Reglator parametric de putere cu două nivele de dirijare liberă Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

REGLATOR PARAMETRIC DE PUTERE CU DOUA NIVELE DE DIRIJARE LIBERA ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ С ДВУМЯ СТЕПЕНЯМИ

СВОБОДЫ УПРАВЛЕНИЯ TUNED IPC WITH TWO DEGREES OF FREEDOM

Kalinin L.P., Zaitev D.A., Tir§u M.§.

Referat

in articol este examinat principiul de functionare al reglatorului parametric de putere cu doua nivele libere de dirijare, ce asigura o reglare independenta puterii active §i reactive la ie§ire, sunt prezentate ecuatiile de baza ce determina legatura dintre indicii regimului, de asemenea, §i legile de dirijare in unele din conditiile stabilite.

Реферат

В статье рассмотрен принцип действия параметрического регулятора мощности с двумя степенями свободы управления, обеспечивающего независимое регулирование активной и реактивной мощности на выходе, приводятся основные уравнения, определяющие связь между показателями режима, а также законы управления при некоторых задаваемых условиях.

Abstract

This paper introduces a new family of IPC-UPFC combination for independent control of active and reactive output power, the control strategy is presented to maintain the required power characteristics.

Cuvinte cheie: Interconectare, transformator cu decalaj al unghiului de faza, conductivitati reactive conjugate, reglator unificat a puterii.

Ключевые слова: Межсистемная связь, фазосдвигающий трансформатор, сопряженные реактивные проводимости, унифицированный регулятор мощности.

Keywords: Interconnection, Phase Shifting Transformer, Susceptances, Unified Power Flow Controller.

Tehnologia de dezvoltare a IPC* nu exclude posibilitatea imbinarii evidente a familiei de FACTS * * - controlere cu alte solutii tehnice. Unul din variantele de perspective a acestei imbinari poate ft considerata combinarea compusa din IPC §i UPFC* * *, ce asigura extinderea zonei de reglare a puterii active §i la ie§ire din instalatie, de astfel §i o dirijare independenta pentru fiecare din ace§ti parametri de regim. Justificarea acestei afirmatii poate fi prezentata evident in baza IPC cu caracteristici decalate (Adapted IPC), particularitatile caruia sunt examinate in publicarea fundamentals [1].

Varianta combinata a reglatorului parametric (fig. 1) este compusa din transformator cu decalaj de faza (ЕТ) cu unghiul decalajului de faza stabilit (fixat), doua conductibilitati reactive conjugate B §i B , instalatia UPFC alcatuita din invertoarele Inv.1 §i Inv.2, §i transformatorul

suplimentar ВТ, ce asigura o injectare transversal-longitudinala simetrica a tensiunilor de reglare in circuitele conductibilitatilor reactive.

Infa§urarile de tensiune malta W §i W2 a transformatorului cu decalaj de faza ЕТ sunt

W

conectate dupa schema de poligon. Unghiul fixat de у/= 30° se stabile§te la —L = 0.366.

W2

Infa§urarile de tensiune joasa W3 a acestui transformator sunt destinate pentru alimentarea invertorului Inv. 1.

- Interphase Power Controllers

* - Flexible Alternative Current Transmission Systems

* * - Unified Power Flow Controllers

Fig.1

Transformatorul suplimentar ВТ contine mfa§urari de tensiune joasa W ce se alimenteaza de la invertorul Inv.2 §i mfa§urarile de tensiune malta W2 cu ramificari de la punctele medii, la care este racordat sistemul trifazat al tensiunilor de ie§ire Ur. Capetele respective ale bobinelor W2 sunt scoase la conductibilitatile reactive conjugate B1 §i B2, fapt ce permite reglarea tensiunii aplicate lor. Prezenta ramificarilor de contact de la punctele medii ale mfa§urarilor W2 a transformatorului suplimentar este o particularitate esentiala a solutiei tehnice examinate їп comparatie cu configuratia traditionala a transformatorului consecvent UPFC.

Intrerupatorul S efectueaza stabilizarea zonei de reglare in dependents de semnul unghiului Ssr dintre tensiunile de intrare Us §i ie§ire I/. a instalatiei. Unghiul Ssr se determina de regimul retelei §i este o coordonata independents de dirijare.

Pozitia intrerupatorului S prezentata in fig. 1 corespunde zonei pozitive a valorilor Ssr. Toate caracteristicile de calcul ale instalatiei examinate in continuare, se vor stabili in aceasta regiune. La trecerea 8sr in zona negativa §i schimbarea pozitiei intrerupatorului S in alta pozitie,

aceste caracteristici sunt simetrice.

In procesul cercetarii caracteristicilor de regim a combinatiei IPC-UPFC reie§im din conditia, ca instalatia UPFC asigura o reglare libera a vectorului tensiunii suplimentare pe infa§urarea de tensiune inalta W2 a acestui transformator, atat dupa modul m , cat §i dupa unghiul

a . Capacitatea specifica acestei instalatii de reglare suplimentara a puterii reactive [2] din contul

modificarii unghiurilor de aprindere a invertoarelor Inv. 1 sau Inv.2 poate fi aplicata pentru reglarea independenta a tensiunilor: Us - cu ajutorul invertorului Inv.1 §i U - cu ajutorul invertorului

Inv.2. Convertorul UPFC functioneaza in regim al sursei de tensiune.

Principiul de functionare al instalatiei IPC-UPFC este explicat de diagrama vectoriala a

Tensiunea sistemului de transmitere U determina regimul de functionare al transformatoarelor ET §i BT. Vectorul tensiunii de ie§ire U, interactionand cu doi vectori ai transformatorului suplimentar

mUseJ"'°:,r , aflati in contact strict intre ei, cauzeaza regimul de functionare al conductibilitatilor conjugate B §i B. Mentinerea regimului de tensiune la ie§ire din instalatie se exercita din partea

nodului de primire al retelei. Punctele de racordare a sistemului trifazat

al tensiunii U la ramificatiile intermediare ale infa§urarilor de

tensiune inalta W2 a transformatorului suplimentar BT este frontiera

de divizare a interactiunii nodurilor racordate (Decoupling Interconnection).

Lipsa aceste interactiuni se evidentiaza prin faptul ca instalatia nedirijata IPC este „inchisa” pentru

transmiterea libera a puterii de sincronizare la oscilarea dinamica a unghiului 8sr. De aceea,

utilizarea IPC trebuie determinata (conditionata) de prezenta altor conexiuni de §untare.

tensiunilor din fig.2.

Fig.2

Din ecuatiile geometrice, stabilite de diagrama vectoriala, reiese:

U. + Um - mU„ej a+K - UrejSsr = 0,

-Ure]Ssr = 0.

Atunci tensiunile aplicate conductibilitatilor pare se vor supune conditiilor:

s B\ s~ r~

U/r +U„ +mU,e‘

Um =Ure“- -U,

UB1 =Ure“- -U,

J a+$sr

1 -me

iw , / a+S,.y

ejy + me

Curentii conductibilitatilor pare:

IB2 '

Curentul sarcinii la ie§ire din instalatie prezinta suma curentilor conductibilitatilor pare. La conditia |-Д I = \B21 = В obtinem:

Ir-Im+Im-jB UB2-Um -2BUS Puterea deplina la ie§ire:

.(//

• ^9 • J C( + S.T

sin — e - jme

Sr=irUr=IrUre-^=2BUsUrsm^

I . m ey J - j----------------------eJ

■ V

sin —

. 2 .

Impartind puterea deplina їп componente active §i reactive, ajungem la rezultatul:

P=S,

r m

cos

't-s.

m

■ W

sin —

2

-sin a

Qr=sm

sin

m

■ W

sin —

2

-cos a

unde Sm = 2BUTJr sin ~.

Curentul sarcinii la intrare їп instalatie:

Is=Im+IB2e^.

Factorul e 1W denota aducerea curentului IB2 pe faza la tensiunea Us a nodului de alimentare.

La aceasta conditie curentul I la intrare їп instalatie se va determina їп modul urmator:

I., = 2 BU„

. w “f . U, w \s^J4+a

sin — e v J - im — cos —e v

2 Ur 2

2

2

Puterea deplina la intrare, tinand cont de faptul ca US=US, prime§te aspectul urmator:

S,=I,U,=2BU,U,Sm^

m Us

tg

¥ Ur

De aici reiese:

P=S,

cos

's

sr rs

^ J

V

tg

¥ Ur

-sin

Q.=sm

sin

V*'

m U«

tg

V ur

-cos

In continuare vom considera, ca problema dirijarii se reduce la formarea indicilor necesari ai regimului la ie§ire din instalatia IPC-UPFC, iar indicii regimului la intrarea lui sunt consecinta strategiei de reglare acceptate la ie§ire. Daca linia de transport electric, racordata intre nodurile de transmitere §i primire a retelei, corespunde notiunii “Conexiune electrica slaba”, atunci oscilarea puterii active §i reactive la intrare in instalatie practice nu se va reflecta la nivelul tensiunii Us. Totodata, aplicand capacitatea UPFC de a genera suplimentar putere reactiva de unul sau alt semn prin intermediul invertorului Inv.2, se poate asigura stabilitatea tensiunii Ur. In scopul simplificarii

urmatoarelor calcule, toate calculele in continuare vor corespunde conditiei |f/s | = |t/r | = 1. Aceasta nu exclude posibilitatea evidentei valorii reale Ur (in lipsa reglarii puterii reactive din contul invertorului Inv.2), fapt ce va necesita o anumita corectare a legii de dirijare.

Spre exemplu, exista necesitatea mentinerii nivelului stabil al puterii active transmise Pr-1

la Qr -0 in conditiile modificarii unghiului 5sr in limitele de la Ssr = 0° §i pana la Ssr = 30°.

Legea dirijarii, realizarea careia totodata se impune pe UPFC, rezulta din corelatiile de baza ale puterii active §i reactive la ie§ire din instalatie §i se formuleaza in modul urmator:

• V

sin — ,

2

2

2

2

Introducand aici Pr §i (),. date, determinam valoarea curenta a vectorului m - meJ", caracterul modificarii caruia (la Sni = 1) este prezentat pe suprafata complexa din fig.3.

Fig.3

Linia continua din figura prezentata determina locul geometric al punctelor capatului vectorului m, legat de tensiunea Um, linia punctata (intrerupta) - locul geometric al punctelor inceputului altui vector m , legat de tensiunea UB2.

Rezultatul actiunii acestor doi vectori m , in circuitele corespunzatoare ale schemei reflecta caracteristicile prezentate in fig.4a. Pentru comparatie in fig.4b sunt prezentate acelea§i caracteristice ale instalatiei cand m = 0, fapt ce corespunde IPC nereglabil. Comparatia acestor caracteristici denota faptul, ca rezultatul stabilizarii absolute a caracteristicii Pr este o oarecare reducere a proprietatii de stabilizare a caracteristicii P. Referitor la puterile reactive Qr §i Q, ele sunt strict legate intre ele.

Modificarea Q este insotita de modificarea in intampinare a Q cu aceia§i valoare. Daca sistemul de transmitere poseda o rezerva suficienta de putere (sau poseda cu mijloace de compensare transversala), cre§terea Qs in diferite parti ale punctului Ssr =15° nu se reflecta prin influenta esentiala asupra regimului nodului dat.

a)

b)

Fig.4

Principalele ecuatii pentru puterea activa §i reactiva la ie§ire din IPC-UPFC, de asemenea permit determinarea regiunii de reglare libera a p la valoarea Q data §i invers, regiunea reglarii libere a Q la valoarea p data:

P=S,

cos

%-K

V l

+

COS

Ql

sm

—-2sin

1 —

m

2 W sin —

v 2

Qr=sm

sin

'£V

2

sin

— -2 cos

1 —

• 2 W sin —

2 y

2

2

2

Caracteristicile regiunilor de reglare libera a puterii active pentru doua conditii diferite de transmitere a puterii reactive, sunt prezentate in fig.5. Figura ovala corespunde conditiei Qr- 0, iar

liniile in arc limiteaza figura la Qr = Sm sin

2 .

Rezultatele de calcul prezentate sunt obtinute la Sm - 1 §i in = 0.075. In acest caz valoarea APr este egala cu +0.29, iar raportul ce determina adancimea reglarii puterii active constituie P^ 1.29

~ r max

P 0.71

r min

: 1.82. Eficacitatea tehnica a combinatiei IPC-UPFC este evidenta.

in limitele zonei reglarii libere a Pr cand 0,.= 0, in fig. 5 sunt evidentiate doua linii orizontale Pr = 0.83 §i I] =1.1 , ce determina frontiera reglarii neintrerupte cand Or = 0 in cadrul diapazonului deplin al modificarii unghiului 8sr =0-^30°. Legea modificarii vectorului de dirijare

m = me ja pentru doua nivele ale puterii active Pr= 0.83 §i 1] =1.1 sunt prezentate in fig.6.

Fig.6

Caracterul modificarii tensiunilor aplicate conductibilitatilor conjugate B1 §i B2, se determina prin corelatiile:

Um = UsJ[smSsr+msm a + Ssr ]2 + [cosSsr + mcos a + 8sr -l]2 ,

UB2 = Us^[sinSsr-msin a + Ssr -sin^] +[cos^sr-mcos a + Ssr -cosy/'] . Graficele modificarii acestor tensiuni sunt prezentate in fig. 7.

Fig.7

Frontierele calculate ale limitelor reglarii libere a puterii reactive la doua nivele ale puterii active date se reflecta in fig. 8, de unde reiese ca cu modificarea nivelului propus al puterii active, regiunea reglarii libere a puterii reactive se schimba neinsemnat.

Fig.8

Astfel, combinatia IPC-UPFC examinata constituie un reglator parametric cu doua nivele de dirijare libera §i asigura o reglare independenta a puterii active §i reactive la ie§ire din instalatie.

Dispunand de informatiei in volumul rezultatelor de calcul expuse, poate fi alcatuita strategia de dirijare cu regimul instalatiei combinate IPC-UPFC. Totodata, apare posibilitatea organizarii schimbului dozat al puterii de sincronizare intre noduri din contul modularii rapide ale fluxurilor de putere activa §i reactiva, transmise prin reglatorul parametric.

In incheiere mentionam, ca acolo unde nu e necesitate in dirijare rapida, instalatia UPFC poate fi inlocuita cu a§a numitul Sen-transformator [3], care este un analog de contact al UPFC §i asigura o reglare directa (fara redresare §i invertare) a modulului §i fazei tensiunii suplimentare in limite extinse. Costul Sen-transformatorului este mult mai ieftin decat costul UPFC.

Concluzie

Reglatorul parametric de putere cu doua nivele de dirijare libera in principiul conectarii combinate a IPC-UPFC poseda cu capacitatea reglarii independente a puterii active §i reactive §i poate fi utilizat pentru dirijarea cu conexiunile electrice ce necesita un nivel inalt al preciziei de mentinere a parametrilor propu§i (dati) ai regimului la ie§ire din instalatie.

Literatura

1. Interphase power controller adapted to the operating conditions of networks, J.Brochu, F.Beauregard, Et al., IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.10, No.2, April 1995.

2. Basic Control of Unified Power Flow Controller, I.Papic, D.Povh, Et al., IEEE Transactions on Power Systems, Vol.12, No.4, November 1997.

3. Comparison of the “Sen” transformer with the unified power flow controller, K.Sen, M.Sen, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.18, No.4, October 2003.