Статком как средство решения вопросов энергосбережения

Введение. В последнее время особую популярность приобрел вопрос энергосбережения на промышленных предприятиях. И связано это в первую очередь с неконтролируемым ростом количества самих предприятий и, как следствие, увеличение спроса на невозобновляемые природные ресурсы. Также не стоит забывать о том, что на большинстве предприятий еще остается старое, неэффективное оборудование, которое требует либо модернизации, либо замены.

Выделяют целый ряд направлений политики энергосбережения, одними из которых являются следующие:

• - контролирование коэффициента мощности cosφ;

• - снижение влияния несимметричной нагрузки на систему электроснабжения [1].

Коэффициент мощности cosφ тесно связан с таким параметром, как реактивная мощность Q через соотношение:

P cos ф = —,        ,

VP^Q2

где P и Q – активная и реактивная мощности, соответственно [2].

При передаче реактивной мощности происходит потеря активной мощности ΔР, которую можно определить по следующей формуле:

A P =--Q R,

U2

где U – линейное напряжение; R – активное сопротивление фазы [3].

Как отмечалось выше, помимо реактивной мощности, еще одной проблемой в системе электроснабжения является несимметричная нагрузка, которая характеризуется появлением токов обратной последовательности в полных токах. Токи обратной последовательности вызывают дополнительные потери активной мощности.

Таким образом, для решения обозначенных проблем наиболее рациональным считается применение универсального устройства, позволяющего не только компенсировать реактивную мощность, но и снижать влияние несимметричной нагрузки. И таким устройством является СТАТКОМ.

Основная часть. СТАТКОМ (STATCOM – static synchronous compensator) – статический синхронный компенсатор реактивной мощности, предназначенный для компенсации реактивной мощности, симметрирования нагрузок в фазах, улучшения гармонического состава тока и напряжения и поддержания напряжения на необходимом уровне. Он построен на основе полностью управляемого инвертора напряжения и в качестве силовых ключей применяются IGBT– и MOSFET–транзисторы или IGCT– и GTO–тиристоры. Предпочтение отдают IGBT транзисторам из-за относительно малых потерь при переключениях, высоких предельных параметров единичного прибора и высокой частоты работы, которая сказывается на гармоническом составе выходных напряжений и токов [4-5].

Устройство компенсации реактивной мощности типа

СТАТКОМ

состоит из трех основных элементов: источника постоянного напряжения, в качестве которого используется конденсатор, управляемого инвертора напряжения и реактора. По необходимости установка также комплектуется понижающим трансформатором для согласования уровней напряжений сети и инвертора и фильтрами высших гармонических составляющих, настроенных на частоту работы силовых ключей. На рисунке 1 представлен пример подключения устройства [6 – 8].

УИН – управляемый инвертор напряжения;

I̲ А , I̲ В , I̲ С – сетевые токи;

U̲ А , U̲ В , U̲ С – сетевые напряжения;

E̲ ИА , E̲ ИВ , E̲ ИС – напряжение инвертора;

I̲ ИА , I̲ ИВ , I̲ ИС – токи инвертора;

L РА , L РВ , L РС – индуктивности фазных реакторов;

Т – понижающий трансформатор (может отсутствовать);

U DC – напряжение конденсатора

Рисунок 1 – Схема подключения компенсатора к сети

Система управления СТАТКОМ в большинстве случаев строится на основании преобразования трехфазной системы векторов токов или напряжений в двухфазную вращающуюся систему координат, называемым преобразованием Парка-Горева. Выражения, по которым осуществляется переход, выглядят следующим образом:

id = —(za sin(®t) + zь sin(®t -120°) + zc sin(®t +120°)),

i _q

= —(za cos(®t) + zь cos(®t -120°) + zc cos(®t +120°)),

• где i a , i b , i c – мгновенные значения токов трехфазной системы, А;

• i _d и i _q – проекции обобщенного вектора на оси новой системы координат, А;

• ω – угловая частота вращения векторов токов, рад/с;

• t – момент времени, с.

Обратный переход в трехфазную систему векторов осуществляется по следующим уравнениям:

Za = Zd sin(tot) + Zq cos(tot),

zb = zd sin(rot -120°) + zq cos(rot -120°),

z c = zd sin(rot +120°) + zq cos(rot +120°).

Анализ выражения (3) показал, что при симметричной активной нагрузке проекции обобщенного вектора на оси d и q являются константами, причем проекция на ось q равна 0, а появление составляющей iq говорит о наличии реактивной нагрузки в потребляемом токе. Идентифицировать наличие обратной последовательности можно по возникновении периодических составляющих с частотой 100 Гц в проекциях на оси d и q [9].

Выбранная структура системы управления статического синхронного компенсатора реактивной мощности представлена на рисунке 2 [10].

иa иc иb

Рисунок 2 – Структура системы управления СТАТКОМ

Для вычисления параметров сетевого напряжения требуется из проекций u _d и u _q выделить постоянные составляющие, которые обуславливают прямую последовательность. Для этого используются интегральные фильтры второй гармоники:

0,01

u ^d1 = 001 I u ^d(t)dt,                            (5)

0,01

u q¹ = 001 1 u q^(t)dt.

,0

Амплитуда прямой последовательности напряжения сети находится по формуле:

Um1 = ud di + u qi •                      ⁽⁶⁾

Фаза прямой последовательности напряжения сети вычисляется по выражению:

I u q1 | a = arctg .

I u d1 )

Для определения параметров несимметрии сети из проекций обобщенного вектора тока id и iq выделяют периодические составляющие, определяющие однозначность появления обратной последовательности в фазных токах сети. С этой целью также

применяются выражениям проекций, а образом:

интегральные фильтры второй гармоники по (5), которые выделяют постоянные составляющие периодические составляющие вычисляют следующим

id d2 = id d - id dl, i q2 = i q ^- i ql^-

После

чего находят проекции вектора обратной

последовательности на вектора единичных синусоиды и косинусоиды фазы А:

vid2 = id2 1 cos(rot) - iq2 • sin(rnt), viq2 = z'd2 ‘ sin(®t) + iq2 • cos(mt).

Стоит отметить, что данную операцию по выражениям (9) следует выполнять дважды для получения требуемого результата.

Амплитуда тока обратной последовательности находится по

выражению:

22 ^vi d2 ^{+ v}i q2^.

Фаза тока выражению:

обратной последовательности вычисляется по

P = arctg

^   ^vi q2

^^^^^^^^ ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^—

V   ^vi d2 v

Входными параметрами регулятора напряжения на стороне переменного тока являются:

• -    амплитуда напряжения прямой последовательности U m1 ;

• -    максимально допустимый ток инвертора в одной фазе I max ;

• -    уставка напряжения прямой последовательности U_уст;

• -    максимальное отклонение напряжения от уставки ΔU.

Максимальная реактивная мощность, которую может выдать инвертор, вычисляется по следующей формуле:

Qmax = 3Uycm I max-                (12)

Требуемая величина реактивной мощности следующим образом:

вычисляется

= ^Qmax ^(U уст ^Um1)

Q =       A U       ^-

Определив все необходимые входные параметры, производится вычисление формы кривых фазных токов преобразователя по выражениям:

iиа = - Imqisin(® t + a) — Im2sin(® t + в), iUb =— Imq1sin(® t+a-120°) — Im2sin(® t +P +120°),    (14)

iUc = — Imq1sin(® t + a +120°) — Im2sin(® t + в —120°), где Imq1 – амплитуда реактивного тока прямой последовательности, А.

Амплитуду реактивного тока прямой последовательности определяют по следующей формуле:

Q

Imq¹ = 3 ' Um1

Промоделируем на статичной модели, созданной в программе Matlab Simulink, самый тяжелый и распространенный режим нагрузки – индуктивная несимметричная. Результаты моделирования представим на рисунке 3.

Рисунок 3 – Результаты моделирования индуктивной несимметричной нагрузки

Как видно из рисунка 3 система управления компенсатора определила параметры сетевого тока и задала такой ток в фазах, который скомпенсировал как реактивную мощность (снижение амплитуды тока), так и несимметричную составляющую, о чем свидетельствуют осциллограммы после подключения СТАТКОМ.

Выводы: Анализ работы устройства для компенсации реактивной мощности типа СТАТКОМ показал его полную пригодность на промышленных предприятиях для рационального использования невозобновляемых природных ресурсов, затрачиваемых на генерацию электрической энергии и не только, а также дает экономический эффект, заключающийся в снижении платы за электроэнергию из-за отсутствия активных потерь и реактивной мощности.