На правах рукописи

Пешков Максим Валерьевич

Разработка и исследование системы управления статическим

компенсатором реактивной мощности типа СТАТКОМ для

электроэнергетических систем

Специальности:

05.14.02 – «Электростанции и электроэнергетические системы»

05.09.12 – «Силовая электроника»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2009 г.

   

Работа выполнена в филиале ОАО «НТЦ электроэнергетики» - «ВНИИЭ», г. Москва.

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный сотрудник Кочкин Валерий Иванович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник Челазнов Александр Алексеевич доктор технических наук, профессор Розанов Юрий Константинович

Ведущая организация: ОАО НИИПТ «Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения»

Защита диссертации состоится 28 апреля 2009 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 512.002.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-технический центр электроэнергетики» (ОАО «НТЦ электроэнергетики») по адресу: 115201, г. Москва, Каширское шоссе, д. 22 корп. 3.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 512.002.01 по адресу: 115201, г. Москва, Каширское шоссе, 22 корп. 3, ОАО «НТЦ электроэнергетики».

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке филиала ОАО «НТЦ электроэнергетики» - «ВНИИЭ»

Автореферат разослан «» марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 512.002.01 Новиков Н.Л.

д.т.н.

2       

Общая характеристика работы

Актуальность.

Научно-технический прогресс в области систем передачи электроэнергии развивается в направлении повышения их управляемости, устойчивости и надежности при обеспечении высокого качества энергоснабжения потребителей.

Наиболее оптимально и комплексно указанные цели могут быть достигнуты путем применения технологии гибких (управляемых) линий электропередачи переменного тока (FACTS), содержащих современные многофункциональные устройства и, в частности, устройства регулирования реактивной мощности СТАТКОМ. СТАТКОМ представляет собой управляемое статическое устройство, выполненное по схеме преобразователя напряжения (ПН), включенное в электрическую сеть параллельно. На базе СТАТКОМ могут быть реализованы другие устройства FACTS: вставка постоянного тока (ВПТ), управляемая продольная компенсация (УПК), объединенный регулятор потоков мощности (ОРПМ), компенсаторы активно- реактивной мощности (КАРМ).

Вопросу разработки алгоритмов управления СТАТКОМ посвящено много работ отечественных и зарубежных авторов: Казачков Ю.А., Иванов А.В., Климов В.И., Крутяков Е.А., Левин В.Н., Зиновьев Г.С., Попов В. И., Кобзев А.В., N.G.

Hingorani,  A. Nabae, I. Takahashi, H. Akagi и других авторов. Между тем, в опубликованных работах указанных авторов не раскрыты все аспекты функционирования преобразователя напряжения, подключенного к электроэнергетической сети по схеме СТАТКОМ. Алгоритмы управления таким преобразователем должны, с одной стороны, обеспечивать высокие показатели качества работы преобразователя в установившихся режимах (низкие потери, удовлетворяющий требованиям ГОСТ гармонический состав напряжения), а, с другой стороны, обеспечивать работоспособность и высокое быстродействие СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах сети. Кроме того, актуальной является задача разработки алгоритмов симметрирования напряжения в электрической сети средствами СТАТКОМ.

Целью работы является разработка и исследование алгоритмов системы управления СТАТКОМ, предназначенного для регулирования напряжения на подстанциях электроэнергетических систем в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах сети и симметрирования напряжения в точке подключения. Алгоритмы системы управления должны обеспечивать СТАТКОМ соответствие предъявляемым к нему со стороны электроэнергетических систем требованиям по быстродействию, уровню высших гармоник тока, генерируемых в электрическую сеть, и уровню потерь в собственном оборудовании СТАТКОМ.

Достижение цели предполагает решение следующих основных задач:

- разработка алгоритмов независимого регулирования активной и реактивной мощности и алгоритмов симметрирования сетевого напряжения средствами СТАТКОМ;

- разработка алгоритмов быстродействующего управления преобразователем напряжения;

- разработка алгоритмов уменьшения потерь в преобразователе напряжения СТАТКОМ;

- разработка цифровой модели преобразователя напряжения, подключенного к сети по схеме СТАТКОМ, и модели системы управления для исследования разработанных алгоритмов управления СТАТКОМ в электроэнергетических системах;

- исследование работы СТАТКОМ в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах электроэнергетической системы;

- исследование влияния основных параметров алгоритмов управления СТАТКОМ на гармонический состав напряжения и на уровень электрических потерь в преобразователе напряжения.

Методы исследования.

При решении поставленных задач использованы методы теории электроэнергетических систем, электрических цепей, линейной алгебры, элементы дифференциального и интегрального исчисления, методы математического моделирования.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:

- разработан алгоритм быстродействующего управления СТАТКОМ, выполненного на базе преобразователя напряжения нового типа;

- разработаны алгоритмы снижения потерь в вентилях преобразователя;

- разработан алгоритм симметрирования напряжения в точке подключения средствами СТАТКОМ;

- разработана цифровая модель «Узел», включающая модель электрической сети и модель СТАТКОМ, для исследования работы СТАТКОМ. Разработана цифровая модель «Тепло» системы IGBT-модуль/охладитель для расчета потерь в вентилях и тепловых процессов протекающих в них;

- проведены исследования работы СТАТКОМ с разработанной системой управления в нормальных и аварийных режимах электроэнергетической системы, которые подтвердили эффективность СТАТКОМ при регулировании и симметрировании напряжения в точке подключения, а так же показали высокое быстродействие СТАТКОМ, достаточное для устойчивой работы СТАТКОМ в аварийных режимах энергосистемы;

- разработана методика расчета тепловых процессов в вентилях преобразователя с определением пиковых значений температур кристаллов полупроводниковых приборов.

- проведена оптимизация параметров алгоритмов системы управления СТАТКОМ с целью получения баланса между качеством гармонического состава генерируемого в сеть тока и уровнем потерь в преобразователе.

Конкретное личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации.

Основные результаты диссертационной работы получены лично автором.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- использованием классических положений теоретической электротехники и математики;

- корректностью выполнения теоретических построений;

- совпадением результатов с экспериментальными данными.

Практическая значимость основных результатов диссертационной работы.

Разработанные алгоритмы управления преобразователем напряжения используются в системе управления преобразователем напряжения в составе быстродействующих компенсаторов реактивной мощности типа СТАТКОМ 50Мвар, 15,75кВ, а так же могут использоваться для управления и другими устройствами FACTS.

Материалы отдельных глав использовались в научно-исследовательских работах, проводимых по договорам ВНИИЭ с ОАО «ФСК ЕЭС»: «Разработка ТЗ на СТАТКОМ мощностью 50 Мвар напряжением 15,75 кВ и основные виды его силового оборудования. Разработка, изготовление и испытание узлов силовой части СТАТКОМ. Разработка технических решений на устройства силового оборудования.», «Разработка, изготовление и испытание макетов СУРЗА.

Разработка технических решений на узлы микропроцессорной системы управления(СУРЗА). Разработка рабочей документации на силовое оборудование СТАТКОМ.»

Разработанная цифровая модель преобразователя напряжения может найти применение при проектировании устройств FACTS на базе преобразователя напряжения для выбора и уточнения параметров основного оборудования, при отладке алгоритмов управления и защитных комплексов, а также при настройке их параметров и уставок в процессе пусконаладочных работ в СТАТКОМ в электроэнергетических системах.

Разработанная методика расчета тепловых процессов и потерь в вентилях преобразователя позволяет определять параметры системы охлаждения для них.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- конференция молодых специалистов электроэнергетики РАО ЕЭС (г.

Москва, 2003 г.);

- всероссийской конференции по итогам конкурса молодых специалистов организаций НПК ОАО РАО «ЕЭС России» (с. Дивноморское, 2005 г.);

- конференция «Разработки молодых специалистов в области электроэнергетики 2008» (г. Москва сентябрь 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, содержащего наименований. Текстовая часть изложена на 159 страницах содержательной части (рисунков 78,таблиц 4) Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируются задачи, решению которых посвящена диссертация, формулируется цель диссертации, излагаются подход и методы исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен обзор существующих средств компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в электрических сетях:

традиционные устройства и устройства на основе новых технологий гибких линий электропередачи переменного тока. Приведена общая классификация устройств компенсации и отмечено особое место в ней СТАТКОМ, поскольку он может использоваться в качестве базового блока при создании целого ряда современных многофункциональных устройств FACTS. Произведен выбор структуры преобразователя напряжения для СТАТКОМ, сформулированы требования к СТАТКОМ и к его системе управления. Поставлена задача исследований по разработке системы управления СТАТКОМ.

СТАТКОМ как источник реактивной мощности осуществляет:

• повышение пропускной способности электрических сетей разного класса напряжения;

• поддержание напряжения на подстанциях в протяженных и сильно загруженных сетях в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах;

• ограничение коммутационных перенапряжений;

• симметрирование напряжений;

Работа СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах сети предъявляет к его системе управления (СУ) жесткие требования по быстродействию регулирования реактивной мощности и реакции СТАТКОМ на возмущения, возникающие в сети (к.з. и коммутации линий). Система управления должна обеспечивать в данных режимах работу СТАТКОМ без аварийных отключений.

Поскольку предполагается использование СТАТКОМ как в качестве самостоятельного устройства, так и в качестве базового элемента при создании других устройств FACTS, то целесообразно иметь универсальное решение по схеме СТАТКОМ, которое позволит использовать его для указанных устройств FACTS без значительных переработок. На рис.1 изображена усовершенствованная схема мостового трех уровневого 18ти вентильного преобразователя напряжения СТАТКОМ, предложенная специалистами ВНИИЭ отдела №5, которая отвечает поставленному требованию универсальности и обеспечивает максимальную единичную мощность СТАТКОМ в сравнении с другими известными мостовыми схемами.

Рис. 1 Схема инновационного мостового трехуровневого 18ти вентильного Выбор новой схемы преобразователя СТАТКОМ подразумевает и разработку новых алгоритмов управления для него. СТАТКОМ как источник реактивной мощности, имея лучшие статические и динамические характеристики по сравнению с традиционным СТК, должен иметь сопоставимый с ним уровень гармоник тока и потерь. Удовлетворительный гармонический состав напряжения на выходе выбранного преобразователя можно получить, применяя алгоритмы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой коммутации много большей частоты сети. Более высокая частоты коммутации позволяет улучшить гармонический состав напряжения на выходе преобразователя и дает возможность применять менее мощный фильтр для подавления высших гармоник в области частоты коммутации. Однако увеличение частоты коммутации вентилей приводит к росту потерь в них, что должно учитываться при выборе ее оптимальной величины.

Примерно 80% электрических потерь в СТАТКОМ составляют потери, выделяемые в вентильной части преобразователя. Они определяют один из важнейших эксплуатационных показателей СТАТКОМ – его КПД, а также перегрузочную способность СТАТКОМ. Возможность форсировки реактивной мощности как в СК является важным свойством СТАТКОМ при решении задач поддержания напряжения на подстанциях в аварийных и послеаварийных режимах сети. Уровень потерь в вентилях для выбранной схемы преобразователя напряжения во многом определяется применяемым алгоритмом ШИМ и его параметрами. В связи с чем, актуальной является разработка алгоритмических средств снижения потерь в вентилях преобразователя и оптимизация параметров алгоритма ШИМ с целью поиска компромисса между уровнем электрических потерь и уровнем генерируемых в сеть высших гармоник тока.

Другой задачей СТАТКОМ в части улучшения показателей качества электроэнергии является симметрирование сетевого напряжения. Система управления СТАТКОМ должна включать в себя соответствующие алгоритмы.

СТАТКОМ позволяет обеспечить раздельное управление активной и реактивной мощностями, что имеет принципиальное значение для устройств КАРМ, ОРПМ, ВПТ, выполненных на базе СТАТКОМ. В случае использования СТАТКОМ в качестве компенсатора реактивной мощности, канал управления активной мощностью используется в СТАТКОМ для регулирования напряжения стороны постоянного тока преобразователя.

Суммируя вышесказанное можно сформулировать требования к системе управления СТАТКОМ, которая должна:

- осуществлять независимое регулирование активной и реактивной мощности и включать в себя алгоритмы симметрирования сетевого напряжения;

- обеспечивать высокое быстродействие СТАТКОМ в переходных режимах и его работоспособность в аварийных и послеаварийных режимах электроэнергетической системы;

- обладать средствами снижения электрических потерь в преобразователе СТАТКОМ;

- обеспечивать приемлемое качество гармонического состава тока на выходе СТАТКОМ.

Анализ существующих систем управления показал их несоответствие поставленным требованиям, из-за отсутствия единого решения, сочетающего высокое быстродействие в динамике с хорошими показателями качества в установившихся режимах.

Во второй главе рассмотрены разработанные принципы управления СТАТКОМ, включающие алгоритмы широтно-импульсной модуляции и алгоритмы уменьшения числа коммутаций вентилей преобразователя.

Получены следующие аналитические выражения для активной и реактивной мощности СТАТКОМ:

где U1 и U2 –амплитуды прямой и обратной последовательности напряжения в точке подключения СТАТКОМ, I1 и I2 - амплитуды прямой и обратной последовательности фазного тока СТАТКОМ, - угол между напряжением сети и фазным током СТАТКОМ по прямой последовательности, -угол между напряжением сети и фазным током СТАТКОМ по обратной последовательности.

Из (1) и (2) следует, что управление активной и реактивной мощностью может проводиться ортогональными векторами фазного тока, независимо друг от друга. Работа СТАТКОМ поясняется на векторной диаграмме, изображенной на рис.2. В сети в общем случае присутствует прямая и обратная последовательность напряжения. Поддержание уровня напряжения в точке подключения осуществляется путем генерации/потребления в сеть реактивного тока прямой последовательности и создания регулируемого вектора напряжения, а уменьшение амплитуды обратной последовательности напряжения сети осуществляется за счет потребления реактивного тока обратной последовательности, и создания вектора.

Реализация алгоритмов управления показана на приведенной на рис.3 блок схеме системы управления СТАТКОМ.

Рис. 2 Векторная диаграмма работы СТАТКОМ Рис.3 Блок схема алгоритмов управления СТАТКОМ Блок «вычислитель параметров напряжения сети» определяет значения амплитуд прямой U1 и обратной последовательности U2 напряжения сети и их фазы и относительно эталонного вектора. Блоки Г1 и Г2 являются генераторами эталонных единичных синусоид и косинусоид прямой последовательности, которые используются в abc\dq преобразовании фазных напряжений сети по формулам:

где a,b,c – мгновенные значения фазных напряжений сети, а рад.

Значения d и q фильтруются интегральным фильтром второй гармоники Ф2.

Блок Б1 вычисляет амплитуду и фазу прямой последовательности напряжения по усредненным значениям d и q. Блок Б2 определяет проекции вектора обратной последовательности на эталонные вектора синуса и косинуса. Блок Б3 вычисляет амплитуду и фазу обратной последовательности напряжения.

Блок «регулятор напряжения сети на шинах ПС» осуществляет регулирование амплитуды прямой последовательности напряжения.

Уставка реактивной мощности СТАТКОМ задается пропорциональным регулятором по закону:

где Uуст – уставка напряжения прямой последовательности;U1 – напряжение прямой последовательности сети; Qmax = 3UустImax - максимальная мощность, выдаваемая преобразователем, Imax – максимально допустимый фазный ток преобразователя.

Статизм регулятора определяется максимальным отклонением напряжения U от напряжения уставки.

Блок «регулятор несимметрии напряжения сети» представляет собой пропорциональный регулятор, на выходе которого формируется уставка тока симметрирования I2.

преобразователя Ud» состоит из блока вычисления уставки напряжения Ud (ВУН КБ) и регулятора активной мощности (ПИ).

Регулирование напряжения стороны постоянного тока преобразователя СТАТКОМ позволяет уменьшить уровень потерь и частоту выходов из строя полупроводниковых приборов высоковольтных вентилей.

Уставка напряжения на стороне постоянного тока преобразователя в блоке ВУН КБ вычисляется по формуле Ud = UЛ / kM, где kM – коэффициент модуляции преобразователя напряжения, а UЛ – максимальное из линейных напряжений преобразователя, рассчитанных по формулам:

где Ui1 и Ui2 – амплитуды прямой и обратной последовательности первой гармоники напряжения на выходе преобразователя в установившемся режиме:

где L – индуктивность фазных реакторов СТАТКОМ.

По разности реального напряжения на КБ и уставки, регулятор активной мощности формирует уставку активной мощности СТАТКОМ P. Регулятор активной мощности представляет собой ПИ регулятор.  Блок «генератор уставок фазных токов» по уставкам активной, реактивной мощности и по уставке симметрирующего тока формирует мгновенные значения ожидаемого фазного тока – уставки фазных токов, по уравнениям:

где Iq - модуль реактивной составляющей фазного тока прямой последовательности, Ip - модуль активной составляющей фазного тока прямой последовательности, I2-модуль симметрирующего тока.

Вычисленные уставки фазных токов далее подаются в блок алгоритмов ШИМ и алгоритмы уменьшения числа коммутаций вентилей преобразователя (АУЧК).

В разработанных алгоритмах применяется новый подход к управлению СТАТКОМ, при котором он работает в режиме квази источника тока. Такое управление обеспечивает СТАТКОМ высокое быстродействие и устойчивость по току, что позволяет ему успешно функционировать в переходных режимах, включая и режимы внешних коротких замыканий. Режим квази источника тока обеспечивается алгоритмом токовой широтно-импульсной модуляции. В данном алгоритме ШИМ импульсы управления рассчитываются таким образом, чтобы формируемое на фазных реакторах L преобразователя напряжение создавало на расчетном такте заданную производную фазных токов i (рис.4). Тем самым, обеспечивается равенство реального фазного тока iФ и уставки фазного тока iУСТ на границах расчетного такта. Такое управление преобразователем приближает СТАТКОМ к управляемому источнику тока, что исключает работу защиты СТАТКОМ от превышения допустимого уровня коммутируемого вентилем тока с выводом СТАТКОМ из работы при возникновении в энергосистеме значительных возмущений (коммутации, К.З.).

Рис. 4 Алгоритм широтно-импульсной модуляции по приращениям тока Важной характеристикой преобразователя является его перегрузочная способность, определяемая текущим температурным режимом полупроводниковых приборов, и уровнем электрических потерь в транзисторных модулях. Кроме того, уровень потерь в модулях определяет общий КПД СТАТКОМ. Поэтому задача снижения потерь имеет большое значение.

Возможным способом уменьшения потерь в вентилях без уменьшения амплитуды фазных токов является снижение коммутационной составляющей потерь за счет уменьшения числа коммутаций вентилей.

В главе рассмотрены разработанные алгоритмы уменьшения числа коммутаций вентилей. Для сравнения, на рис. 5 приведены кривые токов полюсных вентилей полученных по алгоритму токовой ШИМ без алгоритмов уменьшения числа коммутаций и с ними. По кривой тока полюсного вентиля можно судить о количестве коммутаций во всем преобразователе. Видно, что алгоритмы уменьшения числа коммутаций исключили 16 коммутаций в фазе на периоде основной частоты.

Верхний рисунок: моменты коммутаций рассчитаны по алгоритму токовой ШИМ без алгоритмами Нижний рисунок: моменты коммутаций рассчитаны по алгоритму токовой ШИМ с алгоритмами В третьей главе проводятся исследования работы СТАТКОМ в простой электроэнергетической системе (рис. 6) в нормальных и аварийных режимах энергосистемы.

Исследования проводились на разработанной цифровой модели «Узел»

(рис.7), представляющей собой 3-х фазную модель сети и модель подключенного к ней компенсатора реактивной мощности типа СТАТКОМ с повентильным представлением преобразователя напряжения и детализированной моделью системы управления.

Рис. 6 Однолинейная схема подключения СТАТКОМ к электроэнергетической PS – модель электроэнергетической системы; CS- система управления; M1 и М2измерители токов и напряжений.

Проверялись следующие характерные режимы работы СТАТКОМ в электроэнергетической системе:

- генерация\потребление номинальной реактивной мощности СТАТКОМ;

- работа СТАТКОМ на сеть в несимметричном режиме;

- режим реверса мощности СТАТКОМ;

- глубокая посадка напряжения в точке подключения СТАТКОМ до уровня 50%;

- междуфазное короткое замыкание в точке подключение СТАТКОМ.

Исследования работы СТАТКОМ в данных режимах подтвердили эффективность алгоритмов регулирования напряжения сети, симметрирования напряжения, а так же показали высокое быстродействие СУ, достаточное для работы СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах сети.

В качестве примера на рис. 8 показаны кривые токов и напряжений при работе СТАТКОМ в несимметричном режиме сети. В начальный момент времени СТАТКОМ работал в режиме холостого хода, регулятор напряжения сети и регулятор несимметрии напряжения сети были отключены. В момент времени t регуляторы были включены. Амплитуда прямой последовательности напряжения сети возросла, а амплитуда обратной последовательности уменьшилось в соответствии с текущими уставками регуляторов.

Рис. 8 Работа СТАТКОМ на сеть в несимметричном режиме UM1 – амплитуда прямой последовательности напряжения сети, UM2 – амплитуда обратной последовательности напряжения сети, Для оценки быстродействия системы управления в части регулирования реактивной мощности проведен опыт реверса мощности СТАТКОМ из режима потребления в режим генерации номинальной реактивной мощности (рис. 9).

Изменение величины напряжения на КБ отражает переход СТАТКОМ в режим генерации. На диаграмме токов видно характерное изменение фазы, связанное с изменением режима мощности. Время переходного процесса tp=0,03c. Такого быстродействия достаточно для успешного решения системных задач, стоящих перед СТАТКОМ.

На рис. 10 изображена осциллограмма опыта мгновенной посадки напряжения до уровня 50%. Посадка напряжения происходит в момент времени t=0,2c. Опыт проводился с целью исследования способности разработанной системы управления управлять СТАТКОМ в режиме квази источника тока в переходных процессах с быстрой динамикой. Регулятор напряжения сети для проведения данного опыта был отключен. Система управления формировала постоянную уставку реактивного тока. Процесс глубокой посадки напряжения не повлиял на форму фазных токов преобразователя. Преобразователь функционировал как управляемый источник тока, что исключает работу защиты СТАТКОМ от превышения допустимого уровня коммутируемого вентилем тока с выводом СТАТКОМ из работы.

Рис. 9 Режим реверса мощности (из режима потребления в режим генерации) На верхней диаграмме изображены фазные токи преобразователя, на нижней диаграмме изображены линейное напряжение в точке подключения и линейное напряжение на выходе На рис. 11 изображен опыт междуфазного короткого замыкания сети в точке подключения СТАТКОМ. Режимы внешних близких КЗ требуют от СУ СТАТКОМ максимального быстродействия в части скорости ее реакции на возмущения, возникающие в сети. Система управления должна обеспечивать в данных режимах устойчивою работу СТАТКОМ с максимальной реактивной мощностью без аварийных отключений. До момента возникновения КЗ СТАТКОМ находился в режиме генерации номинальной реактивной мощности.

Короткое замыкание не привело к броскам фазных токов и аварийному отключению СТАТКОМ. После возникновения короткого замыкания СТАТКОМ стремиться поддержать уровень прямой последовательности сети, которая в данном режиме уменьшается. Регулятор реактивной мощности вышел на максимальный допустимый уровень амплитуды фазного тока (3100 А).

СТАТКОМ в данном режиме может длительно оставаться в работе.

Рис 11 Опыт междуфазного короткого замыкания в точке подключения

СТАТКОМ

верхняя диаграмма - линейные напряжений сети в точке подключения ПН; нижняя В четвертой главе проведено исследование влияния параметров системы управления на гармонический состав напряжения в точке подключения СТАТКОМ.

Для расчета гармонического состава напряжения ПН использовалась математическая модель «Узел». Кривые напряжений в процессе расчета записывались и затем подвергалась гармоническому анализу.

Расчет гармонического состава напряжений проводился с допущением, что преобразователь напряжения является единственным источником высших гармоник, а сеть - источник синусоидального напряжения с частотой 50 Гц.

Анализ зависимостей гармонического состава напряжения ПН от параметров алгоритма управления вентилями позволил сделать вывод о предпочтительности более высокой частоты коммутации, поскольку при этом первый максимум в спектре напряжения ПН отодвигается в область частот с большей кратностью. Это дает возможность использовать более легкий фильтр для подавления высших гармоник в точке подключения преобразователя к сети.

Однако увеличение частоты коммутации приводит к росту потерь в вентилях преобразователя. Предварительный подсчет потерь в вентилях показал, что число коммутаций в полюсном вентиле в режиме генерации реактивной мощности не должно превышать 5-ти. При таком количестве коммутаций суммарные потери СТАТКОМ не превысят 1 % от его номинальной мощности. Поставленному требованию обеспечить не более 5 коммутаций полюсного вентиля на максимуме тока удовлетворяют частоты: 1650Гц, 1350Гц, 1050Гц. Наилучший гармонический состав напряжения ПН имеет место при частоте коммутации fk =1650Гц.

Использование алгоритма уменьшения числа коммутаций благоприятно сказывается на гармоническом составе напряжения, а также позволяет добиваться минимально-возможного количества коммутаций в вентилях при меньшем коэффициенте модуляции kM. Это в свою очередь позволяет получить лучший гармонический состав напряжения ПН при меньшем уровне потерь.

В пятой главе разработаны методика и модель «Тепло» для расчета потерь, выделяемых в вентилях, и анализа тепловых процессов в них. Исследуется влияние параметров системы управления на потери в вентилях преобразователя.

Модель «Тепло» включает в себя два основных блока: вычислитель потерь и тепловую модель IGBT транзистора. Вычислитель потерь выполняет расчет мгновенных значений потерь в диодном и транзистором чипе IGBT-модуля. Блок «тепловая модель IGBT транзистора» является тепловой моделью системы IGBTмодуль/охладитель и предназначен для определения температур p/n переходов кристаллов диодных и транзисторных чипов модуля.

Потери открытого состояния и коммутационные потери рассчитываются по разработанной методике определения потерь в вентилях, на основе экспериментальных данных, полученных от завода изготовителя полупроводниковых приборов.

На рис. 12 изображена эквивалентная электрическая схема тепловой модели модуля с двухсторонним охлаждением. Источники тока PIGBT и PDIODE моделируют мощности потерь, выделяемые в структурах модуля. Источник напряжения Tinlet воспроизводит температуру охлаждающей жидкости. Параметры RC цепочек рассчитываются по экспериментальным данным.

С помощью созданной модели были получены зависимости уровня мощности потерь, выделяемых в вентилях, а так же пиковых значений температур p/n переходов модулей от параметров алгоритма управления. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными, полученными на реальном образце СТАТКОМ, показало, что погрешность вычислений на модели «Тепло»

не превышает 1%.

Исследования показали, что применение алгоритма уменьшения числа коммутаций приводит к снижению уровня потерь, выделяемых в вентилях преобразователя в среднем на 100кВт, и, как следствие, к уменьшению пиковых значений температуры кристаллов полупроводниковых приборов преобразователя.

Рис. 12 Эквивалентная электрическая схема тепловой модели модуля с Кроме меньшего уровня потерь в вентилях, алгоритм уменьшения числа коммутаций дает возможность распределять потери по вентилям различных групп. Величиной, характеризующей текущий режим алгоритма распределения коммутаций, является коэффициент деления kd. Если kd=0, то коммутации исключаются из транзисторной части полюсного вентиля, если kd=1, то коммутации исключаются из транзисторной части нулевого вентиля. В случае, когда kd=0,5, коммутации делятся поровну между полюсными и нулевыми вентилями. При изменении коэффициента деления kd от 0 до 1-цы уровень потерь в транзисторах полюсного и нулевого модуля меняется на 12х900Вт. Алгоритм позволяет временно переносить потери из перегруженного вентиля в вентиль другой группы, который загружен в меньшей степени.

Исследования зависимости уровня потерь от частоты коммутации показали правильность произведенного в главе 3 выбора частоты коммутации fk=1650Гц.

Суммарные потери в оборудовании СТАТКОМ на данной частоте коммутации ШИМ алгоритма составляют ~480кВт, т.е. 0,96% от номинальной мощности СТАТКОМ. По данному показателю СТАТКОМ с разработанной СУ занимает промежуточное место между синхронными компенсаторами, потери у которых составляют ~1,5%, и статическими тиристорными компенсаторами, потери которых ~0,7%. Надо отметить, что заявленные потери в производимых компаниями SIEMENS и ABB устройствах СТАТКОМ составляют ~2%. Таким образом, использование новой схемы преобразователя в совокупности с разработанным алгоритмом уменьшения числа коммутаций вентилей позволило снизить потери в оборудовании СТАТКОМ в 2 раза по сравнению с известными аналогами.

Расчет пиковых значений температур p/n кристаллов вентилей, для режимов генерации/потребления выше номинальной мощности показал, что СТАТКОМ допускает 1,5 кратную перегрузку по мощности. Возможность форсировки реактивной мощности является важным свойством СТАТКОМ при решении им задач поддержания напряжения на подстанциях в аварийных и послеаварийных режимах сети.

Главный итог работы – разработаны, исследованы и оптимизированы алгоритмы системы управления статическим компенсатором реактивной мощности типа СТАТКОМ для электроэнергетических сетей. При этом получены следующие результаты:

1 Проведен обзор существующих устройств компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в электроэнергетических системах.

2 Сформулированы требования к СТАТКОМ и его системе управления для работы в электроэнергетической системе. Проведен обзор известных систем управления СТАТКОМ, выявлены их недостатки и поставлена задача разработки новых алгоритмов управления.

3 Разработан быстродействующий алгоритм управления СТАТКОМ для электроэнергетических систем, который обеспечивает работоспособность СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах энергосистемы и при коммутациях в энергосистеме.

4 Разработаны алгоритмы снижения потерь в преобразователе напряжения СТАТКОМ, которые снизили суммарные электрические потери в оборудовании СТАТКОМ до 0,96% от его номинальной мощности, что в два раза меньше заявляемых потерь в известных зарубежных аналогах, и занимает промежуточное место между уровнем потерь в СК (~1,5%), и потерями в СТК (~0,7%). Низкий уровень потерь в преобразователе позволяет СТАТКОМ с разработанными алгоритмами управления кратковременно работать с 1, перегрузкой по реактивной мощности, что является важным свойством СТАТКОМ при решении задач поддержания напряжения на шинах подстанции в аварийных и послеаварийных режимах электроэнергетической системы.

5 Разработан алгоритм раздельного управления активной и реактивной мощности СТАТКОМ в зависимости от напряжений и токов прямой и обратной последовательности, который позволяет с помощью СТАТКОМ осуществлять симметрирование напряжения на шинах подстанции в несимметричных режимах электроэнергетической системы.

6 Разработана цифровая модель «Узел» включающая в себя модель электроэнергетической системы, модель СТАТКОМ с повентильным представлением преобразователя напряжения и детализированной моделью системы управления, и тепловую модель системы IGBT-модуль/охладитель «Тепло». Модель может найти применение при проектировании устройств FACTS на базе СТАТКОМ для выбора и уточнения параметров основного оборудования, при отладке алгоритмов управления и защитных комплексов, а также при настройке их параметров и уставок в процессе пусконаладочных работ СТАТКОМ в электроэнергетических системах.

электроэнергетической системе в нормальных и аварийных режимах сети.

Показано успешное решение задач регулирования напряжения сети и симметрирования сетевого напряжения с помощью СТАТКОМ. Исследования подтвердили высокое быстродействие СТАТКОМ с разработанной системой управления, что позволяет ему работать в аварийных и послеаварийных режимах энергосистемы.

8 Разработана методика расчета потерь в IGBT модулях преобразователя на основе экспериментальных данных, предоставленных заводом изготовителем полупроводниковых приборов, погрешность которой не превышает 1%, что позволяет на этапе проектирования с высокой точностью определять один из важнейших показателей СТАТКОМ, работающего в электроэнергетической системе – его КПД.

9 Проведены исследования влияния параметров алгоритма управления на гармонический состав напряжения на выходе СТАТКОМ и на потери в вентилях преобразователя. На основе исследований была проведена оптимизация алгоритма управления СТАТКОМ.

10 В системе управления компенсатора реактивной мощности типа СТАТКОМ мощностью 50 Мвар напряжением 15,75 кВ, изготовленного отделом №5 ОАО «ВНИИЭ» для подстанции 400/330 кВ Выборгская использованы разработанные автором алгоритмы управления.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих публикациях.

1. М.В. Пешков. Технические средства регулирования напряжения и потоков активной и реактивной мощности в линиях электропередач. Вторая научнотехническая конференция молодых специалистов электроэнергетики. Сборник докладов. г. Москва 2003 г.

2. В.И. Кочкин, М.В. Пешков, Д.В. Романенко. Линии электропередачи с параллельной и последовательной компенсацией реактивной мощности Вестник ВНИИЭ 2004 г. Москва 3. В.И. Кочкин, М.В. Пешков, Д.В. Романенко. Преобразователь напряжения как управляемый элемент электрических сетей. НИИ Постоянного тока № 2004 г. Санкт Петербург.

4. М.В. Пешков. Разработка и исследование модели 3-х уровневого преобразователя напряжения с алгоритмом токового ШИМ модулятора.

Вторая научно-техническая конференция молодых специалистов электроэнергетики. Сборник докладов. п. Дивноморское 2005 г.

5. К.С.Кошелев, М.В Пешков. Выбор параметров статического компенсатора реактивной мощности типа СТАТКОМ. Электротехника, №7,2008 г.

6. М.В. Пешков. Алгоритм управления высоковольтным преобразователем напряжения – ПОЛИШИМ: оптимальный для статики и быстродействующий в динамике. Конференция «разработки молодых специалистов в области электроэнергетики 2008». Сборник докладов. г. Москва, сентябрь 2008 г.

7. С.В. Еньков, В.И. Кочкин, М.В. Пешков. Оценочный и точный расчет потерь вентильной части преобразователя напряжения при проектировании.

Электротехника, №10, 2008 г.