Моделирование системы электроснабжения с питанием группы потребителей от трансформатора с тиристорным регулятором напряжения и мощности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Математическое моделирование. Оптимальное управление Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № 5 (1), с. 224-230

УДК 621.311.001.57

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ПИТАНИЕМ ГРУППЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ОТ ТРАНСФОРМАТОРА С ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ И МОЩНОСТИ

© 2013 г. Е.Н. Соснина, Р.Ш. Бедретдинов

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

[email protected]

Поступила в редакцию 01.11.2012

Рассмотрены вопросы повышения качества электроэнергии в системах электроснабжения потребителей путем применения трансформаторных подстанций (ТП) 10/0.4 кВ с трансформаторнотиристорными регуляторами напряжения и мощности и ключами однонаправленного тока (ТТРНМ ОТ). Проведен комплекс расчетов параметров электрической сети, на основе которых построена имитационная модель системы электроснабжения с ТТРНМ ОТ в среде МаАаЬ Simulink. На разработанной модели проведены исследования и дан анализ возможного диапазона регулирования напряжения ТТРНМ ОТ с включенным генератором на шины 0.4 кВ ТП и без генератора.

Ключевые слова: система электроснабжения, распределительная электрическая сеть, ТТРНМ ОТ, имитационная модель, регулирование напряжения.

Введение

Решение задач повышения качества электрической энергии в сети 0.4 кВ и ее экономии тесно связано с регулированием переменного напряжения на стороне 10 (6) кВ трансформаторных подстанций (ТП). В настоящее время в России в эксплуатации находится около 500 тысяч ТП напряжением 6-10/0.4 кВ. На силовых трансформаторах указанных ТП отсутствуют устройства автоматического регулирования напряжения. Регулирование уровня напряжения 0.4 кВ на ТП 10/0.4 кВ осуществляется устройствами ПБВ (переключение без возбуждения) два раза в год (сезонное регулирование) при условии отключенного трансформатора.

На промышленных предприятиях (ПП) требуемый уровень напряжения 0.4 кВ поддерживается устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) на главных понизительных подстанциях (ГПП), а также при помощи специальных вольтодобавочных и других средств регулирования напряжения. В то же время большинство бытовых потребителей не получают электроэнергию на напряжении 380 В требуемого качества: отклонения напряжения в сети часто превышают пределы как нормально допустимых, так и предельно допустимых значений. Результат - пониженная освещенность помещений, влияющая на ухудшение зрения школьников, студентов, работников умственного труда и населения России в целом; выход из строя дорогостоящего электрооборудования, бытовых электроприборов и т.д.

Для решения проблемы повышения качества электроэнергии в системах электроснабжения потребителей предлагается применять трансформаторно-тиристорные регуляторы напряжения и мощности с расщепленной первичной обмоткой трансформатора и ключами однонаправленного тока (ТТРНМ ОТ), позволяющие поддерживать на зажимах нагрузки бытовых потребителей требуемый уровень напряжения.

Материалы и методы

В настоящее время ученые Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева работают над созданием опытного образца ТТРНМ ОТ 10/0.4 кВ мощностью 400 кВ-А [1, 2].

Основными функциями ТТРНМ ОТ являются:

- преобразование величины напряжения переменного тока;

- автоматическое регулирование напряжения без отключения питающей сети;

- симметрирование напряжения потребителей 0.4 кВ;

- регулирование величины и направления потоков мощности на стороне 10 кВ при наличии источников энергии, подключенных к шинам 0.4 кВ;

- ограничение коммутационных токовых нагрузок и токов коротких замыканий на стороне 0.4 кВ.

На рис. 1 показаны принципиальная и однолинейная схемы ТТРНМ ОТ.

Рис. 1. Принципиальная (а) и однолинейная (б) схемы ТТРНМ ОТ

В состав ТТРНМ ОТ входят:

- трансформатор сухого исполнения с расщепленной обмоткой высокого напряжения (схема соединения обмоток Y-Y/Yн) типа ТСЗН-400/10 УХЛ2;

- тиристорный коммутатор переключения отводов регулировочных обмоток КТ-400/10.

Основными техническими параметрами ТТРНМ ОТ являются:

- номинальная мощность трансформатора 5 ном= 400 кВ • А;

- номинальное напряжение обмотки высокого напряжения ивн= 10.5кВ ;

- номинальное напряжение обмотки низкого напряжения и нн= 0.4кВ;

- потери холостого хода АР х = 0.96 кВт;

- потери короткого замыкания АРк = 4.31% ;

- напряжение короткого замыкания и к, %= 5%;

- ток холостого хода I х= 1.8%.

Для исследования взаимного влияния ТТРНМ ОТ и электроприемников поставлена задача разработки имитационной модели системы электроснабжения (СЭС) с питанием группы потребителей от ТП с ТТРНМ ОТ.

За основу принята СЭС промышленного предприятия (ПП) как электропотребителя, отличающегося многообразием электроприемников с различными режимами работы [3].

Средой моделирования является приложение 8ітиііпк пакета программ МаАаЬ. В 8ітиііпк имеется возможность моделирования широкого спектра уже готовых электротехнических устройств.

Исходными данными для моделирования СЭС предприятия являются тип, количество, режим работы и номинальная мощность электроприемников 0.4 и 10 кВ, а также длины линий электропередачи. На рис. 2 штриховой линией выделен цех, питание электроприемников которого осуществляется от ТП с ТТРНМ ОТ.

На основе расчета электрических нагрузок 0.4 и 10 кВ выбраны элементы СЭС: цеховые трансформаторы 10/0.4 кВ, сечения распределительных электросетей, трансформатор ГПП 110/10 кВ. Алгоритм выбора элементов СЭС приведен на рис. 3.

Моделирование СЭС предприятия сводится к построению моделей двух основных элементов сети: линии электропередачи и трансформатора. Оценка адекватности полученных моделей основных элементов СЭС заключается в проверке того, насколько корректно результаты моделирования отражают «эталонные» результаты, полученные расчетным путем с помощью метода упорядоченных диаграмм [4]. Анализ результатов моделирования и расчета показал, что относительные погрешности по току и напряжению составляют не более 1% (формулы (1)-(3)):

I (и )э

8 = 100%--

•100%,

(1)

I (и )теор

где I(и)теор, I(и)эксп - значения тока (напряжения), полученные путем расчета методом упорядоченных диаграмм и в результате моделирования.

Относительная погрешность по току (для кабельной линии):

б

а

Двх№4

Рис. 2. Однолинейная схема электроснабжения предприятия 110/10/0.4 кВ

Расчет эл. нагрузок 0.4 кВ методом упорядоченных диаграмм

Выбор сечения линий 0.4 кВ

Выбор номинальной мощности и числа цеховых трансформаторов

I

Расчет потерь акт. и реакт. мощности цеховых трансформаторов

I

Определение расчетной нагрузки от высоковольтных электроприемников

Выбор сечения линий 10 кВ

Расчет суммарной нагрузки в целом по предприятию

I

Выбор мощности трансформатора ГПП

Значения вводятся в окна задания параметров модели

Рис. 3. Алгоритм расчета электрических нагрузок и выбора элементов СЭС ПП

8, = 100% —^ • 100% =

1 I

теор (2)

144 1

= 100%--------------100% = 0.14%.

144.3

Относительная погрешность по напряжению (для кабельной линии):

8и = 100% - и=п • 100% = и и

теор (3)

9986

= 100%----------100% = 0.14%.

10000

При построении модели СЭС использован принцип структурного моделирования, основанного на создании моделей отдельных блоков

и последующем синтезе всей системы. Имитационная модель СЭС ПП представлена на рис.

4. Она включает в себя ЛЭП 110 кВ, ГПП, кабельные линии и электроприемники. В данной модели была применена функция маскирования (к блокам Load 1.. .8) с целью получения более компактной схемы.

Модель одного из цехов предприятия, к которому была применена функция маскирования, показана на рис. 5. В данном цехе установлена ТП с ТТРНМ ОТ.

При помощи предложенной модели необходимо рассмотреть влияние ТТРНМ ОТ в процессе регулирования напряжения на работу электроприемников, а также оценить воз-

Рис. 4. Имитационная модель системы электроснабжения предприятия 110/10/0.4 кВ

Рис. 5. Маскированная модель цеха № 4 предприятия

можность применения источника энергии, под- (соотношения первичного и вторичного напря-

ключенного к шине 0.4 кВ ТП. жений) на ТТРНМ ОТ.

Имитация процесса регулирования напряже- Анализ результатов процесса регулирования ния в разработанной модели осуществляется напряжения показал, что при изменении коэф-

путем изменения коэффициента трансформации фициента трансформации в диапазоне ±10% от

I, А

875

870

855

850

845

840

835

830

825

22 23 24 25 26 27 28

17, В

9700 9690 9680 9670 9660 9650 9640 9630 9620 9610 9600 30 КТш отн. ед.

-/а:,)

щ-тк,)

а б

Рис. 6. Зависимость тока и напряжения, измеренных на шинах ГПП 10 кВ, от коэффициента трансформации при питании от общепромышленной сети (а) и при параллельной работе источников (б)

1. А 62 61,9 61,8 61,7 61,6 61,5 61,4 61,3 61,2 61,1 61

9663 Р’ 9658 9653 9648 9643

22 23 24 25 26

9638 9633 9628 9623 9618

28 20 30 А'т, отн. ед.

-кк,)

тк,)

Рис. 7. Зависимость тока и напряжения, измеренных на зажимах нагрузки 10 кВ, от коэффициента трансформации при питании от общепромышленной сети (а) и при параллельной работе источников (б)

І.А

и. в

а б

Рис. 8. Зависимость тока и напряжения, измеренных на шинах ТП 0.4 кВ, от коэффициента трансформации при питании от общепромышленной сети (а) и при параллельной работе источников (б)

и ном с шагом 1% величины отклонения напряжения на зажимах низковольтных и высоковольтных потребителей не превышают нормально-допустимых значений (регламентируемых ГОСТом 13109-97 [5]) на интервале от -1% до +9% от номинального напряжения (табл. 1). На остальном же диапазоне изменения коэффициента трансформации отклонение напряжения достигает величин, при которых работа электроприемников неэкономична.

Проведение аналогичного моделирования при наличии источника энергии на шинах 0.4

кВ ТП показывает, что величины отклонения напряжения на всем диапазоне изменения коэффициента трансформации удовлетворяют нормально-допустимым значениям, что способствует нормальной работе электроприемников (табл. 2). Следовательно, использование источника энергии на шинах 0.4 кВ для реализации функции регулирования величины и направления потоков мощности является возможным.

В таблицах 1, 2 приведены значения токов и напряжений (на шинах ГПП 10 кВ, шинах ТП

0.4 кВ, а также на зажимах высоковольтных и

Таблица 1

Результаты исследования (моделирование без источника энергии) ____________________

и, К т= т и2 Параметры Шины ГПП 10 кВ Нагрузка 10 кВ Шины ТП 0.4 кВ Нагрузка 0.4 кВ Источник 0.4 кВ

28.75 - 10% I, А/и, В 851.9/9647 61.75/9642 393.3/327.3 123.2/327.3 Отключен

28.5 - 9% I, А/и, В 852.2/9647 61.75/9642 396.9/330.3 124.3/330.3 Отключен

28.25 - 8% I, А/и, В 852.4/9646 61.75/9642 400.6/333.4 125.5/333.4 Отключен

28 - 7% I, А/и, В 852.7/9646 61.75/9642 404.4/336.5 126.7/336.5 Отключен

27.75 - 6% I, А/и, В 852.9/9646 61.75/9641 408.2/339.6 127.8/339.6 Отключен

27.5 - 5% I, А/и, В 853.2/9646 61.75/9641 412/342.9 129/342.9 Отключен

27.25 - 4% I, А/и, В 853.5/9646 61.74/9641 416/346.2 130.3/346.2 Отключен

27 - 3% I, А/и, В 853.7/9645 61.74/9641 420/349.4 131.5/349.4 Отключен

26.75 - 2% I, А/и, В 854/9645 61.74/9640 423.9/352.7 132.8/352.7 Отключен

26.5 - 1% I, А/и, В 854.3/9645 61.74/9640 428.2/356.3 134.1/356.3 Отключен

26.25 - 0% I, А/и, В 854.6/9645 61.74/9640 432.6/359.9 135.5/359.9 Отключен

26 - -1% I, А/и, В 854.9/9644 61.74/9640 436.9/363.6 136.8/363.6 Отключен

25.75 - -2% I, А/и, В 855.2/9644 61.73/9639 441.3/367.2 138.2/367.2 Отключен

25.5 - -3% I, А/и, В 855.5/9644 61.73/9639 445.9/370.9 139.6/370.9 Отключен

25.25 - -4% I, А/и, В 855.9/9644 61.73/9639 450.5/374.8 141.1/374.8 Отключен

25 - -5% I, А/и, В 856.2/9643 61.73/9638 455.3/378.9 142.6/378.9 Отключен

24.75 - -6% I, А/и, В 856.6/9643 61.73/9638 460.1/382.9 144.1/382.9 Отключен

24.5 - -7% I, А/и, В 856.9/9643 61.72/9638 464.9/386.9 145.6/386.9 Отключен

24.25 - -8% I, А/и, В 857.3/9642 61.72/9638 470/391.1 147.2/391.1 Отключен

24 - -9% I, А/и, В 857.7/9642 61.72/9637 475.1/395.3 148.8/395.3 Отключен

23.75 - -10% I, А/и, В 858.1/9642 61.72/9637 480.4/399.8 150.5/399.8 Отключен

Таблица 2

Результаты исследования (моделирование при наличии источника энергии)________________

и. К т= — т и2 Параметры Шины ГПП 10 кВ Нагрузка 10 кВ Шины ТП 0.4 кВ Нагрузка 0.4 кВ Источник 0.4 кВ

28.75 - 10% I, А/и, В 782.7/9727 62.27/9723 1846/389.8 146.7/389.8 Включен

28.5 - 9% I, А/и, В 784.3/9724 62.25/9720 1774/389.8 146.7/389.8 Включен

28.25 - 8% I, А/и, В 785.9/9721 62.23/9716 1699/390.1 146.8/390.1 Включен

28 - 7% I, А/и, В 787.2/9718 62.21/9714 1626/390.4 146.9/390.4 Включен

27.75 - 6% I, А/и, В 788.8/9714 62.18/9710 1565/390.5 146.9/390.5 Включен

27.5 - 5% I, А/и, В 790.2/9711 62.16/9707 1491/390.6 147/390.6 Включен

27.25 - 4% I, А/и, В 792/9707 62.14/9702 1423/390.8 147/390.8 Включен

27 - 3% I, А/и, В 794/9703 62.11/9698 1343/391.1 147.1/391.1 Включен

26.75 - 2% I, А/и, В 796/9699 62.08/9694 1277/391.2 147.2/391.2 Включен

26.5 - 1% I, А/и, В 797.6/9695 62.06/9690 1214/391.3 147.2/391.3 Включен

26.25 - 0% I, А/и, В 800/9690 62.03/9685 1148/391.4 147.3/391.4 Включен

26 - -1% I, А/и, В 802/9686 62/9681 1084/391.4 147.4/391.4 Включен

25.75 - -2% I, А/и, В 804.2/9681 61.97/9676 1032/391.8 147.4/391.8 Включен

25.5 - -3% I, А/и, В 806.5/9676 61.94/9671 982.5/392.1 147.5/392.1 Включен

25.25 - -4% I, А/и, В 808.5/9671 61.91/9666 935.6/392.3 147.6/392.3 Включен

25 - -5% I, А/и, В 811.7/9665 61.87/9661 910.6/392.3 147.6/392.3 Включен

24.75 - -6% I, А/и, В 814.2/9660 61.84/9656 890.2/392.4 147.7/392.4 Включен

24.5 - -7% I, А/и, В 817.2/9654 61.8/9649 875.1/392.5 147.8/392.5 Включен

24.25 - -8% I, А/и, В 820.2/9648 61.76/9643 884.5/392.9 147.9/392.9 Включен

24 - -9% I, А/и, В 823.5/9641 61.72/9637 899.1/393 148/393 Включен

23.75 - -10% I, А/и, В 826.6/9635 61.68/9630 931/393.2 148.1/393.2 Включен

низковольтных потребителей), полученные при жения без источника энергии на шинах 0.4 кВ моделировании процесса регулирования напря- ТП и при его наличии соответственно.

1, А

170

165

160

а*-лігт)

-*-U(KT)

400

395

390

LK В

22 23 24 25

28 29

360

30 К отн. ед.

26 27

а б

Рис. 9. Зависимость тока и напряжения, измеренных на зажимах нагрузки 0.4 кВ, от коэффициента трансформации при питании от общепромышленной сети (а) и при параллельной работе источников (б)

Диапазон регулирования напряжения трансформатора с тиристорным регулятором составляет ±5%. При наличии источника энергии на стороне 0.4 кВ появляется возможность регулирования напряжения в пределах ±10%. Таким образом, параллельная работа ТТРНМ ОТ и источника энергии 0.4 кВ обеспечивает регулирование напряжения в более широком диапазоне, что важно при ненормальных режимах работы электроприемников.

На рисунках 6-9 представлены зависимости тока и напряжения на: шинах ГПП, зажимах нагрузки 10 кВ, шинах ТП 0.4 кВ, зажимах нагрузки 0.4 кВ от коэффициента трансформации (К т) ТТРНМ ОТ.

Результаты исследования показывают, что при регулировании напряжения в пределах ±10% от ином отклонения напряжения на зажимах потребителей входят в пределы нормальнодопустимых значений при питании нагрузки от двух источников энергии. В случае питания нагрузки только от общепромышленной сети допустимый диапазон регулирования напряжения сокращается вдвое.

Заключение

На основе проведенных исследований и анализа возможного диапазона регулирования напряжения ТТРНМ ОТ с включенным источником энергии 0.4 кВ ТП и без источника энергии сделаны следующие выводы:

1) допустимый диапазон регулирования напряжения ТТРНМ ОТ составляет ±5%;

2) параллельная работа основного и резервного источников энергии обеспечивает возможность регулирования напряжения в более широком диапазоне (±10% от номинального напряжения);

3) ТТРНМ ОТ повышает качество электроэнергии при электроснабжении бытовых потребителей.

Работа проведена при финансировании Министерством образования и науки России (ГК № 16.526.12.6016 от 11.10.2011).

Список литературы

1. Патент на полезную модель № 88863 РФ, МПК Н 02 J 3/00. Устройство регулирования напряжения под нагрузкой / Нажимов А.В, Чивенков А.И. Опубл. 20.11.2009, Бюл. № 32.

2. Лоскутов А.Б., Соснина Е.Н. и др. Разработка и создание типового ряда трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения и мощности с расщепленной первичной обмоткой трансформатора и ключами однонаправленного тока. Этап 2: Разработка технического проекта ТТРНМ ОТ. Промежуточный научно-технический отчет (ГК от 11.10.2011 № 16.526.12.6016). Н.Новгород: НГТУ, 2012. 48 с.

3. Sosnina E.N., Bedretdinov R.Sh. Development and research model of electricity supply system of consumers with TTVRP UC // Challenges of modern technology. Warsaw, Poland: Warsaw University of Technology, 2012.

4. Шидловский А.К., Вагин Г.Я., Куренный Э.Г. Расчёты электрических нагрузок систем энергоснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1992. 224 с.

5. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1997. 39 с.

SIMULATION OF A POWER-SUPPLY SYSTEM WITH A THYRISTOR CONTROLLED TRANSFORMER

E.N. Sosnina, RSh. Bedretdinov

The improvement of electric power quality in electric distribution networks is considered by implementing 10/0.4 kV transformer substations with thyristor controlled transformers equipped with unidirectional current switches (TCT UC). A simulation model of a power-supply system with TCT UC in Matlab/Simulink environment has been built on the basis of calculations of the electric network parameters. The model has been used to carry out further investigations. An analysis is given of a TCT UC possible range of voltage regulation with a generator connected/disconnected to the 0.4 kV busbar.

Keywords: power-supply system, electric distribution network, thyristor controlled transformers equipped with unidirectional current switches, simulation model, voltage regulation.