Исследование симметрирования фазных напряжений и нагрузок в активно-адаптивных распределительных электрических сетях

DOI: 10.47026/1810-1909-2023-4-140-150

УДК 621.316.11

ББК 31.2

В.Т. СИДОРОВА, С.В. ВОЛКОВ

Ключевые слова

несимметрия токов и напряжений, симметрирование нагрузок, целевая функция, коэффициенты чувствительности, потери активной мощности, коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности, коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности

Аннотация

Сети 0,4 кВ отличаются сильной несимметрией нагрузок по фазам. Несимметрия токов приводит к несимметрии напряжений и дополнительным потерям электрической энергии. В результате напряжение у потребителя может не соответствовать нормам качества электрической энергии. Кроме того, вследствие несимметрии снижается срок службы электрооборудования. Поскольку эффект симметрирования напряжений значительно зависит от места симметрирования нагрузок на линии, предлагается определение мест симметрирования нагрузок с помощью решения многокритериальной оптимизационной задачи. В работе предложена целевая функция, минимизирующая потери активной мощности и содержащая суммарный индекс потерь активной мощности и индексы коэффициентов несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательностям.

Цель исследования – получить эффективную целевую функцию для определения мест симметрирования нагрузок и напряжений в сети, обеспечивающую минимум потерь активной мощности и значения коэффициентов несимметрии напряжений в необходимых пределах; провести исследование симметрирования нагрузок и напряжений в зависимости от мест симметрирования.

Материалы и методы. В работе были использованы методы расчета электрических сетей с учетом потерь напряжения и активной мощности. Для исследования мест симметрирования нагрузок и напряжений был использован метод многокритериальной оптимизации с ограничениями. Исследование целевой функции проведено на математической модели воздушной линии низкого напряжения. Все расчеты проводились в MATLAB.

Результаты исследования. Дан анализ и приведен обзор современных средств и методов симметрирования нагрузок и напряжений в сетях низкого напряжения. В результате анализа сделан вывод об отсутствии алгоритма определения мест симметрирования нагрузок в сетях низкого напряжения, обеспечивающих минимальные потери активной мощности и значения коэффициентов несимметрии напряжения в необходимых пределах. Задача поиска мест симметрирования нагрузок и напряжения является многокритериальной задачей оптимизации с ограничениями. Поэтому была предложена целевая функция, минимизирующая потери активной мощности в сети и содержащая суммарный индекс потерь активной мощности и индексы коэффициентов несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательностям. Для исследования предложенной целевой функции была использована модельная воздушная линия сети 0,4 кВ с заданными фазными нагрузками и напряжениями. Для модельной линии проведен расчет потерь активной мощности и значений коэффициентов несимметрии напряжения в исходном режиме до симметрирования. Все расчеты проводились для каждой фазы отдельно. На первом этапе был проведен расчет коэффициентов чувствительности потерь активной мощности и коэффициентов чувствительности по коэффициентам несимметрии напряжения. Для исследования симметрирования нагрузок были выбран узлы, имеющие максимальные значения коэффициентов чувствительности. Из результатов расчетов следует, что наилучший эффект от симметрирования наблюдается при симметрировании нагрузок одновременно в двух узлах: в узле, имеющем наибольшие значения суммарного коэффициента чувствительности потерь активной мощности, и в узле, имеющем максимальное значение фазного коэффициента чувствительности потерь активной мощности. При симметрировании нагрузок только в одном из узлов, более оптимальном из выбранных, будет узел, наиболее удаленный от ТП. Также получены весовые коэффициенты, обеспечивающие минимум целевой функции.

Выводы. Предложенная целевая функция является эффективной для определения мест симметрирования нагрузок и напряжения в сетях низкого напряжения. При этом наилучший эффект наблюдается при симметрировании нагрузок в узлах, имеющих наибольшие значения коэффициентов чувствительности потерь активной мощности суммарного и по фазам. Более оптимальным из выбранных будет узел, наиболее удаленный от ТП. При симметрировании нагрузок в местах, определённых с помощью предложенной целевой функции, можно уменьшить потери электроэнергии и обеспечить значения коэффициентов несимметрии в узлах на линии меньше предельно допустимого значения.

Литература

1. Варганова А.В. О методах оптимизации режимов работы электроэнергетических систем и сетей // Вестник Южно-уральского государственного университета. Сер. Энергетика. 2017. Т. 17, №. 3. С. 48–55.
2. Киселев М.Х. Исследование и разработка методов симметрирования токов в трехфазных системах электроснабжения на основе силовых электронных устройств компенсации неактивной мощности: дис. … канд. техн. наук. М., 2017. 106 с.
3. Климова Г.Н., Литвак В.В., Маркман Г.З., Харлов Н.Н. Энергосбережение и качество электрической энергии. Томск: Изд-во ТПУ, 2005. 157 с.
4. Кубарьков Ю.П., Кулаев И.С., Алехин Р.А. Оптимизация уровней напряжения в активно-адаптивных сетях с распределённой генерацией // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. 2018. № 3(59). С. 154–164.
5. Насыров Р.Р., Тульский В.Н., Карташев И.И. Система активно адаптивного регулирования напряжения в распределительных электрических сетях 110–220/6–20 кВ // Электричество. 2014. № 12. С. 13–18.
6. Орлов А.И., Волков С.В., Савельев А.А. Алгоритмы управления трехфазным устройством выравнивания нагрузки электрической сети // Вестник Чувашского университета. 2017. № 1. С. 162–172.
7. Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью, 2012. URL: https://www.fsk-ees.ru/upload/docs/ies_aas.pdf.
8. Тертьяков Е.А. Совершенствование методов управления передачей и распределением электроэнергии в адаптивных системах электроснабжения стационарных потребителей железных дорог: дис… д-ра техн. наук, Омск, 2021. 403 с.
9. Mansouri K., Ben Hamed M., Sbita L., Dhaoui M. Three-phase balancing in a LV distribution smart-grids using electrical load flow variation: “L.F.B.M.”. In: 2015 16^th International Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (STA), Monastir, Tunisia, 2015, pp. 427–431. DOI: 10.1109/STA.2015.7505085.
10. Maslov I., Maslova G., Ishalin A., Novoselova M. Power Quality Assurance with Balancing Transformers 10/0.4kW. In: 2021 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS), Ufa, Russia, 2021, pp. 555–558. DOI: 10.1109/ICOECS52783.2021.9657254.
11. Sidorova V.T. Determining Mains Connection Points Charging Stations on RES for Electric Vehicles. In: 2021 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russia, 2021, pp. 85–89. DOI: 10.1109/ICIEAM51226.2021.9446376.
12. Ziryukin V., Solopov R., Usanov A. The 0.4 kV Automatic Balancing Device Model. In: 2021 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russia, 2021, pp. 719–724. DOI: 10.1109/RusAutoCon52004.2021.9537532.

Сведения об авторах

Сидорова Вера Тагировна – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры электромеханики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (veranig@yandex.ru; ORCID: http://orcid.orc/0000-0001-6534-7847).

Волков Сергей Владимирович – кандидат технических наук, декан электроэнергетического факультета, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (svedin2011@mail.ru).

Формат цитирования

Сидорова В.Т., Волков С.В. Исследование симметрирования фазных напряжений и нагрузок в активно-адаптивных распределительных электрических сетях // Вестник Чувашского университета. – 2023. – № 4. – С. 140–150. DOI: 10.47026/1810-1909-2023-4-140-150.

Загрузить полный текст статьи