Принцип построения и математическое моделирование статического компенсатора реактивной мощности в тяговой сети переменного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

70

Современные технологии - транспорту

УДК 621.331.3.025.1

С. В. Кузьмин

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Известные недостатки системы тягового электроснабжения переменного тока (несинусоидальность и несимметричность потребляемого из сети тока) обусловливают повышенное реактивное электропотребление, повышение потерь энергии как в системе тягового, так и в системе внешнего электроснабжения и т. д. В статье рассмотрен принцип построения и выполнено математическое моделирование статического компенсатора реактивной мощности, который способен свести к минимуму названные недостатки системы электроснабжения переменного тока.

несимметрия, несинусоидальность, статком, широтно-импульсная модуляция

Введение

В «Основных направлениях стратегии развития железнодорожного транспорта России на период до 2030 г.» поставлена задача внедрения энергосберегающих технологий, направленных на снижение удельного расхода топливно-энергетических ресурсов на единицу эксплуатационной работы.

Огромным потенциалом для внедрения таких технологий обладают электрифицированные железные дороги, а именно одна из важнейших их частей - система тягового электроснабжения. Объектом научного исследования являются железные дороги, электрифицированные на переменном токе.

Система электрической тяги на однофазном переменном токе - ведущая система электрической тяги во многих странах мира. Наряду с достоинствами, в частности высокой нагрузочной способностью, она имеет и недостатки. Наиболее значительными недостатками являются низкий коэффициент мощности отечественного ЭПС, несимметричная загрузка фаз питающей энергосистемы, высокий уровень высших гармоник в потребляемом токе.

Вопросы улучшения качества потребляемого тока в системе тягового электроснабжения переменного тока напрямую связаны с задачей энергосбережения и поэтому являются актуальной задачей, так как в условиях роста скоростей движения и грузонапряжённости электрифицированных линий постепенно увеличивается воздействие тяговой нагрузки на питающую энергосистему.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

71

1 Существующие способы улучшения энергетических показателей железных дорог переменного тока

Для улучшения энергетических показателей электрической тяги на тяговых подстанциях устанавливают нерегулируемые и регулируемые фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ) [1].

Нерегулируемые ФКУ представляют собой батареи конденсаторов, подключаемые к шинам тяговых подстанций параллельно тяговой нагрузке. Для исключения резонансных явлений и фильтрации высших гармоник последовательно с батареей конденсаторов включается реактор. Такие ФКУ надежны, просты в эксплуатации и обслуживании. Они позволяют улучшить значение коэффициента мощности электрической тяги, повысить напряжение на токоприемнике, снизить несимметрию токов, осуществить фильтрацию 3-й и 5-й гармоник, наиболее выраженных в тяговом токе. Однако их эффективность значительно снижается в условиях резкопеременных нагрузок, характерных для тягового электроснабжения. Некоторые трудности доставляют также слабо контролируемые переходные процессы, возникающие при включении и отключении КУ.

В регулируемых ФКУ батареи конденсаторов подключаются к шинам подстанции через тиристорные ключи. При этом ток через ФКУ может регулироваться как ступенчато, путем изменения числа параллельно включенных конденсаторов, так и бесступенчато, путем изменения угла открытия тиристоров. Однако и такое фильтрокомпенсирующее устройство не лишено недостатков. Для плавного ступенчатого регулирования необходимо большое число тиристорных ключей и конденсаторов, а при бесступенчатом регулировании ФКУ само становится генератором высших гармоник. Кроме этого, регулируемое фильтрокомпенсирующее устройство не способно в полной мере устранить несимметрию токов подстанции, особенно при обращении на участке современного ЭПС с четырехквадрантными преобразователями.

2 Принцип работы статического компенсатора

В настоящее время в общепромышленной практике все более широкое применение находят полностью управляемые статические компенсаторы -статкомы (statkom) [2], [3]. Статком состоит из преобразователя мощности постоянного тока в переменный (инвертора) на базе IGBT-транзисторов (или на базе IGCT-, GTO-тиристоров), подключённого параллельно питающей линии. К шинам постоянного тока инвертора подключена конденсаторная батарея большой емкости, а шины переменного тока подключаются к электрической сети, в которой работает статком (рис. 1).

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

72

Современные технологии - транспорту

П *

, A -

C

БДТ

^аф ^Ьф 1 сф

БДТиН

т

Нагрузка

ы -(Й;

L1

_^VWN_

L1

_T/VW

111111

и и h и

ан Ьн сн

/ ан ^ Ьн ^ сн

Рис. 1. Структурная схема статкома

Информация о потребляемом нагрузкой токе и питающем напряжении с помощью блоков датчиков тока и напряжения (БДТиН) поступает в систему управления (СУ) для выработки управляющих сигналов на ключи. Кроме того, в систему управления поступает информация о напряжении на конденсаторе (ДН) и текущее значение тока фильтра (блок датчика тока БДТ).

Управление ключами каждой фазы статкома осуществляется независимо с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на несущей частоте с синусоидальным модулирующим сигналом. По отношению к сети переменного тока статком генерирует ЭДС, первая гармоника которой

E=щ/фмод,

где U0 - напряжение на конденсаторе в звене постоянного тока; к - коэффициент модуляции;

фмод - фаза напряжения модуляции по отношению к напряжению сети. При фмод = 0 инвертор работает в режиме холостого хода и не потребляет активной мощности из сети переменного тока.

Реактивная мощность в режиме холостого хода [4]:

Q =

3 • U1 • к • U 0

1

U,

kU,

(1)

о J

где U1 - напряжение сети;

x1 - индуктивное сопротивление входного реактора.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

73

Любое изменение коэффициента модуляции и связанной с ним ЭДС Е0 приводит к появлению тока в источнике. Рассмотрим физику процессов с помощью векторных диаграмм (рис. 2).

jXc I

Eo

jXc I

t k

U

Eo

I

I

—►

Рис. 2. Векторная диаграмма системы инвертор-сеть в режиме холостого хода

В питающей сети действующее значение напряжения U1 постоянно, поэтому увеличение Е0 по сравнению с U1 приводит к появлению емкостного тока в сети. Уменьшение Е0 по сравнению c U\ приводит к появлению индуктивного тока в цепи. Поскольку в обоих случаях угол между U\ и Е0 равен нулю, то инвертор не отдаёт и не потребляет активной мощности. Таким образом, изменяя коэффициент модуляции, можно генерировать или потреблять реактивную мощность.

3 Исследование закона управления статкомом

Перспективным направлением является использование таких преобразователей в качестве не только компенсаторов реактивной мощности, но и активных фильтров. Известно, что потребляемый ток тяговых подстанций содержит значительное число высших гармонических составляющих (3, 5, 7, 9, 11 и т. д.). Концепция активных фильтров основана на создании гармоник, которые подавляют гармоники от нелинейных нагрузок. Управляемый по току статком с ШИМ подключается параллельно нагрузке и вводит гармоники тока, противоположные токам, генерируемым нагрузкой так, что токи становятся практически синусоидальными.

Рассмотрим декомпозицию тока нагрузки /н на основную и высшие гармонические составляющие:

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

74

Современные технологии - транспорту

'н (t) = 'н1 () + Z ‘н (t)• (2)

h>2

Для подавления высших гармонических составляющих необходимо сформировать ток параллельного активного фильтра в соответствии с выражением:

да

'F (t) = “Z'«h (t)• О)

h>2

Создание требуемых токов производится с помощью ШИМ на несущей частоте с модулирующим сигналом в виде (3). Для совместной компенсации реактивной мощности и высших гармонических ток активного фильтра необходимо задавать по следующему закону:

да

'f (t) = Чш (t)“Z'»h (t). (4)

h>2

где iH 1R (t) - основная гармоника тока нагрузки, сдвинутая на 90° относительно питающего напряжения (для трёхфазной системы токи обратной последовательности основных гармоник и реактивные составляющие токов прямой последовательности).

Кроме того, тяговые подстанции загружают внешнюю энергосистему несимметричными токами. Декомпозиция несимметричной системы линейных токов требуется для оценки дополнительных потерь мощности и дополнительного нагрева от несимметрии. Из курса ТОЭ известно, что любая несимметричная трёхфазная система токов или напряжений может быть разложена на прямую, обратную и нулевую последовательности. Нулевая последовательность в потребляемом токе отсутствует. Обратную последовательность при известных первичных токах тягового трансформатора La, Lb, Ic можно оценить по формуле:

L 2 a = 3 (La + a 2 Lb + aLc ^ (5)

где a = exp( j120°)- оператор трехфазной системы.

Таким образом, ток активного фильтра для компенсации всех неактивных составляющих тока тяговой нагрузки необходимо задавать, используя соотношение:

да

'F (t) = ~*HlR (t) 'Hh (t) _ '2A . (6)

h>2

На кафедре «Электроснабжение железных дорог» ПГУПС создана компьютерная математическая модель для исследования электромагнит-

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

75

ных процессов в системе электроснабжения при управлении током статко-ма в соответствии с формулой (6). Для моделирования принята схема, изображённая на рисунке 1. Модель реализована с помощью пакета Matlab 7.10 и приложения для имитационного моделирования Simulink.

Нагрузка представлена в виде трехфазного шестипульсового неуправляемого выпрямителя, однофазного мостового неуправляемого выпрямителя и потребителя реактивной мощности. Однофазная нагрузка подключается в середине времени моделирования. Стаком смоделирован в виде автономного трёхфазного инвертора на IGBT-транзисторах.

Рис. 3. Совмещённые осциллограммы питающего напряжения, тока нагрузки

и тока источника для фазы А

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

76

Современные технологии - транспорту

о

г-'

.о

аЗ

аЗ

<D

Н

<D

аЗ

С

К

<D

t=C

о

S

аЗ

<D

X

О

§

к

Он

&

Он

н

О

о

К

Он

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

77

Модель (рис. 4) позволяет оценить эффективность предложенного закона управления. На первой осциллограмме рисунка 3 представлена кривая потребляемого тока фазы А при несимметричной и несинусоидальной нагрузке. Вторая осциллограмма иллюстрирует ток источника при наложении на него тока статкома (третья осциллограмма). Из приведённых осциллограмм видно, что при формировании тока статкома в соответствии с выражением (6) обеспечивается компенсация всех неактивных составляющих и коэффициент мощности еоБф приближается к единице.

Заключение

1. При увеличении размеров движения возрастает негативное влияние тяговой нагрузки на внешнюю энергосистему: увеличивается коэффициент несимметрии напряжений обратной последовательности, увеличивается реактивное электропотребление, искажается питающее напряжение. В условиях либерализации рынка электроэнергии задача компенсации такого негативного влияния является особенно актуальной.

2. Математическое моделирование трёхфазного статкома с несимметричной и несинусоидальной нагрузкой показало, что использование предложенного способа управления током статкома позволяет в полной мере компенсировать несимметрию и несинусоидальность потребляемых токов, а также снизить реактивное электропотребление тяговой сети переменного тока.

Библиографический список

1. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог / Б. М. Бородулин, Л. А. Герман, Г. А. Николаев. - М. : Транспорт, 1983. - 183 с.

2. Современные энергосберегающие электротехнологии : учеб. пособие для вузов / Ю. И. Блинов, А. С. Васильев, А. Н. Никаноров и др. - СПб. : Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000. - 564 с. - ISBN 5-277-00958-2.

3. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий / В. И. Кочкин, О. П. Нечаев. - М. : Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. - 248 с. - ISBN 5-93196-019-8.

4. Matlab and Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК / С. Г. Герман-Галкин. - СПб. : КОРОНА-Век, 2008. - 368 с. - ISBN 978-5-903383-39-9.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3