CC BY
204
УДК 621.311
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
А
© В.А. Пионкевич1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Для решения задач регулирования напряжения в энергетических системах рассмотрено математическое моделирование статического компенсатора реактивной мощности на основе комплекса MATLAB с пакетами Simulink и SimPowerSystems. Разработанная математическая модель позволяет проводить исследования автономных и централизованных систем электроснабжения, включающих источники возобновляемой энергетики: ветроэнергетические установки, малые ГЭС на основе асинхронных и синхронных генераторов с различными видами систем автоматического управления.
Ключевые слова: статический компенсатор реактивной мощности; регулирование напряжения; энергетическая система; MATLAB; Simulink; SimPowerSystems; автономные и централизованные системы электроснабжения.
MATHEMATICAL MODELING OF STATIC VAR COMPENSATOR FOR SOLVING VOLTAGE CONTROL PROBLEMS IN POWER SYSTEMS V.A. Pionkevich
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
To solve the problems of voltage control in power systems we consider mathematical modeling of a static VAR compensator based on MATLAB software package, Simulink and SimPowerSystems. The developed mathematical model allows to study autonomous and centralized power supply systems that include renewable energy sources: wind-driven power plants, small hydroelectric power plants on the basis of induction and synchronous generators with different types of automatic control systems.
Keywords: static VAR compensator; voltage control; power system; MATLAB; Simulink; SimPowerSystems; autonomous and centralized power supply systems.
Для современных энергосистем характерно широкое применение источников реактивной мощности: синхронных компенсаторов и батарей статических конденсаторов. Включение этих устройств в сеть способствует поддержанию баланса реактивной мощности и расчетных уровней напряжения в узлах нагрузки [1]. В электрических сетях, питающих промышленные предприятия, ограниченные мощности потребителей обычно приводят к экономической нецелесообразности применения синхронных компенсаторов, поэтому в этих сетях широко применяют батареи конденсаторов. Представляет большой интерес перспектива применения источников реактивной мощности (ИРМ), характеризующихся плавным изменением реактивной мощности. Для преодоления возникших трудностей такие
ИРМ снабжаются системами автоматического регулирования (САР), которые изменяют величину генерируемой реактивной мощности. Зарубежные аналогичные устройства обладают собственной классификацией, но их топология подобна статическим ИРМ. Гибкие (управляемые) системы передачи переменного тока (Flexible Alternating Current Transmission Systems -FACTS) создаются на базе электронных приборов нового поколения и применяются для расширения пределов управляемости и повышения пропускной способности линий электропередачи. Пример классификации и устройство FACTS приводятся в [2].
В настоящей статье рассмотрена возможность применения статического компенсатора реактивной мощности (Static Var Compensator - SVC) для регулирования
1Пионкевич Владимир Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: (3952)405749, e-mail: plonkevlchva@lstu.lrk.ru
Pionkevich Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineerung, tel.: (3952) 405749, e-mail: pionkevichva@istu.irk.ru
напряжения в энергосистеме с номинальным линейным напряжением 500 кВ, частотой 50 Гц, мощностью 3000 МВА. Для решения данной задачи использовался программный комплекс MATLAB с пакетами расширения Simulink и SimPowerSystems, которые содержат все элементы электроэнергетической системы. Для моделирования использовался комплексный метод расчета схемы (phasor simulation) при заданной частоте источников питания, равной 50 Гц для токов и напряжений прямой последовательности основной частоты. Комплексный метод расчета схемы применяется в тех случаях, когда необходимо рассмотреть только установившиеся значения переменных схемы. Напряжения и токи рассматриваются как векторы (комплексные числа, отображающие синусоидальные напряжения и токи определенной частоты). Векторы могут быть представлены в декартовой (действительная и мнимая часть числа) или в полярной системе координат (амплитуда и фаза). Поскольку переходные процессы при таком способе расчета не учитываются, то моделирование происходит намного быстрее.
Компенсатор SVC состоит из силовой части и системы управления. Силовая часть содержит блок тиристорной коммутации емкостей (Thyristor Switched Capacitor -TSC) - два встречно-параллельно включенных тиристора, соединенных с конденсатором, и блок тиристорной коммутации реакторов (Thyristor Controlled Reactor -
TCR) - два встречно-параллельно включенных тиристора, соединенных с реактором (рис. 1) [3]. Система управления включает в себя следующиие элементы: блок измерения первичных напряжений разделяющего трансформатора прямой последовательности основной частоты; блок, формирующий абсолютную ошибку регулирования при сравнении измеренного напряжения Um и опорного заданного напряжения Uref; блок регулятора напряжения, определяющий величину реактивной проводимости В, необходимой для поддержания напряжения на заданном уровне, в зависимости от величины абсолютной ошибки регулирования по напряжению; распределительный блок, определяющий группу тиристоров, на которую необходимо подать импульсы управления и углы открытия тиристоров; блок синхронизации и импульсный генератор, который вырабатывает импульсы управления тиристорами, синхронизированные с вторичным напряжением разделяющего трансформатора.
При понижении напряжения системы компенсатор SVC вырабатывает реактивную мощность (емкостной режим). При повышении напряжения компенсатор SVC поглощает реактивную мощность (индуктивный режим). Изменение вида реактивной мощности выполняется переключением трехфазных конденсаторных батарей и ин-дуктивностей, подключенных к вторичной обмотке разделяющего трансформатора [4].
Рис. 1. Однолинейная схема статического компенсатора реактивной мощности SVC
и диаграмма системы управления
Компенсатор SVC может работать в двух режимах: регулирования напряжения (напряжение регулируется в описанных ниже пределах); управления реактивной мощностью (поддержание постоянного значения реактивной проводимости компенсатора SVC).
На рис. 2 представлена вольтам-перная характеристика компенсатора в режиме регулирования напряжения.
k U /
BLmax
Наклон Xs Uref \ \ /
1 /
/
/
Bcmax^4 /
\ /
/
\
-з-™
Реактивный ток
Рис. 2. Вольтамперная характеристика в режиме регулирования напряжения
Значение напряжения определяется величиной заданного опорного напряжения £Уге/ до тех пор, пока реактивная проводимость компенсатора В не выходит за пределы ограничений B
ляемых величинами реактивных мощностей конденсаторов C и реакторов L. При этом обычно имеет место некоторый спад напряжения (при значениях выходной реактивной мощности в пределах 1-4% от максимального значения), что и показано на рис. 2. Внешняя (вольтамперная) характеристика компенсатора SVC описывается
С max и BL max , 0преде-
тремя уравнениями:
Kef
U = U,„, + х I - регулирование в преде-
лаХ ~ВСmax < B < BLmx i
I
U = ——— - режим максимальной ем-
(выработ-
костной проводимости B = BCmax ка реактивной мощности);
I
U = ■
Br
- режим максимальной индук-
(потребле-
тивной проводимости B = BLmax
ние реактивной мощности), где U - напряжение прямой последовательности, о. е.; I - реактивный ток, о. е. (при I > 0 индуктивный ток); - реактивное сопротивление компенсатора SVC;
С max - максимальная емкостная проводимость всех блоков тиристорной коммутации емкостей TSC, о. е.; BLmax - максимальная
индуктивная проводимость всех блоков тиристорной коммутации реакторов TCR, о. е.; Рбаз. - трехфазная базисная мощность.
На рис. 3 представлена математическая модель компенсатора SVC с суммарной мощностью батарей конденсаторов 200 МВА и реактором мощностью 100 МВА. Выбран режим регулирования напряжения, заданное опорное напряжение Uref = 1 о. е., реактивная проводимость Xs составляет 0,03 о. е. при заданной трехфазной Рбаз. = 200 МВА. Поэтому напряжение системы может изменяться в пределах от 0,97 о.е. до 1,015 о.е. в случае, если реактивная мощность не превышает реактивной мощности батарей конденсаторов или реакторов компенсатора.
Рис. 3. Математическая модель статического компенсатора реактивной мощности SVC с энергосистемой
Энергосистема с номинальным линейным напряжением 500 кВ, частотой 50 Гц, мощностью 3000 МВА представлена блоком трехфазного программируемого источника напряжения (Three-Phase Programmable Voltage Source). Мощность системы задается внутренним сопротивлением с помощью блока Three-Phase Series RLC Brach:
U2 1 (500 xl03)2 1
R x —=
S 10 3000 x 106
U 2
xc = = C S
(500 x 103)2
x — = 8,33 Ом 10
= 83,33 Ом.
3000 x10o
От системы запитана активная нагрузка мощностью 10 МВт, которая моделируется блоком Three-Phase Series RLC Load.
Для регулирования напряжения используется значение реактивной проводимости В, сигнал которой формируется подсистемой (рис. 4).
Для моделирования изменения напряжения системы использовалось свойство блока трехфазного программируемого источника напряжения (Three-Phase Programmable Voltage Source) вырабатывать напряжение различной амплитуды в заданные интервалы времени, представленные в таблице.
Быстродействие компенсатора SVC зависит от величины пропорциональной и интегральной составляющей ПИ-регулятора, реактивного сопротивления Х5 и мощности системы. Если в ПИ-регуляторе задать пропорциональную составляющую Кр = 0 и пренебречь постоянными времени системы измерения Тт и задержки отпирания тиристоров Т& то схему, содержащую статический компенсатор реактивной мощности SVC и энергосистему, можно представить в виде звена первого порядка с обратной связью с постоянной времени при заданных параметрах модели Кр = 0, К = 300, Хп = 0,0667 о. е., Х5 = 0,03 о. е.:
1
T =
K x ( Xs + Х„ ) 1
= 0,0344 с,
300 х (0,03 + 0,0667) где Тс - постоянная времени обратной связи; К - коэффициент усиления интегральной составляющей ПИ-регулятора напря-
у
жения, о. е.; 5 - реактивное сопротивление, о. е.; Хп - эквивалентное сопротивление энергосистемы, о. е.
Результаты моделирования представлены на осциллограммах (рис. 5, 6).
Рис. 4. Подсистема формирования сигнала реактивной проводимости В для регулятора напряжения
Интервалы времени изменения напряжения
Интервалы времени, с 0-0,1 0,1-0,4 0,4-0,7 0,7-1
Амплитудное значение напряжения, о. е. 1 0,97 1,03 1
Амплитудное значение напряжения, кВ 500 485 515 500
Рис. 5. Измеренное значение реактивной проводимости прямой последовательности В1, о. е.; напряжение на нагрузке с компенсатором SVC, о. е.; напряжение на нагрузке без компенсатора SVC, о .е.; абсолютная ошибка регулирования, о. е.
Рис. 6. Измеренное значение реактивной проводимости прямой последовательности В1 при Эс = 3000 МВА, о. е.; измеренное значение реактивной проводимости прямой последовательности В1 при Эс = 500 МВА, о. е.
Итак, представляется возможным сделать следующие выводы:
1. Разработанная математическая модель компенсатора позволяет регулировать напряжение у потребителя в соответствии с требованиями ГОСТ на качество электрической энергии.
2. Диапазон регулирования зависит от суммарной мощности батарей конденсаторов и реакторов, реактивной проводимости Х5.
3. Если реактивная мощность нагрузки превышает реактивную мощность батарей конденсаторов или реакторов компенсатора, то компенсатор не может обеспечить поддержание напряжения на задан-
ном уровне.
4. Если увеличить коэффициент усиления пропорциональной части регулятора или уменьшить мощность системы, пренебрегая Тт и Т& то возникнет колебательная неустойчивость (см. рис. 6).
5. Разработанная математическая модель позволяет проводить исследования автономных и централизованных систем электроснабжения, включающих источники возобновляемой энергетики: ветроэнергетические установки, малые ГЭС на основе асинхронных и синхронных генераторов с различными видами систем автоматического управления.
Статья поступила 16.11.2015 г.
Библиографический список
1. Веников В.А. Статические источники реактивной мощности в электрических сетях. М.: Энергия, 1975. 136 с.
2. Пионкевич В.А. Классификация устройств и технологий FACTS. Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сиби-
ри // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Иркутск: ИрГТУ, 2009. С. 385-392. 3. Hingorani N.G., Gyugyi L. Understanding FACTS; Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems. IEEE Press book, 2000. 452 с.
УДК 621.311
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕТЯХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
© В.С. Степанов1, Н.Н. Солонина2, К.В. Суслов3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
На сегодняшний день известен ряд способов повышения качества электрической энергии в распределительных и магистральных сетях. Однако все эти методы решают данную задачу с отсрочкой по времени. В статье предлагается процедура непрерывного распределенного мониторинга качества электрической энергии, в частности несинусоидальности формы питающего напряжения. Данный метод основан на использовании инфраструктуры регистраторов векторных параметров (РМи) для непрерывного получения информации о мгновенных значениях токов и напряжений. В качестве первичного средства измерения для контроля уровня и направления гармоник в различных сечениях энергосистемы предлагается использовать интеллектуальный счетчик, предложенный ранее авторами. Указанная процедура осуществляется в режиме текущего времени, и, таким образом, происходит непрерывная настройка системы электроснабжения на режим, близкий к оптимальному с точки зрения содержания высших гармоник в питающем напряжении в выбранных точках присоединения.
Ключевые слова: качество электрической энергии; гармоники напряжения и тока; распределенный мониторинг качества электроэнергии; эффективность использования электрической энергии.
Степанов Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89149228606, e-mail: stepanov@istu.edu
Stepanov Vladimir, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89149228606, e-mail: stepanov@istu.edu
2Солонина Нафиса Назиповна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89500846006, e-mail: otep@istu.edu
Solonina Nafisa, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89500846006, e-mail: otep@istu.edu
3Суслов Константин Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu
Suslov Konstantin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu
