Метод оценки качества электроэнергии в системах электроснабжения горных предприятий с мощными высоковольтными частотно-регулируемыми электроприводами

Рассмотрены основные негативные эффекты высших гармоник для режимов работы систем электроснабжения горных предприятий. На основе математического и имитационного моделирования исследованы несинусоидальные режимы в системе электроснабжения горных предприятий с нелинейной нагрузкой в виде мощных систем высоковольтного частотно-регулируемого электропривода технологических установок. Установлены основные закономерности возникновения, растекания и изменения по величине высших гармоник тока и напряжения в схеме электроснабжения. В результате исследований разработан графоаналитический метод расчета суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения в системах электроснабжения горных предприятий с нелинейной нагрузкой в виде частотно-регулируемых электроприводов с выпрямителями любой пульсности. Получены удобные для практических расчетов соотношения, позволяющие на стадии проектирования оценить суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения на шинах источника питания системы электроснабжения горного предприятия, к которому подключена мощная высоковольтная нелинейная нагрузка, и обоснованно выбрать мощность этого источника. На основе выявленных закономерностей разработан обобщенный алгоритм анализа и моделирования несинусоидальных режимов в схемах электроснабжения с частотно-регулируемыми электроприводами для выбора силового оборудования схемы при условии достижения нормируемой или требуемой величины коэффициента несинусоидальности напряжения.

Сериков В. А., Костин В. Н., Сычев Ю. А., Хайдар Самет Метод оценки качества электроэнергии в системах электроснабжения горных предприятий с мощными высоковольтными частотно-регулируемыми электроприводами // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 12. – С. 162–177. DOI: 10.25018/0236_ 1493_2024_12_0_162.

Сериков Владимир Александрович¹ — канд. техн. наук, ассистент кафедры, e-mail: Serikov.va@bk.ru, ORCID ID: 0000-0002-2863-000X,
Костин Владимир Николаевич — канд. техн. наук, доцент, ведущий специалист проектов, Группа компаний «Городской центр экспертиз — Энергетика» (ГЦЭ-Энерго), e-mail: kostin_vn@mail.ru,
Сычев Юрий Анатольевич¹ — д-р техн. наук, доцент, e-mail: ya_sychev@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-0119-505X,
Самет Хайдар — д-р техн. наук, профессор, Ширазский университет, Шираз, Иран, e-mail: hsamet@gmail.com, ORCID ID: 0000-0003-1367-3872,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Сериков В.А., e-mail: Serikov.va@bk.ru.

1. Абрамов Б. И., Державин Д. А., Чуриков А. М., Новоселов Ю. Б., Суслов М. А., Шевырев Ю. В. Инструментальные исследования качества электроэнергии на нефтепромыслах в условиях широкого применения частотно-регулируемых приводов // Нефтяное хозяйство. — 2016. — № 1. — С. 90—92.

2. Герман-Галкин С. Г. Анализ и расчет параллельного активного фильтра // Электротехника. — 2018. — № 1. — С. 55—61. DOI: 10.3103/S1068371218010042.

3. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. 2-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 160 с.

4. Жуковский Ю. Л., Королев Н. А., Малькова Я. М. Мониторинг состояния измельчения в барабанных мельницах по результирующему моменту на валу // Записки Горного института. — 2022. — Т. 256. — С. 686—700. DOI: 10.31897/PMI.2022.91.

5. Зацепина В. И., Довженко С. В., Шпиганович А. А. Влияние частотного преобразователя на питающую сеть // Промышленная энергетика. — 2009. — № 4. — С. 52—54.

6. Карпенко С. М., Карпенко Н. В., Безгинов Г. Ю. Прогнозирование электропотребления на горнопромышленных предприятиях с использованием статистических методов // Горная промышленность. — 2022. — № 1. — С. 82—88. DOI: 10.30686/1609-9192-2022-1-82-88.

7. Карпенко С. М., Карпенко Н. В., Ематин Е. А., Абельянц У. В. Статистический анализ и прогнозное моделирование электропотребления экскаваторов и участков угольного разреза // Уголь. — 2024. — № 3. — С. 79—86. DOI: 10.18796/0041-5790-2024-3-79-86.

8. Ляхомский А. В., Плащанский Л. А., Решетняк С. Н., Решетняк М. Ю. Разработка высоковольтного устройства автоматизированного мониторинга качества электрической энергии в подземных сетях угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 7. — С. 207—213. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-07-0-207-213.

9. Ляхомский А. В., Перфильева Е. Н., Кутепов А. Г. Анализ деятельности организаций угольной отрасли по обеспечению повышения энергоэффективности // Уголь. — 2021. — № 4 (1141). — С. 32—36.

10. Сальников В. Г., Шевченко В. В. Эффективные системы электроснабжения предприятий цветной металлургии. — М.: Металлургия, 1986. — 320 с.

11. Непша Ф. С., Варнавский К. А., Воронин В. А., Заславский И. С., Ливен А. С. Перспективы применения генерации на возобновляемых источниках энергии на угледобывающих предприятиях // Записки Горного института. — 2023. — Т. 261. — С. 455—469.

12. Сычев Ю. А., Костин В. Н., Сериков В. А., Аладьин М. Е. Анализ несинусоидальных режимов в системах электроснабжения горных предприятий с нелинейной нагрузкой и конденсаторными установками // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 1. — С. 159—179. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_1_0_159.

13. Сычев Ю. А., Сериков В. А., Костин В. Н., Коржев А. А. Оценка влияния активно-емкостного пассивного фильтра на амплитудно-частотные характеристики промышленной системы электроснабжения с нелинейной нагрузкой и конденсаторными установками при резонансных явлениях // Промышленная энергетика. — 2024. — № 1. — С. 46—55. DOI: 10.34831./ EP.2024.37.84.006.

14. Устинов Д. А., Айсар А. Р. Анализ влияния объектов распределенной генерации на системы защиты и режим напряжения: обзор // Безопасность труда в промышленности. — 2023. — № 2. — С. 15—20. DOI: 10.24000/0409-2961-2023-2-15-20.

15. Устинов Д. А., Айсар А. Р. Разработка нового рабочего алгоритма для повышения эффективности удаленной защиты в сетях распределенной генерации // Безопасность труда в промышленности. — 2023. — № 5. — С. 20—27. DOI: 10.24000/0409-2961-2023-5-20-27.

16. Шевырева Н. Ю. Влияние активного выпрямителя напряжения с релейным контуром тока на искажение формы напряжения сети // Горный журнал. — 2022. — № 12. — С. 49—54. DOI: 10.17580/gzh.2022.12.09.

17. Шевырев Ю. В. Улучшение качества электроэнергии при работе полупроводникового преобразователя частоты // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 2. — С. 171—178. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-2-0-171-178.

18. Шевырев Ю. В., Шевырева Н. Ю. Улучшение формы напряжения в системах электроснабжения предприятий минерально-сырьевого комплекса с активным выпрямителем // Горный журнал. — 2019. — № 1. — С. 66—69. DOI: 10.17580/gzh.2019.01.14.

19. Шпенст В. А., Бельский А. А., Орел Е. А. Повышение энергоэффективности автономного электротехнического комплекса с возобновляемыми источниками энергии на основании адаптивной регулировки режимов работы // Записки Горного института. — 2023. — Т. 261. — С. 479—492.

20. Bulycheva E. A., Yanchenko S. A. Real-time harmonic identification under varying grid conditions // Serbian Journal of Electrical Engineering. 2021, vol. 18, no. 1, pp. 29—48.

21. Dovgun V., Temerbaev S., Chernyshov M., Novikov V., Boyarskaya N., Gracheva E. Distributed power quality conditioning system for three-phase four-wire low voltage networks // Energies. 2020, vol. 13, article 4915. DOI: 10.3390/en13184915.

22. Litran S. P., Salmeron P. Electromagnetic compatibility analysis of a control strategy for a hybrid active filter // Electric Power Systems Research. 2017, vol. 144, pp. 81—88. DOI: 10.1016/j. epsr.2016.11.014.

23. Lyakhomskii A., Petrochenkov A., Romodin A., Perfileva E. Assessment of the harmonics influence on the power consumption of an electric submersible pump installation // Energies. 2022, vol. 15, no. 7, article 2409. DOI: 10.3390/en15072409.

24. Perez Valles A., Salmeron P. New distributed measurement index for the identification of harmonic distortion and/or unbalance sources based on the IEEE Std. 1459 framework // Electric Power Systems Research. 2019, vol. 172, pp. 96—104.

25. Baburin S. V., Turysheva A. V., Kovalchuk M. S. Algorithm for the choice of power supply system rational structure of gas pumping stations // Journal of Physics: Conference Series. 2021, vol. 1753, no. 1, article 012009. DOI: 10.1088/1742-6596/1753/1/012009.

26. Кубрин С. С., Решетняк С. Н., Закоршменный И. М., Карпенко С. М. Имитационное моделирование режимов работы оборудования комплексно-механизированного забоя угольной шахты // Устойчивое развитие горных территорий. — 2022. — Т. 14. — № 2. — С. 286—294. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-2-286-294.

27. Belsky A., Glukhanich D., Sutikno T., Hatta Jopri M. Estimation of hourly solar irradiation on tilted surfaces // Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2023, vol. 12, no. 6, pp. 3202— 3214. DOI: 10.11591/eei.v12i6.6513.

28. Petrochenkov A., Ilyushin P., Mishurinskikh S., Kozlov A. Development of a method for improving the energy efficiency of oil production with an electrical submersible pump // Inventions. 2023, vol. 8, no. 1, article 29.

29. Rao K. V. G., Kumar M. K. The harmonic reduction techniques in shunt active power filter when integrated with non-conventional energy sources // Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. 2022, vol. 25, no. 3, pp. 1236—1245. DOI: 10.11591/ijeecs.v25.i3.pp1236-1245.

30. Rao N. S., Rao P. V. R. Novel multi-device unified power quality conditioner for power quality improvement // International Journal of Power Electronics and Drive Systems. 2022, vol. 13, no. 1, pp. 390—400. DOI: 10.11591/ijpeds.v13.i1.pp390-400.

31. Semenov A. S., Mishurinskikh S. V., Petrochenkov A. B. Improving the energy efficiency of the electrical engineering complex of an oil-production enterprise // Russian Electrical Engineering. 2023, vol. 94, no. 11, pp. 806—813. DOI: 10.3103/S106837122311010X.

32. Thuyen C. M. Improved p-q harmonic detection method for hybrid active power filter // International Journal of Electrical and Computer Engineering. 2018, vol. 8, no. 5, pp. 2910—2919. DOI: 10.11591/ijece.v8i5.pp2910-2919.

33. Ustinov D. A., Aysar A. R. Using artificial neural network methods to increase the sensitivity of distance protection // International Journal of Engineering. 2024, vol. 37, no. 11, pp. 2192—2199. DOI: 10.5829/ije.2024.37.11b.06.

34. Vyngra A. V., Chernyi S. S., Avdeev B. A., Romanov E. R. Investigation of SEPS electric power quality indicators based on mathematical simulation models control / 2023 Seminar on Electrical Engineering, Automation & Control Systems, Theory and Practical Applications (EEACS). 2023. DOI: 10.1109/EEACS60421.2023.10397203.

35. Vyngra A. V., Chernyi S. S., Sokolov S. S. Development an active filter control software with the addition of algorithms for working at perturbations // 2022 Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). 2022. DOI: 10.1109/ElConRus54750.2022.9755540.

36. Yanchenko S., Kulikov A., Tsyruk S. Modeling harmonic amplification effects of modern household devices // Electric Power Systems Research. 2018, vol. 163, pp. 28—37. DOI: 10.1016/j.epsr.2018. 05.021.

37. Yanchenko S. A., Costa F. B., Strunz K. Simulation tool for accurate and fast assessment of harmonic propagation in modern residential grids // IEEE Transactions on Power Delivery. 2021, vol. 36, no. 4, pp. 2118—2128. DOI: 10.1109/TPWRD.2020.3020754.

38. Zhukovskiy Y. L., Kovalchuk M. S., Batueva D. E., Senchilo N. D. Development of an algorithm for regulating the load schedule of educational institutions based on the forecast of electric consumption within the framework of application of the demand response // Sustainability. 2021, vol. 13, no. 24, article 13801. DOI: 10.3390/su132413801.