ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2021-6-741-752ipolytech-548Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGУправление мощностью регулируемых конденсаторов в электрических сетях по критерию минимума потерь энергииPower management of variable capacitors in electrical grid systems according to the criterion of mini-mum energy losshttps://orcid.org/0000-0002-0650-1880ГиршинС. С.GirshinS. S.

Гиршин Станислав Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Энергетический институт

644050, г. Омск, пр. Мира, 11, Россия

Stanislav S. Girshin, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Power Supply for Industrial Enterprises, Energy Institute

11 Mira Ave., Omsk, 644050, Russia

stansg@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1303-669XАндрееваЕ. Г.AndreevaE. G.

Андреева Елена Григорьевна, доктор технических наук, профессор,профессор кафедры электрической техники, Энергетический институт

644050, г. Омск, пр. Мира, 11, Россия

Elena G. Andreeva, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of the Department of Electrical Engineering, Energy Institute

11 Mira Ave., Omsk, 644050, Russia

lenandr02@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9504-1312ХацевскийК. В.KhatsevskiyK. V.

Хацевский Константин Владимирович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры электрической техники, Энергетический институт

644050, г. Омск, пр. Мира, 11, Россия

Konstantin V. Khatsevskiy, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Professor of the Department of Electrical Engineering, Energy Institute

11 Mira Ave., Omsk, 644050, Russia

xkv-post@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4250-371XТроценкоВ. М.TrotsenkoV. M.

Троценко Владислав Михайлович, ассистент кафедры электроснабжения промышленных предприятий

644050, г. Омск, пр. Мира, 11, Россия

Vladislav M. Trotsenko, Assistant Professor of the Department of Power Supply for Industrial Enterprises, Energy Institute

11 Mira Ave., Omsk, 644050, Russia

troch_93@mail.ruМельниковН. А.MelnikovN. A.

Мельников Николай Андреевич, студент

644050, г. Омск, пр. Мира, 11, Россия

Nikolay A. Melnikov, Student, Energy Institute

11 Mira Ave., Omsk 644050, Russia

nik_mel_98@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7866-5630ПетроваЕ. В.PetrovaE. V.

Петрова Елена Владимировна, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Энергетический институт

644050, г. Омск, пр. Мира, 11, Россия

Elena V. Petrova, Associate Professor of the Department of Power Supply for Industrial Enterprises, Energy Institute

11 Mira Ave., Omsk 644050, Russia

evpetrova2000@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4707-2023ГорюновВ. Н.GoryunovV. N.

Горюнов Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий, Энергетический институт

644050, г. Омск, пр. Мира, 11, Россия

Vladimir N. Goryunov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Power Supply for Industrial Enterprises, Energy Institute

11 Mira Ave., Omsk 644050, Russia

vladimirgoryunov2016@yandex.ruОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian FederationОмский государственный технический университетRussian Federation202111012022256741752Copyright © Гиршин С.С., Андреева Е.Г., Хацевский К.В., Троценко В.М., Мельников Н.А., Петрова Е.В., Горюнов В.Н., 20222022Гиршин С.С., Андреева Е.Г., Хацевский К.В., Троценко В.М., Мельников Н.А., Петрова Е.В., Горюнов В.Н.Girshin S.S., Andreeva E.G., Khatsevskiy K.V., Trotsenko V.M., Melnikov N.A., Petrova E.V., Goryunov V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/548

Цель – управление передаваемой реактивной мощностью в электрических сетях с помощью регулируемой конденсаторной батареи по критерию минимума потерь энергии при различных годовых графиках реактивной нагрузки и разном числе регулировочных секций. Основные теоретические соотношения и выводы получены методами математического моделирования и интегрального исчисления с использованием элементов теории оптимального управления. Оценка степени влияния мощности и числа секций конденсаторной батареи на потери энергии в сети производилась с помощью вычислительных экспериментов. Получены выражения для собственных потерь энергии в конденсаторной батарее, а также для снижения потерь энергии в сети, справедливые при линеаризованных графиках нагрузки. Показано, что зависимости собственных потерь энергии в конденсаторной батарее и снижения потерь в сети от мощности секции имеют точки излома и проходят через максимум. Наличие точек излома обусловловлено изменением числа секций конденсаторной батареи, работающих в течение всего года. Прохождение зависимостей через максимум объясняется тем, что при повышении мощности конденсаторной батареи уменьшается время работы при полном числе регулировочных секций. Установлено, что батареи статических конденсаторов с двумя регулировочными секциями позволяют снизить потери энергии на передачу реактивной мощности на 90% и более. Для трех- и четырехсекционных батарей статических конденсаторов снижение потерь приближается к 100%. Процент снижения потерь энергии возрастает при увеличении степени заполнения годового графика реактивной нагрузки. Для снижения потерь энергии в электрической сети требуются конденсаторные батареи с числом регулировочных секций не более трех-четырех, а в большинстве случаев достаточно двух секций.

The aim is to manage the transmitted reactive power in electrical grids using variable capacitor batteries according to the criterion of minimum energy loss under different annual reactive load schedules and different numbers of variable capacitor sections. The main theoretical relations were obtained by the methods of mathematical modelling and integral calculus using the theory of optimal control. The influence of the power and number of sections in a capacitor battery on energy losses in the grid was estimated using computational experiments. Dependencies for energy losses in a capacitor battery, as well as for reducing energy losses in the grid, were obtained. These expressions are valid for linearized load schedules. It is shown that the dependences of energy losses in a capacitor battery and the reduction of losses in the grid on the section power have inflection points and pass through a maximum. The presence of inflection points is associated with a change in the number of capacitor sections operating throughout the year. The presence of a maximum is explained by the fact that, with an increase in the power of the capacitor battery, its operating time decreases under the complete number of variable sections. It is established that the batteries of static capacitors with two variable sections can reduce energy losses when transmitting reactive power by over 90%. For three- and four-section static capacitors, the loss reduction is close to 100%. The reduction in energy losses increases when approaching maximal levels of annual reactive load. Energy losses in electrical grid systems can be reduced by capacitor batteries with no more than three or four variable sections. In most cases, this can be achieved by two-section capacitor batteries.

конденсаторная батареяпотери энергииграфик нагрузкикомпенсация реактивной мощностиоптимальное управлениерегулируемая конденсаторная установкаcapacitor bankenergy lossesload graphreactive power compensationoptimal controladjustable ca-pacitor unitReferencesБигун А. Я., Гиршин С. С., Петрова Е. В., Горюнов В. Н. Учет температуры проводов повышенной пропускной способности при выборе мероприятий по снижению потерь энергии на примере компенсации реактивной мощности // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1-1. С. 212.Bigun A. Ya., Girshin S. S., Petrova E. V., Goryunov V. N. Accounting conductor temperature increased band-width when selecting measures to reduce energy loss by the example of reactive power compensation. Sovremen-nye problemy nauki i obrazovaniya = Modern problems of science and education. 2015;1-1:212. (In Russ.).Михеев Г. М., Атаманов М. Н., Афанасьева О. В., Дрей Н. М. О компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения с косинусными конденсаторами // Электротехника. 2019. № 4. С. 32–41.Mikheev G. M., Atamanov M. N., Afanasieva O. V., Drey N. M. On reactive power compensation in power supply systems with cosine capacitors. Elektrotekhnika = Electrical Engineering. 2019;4:32-41. (In Russ.).Girshin S. S., Bigun A. Ay., Ivanova E. V., Petrova E. V., Goryunov V. N., Shepelev A. O. The grid element temperature considering when selecting measures to reduce energy losses on the example of reactive power compensation // Przeglad Elektrotechniczny. 2018. Vol. 94. № 8. P. 101–104. https://doi.org/10.15199/48.2018.08.24.Girshin S. S., Bigun A. Ay., Ivanova E. V., Petrova E. V., Goryunov V. N., Shepelev A. O. The grid element temperature considering when selecting measures to re-duce energy losses on the example of reactive power compensation. Przeglad Elektrotechniczny. 2018;94(8):101-104. https://doi.org/10.15199/48.2018.08.24.Железко Ю. С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах. М.: Энергоиздат, 1981. 200 с.Zhelezko Yu. S. Reactive power compensation in com-plex electrical systems. Moscow: Energoatomizdat; 1981, 200 p. (In Russ.).Арион В. Д., Каратун В. С., Пасинковский П. А. Компенсация реактивной мощности в условиях неопределенности исходной информации // Электричество. 1991. № 2. С. 6–11.Arion V. D., Karatun V. S., Pasinkovskij P. A. Reactive power compensation in conditions of initial information uncertainty. Elektrichestvo. 1991;2:6-11. (In Russ.).Ильяшов В. П. Конденсаторные установки промышленных предприятий. М.: Энергоиздат, 1983. 152 с.Il'yashov V. P. Condenser installations of industrial en-terprises. Moscow: Energoatomizdat; 1983, 152 p. (In Russ.).Воротницкий В. Э., Жабин К. В., Колибаба В. И. Сравнительный анализ управления реактивной мощностью на электроэнергетических рынках зарубежных стран и России // Электрические станции. 2020. № 5. С. 8–19.Vorotnitskiy V. E., Zhabin K. V., Kolibaba V. I. Compar-ative analysis of reactive power control in foreign electric power markets and in Russia. Elektricheskie stantsii = Power Technology and Engineering. 2020;5:8-19. (In Russ.).Петухов Р. А., Сизганова Е. Ю., Сизганов Н. В., Филатов А. Н. К вопросу автоматизации управления потоками реактивной мощности в системах электроснабжения // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 7. С. 123–146. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-7-123-146.Petukhov R. A., Sizganova E. Yu., Sizganov N. V., Fila-tov A. N. To the problem of automated control of reactive power flows in electrical energy supply systems. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018;22(7):123-146. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-7-123-146. (In Russ.).Насыров Р. Р., Альдженди Р. Выбор емкости конденсатора активного фильтра и метода управления его контроллером // Электротехника. 2020. № 1. С. 51–55.Nasyrov R. R., Al'dzhendi R. Selection of the capaci-tance of an active filter capacitor and the control method for its controller. Elektrotekhnika = Electrical Engineering. 2020;1:51-55. (In Russ.).Воротников И. Н., Мастепаненко М. А., Габриелян Ш. Ж., Шунина А. А. Модифицированный алгоритм управления компенсатором реактивной мощности для нестационарных нагрузок // Электротехника. 2019. № 3. С. 11–14.Vorotnikov I. N., Mastepanenko M. A., Gabrielyan Sh. Zh., Shunina A. A. A modified algorithm for controlling a reactive power compensator for transient loads. El-ektrotekhnika = Electrical Engineering. 2019;3:11-14. (In Russ.)Трубицин М. А., Микаэльян Е. Ю. Расчет удельных приростов потерь при оптимизации реактивных мощностей в сложной электросети // Инженерный вестник Дона. 2019. № 6. С. 41.Trubitsin M. A., Mikael'yan E. Yu. Calculation of spe-cific gains of losses in the optimization of reactive power in a complex power grid. Inzhenernyy vestnik Dona = Don's Engineering Gazette. 2019;6:41. (In Russ.).Шпиганович А. Н., Рычков А. В. Оптимизация компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения со специфичной нагрузкой // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2016. № 1. С. 28–32.Shpiganovich A. N., Rychkov A. V. Optimization of reactive power compensation with a specific load power supply systems. Vesti vysshikh uchebnykh zavedeniy Chernozem'ya = News of higher educational institutions of the Chernozem region. 2016;1:28-32. (In Russ.).Арион В. Д., Журавлев В. Г., Ставровский А. Н. Оптимизация выбора источников реактивной мощности в электроэнергетических системах. М.: Изд-во ВИНИТИ, 1984. 63 с.Arion V. D., Zhuravlev V. G., Stavrovskij A. N. Selec-tion optimization of reactive power sources in electric power systems. Moscow: All-Russian Institute for Scien-tific and Technical Information of the Russian Academy of Sciences; 1984, 63 р. (In Russ.).Home-Ortiz J. M., Vargas R., Macedo L. H., Romero R. Joint reconfiguration of feeders and allocation of capacitor banks in radial distribution systems considering voltage-dependent models // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2019. Vol. 107. P. 298–310. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2018.11.035.Home-Ortiz J. M., Vargas R., Macedo L. H., Romero R. Joint reconfiguration of feeders and allocation of capac-itor banks in radial distribution systems considering volt-age-dependent models. International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2019;107:298-310. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2018.11.035.Gonzalo G., Aguila A., Gonzalez D., Ortiz L. Optimum location and sizing of capacitor banks using VOLT VAR compensation in micro-grids // IEEE Latin America Transactions. 2020. Vol. 18. Iss. 3. P. 465–472. https://doi.org/10.1109/TLA.2020.9082717.Gonzalo G., Aguila A., Gonzalez D., Ortiz L. Optimum location and sizing of capacitor banks using VOLT VAR compensation in micro-grids. IEEE Latin America Transactions. 2020;18(3):465-472. https://doi.org/10.1109/TLA.2020.9082717.Abdelhady S., Osama A., Shaban A., Elbayoumi M. A Real-time optimization of reactive power for an intelligent system using genetic algorithm // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 11991–12000. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2965321.Abdelhady S., Osama A., Shaban A., Elbayoumi M. A real-time optimization of reactive power for an intelligent system using genetic algorithm. IEEE Access. 2020;8:11991-12000. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2965321.Fetouh T., Elsayed A. M. Optimal control and operation of fully automated distribution networks using improved tunicate swarm intelligent algorithm // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 129689–129708. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3009113.Fetouh T., Elsayed A. M. Optimal control and opera-tion of fully automated distribution networks using im-proved tunicate swarm intelligent algorithm. IEEE Access. 2020;8:129689-129708. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3009113.Muhammad Ya., Khan R., Raja M. A. Z., Ullah F., Chaudhary N. I., He Yigang. Solution of optimal reactive power dispatch with FACTS devices: a survey // Energy Reports. 2020. Vol. 6. P. 2211–2229. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.07.030.Muhammad Ya., Khan R., Raja M. A. Z., Ullah F., Chaudhary N. I., He Yigang. Solution of optimal reactive power dispatch with FACTS devices: a survey. Energy Reports. 2020;6:2211-2229. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.07.030.Saddique M. Sh., Bhatti A. R., Haroon Sh. S., Sattar M. K., Amin S., Sajjad I. A., et al. Solution to optimal reactive power dispatch in transmission system using metaheuristic techniques – Status and technological review // Electric Power Systems Research. 2020. Vol. 178. P. 106031. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2019.106031.Saddique M. Sh., Bhatti A. R., Haroon Sh. S., Sattar M. K., Amin S., Sajjad I. A., et al. Solution to optimal reac-tive power dispatch in transmission system using meta-heuristic techniques – status and technological review. Electric Power Systems Research. 2020;178:106031. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2019.106031.Гиршин С. С., Горюнов В. Н., Шепелев А. О. Оптимальное управление конденсаторными батареями в распределительных сетях // Ученые Омска – региону: матер. II Регион. науч.-техн. конф. (г. Омск, 6–7 июня 2017 г.). Омск: Изд-во ОмГТУ, 2017. С. 75–79.Girshin S. S., Goryunov V. N., Shepelev A. O. Optimal control of capacitor banks in distribution networks. Uchenye Omska – regionu: materialy II Regional'noj nauchno-tekhnicheskoj konferencii = Scientists of the city of Omsk to the region: materials of II regional scientific and technical conference. 6–7 June 2017, Omsk. Omsk: Omsk State Technical University; 2017, р. 75-79. (In Russ.).Гиршин С. С., Горюнов В. Н., Ширяев А. С., Коваленко Д. В. Выбор конденсаторных батарей в электрических сетях с учетом отключения при малых нагрузках // Промышленная энергетика. 2019. № 12. С. 12–18.Girshin S. S., Goryunov V. N., Shiryaev A. S., Ko-valenko D. V. Selecting capacitor banks in electrical net-works taking into account shutdowns at low loads. Promyshlennaya energetika. 2019;12:12-18. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.