Устранение несимметрии трехфазного напряжения с помощью твердотельного трансформатора в интеллектуальных сетях электроснабжения
Ключевые слова:
твердотельный трансформатор, симметричные составляющие, несимметрия напряжений, коэффициент несимметрии
Аннотация
Использование нетрадиционных источников питания, отличающихся нестабильностью качества электроэнергии и колебанием производимой мощности, с одной стороны, и разнообразными потребителями в сетях электроснабжения с другой, ведет к перекосам фаз. Это усложняет работу интеллектуальных сетей электроснабжения, особенно в микросетях. Один из способов повышения качества работы интеллектуальных сетей — использование трехступенчатого твердотельного трансформатора с гальванической развязкой и двумя вставками постоянного тока, позволяющими подключать источники и потребители электроэнергии и служащими для создания резервного хранения электроэнергии в аккумуляторах.
Цель работы — анализ качества электроэнергии на выходе трехступенчатого твердотельного трансформатора, получающего питание от несимметричного источника трёхфазного напряжения.
Исследование выполнено с помощью численного моделирования на базе математического пакета Matlab/Simulink. Приведены параметры моделирования, получены осциллограммы тока и напряжения на выходе твердотельного трансформатора. Построены векторные диаграммы для входного и выходного напряжений с разложением их на нулевые, прямые и обратные гармонические составляющие. Определены коэффициенты гармонического искажения по току и напряжению для каждой фазы, коэффициенты несимметрии напряжений по нулевой и обратной последовательностям на входе и выходе твердотельного трансформатора с помощью метода симметричных составляющих.
Установлено, что применение твердотельных трансформаторов позволяет заметно повысить качество электроэнергии и устранить несимметрию до норм, установленных ГОСТом. Показано, что твердотельные трансформаторы являются перспективной технологией в составе интеллектуальных сетей электроснабжения, позволяющей производить регулировку и подстройку параметров электроснабжения, повышать качество электроэнергии, распределять мощности между источниками и потребителями, интегрировать сети постоянного и переменного тока различного уровня напряжения и мощности.
Литература
1. Грабчак Е.П., Логинов Е.Л. Цифровые подходы к управлению объектами электро- и теплоэнергетики с применением интеллектуальных киберфизических систем // Надежность и безопасность энергетики. 2019. Т. 12. № 3. С. 172—176.
2. Перекальский И.Н., Кокин С.Е. Применение технологий распределенного реестра (blockchain) в электроэнергетических системах // Вестник Южно-Уральского гос. ун-та. Серия «Энергетика». 2020. Т. 20. № 1. С. 64—75.
3. Василенко Я.В. Цифровизация российской электроэнергетики: современное состояние и перспективы развития // Проблемы российской экономики на современном этапе: Материалы Всеросс. науч.-практ. конф. М., 2020. С. 105—111.
4. Лоскутов А.Б. Решение проблем при переходе электроэнергетики на цифровые технологии // Интеллектуальная электротехника. 2018. № 1(1). С. 9—25.
5. Vaca-Urbano F., Alvarez-Alvarado M.S. Power Quality with Solid State Transformer Integrated Smart-grids IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies // ISGT Latin America. 2017. V. 2017. Pp. 1—6.
6. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Крюков А.Е. Применение энергороутеров для повышения надежности электроснабжения нетяговых потребителей // Системы. Методы. Технологии. 2020. № 4(48). С. 57—64.
7. Bignucolo F., Bertoluzzo, M. Application of Solid-State Transformers in a Novel Architecture of Hybrid AC/DC House Power Systems // Energies. 2020. V. 13. Pp. 3432—3150.
8. Sokolova E.A., Aslanov G.A., Sokolov A.A. Modern Approach to Storing 3D Geometry of Objects in Machine Engineering Industry // Proc. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. Tomsk. 2016. P. 177.
9. Zixin L. e. a. A Three-phase 10 kVAC-750 VDC Power Electronic Transformer for Smart Distribution Grid // |Proc. 15th European Conf. Power Electronics and Appl. 2013. Pp. 1—9.
10. Hannan M.A. e. a. State of the Art of Solid-state Transformers: Advanced Topologies, Implementation Issues, Recent Progress and Improvements // IEEE Access. 2020. V. 8. Pp. 191139—19132.
11. Avdeev B., Vyngra A., Chernyi S. Improving the Electricity Quality by Means of a Single-phase Solid-State Transformer // Designs. 2020. V. 4. Pp. 35—45.
12. Yemelyanov V.A., Nedelkin A.A., Olenev L.A. An Object-oriented Design of Expert System Software for Evaluating the Maintenance of Lined Equipment // Proc. Intern. Multi-conf. Industrial Eng. and Modern Technol. Vladivostok, 2019. P. 8934414
13. Бойко А., Бесараб А., Соколов Я., Шапа Л. Улучшение энергетических показателей асинхронных двигателей в условиях питания несимметричным напряжением // Проблемы региональной энергетики. 2019. № 1–1(40). С. 25—35.
14. Verma N., Singh N., Yadav S. Solid State Transformer for Electrical System: Challenges and Solution // Proc. II Intern. Conf. Electronics, Materials Eng. & Nanotechnology. 2018. Рp. 1—5.
15. Авдеев Б.А. Расчет мощности двунаправленного преобразователя постоянного напряжения автономных подводных аппаратов // Вестник Астраханского гос. техн. ун-та. Серия «Морская техника и технология». 2019. № 2. С. 101—109.
16. Lovell H., Powells G. Smart Grid Knowledges and the State // Area. 2020. V. 52(3). Pp. 583—590.
17. ГОСТ 13109—97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
18. ГОСТ 30804.4.30—2013 (IEC 61000-4-30:2008) Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии.
19. Ronanki D., Williamson S.S. Topological Overview on Solid-state Transformer Traction Technology in High-speed Trains // Proc. IEEE Transportation Electrification Conf. and Expo. Long Beach, 2018. Pp. 32—37.
---
Для цитирования: Авдеев Б.А. Устранение несимметрии трехфазного напряжения с помощью твердотельного трансформатора в интеллектуальных сетях электроснабжения // Вестник МЭИ. 2021. № 4. С. 67—75. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-4-67-75.
---
Работа выполнена при поддержке: The President of the Russian Federation (Grant № МК-5450.2021.4)
#
1. Grabchak E.P., Loginov E.L. Tsifrovye Podkhody k Upravleniyu Ob′ektami Elektro- i Teploenergetiki s Primeneniem Intellektual'nykh Kiberfizicheskikh Sistem. Nadezhnost' i Bezopasnost' Energetiki. 2019;12;3:172—176. (in Russian).
2. Perekal'skiy I.N., Kokin S.E. Primenenie Tekhnologiy Raspredelennogo Reestra (Blockchain) v Elektroenergeticheskikh Sistemakh. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo Gos. Un-ta. Seriya «Energetika». 2020;20;1:64—75. (in Russian).
3. Vasilenko Ya.V. Tsifrovizatsiya Rossiyskoy Elektroenergetiki: Sovremennoe Sostoyanie i Perspektivy Razvitiya. Problemy Rossiyskoy Ekonomiki na Sovremennom Etape: Materialy Vseross. Nauch.-prakt. Konf. M., 2020:105—111. (in Russian).
4. Loskutov A.B. Reshenie Problem pri Perekhode Elektroenergetiki na Tsifrovye Tekhnologii. Intellektual'naya Elektrotekhnika. 2018;1(1):9—25. (in Russian).
5. Vaca-Urbano F., Alvarez-Alvarado M.S. Power Quality with Solid State Transformer Integrated Smart-grids IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies. ISGT Latin America. 2017;2017:1—6.
6. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Kryukov A.E. Primenenie Energorouterov Dlya Povysheniya Nadezhnosti Elektrosnabzheniya Netyagovykh Potrebiteley. Sistemy. Metody. Tekhnologii. 2020;4(48):57—64. (in Russian).
7. Bignucolo F., Bertoluzzo M. Application of Solid-State Transformers in a Novel Architecture of Hybrid AC/DC House Power Systems. Energies. 2020;13:3432—3150.
8. Sokolova E.A., Aslanov G.A., Sokolov A.A. Modern Approach to Storing 3D Geometry of Objects in Machine Engineering Industry. Proc. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. Tomsk. 2016:177.
9. Zixin L. e. a. A Three-phase 10 kVAC-750 VDC Power Electronic Transformer for Smart Distribution Grid. |Proc. 15th European Conf. Power Electronics and Appl. 2013:1—9.
10. Hannan M.A. e. a. State of the Art of Solid-state Transformers: Advanced Topologies, Implementation Issues, Recent Progress and Improvements. IEEE Access. 2020;8:191139—19132.
11. Avdeev B., Vyngra A., Chernyi S. Improving the Electricity Quality by Means of a Single-phase Solid-State Transformer. Designs. 2020;4:35—45.
12. Yemelyanov V.A., Nedelkin A.A., Olenev L.A. An Object-oriented Design of Expert System Software for Evaluating the Maintenance of Lined Equipment. Proc. Intern. Multi-conf. Industrial Eng. and Modern Technol. Vladivostok, 2019:8934414
13. Boyko A., Besarab A., Sokolov YA., Shapa L. Uluchshenie Energeticheskikh Pokazateley Asinkhronnykh Dvigateley v Usloviyakh Pitaniya Nesimmetrichnym Napryazheniem. Problemy Regional'noy Energetiki. 2019;1–1(40):25—35. (in Russian).
14. Verma N., Singh N., Yadav S. Solid State Transformer for Electrical System: Challenges and Solution. Proc. II Intern. Conf. Electronics, Materials Eng. & Nanotechnology. 2018:1—5.
15. Avdeev B.A. Raschet Moshchnosti Dvunapravlennogo Preobrazovatelya Postoyannogo Napryazheniya Avtonomnykh Podvodnykh Apparatov. Vestnik Astrakhanskogo Gos. Tekhn. Un-ta. Seriya «Morskaya Tekhnika i Tekhnologiya». 2019;2:101—109. (in Russian).
16. Lovell H., Powells G. Smart Grid Knowledges and the State. Area. 2020;52(3):583—590.
17. GOST 13109—97 Elektricheskaya Energiya. Sovmestimost' Tekhnicheskikh Sredstv Elektromagnitnaya. Normy Kachestva Elektricheskoy Energii v Sistemakh Elektrosnabzheniya Obshchego Naznacheniya. (in Russian).
18. GOST 30804.4.30—2013 (IEC 61000-4-30:2008) Elektricheskaya Energiya. Sovmestimost' Tekhnicheskikh Sredstv Elektromagnitnaya. Metody Izmereniy Pokazateley Kachestva Elektricheskoy Energii. (in Russian).
19. Ronanki D., Williamson S.S. Topological Overview on Solid-state Transformer Traction Technology in High-speed Trains. Proc. IEEE Transportation Electrification Conf. and Expo. Long Beach, 2018:32—37.
---
For citation: Avdeev B.A. Eliminating Three-Phase Voltage Unbalance by Using a Solid-State Transformer in Smart Power Supply Grids. Bulletin of MPEI. 2021;4:67—75. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-4-67-75.
---
The work is executed at support: RFBR (Project No. МК-5450.2021.4)
2. Перекальский И.Н., Кокин С.Е. Применение технологий распределенного реестра (blockchain) в электроэнергетических системах // Вестник Южно-Уральского гос. ун-та. Серия «Энергетика». 2020. Т. 20. № 1. С. 64—75.
3. Василенко Я.В. Цифровизация российской электроэнергетики: современное состояние и перспективы развития // Проблемы российской экономики на современном этапе: Материалы Всеросс. науч.-практ. конф. М., 2020. С. 105—111.
4. Лоскутов А.Б. Решение проблем при переходе электроэнергетики на цифровые технологии // Интеллектуальная электротехника. 2018. № 1(1). С. 9—25.
5. Vaca-Urbano F., Alvarez-Alvarado M.S. Power Quality with Solid State Transformer Integrated Smart-grids IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies // ISGT Latin America. 2017. V. 2017. Pp. 1—6.
6. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Крюков А.Е. Применение энергороутеров для повышения надежности электроснабжения нетяговых потребителей // Системы. Методы. Технологии. 2020. № 4(48). С. 57—64.
7. Bignucolo F., Bertoluzzo, M. Application of Solid-State Transformers in a Novel Architecture of Hybrid AC/DC House Power Systems // Energies. 2020. V. 13. Pp. 3432—3150.
8. Sokolova E.A., Aslanov G.A., Sokolov A.A. Modern Approach to Storing 3D Geometry of Objects in Machine Engineering Industry // Proc. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. Tomsk. 2016. P. 177.
9. Zixin L. e. a. A Three-phase 10 kVAC-750 VDC Power Electronic Transformer for Smart Distribution Grid // |Proc. 15th European Conf. Power Electronics and Appl. 2013. Pp. 1—9.
10. Hannan M.A. e. a. State of the Art of Solid-state Transformers: Advanced Topologies, Implementation Issues, Recent Progress and Improvements // IEEE Access. 2020. V. 8. Pp. 191139—19132.
11. Avdeev B., Vyngra A., Chernyi S. Improving the Electricity Quality by Means of a Single-phase Solid-State Transformer // Designs. 2020. V. 4. Pp. 35—45.
12. Yemelyanov V.A., Nedelkin A.A., Olenev L.A. An Object-oriented Design of Expert System Software for Evaluating the Maintenance of Lined Equipment // Proc. Intern. Multi-conf. Industrial Eng. and Modern Technol. Vladivostok, 2019. P. 8934414
13. Бойко А., Бесараб А., Соколов Я., Шапа Л. Улучшение энергетических показателей асинхронных двигателей в условиях питания несимметричным напряжением // Проблемы региональной энергетики. 2019. № 1–1(40). С. 25—35.
14. Verma N., Singh N., Yadav S. Solid State Transformer for Electrical System: Challenges and Solution // Proc. II Intern. Conf. Electronics, Materials Eng. & Nanotechnology. 2018. Рp. 1—5.
15. Авдеев Б.А. Расчет мощности двунаправленного преобразователя постоянного напряжения автономных подводных аппаратов // Вестник Астраханского гос. техн. ун-та. Серия «Морская техника и технология». 2019. № 2. С. 101—109.
16. Lovell H., Powells G. Smart Grid Knowledges and the State // Area. 2020. V. 52(3). Pp. 583—590.
17. ГОСТ 13109—97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
18. ГОСТ 30804.4.30—2013 (IEC 61000-4-30:2008) Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии.
19. Ronanki D., Williamson S.S. Topological Overview on Solid-state Transformer Traction Technology in High-speed Trains // Proc. IEEE Transportation Electrification Conf. and Expo. Long Beach, 2018. Pp. 32—37.
---
Для цитирования: Авдеев Б.А. Устранение несимметрии трехфазного напряжения с помощью твердотельного трансформатора в интеллектуальных сетях электроснабжения // Вестник МЭИ. 2021. № 4. С. 67—75. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-4-67-75.
---
Работа выполнена при поддержке: The President of the Russian Federation (Grant № МК-5450.2021.4)
#
1. Grabchak E.P., Loginov E.L. Tsifrovye Podkhody k Upravleniyu Ob′ektami Elektro- i Teploenergetiki s Primeneniem Intellektual'nykh Kiberfizicheskikh Sistem. Nadezhnost' i Bezopasnost' Energetiki. 2019;12;3:172—176. (in Russian).
2. Perekal'skiy I.N., Kokin S.E. Primenenie Tekhnologiy Raspredelennogo Reestra (Blockchain) v Elektroenergeticheskikh Sistemakh. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo Gos. Un-ta. Seriya «Energetika». 2020;20;1:64—75. (in Russian).
3. Vasilenko Ya.V. Tsifrovizatsiya Rossiyskoy Elektroenergetiki: Sovremennoe Sostoyanie i Perspektivy Razvitiya. Problemy Rossiyskoy Ekonomiki na Sovremennom Etape: Materialy Vseross. Nauch.-prakt. Konf. M., 2020:105—111. (in Russian).
4. Loskutov A.B. Reshenie Problem pri Perekhode Elektroenergetiki na Tsifrovye Tekhnologii. Intellektual'naya Elektrotekhnika. 2018;1(1):9—25. (in Russian).
5. Vaca-Urbano F., Alvarez-Alvarado M.S. Power Quality with Solid State Transformer Integrated Smart-grids IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies. ISGT Latin America. 2017;2017:1—6.
6. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Kryukov A.E. Primenenie Energorouterov Dlya Povysheniya Nadezhnosti Elektrosnabzheniya Netyagovykh Potrebiteley. Sistemy. Metody. Tekhnologii. 2020;4(48):57—64. (in Russian).
7. Bignucolo F., Bertoluzzo M. Application of Solid-State Transformers in a Novel Architecture of Hybrid AC/DC House Power Systems. Energies. 2020;13:3432—3150.
8. Sokolova E.A., Aslanov G.A., Sokolov A.A. Modern Approach to Storing 3D Geometry of Objects in Machine Engineering Industry. Proc. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. Tomsk. 2016:177.
9. Zixin L. e. a. A Three-phase 10 kVAC-750 VDC Power Electronic Transformer for Smart Distribution Grid. |Proc. 15th European Conf. Power Electronics and Appl. 2013:1—9.
10. Hannan M.A. e. a. State of the Art of Solid-state Transformers: Advanced Topologies, Implementation Issues, Recent Progress and Improvements. IEEE Access. 2020;8:191139—19132.
11. Avdeev B., Vyngra A., Chernyi S. Improving the Electricity Quality by Means of a Single-phase Solid-State Transformer. Designs. 2020;4:35—45.
12. Yemelyanov V.A., Nedelkin A.A., Olenev L.A. An Object-oriented Design of Expert System Software for Evaluating the Maintenance of Lined Equipment. Proc. Intern. Multi-conf. Industrial Eng. and Modern Technol. Vladivostok, 2019:8934414
13. Boyko A., Besarab A., Sokolov YA., Shapa L. Uluchshenie Energeticheskikh Pokazateley Asinkhronnykh Dvigateley v Usloviyakh Pitaniya Nesimmetrichnym Napryazheniem. Problemy Regional'noy Energetiki. 2019;1–1(40):25—35. (in Russian).
14. Verma N., Singh N., Yadav S. Solid State Transformer for Electrical System: Challenges and Solution. Proc. II Intern. Conf. Electronics, Materials Eng. & Nanotechnology. 2018:1—5.
15. Avdeev B.A. Raschet Moshchnosti Dvunapravlennogo Preobrazovatelya Postoyannogo Napryazheniya Avtonomnykh Podvodnykh Apparatov. Vestnik Astrakhanskogo Gos. Tekhn. Un-ta. Seriya «Morskaya Tekhnika i Tekhnologiya». 2019;2:101—109. (in Russian).
16. Lovell H., Powells G. Smart Grid Knowledges and the State. Area. 2020;52(3):583—590.
17. GOST 13109—97 Elektricheskaya Energiya. Sovmestimost' Tekhnicheskikh Sredstv Elektromagnitnaya. Normy Kachestva Elektricheskoy Energii v Sistemakh Elektrosnabzheniya Obshchego Naznacheniya. (in Russian).
18. GOST 30804.4.30—2013 (IEC 61000-4-30:2008) Elektricheskaya Energiya. Sovmestimost' Tekhnicheskikh Sredstv Elektromagnitnaya. Metody Izmereniy Pokazateley Kachestva Elektricheskoy Energii. (in Russian).
19. Ronanki D., Williamson S.S. Topological Overview on Solid-state Transformer Traction Technology in High-speed Trains. Proc. IEEE Transportation Electrification Conf. and Expo. Long Beach, 2018:32—37.
---
For citation: Avdeev B.A. Eliminating Three-Phase Voltage Unbalance by Using a Solid-State Transformer in Smart Power Supply Grids. Bulletin of MPEI. 2021;4:67—75. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-4-67-75.
---
The work is executed at support: RFBR (Project No. МК-5450.2021.4)
Опубликован
2021-01-10
Выпуск
Раздел
Электротехнические комплексы и системы (05.09.03)
