В настоящее время в электроэнергетике активно развиваются и применяются интеллектуальные сети, плавно регулируемые статические компенсаторы реактивной мощности и накопители электроэнергии. Они играют важную роль в устойчивости энергосистем, повышении пропускной способности сетей и интеграции возобновляемых источников энергии. Поэтому моделирование таких систем и устройств является важным аспектом для оптимизации работы электроэнергетических систем и развития интеллектуальных систем управления в электроэнергетике.

В данной статье проводится обзор модели устройства поперечной компенсации реактивной мощности первого поколения, а именно статического тиристорного компенсатора (СТК), на английском Static Var Compensator (SVC). Данное устройство входит в общее обозначение устройств FACTS (Flexible Alternative Current Transmission System – гибкие/управляемые системы электропередачи переменного тока). Модель СТК разработана на платформе REPEAT.

Ссылка на телеграм-канал REPEAT: https://t.me/repeatlab

В данной статье будет рассмотрено:

• Назначение и область применения FACTS;

• Основные компоненты СТК;

• Пример модели однофазного тиристорно-управляемого реактора в REPEAT;

• Как можно улучшить модель СТК.

Назначение и область применения FACTS

Для бесперебойного и качественного электроснабжения потребителей, необходимо соблюдать нормы показателей качества электроэнергии, одним из которых является отклонение напряжения от номинального значения у потребителей электроэнергии. Согласно ГОСТ 32144-2013[1], эта величина не должна превышать ±10%. Величина напряжения зависит от значений перетоков реактивной мощности, которые являются непостоянными из-за переменного характера потребления электроэнергии и различных возмущений в энергосистеме. Для поддержания устойчивости энергосистемы, напряжение необходимо регулировать с помощью дополнительной выдачи или потребления реактивной мощности, и желательно делать это гибко и плавно, чтобы избежать недорегулирования или перерегулирования.

В ХХ веке для плавного регулирования напряжения использовались генераторы и синхронные компенсаторы. Также применялись конденсаторные батареи и шунтирующие реакторы, но эти устройства были коммутируемые, то есть включались или выключались через коммутационные устройства, и выдача или потребление реактивной мощности происходили ступенчато.

В настоящее время применяются более современные устройства FACTS, которые созданы на базе силовой электроники. Данные устройства представляют собой статические плавно регулируемые сетевые компенсаторы реактивной мощности. Они во многом могут решить проблемы регулирования напряжения, связанные с недостатком резерва реактивной мощности, а также проблемы ограничения выдаваемой мощности электростанций, устойчивости работы нагрузки и повышенные потери на передачу электроэнергии. Отсутствие вращающихся частей позволяет снизить затраты на обслуживание, а также увеличивает срок эксплуатации. Также благодаря применению полупроводниковых ключей обеспечивается плавное регулирование реактивной мощности в требуемом диапазоне.

Основные компоненты СТК

Статический тиристорный компенсатор реактивной мощности – поперечно-подключаемый статический источник или поглотитель реактивной мощности, обеспечивающий подпитку ёмкостным или индуктивным током для управления напряжением электроэнергетической системы. Внешний вид СТК представлен на рисунке 1.

СТК позволяет как выдавать реактивную мощность за счет подключения емкости, так и потреблять за счет подключения индуктивности. Для регулирования реактивной мощности необходимо изменять реактивное сопротивление устройства, можно это делать как ступенчато, так и плавно. Для ступенчатого изменения реактивного сопротивления СТК подключаются через коммутационный аппарат, в то время как при плавном регулировании подключение происходит через управляемые тиристоры. Также к СТК может быть подключен фильтр, который позволяет снизить искажения синусоиды тока. Таким образом, СТК может включать в себя следующие компоненты:

• Коммутируемый реактор;

• Коммутируемый конденсатор;

• Тиристорно-управляемый реактор или тиристорно-реакторные группы (ТРГ);

• Тиристорно-управляемый конденсатор или тиристорно-конденсаторные группы (ТКГ);

• Фильтр.

Более наглядное представление СТК приведено на рисунке 2 [2].

В нашем случае будет смоделирован тиристорно-управляемый реактор или тиристорно-реакторная группа – тиристорно-управляемая индуктивность, реактивное сопротивление которой плавно регулируется за счет изменения степени открытия тиристорного ключа, путем изменения угла управления тиристорами. Это позволит нам осуществлять регулирование реактивной мощности СТК.

Моделирование СТК в REPEAT

Будет произведена серия расчётов с изменением угла управления тиристорами от 0 до 180 градусов, необходимо снять осциллограммы тока и напряжения реактора, а также построить характеристику реактивной мощности, чтобы оценить влияние СТК. Далее схема будет улучшена, параллельно реактору подключим коммутируемый конденсатор для полноценного регулирования реактивной мощности.

Исходные данные:

• Амплитудное значение напряжения однофазного источника: 12,86 кВ;

• Частота сети: 50 Гц;

• Активное сопротивление реактора: 0,01653 Ом;

• Индуктивность реактора: 0,026 Гн;

• Емкость конденсатора: 200 мкФ;

• Время моделирования 5 с для того, чтобы переходные процессы в схеме закончились, и мы получили больше данных для дальнейших расчетов;

• Шаг интегрирования: 0,05 мс, который отвечает за расчет параметров схемы, значения данного шага достаточно для СТК;

• Шаг дискретизации: 0,05 мс, который отвечает за отображение значений на графике, с уменьшением шага дискретизации, графики становятся более плавными;

• Параметры тиристора:

• Внутреннее сопротивление: 1×10^-3 Ом;

• Сопротивление в закрытом состоянии: 1×10¹² Ом;

• Напряжение прямого смещения: 0,8 В;

• Демпферное сопротивление: 1×10⁶ Ом;

• Демпферная емкость: 250×10^-9 Ф.

Ниже на рисунке 3 представлена схема однофазного тиристорно-управляемого реактора в REPEAT.

Однофазная ТРГ состоит из индуктивности (блок №4), резистора (блок №5), тиристоров (блоки №1 и №3), также для снятия осциллограмм в схеме присутствуют вольтметр и амперметр (блоки №38 и 40). В модифицированной схеме СТК параллельно ТРГ будет подключен конденсатор (блок №15) через выключатель (блок №10) для полноценного регулирования реактивной мощности.

Для управления тиристорами была создана схема управления, которая приведена на рисунке 4, она присутствует на основной схеме как внутренний проект (блок №2), к ней мы подключаем константу (блок №8), в которой необходимо задавать угол управления тиристорами, и подаем сигнал напряжения с вольтметра для отслеживания пересечения нуля и сброса сигнала в интеграторе.

Угол управления тиристорами отнимается от 180 градусов, которые формируются в интеграторе (им выступает ПИД-регулятор (блок №18)), и в течение получившегося значения угла тиристор пропускает ток. Чем больше угол управления, тем меньше время, за которое тиристор пропускает ток – меньше амплитуда тока и его действующее значение. Число 180 в ПИД-регуляторе создают блок пересечение нуля (блок №17) и константа со значением 18000. На блок пересечение нуля приходит сигнал переменного напряжения, и при пересечении нуля синусоидой, блок посылает сигнал амплитудой 1 в течение одного шага интегрирования. Далее мы формируем управляющий импульс, который подается на тиристоры. Этот сигнал не должен быть слишком длинным, чтобы исключить случайные отпирания тиристоров, но должен быть достаточно продолжительным, не менее 1-2 мкс, чтобы тиристоры отреагировали, поэтому сигнал из реле (блок №2) искусственно ограничивается по времени до 150 мкс.

Далее рассмотрим управляющие сигналы, которые формируются в схеме управления при угле 120 градусов, они приведены на рисунке 5.

Управляющий импульс, равный единице, появляется в момент времени 0,0067 секунд, когда итоговый пилообразный сигнал переходит в положительную часть графика, функция сигнала пересекает ось абсцисс, соответственно, чем ниже будет пилообразный сигнал, тем меньшее время будет протекать ток через тиристоры.

Ниже на рисунках 6-9 приведены осциллограммы тока и напряжения на реакторе при углах управления от 0 до 150 градусов (при 180 градусах параметры будут равны нулю, так как тиристоры не будут открываться).

Анализируя осциллограммы тока можно сделать вывод, что при угле управления до 90 градусов, работает только 1 тиристор, так как второй просто не успевает открыться, и таким образом ток на реакторе имеет только положительную полярность. Такой вид тока может приводить к насыщению трансформаторов тока, так как происходит только намагничивание сердечника, без размагничивания, за которое отвечает ток отрицательной полярности. Из-за насыщения стали сердечника трансформатора тока его сопротивление ветви намагничивания резко уменьшается, что приводит к возрастанию тока намагничивания, вследствие чего увеличивается его погрешность. Высокая погрешность в трансформаторе тока может приводить к ошибочному срабатыванию релейной защиты, поэтому данный диапазон угла управления можно считать непредпочтительным. При угле управления от 90 градусов, ток имеет обе полярности так как работают уже оба тиристора, этот диапазон угла управления можно считать предпочтительным.

Кривая напряжения реактора повторяет кривую напряжения сети, за исключением нулевых участков, когда отсутствует управляющий импульс на тиристор.

Для оценки работы СТК, нам необходимо рассчитать реактивную мощность, которую потребляет тиристорно-управляемый реактор, по следующему уравнению:

Для нахождения реактивной мощности при каждом угле управления, необходимо рассчитать амплитудные значения напряжения и тока, и угол между напряжением и током. Чтобы найти эти значения, будем использовать встроенную тетрадку JupyterLite. Для этого нам необходимо разработать программу на языке программирования Python, которая будет на основании сигналов тока и напряжения из модели производить Фурье анализ сигналов и рассчитывать их амплитудные значения и углы фаз для первой гармоники, то есть для 50 Гц. Далее, по формуле, представленной выше, рассчитаем реактивную мощность. Пример кода представлен на рисунках 10-11.

Выходные данные в REPEAT: ток «AMP» и напряжение «VOLT», также задаем угол управления тиристорами как глобальную переменную «Control_angle», чтобы изменять его значение прямо из JupyterLite.

Рассчитаем эти параметры для каждого угла управления и результаты занесем в таблицу 1. Амплитудное значение напряжения является постоянным и не будет отображено в таблице. При потреблении СТК реактивной мощности угол между напряжением и током является положительным, а при генерации – отрицательным.

Таблица 1 – Полученные результаты амплитудного значения тока, угла между током и напряжением, реактивной мощности:

На основании полученных данных построим Характеристику реактивной мощности, которая приведена на рисунке 12. 

Анализируя осциллограмму реактивной мощности, можно сделать вывод, что диапазон регулирования реактивной мощности при α <90⁰ вдвое меньше, чем при α ≥90⁰. С увеличением угла α уменьшается время протекания тока через тиристоры – уменьшается потребляемая реактивная мощность. Также стоит отметить, что полного регулирования не наблюдается, то есть СТК только потребляет реактивную мощность.

Улучшим схему, подключив параллельно ТРГ конденсатор (см. рисунок 3), который будет непрерывно выдавать реактивную мощность и позволит поднять ее характеристику. При угле управления 180 градусов в сеть будет выдаваться реактивная мощность конденсатора, а тиристорно-управляемый реактор будет полностью исключен из работы. Полученные результаты представлены в таблице 2 и на рисунке 13.

Таблица 2 – Полученные результаты амплитуды тока, угла между током и напряжением, реактивной мощности с подключением конденсатора:

Таким образом нам удалось создать модель статического тиристорного компенсатора в который вошли тиристорно-управляемый реактор и коммутируемый конденсатор. Модель позволяет как потреблять, так и выдавать реактивную мощность в зависимости от угла управления тиристорами. Предпочтительным значением угла управления является α ≥90⁰, так как при таком угле управления мы имеем полный спектр регулирования реактивной мощности.

Список источников

1. ГОСТ 32144-2013. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения / разработан Обществом с ограниченной ответственностью «ЛИНВИТ» и Техническим комитетом по стандартизации ТК 30 «Электромагнитная совместимость технических средств». – Текст: электронный. URL: https://electromontaj-proekt.ru/data/documents/gost-32144-2013.pdf (дата обращения 05.09.2024).

2. Васильев А.С. Управляемые электропередачи на базе силовой электроники: учебное пособие. Часть 1. Методическое и технологическое обеспечение управления режимом по напряжению и реактивной мощности / А.С. Васильев, Р.А. Уфа; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2021. – 142 с.