Система стабилизации напряжения потребителей при нестабильности питающего напряжения и колебаниях тока нагрузки

На сегодняшний день во всех отраслях систем электроснабжения вопрос повышения качества электроэнергии и сохранения его значения на заданном (номинальном) уровне является актуальным [1–3]. Поддержание качества электроэнергии на заданном уровне позволяет не только обеспечить нормальную работу технологических установок, но и улучшить в целом технико-экономические показатели систем электроснабжения [4–8]. Для достижения этого на производстве применяются разнообразные технические решения по повышению качества электроэнергии, среди которых достаточно широко распространены механические регуляторы напряжения типа ПБВ и РПН [9, 10]. Для снижения уровня колебаний напряжения, например, в сетях питания металлургических предприятий и электрофицированного транспорта достаточно широко применяют РПН [10]. Опыт эксплуатации систем электроснабжения показывает и подтверждает, что известные механические регуляторы напряжения не удовлетворяют базовым требованием систем электроснабжения по качеству электроэнергии, а в некоторых случаях могут вызвать нарушение основного цикла технологического процесса [11, 12]. И как следствие, это приводит к затягиванию процесса производства продукции и ухудшению качества выпускаемой продукции, что отражается на снижении технико-экономических показателей систем электроснабжения [13, 14]. Следует отметить, что к недостаткам существующих регуляторов напряжения, оказывающих влияние на показатели качества электроэнергии, относятся низкое быстродействие и сравнительно невысокая точность регулирования напряжения [15, 16], которые приводят также к сокращению срока службы и выходу из строя электрооборудования у потребителей электрической энергии [17]. Для устранения выше отмеченных недостатков в работе предлагается построение системы электроснабжения на основе двухподдиапазонного реакторно-тиристорного управляемого регулятора напряжения (ДР-ТУРН) [18].

• 1.    Цель и задачи исследований

Целью работы является обеспечение нормальной работы, повышение качества электроэнергии и эффективности работы всех отраслей систем электроснабжения, а также сохранение срока службы ее электрооборудования за счет сохранения уровня напряжения на номинальном значении при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки.

Для достижения поставленной цели в работе ставились и решались следующие задачи:

• 1)    выполнить аналитическое исследование информационных источников по проблеме обеспечения нормальной работы, улучшения качества электроэнергии и эффективности работы всех отраслей систем электроснабжения, а также сохранения срока службы её электрооборудования при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки;

• 2)    разработать новый принцип построения систем электроснабжения с предлагаемым управляемым регулятором напряжения для устранения недостатков существующих механических регуляторов напряжения и улучшения технико-экономических показателей систем электроснабжения во всех режимах работы сети и нагрузки;

• 3)    разработать блочно-модульную модель системы электроснабжения с известным и предлагаемым регулятором напряжения для проведения исследований и оценки эффективности работы систем электроснабжения в стационарных и динамических процессах;

• 4)    исследовать стабилизации напряжения у потребителей при номинальном напряжении в сети и номинальной нагрузке по штатной и новой схеме регулятора напряжения;

• 5)    исследовать стабилизации напряжения у потребителей при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки по штатной и новой схеме регулятора напряжения;

• 6)    построить внешнюю и регулировочную характеристики, а также характеристики стабилизации напряжения для определения диапазона поддержания напряжения на номинальном значении и

  

  Рис. 1. Блочно-модульная модель анализируемой системы электроснабжения Fig. 1. Block-modular plan of the power supply system

  
  

• 2.    Разработка имитационной модели предлагаемого управляемого регулятора напряжения в составе цехового трансформатора

• 3.    Результаты исследования стабилизации напряжения у потребителей с существующим и предлагаемым регулятором напряжения

оценки эффективности работы регулятора напряжения при нестабильности напряжения питающей сети и колебаниях тока нагрузки.

Исследование стабилизации напряжения у потребителей при нестабильности питающего напряжения и колебаниях тока нагрузки проводилось на специализированном программном комплексе системы электроснабжения в среде MATLAB [19]. Важно отметить, что на блок датчика отклонения напряжения (ДОН) с правой стороны в качестве задающего сигнала выступает действующее значение контролируемого параметра, который указывает, что обратная связь осуществляется по действующим значением контролируемого параметра исследуемого объекта. В качестве контролируемого параметра принималось действующее значение заданного напряжения ( U _з) исследуемого объекта, которое равно U _з = 220 В. Описание применяемой системы управления и в целом принцип работы предлагаемой системы ДР-ТУРН в составе цехового трансформатора при стабилизации напряжения у потребителей в более широкой интерпретации представлены в работе [18].

Модель, представленная на рис. 1, разработана на основе функциональной схемы анализируемой системы электроснабжения [18] и состоит из блока питающей сети (ПС), линии электропередачи (ЛЭП), блока сетевого выключателя (Q1), мо- дулей основных (ТК-1) и дополнительных (ТК-2) тиристорных ключей, синхронизированных с сетью и с блоками систем импульсно-фазового управления CИФУ-1 и CИФУ-2, блока контактора (AC), основного (L1) и дополнительного (L2) реакторов, цехового трансформатора ЦТ, блоков датчика отклонения напряжения (ДОН) и обратной связи (БОС), блока выключателя нагрузки Qн, блоков активно-индуктивных нагрузок (Z), блоков гибридных пускателей нагрузок (ГП-1, ГП-2 и ГП-3) и блока формирователя управляющих импульсов (ФУИ) тиристорных пускателей.

Ниже рассмотрены результаты исследования стабилизации напряжения у потребителей по штатной и новой схеме регулятора напряжения при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки. На осциллограммах (рис. 2, 3) приведены мгновенные и действующие значения токов и напряжений, которые обозначены: u _с и U _с – мгновенные и действующие значения напряжения сети; i с и I с – мгновенные и действующие значения тока сети; u н и U н – мгновенное и действующие значения напряжения нагрузки; i н и I н – мгновенные и действующие значения тока нагрузки. Здесь на интервалах времени Т-1, Т-2 и Т-3 приведены фрагменты реакции выше указанных параметров на управляющие воздействия в системе, которые иллюстрируют процесс стабилизации напряжения у потребителей при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки.

а)

b)

Рис. 2. Осциллограммы токов и напряжения при нестабильности питающего напряжения и тока нагрузки

Fig. 2. Oscillograms of voltage and current during fluctuations of the supply voltage and load current

c)

Рис. 3. Осциллограммы мгновенных и действующих значений токов и напряжения при стабилизации напряжения у потребителей

Fig. 3. Waveforms of the instantaneous and effective values of currents and voltages during voltage stabilization

На рис. 2 приведенные осциллограммы иллюстрируют работу механического регулятора напряжения типа ПБВ при стабилизации напряжения у потребителей при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки. Исследование режима стабилизации напряжения у потребителей осуществлялось на примере цехового трансформатора предприятия, имеющего механический регулятор напряжения типа ПБВ, обеспечивающего питание промышленных активно-индуктивных нагрузок. Здесь приведены осциллограммы мгновенных (рис. 2а) и действующих (рис. 2b) значений токов и напряжения питающей сети, а также промышленной нагрузки. На осциллограммах рис. 2а и рис. 2b на интервале времени Т-1 приведены фрагменты из номинального режима работы цехового трансформатора, где цеховой трансформатор работает при номинальном напряжении питающей сети и токе нагрузки. Как видно из этого интервала времени (Т-1), напряжение у потребителей равно номинальному значению (кривые u _н и U _н). Окончание интервала времени Т-1 и начало интервала времени Т-2 характеризуются одновременным скачкообразным изменением напряжения и тока в сети и на нагрузке, в результате чего напряжение питающей сети снижается на 5 % (кривые u _с и U _с) и повышается ток нагрузки на 35 % (кривые i _н и I _н) относительно номинального значения, которые приведут к снижению напряжения у потребителей до U _н = 194 В.

Кривые токов и напряжений на интервале времени Т-3 (см. рис. 2) отражают процессы в системе при пониженном напряжении питания на 5 % и возрастании тока нагрузки еще на 35 %. В результате нагрузка цехового трансформатора возрастает до 140 %, а просадка напряжения у потребителей возрастает примерно до 30 В.

На основании полученных результатов исследования физических процессов при нестабильности напряжения сети и тока промышленной нагрузки можно отметить, что существующие механические регуляторы напряжения, в частности регуляторы напряжения типа ПБВ, не обеспечивают сохранения качественных показателей электроэнергии у потребителей на уровне номинальных значений, что приводит к снижению эффективности работы установки, нарушению технологических процессов, созданию неудобств для эксплуатирующего персонала, а также к сокращению срока службы работы электрооборудования у потребителей электроэнергии и выхода их из строя.

Как отмечалось выше, с целью устранения этих проблем в работе предлагается новый тип управляемого регулятора напряжения на основе ДР-ТУРН [18] взамен известных механических регуляторов напряжения типа ПБВ и РПН.

Основные результаты исследования, демонстрирующие эффективность стабилизации напряжения у потребителей с предлагаемым регулятором, приведены на рис. 3. Исследования стабилизации напряжения у потребителей проводились на той же модели цехового трансформатора предприятия, обеспечивающего питание промышленной активно-индуктивной нагрузки при угле сдвига нагрузки φ = 45 град. На рис. 3 приведенные осциллограммы иллюстрируют работу предлагаемого управляемого регулятора напряжения типа ДР-ТУРН при стабилизации напряжения у потребителей при разных уровнях напряжения питающей сети и тока промышленной нагрузки. Предлагаемый управляемый регулятор напряжения при разных уровнях напряжения питающей сети и тока промышленной нагрузки стабилизирует напряжение у потребителей следующим образом.

Номинальный уровень. Сохранение напряжения у потребителей на номинальном значении на этом уровне достигается за счет управления основными тиристорными ключами ТК-1 и дополнительным реактором L2 при номинальном напряжении питающей сети и номинальной нагрузке. Протекающий физический процесс иллюстрируют фрагменты, приведенные на интервале времени Т-1 (см. рис. 3). На этом интервале времени цеховой трансформатор работает на номинальном режиме и загружен на 70 %. Основные тиристорные ключи ТК-1 на этом уровне полностью включены (α = 15 град.) и напряжение на входе цехового трансформатора прикладывается только через основные тиристорные ключи ТК-1 и дополнительный реактор L2. Дополнительные тиристорные ключи ТК-2 и основной реактор L1 на этом интервале времени полностью выключены.

Кривые токов и напряжений, приведенные на интервале времени Т-1, наглядно иллюстрируют, что предлагаемое устройство не вносит дополнительных гармоник в форму входного и выходного тока и напряжения, сохраняет их синусоидальность, что позволяет утверждать о комплексном повышении качества электроэнергии во всей системе электроснабжения.

Промежуточный уровень. Поддержание напряжения у потребителей на номинальном уровне обеспечивается управлением основными ТК-1 и дополнительными ТК-2 тиристорными ключами, а также дополнительным реактором L2 при пониженном напряжении в питающей сети и повышенном токе нагрузки. Как видно из рис. 3, скачкообразное уменьшение напряжения в сети на 5 % и повышение тока нагрузки на 35 % от номинального уровня, возникающее на границе интервалов Т-1 и Т-2, обуславливает появление сигнала, который с датчика отклонения напряжения через блок обратной связи подает команду на блок СИФУ-2 для частичного включения в работу дополнительных тиристорных ключей ТК-2 в начале интервала времени Т-2 (t = 0,038 с). Блок СИФУ-2 после получения команды на включение дополнительных тиристорных ключей ТК-2 формирует импульсы и подает команду на управляющие входы ТК-2 для их частичного включения, и они на указанном интервале времени вступают в работу и частично шунтируют основные тиристорные ключи ТК-1 и дополнительный реактор L2 и стабилизируют напряжение у потребителей на заданном уровне. Дополнительные тиристорные ключи ТК-2 на этом уровне частично находятся в работе при угле их проводящего состояния α = 40 град. Дополнительный реактор L2 при промежуточном уровне также выключен. Благодаря предлагаемому устройству на этом интервале времени, несмотря на изменение напряжения питающей сети и тока нагрузки, напряжение у потребителей остается постоянным и не снижается от заданного (номинального) значения. Кроме того, при использовании такого регулятора напряжения на этом уровне происходит незначительное искажение формы выходного напряжения, которое укладывается в нормы, установленные ГОСТ 33073–2014 по искажению напряжения на высокой и низкой стороне трансформатора [20, 21]. На рис. 3 на интервале времени Т-2 кривая uн иллюстрирует искажение формы выходного напряжения регулятора. Следует отметить, что на этом уровне цеховой трансформатор загружен на 105 %.

Максимальный уровень. Обеспечение напряжения у потребителей на номинальном значении при максимальном уровне достигается только при помощи дополнительных тиристорных ключей ТК-2. На этом уровне основные тиристорные ключи ТК-1, а также основной L1 и дополнительный L2 реакторы полностью шунтированы дополнительными тиристорными ключами ТК-2 и напряжение на входе цехового трансформатора прикладывается только через дополнительные тиристорные ключи ТК-2. Из анализа кривых, приведенных на рис. 3, наглядно прослеживается, что скачкообразное повышение тока нагрузки на 35 % относительно предыдущего уровня при сохранении пониженного напряжения питающей сети на границе интервалов времени Т-2 и Т-3 приводит к загрузке цехового трансформатора на 140 %. На интервале времени Т-3 повышение тока нагрузки приводит к появлению сигнала с датчика отклонения напряжения, который через блок обратной связи поступает на СИФУ-2 (сигнал об уменьшении напряжения у потребителей). Последняя, в свою очередь, формирует команды на управляющих входах тиристорных ключей для полного включения дополнительных тиристорных ключей ТК-2, в результате чего они полностью включаются и шунтируют основные тиристорные ключи ТК-1 и дополнительный реактор L2. Дополнительные тиристорные ключи ТК-2 на этом уровне полностью включены при α = 15 град. и стабилизируют напряжение у потребителей на номинальном значении и препятствуют снижению напряжения. Использование предлагаемого регу- лятора напряжения на этом уровне, как и при номинальном уровне не оказывает влияние на форму входного и выходного тока и напряжения, протекающего через регулятор, и сохраняет их синусоидальность, что обеспечивает комплексное повышение качества электроэнергии систем электроснабжения.

На осциллограмме рис. 3а приведены мгновенные значения тока и напряжения в сети и на нагрузке, а также действующее значение напряжения на нагрузке при разных уровнях питающего напряжения и тока нагрузки. Фрагменты, которые представлены на осциллограмме рис. 3b, иллюстрируют изменения мгновенных значений тока и напряжения на нагрузке, а также действующих значений напряжения в питающей сети и на нагрузке при стабилизации напряжения у потребителей. На рис. 3c для большей наглядности, приведены осциллограммы действующих значений тока и напряжения в питающей сети и на нагрузке при скачкообразных изменениях возмущающих воздействий сети и нагрузки.

Анализ результатов исследования, приведенных на рис. 3, показывает, что предлагаемый управляемый регулятор напряжения обладает способностью повысить качество электроэнергии и сохранить нормальную работу систем электроснабжения при возникновении внешних и внутренних возмущений сети и нагрузки.

На рис. 4 приведены интегральные характеристики системы электроснабжения, отражающие регулировочные и стабилизационные свойства регулятора. При этом на рис. 4а приведена внешняя, а на рис. 4b, d – регулировочные характеристики основных ТК-1 и дополнительных ТК-2 тиристорных ключей, и на рис. 4c – характеристики стабилизации напряжения при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки по известным и предлагаемым схемам регуляторов напряжения. Построение характеристик выполнялось следующим образом. Внешние характеристики (см. рис. 4а) – естественная 1 и искусственная 2 – построены при фиксированных углах управления тиристорных ключей при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки. Регулировочные характеристики рассчитаны при изменении углов управления основными ТК-1 (см. рис. 4b) и дополнительными ТК-2 (рис. 4d) тиристорными ключами таким образом, чтобы при изменении напряжения в сети (рис. 4b и рис. 4d, кривая 1) и тока на нагрузке (рис. 4b и рис. 4d, кривая 2) напряжение у потребителей оставалось постоянным (см. рис. 4c). Характеристика стабилизации напряжения на нагрузке построена с учётом регулировочной характеристики.

Изменения диапазонов углов управления предлагаемой системы ДР-ТУРН при стабилизации напряжения у потребителей в целом зависят от характера активно-индуктивной нагрузки и его

а)

b)

c)

d)

Рис. 4. Характеристики анализируемой системы электроснабжения при разных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки Fig. 4. The power supply system at different supply voltages and load currents

угла сдвиг фаз (φ) между фазным напряжением и током, а также от уровня отклонения и колебания напряжения исследуемого объекта. Для конкретики в качестве примера приведены результаты исследования системы при активно-индуктивной нагрузке с углом сдвига φ = 45 град., при снижении напряжения в питающей сети до минимального уровня и ступенчатом изменении тока нагрузки до максимального значения. При этом угол управления основных тиристорных ключей ТК-1 меняется от 15 до 175 град. (см. рис. 4b), а угол управления дополнительных тиристорных ключей ТК-2 меняется от 15 до 129 град. (см. рис. 4г). Плавное или дискретное изменение углов управления основных ТК-1 и дополнительных ТК-2 тиристорных ключей зависит от уровня и величины диапазона отклонения и колебаний напряжения исследуемого объекта, а также от характера активноиндуктивной нагрузки.

Выявление характера и диапазонов изменения углов управления тиристорными ключами при варьировании мощности питающей сети, изменении характера нагрузки и появлении средства компенсации реактивной мощности являются материалом отдельного исследования и будут приведены в следующих публикациях.

Необходимо особо выделить, что предлагаемый управляемый регулятор напряжения в составе цехового трансформатора позволяет стабильно поддерживать уровень напряжения у потребителей на номинальном значении при нестабильности напряжения питающей сети и тока нагрузки. Это подтверждает кривая действующего напряжения

U н , которая показана на осциллограммах рис. 3, из которой видно, что при изменении напряжения питающей сети и тока нагрузки напряжение у потребителей остается постоянным (см. рис. 4c). Стоит отметить, что предлагаемый двухподдиапа-зонный реакторно-тиристорный управляемый регулятор напряжения (ДР-ТУРН) при увеличении тока нагрузки в зоне 3000 А (см. рис. 4с) сохраняет уровень напряжения у потребителей на заданном (номинальном) значении за счет подключения дополнительных тиристорных ключей ТК-2, с помощью которых трансформатор выводится на максимум числа витков первичной обмотки.

Необходимо добавить, что, учитывая величины отклонения и колебания напряжения в системах электроснабжения, для каждого исследуемого объекта можно разработать собственный (индивидуальный) ДР-ТУРН с определенными индуктивными сопротивлениями реакторов и способом управления системы ДР-ТУРН. Это позволяет расширить функциональные возможности предлагаемой системы ДР-ТУРН и сохранить высокое значение технико-экономических показателей установки.

Предлагаемый ДР-ТУРН также обладает способностью сохранить уровень напряжения в системах электроснабжения на номинальном значении при повышении напряжения питающей сети и (или) снижении тока нагрузки. Это достигается при помощи суммарного сопротивления основного L1 и дополнительного L2 реакторов при полностью закрытых основных ТК-1 и дополнительных ТК-2 тиристорных ключах.

Стоит также отметить, что исследование влияния работы предлагаемого устройства на коэффициент мощности в точке подключения к питающей сети проводились, но в рамках данной публикации не приведены. Полученные результаты исследования подтверждают повышение эффективности работы питающей сети и пропускной способности линии электропередачи.

Заключение

Полученные результаты исследования стабилизации напряжения у потребителей по штатной и новой схеме регулятора напряжения при нестабильности питающего напряжения и колебаниях тока нагрузки позволили сделать следующие выводы.

• 1.    Существующие регуляторы напряжения не обладают способностью сохранения напряжения у потребителей на уровне номинального значения, что приводит к ухудшению качества электроэнергии, снижению эффективности работы, нарушению нормальной работы и технологического процесса производства, сокращению срока службы установки, в результате чего возникает аварийная остановка или выход из строя установки, что в целом ухудшает технико-экономические показатели систем электроснабжения.

• 2.    Результатами численного эксперимента установлено, что применение предлагаемого регулятора напряжения взамен известных механических регуляторов напряжения позволяет устранить недостатки существующих регуляторов напряжения и сохранить уровень напряжения у потребителей на номинальном значении, несмотря на плавное или дискретное изменение напряжения питающей сети и тока нагрузки, что приводит к повышению качества электроэнергии и эффективности работы систем электроснабжения, а также к обеспечению нормальной работы технологического производства и повышению качества выпускаемой продукции и в целом улучшению технико-экономических показателей установки.

• 3.    Предлагаемый регулятор напряжения незначительно искажает синусоидальность формы выходного напряжения и только на промежуточном уровне, при этом искажение формы выходного напряжения при промежуточном уровне соответствует ГОСТ 33073–2014 и не выходит за пределы допускаемой нормы. На остальных уровнях напряжения питающей сети и тока нагрузки синусоидальность формы входных и выходных токов и напряжения полностью сохраняется, что характеризует эффективность его работы.