A Solid-State On-Load Tap Changer for the Power Transformers of 10—0.4 kV Distribution Networks
Keywords:
on-load tap changing, power transformer, digital substation, solid-state control device, thyristor switch
Abstract
The specific features relating to voltage control of power transformers at distribution network transformer substations are considered. An approach to implementing high-speed on-load voltage control of serially produced 10/0.4 kV power transformers by using a solid-state on-load tap changer (SOLTC) is presented. An example of the SOLTC circuit solution on the basis of thyristor switches is given. On-load voltage control algorithms for power transformers equipped with SOLTC that ensure high reliability and high-speed operation are proposed. The SOLTC performance and the operability of the suggested voltage control algorithms were studied by simulation in the Matlab/Simulink environment and by experiments on the SOLTC physical model. The structure and peculiarities of the used simulation Matlab model are described. The SOLTC physical model design and its parameters are presented. The results obtained from the simulating the SOLTC operation on the Matlab model and from the experiments on the SOLTS physical model jointly with a power transformer under different loads and with using different control algorithms are given. An analysis of the experimental study results has shown the soundness of the adopted technical solutions. It has been demonstrated that the use of an SOLTC ensures high-speed voltage control, high efficiency and reliability of its operation, and arcless switching of the power transformer regulating taps without load voltage and current interruption. By using the SOLTC operation algorithms it is possible to perform individual phase voltage regulation in a three-phase 0.4 kV distribution network. The possibility of integrating SOLTC control and diagnostic facilities into the structure of modern digital substations based on the digital interface according to the IEC 61850 standard is noted.
References
1. Янченко С.А., Цырук С.А., Куликов А.И. Анализ методов разгрузки трансформаторов в сетях с высоким уровнем несинусоидальности тока // Промышленная энергетика. 2017. № 7. С. 44—53.
2. ГОСТ 32144—2013. Электрическая энергия совместимость технических средств электромагнитная нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
3. Копейкина Т.В. Вопросы построения и реконструкции распределительных сетей // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 12 (4). С. 592—595.
4. Концепция ПАО «Россети» «Цифровая трансформация 2030». М., 2018.
5. Лавров А.Г., Попов Е.Н. Анализ процессов регулирования напряжения силовых трёхобмоточных трансформаторов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2019. № 10. С. 63—71.
6. Гуков П.О., Кулешов Д.Ю. Способы регулирования напряжения в распределительной электрической сети // Актуальные проблемы энергетики АПК: Материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф. Саратов: ООО «ЦеСАин», 2017. С. 46—49.
7. Pezeshki H., Arefi A., Ledwich G., Wolfs P. Probabilistic Voltage Management Using OLTC and dSTATCOM in Distribution Networks // IEEE Trans. Power Delivery. 2018. V. 33 (2). Pp. 570—580.
8. Лавров А.Г., Попов Е.Н. Анализ режимов регулирования вторичного напряжения трансформаторов с устройствами РПН // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2017. № 5. С. 53—58.
9. Castro J.C., Lagos G.S., González O.A. Simulation and Measuring of Transients in On-Load Tap Changers // IEEE Latin America Trans. 2017. V. 15. No. 10. Pp. 1901—1907.
10. Дед А.В., Лавриков Ю.П., Горюнов В.Н., Кропотин О.В., Смирнов П.С. Определение допустимых диапазонов регулирования медленных изменений напряжения путём имитационного моделирования // Омский научный вестник. 2018. № 5. С. 90—96.
11. Фокеев А.Е., Атрахманов А.А., Даутов Р.Р. Выбор мощности силовых трансформаторов для подстанций напряжением 10(6)/0,4 кВ с учетом влияния нелинейной нагрузки // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. 2020. Т. 23. № 1. С. 65—74.
12. Daratha N., Das B., Sharma J. Coordination Between OLTC and SVC for Voltage Regulation in Unbalanced Distribution System Distributed Generation // IEEE Trans. Power Syst. 2013. V. 29 (1). Pp. 289—299.
13. Mouli G.R.C. e. a. Design of a Power-Electronic-Assisted OLTC for Grid Voltage Regulation // IEEE Trans. Power Delivery. 2014. V. 7. No. 1. Pp. 1086—1095.
14. Якимов И.А., Николаев А.А., Барабаш Р.О., Анохин В.В. Исследование работы тиристорного регулятора напряжения печного трансформатора в режиме стабилизации первичного тока дуговой сталеплавильной печи // Электротехника. 2016. Т. 3. № 4. С. 3—10.
15. Пат. № 2711587 РФ. Способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой и устройство для его реализации / Д.И. Панфилов, М.Г. Асташев, А.В. Горчаков // Бюл. изобрет. 2020. № 2.
16. Пат. № 2711589 РФ. Способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой и устройство для его реализации / Д.И. Панфилов, М.Г. Асташев, А.В. Горчаков // Там же.
17. Балясов П.П., Мускатиньев А.В. Исследование процессов включения силовых тиристоров в высоковольтных преобразователях // XLVI Огарёвские чтения: Материалы науч. конф. Саранск: Изд-во Национального исследовательского Мордовского гос. ун-та им. Н.П. Огарева. 2018. С. 46—53.
18. Hasan E.O., Hatata A.Y., Badran E.A.-E. Voltage Control of Distribution Systems using Electronic OLTC // Proc. Twentieth Intern. Middle East Power Systems Conf. 2018. V. 48. No. 1. Pp. 845—849.
19. Бойченко О.В., Дячук В.С. Построение информационной модели цифровой подстанции на основе стандарта МЭК 61850 // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 4 (46). Ч. 2. С. 39—42.
20. Topolskiy D.V., Yumagulov N.I., Galiyev A.L. Development of Technical Solutions for Digital Substations Using Ddigital Instrument Combined Current and Voltage Transformers // Proc. Intern. Conf. Industrial Eng., Appl. and Manufacturing. Moscow, 2018. Pp. 872—879.
---
Для цитирования: Панфилов Д.И., Асташев М.Г., Горчаков А.В. Полупроводниковое устройство регулирования напряжения под нагрузкой для силовых трансформаторов распределительных электрических сетей 10—0,4 кВ // Вестник МЭИ. 2020. № 6. С. 82—90. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-82-90.
#
1. Yanchenko S.A., Tsyruk S.A., Kulikov A.I. Analiz Metodov Razgruzki Transformatorov v Setyakh s Vysokim Urovnem Nesinusoidal'nosti Toka. Promyshlennaya Energetika. 2017;7:44—53. (in Russian).
2. GOST 32144—2013. Elektricheskaya Energiya Sovmestimost' Tekhnicheskikh Sredstv Elektromagnitnaya Normy Kachestva Elektricheskoy Energii v Sistemakh Elektrosnabzheniya Obshchego Naznacheniya. (in Russian).
3. Kopeykina T.V. Voprosy Postroeniya i Rekonstruktsii Raspredelitel'nykh Setey. Mezhdunarodnyy Zhurnal Prikladnykh i Fundamental'nykh Issledovaniy. 2016;12 (4):592—595. (in Russian).
4. Kontseptsiya PAO «Rosseti» «Tsifrovaya Transformatsiya 2030». M., 2018. (in Russian).
5. Lavrov A.G., Popov E.N. Analiz Protsessov Regulirovaniya Napryazheniya Silovykh Trekhobmotochnykh Transformatorov. Izvestiya SPbGETU «LETI». 2019;10:63—71. (in Russian).
6. Gukov P.O., Kuleshov D.Yu. Sposoby Regulirovaniya Napryazheniya v Raspredelitel'noy Elektricheskoy Seti. Aktual'nye Problemy Energetiki APK: Materialy VIII Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Saratov: OOO «TSeSAin», 2017:46—49. (in Russian).
7. Pezeshki H., Arefi A., Ledwich G., Wolfs P. Probabilistic Voltage Management Using OLTC and dSTATCOM in Distribution Networks. IEEE Trans. Power Delivery. 2018;33 (2):570—580.
8. Lavrov A.G., Popov E.N. Analiz Rezhimov Regulirovaniya Vtorichnogo Napryazheniya Transformatorov s Ustroystvami RPN. Izvestiya SPbGETU «LETI». 2017;5:53—58. (in Russian).
9. Castro J.C., Lagos G.S., González O.A. Simulation and Measuring of Transients in On-Load Tap Changers. IEEE Latin America Trans. 2017;15;10:1901—1907.
10. Ded A.V., Lavrikov Yu.P., Goryunov V.N., Kropotin O.V., Smirnov P.S. Opredelenie Dopustimykh Diapazonov Regulirovaniya Medlennykh Izmeneniy Napryazheniya Putem Imitatsionnogo Modelirovaniya. Omskiy nauchnyy vestnik. 2018;5:90—96. (in Russian).
11. Fokeev A.E., Atrakhmanov A.A., Dautov R.R. Vybor Moshchnosti Silovykh Transformatorov dlya Podstantsiy Napryazheniem 10(6)/0,4 kV s Uchetom Vliyaniya Nelineynoy Nagruzki. Vestnik IzhGTU im. M.T. Kalashnikova. 2020;23;1: 65—74. (in Russian).
12. Daratha N., Das B., Sharma J. Coordination Between OLTC and SVC for Voltage Regulation in Unbalanced Distribution System Distributed Generation. IEEE Trans. Power Syst. 2013;29 (1):289—299.
13. Mouli G.R.C. e. a. Design of a Power-Electronic-Assisted OLTC for Grid Voltage Regulation. IEEE Trans. Power Delivery. 2014;7;1:1086—1095.
14. Yakimov I.A., Nikolaev A.A., Barabash R.O., Anokhin V.V. Issledovanie raboty Tiristornogo Regulyatora Napryazheniya Pechnogo Transformatora v Rezhime Stabilizatsii Pervichnogo Toka Dugovoy Staleplavil'noy Pechi. Elektrotekhnika. 2016;3;4:3—10. (in Russian).
15. Pat. № 2711587 RF. Sposob Upravleniya Napryazheniem Transformatora pod Nagruzkoy i Ustroystvo dlya Ego Realizatsii. D.I. Panfilov, M.G. Astashev, A.V. Gorchakov. Byul. izobret. 2020;2. (in Russian).
16. Pat. № 2711589 RF. Sposob Upravleniya Napryazheniem Transformatora pod Nagruzkoy i Ustroystvo dlya Ego Realizatsii. D.I. Panfilov, M.G. Astashev, A.V. Gorchakov. Tam zhe. (in Russian).
17. Balyasov P.P., Muskatin'ev A.V. Issledovanie Protsessov Vklyucheniya Silovykh Tiristorov v Vysokovol'tnykh Preobrazovatelyakh. XLVI Ogarevskie Chteniya: Materialy Nauch. Konf. Saransk: Izd-vo Natsional'nogo Issledovatel'skogo Mordovskogo Gos. Un-ta im. N.P. Ogareva. 2018:46—53. (in Russian).
18. Hasan E.O., Hatata A.Y., Badran E.A.-E. Voltage Control of Distribution Systems using Electronic OLTC. Proc. Twentieth Intern. Middle East Power Systems Conf. 2018;48;1:845—849.
19. Boychenko O.V., Dyachuk V.S. Postroenie Informatsionnoy Modeli Tsifrovoy Podstantsii na Osnove Standarta MEK 61850. Mezhdunarodnyy Nauchno-issledovatel'skiy Zhurnal. 2016;4 (46);2:39—42. (in Russian).
20. Topolskiy D.V., Yumagulov N.I., Galiyev A.L. Development of Technical Solutions for Digital Substations Using Ddigital Instrument Combined Current and Voltage Transformers. Proc. Intern. Conf. Industrial Eng., Appl. and Manufacturing. Moscow, 2018:872—879.
---
For citation: Panfilov D.I., Astashev M.G., Gorchakov A.V. A Solid-State On-Load Tap Changer for the Power Transformers of 10—0.4 kV Distribution Networks. Bulletin of MPEI. 2020;6:82—90. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-82-90.
2. ГОСТ 32144—2013. Электрическая энергия совместимость технических средств электромагнитная нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
3. Копейкина Т.В. Вопросы построения и реконструкции распределительных сетей // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 12 (4). С. 592—595.
4. Концепция ПАО «Россети» «Цифровая трансформация 2030». М., 2018.
5. Лавров А.Г., Попов Е.Н. Анализ процессов регулирования напряжения силовых трёхобмоточных трансформаторов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2019. № 10. С. 63—71.
6. Гуков П.О., Кулешов Д.Ю. Способы регулирования напряжения в распределительной электрической сети // Актуальные проблемы энергетики АПК: Материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф. Саратов: ООО «ЦеСАин», 2017. С. 46—49.
7. Pezeshki H., Arefi A., Ledwich G., Wolfs P. Probabilistic Voltage Management Using OLTC and dSTATCOM in Distribution Networks // IEEE Trans. Power Delivery. 2018. V. 33 (2). Pp. 570—580.
8. Лавров А.Г., Попов Е.Н. Анализ режимов регулирования вторичного напряжения трансформаторов с устройствами РПН // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2017. № 5. С. 53—58.
9. Castro J.C., Lagos G.S., González O.A. Simulation and Measuring of Transients in On-Load Tap Changers // IEEE Latin America Trans. 2017. V. 15. No. 10. Pp. 1901—1907.
10. Дед А.В., Лавриков Ю.П., Горюнов В.Н., Кропотин О.В., Смирнов П.С. Определение допустимых диапазонов регулирования медленных изменений напряжения путём имитационного моделирования // Омский научный вестник. 2018. № 5. С. 90—96.
11. Фокеев А.Е., Атрахманов А.А., Даутов Р.Р. Выбор мощности силовых трансформаторов для подстанций напряжением 10(6)/0,4 кВ с учетом влияния нелинейной нагрузки // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. 2020. Т. 23. № 1. С. 65—74.
12. Daratha N., Das B., Sharma J. Coordination Between OLTC and SVC for Voltage Regulation in Unbalanced Distribution System Distributed Generation // IEEE Trans. Power Syst. 2013. V. 29 (1). Pp. 289—299.
13. Mouli G.R.C. e. a. Design of a Power-Electronic-Assisted OLTC for Grid Voltage Regulation // IEEE Trans. Power Delivery. 2014. V. 7. No. 1. Pp. 1086—1095.
14. Якимов И.А., Николаев А.А., Барабаш Р.О., Анохин В.В. Исследование работы тиристорного регулятора напряжения печного трансформатора в режиме стабилизации первичного тока дуговой сталеплавильной печи // Электротехника. 2016. Т. 3. № 4. С. 3—10.
15. Пат. № 2711587 РФ. Способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой и устройство для его реализации / Д.И. Панфилов, М.Г. Асташев, А.В. Горчаков // Бюл. изобрет. 2020. № 2.
16. Пат. № 2711589 РФ. Способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой и устройство для его реализации / Д.И. Панфилов, М.Г. Асташев, А.В. Горчаков // Там же.
17. Балясов П.П., Мускатиньев А.В. Исследование процессов включения силовых тиристоров в высоковольтных преобразователях // XLVI Огарёвские чтения: Материалы науч. конф. Саранск: Изд-во Национального исследовательского Мордовского гос. ун-та им. Н.П. Огарева. 2018. С. 46—53.
18. Hasan E.O., Hatata A.Y., Badran E.A.-E. Voltage Control of Distribution Systems using Electronic OLTC // Proc. Twentieth Intern. Middle East Power Systems Conf. 2018. V. 48. No. 1. Pp. 845—849.
19. Бойченко О.В., Дячук В.С. Построение информационной модели цифровой подстанции на основе стандарта МЭК 61850 // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 4 (46). Ч. 2. С. 39—42.
20. Topolskiy D.V., Yumagulov N.I., Galiyev A.L. Development of Technical Solutions for Digital Substations Using Ddigital Instrument Combined Current and Voltage Transformers // Proc. Intern. Conf. Industrial Eng., Appl. and Manufacturing. Moscow, 2018. Pp. 872—879.
---
Для цитирования: Панфилов Д.И., Асташев М.Г., Горчаков А.В. Полупроводниковое устройство регулирования напряжения под нагрузкой для силовых трансформаторов распределительных электрических сетей 10—0,4 кВ // Вестник МЭИ. 2020. № 6. С. 82—90. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-82-90.
#
1. Yanchenko S.A., Tsyruk S.A., Kulikov A.I. Analiz Metodov Razgruzki Transformatorov v Setyakh s Vysokim Urovnem Nesinusoidal'nosti Toka. Promyshlennaya Energetika. 2017;7:44—53. (in Russian).
2. GOST 32144—2013. Elektricheskaya Energiya Sovmestimost' Tekhnicheskikh Sredstv Elektromagnitnaya Normy Kachestva Elektricheskoy Energii v Sistemakh Elektrosnabzheniya Obshchego Naznacheniya. (in Russian).
3. Kopeykina T.V. Voprosy Postroeniya i Rekonstruktsii Raspredelitel'nykh Setey. Mezhdunarodnyy Zhurnal Prikladnykh i Fundamental'nykh Issledovaniy. 2016;12 (4):592—595. (in Russian).
4. Kontseptsiya PAO «Rosseti» «Tsifrovaya Transformatsiya 2030». M., 2018. (in Russian).
5. Lavrov A.G., Popov E.N. Analiz Protsessov Regulirovaniya Napryazheniya Silovykh Trekhobmotochnykh Transformatorov. Izvestiya SPbGETU «LETI». 2019;10:63—71. (in Russian).
6. Gukov P.O., Kuleshov D.Yu. Sposoby Regulirovaniya Napryazheniya v Raspredelitel'noy Elektricheskoy Seti. Aktual'nye Problemy Energetiki APK: Materialy VIII Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Saratov: OOO «TSeSAin», 2017:46—49. (in Russian).
7. Pezeshki H., Arefi A., Ledwich G., Wolfs P. Probabilistic Voltage Management Using OLTC and dSTATCOM in Distribution Networks. IEEE Trans. Power Delivery. 2018;33 (2):570—580.
8. Lavrov A.G., Popov E.N. Analiz Rezhimov Regulirovaniya Vtorichnogo Napryazheniya Transformatorov s Ustroystvami RPN. Izvestiya SPbGETU «LETI». 2017;5:53—58. (in Russian).
9. Castro J.C., Lagos G.S., González O.A. Simulation and Measuring of Transients in On-Load Tap Changers. IEEE Latin America Trans. 2017;15;10:1901—1907.
10. Ded A.V., Lavrikov Yu.P., Goryunov V.N., Kropotin O.V., Smirnov P.S. Opredelenie Dopustimykh Diapazonov Regulirovaniya Medlennykh Izmeneniy Napryazheniya Putem Imitatsionnogo Modelirovaniya. Omskiy nauchnyy vestnik. 2018;5:90—96. (in Russian).
11. Fokeev A.E., Atrakhmanov A.A., Dautov R.R. Vybor Moshchnosti Silovykh Transformatorov dlya Podstantsiy Napryazheniem 10(6)/0,4 kV s Uchetom Vliyaniya Nelineynoy Nagruzki. Vestnik IzhGTU im. M.T. Kalashnikova. 2020;23;1: 65—74. (in Russian).
12. Daratha N., Das B., Sharma J. Coordination Between OLTC and SVC for Voltage Regulation in Unbalanced Distribution System Distributed Generation. IEEE Trans. Power Syst. 2013;29 (1):289—299.
13. Mouli G.R.C. e. a. Design of a Power-Electronic-Assisted OLTC for Grid Voltage Regulation. IEEE Trans. Power Delivery. 2014;7;1:1086—1095.
14. Yakimov I.A., Nikolaev A.A., Barabash R.O., Anokhin V.V. Issledovanie raboty Tiristornogo Regulyatora Napryazheniya Pechnogo Transformatora v Rezhime Stabilizatsii Pervichnogo Toka Dugovoy Staleplavil'noy Pechi. Elektrotekhnika. 2016;3;4:3—10. (in Russian).
15. Pat. № 2711587 RF. Sposob Upravleniya Napryazheniem Transformatora pod Nagruzkoy i Ustroystvo dlya Ego Realizatsii. D.I. Panfilov, M.G. Astashev, A.V. Gorchakov. Byul. izobret. 2020;2. (in Russian).
16. Pat. № 2711589 RF. Sposob Upravleniya Napryazheniem Transformatora pod Nagruzkoy i Ustroystvo dlya Ego Realizatsii. D.I. Panfilov, M.G. Astashev, A.V. Gorchakov. Tam zhe. (in Russian).
17. Balyasov P.P., Muskatin'ev A.V. Issledovanie Protsessov Vklyucheniya Silovykh Tiristorov v Vysokovol'tnykh Preobrazovatelyakh. XLVI Ogarevskie Chteniya: Materialy Nauch. Konf. Saransk: Izd-vo Natsional'nogo Issledovatel'skogo Mordovskogo Gos. Un-ta im. N.P. Ogareva. 2018:46—53. (in Russian).
18. Hasan E.O., Hatata A.Y., Badran E.A.-E. Voltage Control of Distribution Systems using Electronic OLTC. Proc. Twentieth Intern. Middle East Power Systems Conf. 2018;48;1:845—849.
19. Boychenko O.V., Dyachuk V.S. Postroenie Informatsionnoy Modeli Tsifrovoy Podstantsii na Osnove Standarta MEK 61850. Mezhdunarodnyy Nauchno-issledovatel'skiy Zhurnal. 2016;4 (46);2:39—42. (in Russian).
20. Topolskiy D.V., Yumagulov N.I., Galiyev A.L. Development of Technical Solutions for Digital Substations Using Ddigital Instrument Combined Current and Voltage Transformers. Proc. Intern. Conf. Industrial Eng., Appl. and Manufacturing. Moscow, 2018:872—879.
---
For citation: Panfilov D.I., Astashev M.G., Gorchakov A.V. A Solid-State On-Load Tap Changer for the Power Transformers of 10—0.4 kV Distribution Networks. Bulletin of MPEI. 2020;6:82—90. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-82-90.
Published
2020-05-06
Section
Power Electronics (05.09.12)
