CC BY
20
УДК621.314.26: 621.311.245
Конащук В. В.
AcnipaHmKa, 3anopi3bKa державна нженерна академiя, Украна, E-mail: Clera@i.ua
ОСОБЛИВОСТ1 АВАР1ЙНИХ РЕЖИМ1В ПЕРЕТВОРЮВАЧ1В ЧАСТОТИ БЕЗМУЛЬТИПЛ1КАТОРНИХ В1ТРОЕЛЕКТРИЧНИХ
УСТАНОВОК
У cmammi до^джено процеси фунщюнування схеми перетворення електричног енерги перетворювачем частоти безмультиплжаторног втроелектричног установки в аваршнихрежимахроботи. Розглянутi основт види аваршних ситуацш даного перетворювача. Наведено nidxid до розрахунку струму короткого замикання синхронного генератора та струму короткого замикання LC-контуру. Для захисту схеми та надiйностi фунщюнування в аваршних режимах запропоновано елементи захисту (запобiжники, швидкодiючi датчики струму).
Ключов1 слова: перетворювач частоти, аваршний режим, синхронний генератор, випрямляч, втроелект-рична установка.
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМИ
Безмультиплшаторт схеми турбогенераторно! вирое-лектрично! установки (ВЕУ) виробництва фiрми «Конкорд» на вщмшу ввд класичних схем ВЕУ мають ефект ав-тостабшзацп електромехашчно! системи в оптимальному режимi в широкому дiапазонi змiни вiтрового потоку [1]. З метою пдвищення и ефективносп та реалiзацi! автономного режиму необхвдно використовувати перетворю-вачi частоти для узгодження частоти напруги генератора та мереж1 [2]. Схеми таких перетворюващв мають складну структуру, вони мютять дек1лька джерел живлення та де-к1лька випрямлячiв, емтсш накопичувачi, iмпульснi пе-ретворювачi та багаторiвневi iнвертори. В процесi експ-луатаци ВЕУ часто мають мюце аварiйнi режими роботи дано! схеми. В зв'язку з цим вивчення та дослвдження ава-рiйних режишв роботи схеми, а також метода усунення аварiй за допомогою удосконалення силово! схеми е актуальною науково-практичною задачею.
Предметом дослiдження дано! роботи е аналiз ава-рiйних сигуацiй на базi схеми перетворювача типу МПЧ-Т2ТПТ-418-690-50У3 для ВЕУ ТГ-1000, як1 виникають через ушкодження силових напiвпровiдникових прилада в одному або дек1лькох колах перетворювача, а також через порушення нормального функцюнування системи керування, та науково-пракгичнi пiдходи до виршення задачi по запобiганню або лещади наслiдкiв аварп.
АНАЛ1З ОСТАНН1Х ПУБЛ1КАЦ1Й
Процеси функцiонування безмультиплiкаторних ВЕУ в стацюнарних режимах досить повно висвилеш Авдрь енко П. Д. та Голубенко М. С. [1, 2]. Кошелев К. С. [3] описав аваршш режими та засоби захисту статичного реактивного компенсатора потужносп, до складу якого входить трщивневий мостовий ^ертор. Алгоритми керування трирiвневими iнверторами висвiтленi Колпако-вим А. I. [5]. Шрайбер Д. А. [7] описав рiзнi види багато-рiвневих iнверторiв та генераторiв, як використовують-
© Конащук В. В., 2013
ся для потужних ВЕУ за кордоном. Але дослщження фун-кцiональностi схеми перетворювача безмультиплгатор-но! ВЕУ в аварiйних режимах доа не проводилися, що зумовлюе актуальтсть дано! роботи.
Метою статт е тдвищення надiйностi процесiв функ-цюнування схеми перетворення електрично! енерги пе-ретворювачами частоти безмультиплшаторно! ВЕУ в аваршних режимах роботи, що забезпечить зменшення юлькосп аварiй та надайний захист цiнного обладнання.
РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛ1ДЖЕНЬ
На рис. 1 показана спрощена схема, що дослщжуеть-ся. Вона складаеться з трьох генераторiв, трьох мостових трифазних випрямлячiв, трьох iмпульсних перетворю-вачiв постшно! напруги (1ППН) та двох трирiвневих мостових iнверторiв.
У перетворювачi вiдбуваеться багаторiвневе перетворення електрично! енерги. Напруга генераторiв змшюеть-ся в деякому дiапазонi, як за амплпудою, так i за частотою, в залежносп вiд швидкосп вiтру, випрямляеться в некерованому випрямлячi та стабiлiзуеться 1ППН. Фор-мування синусоидально! змiнно! напруги з регульованою частотою здiйснюеться трирiвневим мостовим шверто-ром. Схема забезпечуе шдтримку частоти обертання ге-нераторiв. Частота комутаци ключа 1ППН - 1000 Гц, частота комутацп ключа трирiвневого iнвертора - 900 Гц. Ланка постшного струму мае велику емшсть, яка при-значена для згладжування пульсацiй випрямлено! напруги та накопичення енергi! як джерела напруги для живлення ^ертора [2].
З метою уточнения класифжацп аваршних режимiв роботи дано! схеми розглянемо можливi аварiйнi ситу-ацi!. Авари в залежностi ввд мiсця !х виникнення роздшя-ють на зовшшш та внутрiшнi, а також перенапруги [3]. Принагiдно слiд зазначити, що внутршне та зовнiшне коротке замикання викликають значний гальмiвний момент на валу вирогенератора, в зв'язку з чим необхщна перевiрка його мехатчно! частини.
52
ISSN 1607—6761. Елекгротехтка та електроенергетика. 2013. № 1
Рис. 1. Спрощена електрична схема перетворювача типу МПЧ-Т2ТПТ-418-690-50У3 для ВЕУ ТГ-1000 [2]
Розглянемо можливi аваршш ситуацп даного перетворювача.
По-перше: внутрiшнe коротке замикання в одному з випрямлячiв перетворювача, яке пов'язане з пробоем одного з дюдiв та замиканням натвпроввдниково! струк-тури. У результатi виникае двофазне коротке замикання мiж фазами, яке спричинить коротке замикання у ста-торних обмотках синхронного генератора та викривлен-ня випрямлено! напруги.
Амплiтуда струму короткого замикання випрямляча при робот з явнополюсним синхронним генератором визначаеться за формулою [4]:
р
I — ^ т 1 кз - х
1
У2 • Е0
X<<
• К у
(1)
де Ет - амплпуца внугршньо! ЕРС генератора; Ха - щдук-тивний опiр по продольнш осi генератора; Ед - ЕРС холостого ходу генератору; Ку - ударний коефщент, виз-
начаеться сшввщношенням
Х ~яа
1.
Яа - активний отр
кола, при достатньо малому Яа - К у и 2.
Шкшдащю авари пропонуеться виконувати запобiж-никами фiрми Бепж 8Иа^'ти1 (блоки 1, 2, 3 (пунктир) на рис. 1). Необхвдтсть встановлення запоб1жник1в залежить вiд потужностi генератора. Для даного генератора типу СГ-300 запобiжники не потрiбнi, тому що струм короткого замикання генератора 1 (1) становить приблизно 2 кА, а це значно менше ударного струму дiодiв. Для бшьш потужних ВЕУ замiсть дiодiв iз запобiжниками можливе використання тиристорiв, яю вмикаються в нор-
мальному режимi з а = 0 (кут керування тиристором), що дозволяе зменшити струм короткого замикання бло-куванням керуючих iмпульсiв тиристорiв. Вибiр схеми захисту здiйснюеться на тдсташ техтко-екожмчного об-грунтування або на вимогу замовника.
Вихiд з ладу дюда призведе до несиметричного на-вантаження фаз генератора i значних пульсац1й вихвдно! напруги, що е неприпустимим для ВЕУ через те, що вик-ликае асиметрш в навантаженш вiтроколеса та переван-таження 1ППН. Усунення такого режиму можливе змен-шенням струму збудження генераторiв або вимкненням iнверторiв, що вимагае створення спецiальних систем захисту ВЕУ ввд аварiйних режимiв.
По-друге: аварiйний режим 1ППН, спричинений пробоем дюда 1ППН через перегрiв його структури в процесi перевантажень, призводить до виникнення аварiйного сту-му в вшп транзистора та конденсатора. Розвитком тако! авари буде виникнення пробою транзистора, що е найбвдьш важ-ким аварiйним режимом роботи перетворювача, вiн суп-роводжуються протшанням великих струмiв з високими
значеннями швидкосп наростання струму (—) [3]:
сИ
С и к А Ьк
(2)
де ик - напруга колектора; Ьк - iндуктивнiсть колектора. Для перетворювача типу МПЧ-Т2ТПТ-418-690-50У3
6 А/
. Для запобтання
С1
похвдна струму — = 200 -10 ,
А /мкс
так1й авари пропонуеться перед дтодом встановити швид-код1ючий датчик струму (ДС1-ДС3). Сигнал датчика зак-ривае транзистор до настання значення амплпуди допуск
стимого струму. При наведених значеннях — датчик мае
спрацювати за 1-2 мкс.
По-трете: можливий також пробiй дiода надто висо-кою напругою при виходi з ладу ланки захисту ввд пере-напруг. Перенапруги виникають при вимиканш транзи-сторiв у ланщ постiйного струму на елементах фвдьтру, значення перенапруги на емностi буде складати [6]
Аиг = 1а,1-£ ■ е
1 п
22' 2
10,92 -1с ^
(3)
де 2 - добротшсть контуру, що мютить iндуктивнiсть (Ь) та емнiсть (С); - миттеве значення струму в реаю^и в момент вимикання транзистора.
Струм короткого замикання ЬС-контуру розрахо-вуеться за формулою [6]
^кз ,
и р
(4)
де и - напруга контуру постшного струму; р =
хвильовий опiр контуру.
Для захисту конденсак^в пропонуеться встановити швидкоджш запоб1жники (БИ 1 -БИ3). Вихвд з ладу дiода унеможливлюе функщю 1ППН як стабiлiзатора напруги, це призведе до коливання напруги швертора, а це в свою чергу призведе до необхiдностi вводити захисну функ-цiю в систему автоматичного керування швертора, щоб забезпечити нормальне функцтонування ВЕУ.
По-четверте: внутршне коротке замикання iнвертора, наприклад вихвд з ладу одного з транзистоив трирiвнево-го iнвертора, унеможливлюе його нормальне функцюну-вання. В разi виходу з ладу натвпроввдникових прилада або керуючо! системи iнвертора вш повинен ввдмкнути-ся ввд схеми i перетворення енерги буде ввдбуватися iншим iнвертором. Як запоб1жний захвд пропонуеться встановити перед транзисторами швидкодшш датчики струму (ДС4-ДС15). Датчик повинен виявити неприпустиме пе-ревищення струму в ланцкт iнвертора та подати сигнали на замикання/розмикання транзисто^в за 1-2 мкс. Також пропонуеться встановити запоб1жники (БИ4-РИ7), як1 за-хищають iнвертор вiд аварiйного струму.
На рис. 1 пунктиром показано запропоноване автором розмщення захисних елеменпв (запоб1жник1в (БИ1-БИ7), швидкодшчих датчиков струму (ДС1-ДС15)).
Рекомендован захиснi елементи (датчики струму ДС1-ДС15 та запоб1жники БИ1-РИ7), як1 показанi пунктиром на рис. 1, встановлеш у реальному зразку перетворювача МПЧ-Т2ТПТ-418-690-50У3 для ВЕУ ТГ-1000 (розроб-ка пiдприемства ТОВ НД1 «Перетворювач»).
У подальшому для потужних ВЕУ з метою докладт-шо! оц1нки номiнальних даних елеменпв захисту та швид-кодл датчиков струму i системи керування перетворювача з урахуванням взаемного впливу мiж функцюналь-ними вузлами на розподш струмiв, необхвдно розробити математичну модель та провести дослвдження процесiв у перетворювачi методом моделювання.
ВИСНОВКИ
1. Вдосконалення електронних систем нейтралiзацil негативних насладив роботи безмультиплшаторних ВЕУ в аварiйних режимах сприяе пiдвищенню надiйностi та ефективносп !х функцiонування.
2. Для захисту дослвджувано! схеми та пiдвищення надiйностi функцтонування И в аварiйних режимах необхвдно використати швидкодшч датчики миттевих значень струмiв через транзистори, а також запобiжники.
3. Аналiз можливих ситуацiй струмових аварiйних режимiв дозволяе запропонувати схему розмiщення захисних елеменпв багатоканального перетворювача час-тоти для ВЕУ з аеродинамiчною мультиплiкацiею.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Голубенко Н. С. Моделирование электромеханической системы ВЭУ с аэродинамической мультипликацией в режиме стабилизации скорости ветровых турбин / Н. С. Голубенко, П. Д. Андриенко, И. Ю. Немудрый // Электротехника и электроэнергетика. - 2011. - № 1. - С. 13-20.
54
КЗЫ 1607—6761. Електротехтка та електроенергетика. 2013. № 1
2. Андриенко П. Д. Реализация автономного режима работы ветроэлектрической установки типа ТГ-1000 / П. Д. Андриенко, В. С. Кражан, И. Ю. Немудрый // Вюник нац. тех. ун-ту ХП1. - 2010. - № 28. - С. 343.
3. Кошелев К. С. Исследование и разработка средств защиты статического компенсатора реактивной мощности с цифровой системой управления: авто-реф. дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук: спец. 05.09.01. «Электромеханика и электрические аппараты» / К. С. Кошелев. - Москва, 2008. - 20 с.
4. Костенко М. П. Электрические машины Ч. 2 / М. П. Костенко, Л. И. Пиотровский. - М.-Л. : «Энергия», 1985. - 704 с.
Колпаков А. И. Алгоритмы управления многоуровневыми преобразователями /А. И. Колпаков, Е. А. Карта-шев // Силовая Электроника. - 2009. - № 2.- С. 57-65. Конспект лекцш за курсом «Автономш перетворю-вачЬ> для студенпв спещальносп 7.090803 «Елект-ронш системи» денно! та заочно! форм навчання / Укладач В. В. Семенов. - Запорiжжя : ЗД1А, 2007. -101 с.
Шрайбер Д. А. Преобазователи высокой мощности для возобновляемых источников энергии / Шрайбер Д. А.; пер. с нем. А. И. Колпаков // Силовая Электроника. - 2010. - № 5. - С. 90-94.
Стаття надiйшла до редакцп 14.01.2013.
Пiсля доробки 28.01.2013.
Конащук В. В.
Аспирантка, Запорожская государственная инженерная академия, Украина
ОСОБЕННОСТИ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ БЕЗМУЛЬТИПЛИ-КАТОРНЫХ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
В статье исследованы процессы функционирования схемы превращения электрической энергии преобразователем частоты безмультипликаторной ветроэлектрической установки в аварийных режимах работы. Рассмотрены основные виды аварийных ситуаций данного преобразователя. Приведен подход к расчету тока короткого замыкания синхронного генератора и тока короткого замыкания LC-контура. Для защиты схемы и надежности функционирования в аварийных режимах предложены элементы защиты (предохранители, быстродействующие датчики тока).
Ключевые слова: преобразователь частоты, аварийный режим, синхронный генератор, выпрямитель, ветроэлектрическая установка.
Konashchuk V. V.
Graduate student, Zaporozhye State Engineering Academy, Ukraine
CHARACTERISTICS OF EMERGENCY OPERATION OF FREQUENCY CONVERTERS OF WINDPOWER INSTALLATIONS WITHOUT MULTIPLYING GEAR
The article studiesfunctioning of the scheme of transformation power through the converter wind-power installations during emergency operation. The main types of emergencies for this converter are considered. An approach to the calculation of short-circuit current of a synchronous generator and short-circuit current of an LC-circuit is presented. Protection elements (voltage limiters, fuses, fast current sensors) are given for circuit protection and the reliability in emergency conditions is offered. Unlike classic circuit diagrams for wind-power installations, the circuit diagrams without multiplying gearfor turbo-generator wind^ower installations have a self-stabilization effect of electromechanical system under optimal conditions in a wide range of a wind flow. In order to improve its effectiveness and implement an offline mode, you need to use converters to match the frequency of the generator voltage and that the frequency of network. Circuit diagrams of such converters have a complex structure, they contain a number ofpower supplies and rectifiers, capacitive storages, pulse converters and multi-level inverters.
Keywords: frequency converter, emergency operation, synchronous generator, rectifier, wind-power installation.
REFERENCES
1. Golubenko N. S. Andrienko P. D., Nemudryj I. Ju. Modelirovanie jelektromehanicheskoj sistemy VJeU s ajerodinamicheskoj mul'tiplikaciej v rezhime stabilizacii skorosti vetrovyh turbin, Jelektrotehnika i jelektrojenergetika, 2011, No. 1, pp. 13-20.
2. Andrienko P. D., Krazhan V. S., Nemudryj I. Ju. Realizacija avtonomnogo rezhima raboty vetrojelektricheskoj ustanovki tipa TG-1000, Visnik nac. teh. un-tu HPI, 2010, No. 28, Р. 343.
3. Koshelev K. S. Issledovanie i razrabotka sredstv zashhity staticheskogo kompensatora reaktivnoj moshhnosti s cfrovoj sistemoj upravlenija: avtoref. diss. na soiskanie uch. stepeni kand. tehn. nauk : spec.
05.09.01. «Jelektromehanika i jelektricheskie apparaty». Moskva, 2008, 20 р.
4. Kostenko M. P., Piotrovskij L. I. Jelektricheskie mashiny Ch. 2. Moskva-Leningrad «Jenergija», 1985, 704 р.
5. Kolpakov A. I., Kartashev E. A. Algoritmy upravlenija mnogourovnevymi preobrazovateljami, Silovaja Jelektronika, 2009, No. 2, pp. 57-65.
6. Semenov V. V. Ukladach Konspekt lektsii za kursom «Avtonomns peretvosuvachi» dlia studentiv spetsialnosti 7.0908 03 «Elektronni systemy» dennoi ta zaochnoi formy navchannia, Zaporizhzhia, ZDIA, 2007, 101 p.
7. Shrajber D. A.; per. c nem. A. I. Kolpakov Preobazovateli vysokoj moshhnosti dlja vozobnovljaemyh istochnikov jenergii, Silovaja Jelektronika, 2010, No. 5, pp. 90-94.
