Компенсация неактивной мощности в системах электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Компенсация неактивной мощности в системах электроснабжения

Ю.К. Розанов

В данном докладе рассмотрены проблемы компенсации реактивной мощности, высших гармоник, токов небаланса в сетях электроснабжения и описаны современные методы компенсации неактивной мощности. Указаны недостатки традиционных способов компенсации и рассмотрена возможность создания компенсаторов на основе полностью управляемых полупроводниковых преобразователей с использованием импульсной модуляции напряжений и токов. Приведены результаты моделирования различных видов компенсаторов, таких как компенсатор реактивной мощности, активный фильтр, компенсатор токов несимметрии.

Перегруженность линий электропередач и рост нелинейных нагрузок делает актуальным создание «гибких» линий (FACTS) и повышение качества электроэнергии [1]. Эффективными средствами решения этих задач в настоящее время являются средства управления реактивной мощностью и активной фильтрации, то есть компенсаторы неактивной мощности. Развитие силовой электроники, в частности создание полностью управляемых мощных и быстродействующих приборов, работающих в ключевом режиме, сделали реальным успешное решение этих задач. Примерами таких устройств являются управляемые источники реактивной мощности как емкостного, так и индуктивного характера, известные как статические преобразователи типа СТАТКОМ. Эти устройства могут также использоваться для симметрирования напряжения и тока в трехфазных системах электроснабжения [2]. На их основе могут создаваться активные фильтры (АФ), имеющие общее или отдельное схемотехническое и конструктивное исполнение. Существенным преимуществом этих устройств перед традиционными, выполненными на тиристорах и пассивных элементах, конденсаторах и реакторах, является не только быстродействие, но и лучшие удельные массо-габаритные показатели. Последнее обусловлено тем, что их принцип действия основан на обмене мощностью как емкостного характера, так и индуктивного между сетью и одним накопителем, функции которого выполняет электролитический конденсатор, включенный на стороне постоянного тока статического преобразователя. Удельное значение массы и габаритов относительно энергоемкости у электролитических конденсаторов существенно выше, чем у металлобумажных. В то же время эта энергоемкость обеспечивает обмен мощностью как емкостного, так и индуктивного характера. Для этого в традиционном компенсаторе используются отдельно конденсаторы переменного тока и реактор.

Управление потоком мощности осуществляется методами импульсной модуляции. Для этого используются быстродействующие полупроводниковые приборы, работающие в ключевом режиме. Это накладывает жесткие требования к силовым пассивным элементам преобразователя -- реакторам и конденсаторам фильтров. Для наращивания мощности и величины рабочего напряжения целесообразно использовать модульную конструкцию на основе многоуровневых схем силовой части.

Управление силовой частью СТАТКОМ и АФ осуществляется на основе p-q теории, согласно которой токи и напряжения трехфазной системы преобразуются в двухфазную систему б и в координат и вводится кроме понятия активной мощности р, «мнимая» мощность д. Далее вычисляются средние и переменные составляющие этих мощностей. На кафедре ЭиЭА МЭИ разработаны алгоритмы, математические модели и макетные образцы систем управления для различных типов компенсаторов неактивной мощности, таких как СТАТКОМ, АФ, устройств симметрирования токов нагрузки, а также преобразователей для вывода энергии из сверхпроводящего индуктивного накопителя (СПИН).

Преобразователь напряжения компенсатора неактивной мощности выполнен по схеме преобразователя переменного/постоянного тока с накопителем энергии на стороне постоянного тока и фильтрующими дросселями на стороне переменного тока [3]. Подключение преобразователя к сети показано на рис.1.

Математическое моделирование алгоритмов управления компенсаторов неактивной мощности и их силовой части проводилось в программе Matlab/Simulink. При работе преобразователя в режиме компенсации реактивной мощности преобразователь генерирует ток, отстающий или опережающий по фазе напряжение сети, что эквивалентно потреблению или генерированию преобразователем реактивной мощности, в результате чего достигается компенсация реактивной мощности сети. Результаты моделирования преобразователя в режиме генерации в сеть и потребления из сети реактивной мощности представлены на рис. 2.

компенсация реактивная мощность

На диаграмме показан процесс перехода из режима холостого хода в режим генерирования реактивной мощности индуктивного характера. Продолжительность включения компенсатора определяется параметрами регуляторов в системе управления и составляет 3-5 периодов сетевого напряжения. После изменения знака реактивной мощности (скачкообразного изменения фазы сигналов задания токов на 180°) преобразователь переходит в режим потребления реактивной мощности индуктивного характера (генерирует реактивную мощность емкостного характера). Переходной процесс длится в течение примерно двух периодов напряжения сети.

Результаты моделирования устройства в режиме активного фильтра показаны на рис. 3.

При работе регулятора в качестве активного фильтра преобразователь создает токи высших гармоник в противофазе с высшими гармониками тока, потребляемого из сети. Вычисление сигналов задания токов осуществляется отдельно для каждой

гармоники с помощью ^-преобразования на соответствующей частоте. В качестве нелинейной нагрузки используется трехфазный мостовой диодный выпрямитель, потребляющий из сети несинусоидальный ток.

На рис. 4 представлены результаты моделирования работы устройства в режиме компенсации несимметрии токов. В данном режиме вычисляются сигналы задания токов обратной и нулевой последовательностей в синхронных координатах. Таким образом, компенсатор токов несимметрии обеспечивает потребление токов прямой последовательности из сети при несимметричной нагрузке, тем самым разгружая нулевой провод между компенсатором и сетью и уменьшая дополнительные потери в распределительном трансформаторе, возникающие в нем при наличии токов нулевой и обратной последовательностей.

Результаты проведенных теоретических исследований показали, что на основе преобразователя, выполненного на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах, могут быть созданы высокоэффективные устройства компенсации реактивной мощности, активной фильтрации высших гармоник токов и компенсации токов несимметрии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Управление качеством электроэнергии / И.И. Кар-ташев, В.Н. Тульский, Ю.В. Шаров и др. М.: Издательство МЭИ, 2006.

2. Gerardo Escobar, Andres A. Valdez,Raymundo E. Torres-Olguin, and Misael F. Martinez-Montejano. A Model-Based Controller for A Three-Phase Four-Wire Shunt Active Filter With Compensation of the Neutral Line Current. // IEEE Transactions on power electronics. November, 2007. Vol. 22. № 6.

3. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника. М.: Издательский дом МЭИ, 2007.

Размещено на Allbest.ru