Защита электрогенераторов объектов распределенной генерации от аварийных режимов

Распределенная генерация повышает надежность работы потребителя на отдаленных от источников централизованного электроснабжения территориях. Система электроснабжения с распределенной генерацией использует возобновляемые источники электроэнергии, дизель-генераторы и бензогенераторы, в том числе передвижные электростанции, оснащенные в большинстве случаев современными средствами защиты. В процессе исследований проведен анализ существующих способов и средств защиты электрогенераторов от ненормальных и аварийных режимов работы, в том числе от несимметрии напряжений, которая является одной из причин сокращения срока службы генераторов и характерна для сельских электрических сетей. В ходе анализа определены основные типы защиты генераторов от аварийных режимов работы: защита обмоток статора, защита от пониженной и повышенной частоты, защита от пониженного и повышенного напряжения, защита от несимметрии напряжений (токов). Отмечено, что основной причиной несимметрии напряжений, приводящей к механической вибрации и быстрому перегреву ротора, являются однофазные нагрузки в системе, которые неравномерно распределены по трем фазам. Проблема несимметрии напряжений решается в основном за счет перераспределения нагрузок в линиях электропередачи и/или установки компенсирующих устройств. Однако в сельских системах электроснабжения несбалансированное распределение нагрузки корректируется крайне редко. Компенсация несимметрии напряжений возможна посредством применения гибридных фильтров активной мощности последовательной компенсации и совершенствования методов управления этими фильтрами. Преобразователи напряжения, эффективные при выравнивании несимметрии напряжений в фотоэлектрических системах, могут эффективно защищать дизельные электрогенераторы малой мощности при условии достижения экономической рентабельности оснащения дополнительным оборудованием.

1. Drozdowski P., Warzecha A. Mathematical study and control of diesel rotary uninterruptible power supply. 15th Selected Issues of Electrical Engineering and Electronics (WZEE). IEEE. Zakopane, Poland, 2019. Рp. 469 475. https://doi.org/10.1109/WZEE48932.2019.8979991

2. Хватов О.С., Дарьенков А.Б. Электростанция на базе дизель-генератора переменной частоты вращения // Электротехника. 2014. № 3. С. 28 32. EDN: RVCDOH

3. Boldea I. Electric generators handbook-two volume set. New York, USA: CRC Press, 2018. 580 р.

4. Yulisetiawan R.D., Koenhardono E.S., Sarwito S. Effect analysis of unbalanced electric load in ship at three phase synchronous generator on laboratory scale. Jurnal Teknik ITS. 2016;5(2). https://doi.org/10.12962/j23373539.v5i2.19417

5. Boldea I. Synchronous generators. New York, USA: CRC Press, 2005. 444 р. https://doi.org/10.1201/9781420037258

6. Мазалов А.А. Адаптивная ветроустановка переменного тока с асинхронным генератором // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2010. № 3. C. 250 256. EDN: LMCOZP

7. Серебряков Р.А., Доржиев С.С., Базарова Е.Г. Современное состояние, проблемы и перспективы развития ветроэнергетики // Вестник ВИЭСХ. 2018. № 1. С. 89 96. EDN: XPTXPF

8. Muljadi E., Yildirim D., Batan T., Butterfield C.P. Understanding the unbalanced-voltage problem in wind turbine generation. Conference Record of the 1999 IEEE Industry Applications Conference. Thirty-Forth IAS Annual Meeting (Cat No99CH36370). IEEE, 1999. Рp. 1359 1365. https://doi.org/10.1109/IAS.1999.801678

9. Brekken T., Mohan N. A novel doubly-fed induction wind generator control scheme for reactive power control and torque pulsation compensation under unbalanced grid voltage conditions. IEEE34th Annual Conference on Power Electronics Specialist, 2003. PESC’03, Acapulco, Mexico. 2003;2:760 766. https://doi.org/10.1109/PESC.2003.1218151

10. Brekken T.K.A., Mohan N. Control of a doubly fed induction wind generator under unbalanced grid voltage conditions. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2007;22(1):129 35. https://doi.org/10.1109/TEC.2006.889550

11. Мещеряков В.Н., Муравьев А.А. Асинхронный генератор на базе машины двойного питания // Известия СПбЭТУ (ЛЭТИ). 2016. № 4. C. 45 49. EDN: VWGUDH

12. Степанчук Г.В., Моренко К.С. Двухроторные электрические генераторы для ветроустановок // Вестник аграрной науки Дона. 2011. № 2. C. 65 73. EDN: RDTGTF

13. Амер И.А., Мирошниченко А.А., Соломин Е.В., Гордиевский Е.М., Ковалев А.А. Стратегия управления на основе отслеживания точки максимальной мощности асинхронного генератора двойного питания ветроэнергетической установки // Электротехнические системы и комплексы. 2018. № 4. C. 56 62. EDN: YUNEQX

14. Aujla R.K. Generator Stator Protection, under/over voltage, under/over frequency and unbalanced loading: Theory and applications of protective relays. London, Ontario, Canada: University of Western Ontario, 2008. 11 р.

15. Zielichowski M., Fulczyk M. Influence of load on operating conditions of third harmonic ground-fault protection system of unit connected generator. IEE Proceedings – Generation, Transmission and Distribution. 1999;146(3):241-248. https://doi.org/10.1049/ip-gtd:19990249

16. Fulczyk M., Mydlikowski R. Influence of generator load conditions on third-harmonic voltages in generator stator winding. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2005;20(1):158 165. https://doi.org/10.1109/TEC.2004.842391

17. Полищук В.И. Построение защиты от виткового замыкания обмотки ротора синхронного генератора на основе индукционного датчика магнитного поля рассеяния // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2012. Т. 321, № 4. C. 57 61. EDN: PUTXIT

18. Anderson P.M., Henville C.F., Rifaat R., Johnson B., Meliopoulos S. Power system protection. Hoboken, New Jeresey, USA: John Wiley & Sons, 2022. 1424 р. https://doi.org/10.1002/9781119513100

19. Perdana I.N. Replacement of several single function generator protection relay at Badak LNG. MATEC Web of Conferences. EDP Sciences. 2019;277:03008. https://doi.org/10.1051/matecconf/201927703008

20. Булатов Ю.Н., Крюков А.В. Влияние несимметричной нагрузки на работу турбогенераторов установок распределенной генерации // Системы. Методы. Технологии. 2016. № 3. C. 85 93. EDN: XQSNZJ

21. Williamson A.C., Urquhart E.B. Analysis of the losses in a turbine-generator rotor caused by unbalanced loading. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. 1976;123(12):1325 1332. https://doi.org/10.1049/piee.1976.0265

22. Williamson A.C. Measurement of rotor temperatures of a 500 MW turbine generator with unbalanced loading. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. 1976;123(8):795 803. https://doi.org/10.1049/piee.1976.0173

23. Ciontea C.I. The use of symmetrical components in electrical protection. 201972nd Conference for Protective Relay Engineers (CPRE). College Station, TX, USA, 2019. Рр. 1 8. https://doi.org/10.1109/CPRE.2019.8765870

24. Mamcarz D., Albrechtowicz P., Radwan-Pragłowska N., Rozegnał B. The analysis of the symmetrical short-circuit currents in backup power supply systems with low-power synchronous generators. Energies. 2020;13(17):4474. https://doi.org/10.3390/en13174474

25. Папков Б.В., Осокин В.Л., Куликов А.Л. Об особенностях малой и распределенной генерации в интеллектуальной электроэнергетике // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2018. T. 22, № 4. С. 119 131. EDN: YTSNOP

26. Ludwinek K., Szczepanik J., Sułowicz M. Experimental analysis of assessing of the tripping effectiveness of miniature circuit breakers in an electrical installation fed from a synchronous generator set. Electric Power Systems Research. 2017. Т. 142. C. 341 350. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2016.09.028

27. Albrechtowicz P., Szczepanik J. The analysis of the effectiveness of standard protection devices in supply systems fed from synchronous generator sets. 2018. International Symposium on Electrical Machines (SME). Andrychow, Poland, 2018. Рр. 1 5. https://doi.org/10.1109/ISEM.2018.8442774

28. Mamcarz D., Albrechtowicz P., Radwan-Pragłowska N., Rozegnał B. The Analysis of the Symmetrical Short-Circuit Currents in Backup Power Supply Systems with Low-Power Synchronous Generators. Energies. 2020;13(17):4474. https://doi.org/10.3390/en13174474

29. Давлетов Б.Б. Особенности синхронных двигателей. Синхронные компенсаторы // Развитие и актуальные вопросы современной науки. 2017. № 7. C. 38 40. EDN: YOCEUA

30. Орлов В.С., Сидоров А.В. Компенсация реактивной мощности в распределительных сетях низкого напряжения // В сб.: Энергосбережение и инновационные технологии. Тюмень, 2015. C. 144 146. EDN: VIHSXH

31. Михалев Д.С., Исмаилов А.И., Коняев Н.В. Распределенная генерация для АПК // В сб.: Наука молодых – будущее России. Курск, 2019. С. 127 130. EDN: QYHXRS

32. Назаренко Ю.В., Коняев Н.В., Шкабенко А.Ю., Гилюк А.А. Обоснование использования альтернативного электроснабжения для крестьянско-фермерских хозяйств // Региональный вестник. 2018. № 1. C. 5 7. EDN: UQXDFM

33. Дмитриев В.Н., Милашкина О.В., Борисов И.А. Применение симметрирующих устройств для повышения качества электроэнергии автономных источников // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. № 3 4. С. 59 64. EDN: KUVYZJ

34. Виноградов А.В., Лансберг А.А., Голиков И.О. Анализ работы системы накопления электрической энергии с пофазным регулированием напряжения // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2022. Т. 69, № 3. С. 26 35. https://doi.org/10.22314/2658-4859-2022-69-3-26-35

35. Виноградов А.В., Лансберг А.А., Виноградова А.В. Анализ конфигурации электрических сетей 0,4 кВ Орловской области // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2023. Т. 70, № 4. С. 22 29. EDN: LHIRSK

36. Muljadi E., Yildirim D., Batan T., Butterfield C.P. Understanding the unbalanced-voltage problem in wind turbine generation. Conference Record of the 1999 IEEE Industry Applications Conference Thirty-Forth IAS Annual Meeting (Cat No99CH36370). IEEE, 1999. Pp. 1359 1365. https://doi.org/10.1109/IAS.1999.801678

37. IEC61000 2 2:2002. Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 2 2: Environment – Compatibility levels for low-frequency conducted disturbances and signalling in public low-voltage power supply systems: 2002 03 28. Switzerland: International Electrotechnical Commission, 2002. 57 р.

38. Barrero F., Martínez S., Yeves F., Mur F., Martínez P.M. Universal and reconfigurable to UPS active power filter for line conditioning. IEEE Transactions on Power Delivery. 2003;18(1):283 290. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2002.804014

39. Graovac D., Katić V.A., Rufer A. Power quality problems compensation with universal power quality conditioning system. IEEE Transactions on Power Delivery. 2007;22(2):968 976. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2006.883027

40. Morán L., Pastorini I., Dixon J., Wallace R. Series active power filter compensates current harmonics and voltage unbalance simultaneously. IEE Proceedings: Generation, Transmission and Distribution. 2000;147(1):31 36. https://doi.org/10.1049/ip-gtd:20000027

41. Singh B., Al-Haddad K., Chandra A. A review of active filters for power quality improvement. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1999;46(5):960 971. https://doi.org/10.1109/41.793345

42. García-Cerrada A., Pinzón-Ardila O., Feliu-Batlle V., Roncero-Sánchez P., García-González P. Application of a repetitive controller for a three-phase active power filter. IEEE Transactions on Power Electronics. 2007;22(1):237 246. https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.886609

43. Singh B., Solanki J. An implementation of an adaptive control algorithm for a three-phase shunt active filter. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009;56(8):2811 2820. https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2014367

44. Luo A., Peng S., Wu C., Wu J., Shuai Z. Power electronic hybrid system for load balancing compensation and frequency-selective harmonic suppression. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2012;59(2):723 732. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2161066

45. George S., Agarwal V. A DSP based optimal algorithm for shunt active filter under nonsinusoidal supply and unbalanced load conditions. IEEE Transactions on Power Electronics. 2007;22(2):593 601. https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.890001

46. Ali M., Laboure E., Costa F. Integrated active filter for differential-mode noise suppression. IEEE Transactions on Power Electronics. 2014;29(3):1053 1057. https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2276396

47. Ribeiro E.R., Barbi I. Harmonic voltage reduction using a series active filter under different load conditions. IEEE Transactions on Power Electronics. 2006;21(5):1394 1402. https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.880265

48. Peng F.Z., Akagi H., Nabae A. A New approach to harmonic compensation in power systems-a combined system of shunt passive and series active filters. IEEE Transactions on Industry Applications.1990;26(6):983 990. https://doi.org/10.1109/28.62380

49. Swain S.D., Ray P.K., Mohanty K.B. Voltage compensation and stability analysis of hybrid series active filter for harmonic components. Annual IEEE India Conference, INDICON. Mumbai, India, 2013. Рр. 1 6. https://doi.org/10.1109/INDCON.2013.6726005

50. Swain S.D., Ray P.K., Mohanty K.B. Improvement of power quality using a robust hybrid series active power filter. IEEE Trans Power Electron. 2017;32(5):3490-3498. https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2586525

51. Akagi H., Kanazawa Y., Nabae A. Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components. IEEE Transactions on Industry Applications. 1984; IA 20(3):625 630. https://doi.org/10.1109/TIA.1984.4504460

52. Dixon J.W., García J.J., Morán L. Control system for three-phase active power filter which simultaneously compensates power factor and unbalanced loads. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1995;42:636 641. https://doi.org/10.1109/41.475504

53. Rastogi M., Mohan N., Edris A.A. Hybrid-active filtering of harmonic currentsin powersystems. IEEE Transactions on Power Delivery. 1995;10(4):1994-2000. https://doi.org/10.1109/61.473352

54. Bhattacharya S., VeltmanA., Divan D.M., LorenzR.D. Flux-based active filter controller.IEEE Transactions on Industry Applications. 1996;32(3):491-502. https://doi.org/10.1109/28.502159

55. Singh B., Al-Haddad K., Chandra A. Active power filter with sliding mode control. IEE Proceedings: Generation, Transmission and Distribution. 1997;144(6):564-568. https://doi.org/10.1049/ip-gtd:19971431

56. Chandra A., Singh B., Singh B.N., Al-Haddad K. An improved control algorithm of shunt active filter for voltage regulation, harmonic elimination, power-factor correction, and balancing of nonlinear loads. IEEE Transactions on Power Electronics. 2000;15(3):495 507. https://doi.org/10.1109/63.844510

57. Pena R., Cardenas R., Escobar E., Clare J., Wheeler P. Control strategy for a Doubly-Fed Induction Generator feeding an unbalanced grid or stand-alone load. Electric Power Systems Research. 2009;79(2):355 364. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2008.07.005

58. Hochgraf C., Lasseter R.H. Statcom controls for operation with unbalanced voltages. IEEE Transactions on Power Delivery. 1998;13(2):538 544. https://doi.org/10.1109/61.660926

59. Li Y., Vilathgamuwa D.M., Loh P.C. Microgrid power quality enhancement using a three-phase four-wire grid-interfacing compensator. IEEE Transactions on Industry Applications. 2005;41(6):1707 1719. https://doi.org/10.1109/TIA.2005.858262

60. Li Y.W., Vilathgamuwa D.M., Loh P.C. A grid-interfacing power quality compensator for three-phase three-wire microgrid applications. IEEE Transactions on Power Electronics. 2006;21(4):1021 1031. https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.876844

61. Hojo M., Iwase Y., Funabashi T., Ueda Y. A method of three-phase balancing in microgrid by photovoltaic generation systems. 13th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC2008. Poznan, Poland, 2008. Pp. 2487 2491. https://doi.org/10.1109/EPEPEMC.2008.4635637

62. Cheng P.T., Chen C.A., Lee T.L., Kuo S.Y. A cooperative imbalance compensation method for distributed-generation interface converters. IEEE Transactions on Industry Applications. 2009;45(2):805 815. https://doi.org/10.1109/TIA.2009.2013601

63. Oliveira da Silva S.A., Donoso-Garcia P, Cortizo P.C., Seixas P.F. A three-phase line-interactive UPS system implementation with series-parallel active power-line conditioning capabilities. Conference Record – IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society) (Cat. No.01CH37248). Chicago, USA, 2001;4:2389 2396. https://doi.org/10.1109/IAS.2001.955956

64. Savaghebi M., Jalilian A., Vasquez J.C., Guerrero J.M. Autonomous voltage unbalance compensation in an islanded droop-controlled microgrid. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2012;60(4):1390 1402. https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2185914