№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 621.314.2
НЕПОЛНОФАЗНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ СХЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ МОЩНОСТИ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
© 2015 г. М. Г. АСТАШЕВ1, М. А. НОВИКОВ1, Д. И. ПАНФИЛОВ12, П. А. РАШИТОВ2, Т. В. РЕМИЗЕВИЧ2, М. И. ФЕДОРОВА2
1 ОАО "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского" (ОАО "ЭНИН"), Москва 2 Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ"), Москва
E-mail: astashev@eninnet.ru
Рассмотрен узел регулирования транспортных потоков мощности в электрической сети переменного тока. Узел выполнен на основе фазоповоротного устройства с тири-сторным коммутатором. Представлены результаты исследования режима пофазного управления выходным напряжением фазоповоротного устройства. Получены аналитические выражения для расчета коэффициентов перенапряжения в схеме тиристор-ного коммутатора для неполнофазного режима работы. На основе оценки перенапряжений в предельных эксплуатационных режимах определены условия реализуемости пофазного управления выходным напряжением фазоповоротного устройства, обеспечивающего его максимальное быстродействие и полную управляемость.
Ключевые слова: фазоповоротное устройство, тиристорный коммутатор, непол-нофазный режим работы, перенапряжение, алгоритм переключения, зона неполной управляемости.
UNBALANCED OPERATING MODES OF POWER FLOW CONTROL TOPOLOGIES IN SMART GRID DISTRIBUTION NETWORK
M. G. ASTASHEV1, M. A. NOVIKOV1, D. I. PANFILOV1, 2, P. A. RASHITOV2, T. V. REMIZEVICH2, M. I. FEDOROVA 2
1OJSC "G.M. Krzhizhanovsky Power Engineering Institute", Moscow 2 National Research University "Moscow Power Engineering Institute", Moscow E-mail: astashev@eninnet.ru
The power flow regulating circuit nodein alternating current system is reviewed. The circuit node is accomplished based on a high speed phase shifter (HSPS) with controlled thyristor switch. Research results of the individual phase control of the output voltage for the high speed phase shifter are presented. Analytical expressions for theovervoltage factor calculating in thethyristor switch circuit for unbalancedoperating conditions are received. Based on evaluation of overvoltage in operational and emergencymodes the realizability conditions of the individual phase control of the output voltage are determined. Under these conditions maximal performance and complete controllability are provided.
Key words: high speed phase shifter, thyristorswitch, unbalanced operating mode, overvoltage, switching algorithm, partial controllability zone.
ВВЕДЕНИЕ
Для обеспечения высокого уровня надежности и экономичности электроснабжения потребителей решается задача создания быстродействующих полупроводниковых устройств регулирования потоков мощности для активно-адаптивных электрических сетей [1, 2]. Фазоповоротное устройство (ФПУ) с тиристорным коммутатором — одна из разновидностей устройств подобного рода. ФПУ оказывает управляемое воздействие на фазовый сдвиг напряжений различных участков линии электропередачи, что позволяют управлять перетоками мощности по электрическим сетям. Основными эффектами от применения ФПУ являются: направленное перераспределение потоков мощности в сложных замкнутых электрических сетях, ограничение перегрузки электрических сетей более низкого напряжения, шунтированных линиями более высокого напряжения, снижение транспортных потерь активной мощности, повышение статической и динамической устойчивости энергосистемы [1, 3].
На рис. 1 приведена упрощенная схема двухмашинной модели энергосистемы с ФПУ, включенным в линию электропередачи. ФПУ содержит два трансформатора: сериесный (СТ) и шунтовой (ШТ), а также тиристорный коммутатор ТК, подключенный ко вторичным обмоткам ШТ. Фазовый сдвиг напряжения на выходе устройства и2 по отношению к напряжению на входе устройства и1 формируется при подключении различного числа секций вторичных обмоток шунтового трансформатора ШТ к вентильным обмоткам соответствующей фазы СТ с помощью мостовых тиристорных
ФПУ
Рис. 1. Упрощенная схема двухмашинной модели энергосистемы с ФПУ с тиристорным коммутатором
коммутаторов (МТК). Вторичные обмотки каждой фазы ШТ имеют разные по величине значения действующих напряжений, соотносящиеся как 1 : 2 : 4 : 8 [3].
ФПУ с тиристорным управлением имеет два неоспоримых преимущества: высокую надежность коммутации обмоток шунтового трансформатора для регулирования напряжения на выходе ФПУ и потенциально высокое быстродействие. Однако практическая реализация установки подобного класса (мощностью до 100 МВА) требует проведения детальных исследований и в области интеграции ФПУ в энергосистему, и в области режимов работы силового коммутатора и алгоритмов управления его ключами.
ФПУ выполнено по схеме с питанием шунтового трансформатора от средней точки сериесного трансформатора и является полупроводниковым аналогом электромеханического ФПУ с непрямым включением обмотки и симметричным регулированием [3]. Схема имеет ряд преимуществ по сравнению с другими схемотехническими вариантами построения ФПУ: во-первых, она реализует симметричный способ регулирования, при котором величина выходного напряжения не зависит от угла формируемого фазового сдвига; во-вторых, число МТК, следовательно, и тиристоров коммутатора несколько меньше по сравнению с другими вариантами топологии ФПУ [3, 4].
В установившемся режиме работы, когда фазовый сдвиг напряжения на выходе ФПУ поддерживается неизменным, тиристорные ключи всех МТК работают только при предельных углах регулирования в режиме "открыт" — "закрыт". Изменение фазового сдвига напряжения на выходе ФПУ реализуется за счет переключения состояния мостов МТК в каждой из фаз тиристорного коммутатора.
Известны два способа переключения состояния тиристорных мостов переменного тока: при ненулевом токе нагрузки, когда вступающий в работу тиристор образует контур приложения обратного напряжения к выключаемому тиристору, и при нулевом токе, когда импульсы управления на включение в работу тиристора подаются только после того, как ток в ранее проводившем приборе падает до нуля.
В литературе подробно рассмотрен первый способ [5, 6], поскольку он обеспечивает изменение напряжения на выходе ФПУ без прерывания тока в линии электропередачи для любой из известных топологий схем ТК ФПУ. Однако этот способ имеет существенные недостатки: первый — изменения выходного напряжения ФПУ во всем его диапазоне могут быть надежно реализованы не при любых фазовых соотношениях между напряжением и током в линии электропередачи. Это может привести к ограничению управляемости ФПУ при определенных электрических режимах работы сети. Второй недостаток связан с влиянием управления напряжением в одной фазе ФПУ на переходные процессы в двух других фазах коммутатора. Это может повлиять на возможности реализации надежного управления напряжением оставшихся фаз. Указанные недостатки приводят к снижению быстродействия ФПУ и техническим трудностям реализации его управления на интервале одного периода сети.
Второй способ управления предполагает последовательное переключение МТК в фазах тиристорного коммутатора. При этом ФПУ на отдельных временных интервалах периода сети будет работать в неполнофазном режиме с одной выключенной фазой коммутатора. Следует отметить, что отключение одной из фаз коммутатора при снятии импульсов управления с тиристоров МТК этой фазы в рассматриваемой схеме ФПУ не приводит к прерыванию токов в линии электропередачи [7]. Такой способ управления имеет максимальное быстродействие и обеспечивает полную управляемость ФПУ во всем диапазоне электрических режимов работы сети.
В статье приведены результаты исследования режима управления напряжением ФПУ при пофазном переключении тиристорного коммутатора c нулевой паузой тока (далее неполнофазный режим работы ФПУ). Рассмотрение проведено и для установившегося режима, и для переходного режима, характерного для управления выходным напряжением ФПУ. Анализ процессов проведен на основе упрощенной аналитической модели [7].
Неполнофазный режим работы ФПУ
Неполнофазный режим работы ФПУ возникает при выключении одной из фаз ти-ристорного коммутатора, например фазы А, ток фазы А тиристорного коммутатора 1МА становится равным 0. При этом токи в линии электропередачи 1А1,1В1,1С1,1А2,1В1,1С2 и напряжения на выходе ФПУ иА2, ив2, иС2 снижаются. Одновременно существенно возрастает напряжение на выключенной фазе тиристорного коммутатора иш, а напряжения на оставленных в работе фазах коммутатора имв, имсуменьшаются по отношению к номинальному симметричному режиму работы коммутатора [7].
Увеличение напряжения на выключенной фазе тиристорного коммутатора относительно номинального режима повышает требования по напряжению к его преобразовательной части и полупроводниковым ключам.
Анализ величины перенапряжения в выключенной фазе коммутатора проведен для двух схем включения ФПУ: упрощенной двухмашинной модели энергосистемы и для схемы "сеть—ФПУ—нагрузка". Величину напряжения в неполнофазном режиме работы (иШпр) при выключенной фазе тиристорного коммутатора будем сравнивать с максимальным напряжением в симметричном режиме работы ( имА 8Ш ).
Максимальная величина напряжения иш в симметричном режиме наблюдается в крайних ступенях регулирования (при предельных углах регулирования ФПУ) и вычисляется по выражению [7]:
имАт^Ш = иао К1т>х, (1)
где иА0 — напряжение на сетевой обмотке шунтового трансформатора; К1 — максимальный эквивалентный коэффициент трансформации шунтового трансформатора.
При этом иА0 можно считать приблизительно равным фазному напряжению сети иА.
К1т„ = ^К2 * (2)
где К2 — коэффициент трансформации сериесного трансформатора; атах — предельный (максимальный) угол регулирования ФПУ. Выражение (1) преобразуется к виду:
ПМАШ^ 3 иА^К2« 0= (3)
Полученное напряжение имА 8Ш является базовым для определения требований по напряжению к преобразовательной части при работе ФПУ в симметричном режиме.
Неполнофазный режим в схеме "сеть—ФПУ—нагрузка"
В неполнофазном режиме в схеме "сеть—ФПУ—нагрузка" напряжение иш о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.