close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Применение тиристорных вольтодобавочных устройств для повышения качества электроэнергии в системах электроснабжения

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Крюков Евгений Валерьевич
ПРИМЕНЕНИЕ ТИРИСТОРНЫХ ВОЛЬТОДОБАВОЧНЫХ
УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2018
Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая
электроника» в федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего образования «Нижегородский государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева»
Научный руководитель – СОСНИНА Елена Николаевна,
доктор технических наук, профессор, профессор
кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и
силовая
электроника»
федерального
государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего образования «Нижегородский
государственный
технический
университет
им. Р.Е. Алексеева»
Официальные оппоненты – АВЕРБУХ Михаил Александрович,
доктор технических наук, доцент, профессор
кафедры
«Электроэнергетика и автоматика»
федерального
государственного
бюджетного
образовательного учреждения высшего образования
«Белгородский государственный технологический
университет им. В.Г. Шухова» (г. Белгород)
БУГРОВ Сергей Александрович,
кандидат
технических
наук,
директор
Нижегородского филиала ФГБУ «Российское
энергетическое агентство» (г. Нижний Новгород)
Ведущая организация
– федеральное
государственное
бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Ульяновский
государственный
технический
университет» (г. Ульяновск))
Защита диссертации состоится «28» декабря 2018 года в 14 часов 00 минут в
аудитории 1315 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 при
федеральном
государственном
образовательном
учреждении
высшего
образования «Нижегородский государственный технический университет
им. Р.Е. Алексеева» по адресу: 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, к. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте
Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева
http://www.nntu.ru/content/aspirantura-i-doktorantura/dissertacii.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим
направлять по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, корпус 1,
ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02.
Автореферат разослан « 23»
ноября
2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.т.н.
Д.Ю. Титов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Повышение качества электроэнергии в системах
электроснабжения является ключевым направлением Государственной программы
«Энергоэффективность и развитие энергетики» (утв. Постановление Правительства
РФ от 15.04.2014 г. № 371 в ред. от 30.03.2018).
Низкое качество электроэнергии приводит к экономическому ущербу,
нарушению работы устройств автоматики, связи, электронной техники, потерям
электроэнергии, и др., а в отдельных случаях может повлиять на безопасность
жизни и здоровье людей.
Особенно актуальна данная проблема для энергоудаленных потребителей,
получающих электроэнергию от централизованной энергосистемы по протяженным
распределительным электрическим сетям. В энергоудаленных районах России длина
линий электропередачи среднего напряжения может достигать 25 и более
километров. Зачастую в таких сетях отклонение напряжения существенно
превышает предельно допустимые значения.
Существующие
решения
проблемы
связаны
с
использованием
автоматического регулирования напряжения на основе трансформаторов с РПН и
регулировочных трансформаторов. Данные технологии позволяют выполнять
дискретное регулирование напряжения под нагрузкой, за счет чего поддерживать
его уровень в заданных пределах в критических точках сети. Основными
недостатками существующих решений является ограниченное число переключений,
а также низкая надежность (в том числе высокая степень отказов в зимнее время
года).
Низкое
быстродействие
делает
неэффективным
применение
электромеханических регуляторов напряжения в электрических сетях с резкопеременной нагрузкой, вызывающей колебания напряжения.
Несмотря на возможность автоматического регулирования напряжения,
существующие технологии морально устарели и не обеспечивают достижение
важной цели – переходу к интеллектуальной электроэнергетической системе.
Степень проработанности проблемы. Вопросам повышения качества
электроэнергии в системах электроснабжения потребителей посвящено большое
количество работ как отечественных, так и зарубежных ученых. Среди них –
Абрамович Б.Н., Вагин Г.Я., Воропай Н.И., Герман Л.А., Жежеленко И.В.,
Железко Ю.С., Карташев И.И., Кобец Б.Б., Кузнецов А.В., Лоскутов А.Б.,
Мисриханов М.Ш., Ситников В.Ф., Соснина Е.Н., Степанов В.П., Туманов И.М.,
Федотов А.И., Хохлов Ю.И., Чивенков А.И., Шакарян Ю.Г., Шидловский А.К.,
Akagi Н., Chuang A., Gelling C.W., Kusko A., Schmid J. и многие другие.
Значительное количество исследований по данной тематике, тем не менее,
оставляют открытыми многие вопросы повышения качества электроэнергии в
системах электроснабжения энергоудаленных потребителей. Существующие
технологии не обеспечивают необходимого быстродействия и надежности, не
позволяют проводить плавное регулирование напряжения в режиме реального
времени и не могут быть интегрированы в интеллектуальную электрическую сеть.
Объект исследования – системы электроснабжения энергоудаленных
потребителей.
3
Предмет исследования – тиристорное вольтодобавочное устройство для
регулирования и стабилизации напряжения распределительной электрической сети
(РЭС) 6-10 кВ.
Цель диссертации – обеспечение нормативного уровня напряжения в
системах электроснабжения, а также регулирования и стабилизации напряжения в
интеллектуальной распределительной электрической сети 6-10 кВ путем
применения бесконтактных тиристорных вольтодобавочных устройств.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие
основные задачи:
1. Исследование методов и средств регулирования напряжения в протяженных
РЭС 6-10 кВ.
2. Моделирование и исследование регулировочных характеристик
тиристорного регулятора вольтодобавки (ТРВД) в составе РЭС.
3. Исследование режимов работы ТРВД, функционирующего в составе РЭС.
4. Исследование электромагнитной совместимости ТРВД в составе РЭС.
Методы исследования. В работе использовались методы анализа и
обобщения данных, сравнения, классификации, математического моделирования,
имитационного компьютерного моделирования в средах программирования Matlab,
PSCAD, LabVIEW, разложение в ряд Фурье, метод припасовывания, теория подобия,
физическое моделирование.
Научная новизна работы:
1. Обоснована эффективность тиристорного регулятора вольтодобавки с
применением двухзонного поочередного способа регулирования напряжения для
снижения отклонений и колебаний напряжения в системах электроснабжения
энергоудаленных потребителей.
2. Разработана математическая модель ТРВД в составе РЭС, учитывающая
особенности двухзонного поочередного способа регулирования напряжения и
позволяющая определить взаимосвязи между основными параметрами, влияющими
на поведение регулировочных характеристик устройства в составе РЭС.
3. Разработан алгоритм функционирования ТРВД, позволяющий реализовать
плавное регулирование напряжения.
4. Разработаны имитационные компьютерные модели участка РЭС с ТРВД,
позволяющие исследовать режимы работы и проводить гармонический анализ
выходных параметров устройства.
Новизна технических решений подтверждена патентами на изобретение и
полезную модель, свидетельствами о гос. регистрации программ для ЭВМ.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Результаты исследования регулировочных характеристик, режимов работы
и гармонических составляющих выходного напряжения ТРВД, функционирующего
в составе РЭС, будут востребованы при проектировании и реконструкции систем
электроснабжения энергоудаленных потребителей.
2. Результаты исследования были использованы в работе НГТУ по проекту
«Разработка автоматического регулятора напряжения для снижения электрических
потерь и эффективного управления потоками мощности в распределительных
электрических сетях» (Соглашение №14.577.21.0242 о предоставлении субсидии от
26.09.2017 с Минобрнауки России).
4
3. Научно-технические решения по созданию системы управления ТРВД были
использованы ООО «ТЕКОМ» при разработке активно-адаптивной системы
управления экспериментального образца ТРВД.
4. Материалы диссертации применяются в учебном процессе кафедры
«Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» НГТУ при чтении
лекций и проведении практических работ по курсу «Специальные вопросы
электроснабжения».
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования регулировочных характеристик ТРВД в составе
РЭС.
2. Алгоритм функционирования ТРВД в составе РЭС.
3. Результаты исследования режимов работы ТРВД, функционирующего в
составе РЭС.
4. Результаты исследования электромагнитной совместимости ТРВД в составе
РЭС.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
докладывались и обсуждались:
1. на 9-ти международных конференциях: 20-й Научно-промышленный
форум «Великие реки», Нижегородская ярмарка, Н. Новгород, 2018 г.; XVI, XVII
Молодежная НТК «Будущее технической науки», НГТУ, Н. Новгород, 2017, 2018
г.г.; 13-ая НТК «Энергия», ИГЭУ, Иваново, 2018 г.; XIII Молодежная научная
конференция «Тинчуринские чтения», КГЭУ, Казань, 2018 г.; 2016 IEEE Innovative
Smart Grid Technologies – Asia (ISGT ASIA), Melbourne, Australia, 2016 г.; 18th
International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), Ljubljana,
Slovenia, 2018 г.; 2018 IEEE Innovative Smart Grid Technologies – Europe (ISGT
EUROPE), Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, 2018 г.; 2018 IEEE PES Transmission &
Distribution Conference and Exhibition - Latin America (T&D LA), Lima, Peru, 2018 г.
2.
на 4-х всероссийских конференциях: IV НТК «Энергосберегающие
технологии в АПК», НГИЭИ, Княгинино, 2017 г.; III, IV НТК «Актуальные
проблемы электроэнергетики», НГТУ, Н. Новгород, 2017, 2018 г.г.; XL сессия
семинара «Кибернетика энергетических систем», ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск,
2018 г.
3. на 3-х региональных конференциях: XXI-XXIII Нижегородская сессия
молодых ученых (технические науки), Н. Новгород 2016, 2017, 2018 г.г.
Связь диссертации с научными программами. Работа выполнялась в
рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития
научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по теме
«Разработка автоматического регулятора напряжения для снижения электрических
потерь и эффективного управления потоками мощности в распределительных
электрических сетях» (Соглашение №14.577.21.0242 о предоставлении субсидии от
26.09.2017, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57717X0242).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 печатные работы, в том
числе 3 статьи в журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий,
рекомендованных ВАК РФ, 4 статьи в журналах, входящих в базы цитирования Web
of Science и Scopus, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель и 3
свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.
5
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Объем
диссертации составляет 185 стр., из которых 122 стр. основного текста, включая 50
рисунков, 23 таблицы. Список использованных источников содержит 212
наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая
значимость работы, сформулированы цель и задачи исследования.
Первая глава посвящена исследованию методов и средств регулирования
напряжения в протяженных распределительных электрических сетях 6-10 кВ.
Исследования показали, что основная проблема централизованного
электроснабжения энергоудаленных потребителей - недопустимые отклонения
напряжения электропитания – решается установкой в РЭС линейных регуляторов и
вольтодобавочных устройств (ВДУ) с электромеханическими переключателями.
Основными недостатками применяемых ВДУ являются их низкая надежность и
ограниченное число переключений; неэффективно их использование в
электрических сетях с резко-переменной нагрузкой.
Для регулирования и стабилизации напряжения питания 6-10 кВ
энергоудаленных потребителей предлагается использовать тиристорные ВДУ,
отличающиеся рядом преимуществ: высоким быстродействием, повышенным
коммутационным ресурсом и др. Вариант такого устройства – тиристорный
регулятор вольтодобавки (ТРВД) – разработан в НГТУ им. Р.Е. Алексеева при
непосредственном участии автора.
Принципиальная электрическая схема ТРВД приведена на рис.1
QW3
A
UAB UCA
B
UBC
C
QW2
QW1
T1
TS1A
TS2A
TS3A
TS4A
uB1
uA1
TS1B
TS2B
TS3B
TS4B
uC1
TS1C
TS2C
T2
ΔuС
ΔuВ
uc3
TS3C
TS4C
UC2A2 UA2B2 A2
В2
UB2C2
С2
ΔuА
ub3
ua3
ubc2
uab2 uca2
Рис. 1 – Принципиальная электрическая схема ТРВД
ТРВД представляет собой тиристорный регулятор с шунтовым и сериесными
трансформаторами. Шунтовой (возбуждающий) трансформатор Т1 предназначен
для питания тиристорного регулятора TS напряжения первичной обмотки
сериесного трансформатора Т2. Сериесный трансформатор вносит вольтодобавку в
рассечку линии.
Схемное решение (рис.1) позволяет реализовать продольное регулирование
напряжения в сети благодаря формированию вольтодобавки из напряжений,
6
пропорциональных линейным напряжениям РЭС. В случае необходимости
повышения (понижения) напряжения в линию РЭС вводится изменяемая по
величине ЭДС, совпадающая (находящаяся в противофазе) с фазным напряжением
источника.
Отличительной особенностью ТРВД является применение импульснофазового способа регулирования при работе в сетях среднего напряжения,
позволяющего упростить силовую схему, выполняя при этом требования ГОСТ
32144-2013 к гармоническому составу выходного напряжения. Для управления
тиристорами ТРВД применяется двухзонный поочередный способ регулирования,
обеспечивающий изменение выходного напряжения в интервалах положительного и
отрицательного направлений мощности. Данный способ не требует применения
датчика тока, что позволяет сохранять регулировочные свойства ТРВД при
значительном изменении величины тока нагрузки, а также на холостом ходу.
ТРВД может работать в трех основных режимах: 1) положительной
вольтодобавки, 2) нулевой вольтодобавки; 3) отрицательной вольтодобавки.
Регулировать действующее значение выходного напряжения Urms по величине
возможно путем изменения напряжения управления Uупр. Относительное значение
Uупр изменяется в пределах от 0 до 2. При этом за базисное значение принята
амплитуда опорного пилообразного напряжения схемы импульсно-фазового
управления. Она предназначена для формирования импульсов включения
тиристоров в моменты времени, соответствующие равенству Uупр и опорного
напряжения. На рис. 2 приведен пример диаграмм изменения выходного линейного
(UAB) и фазных (UA, UВ) напряжений при переводе ТРВД из режима положительной
вольтодобавки в режим нулевой вольтодобавки путем поочередного изменения
углов регулирования α1 и α2.
U, i φн
+φн 2π +α1
α1 2π
3
3
π+φн
ωt
0
UA
UB
UAB
iA
2π 2π +α π
2
3 3
U, i α
2
2π
ωt
0
UA
iB
2π
UB
UAB
iA
iB
а)
б)
Рис. 2 – Диаграммы изменения фазных и линейного напряжений нагрузки при переводе ТРВД из
режима положительной вольтодобавки в режим нулевой вольтодобавки: а) путем изменения угла
регулирования α1; б) путем изменения угла регулирования α2
При обосновании эффективности применения ТРВД для регулирования и
стабилизации напряжения
должны быть исследованы
регулировочные
характеристики и режимы работы устройства, функционирующего в составе РЭС, а
также его возможное влияние на появление гармонических составляющих в сети.
Вторая глава посвящена моделированию и исследованию регулировочных
характеристик ТРВД, функционирующего в составе РЭС.
7
Разработана математическая модель ТРВД в составе РЭС, позволяющая
раскрыть физические условия работы и определить основные параметры, влияющие
на поведение характеристик.
Аналитические выражения, описывающие регулировочные характеристики,
получены решением линейных дифференциальных уравнений с учетом постоянных
интегрирования, определенных методом припасовывания уравнений на границах
смежных интервалов времени (по диаграммам, пример которых показан на рис. 2).
Аналитические выражения получены в относительных единицах при
идеализации вольтамперных и динамических характеристик тиристоров. При этом
принят ряд допущений: сопротивления магнитной цепи и обмоток ВДТ не
учитываются, нагрузка линейная и имеет активно-индуктивный характер. За
базисную величину принято амплитудное значение фазного напряжения сети.
Получен закон регулирования при переходе ТРВД из режима положительной
вольтодобавки в режим нулевой вольтодобавки в интервале эффективного изменения
α1 (1) и в интервале эффективного изменения α2 (2), представляющий собой
*
выражения для определения действующего значения напряжения нагрузки U rms
:
*
U rms
2
(sin(2α1 )  sin(2φ н )  2(φ н  α1 ))  (3kст  2kст
)  3π  (1  kст ) 2
;

2π
2
(2α 2  sin(2α 2 ))  (3kст  kст
)  3π
*
U rms 
,
2π
(1)
(2)
где α1 и α2 – значения углов включения тиристоров, φн – фазовый угол нагрузки,
kст – глубина регулирования ступени.
Также получен закон регулирования для перехода ТРВД из режима
отрицательной вольтодобавки в режим нулевой вольтодобавки в интервале
эффективного изменения α1 (3) и в интервале эффективного изменения α2 (4):
2
(2α1  sin(2α1 ))  (3kст  2kст
)  3π  (1  kст ) 2
;

2π
2
(sin(2φ н )  sin(2α 2 )  2(α 2  φ н ))  (kст
 3kст )  3π

.
2π
*
U rms
*
U rms
(3)
(4)
Анализ выражений (1-4) показал, что при поочередном двухзонном
управлении величина действующего значения выходного напряжения ТРВД зависит
от значения входного напряжения, фазового угла нагрузки φн, значений углов
переключения α1 и α2, а также от глубины регулирования ступени kст.
По выведенным аналитическим выражениям построены регулировочные
характеристики при различных значениях фазового угла нагрузки φ н. На рис. 3
показан пример регулировочных характеристик при глубине регулирования ступени
kст=0,1 (диапазон регулирования ±10%) и питающем напряжении 6 кВ.
Для уточнения и верификации регулировочных характеристик, полученных по
аналитическим выражениям, разработана имитационная компьютерная модель
участка РЭС с ТРВД. Simulink-модель (рис.4) учитывает параметры и
характеристики реальных трансформаторов, тиристоров и сопротивления КЗ линий
распределительной сети.
8
Urms, В
Urms, В
6600
6000
6400
5800
6200
5600
6000
5400
5800
U*
U*
0
0.4
0.8
1.2
1.6
5200
2
0
а)
φ=0°,
φ=30°,
0.4
0.8
1.2
1.6
2
б)
φ=60°
Рис. 3 – Пример регулировочных характеристик ТРВД в составе РЭС, построенных по
математической модели: а) в режиме положительной вольтодобавки; б) в режиме отрицательной
вольтодобавки
Рис. 4 – Simulink-модель участка РЭС с ТРВД
На имитационной модели получены регулировочные характеристики при
работе ТРВД в сети среднего напряжения. На рис. 5 приведен пример
регулировочных характеристик для напряжения 6 кВ, построенных с
использованием Simulink-модели для различных углов нагрузки в режимах
положительной и отрицательной вольтодобавки.
Сравнение результатов математического и имитационного моделирования
показало совпадение формы и характера полученных характеристик (рис.3, рис.5).
Отклонение характеристик по напряжению (не более 3,5%) объясняется учётом при
имитационном моделировании падений напряжений в линии питающей сети и на
силовых элементах ТРВД, а также учётом коммутационных интервалов, в течение
которых добавленное напряжение практически равно нулю.
9
Urms B
Urms,
Urms, B
6600
6000
6400
5800
6200
5600
6000
5400
5800
U*
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
5200
2,0
U*
0,0
а)
φ=0°,
φ=30°,
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
б)
φ=60°
Рис. 5 – Пример регулировочных характеристик ТРВД в составе РЭС, полученных при
имитационном моделировании: а) в режиме положительной вольтодобавки; б) в режиме
отрицательной вольтодобавки
Анализ полученных зависимостей показал, что величина угла нагрузки
оказывает влияние на характер описываемых зависимостей как в режимах
отрицательной, так и в режимах положительной вольтодобавки.
Определены зоны неэффективного регулирования, в которых при изменении
напряжения управления выходное напряжение не меняется или меняется
незначительно. Зоны неэффективного регулирования в режиме отрицательной
вольтодобавки соответствуют изменению напряжения управления от 0 до 1. В
режиме положительной вольтодобавки зоны неэффективного регулирования
соответствуют изменению напряжения управления от 1 до 2. Наличие данных зон не
приводит к ухудшению регулировочных свойств ТРВД.
Регулировочные
характеристики
позволяют
определить
пределы
регулирования выходного напряжения. Их поведение также необходимо учитывать
при разработке системы управления для улучшения плавности регулирования и
исключения автоколебательных режимов работы в системах автоматической
стабилизации выходных параметров.
На
основе
проведенных
исследований
разработан
алгоритм
функционирования ТРВД в составе РЭС. Блок-схема алгоритма приведена на рис. 6.
Входными данными являются параметры сетевого напряжения. Выходными
данными являются импульсы управления тиристорами ТРВД, реализующими
различные режимы работы устройства. Разработанный алгоритм функционирования
ТРВД, позволяет реализовать плавное регулирование напряжения в режимах
положительной и отрицательной вольтодобавки.
Для отработки алгоритма необходимо проведение исследований режимов
работы ТРВД, функционирующего в составе РЭС.
В третьей главе приведены результаты исследований режимов работы ТРВД,
функционирующего в составе РЭС среднего напряжения, проведенных на
имитационной компьютерной и физической моделях.
Имитационная компьютерная модель участка РЭС с ТРВД разработана в
программном комплексе PSCAD. PSCAD-модель состоит из генератора, линии
электропередач, ТРВД, понижающих трансформаторов, высоковольтной и
низковольтной нагрузки (рис. 7).
Исследования участка РЭС с ТРВД проводились при изменении длины ЛЭП и
величины мощности нагрузки.
10
Начало
Запуск ТРВД
Обработка
данных от ДН
UУПР
Выбор режима
работы ТРВД
Полярность
значения
напряжения
нет
Формирование
RS-триггером
сигнала U-
да
UС > 0
Формирование
сигнала U0+
Формирование
сигнала U0-
Формирование
RS-триггером
сигнала U+
Синхронизация
работы НФСУ
Определение
режима работы
ЗФСУ
Формирование ФИУВС
сигналов α1 и α2
Формирование
импульсов
управления
тиристорами
Конец
Рис. 6 – Блок-схема алгоритма функционирования ТРВД в составе РЭС
Рис. 7 – PSCAD-модель участка РЭС с ТРВД
11
Результаты исследований позволили определить оптимальные соотношения
сопротивлений нагрузки и линии, при которых регулирование напряжения в РЭС с
помощью ТРВД является эффективным.
Верификация полученных результатов проведена на физической модели
участка регулируемой распределительной электрической сети с ТРВД. Структурная
схема физической модели показана на рис. 8.
V5
V6
В
ИП
ЛАТР
ТР
В
ЩМ-1
ТРВД
ЩМ-2
А-4
ЛЭП
19+j31
ЩМК
В
В
Осц
Нагрузка
315+j0
А1
Осц
ЛЭП
200+j0
ЛЭП
200+j0
Рис.8 – Структурная схема физической модели: ИП – Источник 380/220 В; ЛАТР – трехфазный
лабораторный автотрансформатор; ТР – разделительный трехфазный трансформатор; В –
выключатель управления; ТРВД – тиристорный регулятор вольтодобавки; ЩМ –
многофункциональный измерительный прибор; ЛЭП – линия электропередачи; ЩМК –
многофункциональный измерительный прибор
Параметры физической модели соответствуют параметрам PSCAD-модели.
Установленная мощность модуля ТРВД составляет 1,5 кВА; напряжение
питающей сети – 380 В; допустимый диапазон регулирования выходного
напряжения – ±15%.
Внешний вид физической модели участка РЭС с ТРВД показан на рис. 9.
1
2
Рис. 9 – Внешний вид физической модели: 1–ТРВД; 2–Участок РЭС
Для апробации алгоритма функционирования ТРВД в составе РЭС
разработана система управления физической моделью. Программная часть
реализована на графическом языке программирования LabVIEW с модулями
RealTime и FPGA. Аппаратное обеспечение представляет собой программируемый
контроллер со встроенной в него логической интегральной схемой FPGA модели NI
CompactRIO.. Блок регулирования, спроектированный на этой платформе, содержит
блоки ввода/вывода цифровой и аналоговой информации, блоки синхронизации и
расчетов параметров регулирования, преобразования величин и фазовых углов
12
выходных напряжений. На рис. 10 показана программная реализация блока
регулирования системы управления ТРВД.
Рис. 10 – Программная реализация блока регулирования системы управления ТРВД
На физической модели проведены экспериментальные исследования режимов
работы ТРВД. Пример полученных осциллограмм входных (Uвх) и выходных (Uвых)
напряжений при стационарных режимах РЭС приведен на рис.11. Результаты
исследования показали возможность ТРВД регулировать напряжение в РЭС в
пределах ±15%.
а)
б)
Рис. 11 – Осциллограммы входного и выходного напряжений в фазе A:
а) режим положительной вольтодобавки; б) режим отрицательной вольтодобавки
Проведенные исследования режимов работы ТРВД в составе РЭС позволили
доказать работоспособность алгоритма и эффективность регулирования напряжения
посредством ТРВД.
Четвертая глава посвящена исследованию возможного влияния ТРВД на
появление гармонических составляющих напряжения в РЭС.
Проведены исследования суммарного коэффициента гармонических
составляющих KU (THD), а также коэффициентов гармонических составляющих
выходного напряжения ТРВД в зависимости от коэффициента мощности нагрузки.
Исследования показали, что третья и кратные ей гармоники в выходных
напряжениях ТРВД отсутствуют. Наибольшее значение имеет пятая гармоника. При
этом ее максимальное значение не превышает 3,6% (табл. 1). Максимальные
значения седьмой и одиннадцатой гармоники не превышают 2,5% и 1,3%
соответственно.
13
Таблица 1 – Максимальные значения коэффициентов гармонических составляющих выходного
напряжения
Коэф-т мощности нагрузки
КU(5), %
КU(7), %
КU(11), %
THD, %
сosφ=1
1,66
1,15
0,80
2,34
сosφ=0,87
1,09
1,23
1,08
2,48
сosφ=0,5
2,44
1,53
1,28
3,50
Нормируемое значение
4
3
2
5
Приведенные в таблице 1 значения гармоник свидетельствуют о допустимости
искажений ТРВД формы напряжения в соответствии с ГОСТ 32144-2013.
На рис. 12 представлены зависимости суммарного коэффициента
гармонических составляющих KU выходного напряжения от напряжения управления
Uупр для различных углов нагрузки.
KU %
KU %
4
4
3
3
2
2
1
1
0
U*
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
0
2,0
U*
0,0
0,4
0,8
1,2
2,0
б)
а)
φ=0°,
1,6
φ=30°,
φ=60°
а) режим отрицательной вольтодобавки
б) режим положительной вольтодобавки
Рис. 12 – Зависимости суммарного коэффициента гармонических составляющих К U от
напряжения управления Uупр
На рис. 13 представлены зависимости изменения коэффициентов 5, 7, 11
гармоник от величины напряжения управления при продольном регулировании
для угла нагрузки φ=60°, при котором значение коэффициента максимально.
KU(n) %
KU(n) %
3
3
2
2
1
1
U*
U*
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
0,0
2,0
а)
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
б)
КU ( 5) i ;
КU ( 7 ) i ;
К U (11) i
а) режим отрицательной вольтодобавки
б) режим положительной вольтодобавки
Рис. 13 – Зависимости изменения коэффициентов 5, 7, 11 гармоник выходного напряжения от
величины напряжения управления для угла нагрузки φ=60°
14
Проведенные исследования влияния ТРВД на появление гармонических
составляющих напряжения в РЭС позволили выбрать рекомендуемые пределы
регулирования
вольтодобавки
из
условия
ограничения
гармонических
составляющих
в
выходном
напряжении
на
уровне,
разрешенном
регламентирующими стандартами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе получены следующие основные результаты.
1. Для регулирования и стабилизации напряжения питания 6-10 кВ
энергоудаленных потребителей предложено использовать тиристорный регудятор
вольтодобавки (ТРВД), отличительной особенностью которого является двухзонный
поочередный способ регулирования, обеспечивающий изменение выходного
напряжения в интервалах положительного и отрицательного направлений
мощности. Данный способ не требует применения датчика тока, что позволяет
сохранять регулировочные свойства ТРВД при значительном изменении величины
тока нагрузки, а также на холостом ходу.
2. Получены выражения, описывающие законы регулирования при переходе
ТРВД из режима положительной (отрицательной) вольтодобавки в режим нулевой
вольтодобавки. Из полученных выражений следует, что величина действующего
значения выходного напряжения зависит от фазового угла нагрузки (φ н), величины
угла регулирования (α1 и α2) и глубины регулирования ступени (kст). Основным
параметром, влияющим на величину действующего значения выходного
напряжения, является глубина регулирования ступени.
3. Проведено исследование регулировочных характеристик ТРВД в составе
РЭС, полученных при математическом и имитационном моделировании, в режимах
положительной и отрицательной вольтодобавки при различных значениях фазового
угла нагрузки φн. Определены зоны неэффективного регулирования. Установлено,
что величина угла нагрузки оказывает влияние на характер описываемых
зависимостей как в режимах отрицательной, так и в режимах положительной
вольтодобавки.
4. Разработан алгоритм функционирования ТРВД, позволяющий реализовать
плавное регулирование напряжения в режимах положительной и отрицательной
вольтодобавки. Возможность плавного регулирования напряжения позволит
успешно внедрять ТРВД в интеллектуальные распределительные электрические
сети 6-10 кВ для регулирования и стабилизации напряжения
5. Проведены исследования режимов работы ТРВД в составе РЭС 6-10 кВ.
Установлено, что внедрение ТРВД в системы электроснабжения энергоудаленных
потребителей позволяет достигнуть в сети допустимых ГОСТ 32144-2013
отклонений и колебаний напряжения. Исследования, проведенные на физической
модели участка РЭС с ТРВД, показали возможность ТРВД регулировать
напряжение в РЭС в пределах ±15%.
6. Исследования гармонического состава выходного напряжения показали, что
третья и кратные ей гармоники отсутствуют. Наибольшее значение имеет пятая
гармоника. При этом ее максимальное значение не превышает 3,6%. Максимальные
значения седьмой и одиннадцатой гармоники не превышают 2,5% и 1,3%
15
соответственно.
Значения
коэффициентов
гармонических
составляющих
удовлетворяют требованиям ГОСТ 32144-2013.
Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих
публикациях:
Научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК
1. Кралин, А.А. Исследование регулировочных характеристик ТРВДН при
поперечном регулировании выходного напряжения / А.А. Кралин, Е.В. Крюков,
В.В. Гуляев // Труды Нижегородского государственного технического университета
им. Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2018. – № 1
(120). – С. 117-121.
2. Соснина, Е.Н. Перспективы внедрения гексагональных распределительных
электрических сетей / Е.Н. Соснина, И.А. Липужин, Е.В. Крюков // Инженерный
вестник дона,2013. – Т. 27, № 4. – С. 67.
3. Кралин, А.А. Фазоповоротное устройство для распределительных сетей
среднего напряжения / А.А. Кралин, А.А. Асабин, Е.В. Крюков// Труды
Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. –
Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2017. – № 2 (117). – С. 62-67.
Работы, опубликованные в изданиях, индексируемых в Web of Science и Scopus
4. Sosnina, E. Power flow control device prototype tests / E. Sosnina, A. Loskutov,
A. Asabin, R. Bedretdinov, E. Kryukov // Proc. 2016 IEEE Innovative Smart Grid
Technologies – Asia (ISGT ASIA). – Melbourne, Australia, 2016. – P. 312-316.
5. Sosnina, E. Research of TVR electromagnetic field / E. Sosnina, O. Masleeva,
R. Bedretdinov, E. Kryukov // Proc. 2018 18th International Conference on Harmonics
and Quality of Power (ICHQP). – Ljubljana, Slovenia, 2018. – P. 1-6.
6. Sosnina, E. Research of TRBVT Regulation Characteristics / E. Sosnina, A.
Asabin, A. Kralin, E. Kryukov // Proc. 2018 IEEE Innovative Smart Grid Technologies –
Europe (ISGT EUROPE). – Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, 2018. – P. 1-6.
7. Sosnina, E. Harmonic Analysis of the Thyristor Regulator Output Voltage / E.
Sosnina, A. Kralin, R. Bedretdinov, E. Kryukov // Proc. 2018 IEEE PES Transmission &
Distribution Conference and Exhibition - Latin America (T&DLA). – Lima, Peru, 2018. –
P. 1-6.
Патенты и свидетельства о регистрации
8. Пат. на изобретение RU2621062C1, МПК G05F 1/30 (2006.01) Тиристорное
фазоповоротное устройство с вольтодобавочным трансформатором для сети
среднего напряжения / Соснина Е.Н., Асабин А.А., Кралин А.А., Крюков Е.В.;
заявл. № 2016127017 от 06.07.2016; опубл. 31.05.2017. Бюл.№16.
9. Программа для ЭВМ «Система управления твердотельным регулятором
напряжения» /Соснина Е.Н., Асабин А.А., Белянин И.В., Кралин А.А., Крюков Е.В.
Свидетельство о гос. регистрации №2016660042; заявл. №2016617932 от20.07.2016;
опубл. 20.10.2016.
10. Программа для ЭВМ «Имитационная модель твердотельного регулятора
величины и фазы вольтодобавочного напряжения» / Соснина Е.Н., Асабин А.А.,
Кралин А.А., Крюков Е.В. Свидетельство о гос. регистрации №2018612162; заявл.
№2017663030 от 18.12.2017; опубл. 13.02.2018.
11. Пат. на полезную модель RU 180964 U1, МПК H03H 7/18
(2006.01)Универсальное фазоповоротное устройство для сетей среднего и высокого
16
напряжения / Соснина Е.Н., Асабин А.А., Кралин А.А., Крюков Е.В.; заявл. №
2017141949 от 01.12.2017; опубл. 02.07.2018. Бюл. № 19.
12. Программа для ЭВМ «Имитационная модель регулируемой радиальной
распределительной электрической сети среднего напряжения с ТРВДН» / Соснина
Е.Н., Крюков Е.В., Еременко В.В., Шумский Н.В. Свидетельство о гос. регистрации
№2018660420; заявл. №2018617221 от 13.07.2018; опубл. 22.08.2018.
Работы, опубликованные в других изданиях
13. Соснина, Е.Н. Система управления физической моделью устройства
регулирования потоков мощности / Е.Н. Соснина, А.А. Асабин, И.В. Белянин,
Е.В. Крюков//Сборник трудов ХV Международной конференции NIDays-2016. –
М.: ДМК-пресс, 2016. – с. 447-449.
14. Соснина, Е.Н. Моделирование распределительной электрической сети с
тиристорным регулятором напряжения / Е.Н. Соснина, Е.В. Крюков, М.И. Шубин
//XXII Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: Материалы
докладов. –Н.Новгород: НИУ РАНХиГС, 2017. – С. 164-168.
15. Крюков, Е.В. Применение тиристорного регулятора напряжения в
распределительных электрических сетях среднего напряжения / Е.В. Крюков,
М.И. Шубин // Будущее технической науки: сборник материалов XV
Международной молодежной научно-технической конференции, НГТУ им.
Р.Е. Алексеева. – Н. Новгород, 2017. – С. 155-156.
16. Кралин, А.А. Моделирование фазоповоротного устройства с продольным и
поперечным регулированием в Matlab Simulink / А.А. Кралин, Е.В. Крюков//
Актуальные проблемы электроэнергетики: сб. ст./ Нижегород. гос. техн. ун-т им.
Р.Е. Алексеева.–Нижний Новгород, 2017.–с. 174-179.
17. Соснина,
Е.Н.
Тиристорный
регулятор
величины
и
фазы
вольтодобавочного напряжения для протяженных и интеллектуальных РЭС 6 –
10 кВ / Е.Н. Соснина, А.А. Асабин, А.А. Кралин, Е.В. Крюков // Актуальные
проблемы электроэнергетики: сб. ст./ Нижегород. гос.техн.ун-т им. Р.Е. Алексеева. –
Нижний Новгород, 2017. – с. 131-135.
18. Соснина, Е.Н. Твердотельный регулятор величины и фазы
вольтодобавочного напряжения для распределительных электрических сетей 620 кВ / Е.Н. Соснина, Е.В. Крюков, В.В. Еременко // Сборник материалов
II Международного молодежного конгресса «Энергетическая безопасность», 2017 г.
- С. 138-140.
19. Соснина,
Е.Н.
Использование
твердотельного
регулятора
вольтодобавочного напряжения в распределительных электрических сетях среднего
напряжения (6-20 кВ) / Е.Н. Соснина, Е.В. Крюков, В.В. Еременко // Сборник
материалов III Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные
направления развития техники и технологий в России и за рубежом – реалии,
возможности, перспективы», 2018 г. - С. 399-403.
20. Соснина, Е.Н. Исследование параметров режима распределительной
электрической сети 6-20 кВ с ТРВДН / Е.Н. Соснина, Е.В. Крюков, В.В. Еременко //
XIII Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и
молодых ученых «Энергия— 2018»; 2018г. - C. 38.
21. Соснина Е.Н., Крюков Е.В., Еременко В.В. Разработка и внедрение в
распределительные электрические сети среднего напряжения твердотельного
17
регулятора вольтодобавочного напряжения // XIII Международная молодежная
научная конференция «Тинчуринские чтения», 2018 г. - С. 193-195.
22. Соснина, Е.Н. Разработка твердотельного регулятора величины и фазы
вольтодобавочного напряжения для распределительных электрических сетей 620 кВ / Е.Н. Соснина, Е.В. Крюков, В.В. Еременко // Международная студенческая
научно-практическая конференция «Современное состояние и тенденции развития
железных дорог», 2018 г. - C. 104-105.
23. Кралин, А.А. Исследование регулировочных характеристик ТРВДН при
продольном регулировании выходного напряжения / А.А. Кралин, А.А. Асабин,
Е.В. Крюков, В.В. Гуляев // Актуальные проблемы электроэнергетики: сб. ст./
Нижегород. гос.техн.ун-т им. Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород, 2018. – с. 48 -52.
Личный вклад соискателя. Основные положения диссертации получены
лично автором. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат:
аналитический обзор, постановка задачи и анализ результатов [1, 2, 8, 11, 15, 17, 18,
22], разработка имитационной компьютерной модели [9, 10, 12, 13, 16, 21],
исследование регулировочных характеристик на имитационной модели [3, 6, 23],
исследование режимов работы РЭС с ТРВД на имитационной модели [14, 19, 20],
исследование режимов работы РЭС с ТРВД на физической модели [4], исследование
электромагнитной совместимости [5, 7].
Подписано в печать ___.___.2018
Формат 60х90/16
Бумага офсетная
Усл. п.л.
Тираж 120 экз.
Заказ №
______________________________________________________________________
Типография НГТУ
603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24
18
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа