
реактивной
мощности
,
полупроводниковый
преобразователь
,
тиристорный
коммутатор
Устройства силовой электроники
для симметрирования режимов
работы и компенсации реактивной
мощности в трехфазных линиях
электропередачи
УДК
621.311.1
По
материалам
VII
Всероссийской
конференции
«
РАЗВИТИЕ
И
ПОВЫШЕНИЕ
НАДЕЖНОСТИ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СЕТЕЙ
»
Распределительные
трехфазные
электрические
сети
в
современ
-
ных
условиях
их
работы
осуществляют
электроснабжение
разно
-
родных
,
динамически
изменяющихся
во
времени
нагрузок
.
Среди
них
существенную
долю
составляют
либо
несимметричные
,
либо
однофазные
нагрузки
.
Данные
особенности
энергопотребления
являются
причиной
возникновения
несимметричных
режимов
ра
-
боты
трехфазных
сетей
,
проявляющихся
как
неравномерностью
токовой
загрузки
отдельных
фаз
сети
,
так
и
несимметрией
фаз
-
ных
и
линейных
напряжений
в
узлах
подключения
потребителей
.
При
этом
совместное
влияние
факторов
несимметрии
режимов
работы
сети
,
высоких
уровней
передаваемой
реактивной
мощно
-
сти
,
нелинейности
и
высокой
динамики
изменения
нагрузок
при
общем
росте
энергопотребления
все
чаще
оказывают
негативное
влияние
как
на
показатели
качества
электрической
энергии
,
так
и
на
эффективность
функционирования
электрических
сетей
в
целом
.
Известные
технологии
симметрирования
и
компенса
-
ции
реактивной
мощности
в
электрических
сетях
в
современных
условиях
зачастую
оказываются
неэффективными
.
В
статье
рас
-
сматриваются
новые
подходы
к
построению
устройств
симметри
-
рования
режимов
работы
и
компенсации
реактивной
мощности
в
линиях
электропередачи
,
позволяющие
улучшить
технико
-
эко
-
номические
характеристики
устройств
данного
класса
,
обеспе
-
чить
возможность
их
надежного
активно
-
адаптивного
функцио
-
нирования
в
электрической
сети
,
повысить
доступность
владения
такими
устройствами
для
их
потенциальных
потребителей
.
к
а
ч
е
с
т
в
о
э
л
е
к
т
р
о
э
н
е
р
г
и
и
качество электроэнергии
31
энергии
,
нормируемые
ГОСТ
32144-2013.
Среди
этих
показателей
наиболее
чувствительными
к
влиянию
несимметрии
являются
положительные
и
отрица
-
тельные
отклонения
напряжения
в
точке
передачи
электрической
энергии
и
коэффициенты
несимме
-
трии
напряжения
по
обратной
и
нулевой
последова
-
тельностям
.
Кроме
того
,
несимметрия
является
фак
-
тором
дополнительного
увеличения
потерь
энергии
и
снижения
пропускной
способности
ЛЭП
.
Существуют
различные
подходы
к
симметрирова
-
нию
режимов
работы
трехфазных
сетей
,
широко
осве
-
щенные
в
научно
-
технических
публикациях
[1–4].
При
этом
традиционные
механизмы
симметрирова
-
ния
,
такие
как
оптимизация
распределения
однофаз
-
ных
нагрузок
между
фазами
трехфазной
сети
или
ис
-
пользование
специальных
схем
соединения
обмоток
силовых
трансформаторов
трансформаторных
под
-
станций
(
ТП
),
в
условиях
высокой
и
зачастую
мало
прогнозируемой
динамики
изменения
параметров
и
режимов
работы
нагрузок
утратили
свою
эффек
-
тивность
,
так
как
они
либо
в
принципе
не
имеют
воз
-
можности
регулирования
,
либо
не
обладают
доста
-
точным
быстродействием
регулирования
.
В
основе
известных
на
сегодняшний
день
регули
-
руемых
быстродействующих
устройств
симметриро
-
вания
,
сочетающих
в
себе
,
как
правило
,
и
функции
компенсации
реактивной
мощности
,
лежат
техноло
-
гии
статических
тиристорных
компенсаторов
типа
СТК
[5]
либо
статических
компенсаторов
реактивной
мощности
типа
СТАТКОМ
[6–7].
Такие
устройства
позволяют
обеспечить
непрерывное
регулирование
активной
и
реактивной
составляющих
мощности
в
фазах
трехфазной
электрической
сети
с
высоким
быстродействием
на
уровне
периода
изменения
се
-
тевого
напряжения
.
Тем
не
менее
,
технологии
СТК
и
СТАТКОМ
имеют
ряд
особенностей
,
ограничива
-
ющих
их
широкое
использование
в
основе
средств
симметрирования
режимов
работы
ЛЭП
.
В
первую
очередь
,
к
ним
можно
отнести
высокие
динамические
потери
в
полупроводниковых
ключах
и
значительные
уровни
эмиссии
в
сеть
высокочастотных
составля
-
ющих
тока
и
напряжения
,
требующие
применения
фильтров
высших
гармоник
,
ухудшающих
массога
-
баритные
и
технико
-
экономические
показатели
таких
устройств
.
Кроме
того
,
мощные
СТАТКОМ
строятся
на
базе
транзисторов
типа
IGBT,
внутреннее
произ
-
водство
которых
на
отечественных
предприятиях
развито
в
настоящее
время
слабо
.
Это
негативно
от
-
ражается
как
на
удельной
стоимости
СТАТКОМ
,
так
и
,
в
принципе
,
на
потенциальной
возможности
их
га
-
рантированного
производства
внутри
страны
.
Показательным
является
то
обстоятельство
,
что
средства
симметрирования
режимов
работы
трех
-
фазных
сетей
на
основе
доступных
на
сегодняшний
день
вышеописанных
технологий
не
применяются
сетевыми
компаниями
даже
на
тех
объектах
электро
-
энергетики
,
где
техническая
эффективность
данных
устройств
обоснована
и
доказана
,
в
частности
,
на
объектах
электроснабжения
однофазной
тяговой
ин
-
фраструктуры
переменного
тока
[8–9].
В
статье
рассматриваются
новые
подходы
к
реализации
быстродействующих
устройств
сим
-
метрирования
режимов
работы
и
компенсации
реактивной
мощности
(
далее
—
устройства
симме
-
трирования
,
УС
)
в
линиях
электропередачи
классов
напряжения
0,4÷35
кВ
,
базирующиеся
на
примене
-
нии
технологий
силовой
электроники
.
Представлен
-
ные
подходы
к
построению
и
управлению
устройств
симметрирования
используют
принцип
дискретного
управления
параметрами
устройства
,
обеспечива
-
ющий
дискретное
регулирование
режимов
работы
трехфазных
электрических
сетей
.
При
этом
дости
-
гается
существенное
уменьшение
удельной
стои
-
мости
устройств
,
снижение
потерь
энергии
в
сило
-
вых
ключах
полупроводниковых
преобразователей
,
обеспечивается
отсутствие
высших
гармоник
тока
и
напряжения
,
что
исключает
применение
филь
-
тров
.
Устройства
могут
быть
реализованы
на
ос
-
нове
исключительно
отечественной
компонентной
базы
силовой
электроники
,
электротехники
и
циф
-
ровой
электроники
.
ПОСТАНОВКА
И
РЕШЕНИЕ
ЗАДАЧИ
СИММЕТРИРОВАНИЯ
И
КОМПЕНСАЦИИ
РЕАКТИВНОЙ
МОЩНОСТИ
Традиционно
анализ
несимметричных
режимов
ра
-
боты
трехфазных
сетей
может
быть
проведен
с
ис
-
пользованием
метода
симметричных
составляющих
[10–11].
Устройства
симметрирования
должны
фор
-
мировать
свою
систему
токов
прямой
,
обратной
и
ну
-
левой
последовательности
,
которые
в
совокупности
с
токами
нагрузки
формировали
бы
симметричную
систему
фазных
токов
сети
с
отсутствием
реактивной
составляющей
.
При
этом
устранение
несимметрии
токов
в
фазах
ЛЭП
автоматически
приведет
и
к
сим
-
метрированию
фазных
напряжений
в
точке
подклю
-
чения
устройства
.
Устройства
симметрирования
яв
-
ляются
устройствами
поперечного
регулирования
,
подключение
которых
к
сети
в
общем
виде
показано
на
рисунке
1.
Физически
устройства
симметрирования
могут
быть
реализованы
на
базе
управляемых
реактивных
эле
-
ментов
,
осуществляющих
энергообмен
между
фазами
трехфазной
сети
[12].
Базовая
топология
подобного
устройства
симметрирования
для
трехпроводной
трех
-
фазной
электрической
сети
показана
на
рисунке
2.
Рис
. 1.
Подключение
устройства
симметрирования
к
трехфазной
четырехпроводной
линии
электропередачи
Сетевое
напряжение
Данные
с
дат
-
чиков
напряже
-
ния
сети
Устройство
симметрирования
Данные
с
дат
-
чиков
токов
нагрузки
Нагрузка
E
a
I
a
I
na
Z
na
E
b
I
b
I
nb
Z
nb
E
c
I
c
I
nc
Z
nc
I
n
I
nn
I
pa
I
pb
I
pc
I
pn
№
6 (75) 2022
32
обратной
последовательности
нагрузки
,
токи
нуле
-
вой
последовательности
нагрузки
отсутствуют
).
Сим
-
метрирование
и
компенсация
реактивной
мощности
в
трехпроводной
электрической
сети
достигается
применением
трех
управляемых
реактивных
элемен
-
тов
(
аналогичным
образом
устройство
компенсирует
токи
обратной
последовательности
нагрузки
,
а
также
формирует
свои
токи
прямой
последовательности
таким
образом
,
чтобы
результирующие
токи
прямой
последовательности
сети
не
имели
реактивной
со
-
ставляющей
).
В
то
же
время
для
четырехпроводных
трехфаз
-
ных
электрических
сетей
для
симметрирования
токов
и
компенсации
реактивной
мощности
в
фазах
сети
тре
-
буется
использование
пяти
управляемых
реактивных
элементов
.
Такое
устройство
должно
осуществлять
формирование
своей
системы
симметричных
токов
,
учитывающих
сразу
пять
параметров
симметричных
составляющих
токов
нагрузки
:
модуль
и
фазовый
сдвиг
токов
обратной
последовательности
,
модуль
и
фазовый
сдвиг
токов
нулевой
последовательности
,
фазовый
сдвиг
токов
прямой
последовательности
).
При
реализации
устройств
симметрирования
и
компенсации
реактивной
мощности
необходимо
решать
две
основные
задачи
:
1)
разработка
и
реализация
эффективных
топо
-
логий
построения
силовых
схем
полупроводни
-
ковых
преобразователей
,
обеспечивающих
ре
-
гулируемый
энергообмен
между
фазами
линии
электропередачи
с
целью
симме
-
трирования
активных
и
компен
-
сации
реактивных
мощностей
на
-
грузки
;
2)
разработка
и
реализация
циф
-
ровых
систем
управления
устройствами
симметрирова
-
ния
,
вычисляющих
и
реализую
-
щих
соответствующие
управля
-
ющие
воздействия
силовыми
схемами
устройств
симметри
-
рования
,
исходя
из
режимов
работы
фаз
нагрузок
.
РЕАЛИЗАЦИЯ
УПРАВЛЯЕМЫХ
РЕАКТИВНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ
Управляемые
реактивные
эле
-
менты
рассматриваемых
в
статье
устройств
симметрирования
по
-
строены
на
основе
одного
реак
-
тивного
элемента
индуктивного
или
емкостного
типа
и
трансфор
-
матора
с
управляемым
коэффици
-
ентом
трансформации
(
рисунок
3).
Последний
реализуется
на
основе
двухобмоточного
трансформато
-
ра
,
одна
из
обмоток
которого
сек
-
ционирована
,
и
управляемого
по
-
лупроводникового
коммутатора
.
Представленная
на
рисунке
3
схемотехника
позволяет
регули
-
ровать
в
широком
диапазоне
эк
-
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Количество
реактивных
элементов
или
независи
-
мых
каналов
управления
определяется
количеством
параметров
токов
прямой
,
обратной
и
нулевой
по
-
следовательности
,
на
которые
должно
воздейство
-
вать
устройство
симметрирования
[13].
Так
для
трех
-
проводных
электрических
сетей
симметрирование
без
компенсации
реактивной
мощности
может
быть
достигнуто
применением
двух
управляемых
реак
-
тивных
элементов
(
устройство
компенсирует
токи
Рис
. 2.
Базовая
топология
устройства
симметриро
-
вания
с
двумя
и
тремя
реактивными
элементами
для
трехфазной
линии
электропередачи
ЛЭП
Устройство
симметрирования
I
na
Z
na
I
nb
Z
nb
I
nc
Z
nc
E
a
I
a
A
B
C
E
b
I
b
E
c
X
3
I
X
3
I
X
1
I
X
2
X
2
X
1
I
c
U
0
I
pa
I
pb
I
pc
Рис
. 3.
Реализация
управляемого
реактивного
элемента
Регулировочная
характеристика
управляемого
реактивного
элемента
X
=
X
p
(1 +
K
tr
)
2
–1
+1
0,25
X
p
K
tr
X
X
p
Управляемый
реактивный
элемент
X
X
l
X
c
X
p
Реактивный
элемент
Трансформатор
с
регулируемым
коэффициентом
трансформации
K
tr
T
p
X
p
Тиристорный
коммутатор
Трансформатор
с
секциони
-
рованной
обмоткой
W
2.1
W
2.2
W
2.3
T
p
33
вивалентное
реактивное
сопротивление
управляе
-
мого
реактивного
элемента
с
помощью
управления
полупроводниковым
коммутатором
.
Такая
техноло
-
гия
дает
возможность
реализовать
требуемую
дис
-
кретность
регулирования
эквивалентного
реактив
-
ного
сопротивления
элемента
при
минимальном
количестве
секций
вторичной
обмотки
трансформа
-
тора
.
Полупроводниковый
коммутатор
строится
на
основе
двунаправленных
тиристорных
ключей
.
Про
-
изводство
данных
приборов
освоено
отечественны
-
ми
предприятиями
для
широких
диапазонов
классов
напряжений
и
токов
,
что
способствует
обеспечению
гарантированного
воспроизводства
таких
техноло
-
гий
на
отечественных
предприятиях
.
При
этом
ре
-
жимы
работы
тиристоров
в
составе
предлагаемых
устройств
не
предполагают
использования
фазового
управления
,
а
это
исключает
как
наличие
динамиче
-
ских
потерь
в
приборах
,
так
и
возникновение
высших
гармонических
составляющих
токов
и
напряжений
в
процессе
работы
.
Вычисление
в
режиме
реального
времени
зна
-
чений
параметров
управляемых
реактивных
эле
-
ментов
,
исходя
из
текущего
режима
работы
фаз
на
-
грузки
,
является
одной
из
основных
функций
систем
управления
устройств
симметрирования
.
Алгоритмы
реализации
подобных
вычислений
могут
быть
раз
-
личными
.
Один
из
возможных
алгоритмов
основан
на
использовании
метода
симметричных
составля
-
ющих
.
Для
упрощения
вычислений
с
применением
средств
микропроцессорной
техники
разработан
алгоритм
,
вычислительное
ядро
которого
основано
на
использовании
измеренных
активных
и
реактив
-
ных
мощностей
фаз
нагрузки
и
не
требует
разложе
-
ния
системы
фазных
токов
сети
на
симметричные
составляющие
[14].
Такой
подход
позволяет
суще
-
ственно
снизить
требования
к
производительности
аппаратного
обеспечения
системы
управления
.
ПРИМЕРЫ
ТОПОЛОГИЙ
УСТРОЙСТВ
СИММЕТРИРОВАНИЯ
На
основе
описанного
подхода
могут
быть
синтези
-
рованы
различные
варианты
устройств
симметри
-
рования
как
для
трехпроводных
,
так
и
для
четырех
-
проводных
трехфазных
сетей
,
отличающиеся
друг
от
друга
как
базовым
функциональным
назначением
,
так
и
диапазонами
изменения
параметров
,
дискрет
-
ностью
их
регулирования
,
характером
используемых
реактивных
элементов
и
т
.
д
.
В
качестве
примера
на
рисунках
4
и
5
представле
-
ны
топологии
устройств
симметрирования
для
трех
-
фазных
трехпроводных
и
четырехпроводных
элек
-
трических
сетей
соответственно
.
Топология
рисунка
4
использует
два
однофазных
трансформатора
с
регулируемыми
коэффициентами
трансформации
и
один
нерегулируемый
реактивный
элемент
емкостного
или
индуктивного
типа
.
Данная
топология
при
минимальном
наборе
силовых
эле
-
ментов
в
составе
устройства
позволяет
осущест
-
влять
симметрирование
режимов
работы
трехфаз
-
ной
трехпроводной
электрической
сети
без
функции
компенсации
реактивной
мощности
.
Регулирование
управляющих
воздействий
устройства
на
сеть
осу
-
ществляется
посредством
изменения
в
режиме
ре
-
ального
времени
коэффициентов
трансформации
управляемых
трансформаторов
.
Топология
рисунка
5,
предназначенная
для
ра
-
боты
в
четырехпроводных
сетях
,
как
было
отмечено
ранее
,
имеет
более
сложную
структуру
ввиду
на
-
личия
в
таких
сетях
токов
нулевой
последователь
-
ности
.
В
составе
представленной
топологии
устрой
-
ства
блок
1
выполняет
функцию
симметрирования
активных
составляющих
токов
в
фазах
сети
.
Однако
при
реализации
данной
функции
блок
1
оказывает
несимметричное
воздействие
на
реактивные
состав
-
ляющие
токов
сети
.
Устранение
этих
воздействий
в
совокупности
с
компенсацией
реактивных
токов
фаз
нагрузки
осуществляет
блок
2,
представляющий
собой
компенсатор
реактивной
мощности
с
незави
-
симым
управлением
фазами
.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
Принципиальная
работоспособность
и
эффек
-
тивность
предложенных
подходов
к
построению
и
расчету
устройств
симметрирования
на
примере
топологий
рисунков
4
и
5
подтверждена
с
использо
-
Рис
. 4.
Пример
топологии
устройства
симметрирова
-
ния
для
трехфазной
трехпроводной
линии
электропере
-
дачи
Рис
. 5.
Пример
топологии
устройства
симметрирова
-
ния
для
трехфазной
четырехпроводной
линии
электро
-
передачи
U
0
ЛЭП
ЛЭП
УС
I
na
Z
na
I
nb
Z
nb
I
nc
Z
nc
E
a
I
a
A
B
C
E
b
I
b
E
c
I
c
I
pa
I
pb
I
pc
I
X
K
b
I
X
W
1
B
W
2
B
W
1
A
W
2
A
I
X
K
a
T
r
B T
r
A
I
na
Z
na
I
nb
Z
nb
I
nc
Z
nc
E
a
I
a
A
A
B
B
C
C
E
b
I
b
E
c
I
c
I
p
K
tp
I
p
I
n
I
nn
X
p
X
a
X
b
X
c
T
p
УС
I
pa
I
pb
I
pc
1
2
№
6 (75) 2022
34
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ванием
средств
имитационного
моделирования
.
Для
заданных
параметров
трехфазной
сети
и
нагрузки
,
представленных
в
таблице
1,
получены
временные
и
векторные
диаграммы
токов
сети
и
нагрузки
,
иллю
-
стрирующие
работу
устройств
.
На
рисунке
6
приведены
результаты
моделирова
-
ния
работы
устройства
симметрирования
по
схеме
рисунка
4
в
трехпроводной
ЛЭП
при
симметрирова
-
нии
токов
ее
фаз
.
В
качестве
несимметричной
на
-
грузки
в
представленном
примере
взят
случай
,
ког
-
да
одна
из
фаз
нагрузки
работает
на
холостом
ходу
(
оборвана
).
На
рисунке
7
приведены
результаты
моделирова
-
ния
работы
устройства
симметрирования
по
схеме
рисунка
5
в
четырехпроводной
ЛЭП
при
реализации
симметрирования
и
полной
компенсации
реактивной
мощности
в
фазах
ЛЭП
.
В
данном
случае
рассмо
-
трен
пример
произвольной
несимметричной
нагруз
-
ки
,
параметры
которой
обеспечивают
наличие
значи
-
тельного
тока
в
нейтральном
проводе
.
Анализ
временных
и
векторных
диаграмм
рисун
-
ков
6
и
7
показывает
,
что
в
обоих
примерах
устрой
-
ства
симметрирования
на
основе
предложенных
то
-
пологий
эффективно
справляются
с
поставленными
техническими
задачами
.
Физические
исследования
электромагнитных
процессов
,
базовых
характеристик
и
режимов
ра
-
боты
устройства
симметрирования
,
построенного
по
топологии
рисунка
4,
проведе
-
ны
на
основе
макетного
образца
,
представленного
на
рисунке
8.
Макетный
образец
выполнен
в
классе
напряжения
0,4
кВ
и
име
-
ет
мощность
50
кВА
.
Временные
и
векторные
диаграммы
токов
трехфазной
трехпроводной
сети
с
устройством
симметрирования
и
ее
нагрузки
представлены
на
рисунке
9.
При
различных
режи
-
мах
работы
трехфазной
нагрузки
,
в
том
числе
двухфазном
и
одно
-
фазном
режимах
,
устройство
про
-
демонстрировало
свою
работо
-
способность
и
эффективность
.
Экспериментально
подтвержде
-
но
,
что
изменение
управляющих
воздействий
реализуется
устрой
-
ством
с
быстродействием
не
хуже
20
мс
.
Гармонические
составы
токов
и
напряжений
фаз
электри
-
ческой
сети
в
процессе
работы
устройства
не
подвергаются
ис
-
кажениям
высокочастотными
со
-
ставляющими
.
За
счет
отсутствия
динамических
потерь
тиристор
-
ные
ключи
полупроводникового
коммутатора
в
составе
устройства
работают
в
облегченном
режиме
,
что
однозначно
положительно
сказывается
и
на
энергетической
эффективности
,
и
на
надежности
работы
данного
энергетического
оборудования
.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
И
ВЫВОДЫ
Рассмотренные
технологии
по
-
строения
устройств
симметриро
-
вания
и
компенсации
реактивной
мощности
отличаются
простотой
Табл
. 1.
Параметры
трехфазной
сети
и
нагрузки
E
a
, B
E
b
, B
E
c
, B
Z
na
,
Ом
Z
nb
,
Ом
Z
nc
,
Ом
Топология
рисунка
4
220
0°
220
–120°
220
–120°
Холостой
ход
12 +
j
7
180 –
j
100
Топология
рисунка
5
5
j
5
–
j
5
Рис
. 6.
Результаты
моделирования
работы
устройства
симметрирования
в
трехфазной
трехпроводной
линии
электропередачи
Рис
. 7.
Результаты
моделирования
работы
устройства
симметрирования
в
трехфазной
четырехпроводной
линии
электропередачи
Токи
сети
I
nn
60
40
20
0
20
–40
–60
25
20
15
10
5
0
–5
–10
–15
–20
–25
0 10 20 30 40
0 10 20 30 40
I
na
I
na
I
a
I
nb
I
b
I
nn
I
n
=
0
I
nc
I
c
I
nb
I
nc
E
a
E
a
I
m
I
m
R
e
R
e
мс
мс
I
a
I
b
I
c
Токи
нагрузки
A
Векторная
диаграмма
токов
нагрузки
A
Векторная
диаграмма
токов
сети
A
A
Токи
нагрузки
Токи
сети
Векторная
диаграмма
токов
сети
I
nb
I
a
I
a
I
b
I
c
I
b
I
nb
I
na
= 0
I
na
= 0
E
a
E
a
I
nc
I
c
I
nc
I
m
I
m
R
e
R
e
A
3
2
1
0
–1
–2
–3
1,5
1
0,5
0
–0,5
–1
–1,5
0 5 10 15 20 25 30 35
0 5 10 15 20 25 30 35
Векторная
диаграмма
токов
нагрузки
мс
мс
35
топологий
силовых
схем
и
минимальным
набором
используемых
силовых
элементов
,
включающим
реактивные
элементы
индуктивного
или
емкостно
-
го
типа
,
полупроводниковые
тиристорные
комму
-
таторы
и
трансформаторы
с
секционированными
обмотками
.
Применение
такого
подхода
позволяет
,
с
одной
стороны
,
обеспечить
возможность
мас
-
штабирования
используемых
базовых
топологий
построения
устройств
для
широких
диапазо
-
нов
классов
напряжений
и
мощ
-
ностей
,
с
другой
стороны
–
до
-
стичь
разумного
компромисса
между
заданными
техническими
параметрами
и
предельно
допу
-
стимыми
стоимостными
показа
-
телями
оборудования
,
что
в
пер
-
спективе
может
способствовать
расширению
масштабов
внедре
-
ния
устройств
данного
класса
в
электросетевом
комплексе
.
Решение
задачи
симметри
-
рования
режимов
работы
трех
-
фазных
трехпроводных
линий
электропередачи
в
зависимости
от
необходимости
компенсации
реактивной
мощности
требует
применения
устройств
симметри
-
рования
с
двумя
или
тремя
управ
-
ляемыми
элементами
силовой
схемы
.
Четырехпроводные
линии
электропередачи
требуют
приме
-
нения
устройств
симметрирова
-
ния
с
пятью
управляемыми
эле
-
ментами
силовой
схемы
.
Такие
устройства
в
своей
силовой
схеме
могут
иметь
два
отдельных
бло
-
ка
:
регулятор
мощности
для
вы
-
равнивания
активных
мощностей
в
фазах
нагрузки
и
компенсаторы
реактивной
мощности
в
фазах
ли
-
нии
электропередачи
.
Применение
дискретного
управления
параметрами
сило
-
вой
схемы
устройства
симметри
-
рования
позволяет
обеспечивать
синусоидальную
форму
токов
и
напряжений
в
линии
электропе
-
редачи
во
всем
диапазоне
регули
-
рования
мощностей
.
Вычисление
управляющих
воздействий
устройствами
сим
-
метрирования
основывается
на
измерении
режимов
работы
фаз
нагрузки
и
зависит
от
структуры
силовой
схемы
и
используемых
методов
расчета
.
В
статье
использованы
ре
-
зультаты
работы
,
выполненной
в
рамках
государственного
зада
-
ния
Министерства
науки
и
выс
-
Рис
. 8.
Макетный
образец
устройства
симметрирования
для
трехфазной
трехпроводной
линии
электропередачи
0,4
кВ
50
кВА
Рис
. 9.
Временные
диаграммы
токов
в
нагрузке
(
I
na
,
I
nb
,
I
nc
)
и
токов
в
трех
-
проводной
линии
электропередачи
(
I
a
,
I
b
,
I
c
)
с
устройством
симметриро
-
вания
За
панелью
Коммутационное
оборудование
Реактивный
элемент
(
реактор
)
Трансформаторы
с
секционированными
обмотками
Драйверы
тиристоров
Плата
системы
управления
Тиристорные
модули
шего
образования
Российской
Федерации
(
тема
№
FSWF-2022-0011 «
Высокоэффективные
ком
-
пенсаторы
реактивной
мощности
(
КРМ
)
на
основе
регуляторов
переменного
напряжения
для
управ
-
ления
режимами
и
повышения
эффективности
ра
-
боты
промышленных
и
тяговых
электрических
сетей
10–35
кВ
»).
Токи
нагрузки
Токи
сети
I
na
I
nb
I
nc
I
a
I
b
I
c
№
6 (75) 2022
36
КАЧЕСТВО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ЛИТЕРАТУРА
1. Fida Hasan Md Ra
fi
, M.J. Hossain,
Md Shamiur Rahman, Seyedfoad
Taghizadeh. An overview of unbal-
ance compensation techniques us-
ing power electronic converters for
active distribution systems with re-
newable generation. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 2020,
vol. 125, pp. 1-16.
2. Zeng X.J., Zhai H.F., Wang M.X.,
Yang M., Wang M.Q. A system op-
timization method for mitigating
three-phase imbalance in distribu-
tion network. International Journal of
Electrical Power & Energy Systems,
2019, vol. 113, pp. 618-633.
3. Pan
ă
, A., B
ă
loi A., Molnar-Matei F.
New method for calculating the sus-
ceptances of a balancing capacitive
compensator for a three-phase four-
wire distribution network. International
Journal of Electrical Power & Energy
Systems, 2020, vol. 115, pp. 1-15.
4. Martins A.P., Rodrigues P., Hassan
M., Morais V.A. Voltage Unbalance,
Power Factor and Losses Optimi-
zation in Electri
fi
ed Railways Using
an Electronic Balancer. Electricity,
2021, no. 2, pp. 554-572.
5. Lee S.-Y., Wu Ch.-J., Chang W.-N.
A compact control algorithm for re-
active power compensation and
load balancing with static Var com-
pensator. Electric Power Systems
Research, 2001, no. 2, vol. 58,
pp. 63-70.
6. Rohouma W., Balog R.S., Peerza-
da A.A., Begovic M.M. D-STATCOM
for harmonic mitigation in low volt-
age distribution network with high
penetration of nonlinear loads. Re-
newable Energy, 2020, vol. 145,
pp. 1449-1464.
7. Humayun M., Khan M.M., Has-
san M., Zhang W. Analysis of hybrid
switches symmetric
fl
ying capacitor
multilevel inverter based STATCOM.
International Journal of Electrical
Power & Energy Systems, 2021,
vol. 131, pp. 1-14.
8
Закарюкин
В
.
П
.,
Крюков
А
.
В
.,
Ива
-
нова
Е
.
С
.
Анализ
схем
симметриро
-
вания
на
тяговых
подстанциях
же
-
лезных
дорог
переменного
тока
//
Электрификация
транспорта
, 2013,
№
6.
С
. 27–33.
9.
Силаев
М
.
А
.,
Дворкин
Д
.
В
.,
Туль
-
ский
В
.
Н
.,
Палис
С
.,
Карташев
И
.
И
.
Перемежающаяся
несимметрия
токов
в
электрической
сети
и
ее
оценка
на
шинах
тяговых
подстан
-
ций
//
Электротехника
, 2018,
№
10.
С
. 66–71.
10.
Кобозев
В
.
А
.,
Лыгин
И
.
В
.
Качество
и
энергоэффективность
систем
электроснабжения
потребителей
.
Уч
.
пособие
.
М
.,
Вологда
:
Инфра
-
Инженерия
, 2022. 356 c.
11.
Демирчян
К
.
С
.,
Нейман
Л
.
Р
.,
Ко
-
ровкин
Н
.
В
.,
Чечурин
В
.
Л
.
Теоре
-
тические
основы
электротехники
.
В
3-
х
т
.
СПб
, 2003,
т
. 1. 463
с
.
12.
Панфилов
Д
.
И
.,
Асташев
М
.
Г
.,
Ча
-
сов
А
.
В
.
Способ
симметрирова
-
ния
режима
работы
четырехпро
-
водной
линии
электропередачи
.
Патент
№
2776278C1
РФ
,
заявл
.
24.01.2022,
опубл
. 15.07.2022.
13.
Панфилов
Д
.
И
.,
Асташев
М
.
Г
.,
Часов
А
.
В
.
Симметрирование
режимов
работы
трехфазных
ли
-
ний
электропередачи
полупрово
-
дниковыми
регуляторами
мощ
-
ности
//
Электротехника
, 2022,
№
6.
С
. 2–8.
14.
Асташев
М
.
Г
.,
Панфилов
Д
.
И
.,
Ча
-
сов
А
.
В
.,
Рашитов
П
.
А
.
К
расчету
симметрирующих
устройств
для
трехфазных
трехпроводных
линий
электропередачи
//
Электротехни
-
ка
, 2022,
№
6.
С
. 9–15.
REFERENCES
1. Fida Hasan Md Ra
fi
, M.J. Hossain,
Md Shamiur Rahman, Seyedfoad
Taghizadeh. An overview of unbal-
ance compensation techniques us-
ing power electronic converters for
active distribution systems with re-
newable generation. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 2020,
vol. 125, pp. 1-16.
2. Zeng X.J., Zhai H.F., Wang M.X.,
Yang M., Wang M.Q. A system op-
timization method for mitigating
three-phase imbalance in distribu-
tion network. International Journal of
Electrical Power & Energy Systems,
2019, vol. 113, pp. 618-633.
3. Pan
ă
, A., B
ă
loi A., Molnar-Matei F.
New method for calculating the sus-
ceptances of a balancing capacitive
compensator for a three-phase four-
wire distribution network. International
Journal of Electrical Power & Energy
Systems, 2020, vol. 115, pp. 1-15.
4. Martins A.P., Rodrigues P., Hassan
M., Morais V.A. Voltage Unbalance,
Power Factor and Losses Optimi-
zation in Electri
fi
ed Railways Using
an Electronic Balancer. Electricity,
2021, no. 2, pp. 554-572.
5. Lee S.-Y., Wu Ch.-J., Chang W.-N.
A compact control algorithm for re-
active power compensation and
load balancing with static Var com-
pensator. Electric Power Systems
Research, 2001, no. 2, vol. 58,
pp. 63-70.
6. Rohouma W., Balog R.S., Peerza-
da A.A., Begovic M.M. D-STATCOM
for harmonic mitigation in low volt-
age distribution network with high
penetration of nonlinear loads. Re-
newable Energy, 2020, vol. 145,
pp. 1449-1464.
7. Humayun M., Khan M.M., Has-
san M., Zhang W. Analysis of hybrid
switches symmetric
fl
ying capacitor
multilevel inverter based STATCOM.
International Journal of Electrical
Power & Energy Systems, 2021,
vol. 131, pp. 1-14.
8. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V., Iva-
nova E.S. Analysis of balancing
diagrams at railway AC traction sub-
station //
Elektri
fi
katsiya transporta
[Transport Electri
fi
cation], 2013,
no. 6, pp. 27–33. (In Russian)
9. Silaev M.A., Dvorkin D.V., Tul'skiy V.N.,
Palis S., Kartashev I.I. Transient cur-
rent asymmetry in an electrical net-
work and its evaluation on traction
substation busbars //
Elektrotekh-
nika
[Electrical Engineering], 2018,
no. 10, pp. 66–71. (In Russian)
10. Kobozev V.A., Lygin I.V. Quality and
energy ef
fi
ciency of consumer power
supply systems. Students' guide.
Moscow, Vologda, Infra-Inzheneriya
Publ., 2022. 356 p. (In Russian)
11. Demirchyan K.S., Neyman L.R., Ko-
rovkin N.V., Chechurin V.L. Theoreti-
cal basis of electrical engineering. In
3 volumes. Saint Petersburg, 2003,
vol. 1. 463 p. (In Russian)
12. Pan
fi
lov D.I., Astashev M.G., Chasov
A.V. A method of balancing the oper-
ating mode of a four-wire transmis-
sion line. Patent no. 2776278C1 RF,
pending on 24.01.2022, published
on 15.07.2022.
13. Pan
fi
lov D.I., Astashev M.G., Chasov
A.V. Balancing of operating modes
of three-phase transmission lines by
semi-conductive power regulators //
Elektrotekhnika
[Electrical Engineer-
ing], 2022, no. 6, pp. 2–8. (In Rus-
sian)
14. Pan
fi
lov D.I., Astashev M.G., Cha-
sov A.V., Rashitov P.A. More about
calculation of balancing devices for
three-phase three-wire transmission
lines //
Elektrotekhnika
[Electrical
Engineering], 2022, no. 6, pp. 9–15.
(In Russian)
Оригинал статьи: Устройства силовой электроники для симметрирования режимов работы и компенсации реактивной мощности в трехфазных линиях электропередачи
Распределительные трехфазные электрические сети в современных условиях их работы осуществляют электроснабжение разнородных, динамически изменяющихся во времени нагрузок. Среди них существенную долю составляют либо несимметричные, либо однофазные нагрузки. Данные особенности энергопотребления являются причиной возникновения несимметричных режимов работы трехфазных сетей, проявляющихся как неравномерностью токовой загрузки отдельных фаз сети, так и несимметрией фазных и линейных напряжений в узлах подключения потребителей. При этом совместное влияние факторов несимметрии режимов работы сети, высоких уровней передаваемой реактивной мощности, нелинейности и высокой динамики изменения нагрузок при общем росте энергопотребления все чаще оказывают негативное влияние как на показатели качества электрической энергии, так и на эффективность функционирования электрических сетей в целом. Известные технологии симметрирования и компенсации реактивной мощности в электрических сетях в современных условиях зачастую оказываются неэффективными. В статье рассматриваются новые подходы к построению устройств симметрирования режимов работы и компенсации реактивной мощности в линиях электропередачи, позволяющие улучшить технико-экономические характеристики устройств данного класса, обеспечить возможность их надежного активно-адаптивного функционирования в электрической сети, повысить доступность владения такими устройствами для их потенциальных потребителей.
