Содержание к диссертации
Введение
Выбор перспективной схемы статического компенсатора для подстанций переменного и постоянного тока 19
Обзор существующих схем статических компенсаторов реак тивной мощности 19
Выбор перспективной схемы статического компенсатора (СТАТКОМ) 33
Баланс реактивной мощности на преобразовательной подстанции. Варианты установки СТАТКОМ на ПС Выборгская 40
Выводы 48
Разработка системы управлении и регулировании и цифровой модели СТАТКОМ 51
Разработка алгоритмов векторной системы регулирования 52
Алгоритм управления преобразователя напряжения 61
Разработка цифровой модели трехуровневого СТАТКОМ 63
Выводы 70
Выбор параметров оборудования и исследование установившихся и переходных процессов в схеме подстанций содержащих СТАТКОМ 72
Методика определения основных параметров оборудования СТАТКОМ 72
1 Основные соотношения режимов СТАТКОМ 72
2 Выбор частоты широтно-импульсной модуляции для 74 управления запираемыми приборами
3 Выбор токоограничивающего реактора и фильтрового оборудования на сторонах постоянного и переменного напряжений 78
2 Исследование установившихся и переходных процессов и определение воздействий на оборудование СТАТКОМ 81
3 Исследование характеристик системы управления и регулирования СТАТКОМ 98
4 Аварийные процессы при коротких замыканиях в энергосистеме 101
5 Сравнение характеристик переходных процессов в схеме вставки постоянного тока 108
Выводы 114
Исследование режимов СТАТКОМ при подавлении им гармоник тока и напряжения в сети переменного тока 116
1 Разработка алгоритмов в системе регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник в сети переменного тока 116
2 Исследование СТАТКОМ в режимах компенсации гармоник тока и напряжения в сети переменного тока 129
Выводы 135
Заключение 136
Список использованных источников 141
Приложение 148
- Выбор перспективной схемы статического компенсатора (СТАТКОМ)
- Разработка цифровой модели трехуровневого СТАТКОМ
- Исследование установившихся и переходных процессов и определение воздействий на оборудование СТАТКОМ
- Исследование СТАТКОМ в режимах компенсации гармоник тока и напряжения в сети переменного тока
Введение к работе
В настоящее время в ЕЭС России актуальными проблемами функционирования являются недостаточная пропускная способность межсистемных системообразующих линий электропередачи, слабая управляемость электрических сетей, неоптимальное распределение потоков мощности по параллельным линиям электропередачи различного класса напряжений, что в значительной степени обусловлено недостаточным объемом средств регулирования напряжения и реактивной мощности.
Эффективным способом решения указанных проблем может явиться применение гибких электропередач (Flexible AC Transmission System -FACTS), создаваемых на базе преобразовательной техники нового поколения.
В мировой энергетике усовершенствованная полупроводниковая технология дала возможность подготовить производство мощных биполярных транзисторов (IGBT), запираемых тиристоров (GTO, GCT, IGCT) и быстродействующих диодов, шкала которых охватывает напряжения от 1000 до 6000 В, а отключаемый ток от 1500 до 4000 А, Успехи, достигнутые в области силовой электроники, позволили приступить к широкому внедрению разрабатываемых на ее основе устройств в сети переменного тока с целью повышения их управляемости. Устройства FACTS могут обеспечить стабилизацию напряжений, демпфирование низкочастотных колебаний, повышение статической и динамической устойчивости, оптимизацию потокораспределения, а в итоге повышение пропускной способности сети и снижение потерь.
Важнейшую роль в развитии рассматриваемого направления должна сыграть реализация программы «Создание в единой энергосистеме России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока и
5 устройств регулирования напряжения», предусмотренной приказом РАО
«ЕЭС России» №488 от 19,09.03, в рамках которой предусматривается выполнение большого объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в частности, создание пилотного статического компенсатора (СТАТКОМ) как основной составляющей FACTS.
СТАТКОМ представляет интерес не только как составная часть FACTS, но сам по себе в качестве замены синхронных компенсаторов (СК) на подстанциях (ПС), поскольку обслуживание и ремонт СК связаны со значительными затратами. Так, на ПС Выборгская СК по статистическим данным четверть времени находится в ремонте. На заседании экспертного совета Центра технологий развития энергообъединений совместно с секцией развития, эксплуатации и технического перевооружения электрических сетей НТС РАО «ЕЭС России» (2002 г.) в качестве меры повышения качества регулирования напряжения принято решение о замене СК на статические компенсаторы на ряде подстанций.
На заседании Координационного совета по реализации «Программы создания в Единой энергосистеме России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока и устройств регулирования напряжения» (декабрь 2004 г.) было принято решение о сооружении СТАТКОМ на ПС Выборгская и ПС Златоуст.
Преобразователи электропередач и вставок постоянного тока (ППТ и ВПТ) потребляют в режимах номинальной загрузки до 60 - 70 % реактивной мощности и являются источниками значительных по величине гармоник переменного тока [1, 2, 3].
Для поддержания баланса реактивной мощности в узлах примыкания преобразователей к сети переменного тока обычно предусматривают установку либо конденсаторных батарей, иногда совмещающих функцию
компенсации реактивной мощности с фильтрацией высших гармоник, либо синхронных компенсаторов, либо и тех и других [1 — 4]_
Выбор средств компенсации реактивной мощности для подстанции
переменного и постоянного тока представляет собой
многофункциональную задачу при решении которой должны учитываться:
- системные требования по поддержанию уровней напряжения в узлах
примыкания ПС в установившихся и переходных режимах;
— возможные допустимые уровни обмена реактивной мощностью с
примыкающими линиями переменного тока в различных, в том числе
аварийных и ремонтных схемах.
Установка синхронных компенсаторов (СК) в большинстве случаев удовлетворяет этим требованиям, особенно, если СК установлены в дополнение к КБ, Однако, установка СК на ПС имеет следующие недостатки:
1, Наличие вращающейся машины с низкой эксплуатационной
надежностью практически исключает вариант необслуживаемой
подстанции (ПС), и, как показывает опыт Выборгской ПС, из-за
длительных ремонтов СК возникает дефицит реактивной мощности.
2. В некоторых аварийных случаях может возникнуть
самовозбуждение в контуре СК с присоединенными КБ? что чревато
высокими опасными для оборудования воздействиями.
Отмеченные недостатки СК привели к тому, что на ряде
действующих преобразовательных подстанций ППТ и ВПТ были установлены другие регулируемые источники реактивной мощности -статические компенсаторы.
Так, на ППТ Skagerrak 3 (подстанция Kristiansand) в 1995 году взамен ненадежного и поэтому демонтированного синхронного компенсатора (СК) установлен статический компенсатор на мощность ±
7 200 MB-A [5]. Этот компенсатор подключен через трехобмоточный трансформатор к шинам 300 кВ сети переменного тока. Каждая половина компенсатора состоит из двух одинаковых параллельно включенных устройств:
Тиристорно-реакторной группы lOOMB-A(TRC)
Тиристорно-конденсаторной группы 100 MB-A (TSC)
На вставке постоянного тока Chateauguay (Канада - США) применены похожие статические тиристорные компенсаторы (СТК) на инверторной стороне для подключения к сети переменного тока 120 кВ [4, 6], Мощность СТК: -120 МВ-А (потребление), +150 MB А (выдача).
На английской подстанции ППТ Англия - Франция (электропередача через Ламанш) применены статические компенсаторы на базе сложной схемы конденсаторных батарей и насыщающихся реакторов [7]. Два таких статических компенсатора по 150 МВ-А подключены к шинам 400 кВ через трансформаторы.
Увеличение мощности ВПТ, установленной на ПС Выборгская в схеме электропередачи 330/400 кВ Россия - Финляндия потребовало решения ряда проблем, среди которых важное место заняли проблемы компенсации реактивной мощности:
Установленные в начале 80х годов СК на ПС Выборгская (по два на выпрямительной и инверторной сторонах) в силу ненадежных эксплуатационных характеристик (низкий коэффициент готовности, физический износ и конструктивные проблемы) в последние годы не обеспечивают требуемых параметров. Завод изготовитель уведомил Выборгское предприятие, что им принято решение о снижении номинальной мощности СК на 25 %.
Установка дополнительных конденсаторных батарей в схеме ПС Выборгская приводит к увеличению вероятности появления случаев опасных феррорезонансных явлений и перенапряжений. Кроме того.
8 в условиях действующей ПС место для размещения дополнительных КБ практически отсутствует. 3, При увеличении мощности электропередачи Россия - Финляндия с 1000 МВт до 1400 МВт в некоторых случаях в схеме электропередачи с ВПТ применение дополнительных КБ не обеспечивает устойчивый режим работы преобразователей. В 2003г. возникали ситуации «лавины» напряжения со значительными посадками напряжения на шинах подстанции и сбросами мощности.
Перечисленные проблемы побудили на примере ПС Выборгская рассмотреть характеристики альтернативных СК источников реактивной мощности - статических компенсаторов для применения на преобразовательных подстанциях мощных ППТ и ВПТ.
Среди таких статических компенсаторов наиболее исследованными являются тиристорно-реакторные группы (ТРГ) или ТРГ с параллельно включенными КБ или КБФ* Исследования применимости ТРГ с КБФ для ПС Выборгская проводились ранее [35-37]. В результате были определены требуемые мощности СТК в различных точках включения ТРГ с дополнительными КБФ и выявлено, что:
установка ТРҐ с КБФ на шины третичных обмоток требует размещения тиристорной части в существующих вентильных залах, где нет для них места;
установка ТРГ с КБФ взамен СК возможна, но требует значительной площади для КБФ и, кроме того, в этом случае существует опасность возникновения перенапряжений в схеме электропередачу например, при коротких замыканиях в сетях 330 кВ и 400 кВ [36]. Вместе с тем, в последние несколько лет появились принципиально
новые регулируемые источники реактивной мощности: такие, как управляемые шунтирующие реакторы УШР [8, 9], в том числе
снабженные конденсаторными батареями и тиристорными ключами [10, 11], а также статические компенсаторы, использующие полностью управляемые вентили (ПУВ) [12], УШР пока еще не нашли широкого применения, имеются только их опытные образцы их [12]. В то же время статические компенсаторы с ПУВ на базе преобразователей напряжения (СТАТКОМ) получили уже достаточно заметное распространение [13],
По имеющимся, в основном, рекламным данным о характеристиках СТАТКОМ [13, 14], они представляют собой компактные устройства (что очень важко для применения в условиях реконструкции действующей ПС Выборгская), почти не требуют дополнительных КБФ, используются для быстрого подавления колебаний напряжения в узлах питания потребителей с резкопеременным графиком нагрузки [14], подавляют фликкер-эффект (низкочастотные колебания напряжения в сети переменного тока) [15], используются для симметрирования нагрузки [16, 17] и активной фильтрации гармоник [17].
Фирменное наименование статического компенсатора реактивной мощности СТАТКОМ, выполненного фирмой ABB на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (ЮВТ), имеет аббревиатуру SVC Light.
Технология SVC Light позволила успешно разрешить проблемы повышения качества электроснабжения в целом ряде проектов, выполнявшихся ABB [13 - 17], например, на ПС Tornio (Финляндия) в 2002 г. установлен СТАТКОМ мощностью 160 МВА,
Поскольку технология SVC Light остается нераскрытой (не опубликованы методики выбора оборудования, не публикуются параметры элементов схем, не приводятся алгоритмы управления и регулирования), для применения СТАТКОМ на ПС переменного и постоянного тока должны быть разработаны и исследованы принципы его управления и регулирования, проведено исследование установившихся и
10 переходных режимов на подстанции, содержащей СТАТКОМ для
формирования технических требований к оборудованию и разработаны
методики определения параметров оборудования.
Вопросы, касающиеся управления и регулирования статических
компенсаторов, являются достаточно важными при разработке таких
устройств, поскольку от предъявляемых требований к устройствам
компенсации реактивной мощности зависит и работа самой подстанции.
Так, в числе предъявляемых требований к компенсаторам реактивной
мощности на преобразовательной подстанции важное место имеют
следующие факторы:
поддержание нормируемого уровня напряжения на шинах переменного тока;
обеспечение нормируемого перетока реактивной мощности в линиях переменного тока;
снижение уровней перенапряжений в аварийных процессах;
поддержание необходимого уровня устойчивости передачи в установившихся и переходных процессах.
В связи с этим целью диссертационной работы является исследование проблем, связанных с применением статических компенсаторов (СТАТКОМ) на базе полностью управляемых вентилей на подстанциях переменного и постоянного тока.
В соответствии с указанной целью основными задачами работы являются следующие:
- анализ современного состояния проблем, связанных с компенсацией
реактивной мощности на подстанциях;
определение перспективной скемы статического компенсатора на основе преобразователя напряжения (СТАТКОМ);
разработка систем регулирования и управления для выбранной схемы статического компенсатора;
исследование установившихся и переходных процессов и определение воздействий на оборудование статического компенсатора;
разработка методики выбора параметров схемы статического компенсатора;
разработка алгоритмов управления в системе регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник в сети переменного тока.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
исследованы условия работы преобразователя напряжения в качестве компенсатора реактивной мощности, а также в качестве активного фильтра гармоник в сети переменного тока и в схеме преобразовательной подстанции;
предложена методика определения параметров оборудования СТАТКОМ;
определены воздействия на оборудование СТАТКОМ в установившихся режимах;
исследованы переходные и аварийные режимы на подстанциях переменного и постоянного тока содержащих СТАТКОМ;
произведено сравнение двухуровневой и трехуровневой схем СТАТКОМ.
Впервые разработаны:
алгоритмы системы векторного регулирования преобразователя напряжения;
цифровая модель электропередачи, содержащей СТАТКОМ.
Методы исследований
При разработке алгоритмов системы регулирования преобразователя напряжения и СТАТКОМ применялись аналитические методы исследований» В частности, при разработке алгоритма системы регулирования использовались методы векторного преобразования координат.
При выборе параметров оборудования, исследовании энергетических характеристик СТАТКОМ и эффективности работы системы управления и регулирования в установившихся и переходных процессах использовались методы цифрового моделирования.
Практическая ценность
Разработаны принципы формирования и алгоритмы систем управления и регулирования для СТАТКОМ, а также для электропередач и вставок постоянного тока, выполненных на преобразователях напряжения.
Созданы цифровые модели, пригодные для исследования статических компенсаторов в установившихся, переходных и аварийных режимах в составе преобразовательной подстанции и в сетях переменного тока.
Разработана методика выбора параметров оборудования СТАТКОМ»
Разработаны технические требования на пилотный СТАТКОМ 50 МВ-А.
Разработаны рекомендации по алгоритмам регулирования СТАТКОМ для применения на ПС переменного тока.
Результаты данной диссертационной работы использовались при разработке технического предложения по применению СТАТКОМ на ПС Выборгская и на вставке постоянного тока (ВПТ) для межсистемной связи ОЭС Сибири - ОЭС Дальнего Востока.
Положения, выносимые на защиту
Обоснование перспективности использования СТАТКОМ для преобразовательных подстанций постоянного тока и в сетях переменного тока;
Принципы формирования и алгоритмы системы управления и регулирования СТАТКОМ, основанные на векторном регулировании;
Методика определения параметров оборудования СТАТКОМ;
Принципы формирования и алгоритмы системы регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник в сети переменного тока.
Апробация работы и публикации.
Основные положения . и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Шестой российской научно-технической конференции «ЭМС - 2000 (г. Санкт-Петербург, 2000 г.)
Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России» (г, Санкт-Петербург 2002 г)
Международном VI симпозиуме «Электротехника 2010» (г Москва, 2002г.)
Международном VII симпозиуме «Электротехника 2010» (г Москва, 2003г.)
Конференции молодых специалистов электроэнергетики РАО ЕЭС (г. Москва, 2003 г.)
Восьмой российской научно-технической конференции «ЭМС -2004 (г. Санкт-Петербург, 2004 г.)-
По теме диссертации автором и в соавторстве опубликовано 13 печатных работ:
Мазуров М.И., Николаев А.В. Исследование характеристик преобразователя - компенсатора с двойным регулированием. Известия НИИ постоянного тока №57, 2000 г»
Мазуров М.И., Николаев А.В. Преобразователь - компенсатор на базе инвертора напряжения с ШИМ управлением. Сборник докладов шестой российской научно-технической конференции «ЭМС - 2000»
Лозинова Н.Г,, Мазуров М.И., Николаев А.В. Передача постоянного тока как элемент повышения надежности энергоснабжения островных потребителей, сборник докладов «Надежность больших энергетических систем», Казань 2001
Николаев А.В., Мазуров М.И. СТАТКОМ как средство компенсации реактивной мощности на преобразовательной подстанции, г. Санкт-Петербург 2002 г. Международная научно-практическая конференция «Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России»
П.А. Шейко, Л.Л. Балыбердин, М.И. Мазуров, А.В, Николаев СТАТКОМ как средство компенсации реактивной мощности в сетях высокого напряжения. Электронный журнал «Новое в российской энергетике» №5 2003.
Николаев А.В., Мазуров М.И, Перспективы применения СТК в схеме Выборгской преобразовательной подстанции. Сб. трудов VI Симпозиума «Электротехника 2010» 2002г,
Берх И.М., Мазуров МЛ, Николаев А.В. Система веісгорного регулирования статического компенсатора (СТАТКОМ). Известия НИИ постоянного тока №59. 2003 г.
Дайновский Р.А., Денисенко А.В., Николаев А.В. Исследование режимов работы СТАТКОМ? выполненного на базе трёхуровневого преобразователя. Сб. трудов VII Симпозиума «Электротехника 2010» 2003г.
9. Мазуров М.И., Николаев А.В. Передача постоянного тока на преобразователях напряжения как элемент управления качеством электроэнергии. «Оперативное управление электроэнергетическими системами - новые технологии» 2003 г.
Ю.Николаев А.В. Сравнительная оценка технических и экономических характеристик средств компенсации реактивной мощности в условиях Выборгской преобразовательной подстанции. Сб. докладов второй конференции молодых специалистов электроэнергетики -2003
11 .Николаев А.В. Система регулирования преобразователя напряжения, работающего в режиме компенсатора, Сб, докладов второй конференции молодых специалистов электроэнергетики - 2003 г
12.М.И. Мазуров, А.В, Николаев. СТАТКОМ как средство компенсации
гармоник тока и напряжения в сети переменного тока. Сборник
докладов 8ой научно-технической конференции по
электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности. Санкт-Петербург, 2004 г,
13.М.И. Мазуров, А.В. Николаев. СТАТКОМ как средство компенсации
гармоник тока и напряжения в сети переменного тока. Сборник
докладов 8-ой научно-технической конференции по
электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности. Санкт-Петербург, 2004 г,
І4.Мазуров М.И., Николаев А.В. Патент на изобретение № 2231205 «Способ управления преобразователем напряжения», от 20.06.2004 г.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность рассмотренных проблем, сформулированы цель и задачи работы, отражена новизна и практическая ценность, дается краткое содержание диссертации.
В первой главе проведен обзор традиционных схем статических компенсаторов применяемых в энергосистемах и на передачах и вставках постоянного тока. Приведены данные о новых схемах статических компенсаторов (СТАТКОМ), работающих на основе преобразователя напряжения с полностью управляемыми вентилями (ПУВ) и применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Даны качественные оценки применимости традиционных и новых устройств компенсации реактивной мощности. Рассмотрены двухуровневая и трехуровневая схемы СТАТКОМ. Для вставки постоянного тока (ВПТ) и энергосистем в качестве перспективной предложена трехуровневая схема СТАТКОМ на основе преобразователя напряжения с ЩИМ управлением.
Во второй главе приведены результаты разработки системы регулирования СТАТКОМ на основе принципа векторного управления, предусматривающего преобразование измеряемых параметров — трехфазных токов и напряжений - в d-q-составляющие, выполнение необходимых операций с ними и последующее преобразование полученных d-q-составляющих управляющих сигналов в систему трехфазных сигналов.
В работе предложен алгоритм фазовой подстройки сигналов управления ПУВ, основанный на использовании проекции изображающего вектора напряжения на шинах переменного тока на оси а и |3.
Предложен способ синусоидального ШИМ управления вентилями СТАТКОМ, позволяющий уменьшить в несколько раз величину наиболее выраженной гармоники нулевой последовательности в фазном токе. Данный способ признан изобретением и на него получен патент.
Для разработанных алгоритмов систем регулирования и управления выполнены дополнительные программные модули, включенные в цифровую модель СТАТКОМ на базе программно-вычислительного комплекса (ПВК) «Подстанция». Разработанная цифровая модель позволяет исследовать установившиеся и переходные процессы в схеме электропередачи, включающей СТАТКОМ, в том числе решать задачи оптимизации режимов работы за счет подбора и коррекции коэффициентов и алгоритмов его систем регулирования и управления.
Третья глава посвящена выбору параметров и исследованиям установившихся и переходных процессов СТАТКОМ в различных схемно-режимных условиях. При этом принималась схема трехуровневого СТАТКОМ, энергетические параметры которого определены программой работ по FACTS для пилотного образца мощностью 50 MB-А, напряжением 15,75 кВ,
В процессе исследования схемы СТАТКОМ были решены следующие взаимосвязанные методические вопросы:
Выбрана частота широтно-импульсной модуляции для управления запираемыми приборами,
Выбраны параметры фазных (токоограничивающих) реакторов,
Выбраны параметры элементов фильтра на стороне переменного тока_
Выбраны параметры конденсаторов на стороне постоянного напряжения.
Исследования условий работы СТАТКОМ были начаты с процессов пуска, которые показали следующее:
- заряд КБ при включении выключателя характеризуется протеканием
трехкратных значений токов (по отношению к номинальным) через
вентили и повышенным уровнем напряжения на конденсаторной
18 батарее;
— использование предвключенного резистора в выключателе
позволяет избежать перегрузок по току и напряжению.
- Проведены исследования длительных установившихся режимов и
выявлены воздействия на основное оборудование СТАТКОМ.
При выбранных параметрах основного оборудования СТАТКОМ обеспечено удовлетворительное качество напряжения на шинах сети (Ки = 2,8%), что удовлетворяет ГОСТ 13109-97.
Выполнены исследования переходных и аварийных процессов СТАТКОМ: (включение на номинальную реактивную мощность и полный реверс, короткие замыкания на шинах переменного тока, совместная работа в схеме ВПТ) обеспечивают полную информацию о воздействиях на оборудование.
Четвертая глава посвящена разработке алгоритмов управления в системе регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник в сети переменного тока. Задача компенсации высших гармоник в сети с помощью СТАТКОМ сводится к созданию в его фазах (в фазах сетевого трансформатора) гармоник тока, которые компенсируют нежелательные высшие гармоники тока сети.
Алгоритм управления и регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник тока проверен на цифровой модели и показано, что использование СТАТКОМ в качестве активного фильтра гармоник позволяет:
— в 30-100 раз уменьшить уровень нежелательных гармоник в сети
переменного тока,
- отказаться от использования мощных пассивных фильтров на
преобразовательной подстанции.
Выбор перспективной схемы статического компенсатора (СТАТКОМ)
Для рассмотрения вопроса об эффективности применения, какого либо средства компенсации в современных условиях предлагается выполнять сравнение их технических и экономических характеристик в требуемых условиях.
В отчете CIGRE [18] приводится качественное сравнение следующих средств компенсации: СТК, СТАТКОМ и синхронного компенсатора (СК).
Рассмотренные варианты можно считать наиболее применяемыми сегодня в электроэнергетике в качестве средств компенсации реактивной мощности. Следует отметить, что результаты приведенные в [18] не раскрывает ни самих схем устройств, ни параметров устройств, ни принципов управления ими и др. Рассмотренные в [18] качественные характеристики устройств компенсации реактивной мощности компенсаторов не позволяют выявить решающих преимуществ того или иного устройства для использования в энергосистемах.
Как следует из анализа, выполненного в разделе 1 Л, действующие в настоящее время СТАТКОМ в подавляющем большинстве выполняются на основе 3-х уровневых преобразователей напряжения (ПН), но также существуют схемы, выполненные и по двухуровневому принципу.
Для сравнительного анализа схем СТАТКОМ трехуровневая схема (рис. 1.9) может быть трансформирована в схему двухуровневого преобразователя исключением диодов средней точки при осуществлении синфазного управления каждой из пар управляемых вентилей в каждом из плеч преобразователя (на промежутках «полюс-фаза»). Сравнение схем проводилось на цифровой модели, описание которой будет представлено ниже в главе 2. Расчеты показали, что в трехуровневом преобразователе коэффициенты искажения синусоидальности кривых фазных и линейных напряжений в - 1,7 раза меньше, чем в двухуровневом в номинальных режимах потребления и выдачи реактивной мощности Q = ± 150 МВ-А. Сравнительный анализ СТАТКОМ на основе двух и трехуровневых преобразователей напряжения произведен в установившихся режимах его работы при номинальных выходных мощностях Q - ± 150 МВ-А и в одном из наиболее вероятном аварийном режиме — при однофазном коротком замыкании на стороне переменного тока. На рис. 1Л0 - 1.11 (а? б) приведены осциллограммы характерных напряжений и токов, соответственно в трех и двухуровневом преобразователях в установившихся режимах работы при выдаче и потреблении номинальной реактивной мощности Q = 150 MB-А. Кривые напряжений на осциллограммах обозначены цифрами между соответствующими узлами, а кривые токов - цифрами ветвей, В верхнем правом углу каждого явления указаны его максимальные и минимальные значения. Явления приведены на интервале двух периодов основной частоты 50 Гц. Проведенные расчеты при выбранных параметрах элементов преобразователей показали следующее. 1. Во входном напряжении (U5.4) трехуровневого преобразователя имеется заметная переменная составляющая частоты 3xfM=150 Гц, образующаяся за счет соответствующей гармоники во входном токе данного преобразователя, В аналогичном напряжении двухуровневого преобразователя данная низкочастотная составляющая во входном токе отсутствует. 2. Выходное напряжение Ui.2 в трехуровневом преобразователе (как и напряжение Ui_o на рис. 1.10) более благоприятно с точки зрения приближенности к синусоидальной форме, чем соответствующие напряжения двухуровневого преобразователя. 3. Токи в емкостях C j (І5-4) в рассматриваемых преобразователях приблизительно равны, несмотря на большую низкочастотную - гармонической в этом токе в трехуровневом преобразователе, которая отсутствует в двухуровневом. 4. Действующее значение тока в фильтровой батарее (Ьо) в трехуровневом преобразователе примерно в 1,5 раза меньше, чем то же значение в двухуровневом за счет большего содержания гармоник в выходном напряжении последнего, 5. В трехуровневом преобразователе по сравнению с двухуровневым максимальные токи, протекающие через управляемые вентили, меньше за счет меньшего содержания гармонических составляющих в 6. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (U7-0) в трехуровневом преобразователе равен -4,5%, а в двухуровневом -—6Э5%, что для класса напряжения 15 кВ соответствует нормам, определенным ГОСТ 13109-97. 7. Потери мощности в резисторе фильтровой батареи в трехуровневом преобразователе в 2-3 раза (в зависимости от режима работы) меньше, чем в двухуровневом. Дополнительные расчеты, проведенные с целью определения потерь в демпфирующих цепях вентилей, показали, что при идентичных демпфирующих емкостях, включенных параллельно каждому вентилю в преобразователях рассматриваемых типов, суммарные потери в этих цепях в трехуровневом преобразователе примерно в 2 раза меньше по сравнению с двухуровневым. Суммарные динамические потери в управляемых вентилях трехуровневого преобразователя также будут в -2 раза меньше, чем соответствующие потери в двухуровневом преобразователе за счет меньшего количества циклов «включение-отключение» каждого вентиля в трехуровневом преобразователе.
Разработка цифровой модели трехуровневого СТАТКОМ
Цифровая модель трехфазной электропередачи, в составе которой применен СТАТКОМ, должна с одной стороны позволять в дальнейшем рассчитывать переходные процессы в трехфазной сети, в том числе несимметричные, и определять воздействия на оборудование СТАТКОМ, а с другой стороны, позволять оптимизировать протекание этих процессов за счет поиска оптимальных алгоритмов работы системы управления, регулирования и защиты.
В качестве базы для цифрового моделирования электромагнитных процессов в схеме СТАТКОМ принят вычислительно программный комплекс (ВПК) «Подстанция» [38].
ВПК «Подстанция» использует численный метод интегрирования, устойчивый при весьма быстрых структурных и количественных изменениях параметров, которые должны происходить в схеме СТАТКОМ, снабженной широтно-импульсным модулированием (ШИМ) с несущей частотой управляющих импульсов до 1 - 2 кГц.
Кроме того, ВПК «Подстанция» позволяет достаточно просто отразить при моделировании любую схему сети переменного тока из сосредоточенных элементов. Такую схему замещения сети переменного тока предлагается получать эквивалентированием ее частотных характеристик. Возможности этой программы позволяют не описывать схему замещения дифференциальными и алгебраическими уравнениями, что значительно упрощает подготовку расчетов.
Схема цифровой модели СТАТКОМ на основе трехуровневого ПН приведена на рис. 2.5, где введены следующие обозначения: Принята схема соединения питающего трансформатора 330/15s75 кВ (Т) - «звезда» - «звезда». Сетевые обмотки трансформатора присоединены через высоковольтный выключатель к шинам 330 кВ переменного тока подстанции, вторичные обмотки - присоединены к фазным реакторам через низковольтный выключатель (на схеме рис, КЗ оба выключателя не показаны). Индуктивность (LT) питающего трансформатора, рассчитанная по напряжению U =11 %, сосредоточена на высоковольтной стороне схемы. В модели трансформатора учтено намагничивание с кривой, аппроксимированной линейными участками. Характеристики линеаризованной кривой намагничивания силовых трансформаторов \\f = f(iji), которая в данном случае для более удобного моделирования системы дифференциальных уравнений трансформатора задается парами значений - потокосцепления у в Веберах и приведенного значения магнитного сопротивления соответствующего участка кривой намагничивания X = R-m/Wi2 = Діц/Ду, взятого со знаком "минус". Подробное описание моделирования трансформатора приведено в Руководстве пользователя «Цифровая модель СТАТКОМ» [64], ВЧ фильтр моделировался в виде набора Иф — Ьф - Сф элементов. Фазные реакторы моделировались в виде индуктивностей Lp и активных сопротивлений, учитывающих добротность реактора. Средняя точка на стороне постоянного тока и нейтраль ВЧ фильтров объединены с контуром заземления подстанции. В модели выполнена в виде активного сопротивления R3 - 30 кОм. Такая схема обеспечивает снижение нулевых составляющих токов, которые достигают значительных величин при глухом заземлении средней точки на стороне постоянного напряжения. Полностью управляемый вентиль (ПУВ), замещен резистором Rh и обратным диодом — резистором R& демпфирующая цепочка замещена элементами RCj Сс, параметры которой приняты близкими к реальным (Rc — 100 Ом; Сс = 0,025 мкФ). Запираемый вентиль и диод в модели имеют прямое сопротивление 0,001 Ом, обратное сопротивление 1-10 Ом, Для ограничения токов через ПУВ при заряде конденсаторной батареи на стороне постоянного напряжения в модели предусмотрены предвключасмые резисторы (Rnp), включаемые параллельно выключателю, В программном комплексе «Подстанция» существует возможность изменения параметров ветвей по времени и по току» Так, например, для имитации включения выключателя СТАТКОМ на шинах 15,75 в трех фазах задается сопротивление 1 мОм. Отключение выключателя имитируется в блоке изменения параметров по току путем установления большого сопротивления этих же ветвей в момент перехода тока через ноль. Для моделирования датчиков напряжения использовались шунты в виде активных сопротивлений 1 МОм, присоединенные к шинам сети переменного тока, а датчиками тока являются ветви, моделирующие сетевые обмотки трансформатора СТАТКОМ. Разработанная трехфазная модель СТАТКОМ позволяет проводить исследования неполнофазных, несимметричных режимов и переходных процессов в сети переменного тока. Имитация неполнофазных и несимметричных режимов достигается заданием соответствующих сопротивлений ветвей. Задавая различные величины ипдуктивностей в этих ветвях, имеется возможность моделирования однофазных, двухфазных и трехфазных коротких замыканий. С помощью изменения коэффициентов усиления пропорциональных и интегральных каналов, постоянных времени интегральных каналов регулирования проводилась оптимизация систем управления и регулирования. Система управления и регулирования СТАТКОМ, отраженная в цифровой модели, учитывает свойства современных микропроцессорных систем управления (дискретность считывания и выдачи сигналов, цифровые фильтры и т.д.). Структура программного комплекса «СТАТКОМ» Программный комплекс «СТАТКОМ» включает в себя дополнительные программные модули, входяпще в состав программы «Подстанция», обеспечивающие контроль сигналов управления и регулирования СТАТКОМ, подключенного к трехфазной сети переменного тока: !) модуль, включающий в себя регуляторы напряжения на шинах сети переменного тока, реактивной мощности и напряжения на конденсаторной батарее на стороне постоянного напряжения (regul.for); 2) модуль формирования управляющих импульсов преобразователей напряжения на полностью управляемых вентилях с широтно импульсной модуляцией (shim.for).
Исследование установившихся и переходных процессов и определение воздействий на оборудование СТАТКОМ
Расчеты установившихся процессов СТАТКОМ выполнялись с помощью разработанной цифровой модели в главе 2 по схеме, приведенной на рис, 3.4. На схеме приняты следующие обозначения: ЧЭС - частотный эквивалент сети переменного тока; ЧЭЗ — частотный эквивалент земли; е&. ев, ес - трехфазная система э.д.с. переменного тока; Rs, Ls - активное сопротивление и индуктивность сети переменного тока; LT - суммарные индуктивности рассеяния обмоток трансформатора, приведенные к номинальному напряжению высоковольтной обмотки; LUIJ Кш - индуктивности и активные сопротивления шунтов короткого замыкания для моделирования переходных процессов, обусловленных к.з.; Lp Rp - индуктивности и активные сопротивления фазных реакторов на стороне переменного напряжения СТАТКОМ; Ьф, Яф, Сф - индуктивность фильтровых реакторов, сопротивление резистора и эквивалентная емкость батареи фильтровых конденсаторов СТАТКОМ; Са - эквивалентные емкости конденсаторов на стороне постоявшого напряжения; R3 - сопротивление заземляющего резистора, установленного в средней точке конденсаторов на стороне постоянного напряжения. Rnp - предвключасмый резистор выключателя; Сеть переменного тока предложено моделировать частотными эквивалентами, состоящими из параллельных С - L - R звеньев, подключенных к шинам сети переменного тока. Для получения параметров ЧЭС и ЧЭЗ использовались материалы [66]. Параметры сети переменного тока (см. рис, 3.1) и трансформатора: Прежде, чем рассматривать установившиеся и переходные процессы необходимо остановиться на процессе пуска СТАТКОМ. Для осуществления запуска в работу СТАТКОМ необходимо произвести заряд его конденсаторов на стороне постоянного напряжения.
На разработанной цифровой модели был получен процесс заряда КБ, включением фаз СТАТКОМ на шины сети. На осциллограммах рис. 3,5 а и 3.5 б показаны токи в фазных реакторах, в КБ и напряжения на КБ при подключении СТАТКОМ к сети переменного тока с помощью выключателя.
В результате рассмотрения процессов заряда КБ получено следующее: 1. При подключении СТАТКОМ к сети переменного тока с помощью обычного выключателя каждый из конденсаторов емкостью Cj зарядится до амплитуды линейного напряжения, равной Em=W2-15,75 22 кВ полуволной тока с максимальным значением 8-9 кА длительностью 6 мс. 2. При подключении СТАТКОМ к сети с помощью выключателя с предвкл юченным резисторами каждый из конденсаторов зарядится до напряжения 11 кВ током, величина которого будет определяться выбранной величиной предвключенного резистора. Величина предвключенного резистора принята Rnp = 50м. При этом токи через ПУВ и фазные реакторы 3 кА. Следовательно, можно рекомендовать для заряда конденсаторных батарей на стороне постоянного напряжения использование выключателя с предвключенными резисторами. Осциллограмма процесса подачи импульсов управления («включения» СТАТКОМ) применительно к СТАТКОМ мощностью 50 МВ-А, приведен нарис. 3.7, 3.8. В исходном режиме СТАТКОМ работает на холостом ходу при заряженной конденсаторной батарее. В момент времени t = 360 эл. гр. происходит подача импульсов управления на вентили - включение СТАТКОМ. Как видно из рисунка, такое включение СТАТКОМ не сопровождается сколько-нибудь серьезной перегрузкой его по току. Воздействия на оборудование СТАТКОМ определялись в длительных установившихся режимах при номинальной загрузке по реактивной мощности (Q = 50 МВ\Ар). При этом реактивная мощность измерялась на шинах 330 кВ переменного тока. На рис. 3.9 - 3.11 приведены осциллограммы напряжений и токов на элементах СТАТКОМ в установившемся режиме выдачи номинальной мощности Q = 50 МВ-Ар, а на рис. 3.12 - 3.14 в режиме потребления номинальной мощности Q - 50 МВ-Ар. Из осциллограмм напряжения Un-n, Ucdi и и 2 следует, что режим выдачи и потребления номинальной мощности обеспечивается при поддержании суммарной постоянной составляющей напряжения на конденсаторных батареях (Cd) 33 - 34 кВ.
Исследование СТАТКОМ в режимах компенсации гармоник тока и напряжения в сети переменного тока
Полученные выше уравнения, были использованы в цифровой модели сети переменного тока и СТАТКОМ (см. рис. 4.1). Создавались дополнительные управляющие сигналы в системе регулирования трехуровневого СТАТКОМ, который находится в режиме выдачи реактивной мощности (50 МВ А) на шины сети переменного тока.
Для начала был получен режим работы сети переменного тока с введенным одним источником гармоник (у— 5).
Осциллограммы этого режима приведены на рис, 4,4, где приняты следующие обозначения: Ig - фазный ток источника гармоник тока; 1р — фазные токи сетевой обмотки преобразовательного трансформатора СТАТКОМ; Is - фазные токи, поступающие на шины от системы переменного тока. Из рис. 4.4 видно, что с момента времени, когда включается источник, вырабатывающий 5 гармонику (1080 эл. гр,) ток сети (Is) приобретает заметно искаженную форму, т.к. 5 гармоника составляет в токе сети более 10 %. На рис, 4,5 показан режим включения дополнительного канала 5-ой гармоники в систему регулирования СТАТКОМ. Как видно из рисунка, в течение нескольких периодов после включения дополнительного канала лишь небольшая и уменьшающаяся во времени часть тока пятой гармоники проходит в систему. Эта часть процесса определяется динамикой замкнутых контуров регуляторов тока СТАТКОМ- Большая часть тока мгновенно подавляется разомкнутыми каналами этих регуляторов, а погрешности этих каналов устраняются замкнутыми каналами в соответствии с их динамическими свойствами. Возникает вопрос, не снижается ли эффективность компенсации гармоник при появлении одновременно двух гармоник из-за возможного их взаимного влияния в сигналах управления СТАТКОМ. На рис. 4.6 приведены осциллограммы режима одновременного подавления 5-ой и 7-ой гармоник сетевого тока с помощью СТАТКОМ, которые визуально подчеркивают эффективность компенсации и двух гармоник. Из таблицы видно, что применение СТАТКОМ в дополнительном качестве является эффективным средством и позволяет в 30-100 раз уменьшить уровень нежелательных гармоник в сети переменного тока. В принятой для расчетов цифровой модели удалось подавить гармоники сетевого тока и более высоких порядков. В частности, была подавлена 11-ая гармоника (амплитуда которой составила 6 А). Для подавления гармоник более высоких порядков потребуется увеличение частоты ШИМ преобразователя напряжения. В связи с изложенным при проектировании СТАТКОМ, выполняющего роль компенсатора реактивной мощности, целесообразно учитывать возможное использование его и в качестве активного фильтра. Особый интерес представляет подключение СТАТКОМ на преобразовательной подстанции вместо фильтровых конденсаторных батарей. Рассмотрим модель выпрямительного преобразователя (например, вставки постоянного тока) вместо источника гармоник, чтобы посмотреть, как происходит фильтрация гармоник. Преобразователь работает с углами а=15 и у 20. Активная нагрузка его составляет примерно 300 МВт, и он потребляет примерно 150 МВА реактивной мощности. На рис. 4.7 изображены токи преобразователя Ig, токи сети 1с, напряжение сети U и токи СТАТКОМ Ір. В момент времени t=0,02c СТАТКОМ включается для компенсации реактивной мощности преобразователя па мощность 150 МВА, Каналы подавления гармоник в этом расчете отключены. На рис. 4.8 в начале показан установившийся режим при практически полной компенсации реактивной мощности, потребляемой выпрямителем, В момент времени t = 0,02с в СТАТКОМ производится подключение каналов подавления гармоник тока. Видно, что спустя примерно 2-3 периода ток системы и, соответственно, напряжение на шинах становятся более синусоидальными. Разработан и проверен на цифровой модели алгоритм управления и регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник тока и напряжения в сети переменного тока. Алгоритм компенсации гармоники состоит в том, чтобы создать в цепи СТАТКОМ гармонику тока, мгновенные значения которой равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку мгновенным значениям этой гармоники в цепи источника гармоники. Для компенсации гармоник вводятся дополнительные оси /-#-коордипат в основную систему регулирования. Эти оси вращаются со скоростью sv, где гармоника порядка v имеет прямую последовательность, то s = 1, а если обратную, то s = - 1. Для подавления не одной, а нескольких гармоник, в разработанном программном обеспечении, реализующем соответствующую систему регулирования, содержатся несколько однотипных блоков, каждый из которых «отвечает» за одну гармонику.
