Стандарты в области качества электрической энергии Международной электротехнической комиссии (МЭК) определяют характеристики провала напряжения.

Результаты многочисленных теоретических и экспериментальных исследований [1] показали, что устойчивость режимов электрооборудования, обеспечивающего непрерывный технологический цикл нефтедобычи, зависит от глубины и длительности провалов напряжения и уровня его восстановления в сетях нефтедобывающих предприятий. При этом выявлено, что снижение уровня питающего напряжения ниже минимально допустимого, а также перерывы в электроснабжении длительностью свыше 0,15 с. могут привести к нарушению сложных технологических процессов, ложным срабатываниям системы электросетевой автоматики и защиты, отказам в электроснабжении особой группы потребителей первой категории и значительному экономическому ущербу [1].

Таким образом, актуальной является задача минимизации величины и длительности провалов напряжения в электрических сетях нефтедобывающих предприятий. Помимо этого, в условиях интенсивного распространения нелинейной нагрузки в электрических сетях нефтепромыслов, помимо компенсации величины и длительности провалов напряжения необходимо также устранение гармонических искажений напряжения.

Из применяемых в настоящее время устройств компенсации провалов и искажений напряжения следует выделить следующие основные типы:

• многофункциональные устройства, компенсирующие отклонения, колебания, искажения и провалы напряжения;
• устройства, компенсирующие колебания и провалы напряжения при набросе нагрузки;
• устройства, предназначенные для компенсации только провалов напряжения.

Указанные устройства классифицируются по наличию и отсутствию коммутирующих электронных аппаратов для управления изменением параметров.

Одним из устройств компенсации провалов напряжения является продольная компенсация, основанная на последовательном включении емкости в разрез линии и применяемая в случае значительного индуктивного сопротивления линии или энергосистемы. Известно, что устройство продольной компенсации (УПК) эффективно только в случае, если индуктивное сопротивление энергосистемы или линии больше активного. При этом, в случае возникновения короткого замыкания (КЗ) за УПК, конденсаторы следует шунтировать, во избежание их перегрузок. УПК можно отнести к многофункциональным устройствам, поскольку они компенсируют отклонения, колебания и провалы напряжения. К их достоинствам можно отнести безинерционность, к недостаткам – неполную компенсацию потерь напряжения (компенсация только на реактивном сопротивлении), а также необходимость вывода их из работы во время КЗ.

К многофункциональным устройствам относятся и вольтодобавочный трансформатор (ВДТ), к существенным недостаткам которого относится уменьшение добавки напряжения ΔU, при снижении напряжения в питающей сети, а при КЗ ΔU=0.

Принцип, заложенный в работу устройств, реагирующих на наброс нагрузки, заключается в компенсации реактивной мощности, увеличение которой обусловлено этим набросом. К таким устройствам, прежде всего, относится поперечная регулируемая компенсация, недостатками которой являются:

• компенсация потерь напряжения только от реактивной составляющей тока;
• реакция только на наброс нагрузки, сопровождающийся увеличением реактивной мощности;
• отсутствие реакции на провал напряжения от КЗ.

Другим достаточно распространенным устройством, компенсирующим провалы напряжения при набросе нагрузки, является статический компенсатор искажений напряжения [2], принцип работы которого основан на кратковременной компенсации реактивной мощности (доли секунд) при ее набросе, что в свою очередь позволяет регулировать напряжение в узле нагрузки и устранять провал напряжения. К недостаткам этого перспективного многофункционального устройства относится, так же как и в случае с обычной компенсацией реактивной мощности – реакция только на реактивную составляющую тока нагрузки.

Наибольше распространение среди известных устройств компенсации провалов и искажений напряжения получили два вида компенсаторов:

• динамические компенсаторы искажений напряжения (ДКИН) и их разновидность – устройства динамического восстановления напряжения (ДВН);
• аккумуляторные батареи, поддерживающие питание электрической сети вплоть до режима КЗ (источники бесперебойного питания).

ДКИН представляет собой преобразователь напряжения [2], содержащий  выпрямитель и инвертор с пофазным управлением на базе полностью управляемых выпрямителей, который подключен к питающей сети потребителя и через ВДТ перераспределяет активную и реактивную мощности таким образом, чтобы добавка напряжения ∆U на вторичной обмотке полностью компенсировала провал напряжения при внешнем КЗ или провале напряжения.

У данного устройства существует ряд недостатков:

• отсутствие блока синхронизации напряжения добавки с напряжением сети по фазе и частоте;
• отсутствие возможности компенсации провалов на протяженных линиях;
• отсутствие блока устройства регулирования напряжения под нагрузкой у трансформаторов;
• возможность некорректной работы при наличии КЗ на линии.

На рис.2 представлена структурная схема разработанного устройства активной компенсации провалов и искажений напряжения, лишенного вышеперечисленных недостатков, где: 1 – сборные шины сети переменного тока; 2 – протяженная линия электропередачи; 3 – первый силовой трансформатор без устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН); 4 – второй силовой ВДТ с устройством РПН на вторичной обмотке; 5 – трехфазный неуправляемый выпрямитель; 6 – конденсатор; 7 – первый трехфазный инвертор; 8 – второй трехфазный инвертор; 9 – первый измерительный трансформатор напряжения; 10 – второй измерительный трансформатор напряжения; 11 – измерительный трансформатор тока; 12 – блок измерения напряжения; 13 – блок измерения мощности; 14 – первый блок управления; 15 – второй блок управления; 16 – блок логики; 17 – третий питающий силовой трансформатор с устройством РПН на первичной обмотке, установленный в начале линии; 18 – блок управления устройством РПН трансформатора 17; 19 – блок синхронизации регулирования напряжений; 20 – блок управления устройством РПН ВДТ 4.

Рис.2. Структурная схема устройства активной компенсации провалов и искажений напряжения

Предлагаемое устройство позволяет осуществлять синхронизированное регулирование уровня и искажения напряжения и передаваемой мощности в условиях протяженной питающей линии со значительными падениями напряжения и таким образом обеспечивать минимизацию величины и длительности провалов и искажений напряжения.

Результаты математического моделирования для условий нефтедобычи показали эффективность устранения провалов и искажений напряжения предлагаемым устройством. Уровень быстродействия предлагаемого устройства составляет от 10 до 50 мкс.