Корректор коэффициента мощности в высоковольтной распределительной электросети на базе многоуровневого каскадного преобразователя с ШИМ на высокой частоте

На современном этапе развития отечественной энергетики необходим форсированный переход к энергосберегающим технологиям - различным способам снижения потерь электрической энергии, сокращающим потребность в вводе новых генерирующих мощностей и требуемом для них органическом топливе.

По утверждению технической инспекции РАО ЕЭС России [1] в настоящее время имеет место факт повсеместной загрузки линий электропередачи распределительных сетей потоками реактивной мощности в диапазоне 80 % и более от величины активной мощности. Снижение потерь по Холдингу на 1 % только за счет компенсации реактивной мощности на шинах нагрузок высвободит в часы зимнего максимума нагрузок для потребителей около 1500 МВт, на 2 % - около 3000 МВт, на 3 % -около 4500 МВт и т.д.

Уменьшение в распределительных сетях балластных потоков реактивной мощности за счет ее компенсации у потребителя или на конечных подстанциях:

• а)    позволит (при наличии в энергоузлах тех же объемов активной мощности и той же пропускной способности сетей) снабжать дополнительных потребителей, то есть позволит обеспечить в определенной степени прирост потребления активной мощности без увеличения ее генерации в узле (регионе) или без увеличения ее перетока из других энергосистем;

• б)    позволит самому потребителю прирастить свои производственные мощности без увеличения потребления из сети;

• в)    позволит присоединить потребителя там, где ранее было отказано, или присоединить новых потребителей, там, где компенсация реактивной мощности позволит это сделать;

• г)    улучшит технико-экономическую эффективность систем электроснабжения как электросетевых компаний, так и самих потребителей;

• д)    повысит устойчивость электроэнергетических систем, систем электроснабжения и нагрузки потребителей при снижении и провалах напряжения в сети.

22 марта 2007 в Минюсте РФ был зарегистрирован первый из документов, регламентирующих отношения субъектов электроэнергетики в области компенсации реактивной мощности. Это приказ министра промышленности и энергетики РФ В .Б. Христенко №49 от 22.02.2007 года «О порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договорах энергоснабжения)» [2]. Данным приказом утверждается «Порядок расчета значений соотношения потребления...». В соответствии с «Порядком...» для всех потребителей электрической энергии, присоединенная мощность энергопринимающих устройств которых более 150 кВт (за исключением граждан-потребителей, использующих электрическую энергию для бытового потребления, и приравненных к ним в соответствии с нормативными правовыми актами в области государственного регулирования тарифов групп (категорий) потребителей (покупателей), в том числе многоквартирных домов, садоводческих, огороднических, дачных и прочих некоммерческих объединений граждан) рассчитывается значение соотношения потребления активной и реактивной мощностей. Так предельные значения коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы наибольших суточных нагрузок электрической сети, для потреби- телей, присоединенных к сетям напряжением ниже 220 кВ, определяются в соответствии с нижеприведённой таблицей [2].

Простейшими устройствами компенсации реактивной мощности являются нерегулируемые конденсаторные батареи (КБ) постоянной мощности и регулируемые релейные или статические тиристорные компенсаторы (СТК) [3]. Однако, для потребителей с изменяющейся потребляемой реактивной мощностью, постоянно включенные КБ не приемлемы, а релейные КБ и СТК при их возможности регулирования величины компенсируемой реактивной мощности имеют ряд существенных недостатков [3], к основным из которых можно отнести возможность возникновения резонансных явлений в питающей сети и перегрузку КБ высшими гармониками тока.

В настоящее время широко распространёнными и перспективными устройствами компенсации реактивной мощности являются статические компенсаторы (СТАТКОМ) [4]. На рис. 1 представлена структурная схема стандартного СТАТ-КОМа, состоящего из трёхфазного преобразователя на запираемых тиристорах VS с обратными диодами VD, емкостного накопителя в цепи постоянного тока С_н и выходных фильтрующих дросселей А/на стороне переменного тока.

Принцип действия СТАТКОМа заключается в регулировании напряжения на фильтрующих дросселях Lj как по амплитуде, так и по фазе за счёт изменения напряжения на выходе тиристорного ШИМ-преобразователя. Для перевода СТАТКОМа в емкостной режим работы +2 (рис. 2) (режим генерации реактивной мощности),

Предельные значения коэффициента реактивной мощности

Положение точки присоединения потребителя к электрической сети	tg>
напряжением 110 кВ (154 кВ)	0,5
напряжением 35 кВ (60 кВ)	0,4
напряжением 6-20 кВ	0,4
напряжением 0,4 кВ	0,35

+Р

Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений и токов СТАТКОМа необходимо, чтобы величина выходного напряжения преобразователя Vo по амплитуде была больше напряжения сети VA. Напротив, при выходном напряжении преобразователя меньше сетевого СТАТКОМ потребляет реактивную мощность, т.е. работает в индуктивном режиме -Q. На рис. 2 представлена векторная диаграмма напряжений и токов СТАТКОМ в четырёх квадрантах Pg-области.

«На практике» не существует идеальных систем, т.е. потери активной мощности присутствуют всегда. Если не учитывать их влияние при разработке СТАТКОМа, то заряд на конденсаторе будет постепенно снижаться, что в результате приведёт к потере устойчивости всей системы. Поэтому для регулирования и поддержания напряжения на конденсаторе даже при чисто индуктивном или чисто емкостном режиме работы СТАТКОМа, необходимо поддерживать незначительный угол расфазировки 0 (см. рис. 2) основной гармоники выходного модулируемого напряжения преобразователя и напряжения питающей сети. Это обеспечивает потребление СТАТКОМом из сети активной мощности, необходимой для компенсации потерь и регулирования напряжения на емкостном накопителе.

Основными достоинствами СТАТКОМа являются [4]:

• •    возможность генерирования и регулирования потока реактивной мощности как емкостного, так и индуктивного характера при одном типе накопителя энергии на стороне постоянного тока;

• •    синусоидальная форма тока во всём диапазоне регулирования мощности;

• •    наивысшее из всех существующих компенсаторов быстродействие и наилучшие удельные массогабаритные показатели.

Максимальная величина компенсируемой СТАТКОМом реактивной мощности для выше приведённого схемного решения (см. рис. 1) ограничена допустимыми значениями напряжения и тока запираемых тиристоров и обратных диодов. Для использования СТАТКОМа в распределительных сетях с напряжением 6-10 кВ и выше необходимо применение многомодульных или многоуровневых схем преобразователей. В этом случае авторами предлагается использование каскадной многоуровневой топологии преобразователя с зонной ШИМ на высокой частоте. На рис. 3 представлена функциональная схема трёхуровневого корректора коэффициента мощности (ККМ), выполненного на однофазных мостовых преобразователях с емкостными накопителями в цепи постоянного напряжения. При высоком напряжении питающей сети ККМ, составленный из стандартных однофазных мостовых преобразователей, соединённых последовательно, позволяет использовать в своём составе IGBT транзисторы на номинальное напряжение, соответствующее одному уровню выходного напряжения. Количество модулей, таким образом, определяется максимальным выходным напряжением ККМ.

Математический анализ исследуемой схемы проводился в синхронной системе dqO-координат, ориентированной по вектору напряжения питающей сети. Было получено описание ККМ для усредненной (1), (2) и малосигнальной (3), (4) математических моделей:

Рис. 3. Трехуровневый корректор коэффициента мощности с зонной ШИМ на высокой частоте

где т, i, е, v - соответственно отклонения параметров скважности ШИМ, тока ККМ, напряжения на конденсаторах и сети от точек покоя М, I, Ей V соответственно. По математическому описанию ККМ были получены передаточные функции ток -коэффициент заполнения, перекрестная передаточная функция ток - коэффициент заполнения, напряжение на конденсаторе - ток (5)—(8), на базе которых проводилось исследование устойчивости работы преобразователя и разработка корректирующих звеньев.

₌ NE(R_s+PL_s) .

• *^dd L² р² + 2L_SR_Sp + 2 + co² V ) ’

W =_______ NE$±pL_s )_____₍₆₎

'" L2p2+2LsRsP + (R?+®42)

_________ -NE&L_S ________

• *^qd ~ L²p² ₊ 2LApHR? Wbh ’

Г Y_djL_{sP +} Y_yL_sm ₊ Y_djR_s )

"Eidi ~—    ?   '        “        ’ ' W yip2CLs+3pCRs+YdjYqtN j

Проведенный анализ имитационной модели, составленной по полученному описанию в программном комплексе Simulink, показал стабильную работу ККМ в статических и динамических режимах. Некоторые результаты имитационного моделирования представлены на рис. 4.

Основываясь на математической и имитационной моделях, была разработана структурная схема системы управления ККМ, представленная на рис. 5. Схема содержит блоки: преобразования Парка (прямое и обратное), синхронизации с сетью посредством ФАПЧ и блок ШИМ. Благодаря блоку преобразования Парка все поступающие с датчиков напряжений и токов сигналы реального времени перенесены в DQO-координатное пространство. ФАПЧ необходим для синхронизации системы DQO-координат с напряжением питающей сети. Выходными данными блока являются

Рис. 4. Временные диаграммы: (а) реактивного тока нагрузки и (6) реактивного тока корректора (q-составляющая), (в) тока нагрузки и ККМ фазы А

Рис. 5. Структурная схема системы управления ККМ

синусная и косинусная функции, однозначно определяющие угол положения вектора трехфазного напряжения, являющегося базисным для системы управления. Блок ШИМ определяет состояние ключевых элементов.

Вопросу компенсации мощности искажений и её первоисточнику — высшим гармоникам тока в распределительных сетях промышленных предприятий - должно уделяться самое серьёзное внимание. Связано это с весьма вредным влиянием, которое оказывают высшие гармоники тока на работу электрооборудования. Широко распространённым способом компенсации мощности искажений является применение пассивных фильтров (ПФ). Настроенные ПФ могут вызвать резонансные явления в системе, которые, в свою очередь, приводят к дополнительным искажениям тока и напряжения. Наличие большого количества пассивных элементов увеличивает потери в ПФ и в системе электропитания в целом. С увеличением количества компенсируемых гармоник растут массогабаритные показатели и затраты на изготовление ПФ.

Применение зонной ШИМ на ВЧ в разрабатываемом ККМ позволяет не только регулировать с высокой степенью точности компенсирующую реактивную мощность, но и генерировать им в питающую сеть ток, в гармоническом составе ко торого кроме первой гармоники, соответствующей реактивной составляющей, присутствуют высшие гармоники, равные по амплитуде, но противоположные по фазе высшим гармоническим тока сети.

На рис. 6 представлена структурная схема блока определения опорного тока ККМ в синхронной системе ^-координат, ориентированной по вектору напряжения питающей сети. В данном случае, ^-составляющая компенсационного тока /^ содержит в своём составе переменную -составляющую нескомпенсированного тока питающей сети I^c ^и необходимую для поддержания и регулирования напряжения на емкостных накопителях составляющую 1^. Неактивная ^-составляющая компенсационного тока Г полностью соответствует ^-составляющей нескомпенсированного тока I_qs, и содержит постоянную реактивную составляющую, а также переменную, соответствующую высшим гармоническим составляющим.

В программном комплексе Matlab/Simulink была составлена обобщённая математическая модель силовой части ККМ и его системы управления. На рис. 7 представлены результаты имитационного моделирования - временные диаграммы а) нескомпенсированного тока питающей сети, содержащего как реактивную составляющую, так и высшие гармони-

Рис. 6. Структурная схема блока определения опорных токов

Рис. 7. Результаты имитационного моделирования ККМ

ки; б) компенсационного тока ККМ и в) скомпенсированного тока питающей сети.

Анализ проведённых исследований ККМ в распределительной электросети показал практически нулевой фазовый сдвиг между током и напряжением сети, низкое содержание в спектре тока питающей сети гармоник до 10 порядка включительно при различном характере нагрузки, а также устойчивую работу ККМ в установившихся и динамических режимах.