CC BY
64
УДК 621.314.2.38
КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСЕТИ НА БАЗЕ МНОГОУРОВНЕВОГО КАСКАДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ШИМ НА ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЕ
Б.Ю. Алтунин, М.Н. Слепченков, И.А. Карнавский г. Нижний Новгород, НГТУ
В статье рассмотрены принципы компенсации реактивной мощности и мощности искажений в высоковольтной распределительной электросети с помощью корректора коэффициента мощности, построенного на базе многоуровневого каскадного преобразователя с ШИМ на высокой частоте. Представлена его математическая модель, составленная в синхронной системе с1д-координат, ориентированной по вектору напряжения питающей сети, изложены основные принципы построения системы управления и приведены результаты имитационного моделирования в программном комплексе МаШЬ/віпшІіпк.
На современном этапе развития отечественной энергетики необходим форсированный переход к энергосберегающим технологиям - различным способам снижения потерь электрической энергии, сокращающим потребность в вводе новых генерирующих мощностей и требуемом для них органическом топливе.
По утверждению технической инспекции РАО ЕЭС России [1] в настоящее время имеет место факт повсеместной загрузки линий электропередачи распределительных сетей потоками реактивной мощности в диапазоне 80 % и более от величины активной мощности. Снижение потерь по Холдингу на 1 % только за счет компенсации реактивной мощности на шинах нагрузок высвободит в часы зимнего максимума нагрузок для потребителей около 1500 МВт, на 2 % - около 3000 МВт, на 3 % -около 4500 МВт и т.д.
Уменьшение в распределительных сетях балластных потоков реактивной мощности за счет ее компенсации у потребителя или на конечных подстанциях:
а) позволит (при наличии в энергоузлах тех же объемов активной мощности и той же пропускной способности сетей) снабжать дополнительных потребителей, то есть позволит обеспечить в определенной степени прирост потребления активной мощности без увеличения ее генерации в узле (регионе) или без увеличения ее перетока из других энергосистем;
б) позволит самому потребителю прирастить свои производственные мощности без увеличения потребления из сети;
в) позволит присоединить потребителя там, где ранее было отказано, или присоединить новых потребителей, там, где компенсация реактивной мощности позволит это сделать;
г) улучшит технико-экономическую эффективность систем электроснабжения как электросетевых компаний, так и самих потребителей;
д) повысит устойчивость электроэнергетических систем, систем электроснабжения и нагрузки потребителей при снижении и провалах напряжения в сети.
22 марта 2007 в Минюсте РФ был зарегистрирован первый из документов, регламентирующих отношения субъектов электроэнергетики в области компенсации реактивной мощности. Это приказ министра промышленности и энергетики РФ В.Б. Христенко №49 от 22.02.2007 года «О порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договорах энергоснабжения)» [2]. Данным приказом утверждается «Порядок расчета значений соотношения потребления...». В соответствии с «Порядком...» для всех потребителей электрической энергии, присоединенная мощность энергопринимающих устройств которых более 150 кВт (за исключением граждан-потребителей, использующих электрическую энергию для бытового потребления, и приравненных к ним в соответствии с нормативными правовыми актами в области государственного регулирования тарифов групп (категорий) потребителей (покупателей), в том числе многоквартирных домов, садоводческих, огороднических, дачных и прочих некоммерческих объединений граждан) рассчитывается значение соотношения потребления активной и реактивной мощностей. Так предельные значения коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы наибольших суточных нагрузок электрической сети, для потреби-
телей, присоединенных к сетям напряжением ниже 220 кВ, определяются в соответствии с нижеприведённой таблицей [2].
Простейшими устройствами компенсации реактивной мощности являются нерегулируемые конденсаторные батареи (КБ) постоянной мощности и регулируемые релейные или статические тиристорные компенсаторы (СТК) [3]. Однако, для потребителей с изменяющейся потребляемой реактивной мощностью, постоянно включенные КБ не приемлемы, а релейные КБ и СТК при их возможности регулирования величины компенсируемой реактивной мощности имеют ряд существенных недостатков [3], к основным из которых можно отнести возможность возникновения резонансных явлений в питающей сети и перегрузку КБ высшими гармониками тока.
В настоящее время широко распространёнными и перспективными устройствами компенсации реактивной мощности являются статические компенсаторы (СТАТКОМ) [4]. На рис. 1 представлена структурная схема стандартного СТАТ-КОМа, состоящего из трёхфазного преобразователя на запираемых тиристорах с обратными диодами ИО, емкостного накопителя в цепи постоянного тока Сн и выходных фильтрующих дросселей Ь^ъ, стороне переменного тока.
Принцип действия СТАТКОМа заключается в регулировании напряжения на фильтрующих дросселях Lf как по амплитуде, так и по фазе за счёт изменения напряжения на выходе тиристорного ШИМ-преобразователя. Для перевода СТАТКОМа в емкостной режим работы +Q (рис. 2) (режим генерации реактивной мощности),
Предельные значения коэффициента реактивной мощности
Положение точки присоединения потребителя к электрической сети ЧФ
напряжением 110 кВ (154 кВ) 0,5
напряжением 35 кВ (60 кВ) 0,4
напряжением 6-20 кВ 0,4
напряжением 0,4 кВ 0,35
♦С*
Рис. 1. Структурная схема СТАТКОМа
+Р
-О
Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений и токов СТАТКОМа
необходимо, чтобы величина выходного напряжения преобразователя Уа по амплитуде была больше напряжения сети УА. Напротив, при выходном напряжении преобразователя меньше сетевого СТАТКОМ потребляет реактивную мощность, т.е. работает в индуктивном режиме -£?. На рис. 2 представлена векторная диаграмма напряжений и токов СТАТКОМ в четырёх квадрантах Р£?-области.
«На практике» не существует идеальных систем, т.е. потери активной мощности присутствуют всегда. Если не учитывать их влияние при разработке СТАТКОМа, то заряд на конденсаторе будет постепенно снижаться, что в результате приведёт к потере устойчивости всей системы. Поэтому для регулирования и поддержания напряжения на конденсаторе даже при чисто индуктивном или чисто емкостном режиме работы СТАТКОМа, необходимо поддерживать незначительный угол расфазировки /3 (см. рис. 2) основной гармоники выходного модулируемого напряжения преобразователя и напряжения питающей сети. Это обеспечивает потребление СТАТКОМом из сети активной мощности, необходимой для компенсации потерь и регулирования напряжения на емкостном накопителе.
Основными достоинствами СТАТКОМа являются [4]:
• возможность генерирования и регулирования потока реактивной мощности как емкостного, так и индуктивного характера при одном типе накопителя энергии на стороне постоянного тока;
• синусоидальная форма тока во всём диапазоне регулирования мощности;
• наивысшее из всех существующих компенсаторов быстродействие и наилучшие удельные массогабаритные показатели.
Максимальная величина компенсируемой СТАТКОМом реактивной мощности для выше-
приведённого схемного решения (см. рис. 1) ограничена допустимыми значениями напряжения и тока запираемых тиристоров и обратных диодов. Для использования СТАТКОМа в распределительных сетях с напряжением 6-10 кВ и выше необходимо применение многомодульных или многоуровневых схем преобразователей. В этом случае авторами предлагается использование каскадной многоуровневой топологии преобразователя с зонной ШИМ на высокой частоте. На рис. 3 представлена функциональная схема трёхуровневого корректора коэффициента мощности (ККМ), выполненного на однофазных мостовых преобразователях с емкостными накопителями в цепи постоянного напряжения. При высоком напряжении питающей сети ККМ, составленный из стандартных однофазных мостовых преобразователей, соединённых последовательно, позволяет использовать в своём составе ЮВТ транзисторы на номинальное напряжение, соответствующее одному уровню выходного напряжения. Количество модулей, таким образом, определяется максимальным выходным напряжением ККМ.
Математический анализ исследуемой схемы проводился в синхронной системе (ЦО-координат, ориентированной по вектору напряжения питающей сети. Было получено описание ККМ для усредненной (1), (2) и малосигнальной (3), (4) математических моделей:
£
та V
3 Е 1
— тп — . .— Уа
я т0 я /о.
Д/ю -1г
-ю
со л/ю-х,
(1)
dEj
dt
£
dt
In
З E,
RSC
З E col,.
~~\md 3CL 4
m„
m.
°J.
(2)
работы преобразователя и разработка корректирующих звеньев.
NE(Rs+pLs)
W„
'dd L2 р2 + 2LsRsp + (R2 + (02Ls2 )
dt
o. Rs/(oLs a 0
3e,
md тп + ^ 6 ~Md ма 1 1 1
я aLs Я coLs ч
т0 М0 v0
W,
NE(Rs+pLs)
iqq
L2p2+2LsRsp + (R2+m2L2)
RSC
-ю
Rs/mLs
0
"~3c^Id
0
0
RJmE
/„]
4
4
V
Tli„
W,qd =
-NEoL.
L2p2+2LsRsp + (Rs2+m2L2)
(3)
»w=-
m.
'o j
M„
M,,}
md
m.
(4)
где m, i, e, v - соответственно отклонения параметров скважности ШИМ, тока ККМ, напряжения на конденсаторах и сети от точек покоя М, I, Е и V соответственно. По математическому описанию ККМ были получены передаточные функции ток -коэффициент заполнения, перекрестная передаточная функция ток - коэффициент заполнения, напряжение на конденсаторе - ток (5)-(8), на базе которых проводилось исследование устойчивости
(5)
(6)
(7)
(8)
з р*сь, +зРс^
Проведенный анализ имитационной модели, составленной по полученному описанию в программном комплексе 8шш1шк, показал стабильную работу ККМ в статических и динамических режимах. Некоторые результаты имитационного моделирования представлены на рис. 4.
Основываясь на математической и имитационной моделях, была разработана структурная схема системы управления ККМ, представленная на рис. 5. Схема содержит блоки: преобразования Парка (прямое и обратное), синхронизации с сетью посредством ФАПЧ и блок ШИМ. Благодаря блоку преобразования Парка все поступающие с датчиков напряжений и токов сигналы реального времени перенесены в ОрО-координатное пространство. ФАПЧ необходим для синхронизации системы БОО-координат с напряжением питающей сети. Выходными данными блока являются
1СЮ0
-«00
19»
Ц», А
а)
D.1 0.15
Аскрм, А
а. 2
0.25
аз
аж
0,4 t; сек
0.4 t СЄК
Iaqjn_a, -А.
t, сек
Рис. 4. Временные диаграммы: (а) реактивного тока нагрузки и (6) реактивного тока корректора (я-составляющая), (в) тока нагрузки и ККМ фазы А
2 гЛ
о ш п/
Рис. 5. Структурная схема системы управления ККМ
синусная и косинусная функции, однозначно определяющие угол положения вектора трехфазного напряжения, являющегося базисным для системы управления. Блок ШИМ определяет состояние ключевых элементов.
Вопросу компенсации мощности искажений и её первоисточнику — высшим гармоникам тока в распределительных сетях промышленных предприятий - должно уделяться самое серьёзное внимание. Связано это с весьма вредным влиянием, которое оказывают высшие гармоники тока на работу электрооборудования. Широко распространённым способом компенсации мощности искажений является применение пассивных фильтров (ПФ). Настроенные ПФ могут вызвать резонансные явления в системе, которые, в свою очередь, приводят к дополнительным искажениям тока и напряжения. Наличие большого количества пассивных элементов увеличивает потери в ПФ и в системе электропитания в целом. С увеличением количества компенсируемых гармоник растут массогабаритные показатели и затраты на изготовление ПФ.
Применение зонной ШИМ на ВЧ в разрабатываемом ККМ позволяет не только регулировать с высокой степенью точности компенсирующую реактивную мощность, но и генерировать им в питающую сеть ток, в гармоническом составе ко-
торого кроме первой гармоники, соответствующей реактивной составляющей, присутствуют высшие гармоники, равные по амплитуде, но противоположные по фазе высшим гармоническим тока сети.
На рис. 6 представлена структурная схема блока определения опорного тока ККМ в синхронной системе ^-координат, ориентированной по вектору напряжения питающей сети. В данном случае, ^-составляющая компенсационного тока I* со-
с/к
держит в своём составе переменную ^-составляющую нескомпенсированного тока питающей сети 1^,ас и необходимую для поддержания и регулирования напряжения на емкостных накопителях составляющую /*. Неактивная ^-составляющая
компенсационного тока I* полностью соответст-
дк
вует ^-составляющей нескомпенсированного тока 1ф, и содержит постоянную реактивную составляющую, а также переменную, соответствующую высшим гармоническим составляющим.
В программном комплексе МаНаЬ/ЗнпиНлк была составлена обобщённая математическая модель силовой части ККМ и его системы управления. На рис. 7 представлены результаты имитационного моделирования - временные диаграммы а) нескомпенсированного тока питающей сети, содержащего как реактивную составляющую, так и высшие гармони-
Рис. 6. Структурная схема блока определения опорных токов
Рис. 7. Результаты имитационного моделирования ККМ
ки; б) компенсационного тока ККМ и в) скомпенсированного тока питающей сети.
Анализ проведённых исследований ККМ в распределительной электросети показал практически нулевой фазовый сдвиг между током и напряжением сети, низкое содержание в спектре тока питающей сети гармоник до 10 порядка включительно при различном характере нагрузки, а также устойчивую работу ККМ в установившихся и динамических режимах.
Литература
1. Миляков, А.В. Реактивная мощность и её значение в надёжности и экономике систем электро-
снабжения/ А.В. Миляков// Официальная страница ОАО «Ачтайэнерго». — http://www.altaienergo.ru/.
2. Министерство промышленности и энергетики РФ. Приказ от 22 февраля 2007 г. № 49. Зарегистрировано в Минюсте РФ 22 марта 2007 г. № 9134.
3.Глинтерник, С.Р. Тиристорные преобразователи со статическими компенсирующими устройствами/ С.Р. Глинтерник. - Л.: Энергоатомиз-дат, 1988.
4. Розанов, ЮЖ. Основные этапы развития и современное состояние силовой электроники/ Ю.К. Розанов// Электричество. — 2005. — №7. — С. 52-61.
Алтунин Борис Юрьевич, заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника» Нижегородского государственного технического университета, доктор технических наук, профессор. Окончил электротехнический факультет Уральского государственного технического университета (УПИ) в 1962 году. Защитил докторскую диссертацию по теме «Тиристорные переключающие устройства регулирования под нагрузкой трансформаторного оборудования электротехнологических установок» в 1997 году в Московском энергетическом институте (Техническом университете).
Слепченков Михаил Николаевич, доцент кафедры «Промышленная электроника», кандидат технических наук Нижегородского государственного технического университета. Окончил факультет автоматики и электромеханики Нижегородского государственного технического университета в 2001 году. Защитил кандидатскую диссертацию по теме «Комплексное устройство компенсации реактивной мощности и мощности искажений в системах питания с выпрямительной нагрузкой» в 2005 году в Нижегородском государственном техническом университете.
Карнавский Иван Александрович, аспирант Нижегородского государственного технического университета. Окончил факультет автоматики и электромеханики Нижегородского государственного технического университета в 2007 году. Защитил магистерскую диссертацию по теме «Многоуровневый статический компенсатор реактивной мощности с ШИМ на высокой частоте» в 2007 году в Нижегородском государственном техническом университете.
