CC BY
32
УДК 621.314 https://doi.org/10.18503/2311-8318-2020-2(47)-33-40
Климат B.C.', Константинов A.M.2
1 Комсомольский-на-Амуре государственный университет
"Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск
Стабилизатор трёхфазного напряжения для трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ
и анализ способов его управления
Рассмотрена проблема нестабильного напряжения у трёхфазных потребителей электроэнергии при их питании от трансформаторных подстанций, включая комплектные трансформаторные подстанции напряжением 10/0,4 кВ. Выполнен сравнительный анализ существующих устройств регулирования и стабилизации трехфазного напряжения. Выявлены их основные недостатки. Предложен вариант силовой схемы трёхфазного стабилизатора напряжения без входного преобразовательного трансформатора и его подключение в рассечку вторичной обмотки главного трансформатора подстанции, что позволяет минимизировать его массогабаритные параметры. Стабилизатор представляет собой маломощный блочно-модульный тиристорно-транзисторный канат, содержащий звено повышенной частоты, обеспечивающий формирование и регулирование напряжения вольтодобавки доя нагрузки совместно с напряжением главного трансформатора подстанции. В качестве звена повышенной частоты применён погашающий трансформатор, работающий на частоте 450 Гц. В работе представлено краткое описание схемы и принципа действия предлагаемого стабилизатора трёхфазного напряжения, а также способов его управления. Выполнено построение регулировочных характеристик и проведен гармонический анализ напряжения на нагрузке при этих способах управления. Получены аналитические соотношения ятя действующего напряжения на нагрузке в процессе стабилизации, его первой гармоники и среднего значения, соответственно при амплитудном регулировании реверсивным выпрямителем и широт-но-импульсном регулировании инвертором напряжения. Выполняю имитационное моделирование работы устройства в различных режимах работы, а именно при пониженном напряжении в сети и на нагрузке и при повышенном напряжении в сет и на нагрузке. Представлены некоторые результаты имитационного моделирования в программной среде Matlab/Simulink. Сдета-ны выводы по работе.
Ключевые слова: стабилизатор, звено повышенной частоты, комплектная трансформаторная подстанция, реверсивный выпрямитель, инвертор напряжения, непосредственный преобразователь частоты, главный трансформатор подстанции, амплитудный способ управления, широшо-импульсный способ управления, качество напряжения, потребители электроэнергии, имитационное моделирование, MATLAB/Simulmk.
Введение
В настоящее время существует ряд потребителей, требовательных к стабильному напряжению. Особо остро проблема нестабильного напряжения возникает, когда отсутствуют какие-либо устройства для регулирования и стабилизации напряжения. К таким потребителям относятся различные цеховые трансформаторные подстанции, системы собственных ну жд тяговых подстанций переменного тока, питающих потребителей автоблокировки через трансформаторы с системой ПБВ [1]. когда в условиях интенсивного тяжеловесного движения возникают частые отклонения напряжения и его несимметрия по фазам. Для обеспечения стабильного напряжения у потребителей разрабатываются и применяются стабилизаторы напряжения. При их разработке актуальными становятся вопросы не только высоких энергетических показателей и быстродействия, но и снижения их собственных мас-согабаритных показателей, а также расширения функциональных возможностей в одном устройстве, что согласуется с современной тенденцией по компактиза-ции и минимизации основного электрооборудования трансформаторных подстанций |2|.
В настоящее время среди устройств для стабилизации и регулирования напряжения нашли применение в первичных (10 кВ) или во вторичных цепях (0.4 кВ) главного трансформатора подстанции:
1. Электромеханические устройства регу лирования напряжения под нагрузкой (РПН) - на первичной
© Климат B.C.. Константинов A.M., 2020
(высокой) стороне главного трансформатора подстанции [3,4].
2. Управляемые шу нтирующие реакторы (УШР) - на первичной (высокой) стороне главного трансформатора подстанции [5-7].
3. Стабилизаторы типа СТС - во вторичных цепях главного трансформатора подстанции [8-10].
4. Стабилизаторы типа ОШззеу - во вторичных цепях главного трансформатора подстанции [11).
В табл. 1 представлены основные параметры стабилизаторов: удельная мощность Руд, время срабатывания (быстродействие) /ср и диапазон регу лирования £>р выходного напряжения.
Проведенный анализ показал, что среди недостатков устройств регулирования и стабилизации следует отметить следующие: низкое быстродействие (см. табл. 1 от 3,8 до 0.04 с), завышенные массогабаритные показатели (от 4 до 6.1 к В А/к г для стабилизаторов во вторичных цепях главного трансформатора подстанции) и невысокая энергоэффективность.
Таблица 1
Сравнительная оценка параметров устройств регулирования и стабилизации напряжения
Тип Ру№ кВА/кг 'ср? С Dp, %
РПН 5-7 1,5-3,8 ±10 до ±16
УШР 0.5-3 1-4 ±16 до ±20
CTC 6,1 0.2-0.45 ±15 до ±20
Odissey 4-5 -0,04 ±15 (-20/+10)
В соответствии с чем была определена цель исследования - разработка компактного и быстродействующего стабилизатора трёхфазного напряжения с улучшенными энергетическими показателями.
Задачами исследования являлись:
1. Разработка схемных решений, обеспечивающих снижение массы и габаритов предлагаемого стабилизатора трехфазного напряжения.
2. Проверка функционирования стабилизатора по предложенной схеме.
3. Разработка быстродействующих алгоритмов управления стабилизатором.
4. Получение аналитических выражений для разработанных алгоритмов стабилизации напряжения на нагрузке.
5. Анализ регу лировочных характеристик, а также характеристик гармонического влияния в процессе стабилизации напряжения.
6. Исследование пусковых, переходных и установившихся процессов на имитационной модели стабилизатора напряжения в программе MATLAB.
Методы
В соответствии с целью исследования был предложен стабилизатор трёхфазного напряжения нагрузки, однолинейная схема которого представлена на рис. 1 [12].
На рис. 1 обозначены: С - энергосистема. ГТ -главный трансформатор подстанции. Н - нагрузка; РВ - реверсивный трёхфазный мостовой выпрямитель; ИН - трехфазный мостовой инвертор напряжения; ЗПЧ - звено повышенной частоты (представляющее собой трёхфазно-шестифазный высокочастотный трансформатор); НПЧ - непосредственный преобразователь частоты; Д1 - датчик отклонения напряжения сети: Д2 - датчик отклонения напряжения нагрузки.
Подключение РВ (рис. 1) осу ществляется параллельно нагрузке подстанции, а НПЧ. который выполнен шестифазно-трёхфазным. в рассечку вторичных обмоток ГТ подстанции. Реверс напряжения на выходе РВ необходим для перевода стабилизатора из режима вольтосложения (при пониженном напряжении на нагрузке) в режим вольтовычитания (при повышенном напряжении на нагрузке). Каждый из мостов РВ выполнен на базе однооперационных тиристоров (SCR).
Стабилизатор (рис. 1) производит формирование добавочного напряжения вольтодобавки Ua для ГТ подстанции и продольное регулирование этого напряжения амплитудным способом - РВ по отклонению напряжения в сети или широтно-импульсным способом с помощью ИН по отклонению напряжения в нагрузке.
Рис. 1. Схема подключения стабилизатора напряжен на трансформаторной подстанции
Принцип действия трёхфазного стабилизатора заключается в следующем: переменное напряжение на нагрузке подается на вход РВ. где происходит его преобразование в выпрямленное постоянное напряжение Среднее значение этого выпрямленного напряжения определяется по известной формуле:
UJ
3>/б
•tAcosa,
(1)
где U2 - действу ющее значение напряжения во вторичной обмотке главного трансформатора; % - угол регулирования трёхфазного реверсивного выпрямителя.
Далее выпрямленное напряжение поступает на промежуточный /X'-фильтр (не показан на схеме рис. 1). После сглаживания напряжение подаётся на вход трёхфазного ИН. который выполнен по мостовой схеме на базе ЮВТ-транзисторов. В этом случае при интервале проводимости транзисторов, равном 180 эл. град, фазное напряжение на его выходе будет двухступенчатым с высотами ступеней 2UJ3 и UJ3. Действующее значение линейного напряжения С/ил на выходе ИН определяется в соответствии с выражением для двух слу чаев:
1) амплитудного регу лирования РВ (a„ = a,,.mm ~ const):
и=—-и
(2)
2) широтно-импульсного регулирования ИН вну три периода коммутации (при этом действу ющее значение линейного напряжения зависит от угла управления инвертором а„ = \аг):
<JU;(n-3auN) ,и " 3 ' ^
(3)
где N - число импу льсов напряжения вну три периода коммутации транзисторов инвертора напряжения.
Преобразованное постоянное напряжение ИН в переменное подаётся на первичную обмотку трёхфазно-шестифазного высокочастотного трансформатора, вторичные обмотки которого выполняются на номинальное значение тока в цепи вторичных обмоток ГТ.
В ЗПЧ напряжение понижается до уровня добавочного напряжения £/д.
Первичные обмотки трёхфазно-шестифазного высокочастотного трансформатора могут быть соединены как в звезду, так и в треугольник, а вторичные обмотки могут быть соединены в шестифазную звезду, причем при наличии нулевого провода суммирование добавочного напряжения Ь\ и напряжения во вторичной обмотке главного трансформатора СА происходит в соответствии с выражением:
Um=u2a+um,
UKb=U2b + Uab-
(4)
где ина, ИнЬ, инс - фазные значения напряжения на нагрузке; и у,, и2Ь. и2с - фазные значения напряжения во вторичной обмотке главного трансформатора под-
станции; U„
JRb, ^ДС
фазные значения добавочного
напряжения стабилизатора (на выходе НПЧ).
Преобразованное в ЗПЧ пониженное напряжение подаётся в НПЧ с естественной коммутацией тиристоров, выполненный на базе SCR-тиристоров и представляющий собой шестифазно-трёхфазный преобразователь со средней точкой (может выполняться и на базе мостовых схем). НПЧ производит преобразование высокой частоты 450 Гц до частоты сети, равной 50 Гц.
Управление тиристорами НПЧ осуществляется с фиксированным углом управления а„пч = const - в выпрямительном режиме и у правления ($„„,, = к - а,,,,,, = const - в инверторном режиме.
НПЧ выполнен с возможностью пофазного изменения углов управления тиристорами Онт и р,тч. тем самым обеспечивая симметрирование напряжения на нагру зке в определенном диапазоне, в слу чае возникновения несимметрии напряжения по фазам.
Стабилизатор трёхфазного напряжения выполнен с у лучшенными выходными характеристиками по отношению к стабилизатору с однофазным звеном повышенной частоты, при этом частота промежуточного преобразования в ЗПЧ принимается кратной частоте сети и числу фаз, поэтому работа НПЧ обеспечивает преобразование с частоты с числом пу льсаций 12 за полу период выходного напряжения 50 Гц. вместо 9 пу льсаций с однофазным ЗПЧ [13].
Сочетание искусственной коммутации на IGBT-транзисторах в ИН и естественной комму тации в НПЧ на SCR-тиристорах повышает быстродействие стабилизатора и улучшает качество напряжения на нагрузке. К положительным свойствам стабилизатора по предлагаемой силовой схеме следует отнести встречно-парашельное включение SCR-тиристоров в каждой фазе вторичных шестифазиых обмоток ЗПЧ. что приводит к снижению класса этих тиристоров по току.
Векторные диаграммы при стабилизации напряжения на нагру зке для фазы а при трёхфазной системе напряжений показаны на рис. 2.
Как видно из векторных диаграмм (рис. 2), регулирование напряжения производится без сдвига основной гармоники напряжения на нагрузке (продольное регулирование напряжения). Вектор добавочного несинусоидального напряжения £/д с требуемой амплитудой и фазой и частотой 50 Гц по его первой гармонике, полученный на выходе стабилизатора в случае повышенного напряжения в сети направлен в сторону, противоположную вектору напряжения на нагрузке, тем самым снижая до ну ля возникшую +AU. Аналогичным образом, но в противоположную сторону, происходит регулирование Un
Результаты
Анализ регу лировочных характеристик и гармонического влияния стабилизатора указанными способами производился на основании полученных аналитических выражений.
На рис. 3 приведены поясняющие диаграммы для вывода аналитических выражений при амплитудном регу лировании напряжения РВ.
По диаграмме определяются пределы интегрирования и выражения при амплитудном регулировании РВ стабилизатора напряжения.
Аналитические выражения действующего значения напряжения на нагру зке для стабилизатора напряжения при амплитудном регу лировании РВ (а, = var. а,, = const, а,шч = a,III4 min (ß„n4 = ßHll4mm), N = 36), полу ченные для схемы с нулевым проводом, представленные для процесса вольтосложения (вольтовычитания). Действующее значение фазного напряжения нагрузки U„ в общем случае определяется как среднеквадратичное по формуле:
U,.
1
>/2тг-3
12-илЦъ
sin ß
sin—ß (cos ß +1) -
( 1 2 -2sin-ß|+ 2 + cos-ß-cos—ß 3 / v 3 3
+
+ 2тг
2^ + 2 u;
//
(6)
где 6д - величина добавочного напряжения; Г/^ - амплитудное значение напряжения во вторичной обмотке ГТ; р = л/А' - число интервалов в течение полу периода напряжения в сети.
Действующее значение первой гармоники фазного напряжения на нагрузке для стабилизатора напряжения при амплитудном регулировании РВ:
ият =
V2
örcsinß
г /у
2Ц, sin Р
ч
О
2 + cos-ß-3
-cos-^-ß j + icos-^ß-cos^ß |x
для стабилизации напряжения на нагрузке до х(со8р +1))) + Зл£Д нтр
уровня номинального при возникновении -A.il. '
(7)
(повышение +д у напряжения )
(понижение напряжения)
-&U
nil
-XJä (вольтовычетание)
Действующее значение фазного напряжения высших гармоник на нагрузке определяется по формуле
+6д (вольтосложение)
uKZ=4ul-ui п,
(8)
иш
Um
У
и*ь
Рис. 2. Векторная диаграмма при стабилизации напряжения на нагрузке
Рис. 3. Поясняющая диаграмма при амплитудном регулировании РВ
Среднее значение фазного напряжения на нагрузке для стабилизатора напряжения при амплитудном регулировании РВ:
^ = 9
-С/,. + 2U„
(9)
В формулах (6). (7) и (9) величина добавочного напряжения (Уд зависит от угла регу лирования реверсивного выпрямителя аъ и записывается в виде:
Зл/б л
ия =——ticosa,,
(10)
где и2ф - величина фазного действующего напряжения во вторичной обмотке ГТ: кт - коэффициент транс-формации в ЗПЧ: % - угол регулирования реверсивного выпрямителя.
Поясняющие диаграммы для определения пределов интегрирования и вывода аналитических выражений при широтно-импульсном регулировании напряжения на нагрузке ИН показаны на рис. 4.
Определение пределов интегрирования (рис. 4) выполняется аналогично, как и для амплитудного регулирования (рис. 3). но только при числе импульсов Л' = 72 в течение периода добавочного напряжения Ua и при учёте угла регулирования инвертора напряжения а«.
Действующее значение фазного напряжения на нагрузке U„ для стабилизатора напряжения при ШИР
(®в = const, a,, = var. о,шч = cwmm (Р......= |3fm4mm)) ИН
запишется в виде
и =
г и sin Р
8 U\
36rtsinp
+ 18^m)-24f///:m-(sinaH
я-12a
"р
+
l + sinp sin — P + sin—p +
6 6
+ 2sin —p| + | cos—p + cosp
2 j { 6H
+ cospx
5 i Л 5
x| cos—P~2cos—p + cos—P + 1 6 2 , 6
(11)
У) ( (
-cosau sinp
)) 1 V
+ 2cos —p
I 4 i z,
-cos-p-2) + sin-p-sin —p-
i1
-cosp
2 1 N sin—p + sin—P 3 3
v - -
где a,, - угол регулирования инвертора напряжения.
Рис. 4. Поясняющая диаграмма при широтно-импульсном регулировании ИН
Действующее значение первой гармоники фазного напряжения на нагрузке t/H(i) для стабилизатора напряжения при ШИР (ot = const, a,, = var. {*„,,, = а,ш,, ,,,,„ (Рнпч = Рнпч mm)) ИН запишется в виде:
ч« 4
Гг
7t(cOSP- I)
(4í/asinaH -(sinp;
14-cos-P + cos-p + 2cos —р + 6F 6P 2
3Í 2 1 ^ + — COS —P + COS-P -cospx 3 3 j
■ 5o 3( •
Sin —P--Sin —p + sin-p
6 2v 3 3
-sin —p-2sin—p ] + 2sin —p +
6P 2 J 2
. 5q 3f . 10 . 2-. + sin — p-I--Sin-p + Sin—p | +
6 2 V 3 3
(12)
+ sin — p +4í/,cosa„ —sinpx
6KJ я 42
f i 2 ^ 1 x sin-p-sin —p + eos—pX
V 3 3 ) 2
1 2 ^ 1 ( 1
2 + cos-P + cos—p — eos — P +
3 3 J 2{ 3
+eos — p — 1) + Зи • U2m (cos P -1)
3 ¿
Действующее значение фазного напряжения высших гармоник на нагрузке при ШИР-регулировании определяется по форму ле (8).
Среднее значение фазного напряжения на нагрузке для стабилизатора напряжения при ШИР-регу лировании ИН:
U
-48f/4 (ап /V + 2тг) + 9l/2m 9л
(13)
Оценка регулировочных свойств стабилизатора производится через степень регулирования фазного напряжения на нагрузке ен, вьфаженную в относи-
тельных единицах, которая представляется в следующем виде 114]:
IL
и/
(14)
где Uc - номинальное напряжение во вторичной обмотке ГТ.
Тогда с учётом полу ченных аналитических выражений (6). (7). (8) и (10) выполнялось построение регулировочных характеристик при амплитудном регулировании РВ при различных коэффициентах трансформации трёхфазно-шестифазного высокочастотного трансформатора кт= 8. 10, 12. 14. а по формулам (10). (11) и (12) - построение регу лировочных характеристик при широтно-импульсном регу лировании ИН при тех же коэффициентах трансформации к,. что и для амплитудного способа регу лирования. При этом регулировочные характеристики при амплиту дном способе показаны при относительной степени регулирования еп = J{%) на рис. 5, а для ШИР способа £„ = Да,,) на рис. 6.
1.05
£т = 8.
кт = 10 1
NVn\ к 7 =14
0.95
0 20 40 60 80 100 120 140 160
град.
Рис. 5. Регулировочные характеристики стабилизатора при амплитудном регулировании PB
0,95
0 0,25 0.45 0.75 0.95 1.25 1.5 1.75 2.0 аи. эл.
град.
Рис. 6. Регулировочные характеристики стабилизатора при широтно-импульсном регулировании ИН
Регу лировочные характеристики полу чены для режима вольтосложения в процессе стабилизации напряжения на нагрузке при изменении угла регу лирования а,, от 0 до 90 эл. град, а также для режима воль-товычитания при изменении угла регулирования а,, от 90 до 180 эл. град.
Идентично, как и для рис. 5, изменение угла регулирования а,, (рис. 6) на интервале от 0 эл. град, до 1.25 эл. град, приводило к изменению величины степени регу лирования в режиме вольтосложения. а изменение угла а„ от 1.25 до 2.25 эл. град - к изменению степени регулирования для режима вольтовычитания.
Как видно из полученных регулировочных характеристик (рис. 5. 6) широтно-импульсное регу лирование по характеру изменения стабилизируемого напряжения на нагрузке обладает большей линейностью, что имеет значение в случае стабилизации напряжения при резко-переменной нагрузке для наиболее быстрого устранения отклонения напряжения. В то же время регулировочные характеристики при амплитудном регулировании обладают некоторой нелинейностью, что может быть скомпенсировано в условиях при относительно невысокой скорости изменения напряжения в сети.
Анагиз гармонического влияния в процессе стабилизации напряжения производился в соответствии с коэффициентом нес и ну со и дал ьност и напряжения на нагрузке:
к„ = и*-
U.,
(15)
Полученные характеристики по формуле (15) при амплитудном регулировании РВ представлены на рис. 7 и при широтно-импульсном регулировании ИН на рис. 8.
Как видно из полученных характеристик (рис. 7, 8), коэффициент несинусоидальности напряжения на нагрузке Ки для случая амплитудного и широтно-импульсного регу лирования не превысил 8% при коэффициенте трансформации трёхфазно-шестифазного высокочастотного трансформатора к, = X. что не превышает значений для у ровня напряжения 0.4 кВ. установленных вдействующем ГОСТ 32144-2013 [15].
Рис. 7. Зависимости коэффициента иесинусоидальности напряжения на нагрузке при амплитудном регулировании РВ
Рис. 9. Временные диаграммы процесса стабилизации напряжения нагрузки
Заключение
1) Имитационно-математическое моделирование показало правильность принципов функционирования предложенного стабилизатора напряжения.
2) Преиму ществом данного стабилизатора является отсутствие преобразовательного трансформатора (выполненного для рабочей частоты 50 Гц) на входе реверсивного выпрямителя, а также применение высокой частоты промежуточного преобразования (450 Гц) и схемы подключения стабилизатора главному трансформатору подстанции, что способству ет снижению массы и габаритов электромагнитных частей и всего стабилизатора.
3) Расчеты показали, что мощность стабилизатора составляет около 25 % (около 250 кВА) от мощности подстанции 1000 кВА то есть удельная мощность Руд предложенною стабилизатора напряжения составит не более 3-3.5 кВА/кг.
4) Исследования на имитационно-математической модели показали, что быстродействие стабилизатора составило при амплитудном регулировании не более 0.019 с. а при регулировании методом 111 ИР - не более 0,012 с.
5) Коэффициент несину соидальности напряжения на нагрузке при регу лировании, как при амплитудном, так и при методе ШИР. не более 8%.
Проверка предложенных схемных решений и способов автоматического управления стабилизатора напряжения производилась в программной среде компьютерного моделирования MATLAB (R2018b) в подпрограмме Si null ink, где была разработана имитационная модель трансформаторной подстанции напряжением 10/0,4 к В мощностью 1000 кВА. Модель включала ряд силовых и измерительных элементов из библиотеки SimPowerSystems.
В ходе моделирования производилась проверка предложенных принципов функционирования стабилизатора при его подключении в рассечку вторичных обмоток ГТ подстанции с анализом пу сковых и переходных процессов. На модели также исследовались и установившиеся режимы работы подстанции со стабилизатором в условиях изменения напряжения (появлении отклонений от номинального уровня в положительную и отрицательную сторону ) в сети и на нагрузке, при которых стабилизатор в имитационной модели функционировал в режимах вольтосложения или переводился в режим работы с вольтовычитанием.
Временные диаграммы в процессе стабилизации при регулировании методом ШИР при пониженном напряжении -AU = 10%. фн = 30 эл. град, а,, = 30 эл. град. а„ = 0.45 эл. град (N = 72), кт = 10, (*„„,, = 7 эл. град (Рнпч= 173 эл. град.) приведены на рис. 9.
В ходе моделирования контролировались параметры действующих значений (RMS) сигналов и осциллограммы мгновенных значений сигналов токов и напряжений с помощью виртуального осциллографа (Scope) (рис. 9): напряжения на нагрузке м„, в первичной обмотке Mi и во вторичной обмотке гь ГТ. токов в первичной обмотке (сети) /| и во вторичной обмотке ь ГТ. напряжение м„ и ток /„ в нагрузке, напряжение «8| и ток /в) на входе РВ. напряжение ud и ток ij на выходе РВ. напряжение иы| и ток /„! на входе ИН. напряжение ии2 и ток /и2 на выходе ИН, напряжение m^] и ток ihn4l на входе НПЧ. напряжение г(1т,с (добавочное напряжения ия) и ток /[1пч2 на выходе НПЧ, токи намагничивания /0,Т главного и высокочастотного /<;»„ трансформаторов. Из временных диаграмм на рис. 9 видно, что напряжение на нагрузке и„ стабилизируется до уровня номинального напряжения во вторичной обмотке ГТ подстанции.
а„, эл. град.
Рис. 8. Зависимое™ коэффициента несинусоидальности напряжения на нагрузке при широтно-импульсном регулировании ИН
6) Стабилизатор повышает КПД нагрузки в условиях как симметричного отклонения напряжения по
фазам, так и несимметричного отклонения при пу сках,
в переходных и у становившихся режимах.
список литературы
1. ГОСТ Р 58408-2019. Сет электрические собственных нужд и оперативного тока железнодорожных тяговых подстанций, трансформаторных подстанций и линейных устройств системы тягового электроснабжения. Технические требования, правила проектирования, методы электрических расчетов. Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 16 мая 2019 г. №194-ст. М.: Стандартинформ, 2019. 64 с.
2. СТО 70238424.29.240.10.009-2011. Распределительные электрические сети. Подстанции 6-20/0,4 кВ. Условия создания. Нормы и требования. Утвержден и введен в действие приказом НП «ИНВЭЛ» от 02.06.2011 № 54. М: Некоммерческое Партнерство «Инновации в электроэнергетике», 2011. 23 с.
3. СТО 34.01-3.2-010-2017. Устройства регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой (РПН). Общие требования. Утвержден и введен в действие распоряжением ПАО «Россети» от 28.02.2017. М.: ПАО «Рос-сети», 2017. 22 с.
4. Haibin Zhou 1, Xiaojiang Yan, and Guanwei Liu. A review on voltage control using on-load voltage transformer for the power grid. ЮР Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, Sei. 252 032144, pp. 1-10 (doi: 10.1088/1755-1315/252/3/032144).
5. СТО 56947007-29.240.30.010-2008. Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций 35-750 кВ. Типовые решения. М.: Изд-во НЦ ЭНАС. 2007. 131 с.
6. Controlling power system parameters through reactive power (VAr) compensation. [Electronic resource). Access mode: https://electrical-engineering-portal.com/reactive-power-var-compensation, free, - (date of request: 24.03.2020).
7. Александров Г.Н., Лунин В.П. Управляемые реакторы:
Information in English
учеб. пособие. 3-е изд. СПб.: Центр подготовки кадров энцзгегики, 2005. 199 с.
8. Стабилизаторы напряжения. Руководство по эксплуатации CTC-5 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://td-elmash.ni/produkciya/stabilizatoryi-napryazlieniya, свободный (дата обращения: 24.03.2020).
9. Зинин Ю., Смирнов Ю., Яковлев В. Разработка программируемого блока управления мощными трёхфазными стабилизаторами напряжения типа CTC // Силовая электроника. 2013. №1. С. 78-83.
10. Киреева Э.А. Новая серия промышленных трехфазных стабилизаторов напряжения CTC-5 // Промышленная энергетика. 2009. №12. С. 51-52.
11. Digital voltage stabilisers (DVS) Ortea (Odyssey). [Electronic resource]. Access mode: https://wAVAv.ortea.it/en/categorie_prodotti/digital-voltage-stabilisers/, free, (date of request: 24.03.2020).
12. Пат. 2071633 Российская Федерация, МПК МПК Н 02 М 5/45, G 05 F 1/30. Стабилизатор напряжения трансформаторной подстанции со звеном повышенной частоты / Климаш B.C., Андриенко П.Д.; заявитель «Комсомоль-ский-на-Амуре политехнический институт». № 93 93039673; заяви. 02.08.93; опубл. 10.01.97.
13. Климаш B.C., Константинов A.M. Математическое моделирование трёхфазного компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности с однофазным звеном повышенной частоты // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2008. №1. С. 20-23.
14. Климаш B.C. Вольто добавочные устройства для компенсации отклонений напряжения и реактивной энергии с амплитудным, импульсным и фазовым регулированием: монография. Владивосток: Дальнаука, 2002. С. 58-59.
15. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: принят Межгосударственным советом по стандартизации, методологии и сертификации (протоколом №55-11 от 25 марта 2013 г.). М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.
Поступила в редакцию 31 марта 2020 г.
Three-Phase Voltage Stabilizer for 10/0.4 kV Transformer Substations and Analysis of its confrgl Methods
Vladimir S. Kliniash
D.Sc. (Engineering). Professor. Department of Industrial Electronics. Komsomolsk-on-Amur State University, Komso-molsk-on-Amur. Russia. E-mail: klimash@yandex.ru. ORC1D: https://orcid.org/0000-0002-8150-5013
Audrey M. Konstantinov
Ph D. (Engineering). Associate Professor. Department of Power Supply Systems. Far Eastern State Transport University, Khabarovsk, Russia. E-mail: kamfes@mail.ru. ORC1D: https://orcid.org/0000-0003-2342-1142
lite problem of improving the quality of voltage for three-phase electricity consumers when they are powered from transformer substations, including complete transformer substations, with a voltage of 10/0.4 kV is considered and a comparative analysis of existing three-phase voltage stabilization devices is performed. Their main disadvantages are revealed. A variant of the power circuit without an input converter transformer and the connection of a three-phase voltage stabilizer to the secondary winding of the main transformer of the substation is proposed, which allows minimizing its mass-dimensional parameters. The stabilizer is a low-power block-modular thyristor-transistor channel containing a high-frequency
link that provides the formation and regulation of the voltage of the voltage booster for the load together with the voltage of the main transfonner of the substation. A step-down transformer operating at a frequency of 450 Hz is used as a link of increased frequency. The paper provides a brief description of the scheme and principle of operation of the proposed three-phase voltage stabilizer as well as ways to control it. The construction of the adjustment characteristics and the harmonic analysis of the load voltage for these control methods are performed. Analytical relations are obtained for the current voltage on the load during stabilization, its first harmonic and average value, respectively, when the amplitude is regulated by a reverse rectifier and pulse-
width regulation by a voltage inverter. Simulation of the device operation in various operating modes, namely, at low voltage in the network and at load, and at high voltage in the network and at load, was performed. Some results of simulation modeling in the Matlab/Simul ink software environment are presented. Conclusions 011 the work are made.
Keywords, stabilizer, high frequency link, complete transformer substation, reverse rectifier, voltage inverter, direct frequency converter, main transformer substation, amplitude control method, pulse width control method, voltage quality, electricity consumers, simulation, MATLAB/Simulink.
References
1. GOST R 58408-2019. Auxiliary electric networks for railway traction substations, transformer substations and power supply linear devices. Technical requirements, design rules, electric calculation methods. Moscow, Standartinform Publ., 2019. 64 p. (In Russian)
2. STO 70238424.29.240.10.009-2011. The electrical distribution system. Substations 6-20/0,4 kV. The conditions of the building. Norms and requirements. Moscow, Non-profit Partnership - Innovations in electric power engineering Publ., 2011.23 p. (In Russian)
3. STO 34.01-3.2-010-2017. Devices Oil-load tap-changer (OLTC). General requirements. Moscow, Rosseti Publ., 2017. 22 p. (In Russian)
4. Haibin Zhonl, Xiaojiang Yan, and Guanwei Liu. A review on voltage control using on-load voltage transformer for the power grid. lOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, Sci. 252 032144, pp. 1-10 (doi: 10.1088/1755-1315/252/3/032144).
5. STO 56947007-29.240.30.010-2008. Schematic diagrams of electrical switchgears of 35-750 kV substations. Typical solutions. Moscow, ENAS Publ., 2007. 131 p. (In Russian).
6. Controlling power system parameters through reactive power (VAr) compensation. [Electronic resource]. - Access mode: https://elecUical-engmeermg-portal.com/reactive-power-var-compensation, free. - (accessed 24 March 2020).
7. Aleksandrov G.N., Lunin V.P. Upmvlyaemye reaktoty [Con-
Климаш B.C., Константинов A M. Стабилизатор трёхфазного напряжения для трансформаторных подстанций 10/0.4 кВ и анализ способов его у правления // Электротехнические системы и комплексы. 2020. № 2(47). С. 33-10. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2О20-2(47)-33-40
trolled reactor]. St. Petersburg, Energy training center Publ., 2005. 199 p. (In Russian)
8. Voltage stabilisers. User manual STS-5. [Electronic resource]. Access mode: http://td-elmash.ru/produkciya/stabilizatoiyi-napryazheniya, free (accessed 24 March 2020). (In Russian)
9. Zinin Yu., Sminiov Yu., Yakovlev V. Development of programmable control unit of powerful three-phase voltage stabilizers of STS type. Silovaya elektronika [Power electronics], 2013, no. 1, pp. 78-83. (In Russian)
10. Kireeva E.A. New series of industrial three-phase voltage stabilizers STS-5. Promyshlennaya energetika (Industrial power]. 2009, no. 12, pp. 51-52. (In Russian)
11. Digital voltage stabilisers (DVS) Ortea (Odyssey). [Electronic resource]. Access mode: https://www.ortea.it/en/categorie_prodotli/digital-voltage-stabilisers/, free (accessed 24 March 2020).
12. Klimash V.S., Andrienko P.D. Stabilizator mptyazheniva transformatomoy podstantsii so zvenom povyshennoy chastoty [Voltage stabilizer of a transformer substation with a link of the raised part]. Patent RF, no. 2071633, 1997.
13. Klimash V.S., Konstantinov A.M. Mathematical simulation of three-phase compensator of voltage and reactive power deviations with single-phase link of increased frequency. El-ektro. Elektrotekhnika, elektroenergetika, elektrotekhnich-eskaya promyshlennost [Electro. Electrical engineering, electric power engineering, electrical engineering industry]. 2008, no. 1, pp. 20-23. (In Russian)
14. Klimash V.S. Voltodobavochnye ustroystva dlya kompen-satsii otkloneniy napryazheniya i reaktivnoy energii s ampli-tudnym, impulsnym i fazovyni regulirovaniem | Voltage Booster Aimed at Compensation of Voltage Fluctuations and Reactive Energy Fluctuations with Amplitude, Pulse and Phase Control], Vladivostok. Dalnauka Publ., 2002, pp. 58-59. (In Russian)
15. GOST 32144-2013. Electric energy. Electromagnetic compatibility of technical equipment. Power quality limits in the public power supply systems. Moscow, Standartinfonn Publ., 2014. (In Russian).
Klimash V.S.. Konstantinov A.M. Three-Phase Voltage Stabilizer for 10/0.4 kV Transformer Substations and Analysis of its Control Methods. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electrotechnical Systems and Complexes], 2020. no. 2(47). pp. 33-40. (In Russian). https://doi.org/10.18503/2311 -8318-2020-2(47)-33-40
