CC BY
89УДК 621.3.004.18
СТАТКОМ КАК СРЕДСТВО РЕШЕНИЯ ВОПРОСОВ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
Г.Г. Уваров, Е.П. Зацепин
ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет»
Аннотация. Наличие реактивной мощности и несимметричной нагрузки неблагоприятно сказывается на эксплуатации системы электроснабжения с точки зрения энергосбережения. Поэтому необходимо рассматривать установку устройств на промышленных предприятиях, которые позволят снизить негативное влияние данных факторов. В статье предлагается использовать такое комбинированное решение как статический синхронный компенсатор реактивной мощности типа СТАТКОМ. Представлена схема подключения устройства к сети, его внутреннюю структуру системы управления с анализом ее работы в указанных условиях наличия негативных факторов. Анализ показал, что система управления хорошо справляется с поставленной задачей и применение СТАТКОМ является целесообразным решением. Исследование работы устройства для компенсации реактивной мощности типа СТАТКОМ показало его полную пригодность на промышленных предприятиях для рационального использования невозобновляемых природных ресурсов, затрачиваемых на генерацию электрической энергии и не только, а также дает экономический эффект, заключающийся в снижении платы за электроэнергию из-за отсутствия активных потерь и реактивной мощности.
Ключевые слова: СТАТКОМ, преобразование Парка-Горева, система управления СТАТКОМ, энергосбережение, компенсация реактивной мощности
Введение. В последнее время особую популярность приобрел вопрос энергосбережения на промышленных предприятиях. И связано это в первую очередь с неконтролируемым ростом количества самих предприятий и, как следствие, увеличение спроса на невозобновляемые природные ресурсы. Также не стоит забывать о том, что на большинстве предприятий еще остается старое, неэффективное оборудование, которое требует либо модернизации, либо замены.
Выделяют целый ряд направлений политики энергосбережения,
одними из которых являются следующие:
- контролирование коэффициента мощности cosф;
- снижение влияния несимметричной нагрузки на систему электроснабжения [1].
Коэффициент мощности cosф тесно связан с таким параметром, как реактивная мощность Q через соотношение:
где P и Q - активная и реактивная мощности, соответственно
При передаче реактивной мощности происходит потеря активной мощности АР, которую можно определить по следующей формуле:
где U - линейное напряжение; R - активное сопротивление фазы [3].
Как отмечалось выше, помимо реактивной мощности, еще одной проблемой в системе электроснабжения является несимметричная нагрузка, которая характеризуется появлением токов обратной последовательности в полных токах. Токи обратной последовательности вызывают дополнительные потери активной мощности.
Таким образом, для решения обозначенных проблем наиболее рациональным считается применение универсального устройства, позволяющего не только компенсировать реактивную мощность, но и снижать влияние несимметричной нагрузки. И таким устройством является СТАТКОМ.
Основная часть. СТАТКОМ (STATCOM - static synchronous compensator) - статический синхронный компенсатор реактивной мощности, предназначенный для компенсации реактивной мощности, симметрирования нагрузок в фазах, улучшения гармонического состава тока и напряжения и поддержания напряжения на необходимом уровне. Он построен на основе полностью управляемого инвертора напряжения и в качестве силовых ключей применяются IGBT- и MOSFET-транзисторы или IGCT- и GTO-тиристоры. Предпочтение отдают IGBT транзисторам из-за относительно малых потерь при переключениях, высоких предельных параметров единичного прибора и высокой частоты работы, которая сказывается на гармоническом составе выходных напряжений и токов [4-5].
Устройство компенсации реактивной мощности типа СТАТКОМ состоит из трех основных элементов: источника
P
(1)
[2].
U2
(2)
постоянного напряжения, в качестве которого используется конденсатор, управляемого инвертора напряжения и реактора. По необходимости установка также комплектуется понижающим трансформатором для согласования уровней напряжений сети и инвертора и фильтрами высших гармонических составляющих, настроенных на частоту работы силовых ключей. На рисунке 1 представлен пример подключения устройства [6 - 8].
УИН - управляемый инвертор напряжения;
!а, Лз, 1С - сетевые токи;
Уа, Ув, ис - сетевые напряжения;
Еиа, Еив, Еис - напряжение инвертора;
1иА, !ив, Лис - токи инвертора;
ЬРА, ЬРВ, ЬРС - индуктивности фазных
реакторов;
Т - понижающий трансформатор (может отсутствовать);
иос - напряжение конденсатора
Рисунок 1 - Схема подключения компенсатора к сети
Система управления СТАТКОМ в большинстве случаев строится на основании преобразования трехфазной системы векторов токов или напряжений в двухфазную вращающуюся систему координат, называемым преобразованием Парка-Горева. Выражения, по которым осуществляется переход, выглядят следующим образом:
2, ,
гА = вт(ш1) + гЪ 8т(ш1 -120°) + 1С 8т(ш1 +120°)), 2
\ = ^('а С08(ш1) + гЪ С08(ю1 -120°) + гС С08(ю1 +120°)),
(3)
где га, гЪ, 1С - мгновенные значения токов трехфазной системы,
А;
1а и ¡ч - проекции обобщенного вектора на оси новой системы координат, А;
ю - угловая частота вращения векторов токов, рад/с; 1 - момент времени, с.
Обратный переход в трехфазную систему векторов осуществляется по следующим уравнениям:
га = 8т(ю0 + г'ч С08(ю1),
гЪ = 8т(ю1 -120°) + г„ шзМ -120°),
(4)
гС = г'А 8т(ю1 +120°) + г'ч С08М +120°).
Анализ выражения (3) показал, что при симметричной активной нагрузке проекции обобщенного вектора на оси d и q являются
константами, причем проекция на ось q равна 0, а появление составляющей говорит о наличии реактивной нагрузки в потребляемом токе. Идентифицировать наличие обратной последовательности можно по возникновении периодических составляющих с частотой 100 Гц в проекциях на оси d и q [9].
Выбранная структура системы управления статического синхронного компенсатора реактивной мощности представлена на рисунке 2 [10].
ди -
Иуст-
Регулятор напряжения на стороне переменного тока
о
ыь_ ис.
Преобразование иа,иъ,ис в иа,ич и Вычисление параметров сетевого напряжения Ит1 Вычисление токов преобразователя
—» а
¡а 1т2
Преобразование ¿а,гъ,гс в га,гч Вычисление параметров несимметрии
—» ¡ч 1 в
Рисунок 2 - Структура системы управления СТАТКОМ
Для вычисления параметров сетевого напряжения требуется из проекций иа и ия выделить постоянные составляющие, которые обуславливают прямую последовательность. Для этого используются интегральные фильтры второй гармоники:
0,01
иё1 =
0,0^ а
0 0,01
(5)
ич1= 001 I и1(1)Л'
Амплитуда прямой последовательности напряжения сети находится по формуле:
Ит1 = + и2
(6)
Фаза прямой последовательности напряжения сети вычисляется по выражению:
а = аг^
( ^ ш
(7)
Для определения параметров несимметрии сети из проекций обобщенного вектора тока га и гч выделяют периодические составляющие, определяющие однозначность появления обратной
¡иЪ
0
последовательности в фазных токах сети. С этой целью также применяются интегральные фильтры второй гармоники по выражениям (5), которые выделяют постоянные составляющие проекций, а периодические составляющие вычисляют следующим образом:
У2 = ¡А - (8)
= ¡ц - ^1.
После чего находят проекции вектора обратной последовательности на вектора единичных синусоиды и косинусоиды фазы А:
2 = ¡А 2 • 81п(® 1) + ¡^2 • С08(ю 1). ( )
Стоит отметить, что данную операцию по выражениям (9) следует выполнять дважды для получения требуемого результата.
Амплитуда тока обратной последовательности находится по выражению:
Гт2 = у/^2 + V. (10)
Фаза тока обратной последовательности вычисляется по выражению:
Р , ( ^ р = агС^--—
Входными параметрами регулятора напряжения на стороне переменного тока являются:
- амплитуда напряжения прямой последовательности Ить
- максимально допустимый ток инвертора в одной фазе 1тах;
- уставка напряжения прямой последовательности иуст;
- максимальное отклонение напряжения от уставки Ди.
Максимальная реактивная мощность, которую может выдать
инвертор, вычисляется по следующей формуле:
Qmax = 3йуст I тах • (12)
Требуемая величина реактивной мощности вычисляется следующим образом:
^ Qmax(Uуст - ит1) (13)
дй .
Определив все необходимые входные параметры, производится вычисление формы кривых фазных токов преобразователя по выражениям:
(11)
гиа = - Im t + а) - ^^(га t + Р),
гиЬ =-^^(га t+а-120°) - ^^(га t+Р +120°), (14)
гис = - Imqlsin(ю t + а +120°) - Im2sm(ю t + Р -120°),
где
I
mq1
амплитуда реактивного тока прямой
последовательности, А.
Амплитуду реактивного тока прямой последовательности определяют по следующей формуле:
I = 2 Q
Imq1
(15)
3 Uml
Промоделируем на статичной модели, созданной в программе Mаtlаb Simulink, самый тяжелый и распространенный режим нагрузки - индуктивная несимметричная. Результаты моделирования представим на рисунке 3.
Ток компенсатора
До подключения
А /иа
*ис\/ у
1, А, 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 .=4]
После подключения
0,01 0.02 0,03 и
0 0,01 0,02 0,03
Рисунок 3 - Результаты моделирования индуктивной несимметричной нагрузки
Как видно из рисунка 3 система управления компенсатора определила параметры сетевого тока и задала такой ток в фазах, который скомпенсировал как реактивную мощность (снижение амплитуды тока), так и несимметричную составляющую, о чем свидетельствуют осциллограммы после подключения СТАТКОМ.
Выводы: Анализ работы устройства для компенсации реактивной мощности типа СТАТКОМ показал его полную пригодность на промышленных предприятиях для рационального использования невозобновляемых природных ресурсов, затрачиваемых на генерацию электрической энергии и не только, а также дает экономический эффект, заключающийся в снижении платы за электроэнергию из-за отсутствия активных потерь и реактивной мощности.
Список использованных источников:
1. 1. Игнатьев, В.Н. Советы по энергосбережению на промышленных предприятиях [Текст] / В.Н. Игнатьев // Энергосовет. -2016. - №2. - С. 31 - 35.
2. Основы теории цепей [Текст]: учебник для вузов / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. - Москва: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.
3. Железко, Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии [Текст]: руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - Москва: ЭНАС, 2009. - 456 с.
4. Суд, В.К. HVDC and FACTS Controllers: применение статических преобразователей в энергетических системах [Текст]: монография / В.К. Суд. - Москва: НП Научно-инженерное информационное агентство, 2009. - 344 с.
5. Ненахов, А.И. Разработка методик подавления колебаний напряжения и коррекции формы токов резкопеременных промышленных нагрузок с помощью быстродействующих управляемых устройств [Текст]: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.09.03: защищена 23.06.17 / Ненахов Александр Игоревич; МЭИ. - Москва, 2017. - 152 с.
6. Mokhtari, A. Study, analysis and simulation of static compensator D - STATCOM for distribution system of electric power [Текст] / Ahmed Mokhtari, Fatima Z. Gherbi, Cherif Mokhtar, Kamel D.E. Kerrouche, Ameur F. Aimer // Leonardo Journal of Science. - 2014. - № 25. - С. 117 -130.
7. Ramesh, G.B. Applications of D-STATCOM for Power Quality Improvement in Distribution System [Текст] / G.B. Ramesh, L. Pruthviraja // International Journal of Current Engineering and Technology. - 2016. -Том 6. - №1. - С. 5 - 12.
8. Кукарекин, Е.А. Устройство компенсации реактивной мощности типа D-STATCOM для распределительных сетей 6-10 кВ [Текст] / Е.А. Кукаре-кин, К.В. Хацевский // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки: сб. статей. -Новосибирск: АНС СибАК, 2015. - С. 219 - 224.
9. Марикин, А.Н. Применение преобразования Парка - Горева для управления статическим компенсатором реактивной мощности тяговой сети переменного тока [Текст] / А.Н. Марикин, С.В. Кузьмин, С.А. Виноградов // Вестник РГУПС. - 2013. - № 2. С. 47 - 54.
10. Пешков, М.В. Разработка и управление системы управления статическим компенсатором реактивной мощности типа СТАТКОМ для электроэнергетических систем [Текст]: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.14.02, 05.09.12: защищена 28.04.09 / Пешков Максим Валерьевич; филиал ОАО «НТЦ электроэнергетики» -«ВНИИЭ». - Москва, 2009. - 159 с.
11. Уваров, Г.Г. Анализ функционирования статических компенсаторов реактивной мощности [Текст]: выпускная квалификационная работа бакалавра : 13.03.02 : защищена 02.07.18 /
Уваров Геннадий Геннадьевич. - Липецк, 2018. - 74 с.
Геннадий Геннадьевич Уваров, студент кафедры электрооборудования Евгений Петрович Зацепин, кандидат технических наук, доцент
кафедры электрооборудования genagitarist777@mail.ru. Россия, Липецк, ФГБОУВО «Липецкий государственный технический университет»
STATCOM AS A MEANS OF ADDRESSING ISSUES OF ENERGY SAVING G. G. Uvarov, E. P. Zatsepin Lipetsk state technical University
Abstract. The presence of reactive power and asymmetric load adversely affects the operation of the power supply system in terms of energy saving. Therefore, it is necessary to consider the installation of devices in industrial enterprises, which will reduce the negative impact of these factors. The article proposes to use such a combined solution as a static synchronous reactive power compensator of the STATCOM type. The scheme of connection of the device to the network, its internal structure of control system with the analysis of its work in the specified conditions of existence of negative factors is presented. The analysis showed that the control system copes well with the task and the use of STATCOM is an appropriate solution. The study of the device to compensate for the reactive power of the STATCOM type showed its full suitability in industrial enterprises for the rational use of non-renewable natural resources spent on the generation of electric energy and not only, and also gives an economic effect, which is to reduce electricity fees due to the lack of active losses and reactive power.
Keywords: STATCOM, Park-Gorev transformation, STATCOM control system, energy saving, reactive power compensation
Gennady Gennadievich Uvarov, student of the department of
electrical equipment Evgeny Petrovich Zatsepin, candidate of technical sciences, associate professor of electrical equipment department genagitarist777@mail.ru. Russia, Lipetsk, Lipetsk state technical university
