Введение к работе
Актуальность работы. Энергосистема России - это уникальный технический объект, особенностью которого является наличие «закольцованных» связей и межсистемных связей с большой пропускной способностью. Межсистемные связи обеспечивают высокую надежность поставки электроэнергии потребителям, а так же рациональное использование различных энергетических ресурсов, географически и технологически неравномерно распределенных по территории страны.
Концепция развития электроэнергетики России направлена на создании так называемой Интеллектуальной электроэнергетической системы с активно -адаптивной сетью. Под этим понятием понимается система, в которой все субъекты электроэнергетического рынка (генерация, передача, потребители) принимают активное участие в процессах передачи и распределения электроэнергии.
Активная передача электроэнергии, т.е. с возможностью управляемого снижения потерь при транспортировке, а так же уменьшению последствий, возникающих при аварийных отключениях линий электропередач, осуществляется с помощью применения технологии гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока (в иностранной литературе известных как системы FACTS).
Фазоповоротное устройство с тиристорным коммутатором (ФПУ с ТК) является одной из перспективных разработок данного класса устройств. Исследованиями ФПУ с ТК и вопросами их применения занимались ученые из России, а так же иностранные ученые, такие как: Александров Г.Н., Веников В.А., Гринштейн Б.И., Калюжный А.Х., Рыжов Ю.П., Ситников В.Ф., Чебан В.М., W.Seitlinger, J.Verboomen и др.
Федеральная сетевая компания ОАО «ФСК ЕЭС» совместно с ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» ведут работы по созданию первого в мире опытно-промышленного образца фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором мощностью 104 MB А.
Проведенные ранее теоретические исследования выявили множество особенностей протекания электромагнитных процессов в оборудовании ФПУ, затронули вопросы надежности переключения фазоповоротного устройства. Средствами имитационного моделирования было показано, что алгоритмы переключения МТК должны претерпевать изменения в зависимости от параметров режима энергосистемы в текущий момент времени.
Поэтому задача исследования электромагнитных процессов в силовой схеме ФПУ с ТК, анализа и разработки алгоритмов управления тиристорным коммутатором в составе ФПУ, учитывающих состояние энергосистемы является своевременной и актуальной, и требует детального рассмотрения.
Степень разработанности проблемы. Структура фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором по соединению электромагнитного оборудования соответствует широко применяемым во всем мире
фазоповоротным трансформаторам (ФПТ). Основной отличительной особенностью является то, что в ФПТ для коммутации высоковольтных выводов трансформаторов применяются электромеханические устройства регулирования под нагрузкой (РПН). В ФПУ с ТК применяются бесконтактные переключатели, построенные с применением полупроводниковых однооперационных тиристоров.
В мире, на текущий момент отсутствуют введенные в эксплуатацию фазоповоротные устройства с тиристорными коммутаторами. Существуют работы, посвященные теме диссертации, построенные на основе имитационного моделирования и аналитических расчетах, но анализ процессов в ФПУ с ТК в данных работах проводился с учетом ряда допущений и с использованием упрощенных имитационных моделей.
Отсутствие практической реализации силовой схемы ФПУ с ТК и отработки алгоритмов управления на практике, диктует необходимость создания экспериментального образца ФПУ с ТК, а так же тщательного исследования статических и динамических режимов его работы.
Цель диссертационной работы: обеспечение безопасного переключения тиристорных коммутаторов фазоповоротного устройства в условиях медленного изменения параметров режима энергосистемы.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Создание экспериментального макета фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором мощностью 20 кВА. Проведение экспериментальных исследований процессов в схеме ФПУ с подключением шунтового трансформатора к средней точке сериесного трансформатора;
-
Разработка моделей для описания процессов в ФПУ с ТК в симметричном и несимметричном режимах его работы, а также процессов переключения тиристорных коммутаторов;
-
Валидация моделей на экспериментальном образце ФПУ;
-
Прогнозирование режимов работы опытно-промышленного образца ФПУ с использованием разработанных моделей. Исследование влияния параметров энергосистемы на область безопасного переключения ТК ФПУ;
-
Синтез адаптивных алгоритмов управления тиристорным коммутатором ФПУ, обеспечивающих его безопасное функционирование в нормальных режимах работы энергосистемы Определение параметров для системы управления преобразователем опытно-промышленного образца ФПУ.
Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач использовались: теория электрических цепей, теория систем дифференциальных и линейных уравнений, численные методы их решения, имитационное моделирование в программном комплексе Matlab/Simulink, экспериментальные исследования.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, сопоставлением основных результатов, полученных с применением различных методов математического и имитационного моделирования с результатами экспериментов по
воспроизведению аналогичных режимов работы на экспериментальном макете ФПУ с ТК.
Научная новизна:
-
Экспериментально выявлено и теоретически обосновано влияние взаимной магнитной связи вторичных обмоток шунтового трансформатора на область безопасного переключения тиристорных коммутаторов ФПУ;
-
Разработана методика расчета предельных коммутационных характеристик ФПУ с поключевым управлением тиристорными коммутаторами.
-
Разработана усовершенствованная имитационная модель ФПУ, учитывающая влияние реальных характеристик его элементов на статические и коммутационные характеристики ФПУ.
-
Разработана аналитическая модель ФПУ, описывающая связь режима энергосистемы и коммутационной способности ФПУ в несимметричных режимах его работы. Модель используется в адаптивном алгоритме управления ТК ФПУ для расчета коммутационной способности ФПУ в реальном масштабе времени.
Практическая полезность:
-
Предложена методика экспериментального определения коэффициентов взаимной связи вторичных обмоток шунтового трансформатора для усовершенствованной имитационной модели ФПУ;
-
Разработана усовершенствованная имитационная модель для опытно-промышленного образца ФПУ с ТК, проведено прогнозирование коммутационных характеристик опытно-промышленного образца ФПУ номинальной мощностью 104 MB А;
-
Разработаны адаптивные алгоритмы управления ФПУ, которые позволяют обеспечить безопасное переключение тиристорного коммутатора в условиях медленного изменения параметров режима энергосистемы;
-
Разработан и сконструирован экспериментальный образец ФПУ с ТК мощностью 20 кВА, который может быть использован для проведения дальнейших исследований в области алгоритмов управления фазоповоротными устройствами с тиристорными коммутаторами.
Внедрение результатов работы:
-
Разработанная методика проведения испытаний многообмоточного трансформатора включена в программу приемо-сдаточных испытаний шунтового трансформатора опытно-промышленного образца ФПУ, проводимых в ООО «Тольяттинский трансформатор».
-
Разработанные алгоритмы управления тиристорными коммутаторами ФПУ, а так же параметры настройки алгоритмов управления лежат в основе прикладного программного обеспечения центрального блока системы управления опытно-промышленного образца ФПУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика расчета максимальной коммутационной способности ФПУ с ТК для проведения предпроектной оценки управляющей способности ФПУ с ТК в конкретном месте установки;
-
Усовершенствованная имитационная модель ФПУ с ТК, и полученные на ее основе результаты расчета коммутационной способности опытно-промышленного образца ФПУ с ТК мощностью 104 MB А;
-
Аналитическая модель работы ФПУ с ТК в несимметричных режимах работы, вызванных пофазным переключением тиристорных коммутаторов;
-
Адаптивный алгоритм управления тиристорным коммутатором, обеспечивающий безопасное переключение ФПУ с ТК, учитывающий текущее состояние энергосистемы с возможностью оценки режима работы ФПУ с ТК после переключения.
Апробация полученных результатов: Основные результаты работы докладывались на:
-
Заседании кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»;
-
Конференции молодых ученых «Энергия единой сети» (22 июня 2013, г. Санкт-Петербург).
-
XVI, XVII, XVIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», г. Москва, 2010г, 2011г, 2012г.),
-
VII Межрегиональной научно-технической конференции «Информационные технологии, энергетика и экономика» (СФМЭИ, г. Смоленск, 20 Юг);
-
Международной научно-практической заочной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии», (г. Липецк, 2012);
Публикации. Основные результаты диссертации освещены в 11 научных работах, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен один патент на полезную модель, одно свидетельство о регистрации программного обеспечения, также получено решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 221 страницах, имеет 81 иллюстрацию, включает титульный лист, оглавление, введение, 4 основные главы результатов работы, заключение, список литературы (82 позиции) и 3 приложения.
