Повышение управляемости фазоповоротных устройств с тиристорными коммутаторами Федорова Мария Игоревна

Содержание к диссертации

Введение

Глава1. STRONG Выбор объекта исследования и обзор алгоритмов управления ФПУ с тиристорным

коммутатором STRONG 10

1.1 Обзор фазоповоротных устройств 10

1.2 Классификация ФПУ с полупроводниковым управлением 17

1.3 Фазоповоротное устройство с тиристорным коммутатором и симметричным регулированием 22

1.4 Проблемы и особенности существующих алгоритмов управления ФПУ с тиристорным коммутатором 26

1.5 Цель и задачи исследований 32

1.6 Алгоритм управления с переключением тиристорного коммутатора в нуле тока 33

1.7 Методология исследований 39

1.8 Имитационная модель системы управления тиристорным коммутатором при использовании алгоритма управления с переключением в нуле тока 44

1.9 Выводы по главе 1 51

Глава2. Разработка аналитических моделей и анализ режимов работы ФПУ при переключении в нуле тока ТК 52

2.1 Развитие аналитических моделей для полнофазных режимов работы ФПУ 52

2.1.1 Аналитическая модель установившегося полнофазного симметричного режима работы ФПУ в энергосистеме 52

2.1.2 Аналитическая модель установившегося полнофазного несимметричного режима работы ФПУ в энергосистеме 60

2.2 Разработка аналитических моделей для неполнофазных режимов работы ФПУ 66

2.2.1 Аналитическая модель установившегося неполнофазного симметричного режима работы ФПУ в энергосистеме 66

2.2.2 Аналитическая модель установившегося неполнофазного несимметричного режима работы ФПУ в энергосистеме 74

2.3 Верификация аналитических моделей для различных режимов работы ФПУ 80

2.3.1 Верификация аналитической модели полнофазного симметричного режима работы ФПУ в энергосистеме 80

2.3.2 Верификация аналитической модели неполнофазного симметричного режима работы ФПУ в энергосистеме 84

2.3.3 Верификация аналитической модели полнофазного несимметричного режима работы ФПУ в энергосистеме 89

2.3.4 Верификация аналитической модели неполнофазного несимметричного режима работы ФПУ в энергосистеме 93

2.4 Валидация аналитических моделей режимов работы ФПУ на физическом макете

2.5 Выводы по главе 2 107

Глава3. Исследование реализуемости алгоритма управления с переключением ТК в нуле тока 108

3.1 Основные характеристики полнофазного симметричного режима работы ФПУ 109

3.2 Влияние режимов работы ФПУ на линию электропередачи при переключении по алгоритму в нуле тока ТК 122

3.3 Исследование перераспределения фазных токов коммутатора во время переключения 135

3.4 Влияние процессов на фазные напряжения коммутатора во время переключения 142

3.5 Влияние процессов на вентили во время переключения и условия запираемости вентилей 152

3.6 Реализация и быстродействие алгоритма управления с переключением в нуле тока ТК на физической модели 169

3.7 Режим защитного отключения ТК ФПУ путем снятия импульсов управления со всех фаз тиристорного коммутатора 175

3.8 Выводы по главе 3 181

Глава4. Разработка методики выбора тиристоров на основе показателей надежности и расчетных значений коэффициентов перенапряжений при переключении по алгоритму в нуле тока ТК 182

4.1 Разработка методики расчета надежности ТК ФПУ 182

4.1.1 Расчет параметров функции распределения интенсивности отказов тиристоров ТК 184

4.1.2 Расчет вероятности безотказной работы высоковольтных двунаправленных тиристорных ключей различной конфигурации и параметров надежности ТК

4.2 Cравнение результатов расчета надежности и выбор рациональной конфигурации двунаправленных тиристорных ключей для ТК с переключением на разрешенных временных интервалах и в нуле тока 193

4.3 Методика выбора конфигурации тиристорного коммутатора при использовании алгоритма переключения ТК в нуле тока 203

4.4 Выводы по главе 4 204

Заключение 206

Список литературы

• Проблемы и особенности существующих алгоритмов управления ФПУ с тиристорным коммутатором
• Аналитическая модель установившегося неполнофазного симметричного режима работы ФПУ в энергосистеме
• Влияние режимов работы ФПУ на линию электропередачи при переключении по алгоритму в нуле тока ТК
• Cравнение результатов расчета надежности и выбор рациональной конфигурации двунаправленных тиристорных ключей для ТК с переключением на разрешенных временных интервалах и в нуле тока

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Работа посвящена актуальной задаче электроэнергетики – управлению режимами работы энергосистемы с целью регулирования потоков электроэнергии в сложных сетях. Для ее решения активно развиваются технологии управляемых систем электропередач переменного тока FACTS.

Фазоповоротные устройства (ФПУ) являются одним из эффективных устройств управления режимами работы воздушных линий электропередачи (ВЛ) особенно в тех случаях, когда энергосистема имеет большое число параллельных линий, включенных между двумя узлами. Фазоповоротное устройство создает дополнительную регулируемую продольную вольтодобавку (как по модулю, так и по фазе) в линии электропередачи, где установлено ФПУ. Управление режимами работы линии электропередачи с помощью ФПУ оказывает существенное влияние как на режимы работы параллельных линий электропередачи, так и на энергосистему в целом.

За рубежом широко применяются фазоповоротные трансформаторы (ФПТ) с устройствами регулирования под нагрузкой (РПН), имеющие низкое быстродействие и надежность. При высоком быстродействии ФПУ его можно использовать для управления энергосистемой в динамических режимах работы и повышения ее устойчивости. Применение тиристорного коммутатора в ФПУ принципиально позволяет обеспечить его высокую управляемость и высокое быстродействие. Однако реализация этих преимуществ требует детального анализа сложных электромагнитных процессов как в самой схеме ФПУ, так и в линии электропередачи, где оно установлено. Отсутствие на сегодняшний день разработанных подходов к проектированию ФПУ с ТК и их цифровых систем управления сдерживает процесс их практического внедрения. Как показывают исследования, на электромагнитные процессы существенно влияет также и способ управления тиристорным коммутатором. Поэтому исследование путей повышения управляемости и быстродействия ФПУ с ТК является актуальной научно-технической задачей для разработки отечественных полупроводниковых устройств силовой электроники для управления режимами работы FACTS.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам применения ФПТ и ФПУ посвящено множество работ ученых России и зарубежья, таких как: ВениковВ.А., ШакарянЮ.Г., ГринштейнБ.И., АлександровГ.Н., КалюжныйА.Х., РыжовЮ.П., СитниковВ.Ф., ЧебанВ.М., SeitlingerW., VerboomenJ. и др.

В настоящее время вопросы управления ТК ФПУ активно исследуются в ОАО «ЭНИН», на каф. Промышленной электроники «НИУ «МЭИ» под руководством Панфилова Д.И. Этим вопросам посвящены диссертационные работы Рашитова П.А. и Новикова М.А. При известных алгоритмах управления ТК основной нерешенной проблемой является ограниченная управляемость ТК, связанная с зависимостью процессов переключения ТК от режима работы линии электропередачи. Устранение этих ограничений приводит к усложнению

алгоритмов управления ТК, потере быстродействия ФПУ и снижению его управляемости.

Целью диcсертационной работы является повышение управляемости и быстродействия переключения тиристорного коммутатора фазоповоротного устройства в любых режимах работы энергосистемы.

Задачи диссертации:

1. Разработка нового способа и алгоритма управления ТК ФПУ, обеспечивающего полную управляемость и предельно высокое быстродействие.

2. Анализ и исследование режимов работы ФПУ при реализации нового способа.

3. Разработка аналитических моделей для описания процессов и режимов работы ФПУ при управлении ТК.

4. Верификация аналитических моделей на имитационной модели ФПУ при реализации предложенного способа управления ТК.

5. Валидация аналитических моделей на экспериментальном образце ФПУ.

6. Исследование влияния особенностей работы ТК на процессы в ФПУ и ВЛ.

7. Разработка методики расчета показателей надежности ТК ФПУ, учитывающей топологию коммутатора.

8. Разработка методики выбора количества тиристорных ключей в ТК на основе показателей надежности.

Научная новизна:

9. Предложен новый способ управления ТК ФПУ (патент на изобретение 2577190 РФ от 11 февраля 2016 г.).

10. Способ обеспечивает полную управляемость ФПУ при любых режимах работы ВЛ.

11. Способ обеспечивает быстродействие ФПУ в пределах периода работы сетевого напряжения.

12. Разработаны аналитические модели ФПУ с ТК для исследования режимов работы ФПУ и ВЛ при реализации предложенного способа управления.

Практическая значимость работы:

13. Разработана система управления ФПУ, реализующая предложенный способ управления ТК (патент на полезную модель 154310 РФ от 23 июля 2015 г.), обеспечивающий полную управляемость ФПУ.

14. Исследованы специфические режимы работы ФПУ и ВЛ, связанные с реализацией предложенного способа управления ТК. Определены дополнительные требования к ТК, влияющие на обеспечение требуемой надежности его работы.

15. Предложена имитационная модель системы управления для модельных исследований ФПУ при реализации предложенного способа управления.

16. Разработана методика расчета показателей надежности и определения количества тиристорных ключей в ТК.

17. Предложенный способ управления ТК в системе управления ФПУ внедрен по договору с Минобрнауки России № 14.579.21.0045 от 26.08.2014 г.

Объектом исследования является ФПУ с ТК. Предмет исследования – способ повышения управляемости ФПУ с ТК.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач использовались: теория электрических цепей, теория систем линейных уравнений, теория надежности, численные методы решения систем линейных уравнений, методы имитационного моделирования в программном пакете Matlab&Simulink, экспериментальные исследования на физической модели.

Основные положения, выносимые на защиту:

18. Способ управления ТК ФПУ (патент на изобретение 2577190 РФ) и система управления для его реализации (патент на полезную модель 154310 РФ).

19. Аналитическая модель ФПУ с ТК для исследования процессов при управлении коммутатором по предложенному способу.

20. Методика расчета показателей надежности ТК ФПУ, учитывающая топологию коммутатора.

21. Методика выбора количества тиристорных ключей в ТК при реализации предложенного способа управления на основе показателей надежности.

22. Реализация полной управляемости ФПУ при любых режимах работы ВЛ за счет применения предложенного способа управления ТК.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, а также совпадением в пределах погрешности измерения основных результатов, полученных на основе математического и имитационного моделирования, с результатами натурного эксперимента на физическом макете ФПУ с ТК.

Внедрение результатов работы:

Разработанные алгоритмы управления тиристорным коммутатором ФПУ лежат в основе прикладного программного обеспечения системы управления экспериментального образца автоматизированного узла регулирования транспортных потоков мощности на базе ФПУ, разрабатываемого и изготавливаемого ОАО «ЭНИН» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» на основании Соглашения ОАО «ЭНИН» и Минобрнауки России № 14.579.21.0045 от 26.08.2014 г. «Разработка автоматизированного узла регулирования транспортных потоков мощности в интеллектуальной распределительной электрической сети (RFMEFI57914X0045)».

Апробация полученных результатов. Основные результаты работы докладывались на заседаниях и научно-технических семинарах кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»; XIX, XX и XXI Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика», г. Москва, 2013 – 2015 гг.; Международной научно-практической конференции «Глобализация науки: проблемы и перспективы», г. Уфа, 2014 г.; VI международной научно-практической конференции «Современные концепции научных исследований»,

г. Москва, 2014 г.; конференции «Энергетическая безопасность Союзного государства», Белорусский национальный технический университет, г. Минск, 6 - 11 октября 2014 г.; конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (ДНДС-2015), г. Чебоксары 2015 г.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 печатных трудах, из них 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ (3 статьи с переводом в журналах, входящих в международные системы цитирования), 1 статья в сборнике трудов, индексируемом в РИНЦ, 7 тезисов конференций и 2 объекта интеллектуальной собственности (1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель).

Личный вклад автора состоял в разработке нового способа и алгоритма управления ТК, разработке аналитических моделей, планировании, проведении и интерпретации экспериментальных исследований, участии в обсуждении и анализе полученных результатов, проектировании аппаратных узлов и написании фрагментов программного кода системы управления ТК ФПУ, а также в написании научных публикаций по результатам работы и апробации ее результатов.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 215 страницах, имеет 90 иллюстраций, включает титульный лист, оглавление, введение, 4 основных главы результатов работы, заключение, список литературы (90 позиций) и 2 приложения на 42 страницах.

Проблемы и особенности существующих алгоритмов управления ФПУ с тиристорным коммутатором

В настоящее время во всем мире актуален вопрос управляемости электроэнергетических систем (ЭЭС). Мир электрической энергии находится в стадии реструктуризации. Это является актуальным и для России. В России в 2012 г. по заказу ОАО «ФСК ЕЭС» разработана концепция интеллектуальной электроэнергетической системы с активно - адаптивной сетью (ИЭС ААС) [38, 45].

Концепция ИЭС ААС предусматривает создание системы, в которой все субъекты электроэнергетики (генерация, сеть, потребители) принимают активное участие в процессах выработки, передачи и распределения электроэнергии. Электрическая сеть из пассивного устройства транспорта и распределения электроэнергии превращается в активный элемент, оснащенный современными быстродействующими устройствами силовой электроники, предназначенными для управления процессами в электроэнергетической системе в режиме реального времени (в темпе процесса).

Элементы электроэнергетической инфраструктуры, включающие подобные активные высокотехнологичные узлы, входят в класс управляемых или гибких систем (электропередач) переменного тока, в зарубежной терминологии называемых FACTS. Данные гибкие системы позволяют регулировать потоки мощности как между объединенными электроэнергетическими системами (ОЭС), так и внутри самих систем, в том числе в крупных распределительных сетях, позволяют эффективнее использовать межсистемные связи с учетом их ресурсов, оптимизировать использование энергетического оборудования и конъюнктуры рынка электроэнергии [25].

В отечественной литературе опыт создания и применения устройств FACTS наиболее полно обобщен в монографии Ю.Г. Шакаряна и В.И. Кочкина «Применение гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока в энергосистемах» [26]. В книге представлены методы повышения пропускной способности ВЛ и управления потоками мощности, средства регулирования напряжения, повышения статической и динамической устойчивости электроэнергетических систем (ЭЭС) с использованием технологии FACTS. Рассмотрены устройства параллельной компенсации реактивной мощности (статические тиристорные компенсаторы - СТК, управляемые шунтирующие реакторы - УШР), устройства последовательной компенсации (УПК), фазоповоротные устройства - ФПУ, объединенные регуляторы потоков мощности (ОРПМ) [12]. Управление потоками мощности в электрической сети с помощью устройств FACTS можно рассмотреть на простейшем примере участка линии электропередачи, представленном на рисунке 1.1.

На концах участка линии электропередачи введены напряжения Ut и U2 с углами сдвига 5Х и 62. Сопротивления участка линии представлены в виде последовательного соединения реактивного сопротивления с активным [88]. Комплексный ток, протекающий по этому участку линии зависит от разности потенциалов на ее концах: и1-и2 UX LSX-U2 LS2 /l=—= . (1.1) ZL Комплексная мощность однофазной линии электропередач в узле 1 составляет Si = t/iV, (1.2) где IL - комплексно-сопряженный ток линии, U± - напряжение фазы. Подставляя (1.1) в (1.2) и выделяя действительную (активную мощность) и мнимую (реактивную мощность) части, получаем и1и2 ЪХ1 Ul-U±U2 cos AS U±U2 + j[ sin да , sin AS + Si (1.3) R2L+XL R2L+XL Ul-U\U2 cos AS R2L+XL XL RL XL RL где AS = 5X — 52 - фазовый сдвиг между 1 и 2 узлами. В случае идеальной линии без потерь, то (1.4) (1.5) есть при RL = 0, активная и реактивная мощности вычисляются следующим образом: иги2 Рл sinA5, %L Vl-V cosA. XL

Из соотношений (1.4) и (1.5) следует, что активная и реактивная мощности являются функциями четырех переменных: реактивного сопротивления линии, фазового угла сдвига между напряжениями на концах линии и величин этих напряжений. Теоретически, меняя любой из этих параметров, можно влиять на перераспределение активной и реактивной мощностей при наличии сложной замкнутой электрической сети. Например, устройства параллельной компенсации реактивной мощности оказывают воздействие на величину напряжения U1 или U2 в зависимости от места установки, устройства последовательной компенсации регулируют величину реактивного сопротивления XL, фазоповоротные устройства регулируют фазовый сдвиг Д 5, объединенные регуляторы потоков мощности оказывают воздействие на все четыре величины.

В замкнутых электроэнергетических системах наиболее актуальной является задача регулирования потоков активных мощностей. С точки зрения выражения (1.4) одним из способов регулирования активной мощности является изменение угла Д 5, что достигается применением ФПУ.

Назначение ФПУ заключается в создании дополнительного фазового сдвига между напряжением первичных шин и вторичных шин . Это позволяет управлять потоками активной и реактивной мощностей в линиях электропередачи переменного тока. ФПУ могут быть применены для следующих целей: S для направленного перераспределения потоков мощности в сложных замкнутых электрических сетях между системами; S для ограничения перегрузки электрических сетей более низкого напряжения, шунтированных линиями высшего напряжения; S для снижения потерь мощности и электроэнергии в электрических сетях; S для повышения динамической устойчивости электрической системы при больших возмущениях; S для снятия ограничений на выдачу мощности в различных послеаварийных и ремонтных режимах распределительной электросети и расширения возможного диапазона выдачи мощности в нормальных режимах.

Регулируемый фазовый сдвиг, вводимый ФПУ, осуществляется посредством введения вольтодобавочного напряжения между входом и выходом ФПУ в месте установки. Чем больше требуется ввести фазовый сдвиг, тем больше будет величина вольтодобавочного напряжения. Формирование вольтодобавочного напряжения осуществляется за счет использования напряжения линии, такое напряжение называется возбуждающим Возбуждающее напряжение называется независимым, если оно является напряжением линии на входе ФПУ. Возбуждающее напряжение называется зависимым, если это напряжение формируется из напряжения на входе и выходе ФПУ. Существует несколько способов введения вольтодобавочного напряжения: поперечное регулирование, продольно-поперечное регулирование и симметричное регулирование (рисунок 1.2).

При поперечном («квадратурном») регулировании ФПУ вводит вольтодобавочное напряжение, смещенное на ±90 эл.град. относительно входного напряжения ФПУ, которое является возбуждающим (рисунок 1.2 а). При этом выходное напряжение ФПУ увеличивается по амплитуде и изменяется по фазе. Причем амплитуда будет тем больше, чем на больший угол сдвига будет производиться регулирование. Поэтому данный способ регулирования может применяться при небольших углах регулирования (не более 20 эл. град.) [19, 53, 79].

При продольно-поперечном регулировании ФПУ вводит вольтодобавочное напряжение из двух составляющих: продольной и поперечной (рисунок 1.2 б). Продольная составляющая смещена относительно входного напряжения на 180 эл. град., а поперечная - на ±90 эл. град. Поэтому в этом случае изменение амплитуды напряжения является контролируемым, и она может быть любой, как выше, так и ниже амплитуды входного напряжения или равна ей. При небольших углах регулирования (не более 20 эл. град.) можно использовать только поперечную составляющую, а продольную составляющую вводить при углах, больших 20 эл. град. [53, 79].

Аналитическая модель установившегося неполнофазного симметричного режима работы ФПУ в энергосистеме

Одной из первоочередных задач является повышение уровня автоматизации и управляемости сетей, а также их мониторинга за процессом распределения электроэнергии с учетом региональных особенностей. Существует два уровня управления ФПУ - верхний и нижний. Верхний уровень позволяет регулировать угол фазового сдвига ФПУ в моменты времени, когда необходимо переключиться из одного режима в другой. Алгоритмы управления верхнего уровня могут быть реализованы на базе непрерывного или дискретного регулятора.

В полной мере возможно оказывать воздействие на энергосистему с помощью непрерывного регулирования фазового сдвига. Задачами построения непрерывного регулятора для повышения устойчивости работы энергосистемы в нормальных и аварийных режимах, а также демпфированием переходных процессов занимались начиная с 60-х годов в Новосибирском государственном техническом университете под руководством ЧебанаВ.М. [4, 59, 60]. В проведенных исследованиях показана высокая эффективность применения непрерывного регулирования фазового угла в широких пределах, вплоть до +180 эл. град. Для динамической устойчивости энергосистемы в работе Армеева Д.В. [4] показано, что несмотря на непрерывную природу вычисления фазовых воздействий, их реализация может выполняться мелкодискретно (2 - 3 эл. град.).

В зарубежных публикациях исследовались различные способы организации верхнего уровня управления в основном реализующие непрерывное регулирование. В [86] представлен непрерывный регулятор, основанный на принципе нечеткой логики, так называемой Fuzzy Logic. Показано, что при использовании такого регулятора значительно улучшаются динамические свойства электроэнергетической системы. Например, при внесенных во входную мощность 5 % возмущениях, система приходит в норму практически мгновенно по сравнению с тем, если бы такой контроллер не применялся. В [70] описаны способы непрерывного контроля динамических процессов в системе с двумя гидроэлектростанциями и ФПУ. Предложено два метода контроля: оптимизация методом роя частиц (CRPSO) и зашифрованный генетический алгоритм (RGA). Показана наибольшая эффективность CRPSO.

В [68] приведен алгоритм управления тиристорными ФПУ, выполненными по топологии TCQBT. В нормальном режиме работы контроллер минимизирует отклонения перетока мощности за счет случайных изменений в потреблении энергии. Команды для изменения генерируются посредством использования локальных измерений (напряжения и мощности трансформатора), установленного перетока мощности и приблизительных значений эквивалентных сопротивлений энергосистемы. Мощность контролируемой линии либо измеряется, либо выводится из значений тока, напряжения и фазового угла каждую половину периода. Это значение сравнивается с уставкой мощности. Значение ошибки подается на интегратор. Таким образом, определяются дальнейшие действия и происходит стабилизация. Показано, что предложенный алгоритм позволяет существенно снизить колебания мощности в контролируемой линии.

Для реализации непрерывного регулятора необходимо, чтобы и полупроводниковые ФПУ имели возможность плавного регулирования фазового сдвига. Как было показано в параграфе 1.2, с практической точки зрения наиболее эффективным является ФПУ с дискретным регулированием, при этом их исполнение может быть реализовано с мелкодискретным шагом (например, рассматриваемый объект исследования ФПУ с максимальным углом регулирования «max = 20 эл. град. имеет дискретный шаг 1,33 эл. град.).

В Санкт-Петербургском государственном политехническом университете велись исследования по теме фазорегулирующих устройств в области оптимизации показателей установившихся режимов работы энергосистемы с помощью дискретного регулирования фазового сдвига [58]. Принятым критерием регулирования сложно-замкнутой сети является минимум потерь мощности (с учетом ограничений по устойчивости). При использовании ФПУ для улучшения системной динамики показано, что требуется постоянная времени изменения угла ФПУ не менее 0,1 с, что требует от ФПУ соответствующего быстродействия.

В ОАО «ЭНИН» разрабатывали схемы полупроводниковых ФПУ с дискретным регулированием. Задачами работы дискретного регулятора являются:

1. Осуществление ввода ФПУ в эксплуатацию и его вывод из эксплуатации.

2. Регулирование транспортных потоков мощности в сложно-замкнутой многоконтурной сети. Это необходимо для повышения надежности электроснабжения потребителей, а также снижения потерь электроэнергии при ее транспортировке. В зависимости от фазового сдвига напряжения на выходе ФПУ будет меняться мощность, передаваемая как по той линии, где установлено ФПУ, так и в соседних линиях в сложно-замкнутой многоконтурной сети. Регулирование потоков мощности позволяет разгружать наиболее загруженные линии и увеличивать поток мощности в недогруженных линиях.

3. Ограничение тока ВЛ в сложно-замкнутой многоконтурной сети. Перетоки мощности и токовые нагрузки в линиях не должны превышать максимальных и аварийно-допустимых значений. Ограничение тока линии происходит путем изменения состояния ФПУ, которое достигается переключением ступени регулирования. При включении режима ограничения тока линии электропередач проверяется основное условие алгоритма: превосходит ли текущее значение тока в линии заданного ограничения тока. Если превышение зафиксировано, работа в данном режиме прекращается. Если ток в линии не превышает уровня ограничения, то проверятся условие выхода их режима ограничения тока, которое может быть инициировано оператором, либо автоматически системой управления. 4. Оптимизация мощности в сложно-замкнутой многоконтурной сети. Режим оптимизации потерь активной мощности используется в энергосистеме в нормальных режимах для снижения потерь активной мощности при транспортировке электроэнергии. В общем случае, зависимость потерь активной мощности от ступени регулирования – нелинейная. В диссертационной работе ЛоктионоваС.В. [32] показано, что на одной из ступеней регулирования, в зависимости от режима работы энергосистемы, наблюдается минимум потерь мощности в сечении. Следовательно, целью алгоритма, реализующего данную функцию, будет являться поиск ступени регулирования с минимальными потерями в наблюдаемом сечении.

Дискретный регулятор задает угол регулирования, который определяется номером ступени регулирования полупроводникового ФПУ. Сигнал о смене номера ступени с верхнего уровня поступает на нижний уровень. Задача управления нижнего уровня заключается в переключении тиристорных мостов коммутатора соответственно заданному номеру ступени с высокой надежностью и требуемым быстродействием.

В зарубежных статьях не рассматривались особенности переключения тиристорного коммутатора для полупроводникового ФПУ с дискретным регулированием. Несмотря на то, что ТК – безынерционное устройство, которое в любой момент времени может переключиться из одного состояния в другое, задача переключения не является тривиальной. Решением этой задачи занимались в ОАО «ЭНИН», а также ей посвящены две диссертации РашитоваП.А. и НовиковаМ.А. [34, 46], выполненные на кафедре Промышленной Электроники «НИУ «МЭИ» в сотрудничестве с ОАО «ЭНИН».

Большинство известных полупроводниковых коммутаторов ФПУ строится на основе некоторого количества тиристорных мостов переменного тока. Для того, чтобы переключить ФПУ из одной ступени в другую, необходимо, чтобы тиристорные мосты оказались в другом состоянии, значит, нужно снять импульсы с одних тиристоров и подать на другие. При этом происходит выключение одних тиристоров и включение других тиристоров – процесс коммутации. Выключение тиристоров можно осуществлять путем приложения обратного напряжения или снижения тока ниже тока удержания тиристора. Включение тиристора происходит путем подачи импульса управления при приложенном к нему напряжении положительной полярности.

До настоящего времени в работах в области переключения тиристорных мостов в составе ФПУ, выполненных в России, рассматривался способ переключения приложением обратного напряжения [10, 34, 46, 47]. При таком способе управления не прерывается ток в тиристорном коммутаторе, что позволяет в любых топологиях полупроводниковых ФПУ (рисунок 1.4) с дискретным регулированием производить переключения угла регулирования без прерывания тока в линии. Такое управления благоприятно для сети электропередачи, поскольку не вызывает резких изменений формы тока и напряжения в сети.

В данной работе предлагается способ переключения ТК, в котором выключение тиристора осуществляется путем снижения тока ниже тока удержания тиристора. Такой способ управления называется переключением в нуле тока ТК. При таком способе появляется нулевая токовая пауза в ТК. Применение такого способа управления ТК в топологиях ФПУ, где осуществляется раздельное подключение вентильных обмоток СТ (рисунок 1.4а и 1.4б), приведет к тому, что временно появится токовая пауза в сетевых обмотках СТ. При этом СТ в линии становится в режим холостого хода. В результате в токе линии также появится токовая пауза. Прекращение тока в линии может привести к кратковременному отключению потребителей от энергосистемы.

Влияние режимов работы ФПУ на линию электропередачи при переключении по алгоритму в нуле тока ТК

В НПФС режиме работы к выключенному вентилю тиристорного моста фаз В и С, с учетом соответствующих коэффициентов трансформации, прикладывается напряжение UB0 и Uco соответственно. Поэтому, с учетом соотношений (2.112) - (2.113), напряжения на тиристорных вентилях соответствующего МТК фаз B и С вычисляются по формулам

На рисунке 2.5 приведены векторные диаграммы всех напряжений и токов в НПФС режиме работы ФПУ. Эти векторные диаграммы иллюстрируют главную отличительную особенность НПФС режима относительно ПФ С режима работы ФПУ, которой является увеличение вектора фазного напряжения отключенной фазы А ТК UMA, что говорит о возникающем перенапряжении на ТК в отключенной фазе. При этом при переходе из отрицательной ступени регулирования это напряжение возрастает несколько меньше, чем при переходе из положительной ступени. Также происходит изменение напряжения в линии, которое может как увеличиваться, так и уменьшаться. В токах линии также происходит изменение: токи на входе и выходе ФПУ отключаемой фазы ТК в НПФС режиме становятся равными друг другу Ui = !А2, входной ток ФПУ фазы В становится равным выходному току ФПУ фазы С 1В1 = 1С2, а входной ток ФПУ фазы С становится равным выходному току ФПУ фазы В 1С1 = 1В2 [56]. Фазные токи оставшихся включенными фаз равны по модулю и противоположны по знаку 1МВ = -1МС.

Еще один неполнофазный режим, возникающий в процессе переключения по алгоритму в нуле тока, называется неполнофазным несимметричным (НПФ_НС) режимом. При возникновении НПФ_НС режима работы ФПУ коэффициент трансформации ШТ одной неотключенной фазы соответствует начальной ступени регулирования, а другой неотключенной фазы – конечной ступени регулирования. Третья фаза в этом режиме является отключенной, поэтому ее коэффициент ШТ при аналитическом описании не учитывается и уравнения, содержащие этот коэффициент для описания данного режима отсутствуют.

На протяжении всего процесса переключения НПФНС режим работы ФПУ возникает однократно - при выключении фазы В (которое, согласно алгоритму, происходит после включения фазы А в конечную ступень регулирования). В НПФНС режиме работы ФПУ после выключения фазы В оказывается, что фаза А уже перешла в конечную ступень регулирования, а фаза С еще находится в начальной. Значит, здесь коэффициент трансформации ШТ для фазы А равен К1А = К1епй, а для фазы С К1С = Klbegin. Поскольку отключается фаза В, то сразу же можно сказать, что 1МВ = О, /во = 0 и равны токи линии до и после ФПУ 1В1 = 1В2.

Для расчета всех необходимых токов и напряжений снова воспользуемся обобщенными системами уравнений (2.1) - (2.10). Аналитические выражения для данного режима работы ФПУ получаются громоздкими и поэтому полностью приведены в приложении. После сложных математических операций получаются соотношения всех искомых величин в зависимости от потенциалов UA и UA3, образуемых источниками напряжения ЕА1 и ЕА2, а также от других известных параметров: сопротивлений линии Zx и Z2, коэффициентов трансформации ШТ для фаз А и С К1А и К1С, коэффициента трансформации СТ К2 и вектора поворота а = eJ , который определяет потенциалы UB, UB3 и Uc, UC3.

На векторных диаграммах рисунка 2.6 проиллюстрирована главная отличительная особенность НПФ НС режима относительно ПФ С режима работы ФПУ. Так же, как и в случае с НПФ С режимом - это увеличение вектора фазного напряжения отключенной фазы В ТК UMB, что говорит о возникающем перенапряжении на ТК в отключенной фазе. При этом так же, как и в НПФС режиме, при переходе из отрицательной ступени регулирования это напряжение возрастает меньше, чем при переходе из положительной ступени. Также происходит изменение напряжения в линии, оно может как увеличиваться, так и уменьшаться. Претерпевают изменение и сетевые токи: токи на входе и выходе ФПУ отключаемой фазы ТК в НПФ НС режиме становятся равными друг другу /В1 = 1В2, входной ток ФПУ фазы A становится равным входному току ФПУ фазы С 1А1 =/С1, а выходной ток ФПУ фазы А становится равным выходному току ФПУ фазы С ІА2 = ІС2 [56]. Фазные токи оставшихся включенными фаз равны по модулю и противоположны по знаку 1МА = —1МС.

Для верификации аналитической модели, проведем ее сравнение с имитационной моделью в Matlab. Поставленные эксперименты представлены в числах в таблице 2.2 и проиллюстрированы аналогичными осциллограммами на рисунках 2.7 и 2.8. Имитационное моделирование проведено для нормального режима с параметрами Ех = 65959,97 31,697 эл. град., Zx = -0,087 + 37,526), Е2 = 68961,99 - 0,478 эл. град., Z2 = 11,322 + 20,761) при ctmax = 20 эл. град. В таблице 2.2 отражены все значения токов и напряжений, указанных на рисунке 2.1, в полнофазном симметричном режиме для Nst begin = 15, смоделированных аналитически и имитационно. Таблица 2.2 уточняет данные, показанные на временных диаграммах, и доказывает правильность аналитической модели.

В первом столбце таблицы 2.2 представлены наименования всех рассчитанных величин напряжений и токов. Изображенные на временных диаграммах рисунка 2.7 амплитудные значения и фазовые сдвиги токов и напряжений, рассчитанные с помощью имитационного моделирования, указаны во втором и третьем столбцах таблицы 2.2. Например, амплитуда напряжения UA1 = 96900 В, что видно из второго столбца. Амплитудные значения и фазовые сдвиги токов и напряжений, представленные на рисунке 2.8 и рассчитанные аналитически, отражены в четвертом и пятом столбцах таблицы 2.2. Например, амплитуда напряжения UA1 = 97030 В, что видно из третьего столбца.

Все фазовые сдвиги в схеме определены относительно синусоиды, нуль которой переходит через значения 0 с, 0,02 с, 0,04 с, 0,06 с, 0,08 с, 0,1 с и так далее с шагом 0,02, поскольку частота сети 50 Гц и период равен 20 мс. На графиках процесс представлен начиная со значения 0,2 с. Фазовый сдвиг определяется по формуле:

р = 2л-, где t - доля периода смещения по фазе при наложении синусоиды с искомым фазовым сдвигом на синусоиду, переходящую через нуль фазы; Т - период. Таким образом, из результатов имитационного моделирования на рисунке 2.7 видно, что фазовый сдвиг UA1 практически совпадает с нулем фазы и равен -0,095 эл. град., а фаза напряжения UA2 отличается от нулевой на 19,8 эл. град., что отражено в таблице 2.2 в третьем столбце. Фазовый сдвиг на рисунке 2.8 отражает результаты аналитических расчетов. Для UA1 он составляет -0,097 эл. град., а для UA2 фазовый сдвиг равен 19,0 эл. град. Это отражено в пятом столбце таблицы 2.2.

Cравнение результатов расчета надежности и выбор рациональной конфигурации двунаправленных тиристорных ключей для ТК с переключением на разрешенных временных интервалах и в нуле тока

До настоящего времени неполнофазные режимы работы ФПУ на макетном образце не изучались, поскольку в разработанных в диссертационных исследованиях [34, 46] алгоритмах такие режимы не возникали. Поэтому для дальнейшего изучения неполнофазных режимов, впервые были проведены натурные испытания на физическом макетном образце, которые показали хорошую сходимость результатов с аналитической и имитационной моделями.

Валидация универсальных аналитических моделей проводилась путем количественного сравнения действующих значений напряжений и токов регистрируемых на экспериментальном макете ФПУ [5]. Сравнивались данные до и после ФПУ, в средней точке СТ, а также на мостах. Натурный эксперимент проводился на физическом макетном образце фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором, разработанном в [34] для проведения исследований в области алгоритмов управления фазоповоротными устройствами с ТК. Данный физический макет обладает следующими основными техническими характеристиками: S Номинальная проходная мощность 20 кВА;

Питание стенда от трехфазной сети переменного тока 380 В с частотой 50 Гц; S Номинальный ток 30 А; S Количество ступеней регулирования: 31. Максимальный формируемый фазовый сдвиг ±40 эл. град.; S Дискретность изменения фазы выходного напряжения 2,67 эл. град.; S Напряжение первичной обмотки ШТ 220 В S Действующие значения напряжений вторичных обмоток ШТ составляют от МТК1 до МТК4 10 В, 20 В, 40 В и 80 В соответственно, то есть соотносятся в пропорции 1:2:4:8. Для установления соответствия режимов, рассчитанных аналитически, с режимами на физическом макете, в натурном эксперименте принято: Е2 = 0 и Z± = 0. Таким образом, для натурных экспериментов использовалась схема, указанная на рисунке 2.15 [8, 55].

В натурном эксперименте во избежание эффекта насыщения трансформаторов макетного образца было снижено напряжение на входе ФПУ UA1, UB1 и UC1 и напряжения вторичных обмоток ШТ. Действующее значение этих фазных напряжений составило 75 В, действующие значения напряжений вторичных обмоток ШТ 3,4 В, 6,8 В, 13,6 В и 27,3 В соответственно. При этом Z2 = R2 + jL2, где R2 = 16 Ом и L2 = 5 мГн. Для корректного сравнения результатов натурного эксперимента с аналитическими моделями, в аналитических выражениях также приравняем Е2 = 0 и Zt = 0.

Ниже приведены временные диаграммы переключения преобразователя из Nst begin = —15 в Nstend = +15 по алгоритму управления с переключением в нуле тока ТК. Эти номера ступеней выбраны с целью достижения как можно более выраженных изменений токов и напряжений, которые могут быть зафиксированы на экране осциллографа. Измерения проводились с использованием 4-канального осциллографа Tektronix TPS 2014B. Данные диаграммы были сняты так, чтобы лучше просматривались промежуточные режимы при переходе из одной ступени в другую, поэтому на каждый режим отводится по периоду сети 20 мс. На рисунках 2.16 - 2.20 представлены токи на входе ФПУ - 1АЪ 1В1, 1С1, на выходе ФПУ - 1А2, IB2, la и фазные токи - 1МА, 1МВ, 1МС, а также напряжения на выходе ФПУ - UA2, UB2, UC2 и фазные напряжения ТК UMA, UMB, UMC. На всех диаграммах показано напряжение фазы А на входе преобразователя ФПУ UA1. Эта осциллограмма напряжения использована для более удобного восприятия масштаба времени по оси Х без необходимости соотнесения к цене деления развертки по времени. На всех временных диаграммах масштаб для всех величин составляет 1:1, за исключением временных диаграмм токов на рисунках 2.16, 2.19 и 2.20, где напряжение с реального масштаба уменьшено в 10 раз.

Промежуток времени tx - t2 соответствует НПФ С режиму при отключении фазы А ТК, t23- ПФС режим при включении фазы А в новую ступень регулирования, t34- НПФНС режим при отключение фазы В ТК, t4s- ПФС режим при включении фазы В в новую ступень регулирования, t5 - t6 соответствует НПФС режиму при отключении фазы С ТК, в момент времени t6 фаза С ТК включается в новую ступень регулирования и ФПУ попадает в ПФС режим работы.

Данные, полученные при физическом моделировании, указаны в таблице 2.6. Здесь представлены напряжения и токи во всех режимах работы ФПУ, возникающие последовательно согласно алгоритму переключения ПФС - НПФС - ПФНС - НПФНС - ПФНС - НПФС - ПФС при переходе из Nstbegin = —15 в Nstend = 15 ступень регулирования. В верхнем выделенном блоке таблицы 2.6 приведены действующие значения URMS следующих напряжений: на выходе ФПУ - UA2, UB2, UC2, на средней точке СТ - UA0, UB0, Uco и фазных UMA, UMB, UMC. В нижнем блоке таблицы 2.6 приведены действующие значения IRMS следующих токов: на входе ФПУ - 1АЪ 1ВЪ 1СЪ на выходе ФПУ - 1А2, 1В2, 1С2, ток, вытекающий из средней точки СТ - 1А0, 1В0, /со, фазные токи - ІМА, Імв, Імс. В колонках ФМ представлены данные физического моделирования, а в колонках АМ – аналитического моделирования. По полученным данным рассчитана относительная погрешность напряжений и токов аналитической модели в процентах, как отношение абсолютной погрешности измерения к действительному значению:

Максимальная относительная погрешность аналитических моделей относительно натурного эксперимента по измеренным напряжениям составляет 5URMS = 8,37 %, а по токам -8IRMS = 8,02 %. Хорошее совпадение экспериментальных и аналитически рассчитанных данных подтверждает правильность аналитической модели и правомерность ее использования.

Также были поставлены подобные эксперименты с обратным переходом из Nstend = 15 в Nst begin = —15 и с другими переходами, которые аналогичным образом подтвердили правильность аналитической модели.