close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка и исследование статических компенсаторов реактивной мощности на основе тиристорно-переключаемых схем

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Элгибали Ахмед Элсайед Ибрагим
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ
КОМПЕНСАТОРОВ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ
ТИРИСТОРНО - ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ СХЕМ
Специальность 05.09.12 – Силовая электроника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2018
2
Работа выполнена на кафедре промышленной электроники федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения «Национальный
исследовательский университет «МЭИ».
Научный руководитель:
Официальные
оппоненты:
Ведущая организация:
Панфилов Дмитрий Иванович
доктор
технических
наук,
профессор,
заведующий
кафедрой
промышленной
электроники ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ».
Брованов Сергей Викторович –
доктор технических наук, доцент
проректор по учебной работе
Новосибирского государственного технического
университета;
Матинян Александр Маратович –
кандидат технических наук,
Начальник отдела моделирования и исследования
Управляемых электропередач постоянного и
переменного тока Центра высоковольтной
преобразовательной техники
АО «НТЦ ФСК ЕЭС»;
Нижегородский государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева
Защита диссертации состоится «07» июня 2018 г. в 14 часов 00 мин. на
заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ»
по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корпус Е, ауд. Е513.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ» и
на сайте www.mpei.ru.
Автореферат разослан ____Марта 2018 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
Д 212.157.12 к.т.н., доцент
Скорнякова Н.М.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность и степень разработанности темы исследования.
Современные тенденции развития электроэнергетики характеризуются
быстрым развитием промышленности, ростом спроса на электроэнергию,
энергосбережением, а также повышением требований к стабильности и
надежности электроснабжения. Перечисленные направления развития
энергетики напрямую связаны с необходимостью повышения как
управляемости процесса передачи электроэнергии, так и повышения качества
управления режимами электроэнергетических систем. Одним из способов
реализации указанных тенденций является реализация концепции «Smart Grid»
(«Умные, интеллектуальные сети электроснабжения», «активно-адаптивные
электрические сети»), развитие которой осуществляется во всех ведущих
странах мира, включая Россию. Реализация концепции Smart Grid
подразумевает развитие систем электропередачи, систем защит и управления
процессами в электроэнергетике, а также развитие систем повышения качества
электроэнергии. Реализация и внедрение в энергосистему технологии гибких
систем переменного тока (Flexible AC transmission system - FACTS),
базирующейся на использовании управляемых устройств силовой электроники
с целью воздействия на режимы работы линий электропередачи, во многом
способствует реализации концепции Smart Grid. Одними из эффективных
устройств технологии FACTS являются статические компенсаторы реактивной
мощности (СКРМ). СКРМ позволяет увеличить передаваемую полную
мощность линии, управлять напряжением в месте его установки, а также
снижать потери энергии при ее передаче за счет компенсации реактивной
мощности. СКРМ способны эффективно работать на всех уровнях напряжения
энергосистемы (высокое, среднее, низкое напряжение).
В настоящее время проводится большое количество исследований,
посвященных развитию СКРМ и методам их управления. Согласно только базе
данных SCOPUS, на сегодняшний день в мире существует свыше 3500
исследований, связанных с СКРМ.
СКРМ являются важным элементом управления режимами работы
энергосистемы, позволяющим регулировать реактивную мощность в
энергосистеме, регулировать напряжение участков энергосистемы, а также
увеличивать запас устойчивости энергосистемы. Однако, у широко
применяемых на сегодняшний день СКРМ имеется недостаток, связанный с
генерацией высших гармоник тока в процессе регулировании реактивной
мощностью. Данная проблема решается путем фильтрации высших
гармонических составляющих. Однако, как показал опыт реализации и
эксплуатации систем СКРМ такими фирмами как ABB, Siemens, General
Electric, установка фильтров высших гармоник требует существенных
4
финансовых затрат. Очевидно, что рыночный спрос требует внедрения новых
систем СКРМ с более низкой стоимостью и высокой производительностью.
Диссертация посвящена разработке новых СКРМ, построенных на базе
тиристорно-переключаемых схем, обеспечивающих нулевой уровень гармоник
регулируемого тока при управлении реактивной мощностью. В работе описаны
принципы работы и характеристики новых схем СКРМ, а также приведена
методика расчета параметров реактивных элементов СКРМ, позволяющая
получить их значения для обеспечения равномерного распределения
регулируемых уровней мощности во всем диапазоне регулировочной
характеристики.
Одним из основных требований, предъявляемых к СКРМ, является
поддержание высокого качества электроэнергии при управлении реактивной
мощностью. Тиристорно-переключаемые СКРМ характеризуются дискретными
регулировочными характеристиками реактивной мощности. Поэтому,
разработка систем СКРМ включала разработку методов оптимизации
параметров компонентов СКРМ, что позволило обеспечить высокую
дискретность управления реактивной мощности при ограниченном количестве
реактивных элементов в схемах. Методология оптимизации схем базируется на
снижении суммарных установленных мощностей силовых элементов СКРМ. В
диссертации представлены математические модели новых схем СКРМ,
позволяющие проводить анализ работы СКРМ при регулировании реактивной
мощности, как в статическом, так и в динамическом режимах. В работе
представлены
также
результаты
физического
и
математического
моделирования,
подтвердившие
справедливость
и
эффективность,
предлагаемых в рамках диссертации решений по построению и реализации
СКРМ и их систем управления.
Объектом исследования являются тиристорно-переключаемые схемы
СКРМ, обеспечивающие высокое качество реактивной энергии во всем
диапазоне ее регулирования.
Предметом – разработка подходов к построению СКРМ на основе
тиристорно-переключаемых схем, методов оптимизации их параметров,
алгоритмов их управления, а также систем управления, позволяющих
реализовать высокое качество реактивной энергии во всем диапазоне ее
регулирования.
Целью диссертационной работы является разработка принципов
построения СКРМ на основе тиристорно-переключаемых схем, а также их
систем управления, обеспечивающих отсутствие высших гармоник в токе
СКРМ во всем диапазоне его регулирования.
5
Задачи диссертации.
следующих задач:
Поставленная
цель
достигается
решением
1Разработка
тиристорно-переключаемых
схем
СКРМ,
обеспечивающих нулевой уровень высших гармонических составляющих тока,
а также высокий уровень дискретизации при регулировании реактивной
мощности;
2Решение задачи оптимизации параметров реактивных элементов
для каждой из рассматриваемых схем СКРМ с целью обеспечения равномерной
регулировочной характеристики реактивной мощности;
3Разработка и исследование алгоритмов управления новыми
схемами СКРМ, учитывающих особенности процессов, как в индуктивных, так
и емкостных блоках СКРМ;
4Разработка и исследование систем управления, реализующих
требуемые алгоритмы управления СКРМ;
5Разработка моделей и подходов к исследованию электромагнитных
процессов в линии электропередачи при работе с предложенными схемами
построения СКРМ в среде моделирования MATLAB / SIMULINK;
6Создание физической модели СКРМ и его системы управления для
исследования режимов работы СКРМ на основе тиристорно-переключаемых
схем.
Научная новизна:
1Предложены подходы к построению СКРМ на основе тиристорнопереключаемых схем, обеспечивающих управление реактивной мощностью с
отсутствием высокочастотных составляющих в кривой регулируемого в тока;
2Предложен подход к расчету параметров реактивных элементов
схем СКРМ, обеспечивающий максимально равномерное распределение
регулируемых уровней реактивной мощности на их регулировочных
характеристиках;
3Разработаны критерии сравнения предложенных схем СКРМ по
количеству уровней регулирования реактивной мощности, установленным
мощностям реактивных элементов и ключей;
4Разработаны
и
исследованы
алгоритмы
управления
предложенными схемами СКРМ, учитывающие специфику электромагнитных
процессов при управлении индуктивной и емкостной группами, входящих в
СКРМ;
5Разработана структура системы управления и методика расчета
основных ее блоков для СКРМ, построенных на основе тиристорнопереключаемых схем.
Практическая значимость работы:
6
1Предложен подход к сравнению СКРМ, построенных на основе
тиристорно-переключаемых схем, по критериям суммарной установленной
мощности реактивных элементов, полупроводниковых ключей, а также
количеству уровней регулирования реактивной мощности;
2Показана возможность уменьшения установленных мощностей
основных элементов силовых схем СКРМ за счет выбора количества уровней
регулирования реактивной мощности, алгоритмов управления ключами;
3Разработана имитационная модель СКРМ, построенных на базе
тиристорно-переключаемых
схем,
с
использованием
стандартного
программного пакета MATLAB / SIMULINK, позволяющая исследовать
различные режимы работы СКРМ в составе энергосистемы;
4Разработана физическая модель СКРМ и его системы управления,
позволяющая исследовать физические процессы в СКРМ, построенных на
основе тиристорно-переключаемых схем.
Методы исследования базируются на фундаментальных положениях
теоретических основ электротехники, преобразования и передачи
электрической энергии в электрических сетях, методах автоматического
управления и оптимизации, методах имитационного моделирования в
программном пакете MATLAB / SIMULINK, экспериментальных исследований
на физической модели.
Основные положения, выносимые на защиту:
1- СКРМ на базе тиристорно-переключаемых схем с повышенной
дискретностью регулировочной характеристики, и нулевым содержанием
высших гармонических составляющих в регулируемом токе;
2- Методика определения параметров реактивных элементов схем СКРМ,
позволяющая получить максимально равномерное распределение дискретных
уровней регулирования реактивной мощности во всем диапазоне
регулировочной характеристики;
3- Алгоритмы управления СКРМ, построенных на основе тиристорнопереключаемых схем;
4- Имитационная модель СКРМ с системой управления, разработанная в
стандартном программном пакете MATLAB / SIMULINK;
5- Физическая модель силовой схемы и системы управления СКРМ.
Результаты физического моделирования и их сравнительного анализа с
результатами математического моделирования.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным
использованием математического аппарата, а также совпадением в пределах
погрешности основных результатов, полученных на основе аналитических
7
выражений, с результатами моделирования в среде MATLAB / SIMULINK и
натурного эксперимента на физической модели.
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в:
1Учебный
процесс
кафедры
промышленной
электроники
НИУ «МЭИ».
2АО «ЭНИН» в рамках проекта «Разработка управляемого
источника реактивной мощности с отсутствием высших гармоник тока при
регулировании
электрической
энергии
и
улучшенными
техникоэкономическими показателями на основе отечественной компонентной базы
силовой электроники для автоматического управления напряжением и
потоками мощности в распределительных электрических сетях 6-110 кВ
(RFMEFI57917X0140)», выполняемого по заказу Минобрнауки РФ №
14.579.21.0140 от 26.09.2017г.
Апробация полученных результатов. Основные результаты работы
докладывались на:
1- Заседаниях
и
научно-технических
семинарах
кафедры
«Промышленная электроника» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в 2017, 2018 гг.
2- XXIV
Международных
научно-технических
конференциях
студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика», г. Москва,
2018 гг.
3- 6-ой международной конференции «2016 IEEE 6th International
Conference on Power and Energy (PECON 2016) ». Мелака, Малайзия, 2016 г
4- 17-ой и 18-ой международных конференциях молодых
специалистов
«International
Conference
of
Young
Specialists
on
Micro/Nanotechnologies and Electron Devices». г. Новосибирск, 2016, 2017 гг
5- 16-ой и 17-ой международной конференции «IEEE International
Conference on Environment and Electrical Engineering». г. Флоренция, Италия,
2016 г., г. Милан, Италия, 2017г.
67-ой международной научной конференции «7th IEEE International
Conference on Smart Technologies IEEE EUROCON 2017» г. Охрид, Македония,
2017 г.
7- 58-ой международной научной конференции «Power and Electrical
Engineering», г. Рига, Латвия, 2017 г.
8- Международной научно-практической заочной конференции
«Наука сегодня: история и современность». г. Вологда, 2017 г.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 7 печатных
трудах, из них 6 статьи в журналах, входящих в международные системы
цитирования (Scopus, Web of Science), 1 статья в сборнике трудов,
индексируемом в РИНЦ.
8
Личный вклад автора состоял в разработке и анализе тиристорнопереключаемых схем СКРМ, в разработке и реализации методики оптимизации
параметров реактивных элементов СКРМ, разработке и реализации физической
модели
СКРМ,
планировании,
проведении
и
интерпретации
экспериментальных исследований, написании статей участии в обсуждении и
анализе полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 143 страницах,
имеет 169 иллюстрации, 27 таблицу, включает титульный лист, оглавление,
введение, 4 главы результатов работы, заключение, список литературы (56
позиций) и 1 приложения на 2 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, проведен
обзор существующих решений по теме диссертации. Для выявления
направлений развития исследований СКРМ показаны недостатки известных
топологий. Сформулирована цель и поставлены задачи исследований,
перечислены методы исследования и приведена структура диссертационной
работы.
В первой главе сформулирована задача разработки тиристорнопереключаемых СКРМ, имеющих ряд технических преимуществ перед
существующими аналогами. Предложенные схемы СКРМ обеспечивают
управление реактивной мощностью без генерации высших гармоник в кривой
регулируемого тока, и позволяют обеспечивать высокую дискретность
регулирования реактивной мощности при ограниченном количестве
реактивных элементов в
I
схеме. В главе рассмотрена
…..
X
X
X
общая
концепция
Многополюсный
коммутатор
построения
СКРМ
на
X
X
X
основе
тиристорно…..
переключаемых схем (рис.
(а)
1).
I
I
m
3
5
Vs
1
2
4
6
m
m
L3
L5
…..
Многополюсный
коммутатор
L2
L4
(б)
L6
…..
C1
C3
C5
…..
Многополюсный
коммутатор
Vs
L1
Vs
Согласно
предлагаемому
подходу к построению
СКРМ (рис.1), реактивный
элемент
X
может
представляться
как
реактором
L,
так
и
конденсатором
С.
С
помощью многополюсного
коммутатора, построенного
C2
C6
C4
…..
(в)
Рис.1 (a) Общий подход к построению СКРМ (б) Общий
подход к построению реакторной группы СКРМ
(в) Общий подход к построению конденсаторной группы
СКРМ
9
на основе тиристоров, возможно реализовывать не только параллельные, но и
последовательные соединения компонентов. Таким образом, управление
реактивной мощностью реализуется за счет изменения топологии схемы в
соответствии с состояниями ключей.
На основе такого подхода к построению СКРМ в диссертации
рассматриваются различные схемы построения как реакторной, так и
конденсаторной групп СКРМ. Различие в схемах заключается в количестве
реактивных элементов и ключей, а также способе подключения элементов. На
рис. 2 представлен пример построения тиристорно-переключаемой реакторной
группы (ТПРГ), состоящей из двух реакторов и пяти ключей. Известная ранее
схема ТПРГ с двумя реакторами максимально обеспечивала лишь четыре
уровня регулирования реактивной мощности (включая нулевой), а схема рис.2
максимально обеспечивает пять различных уровней регулирования реактивной
мощности,
соответствующие
различным
значениям
эквивалентных
индуктивностей. При добавлении двух реакторов и двух ключей к схеме,
изображенной на рис.2, можно получить схему ТПРГ (рис.3).
Is
Is
L1
L1
L3
S3
S1
S1
S4
S6
S7
Vs
Vs
S5
S5
S3
S2
L2
S4
S2
L2
L4
Рис.2 Схема ТПРГ с двумя реакторами Рис.3 Схема ТПРГ с четырьмя реакторами
и семью ключами
и пятью ключами
Схема рис.3 обеспечивает двадцать пять различных эквивалентных
индуктивностей и, соответственно, двадцать пять различных уровней
вырабатываемой реактивной мощности, в то время как известная «бинарная»
топология ТПРГ с четырьмя реакторами обеспечивала лишь шестнадцать
уровней реактивной мощности. Для увеличения числа ступеней работы с
различными значениями вырабатываемой реактивной мощности, была
предложена схема ТПРГ, представленная на рис.4, состоящая из шести
реакторов и пяти ключей, которая обеспечивает 32 ступени регулирования
реактивной мощности.
10
Im
В главе разработан метод,
L
L
позволяющий
рассчитывать
L
S
параметры реактивных элементов для
любой
из
схем
тиристорноS
S
S
S
переключаемых СКРМ. Предложенная
L
в диссертации целевая функция
L
L
позволяет
рассчитать
параметры
реактивных
элементов
схемы, Рис.4 Схема TПРГ с шестью реактивными
обеспечивающие
максимально элементами и пятью ключами
равномерное распределение уровней реактивной мощности по всему диапазону
регулировочной характеристики. Если схема СКРМ способна обеспечить m
ступеней регулирования мощности, то зависимость равномерного
распределения требуемой реактивной мощности по ступеням Qd*(n) можно
определить из следующего выражения:
3
1
5
Vs
2
2
Qd*  n  
5
3
1
n
Q
m
4
4
6
(1)
где Q номинальная реактивная мощность схемы СКРМ.
С целью получения наиболее равномерного распределения реактивной
мощности по ступеням регулирования, необходимо минимизировать целевую
функцию O.F, которая определяется как сумма модуля разностей между
значением реактивной мощности на каждой ступени схемы Qd(n) и
соответствующим значением линейного распределения Qd*(n).
O.F   n 1 Qd*  n   Qd  n 
m
(2)
Чтобы получить определенные значения параметров элементов схемы
СКРМ, необходимо принять дополнительные ограничения. Ими могут быть,
например, соотношение между минимальным и максимальным значением
реактивных сопротивлений элементов схемы. Целевая функция (2) позволяет
получить максимальное приближение дискретных уровней вырабатываемой
реактивной мощности к линейному распределению.
11
Искомые
решения,
учитывающие
принятые
ограничения, были получены в
диссертации
с
помощью
известного
генетического
алгоритма. В рассматриваемом
примере
дополнительное
ограничение сводилось к тому,
что
соотношение
между
сопротивлениями двух любых
Рис.5
Распределение
процентной
доли
реактивных элементов схемы не реактивной
мощности
по
ступеням
должно превышать 8. Применив регулирования ТПРГ для схемы рис. 4
целевую функцию (2) к ТПРГ
рис.4, можно получить значения относительных величин индуктивностей
реакторов относительно номинальной индуктивности (соответствует
номинальной мощности СКРМ) Leq : Ll = 0.6053 Leq, L2 = 1.2105 Leq, L3 = 1.8158
Leq, L4 =1.8158 Leq, L5 = 3.0263 Leq и L6 = 3.6318 Leq. Результат применения
метода оптимизации представлен на рис.5, на котором представлены линейная
характеристика (Qd*) и характеристика, полученная в результате использования
метода оптимизации параметров реактивных элементов схемы рис.4 (Qd).
В первой главе проводится анализ процессов в различных схемах
построения ТПРГ, в состав которых входят различное количество реакторов и
тиристорных ключей: от двух реакторов и двух тиристорных ключей до 6
реакторов и 8 ключей, и позволяющих получить от 4 до 64 уровней
регулирования реактивной мощности. Показано, что каждая из
рассматриваемых схем характеризуется своим распределением токов и
напряжением для каждого из элемента схемы на каждой из ступени
регулирования реактивной мощности. В главе предложено проводить
сравнение схем СКРМ на основе тиристорно-переключаемых схем по
критериям суммарной установленной мощности реактивных элементов и
ключей с учетом количества уровней регулирования реактивной мощности.
При этом под установленной мощностью реактивного элемента понимается
произведение максимального значения тока, протекающего через элемент на
любой из ступеней регулирования на максимальное значение напряжения,
которое может быть приложено к реактивному элементу схемы. Аналогичное
понятие вводится и для установленной мощности каждого ключевого элемента
схемы. Суммарные мощности реактивных элементов схем, так же, как и
суммарные мощности ключей используются в качестве критериев для
сравнения схем между собой, а также сравнения с простейшим вариантом,
когда схема содержит один реактивный элемент с последовательно
12
соединенным с ним ключом с максимальными необходимыми мощностями и
отсутствием возможности дискретного регулирования мощности.
В главе проведен анализ рассматриваемых схем по суммарным
установленным мощностям их элементов и показаны пути уменьшения
установленных мощностей элементов схем как за счет изменения структуры
схем, так и за счет алгоритмов управления тиристорными ключами.
Is
L
+
C1
+
Vc0
C3
-
Vc0
S1
T1
S3
T1
T2
S6
T2
T1
T1
Vs
В
качестве
примера
построения
тиристорнопереключаемой
конденсаторной
группы
(ТПКГ)
в
главе
рассматривается
схема
рис.6.
Схема
содержит
четыре
конденсатора, семь ключей и один
реактор.
Схема
позволяет
обеспечить
25
уровней
регулирования
реактивной
мощности. Реактор необходим для
ограничения тока и разряда
конденсаторов, осуществляемого
S5
T1
T2
S7
T2
S2
T2
T1
T2
S4
T1
+
C2
Vc0
C4
-
T2
+
Vc0
-
Рис.6 Топология ТПКГ с общим реактором
при переключении ступени.
vs(Volt)
600
400
200
(а)(a )
0
0
1
2
3
4
5
10 -3
T im e ( s )
0
is(A)
0 deg.
15 deg.
25 deg.
-2 0 0 0
-4 0 0 0
(б)(b )
0
1
2
3
4
5
10 -3
T im e ( s )
600
vceq(Volt)
Показано, что алгоритмы
управления ТПРГ и ТПКГ в
процессе
изменения
уровней
реактивной мощности отличаются
друг от друга. Для ТПРГ изменение
индуктивности осуществляется в
определенные моменты времени по
отношению
к
приложенному
напряжению. В зависимости от
полярности
приложенного
напряжения
угол
отпирания
тиристоров составляет 90 ° или
270.° Импульсы управления могут
подаваться
одновременно
на
встречно-параллельно включенные
тиристоры Отличия в алгоритмах
управление ТПРГ и ТПКГ связаны
с
необходимостью
предварительного разряда всех
0 deg.
15 deg.
25 deg.
400
200
(в)(c )
0
0
1
2
3
T im e ( s )
4
5
10 -3
Рис.7.Процесс разрядки конденсатора ТПКГ с
регенерацией энергии при разных значениях
углов открывания (a) напряжение питания, (б)
ток ТПКГ (в) напряжение конденсаторов
13
конденсаторов группы ТПКГ перед включением новой ступени регулирования
реактивной мощности, так как при выключении предыдущей ступени на
некоторых конденсаторах будет иметься остаточное напряжение. Проведен
анализ процессов предварительного разряда конденсаторов до включения
следующей ступени регулирования мощности (рис.7). Рассмотрены пути
уменьшения амплитуды тока рекуперации энергии, накопленной на
конденсаторах за счет управления моментом отпирания тиристоров,
участвующих в процессе рекуперации энергии в источник питания (рис.7).
Рассмотрен алгоритм управления тиристорными ключами при работе с ТПКГ.
Алгоритм управления ТПРГ подразумевает раздельное управление каждым из
тиристоров, входящих в тиристорные ключи S5, S6, S7 в схеме рис.6.
Глава 2 посвящена разработке структуры системы управления СКРМ,
построенных на основе тиристорно-переключаемых схем. В таких схемах
управление реактивной мощностью происходит с использованием дискретной
регулировочной
характеристики,
определяющей
топологию
схемы
(включенные и выключенные тиристорные ключи) для получения
необходимого значения реактивной мощности. На рис.8 приведена структура
Binductive
Step number
Блок системы управления СКРМ
BSVC
BSVC(new)
Brequired
Модель
энергос
истемы
Vref(new)
+
_
*
error
_
Binductive
error-ve
Input
error+ve
error
Регулятор
напряжения
GR (s) = Ki/s
SVC model
Блок адаптации опорного
сигнала
Btotal
Блок
распределения
индуктивной и
емкостной
проводимости
СКРМ с
ТПРГ и
ТПКГ
Система
разрядки
конденсаторов
Блок мертвой
зоны
Bcapacitive
Step number
Vref
Bdeveloped
Output
Модель
энергос
истемы
Номер
ступен
и ТПРГ
Bcapacitive
BSVC
×
ISVC
VSVC
Энергосистема
Номер
ступен
и ТПКГ
Vm
Наклон
KSL
Измерение и
фильтрация
H = 1/(Tms+1)
Измерение и
фильтрация
H = 1/(Tms+1)
Рис.8 Блок-схема системы управления СКРМ с ТПРГ и ТПКГ
системы управления тиристорно-переключаемых схем СКРМ.
Система управления рис.8, как и известные системы управления СКРМ,
содержит регулятор напряжения GR(s), осуществляющий пересчет сигнала
ошибки по напряжению в сигнал реактивной проводимости, которую должен в
итоге выдать СКРМ. Система управления для новых схем СКРМ должна
содержать дополнительные специальные блоки, адаптированные под
характеристики схем. Одним из таких блоков является блок управления
тиристорами, с помощью которого реализуется алгоритм управления,
описанный в первой главе. Предложенный алгоритм управления учитывает, что
для ТПКГ необходим процесс разряда конденсаторов. Вторым необходимым
для новой системы управления блоком является блок мертвой зоны, реализация
14
которого предотвращает появление колебаний в установившемся режиме,
обусловленных наличием интегрального звена в системе управления и
дискретными характеристиками новых схем. Третьим необходимым блоком
является блок адаптации опорного сигнала, который осуществляет изменение
сигнала опорного напряжения под ближайшую ступень работы СКРМ в целях
предотвращения колебаний в установившемся режиме. Значение подстройки
опорного сигнала зависит от параметров энергосистемы и характеристик
СКРМ.
В главе предложен подход к определению параметров ПИ-контроллера
(блок регулятора напряжения). Значения параметров контроллера зависят от
параметров энергосистемы, которые в упрощенном виде можно представить,
как коэффициент усиления системы KN, выраженный в относительных
единицах как:
 =
∆
∆
=

(3)

где ∆ (в отн.ед.) – изменение выходного напряжения СКРМ,
соответствующее определенной величине изменения реактивной проводимости
∆ СКРМ;  – значение номинальной мощности СКРМ в Мвар, а  –
мощность короткого замыкания энергосистемы, в месте установки СКРМ.
Коэффициент KN показывает степень влияния СКРМ на изменения напряжения
и зависит от параметров линии электропередачи, причем воздействие СКРМ
оказывается более выраженным для линий электропередачи с ограниченной
мощностью (с малым SC). Коэффициент усиления системы влияет также на
быстродействие СКРМ в динамическом режиме, причем большое значение
коэффициента усиления системы способствует увеличению быстродействия.
Таким образом, значения параметров контроллера должны быть обратно
пропорциональны коэффициенту усиления системы в целях предотвращения
возникновения нестабильной реакции на управление. Коэффициент KSL,
определяющий наклон характеристики СКРМ, обратно пропорционален
времени реакции системы на управляющее воздействие, то есть обратно
пропорционален параметрам ПИ-контроллера. Таким образом, для
рассматриваемого случая передаточная функция ПИ-контроллера СКРМ
записывается следующим образом:
 () =  (1 +
1
 
) =  +


=
1
2( + max
1
(1 +   )
)

(4)
где Kp и Ki – пропорциональный и интегральные коэффициенты
соответственно, KN max – максимальный коэффициент усиления энергосистемы,
а TY –задержка угла отпирания тиристора. Значения параметров каждого блока
системы управления зависят от значений параметров энергосистемы и
характеристик СКРМ.
15
В главе 3 рассматриваются задачи разработки математических моделей
как отдельных элементов и узлов СКРМ, так и задача моделирования СКРМ
совместно
с
линией
электропередачи
в
среде
моделирования
MATLAB/SIMULINK. Представлено описание разработанной имитационной
модели силовой схемы СКРМ и ее системы управления, позволяющей
исследовать работу СКРМ при компенсации реактивной мощности в
энергосистеме. На рис.9 представлены основные блоки модели системы
управления СКРМ.
Моделирование
силовых схем ТПРГ и
Цепь измерения и
I
Наклон
фильтрации
ТПКГ осуществлялось в
K
H
стандартном
Цепь измерения и
V
Модель
фильтрации
программном
пакете
Модель силовой
энергосистемы
H
части СТК
MATLAB/SIMULINK. В
_ _
I
главе описаны модели
Модель СТК
Тиристорное
Модель
+
Регулятор
(интерфейс с
управление
энергосистемы
напряжения
энергосистемой)
G (s)
всех блоков системы
V +
+
G (s)
+
B
управления.
A
A
Исследование режимов
Дополнительные сигналы управления (f, P, ω)
компенсации мощности
в
составе
энергосистемы
Рис.9 Общая блок-схема системы управления ТПРГ
осуществлялось на базе
двухмашинной модели энергосистемы (рис.10). В главе также приведены
результаты анализа влияния СКРМ на установившийся и переходный режим
работы двухмашинной модели рис.10.
Модель системы управления
SVC
SL
SVC
СКРМ
B max
Y
B required
R
B min
1
VSVC
Step number
ref
SVC
СКРМ
SVC
2
Для примера, были выбраны следующие параметры энергосистемы:
E1∠δ1 = 0.98∠0° отн.ед., E2∠δ2 = 0.97∠-2° отн.ед., Z1=0.2 + 2*j Ом и Z2=0.1 + 1*j
Ом. Без компенсации Vsvc∠δsvc = 0.973∠-1.3°. На рис.11 приведена
характеристика СКРМ (зависимость QSVC от VSVC) для различных значений
амплитуды E1. На рис.12 приведена та же характеристика для различных
значений Z1, на рис.13 - для различных значений δ1. В главе приведены
результаты исследования
работы схем СКРМ в
Шина 2 E2 δ2
Vsvc δsvc
E1 δ1 Шина 1
динамическом
режиме
Z2
Z1
при изменении различных
параметров моделей. На
рис.14 показана динамика
SVC
СТК
работы
ТПРГ
(SVC)
схемы
рис.4, Рис. 10 Двухмашинная модель энергосистемы с
подключенного
к установленным в ней СКРМ
16
двухмашинной модели.
Опорное напряжение на рис.14 изменяется до 1,02 отн.ед. в момент
времени 0,04 сек. В момент времени 0,4 сек происходит внезапное увеличение
величины напряжения обоих источников двухмашинной модели на 2%.
Приведенные результаты моделирования демонстрируют эффективность
работы системы управления в динамическом режиме работы, и ее способность
предотвращать любые колебания.
В главе также приведена модель СКРМ в составе тяговой
железнодорожной сети переменного тока, позволяющая анализировать влияние
схемы СКРМ на регулирование и стабилизацию напряжения тяговой
железнодорожной сети во время переходных процессов при регулировании
напряжения сети и изменении тяговой нагрузки.
1.04
1.03
Vsvc (pu)
1.02
1.01
Vsvc
1
Vref
0.99
0.98
0.97
0
Рис.11 Зависимость напряжения на выходе
SVC от реактивной мощности при
различных значениях E1 в схеме рис 10.
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Time(s)
(a)
(b)
Рис.12 Зависимость напряжения на выходе
SVC от реактивной мощности при
различных значениях Z1 в схеме рис 10.
(c)
(d)
Рис.13 Зависимость напряжения на выходе
SVC от реактивной мощности при
различных значениях δ1 в схеме рис 10.
Рис. 14 Реакция SVC на возмущение
опорного напряжения до 1.02 отн.ед. в
момент времени 0.04 с, и реакция СКРМ на
увеличение напряжений обоих источников в
двухмашинной модели на 2% в момент
времени 0.4 сек. в схеме рис.10
17
Глава 4 посвящена физическому моделированию СКРМ, построенных
на базе тиристорно-переключаемых схем. Схема СКРМ рис.15 была
реализована на кафедре промышленной электроники НИУ «МЭИ».
Номинальная мощность установки составила 20 квар, и рассчитана на
напряжение 220 В. Схема обеспечивает реализацию 34-х ступеней управления
реактивной мощностью индуктивного характера. На рис.16 представлены
действующие значения тока на каждой ступени работы, полученные
теоретически и экспериментально. Разница между этими значениями не
превышает 5 %. Фазовый сдвиг между напряжением питания и током TПРГ
составляет 90°(рис.17).
На физической модели был также исследован переходной процесс при
I
Im
L1
L5
L3
o
q
p
C
A
E
H
Vs
G
l
k
m
D
B
r
F
t
s
L2
L4
L6
J
Рис.16 Действующие значения тока для 34-х
уровней регулирования токов, полученные
Рис.15 Схема физической модели ТПРГ с экспериментально – o, и теоретически - *
десятью ключами и шестью реакторами
Ток
Начало
смены Синхронизация
ступени
Напряжение
Ток
исходной
ступени
Рис.17 Напряжение питания и ток TПРГ
Точка
переключе
ния
Ток
конечной
ступени
Рис.18 Процесс переключения ступеней
регулирования тока. Синхронизация по
сигналу с датчика тока
18
переключении ступеней. На рис.18 приведены осциллограммы переключения
ступеней регулирования тока. Можно заметить, что ток СКРМ имеет чисто
синусоидальную форму.
Исследование динамического режима работы схемы ТПКГ (рис.6) было
проведено в среде MATLAB / SIMULINK на примере пуска асинхронного
двигателя. На рис.19 представлена структурная схема системы управления
ТПКГ для обеспечения компенсации реактивной мощности двигателя.
В момент пуска асинхронного двигателя ТПКГ начинает
компенсировать реактивную мощность, и постепенно, по мере разгона
двигателя, снижает вырабатываемую реактивную мощность емкостного
характера. На рис.20 представлена мощность, потребляемая от сети при разгоне
двигателя без компенсации (синяя линия) и при работе ТПКГ (красная линия).
Из рис.20 видно, что реактивная
мощность
источника
питания
ЭнергоДвигатель
система
практически равна нулю благодаря
компенсации реактивной мощности
емкостного характера, что позволило
ТПКГ с 25-ю
ступенями
снизить потребляемый ток на 30%.
регулирования
Переключение
ступени после
разряда
конденсатора
Разряд
конденсаторов
перед включением
ступени
Таблица
соответсвия
характеристик
ТПКГ
v
B
Вычесление
B
Q
i
Расчет
реактивной
мощности
(a)
Рис.19 Блок схема системы управления
ТПКГ для обеспечения компенсации
реактивной
мощности,
генерируемой
асинхронным двигателем при его пуске.
(b)
(c)
Рис.20 Мощность, потребляемая из сети при
разгоне двигателя (синяя линия) и при
работе с ТПКГ (красная линия)
Рис.21 Временные диаграммы мгновенных
значений напряжения и тока источника,
тока ТПКГ и тока двигателя при изменении
уровня реактивной мощности при переходе
от 25 к 24 ступени
19
На рис. 21 представлены временные диаграммы фазовых напряжений и токов
при переключении с 25 на 24 ступень, демонстрирующие переходной процесс
при переключении между ступенями. Выбросы тока в момент смены ступени
на рис.21 обусловлены разрядом конденсаторов, работавших на предыдущих
ступенях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1- Разработаны новые принципы построения СКРМ на основе
тиристорно-переключаемых схем, обеспечивающих отсутствие высших
гармоник в токе во всем диапазоне регулирования реактивной мощности;
2- Предложено применение генетического алгоритма и вид целевой
функции для оптимизации параметров реактивных элементов тиристорнопереключаемых схем с целью получения плавных регулировочных
характеристик СКРМ;
3- Разработаны и исследованы алгоритмы управления предложенными
схемами СКРМ. Выявлены, смоделированы и проанализированы различия в
алгоритмах управления компенсаторов с реакторными и конденсаторными
группами;
4- Разработана структура системы управления для новых схем построения
СКРМ. Сформулированы требования и проанализированы особенности работы
для каждого из блоков системы управления.
5- Разработаны имитационные модели тиристорно-переключаемых схем,
системы управления и энергосистемы. В программном пакете MATLAB /
SIMULINK исследованы процессы в схемах СКРМ в установившемся и
переходном режиме работы энергосистемы;
6- С использованием пакета MATLAB / SIMULINK проведен анализ
управления напряжением тяговой железнодорожной сети с использованием
СКРМ;
7- Разработана, реализована и исследована физическая модель СКРМ,
построенная на основе тиристорно-переключаемой реакторной группы;
8- Проведен
анализ
основных
положений
диссертации
по
проектированию СКРМ с тиристорно-переключаемыми схемами на основе
результатов моделирования и экспериментальных данных, полученных на
физических и имитационных моделях;
9- Результаты работы внедрены при выполнении НИОКР по заказу
Минобрнауки РФ № 14.579.21.0140 от 26.09.2017г. «Разработка управляемого
источника реактивной мощности с отсутствием высших гармоник тока при
регулировании
электрической
энергии
и
улучшенными
техникоэкономическими показателями на основе отечественной компонентной базы
силовой электроники для автоматического управления напряжением и
потоками мощности в распределительных электрических сетях 6-110 кВ
(RFMEFI57917X0140)».
20
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В рецензируемых научных журналах, индексируемых в базах
данных Scopus и Web of Science
[1]
D. I. Panfilov, A. E. Elgebaly and M. G. Astashev, “Design and
Assessment of Static VAR Compensator on Railways Power Grid Operation under
Normal and Contingencies Conditions”, 16th EEEIC conference, Florence, Italy,
7-10 June 2016
[2]
D. I. Panfilov, A. E. ElGebaly, “Modified Thyristor Controlled
Reactors for Static VAR Compensators” 2016 IEEE 6th International Conference
on Power and Energy (PECON 2016), Melaka, Malaysia, November 2016.
[3]
D. I. Panfilov, A. E. ElGebaly and M. G. Astashev, “Topologies
of thyristor controlled reactor with reduced current harmonic content for static var
compensators” 17th EEEIC conference, Milan, Italy, 6-9 June 2017
[4]
D. I. Panfilov, A. E. ElGebaly and M. G. Astashev, “Design and
Optimization of New Thyristors Controlled Reactors with Zero Harmonic
Content”, 18th International Conference of Young Specialists on
Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2017
[5]
D. I. Panfilov, A. E. ElGebaly and M. G. Astashev, “Thyristors
Controlled Reactors for Reactive Power Control with Zero Harmonics Content”,
17th IEEE International Conference on Smart Technologies IEEE EUROCON
2017, Ohrid, Macedonia, 6 - 8 July 2017
[6]
D. I. Panfilov, A. E. ElGebaly and M. G. Astashev, “Design and
evaluation of control system for static VAR compensators with thyristors switched
reactors” IEEE 58th International Scientific Conference on Power and Electrical
Engineering of Riga Technical University (RTUCON), Riga, Latvia, 12-13
October 2017
Публикации в других изданиях
[7]
Panfilov D.I., Elgebaly A.E., Astashev M.G., Rozhkov A.N.,
Dukhnich E.M., Vershanskiy E.A., Krasnoperov R.N. ”New design approach for
static VAR compensators with zero harmonic content” Наука сегодня: проблемы
и перспективы развития [Текст]: материалы международной научнопрактической конференции, г. Вологда, 29 ноября 2017 г.: в 3 частях. Часть 1.
– Вологда: ООО «Маркер», 2017. – 144 с
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа