Reactive Power Compensation under the Conditions of Distorted Currents and Voltages

  • Mihail G. ASTASHEV
  • Aleksey B. LOSKUTOV
  • Anton A. LOSKUTOV
  • Roman N. KRASNOPEROV
Keywords: reactive power compensation, higher harmonic currents, resonances in electrical networks, passive and active filters

Abstract

Matters concerned with improving the energy efficiency of modern industrial enterprises are addressed. The article presents the results of an instrument-assisted analysis aimed at studying the performance of power supply systems of industrial enterprises in the agricultural sector with an installed capacity of 7–15 MV•A containing their own generation facilities. Such enterprises are characterized by high reactive power absorption and the presence of spontaneous higher harmonic current components caused by the availability of nonlinear loads. Such conditions result in a high failure rate of reactive power compensation (RPС) devices. Despite the satisfactory total harmonic distortion coefficient (THD) for voltage, which does not exceed 5.5 %, the THD for current reaches 70 % or more. The cumulative effect from such operating conditions is the development of an emergency mode in the power supply system. The article considers methods for solving the problems of current and voltage waveform distortion and stabilizing the electric power quality in the presence of RPC devices. The electromagnetic transients that occur during the operation of combined reactive power compensation and harmonic filtering devices are simulated for a power supply system fragment. On the simulated oscillograns of currents, voltages, active and reactive power, the article has demonstrated the effects on decreasing the waveform distortion level and how the RPC devices operate at their connection point given a determinate level of the harmonic spectrum and the operation of several passive filters.

Author Biographies

Mihail G. ASTASHEV

(National Research University MPEI, Moscow, Russia) – Head of the Industrial Electronics Dept., Dr. Sci. (Eng.), Docent.

Aleksey B. LOSKUTOV

(National Research University MPEI, Moscow; Nizhny Novgorod State Technical University n.a. Alekseev, Nizhny Novgorod, Russia) – Professor of the Industrial Electronics Dept.; Professor of the Electric Power Engineering, Power Supply and Power Electronics Dept., Dr. Sci. (Eng.), Professor

Anton A. LOSKUTOV

(Nizhny Novgorod State Technical University n.a. Alekseev, Nizhny Novgorod, Russia) – Docent of the Electric Power Engineering, Power Supply and Power Electronics Dept., Cand. Sci. (Eng.), Docent.

Roman N. KRASNOPEROV

(National Research University MPEI, Moscow, Russia) –Associate Professor of the Industrial Electronics Dept., Cand. Sci. (Eng.).

References

1. ГОСТ 32144-2013. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2014, 16 с.
2. Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А. Повышение качества электрической энергии с помощью параллельного активного фильтра в системах электроснабжения промышленных предприятий. – Электричество, 2012, № 3, с. 7a–11.
3. Лоскутов А.А. Особенности распознавания режимов функционирования систем электроснабжения промышленных потребителей с объектами распределенной генерации. – Интеллектуальная электротехника, 2025, № 1, с. 50–69.
4. ГОСТ 30804.4.30-2013 (IEC 61000-4-30.2008). Методы измерений показателей качества электрической энергии. М.: Стандартинформ, 2014, 52 с.
5. ГОСТ 30804.4.7-2013 (IEC 61000-4-7.2009). Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств. М.: Стандартинформ, 2013, 34 с.
6. ГОСТ Р 51317.2.4-2000 (МЭК 61000-2-4-94). Электромагнитная обстановка. Уровни электромагнитной совместимости для низкочастотных кондуктивных помех в системах электроснабжения промышленных предприятий. М.: Стандартинформ, 2020, 15 с.
7. ГОСТ 30804.3.3-2013 (МЭК 61000-3-3:2008). Ограничение изменений напряжения, колебаний напряжения и фликера в низковольтных системах электроснабжения общего назначения. Технические средства с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе), подключаемые к электрической сети при несоблюдении определенных условий подключения. Нормы и методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2014, 22 с.
8. ГОСТ 33073-2014. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2015, 42 с.
9. Часов А.В., Асташев М.Г. К оценке влияния несимметрии нагрузки на показатели качества и потери электроэнергии в трехфазных линиях электропередачи. – Электротехника, 2023, № 6, с. 21–29.
10. Джагаров Н.Ф., Цветанов Д.Н., Джагарова Ю.В. Улучшение качества электроэнергии в электрических сетях. Ч. 1. Обзор средств улучшения качества электрической энергии. – Промышленная энергетика, 2019, № 5, с. 43–51.
11. Гайдаренко А. Эффективность различных мероприятий повышения качества электроэнергии в «РОССЕТИ ЮГ». – Электроэнергия. Передача и распределение, 2021, № S4 (23), с. 18–23.
12. БГТК.411722.009 РЭ. Измерители показателей качества электрической энергии «Ресурс-UF2». Руководство по эксплуатации. Пенза: НПП «Энерготехника», 2025.
13. Довгун В.П. и др. Гибридные широкополосные фильтры для систем регулируемого электропривода. – Электричество, 2024, № 7, с. 67–80.
14. Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии. Ростов-н/Д.: Феникс, 2006, 719 с.
15. Идельчик В.И. Электрические системы и сети. М.: Энергоатомиздат, 1989, 592 с.
16. Карташев И.И. и др. Управление качеством электроэнергии. М.: Изд-во МЭИ, 2017, 272 с.
17. Куликов А.Л., Илюшин П.В., Севостьянов А.А. Оценка когерентности сигналов при анализе осциллограмм токов и напряжений промышленной частоты. – Электротехника, 2021, № 11, с. 72–81.
18. Юртаев С.Н. Повышение эффективности средств компенсации реактивной мощности на предприятиях со специфическими электроприемниками: дис. … канд. техн. наук. Н. Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2012, 198 с.
19. Куликов А.Л. и др. Определение поврежденного участка высоковольтной воздушной линии электропередачи методом последовательного распознавания. –Электричество, 2023, № 10, с. 22–36.
20. Лоскутов А.А., Митрович М., Осокин В.Ю. Повышение распознаваемости режимов функционирования системы электроснабжения на основе методов машинного обучения – Релейная защита и автоматизация, 2020, № 4 (41), с. 26–34.
21. Сычев Ю.А. и др. Перспективы использования многофункциональных активных преобразователей в современных промышленных системах электроснабжения. – Промышленная энергетика, 2022, № 4, с. 2–12.
22. Дюдяков А.А., Янченко С.А., Михеев Д.В. Анализ эффективности работы гибридного фильтра. – Промышленная энергетика, 2022, № 7, с. 26–38.
23. Wang Y. et al. Comparative Studies on Design Methods for Detuned C-Type Filter. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2020, vol. 35, No. 4, pp. 1725–1734, DOI: 10.1109/TPWRD.2019.2951227.
24. Wang Y. et al. A Comprehensive Investigation on the Selection of High-Pass Harmonic Filters. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2022, vol. 37, No. 5, pp. 4212–4226, DOI: 10.1109/TPWRD.2022.3147835.
25. Ding T., Xu W., Liang H. Design Method for Third-Order High-Pass Filter. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, vol. 31, No. 1, pp. 402–403, DOI: 10.1109/TPWRD.2015.2457831.
26. Nassif A.B., Xu W., Freitas W. An Investigation on the Selection of Filter Topologies for Passive Filter Applications. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, vol. 24, No. 3, pp. 1710–1718, DOI: 10.1109/TPWRD.2009.2016824.
27. Das J.C. Passive Filters – Potentialities and Limitations. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2004, vol. 40, No. 1, pp. 232–241, DOI: 10.1109/TIA.2003.821666.
28. Довгун В.П., Темербаев С.А. Адаптивные алгоритмы управления характеристиками активных фильтрокомпенсирующих устройств. – Электричество, 2012, № 11, с. 32a–38.
29. Дыбко М.А., Нос О.В., Александров И.В. Математическая модель системы «сеть – нелинейная нагрузка» с активным силовым фильтром в режиме компенсации высших гармоник. – Электротехника, 2023, № 2, с. 55–64.
---
Исследование выполнено в рамках государственного задания в сфере научной деятельности (тема № FSWE-2025-0001)
#
1. GOST 32144-2013. Normy kachestva elektricheskoy energii v sistemah elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya (Power Quality Limits in the Public Power Supply Systems). M.: Standartinform, 2014, 16 p.
2. Abramovich B.N., Sychev Yu.A. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2012, No. 3, pp. 7a–11.
3. Loskutov A.A. Intellektual’naya elektrotehnika – in Russ. (Smart Electrical Engineering), 2025, No. 1, pp. 50–69.
4. GOST 30804.4.30-2013 (IEC 61000-4-30.2008). Metody izmereniy pokazateley kachestva elektricheskoy energii (Power Quality Measurement Methods). M.: Standartinform, 2014, 52 p.
5. GOST 30804.4.7-2013 (IEC 61000-4-7.2009). Obshchee rukovodstvo po sredstvam izmereniy i izmereniyam garmonik i inter-garmonik dlya sistem elektrosnabzheniya i podklyuchaemyh k nim tehnicheskih sredstv (General Guide on Harmonics and Interharmonics Measuring Instruments and Measurement, for Power Supply Systems and Equipment Connected Thereto). M.: Standartinform, 2013, 34 p.
6. GOST R 51317.2.4-2000 (MEK 61000-2-4-94). Elektromagnitnaya obstanovka. Urovni elektromagnitnoy sovmestimosti dlya niz-kochastotnyh konduktivnyh pomeh v sistemah elektrosnabzheniya promyshlennyh predpriyatiy (Electromagnetic Environment. Compatibility Levels for Low-Frequency Conducted Disturbances in Industrial Plants). M.: Standartinform, 2020, 15 p.
7. GOST 30804.3.3-2013 (MEK 61000-3-3:2008). Ogranichenie izmeneniy napryazheniya, kolebaniy napryazheniya i flikera v nizko-vol’tnyh sistemah elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya. Teh-nicheskie sredstva s potreblyaemym tokom ne bolee 16 A (v odnoy faze), podklyuchaemye k elektricheskoy seti pri nesoblyudenii opredelennyh usloviy podklyucheniya. Normy i metody ispytaniy (Limitation of Voltage Changes, Voltage Fluctuations and Flicker in Public Low-Voltage Supply Systems. Equipment with Rated Current < 16 A Per Phase and Not Subject to Conditional Connection. Limits and Test Methods). M.: Standartinform, 2014, 22 p.
8. GOST 33073-2014. Kontrol’ i monitoring kachestva elektricheskoy energii v sistemah elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya (Control and Monitoring of Electric Power Quality in the Public Power Supply Systems). M.: Standartinform, 2015, 42 p.
9. Chasov A.V., Astashev M.G. Elektrotehnika – in Russ. (Elec-trical Engineering), 2023, No. 6, pp. 21–29.
10. Dzhagarov N.F., Tsvetanov D.N., Dzhagarova Yu.V. Pro-myshlennaya energetika – in Russ. (Industrial Power Engineering), 2019, No. 5, pp. 43–51.
11. Gaydarenko A. Elektroenergiya. Peredacha i raspredelenie – in Russ. (Electricity. Transmission and Distribution), 2021, No. S4 (23), pp. 18–23.
12. BGTK.411722.009 RE. Izmeriteli pokazateley kachestva elektricheskoy energii «Resurs-UF2». Rukovodstvo po ekspluatatsii (Electric Energy Quality Meters "Resource-UF2". User Manual). Penza: NPP «Energotehnika», 2025.
13. Dovgun V.P. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 7, pp. 67–80.
14. Gerasimenko A.A., Fedin V.T. Peredacha i raspredelenie elektricheskoy energii (Transmission and Distribution of Electrical Energy). Rostov-n/D.: Feniks, 2006, 719 p.
15. Idel’chik V.I. Elektricheskie sistemy i seti (Electrical Systems and Networks). M.: Energoatomizdat, 1989, 592 p.
16. Kartashev I.I. et al. Upravlenie kachestvom elektroenergii (Electricity Quality Management). M.: Izd-vo MEI, 2017, 272 p.
17. Kulikov A.L., Ilyushin P.V., Sevost’yanov A.A. Elektrotehnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2021, No. 11, pp. 72–81.
18. Yurtaev S.N. Povyshenie effektivnosti sredstv kompensatsii reaktivnoy moshchnosti na predpriyatiyah so spetsificheskimi elektropriemnikami: dis. … kand. tekhn. nauk (Improving the Efficiency of Reactive Power Compensation Facilities in Enterprises with Specific Electrical Receivers: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). N. Novgorod: NGTU im. R.E. Alekseeva, 2012, 198 p.
19. Kulikov A.L. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 10, pp. 22–36.
20. Loskutov A.A., Mitrovich M., Osokin V.Yu. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay Protection and Auto-mation), 2020, No. 4 (41), pp. 26–34.
21. Sychev Yu.A. et al. Promyshlennaya energetika – in Russ. (Industrial Power Engineering), 2022, No. 4, pp. 2–12.
22. Dyudyakov A.A., Yanchenko S.A., Miheev D.V. Promyshlennaya energetika – in Russ. (Industrial Power Engineering), 2022, No. 7, pp. 26–38.
23. Wang Y. et al. Comparative Studies on Design Methods for Detuned C-Type Filter. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2020, vol. 35, No. 4, pp. 1725–1734, DOI: 10.1109/TPWRD.2019.2951227.
24. Wang Y. et al. A Comprehensive Investigation on the Selection of High-Pass Harmonic Filters. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2022, vol. 37, No. 5, pp. 4212–4226, DOI: 10.1109/TPWRD.2022.3147835.
25. Ding T., Xu W., Liang H. Design Method for Third-Order High-Pass Filter. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2016,
vol. 31, No. 1, pp. 402–403, DOI: 10.1109/TPWRD.2015.2457831.
26. Nassif A.B., Xu W., Freitas W. An Investigation on the Selection of Filter Topologies for Passive Filter Applications. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, vol. 24, No. 3, pp. 1710–1718, DOI: 10.1109/TPWRD.2009.2016824.
27. Das J.C. Passive Filters – Potentialities and Limitations. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2004, vol. 40, No. 1, pp. 232–241, DOI: 10.1109/TIA.2003.821666.
28. Dovgun V.P., Temerbaev S.A. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2012, No. 11, pp. 32a–38.
29. Dybko M.A., Nos O.V., Aleksandrov I.V. Elektrotehnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2023, No. 2, pp. 55–64
---
The research was carried out within the framework of a state assignment in the field of scientific activity (topic No. FSWE-2025-0001)
Published
2025-05-29
Section
Article