CC BY
209
Сельскохозяйственные
и технические науки
Agriculture, Engineering and Industrial Technology Sciences
УДК 621.311
С. В. Волков
Марийский государственный университет, г. Йошкар-Ола
А. М. Волкова Йошкар-Олинский аграрный колледж ПГТУ, г. Йошкар-Ола
Анализ несимметричных режимов работы электрических систем
в среде MatLab Simulink
Представлен пример имитационного моделирования неполнофазных режимов работы электрических сетей в среде Matlab Simulink. Рассмотрен вариант применения блоков библиотеки SymPowerSystems для анализа искажений трехфазной системы напряжений у потребителя электрической энергии при обрыве фазы на стороне высшего напряжения.
Ключевые слова: имитационное моделирование, неполнофазный режим, среда Matlab, приложение Simulink, библиотека SymPowerSystems, обрыв одной фазы, осциллограмма напряжений.
Несимметричные режимы работы электрических сетей — частое явление в энергосистеме, которое может быть вызвано несимметрией нагрузки и аварийными режимами. Несимметрия, в свою очередь, может быть поперечной и продольной. Аварийные режимы, приводящие к поперечной несимметрии, — это короткие замыкания, при которых фазы находятся не в одинаковых условиях, частота их появления значительно выше, чем частота возникновения трехфазных (симметричных) коротких замыканий. Частыми видами аварий являются обрывы линий, так называемая продольная несимметрия.
Значительная доля аварий в энергосистеме приходится на сети 10 кВ, так как это самые протяженные и изношенные сети высокого напряжения. Однофазные замыкания на землю и обрывы одной фазы являются наиболее частым повреждениями в сетях данного типа. Обрыв в сети 10 кВ представляет опасность не только для энергоснабжающих организаций, но и для потребителей, в связи с тем, что искажает симмет-
ричную трехфазную систему напряжений на стороне 0,4 кВ, т. е. непосредственно у потребителей.
Анализ напряжений на стороне 0,4 кВ у потребителей при несимметричных и неполно-фазных режимах можно проводить средствами MATLAB Simulink.
Оценим деформацию трехфазной системы напряжений у потребителей при обрыве одной фазы на стороне 10 кВ для схемы на рисунке. 1
&
Электрическая В Л 10 кВ система
-НЩ
Тр 10/0,4 кВ
Нагрузка
Рисунок 1 — Однолинейная схема исследуемой электрической системы
Разработаем модель рассматриваемой системы с помощью прикладной библиотеки SimPowerSys-tems. Для моделирования трехфазного двухоб-моточного трансформатора используем блок
Three-Phase Transformer Inductance Matrix Type (TwoWindings), который позволяет помимо электрических параметров трансформатора задать схему соединения обмоток высшего и низшего напряжений, группу соединения обмоток, тип магнитопровода (трехстержневой или пяти-стержневой), учесть насыщение магнитопрово-да. В России промышленно выпускают два типа трансформаторов 10/0,4 кВ: со схемой соединения обмоток Д/У0-11 группа и со схемой соединения обмоток У/У0-0 группа. В энергосистеме Республики Марий Эл наиболее распространены трансформаторы нулевой группы с соединением обмоток «звезда» - «звезда ноль» (У/У0-0), в анализе будем рассматривать трансформатор именно этого типа. Окно задания параметров двухоб-моточного трансформатора представлено на рисунке 2.
Обрыв одной фазы (фаза А) воздушной линии электропередач напряжением 10 кВ моделируется с помощью блока Breaker, который нормально замкнут и по внешнему воздействию отключает фазу А. Внешнее воздействие задается блоком
Step, который подает команду на отключение фазы А через 0,02 секунды с момента начала моделирования [1]. Электрическая система в модели представлена блоком Three-Phase Programmable Voltage Source из раздела Electrical Sources (электрические источники), а нагрузка блоком Three-Phase Series RLC Branch, что позволит модели -ровать работу трансформатора в режиме холостого хода, короткого замыкания и нормального режима. Для получения осциллограмм используются трехфазные измерители Three-Phase V-I Measurement, которые подключены на сторонах 10 и 0,4 кВ и позволяют получать данные о значениях фазных и междуфазных напряжений [2]. Данные с измерителей подаются на блоки осциллографы Scope. Общее время моделирования составляет 0,1 секунды, что является достаточным, так как переходные процессы завершаются, можно представить ясную картину установившегося режима.
Модель исследуемой системы, выполненная в приложении Simulink MatLab, представлена на рисунке 3.
Рисунок 2
— Окно задания параметров двухобмоточного трансформатора
С. В. Волков, А. М. Волкова 27
Обрыв одной фазы на стороне 10 кВ приводит к тому, что векторная диаграмма напряжений на стороне 0,4 кВ деформируется, анализ осциллограмм фазных напряжений на стороне низшего напряжения трансформатора, показывает, что напряжения неповрежденных фаз имеют угол сдвига 180 градусов, в отличие от симметричной трехфазной системы напряжений. Напряжение поврежденной фазы на выводах трансформатора зависит от мощности нагрузки. При режиме работы с величиной нагрузки близкой к номиналь-
ной и в режиме перегрузки трансформатора напряжение одной фазы стремится к нулю (рис. 4, 5). При работе трансформатора в режиме холостого хода обрыв фазы на стороне напряжения 10 кВ приводит к ситуации, когда напряжение поврежденной фазы составляет по модулю около 20 % от уровня неповрежденных фаз, при этом угол сдвига напряжений неповрежденных фаз менее 180 градусов. Напряжения неповрежденных фаз на стороне 0,4 кВ, несмотря на сдвиг по фазе, по модулю не превышает значений напряжения
<ГСЦ|ЛЛО|НСр2
31
t'j LKi::! aj' -.! рИМИ* i|
'а а2
Я Ь2
к. hi г-
:: С
'с1 Ы
Vabt а
А
ь Ь
С: с
I:. jг=-:.-:|:
10/0/1 <в
Y/Y -i !!>.■. "j
И jjhitJSHWjIb ►Id: I: Nuprin I
IV: Ц1ЛЛ-."1 1
В-
Рисунок 3 — Модель исследуемой системы в среде Simulink MatLab
Рисунок 4 — Осциллограмма напряжений на выводах 0,4 кВ трансформатора в режиме перегрузки
Рисунок 5 — Осциллограмма напряжений на выводах 0,4 кВ трансформатора при номинальной нагрузке
Рисунок 6 — Осциллограмма напряжений на выводах 0,4 кВ трансформатора в режиме холостого хода
С. В. Волков, А. М. Волкова
29
до аварии при любой мощности нагрузки, в том числе и в режиме холостого хода. Тем не менее такой режим работы может привести к серьезным последствиям вследствие нарушения нормального режима работы электродвигателей.
Большой интерес представляет использование приложения Simulink для анализа сложных видов повреждений, например, одновременно с обрывом фазы может произойти замыкание на землю, при этом электрическая емкость поврежденной фазы увеличивается, тем самым создаются условия для возникновения феррорезонанса. Аналитический метод расчета таких ситуаций представляет большие трудности. Численные методы решения дифференциальных уравнений, описывающих
электрическую систему, позволяет учесть множество факторов и сформировать четкую картину происходящих в энергосистеме процессов.
—т—-
1. Дьяконов В. П., Пеньков А. А. MATLAB и Simulink в электроэнергетике: справочник. М.: Горячая линия-Телеком, 2009. 816 с.
2. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс, 2007. 288 с.
1. Dyakonov V. P., Penkov A. A. MATLAB i Simulink v elektroenergetike. Spravochnik. M.: Goryachaya liniya-Telekom, 2009. 816 s.
2. Chernykh I. V. Modelirovanie elektrotekhnicheskikh us-troystv v MATLAB. SimPowerSystems i Simulink. M.: DMK Press, 2007. 288 s.
Sergey V. Volkovi Mari State University, Yoshkar-Ola
Anastasia M. Volkova Agrarian College of Povolzhsky State Technical University, Yoshkar-Ola
Analysis of Asymmetric Regimes of Electrical Systems Performance in the MatLab Simulink Environment
The article presents a simulation example of the single-phase condition of electrical systems in the MatLab Simulink Environment. The use of the library block SymPowerSystems to analyse the distortion of the three-phase system of voltages during the single-phase conditions on the high voltage side has been considered.
Key words: simulation, single-phase condition, the MatLab Simulink Environment, Simulink, SymPowerSystems library, single-phase conditions, voltages oscillogram.
