Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РЕГУЛИРУЮЩИХ
И КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В СИСТЕМАХ
ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 12
Анализ способов и средств регулирования напряжения на выходе цеховых трансформаторных подстанций 14
Анализ способов и средств компенсации реактивной мощности
на входе цеховых трансформаторных подстанций 24
1.3. Требования к регулирующим и компенсирующим устройствам на
трансформаторных подстанциях современных автоматизирован
ных производств 35
2. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
С КОМПЕНСАЦИЕЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ СО ЗВЕНОМ
ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ТРАНСФОРМАТОРНЬГХ
ПОДСТАНЦИЙ 37
Разработка структурной схемы трансформаторной подстанции с трёхфазным регулятором величины и фазы добавочного напряжения с однофазным звеном повышенной частоты 37
Разработка способов регулирования добавочного напряжения трансформаторной подстанции 41
Способ широтно-импульсного регулирования добавочного напряжения 41
Способ регулирования добавочного напряжения непосредственным преобразователем частоты
по синусоидальному закону 46
2.2.3. Способ регулирования добавочного напряжения
реверсивным выпрямителем и непосредственным
преобразователем частоты 50
Аналитические выражения и характеристики при регулировании добавочного напряжения 51
Стабилизация переменного напряжения 58
Характеристики кривых выходного напряжения в процессе регулирования и стабилизации 59
Компенсация реактивной мощности с одновременной стабилизацией переменного напряжения 66
Генерация реактивной мощности с одновременной стабилизацией переменного напряжения 70
Аналитические выражения при компенсации реактивной мощности 72
Система управления преобразователями компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности 75
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ КОМПЕНСАТОРА ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ СО ЗВЕНОМ ПОВЫШЕННОЙ
ЧАСТОТЫ В СОСТАВЕ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ 79
3.1. Описание блоков, входящих в состав пакета прикладных программ
MATLAB Simulink 79
3.2 Модели трёхфазного и однофазного трансформаторов в пакете
SimPowerSystems 83
3.3. Моделирование систем управления тиристорными преобразовате
лями, ведомыми сетью 87
3.3.1. Модель системы управления трёхфазного реверсивного
выпрямителя 87
Модель системы управления однофазным инвертором напряжения 90
Модель системы управления однофазно-трёхфазного непосредственного преобразователя частоты 92
3.4. Моделирование силовых схем преобразователей 95
Силовая схема реверсивного выпрямителя 95
Силовая схема однофазного инвертора напряжения 96
Силовая схема однофазно-трёхфазного непосредственного преобразователя частоты 97
Исследование пусковых режимов подстанции с компенсатором отклонений напряжения и реактивной мощности 99
Исследование квазиустановившихся режимов работы подстанции
с компенсатором отклонений напряжения и реактивной мощности.. 105
Построение диаграмм электромагнитных процессов работы компенсатора при стабилизации напряжения нагрузки (без сдвига основной гармоники напряжения) 106
Построение диаграмм электромагнитных процессов работы компенсатора при компенсации реактивной мощности со стабилизацией напряжения нагрузки 107
Методика обработки результатов математического моделирования компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности 114
Исследование динамических процессов трансформаторной подстанции с автоматической системой компенсации отклонений напряжения и реактивной мощности 118
Инженерная методика расчёта трёхфазного компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности с однофазным звеном повышенной частоты 128
5
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППРОБАЦИЯ КОМПЕНСАТОРА
ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
И ЕГО ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА 132
Разработка функциональных схем преобразователей компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности 133
Физическое моделирование работы компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности 139
Технико-экономическая оценка от внедрения устройства компенсации отклонений напряжения и реактивной мощности 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154
БИБЛИГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 156
ПРИЛОЖЕНИЕ 170
Введение к работе
Одним из приоритетных направлений в области электроэнергетики является решение проблемы повышения качества электроэнергии и её экономии. На это нацелена Федеральная Комплексная программа «Энергосбережение России» и ряд отраслевых программ.
Качество электроэнергии в значительной степени связано с процессами ее передачи и распределения. Оно является уязвимым параметром для современных промышленных предприятий. В числе факторов, влияющих на качество электроэнергии при ее передаче и распределении, следует назвать отклонение напряжения, питающего потребителей. В общем случае низкое качество напряжения приводит к нарушениям нормального хода производственного процесса или к повреждению оборудования, трансформаторов, электродвигателей.
Решением вышеуказанных проблем занимались: В.А. Веников, P.P. Мамо-шин, Б.Н. Сергеенков, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, Ю.С. Забродин, Ф.Ф. Карпов, И.И. Карташев, В.А. Лабунцов, B.C. Климаш, К.А. Липковский, Ю.К. Розанов, Г.Е. Поспелов и другие авторы.
Устранение отклонений напряжения достигается посредством применения специальных регулирующих и стабилизирующих устройств.
В настоящее время (2008 г.) трансформаторные подстанции напряжением 10/0,4 кВ и 6/0,4 кВ, мощностью до 1000 кВА, как правило, оснащены механическими устройствами регулирования типа РПН. Такие регуляторы обладают низким быстродействием, высоким коэффициентом искажения синусоидальности напряжения, имеют низкую эксплуатационную надёжность и эффективность.
Существующие трансформаторно-тиристорные системы стабилизации, содержащие вольтодобавочные трансформаторы, работают на сетевой частоте 50 Гц, что приводит к завышению габаритов таких стабилизаторов.
Создание стабилизированных источников переменного напряжения малой мощности с ВДТ, работающих в звене повышенной частоты, было положено в Томском институте автоматизированных систем управления и регулирования. В основу построения быстродействующих стабилизаторов был положен принцип модуляции и демодуляции переменного напряжения с широтно-импульсным регулированием добавочного напряжения.
Вопросами разработки подобного класса устройств занимались: В.П. Ми-ловзоров, Г.Я. Михальченко, А.Н. Милях, Р.П. Карташов, Б.К. Жарский, К.А. Липковский, Ю.К. Розанов, А.В. Кобзев, Г.С. Мыцык, С.С. Окунь, В.Е. Тон-каль, В.Д. Кулик, А. Г. Савин и др.
К недостаткам таких регуляторов следует отнести: высокий уровень коммутационных потерь, наличие большого количества полностью управляемых ключей с двухсторонней проводимостью, половина из которых включена в цепь нагрузки, что увеличивает коэффициент искажения тока сети.
Серийно выпускаемые отечественные стабилизаторы трёхфазного напряжения типа СТС-2М не только не обеспечивают компенсацию реактивной мощности, а напротив, потребляют дополнительную реактивную мощность, а стабилизаторы типа СТН обеспечивают только частичную нерегулируемую компенсацию реактивной мощности.
Современные трансформаторные подстанции не укомплектованы системами компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения. Это приводит, в свою очередь, к потерям электроэнергии, снижению срока службы электрооборудования, задействованного в выработке, передачи и распределении электроэнергии. Кроме того, снижение потребляемой реактивной мощности представляет собой один из факторов, влияющих на эффективность использования электроэнергии.
Вопросам компенсации реактивной мощности посвящены труды В.А. Вени-кова, P.P. Мамошина, А.К. Шидловского, Г. Супруновича, P.M. Матуры, Г.Е. Поспелова, В.А. Лабунцова, А.А. Крюкова, В.В. Красника, В.И. Кочкина, Б.А.
8 Константинова, И.Н. Ковалёва, И.И. Карташева, Ф.Ф. Карпова, Г.С. Зиновьева, В.М. Глушкова и др.
К недостаткам компенсаторов реактивной мощности следует отнести:
большую установленную мощность реакторного оборудования;
сниженное быстродействие;
отсутствие возможности для точного и плавного регулирования реактивной мощности.
Применяемые в нашей стране и за рубежом компенсаторы реактивной мощности на основе конденсаторов и управляемых реакторов могут работать только в одном из двух режимов:
в режиме поддержания напряжения с неуправляемой компенсацией реактивной мощности;
в режиме поддержания заданной фазы тока сети без стабилизации напряжения.
Поэтому создание компенсатора реактивной мощности сети с одновременной стабилизацией напряжения нагрузки (два в одном) с улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями, высоким быстродействием и высокой степенью готовности к производству является весьма актуальной.
Целью работы является улучшение энергетических и массогабаритных показателей трансформаторной подстанции путём усовершенствования трёхфазного компенсатора отклонений напряжения нагрузки и реактивной мощности сети.
Для достижения поставленной цели ставились и решались следующие задачи:
Выполнить анализ способов и средств стабилизации напряжения на выходе и компенсации реактивной мощности на входе трансформаторной подстанции.
Разработать способы совмещения функций стабилизатора и компенсатора в одном устройстве.
Разработать трёхфазный трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения нагрузки и реактивной мощности сети с однофазным звеном повышенной частоты для трансформаторных подстанции и его систему управления.
Произвести математическое моделирование в среде MATLAB трёхфазного компенсатора отклонений напряжения нагрузки и реактивной мощности сети с однофазным звеном повышенной частоты.
Разработать способ пуска трансформаторной подстанции с последующим переводом устройства на стационарный режим с двухконтурным подчинённым регулированием.
Разработать автоматическую систему регулирования компенсатора в пусковых и стационарных режимах.
Исследовать физические процессы трёхфазного компенсатора отклонений напряжения нагрузки и реактивной мощности сети с однофазным звеном повышенной частоты в составе трансформаторной подстанции в пусковых и стационарных режимах.
Выполнить технико-экономическую оценку от внедрения на трансформаторной подстанции компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности с однофазным звеном повышенной частоты.
Научная новизна работы:
разработана математическая модель и алгоритмы управления усовершенствованного компенсатора отклонений напряжения нагрузки и реактивной мощности сети для трансформаторной подстанции;
разработан способ автоматического регулирования напряжения нагрузки и реактивной мощности сети в пусковых и стационарных режимах;
получены уточнённые аналитические выражения для определения действующих значений напряжения нагрузки и его первой гармоники при действии трёхфазного компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности при наличии нейтрального провода в звене повышенной частоты и без него.
Практическая ценность работы:
разработана усовершенствованная схема трёхфазного компенсатора отклонений напряжения нагрузки и реактивной мощности сети для трансформаторной подстанции, путём включения в него однофазного звена повышенной частоты;
разработана автоматическая система компенсации реактивной мощности на входе и стабилизации напряжения на выходе комплектной трансформаторной подстанции;
разработан и внедрён в учебный процесс комплекс программ для исследования электромагнитных процессов в математической модели трёхфазного компенсатора отклонений напряжения нагрузки и реактивной мощности сети с однофазным звеном повышенной частоты для трансформаторной подстанции;
предложена инженерная методика расчёта трёхфазного компенсатора отклонений напряжения нагрузки и реактивной мощности сети с однофазным звеном повышенной частоты для трансформаторной подстанции на основе разработанной математической модели.
На защиту выносятся следующие положения:
новое техническое решение силовой части компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности с однофазным звеном повышенной частоты, улучшающее энергетические и массогабаритные показатели трансформаторной подстанции;
математическая модель усовершенствованного компенсатора отклонений напряжения нагрузки и реактивной мощности сети для трансформаторной подстанции;
комплекс программ для исследования электромагнитных процессов в математической модели трёхфазного компенсатора отклонений напряжения нагрузки и реактивной мощности сети с однофазным звеном повышенной частоты для трансформаторной подстанции;
способ автоматического регулирования напряжения нагрузки и реактивной мощности сети в пусковых и стационарных режимах;
методика определения действующих значений напряжения нагрузки и его
первой гармоники при действии трёхфазного компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности при наличии нейтрального провода в звене повышенной частоты и без него. Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:
- на региональной научно-технической конференции творческой молодежи
«Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования»,
Хабаровск, ДВГУПС, 18-19 апреля 2006 года;
- на 5-й Международной научной конференции творческой молодежи
«Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке»,
Хабаровск, ДВГУПС, 17-19 апреля 2007 года;
на заседаниях кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика», Хабаровск, ДВГУПС, 2005-2007 годы;
на научно-техническом семинаре кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика», Хабаровск, ДВГУПС, 2007 год;
на научно-техническом заседании инженерного центра ФГУП ВНИИФТИ «Дальстандарт», Хабаровск, 2007 год;
на расширенном заседании кафедры «Электропривод и автоматика промышленных установок», Комсомольск-на-Амуре, КнАГТУ, 2008 год.
Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 14 статьях, в том числе в 2 статьях, опубликованных в центральной печати и соответствующих требованиям ВАК, 4 свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ и 1 патенте на изобретение.
Объём и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, изложенных на 169 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка, 10 таблиц, библиографический список из 125 наименований и приложения.
