CC BY
40
УДК 621.311.004
А. А. КОЛБ (НГУ)
КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ
Запропоновано векторний принцип керування швертором напруги на 0CH0Bi узагальнених просторових BeKTopiB струму й напруги в обертовш системi координат для компенсацп реактивно! потужносп й стабш-заци напруги.
Предложен векторный принцип управления инвертором напряжения на основе обобщенных пространственных векторов тока и напряжения во вращающейся системе координат для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения.
A vectorial principle of voltage inverter control has been offered on the basis of the unified spatial current/voltage vectors in the revolving system of coordinates for compensation of reactive power and stabilizing the voltage.
Необходимость поддержания напряжения тяговой сети на требуемом уровне предопределяет необходимость его регулирования. При этом объединение функций компенсации реактивной мощности сети и стабилизации напряжения имеет большие перспективы. Успешное решение этой проблемы возможно плавным амплитудно-фазовым регулированием напряжения вольтодобавочного трансформатора (ВДТ) в широких пределах с помощью АИН с ШИМ и релейно-векторной системой управления.
Наиболее важной проблемой при разработке законов и алгоритмов управления напряжением ВДТ с помощью АИН с ШИМ является формирование управляющих воздействий, в функции которых следует реализовать регулирование. В этом отношении наиболее перспективным направлением является использование теории 1Х, I мгновенной мощности на базе
обобщенных пространственных векторов напряжения и тока сети.
Целью исследования является разработка на основе 1Х, I теории мгновенной мощности в
синхронно вращающихся координатах системы автоматического управления напряжением и фазой ВДТ на основе АИН с ШИМ для стабилизации напряжения тяговой сети.
Результаты исследования показали, что любые трехфазные системы (напряжения, тока и др.), мгновенные значения которых равны нулю, могут быть представлены в двухмерном пространстве с помощью обобщенных пространственных векторов [1]. Если вектор напряжения фазы А расположить, например, вдоль горизонтальной оси, а векторы напряже-
ний фаз В и С повернуть соответственно на 120 и 240° в положительном направлении, то результирующий (обобщенный) вектор напряжения определяется согласно выражению
U = 2 (UA + aUB +а V ) = Ua+ J'Ue, (1)
где 2/3 - согласующий коэффициент, найденный из условия инвариантности мощности; и А,иВ, иС - мгновенные значения напряже-
- — /120° —2 /240° ний; а = е , а = е - единичные векторы поворота соответственно на 120 и 240°; иа,ир - проекции результирующего вектора
на неподвижную систему координат а, р, вещественная ось а которой совмещена с вектором напряжения фазы А.
Согласно (1) преобразование трехфазной системы А, В, С в двухфазную а , р производится с помощью матричного соотношения
(2)
'Ua 2 '1 -0,5 -0,5
= 3 0 V3/2 -V3/2
Обратный переход реализуется как
UA = Ua;
Vb,
Ub =-0,5Ua+ — Ue;
Uc =-0,5Ua-^23 Up.
В общем случае при отсутствии нулевых составляющих мгновенное значение мощности определяется как скалярное произведение результирующего вектора напряжения сети и
—*
и сопряженного вектора тока I [1]
2
Р = — 3
иг
(4)
В неподвижной системе координат а, в выражения для мгновенной мощности, представленные в виде постоянной и переменной составляющих, записываются как
(5)
При переходе к вращающейся системе координат х, у, ось х которой совпадает с результирующим вектором напряжения сети, выражение (5) принимает вид (теория мгновенной
Р = Р + Р~" 3 иР_ " I а"
ч = 2 + _ = 2 ив _ V
мощности 1х , 1у )
Р = Р+Р~ = - и1х; 3
ч = 2+=-и1у,
(6)
где 1х , 1у - проекции результирующего вектора тока на оси х, у; и - модуль результирую-
щего вектора напряжения сети, равный амплитудному значению фазного напряжения.
Существенно, что в симметричных линейных системах компоненты 1х, 1у не содержат переменных составляющих. В случае нелинейных и несимметричных систем в обеих ортогональных проекциях появляются переменные составляющие, пропорциональные мощности искажения.
Таким образом, в синхронно вращающейся системе координат, ориентированной по вектору напряжения сети, трехфазная синусоидальная система токов представляется неподвижным вектором с постоянными (фиксированными) проекциями на оси х , у , постоянные составляющие которых пропорциональны соответственно активной и реактивной мощности. Это значительно упрощает выделение (идентификацию) и непрерывный контроль мгновенных значений неактивной мощности. Такое представление трехфазной системы значительно упрощает построение замкнутых систем управления качеством электроэнергии и реализацию регуляторов, работающих с сигналами постоянного тока, а не переменного.
На основании выполненных исследований [2; 3] и приведенных зависимостей разработана замкнутая автоматическая система амплитудно-фазового регулирования напряжения ВДТ для компенсации реактивной мощности сети и стабилизации напряжения тяговой сети (рис. 1).
Рис. 1. Функциональная схема управления напряжением тяговой подстанции
В предлагаемой системе АИН с ШИМ с входным ЬС-фильтром подключен непосредственно на постоянное напряжение тяговой сети. При этом с помощью одного полностью управляемого инвертора, коммутируемого с высокой частотой, можно регулировать в широких пределах величину и фазу напряжения ВДТ и, следовательно, значение и знак реактивной мощности. Так как регулирование напряжения тяговой сети реализуется на стороне переменного тока, то вентильный блок тяговой подстанции может быть выполнен нерегулируемым, который по отношению к сети обладает практически активным сопротивлением (без учета углов коммутации), а пульсации выпрямленного напряжения существенно ниже, чем в регулируемом вентильном блоке. Минимизация гармоник, генерируемых выпрямителем, реализуется с помощью фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ), настроенных, например, на 5-ю и 7-ю гармоники.
Преобразователи фаз ПФ1...ПФ3, реализованные на основании (2) и (3) предназначены для прямого (ПФ1 и ПФ2) и обратного перехода (ПФ3) от трехфазной системы А, В, С к двухфазной а, р.
Пространственное положение результирующего вектора £/1 напряжения первичной обмотки трансформатора Тр реализуется с помощью вычислительного устройства ВУ2 на основании выражений:
и
008 а =-
1а .
и,
и
81П а = -
1Р
и1
(7)
008 Ф1 = -у;
вш ф =—,
(8)
где I, 1Х, 1у - модуль и ортогональные составляющие вектора тока в синхронно вращающейся системе координат, ориентированной по вектору напряжения £1.
Согласно обозначениям, принятым на векторной диаграмме рис. 2, ортогональные составляющие напряжения вторичной обмотки ВДТ во вращающейся системе координат и его модуль при полной компенсации реактивной мощности сети определяются как
иву = ис81П Ф1;
и
эх = ис ( - 008 Ф1);
ип =, 1и
и
Эх
и
Эу ■
(10)
где Ф1 - фазовый сдвиг между напряжением первичной обмотки трансформатора и током сети.
Указанные составляющие напряжения после преобразования координат из вращающейся системы в неподвижную с помощью ПК2 и преобразования фаз с помощью ПФ3 поступают в виде трехфазных синусоидальных управляющих (задающих) воздействий на вход АИН с ШИМ Амплитудное значение выходного напряжения АИН (напряжение первичной обмотки ВДТ) составляет при синусоидальной ШИМ
£ш = 0,5ший = 0,5тКсхи1ф /К^,
(11)
где и1, и1а, и1р - модуль и проекции обобщенного пространственного вектора и на оси а , р .
Фазовый сдвиг между векторами напряжения и тока первичной обмотки трансформатора вычисляется с помощью ВУ1 согласно соотношениям
где ш = изад / иоп - коэффициент модуляции; изад,иоп - напряжение задания и опорное; Ксх = 2,34 - коэффициент схемы трехфазного мостового выпрямителя; и1ф, Ктр - фазное напряжение первичной обмотки силового трансформатора и его коэффициент трансформации.
Из совместного решения (10) и (11) с учетом, что модуль результирующего вектора напряжения равен амплитуде его фазного напряжения, находится требуемое значение коэффициента трансформации ВДТ
КВЭ =
и,
э
КтрУ211 - 008 ф)
и
1Э
0,5шКс
(12)
Напряжение и на первичной обмотке силового трансформатора согласно рис. 2
и = ис
-ию = ис + июв-
(13)
где Р - фазовый сдвиг между напряжениями вторичной обмотки ВДТ и сети.
Приведенные соотношения и векторная диаграмма рис. 2 показывают, что плавное регулирование генерируемой или потребляемой реактивной мощности, а также переход из одного режима в другой реализуется путем опережающего или отстающего регулирования вели-
I
чины и фазы напряжения ВДТ по отношению к напряжению сети в функции ее реактивной мощности. В режиме генерации реактивной мощности осуществляется опережающее регулирование фазы напряжения ВДТ, а в режиме потребления - отстающее.
х
а
____ / Щ\ / \ * к
\з* А У
Да
Рис. 2. Векторная диаграмма формирования напряжения ВДТ для компенсации реактивной мощности сети и стабилизации напряжения тяговой сети
Для стабилизации постоянного напряжения тяговой сети в систему регулирования вводится также корректирующий сигнал Л и = изд - Ud , пропорциональный отклонению напряжения тяговой сети и^ от заданной изд .Этот сигнал алгебраически суммируется с компонентой иах напряжения ВДТ по оси х, стабилизируя напряжение тяговой сети.
Сочетание плавности генерации и потребления реактивной мощности с высоким быстродействием делает предлагаемую систему эф-
фективным средством воздействия на режим трансформаторной подстанции тяговой сети.
Выводы
1. Регулируя величину и фазу вектора напряжения ВДТ, можно обеспечить требуемую ориентацию вектора тока сети по отношению к вектору напряжения. Если при этом реализовать указанный сдвиг, например, равным нулю, то в сеть генерируется реактивная мощность емкостного характера, равная реактивной мощности силового трансформатора в режиме холостого хода.
2. Введением в систему регулирования корректирующего сигнала, пропорционального отклонению постоянного напряжения тяговой сети от заданного, достигается стабилизация этого напряжения, путем регулирования переменного напряжения на входе выпрямителя.
3. Автоматическая компенсация реактивной мощности и стабилизация напряжения тяговой сети не зависит от внешней характеристики сети и характера нагрузки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ковач К. П. Переходные процессы в машинах переменного тока / К. П. Ковач, И. Рац; Пер. с нем. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 744 с.
2. Колб А. А. Управляемые статические устройства компенсации реактивной мощности сети и стабилизации напряжений // Збiрник наукових праць Юровоградського нацюнального техшчного утверситету. -2004.- № 5. - С. 70-77.
3. Колб А. А. Система автоматического регулирования качества электроэнергии на основе полностью управляемых инверторов с релейно-векторным управлением // Вюник Кременчуць-кого державного полггехшчного ушверситету. -2004. - № 2. - С. 37-41.
Поступила в редколлегию 02.10.2005.
