Исследование составной двигательной нагрузки при наличии высших гармоник в электрической сети

В статье рассматриваются методики замещения составной двигательной нагрузки как потребителя высших гармоник. Использованы две схемы замещения, по которым проводились расчеты комплексного сопротивления нагрузки, а затем сравнивались с результатами имитационного моделирования. Моделирование осуществлялось в среде MATLAB Simulink, использовалась библиотека Specialized Power Systems, в которой была разработана имитационная модель с двигателями и источником гармонических искажений. Для исследования выбраны пять асинхронных двигателей c короткозамкнутым ротором марки АИР с мощностями, варьирующимися от 0,75 до 5,50 кВт. Моделирование проводилось при разных нагрузках двигателей. Момент на валу изменялся со значениями 50; 70; 90 и 100 % от номинальных значений каждого двигателя. В качестве источника гармонических токов в сети использовался шестипульсный диодный выпрямитель, генерирующий гармоники с номерами 5, 7, …, 25, соответствующие пульсности, равной шести. Фиксировались осциллограммы токов и напряжений в точке общего подключения асинхронных двигателей и выпрямителя, которые впоследствии использовались для расчета комплексного сопротивления. По результатам работы получены амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики импеданса составной двигательной нагрузки, анализ которых выявил несходимость расчетных методов с имитационным моделированием. Сделаны выводы о необходимости продолжать исследования в данном направлении, так как имеются качественные расхождения в функциональной зависимости комплексного сопротивления от номера гармоники с экспериментальными данными, полученными для одиночного асинхронного двигателя. Результаты работы могут быть использованы при расчетах коэффициента искажения по напряжению и моделировании режимов, связанных с высшими гармониками, как на существующих предприятиях, так и при их проектировании, что повысит надежность и эффективность работы электрических сетей.

1. Седнин, А. В. Энергоэффективность применения гибридных тепловых пунктов в условиях интеграции электрических и тепловых сетей городских микрорайонов. Ч. 1: Обоснование целесообразности применения гибридных тепловых пунктов / А. В. Седнин, М. И. Позднякова // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023. Т. 66, № 6. С. 552–566. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-6-552-566.

2. Константинова, С. В. Расчет емкости для работы мини-энергокомплекса на основе асинхронного генератора в автономном режиме / С. В. Константинова, А. Ю. Капустинский, Т. М. Ярошевич // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021 Т. 64, № 1. С. 40–50. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-1-40-50.

3. Козловская, В. Б. Учет влияния высших гармоник при выборе сечений проводников линий наружного освещения / В. Б. Козловская, В. Н. Калечиц // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2017. Т. 60, № 6. С. 544–557. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-6-544-557.

4. Koptev, V. Y. Information Support for the Process of Multiphase Flows Transportation Based on the Introduction of a Radioisotope Non-Separation Hydrocarbon Measuring System / V. Y. Koptev, A. V Kopteva, V. V Starshaya // 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). 2020. P. 674–679. https://doi.org/10.1109/eiconrus49466.2020.9039314.

5. Renewable and Sustainable Clean Energy Development and Impact on Social, Economic, and Environmental Health / K. Kumar, [et al.] // Energy Nexus. 2022. Vol. 7. P. 100118. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2022.100118.

6. Nguyen, M. P. Energy Transition in Vietnam: A Strategic Analysis and Forecas / M. P. Nguyen, T. Ponomarenko, N. Nguyen // Sustainability. 2024. Vol. 16, Nо 5. P. 1969. https://doi.org/10.3390/su16051969.

7. Бялобржеский, А. В. Искажающая электрическая мощность переменного тока в простейшей цепи с диодом / А. В. Бялобржеский, Д. Й. Родькин // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 5. С. 433–443. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-5-433-444.

8. Nguyen, H. H. Optimization of the control System for Electrolytic Copper Refining with Digital Twin during Dendritic Precipitation / H. H. Nguyen, V. Y. Bazhin // Metallurgist. 2023. Vol. 67, № 1. P. 41–50. https://doi.org/10.1007/s11015-023-01487-3.

9. Бажин, В. Ю. Автоматизированный контроль и управление балансом шихты при производстве металлургического кремния / В. Ю. Бажин, О. Н. Масько, С. А. Мартынов // Цветные металлы. 2023. № 4. С. 53–60. https://doi.org/10.17580/tsm.2023.04.07.

10. Федорова, А. Р. Определение параметров осаждения при сгущении и промывке красных шламов / А. Р. Федорова, Е. А. Пупышева, В. В. Моргунов // Цветные металлы. 2023. № 4. С. 77–84. https://doi.org/10.17580/tsm.2023.04.10.

11. Nos, O. V. The Sliding-Mode Observer for PMSM Sensorless Control with Adaptive Complex-Coefficient Filter and PLL / O. V. Nos, T. V Pudkova, S. A. Kharitonov // 2023 XX Technical Scientific Conference on Aviation Dedicated to the Memory of N.E. Zhukovsky (TSCZh), 2023. P. 44–49. https://doi.org/10.1109/tsczh58792.2023.10233364.

12. Счастный, В. П. Электромагнитная совместимость компенсирующих устройств и преобразователей регулируемого электропривода в электрических сетях промышленных предприятий / В. П. Счастный, А. И. Жуковский // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 1. С. 37–51. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-1-37-51.

13. Васильев, Б. Ю. Анализ влияния полупроводниковых преобразователей на батарею и двигатель асинхронного привода шахтных горнотранспортных машин / Б. Ю. Васильев, Т. Х. Нгуен // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023. № 9–1. С. 299–318.

14. Coordinate control Strategy for Stability Operation of Offshore wind Farm Integrated with Diode-Rectifier HVDC / L. Xie [et al.] // Global Energy Interconnection. 2020. Vol. 3, No 3. P. 205–216. https://doi.org/10.1016/j.gloei.2020.07.002.

15. A New Nonlinear Control of an Active Rectifier for Variable Speed Generating Units / C. M. Verrelli [et al.] // Control Engineering Practice. 2023. Vol. 139. P. 105653. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2023.105653.

16. Taha, M. 12 Pulse High power Active Rectifier for Electric Vehicle Charging / M. Taha, A. Almaktoof, M. T. E. Khan // Transportation Research Procedia. 2023. Vol. 70. P. 299–306. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2023.11.033.

17. Belsky, A. A. Standalone Power System with Photovoltaic and Thermoelectric Installations for Power Supply of Remote Monitoring And Control Stations for Oil Pipelines / A. A. Belsky, D. Y. Glukhanich // Renewable Energy Focus. 2023. Vol. 47. P. 100493. https://doi.org/10.1016/j.ref.2023.100493.

18. Fortes, R. R. A. Harmonic Distortion Assessment in Power Distribution Networks Considering DC component Injection From PV inverters / R. R. A. Fortes, R. F. Buzo, L. C. O. de Oliveira // Electric Power Systems Research. 2020. Vol. 188. P. 106521. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2020.106521.

19. Artificial Neural Networks Based Harmonics Estimation for Real University Microgrids using Hourly Solar Irradiation and Temperature Data / N. Yarar [et al.] // Energy Nexus. 2023. Vol. 9. P. 100172. https://doi.org/10.1016/j.nexus.2023.100172.

20. Hybrid System of Hydrogen Generation by Water Electrolysis and Methane Partial Oxidation / G. Buslaev [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48, No 63. P. 24166–24179. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.098.

21. Сычев, Ю. А. Повышение качества электроэнергии в системах электроснабжения минерально – сырьевого комплекса гибридными фильтрокомпенсирующими устройства ми / Ю. А. Сычев, Р. Ю. Зимин // Записки Горного института. 2021. T. 247. C. 132–140. https://doi.org/10.31897/pmi.2021.1.14.

22. Скамьин, А. Н. Определение сопротивления электрической сети при расчете режимов с искажениями в напряжении / А. Н. Скамьин, В. С. Добуш, М. Х. Жопри // Записки Горного института. 2023. T. 261. C. 443–454. https://doi.org/10.31897/pmi.2023.25.

23. Reduction and Control of Harmonic on Three-Phase Squirrel Cage Induction Motors with Voltage Source Inverter (VSI) using ANN-Grasshopper Optimization Shunt Active Filters (ANN-GOSAF) / T. O. Araoye [et al.] // Scientific African. 2023. Vol. 21. P. e01785. https://doi.org/10.1016/j.sciaf.2023.e01785.

24. Сычев, Ю. А. Анализ эффективности работы универсальных регуляторов качества электрической энергии на основе активных преобразователей в промышленных системах электроснабжения с нелинейной нагрузкой / Ю. А. Сычев, М. Е. Аладьин // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023. № 11. С. 159–181.

25. Network Modelling for Harmonic Studies. CIGRE, 2019. 241 p.

26. Arrillaga, J. Power System Harmonics / J. Arrillaga, N. R. Watson. 2nd. John Wiley & Sons, Ltd, 2003. 389 p. https://doi.org/10.1002/0470871229.

27. Жежеленко, И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И. В. Жежеленко. Изд. 4-е. M.: Энергоатомиздат, 2006. 331 с.

28. Extraction of Frequency-Dependent Impedances of Residential Loads in Low-Voltage Grids for Harmonic Stability Assessment / S. Simon // Electric Power Systems Research. 2022. Vol. 212. P. 108528 https://doi.org/10.1016/j.epsr.2022.108528.

29. Смирнов, С. С. Высшие гармоники в сетях высокого напряжения. / С. С. Смирнов. Новосибирск: Наука, 2010. 327 с.

30. Modelling and Aggregation of Loads in Flexible Power Networks – Scope and Status of the Work of CIGRE WG C4.605 / K. Yamashita [et al.] // IFAC Proceedings Volumes. 2012. Vol. 45, No 21. P. 405–410. https://doi.org/10.3182/20120902-4-fr-2032.00072.

31. Harmonic Modeling, Data Generation, and Analysis of Power Electronics-Interfaced Residential Loads / A. Singhal [et al.] // 2022 IEEE Power & Energy Society Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT), 2022. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/isgt50606.2022.9817492.

32. Измерение качества электроэнергии в системе электроснабжения со светодиодными / В. П. Кузьменко [и др.] // Научный вестник НГТУ. 2019. № 1. С. 197–212. https://doi.org/10.17212/1814-1196-2019-1-197-212.

33. Liu, W. Aggregation Method of Distributed Load Resources Based on Non-intrusive Load Identification Aggregation Method of Distributed Load Resources Based on Non-intrusive Load Identification / W. Liu, C. Wang, Y. Li // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2138. P. 012004. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2138/1/012004.

34. Using Aggregated Electrical Loads for the Multinodal Load Forecasting / J. R. Moreira-Júnior [et al.] // Journal of Control, Automation and Electrical Systems. 2022. Vol. 33. P. 1592–1600. https://doi.org/10.1007/s40313-022-00906-1.

35. Chapter 5 – Modeling and simulation of active electrical distribution systems using the OpenDSS / L. C. Ribeiro [et al.] // Decision Making Applications in Modern Power Systems / eds.: S. H. E. Abdel Aleem [et al.]. Academic Press, 2020. P. 121–152. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-816445-7.00005-0.

36. Research on the Harmonics Penetration Characteristics of the Traction Network to Three-Phase 380 V Power System of the Traction Substation and Suppression Scheme / Y. Zhao [et al.] // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 195359–195369. https://doi.org/10.1109/access.2020.3033889.

37. Викторов, В. А. Исследование уровней и спектров высших гармоник тока в электрических сетях питания компьютерной техники и основные мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости / В. А. Викторов, В. А. Мешалкин, В. М. Салтыков // Системы управления, связи и безопасности. 2019. № 4. С. 381–402.

38. Косарев, Б. А. Модель электротехнической системы с распределенной генерацией / Б. А. Косарев, В. К. Федоров // Омский научный вестник. 2019. № 5. С. 64–71. https://doi.org/10.25206/1813-8225-2019-167-64-71.

39. Impedance Analysis of Squirrel-Cage Induction Motor at High Harmonics Condition / A. Skamyin [et al.] // Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. 2024. Vol. 33, No 1. P. 31–41. https://doi.org/10.11591/ijeecs.v33.i1.pр31-41.