Компьютерное моделирование статических устройств ограничения токов короткого замыкания в ЭЭС

УДК 621.311

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В ЭЭС

В.Н. Крысанов, Ю.В. Шарапов

В статье рассмотрена возможность использования трансформаторно-тиристорного регулятора напряжения в качестве токоограничивающего устройства при коротких замыканиях в электрических сетях. Описывается математическая дискретная модель трансформаторно-тиристорного устройства ограничения токов КЗ с аналогом микроконтроллерного управления и запиранием полупроводниковых тиристорных ключей как естественной коммутацией, так и искусственным отключением тиристорных ключей внешним устройством (коммутационными приборами). Проведенное математическое моделирование такого модифицированного регулятора напряжения показало, что отключение вентилей внешним устройством позволяет снизить максимальный ток, протекающий в цепи автотрансформатора, до заданного значения. Это достигается путем повышения индуктивного сопротивления трансформатора, вызванного размыканием первичной обмотки. Другой вариант построения такого устройства с запиранием ключей естественным способом (запирание в случае прохождения тока через нуль) неэффективен, вследствие роста тока в течение полупериода до момента отключения вентиля и достижения им критических значений за установленным на входе устройства порогом. Данное устройство и описание дискретной функции управления позволяет использовать полученный программный код и схему силового преобразователя в дальнейшем лабораторном макетировании и моделировании трехфазного варианта устройства

Ключевые слова: моделирование, тиристорный регулятор, короткое замыкание, вольтодобавочный трансформатор, автотрансформатор

Оптимизация режимов ЭЭС с помощью регулирования напряжения, является одним из основных способов повышения эффективности функционирования последних. IВ качестве аппаратной реализации этого способа широко применяют регулируемые под нагрузкой трансформаторы и автотрансформаторы. Для управления переключением обмоток автотрансформатора с включенным в нейтраль вольтодобавочным трансформатором могут использоваться как полупроводниковые так и механические или газовые переключатели.

Последние не могут обеспечить реализацию современной технологий FACTS. Именно к устройствам второго поколения (FACTS-2) относят устройства,

обеспечивающие регулирование режимных параметров на базе полностью управляемых приборов силовой электроники. К этой группе статических устройств можно отнести и вольтодобавочный трансформатор,

коммутируемый полупроводниковыми

ключами - тиристорами. Такой способ управления позволяет обеспечить снижение кратности перенапряжений и увеличение пропускной способности ЛЭП [1].

В [1,2,3] рассмотрен тиристорный регулятор напряжения с силовым

Крысанов Валерий Николаевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8-920-228-56-06, e-mail: sovteh2000@mail.ru Шарапов Юрий Викторович - ВГТУ, аспирант, тел. 8-920-434-85-50, e-mail: y.v.sharapov@list.ru

автотрансформатором, в нейтраль которого включен вольтодобавочный трансформатор (рис. 1), данное техническое решение можно использовать как в режиме вольтоотбавки для подавления перенапряжения в сети при коротком замыкании, так и в «дроссельном режиме» для подавления экстратоков короткого замыкания.

Для определения основных характеристик системы микроконтроллерного управления таким статическим устройством необходимо создать его компьютерную модель.

Система управления ТРН

Рис. 1. Трансформаторно-тиристорный регулятор напряжения

Для моделирования автотрансформатора в пакете Matlab применялся блок Linear Transformer в котором использовались 3 обмотки, а также 2х обмоточный Linear

Transformer для моделирования

вольтодобавочного трансформатора.

Полупроводниковые ключи представлены моделью встречно параллельных тиристорных ключей модуля Power Electronics Sim Power Systems. Модель одной фазы автотрансформатора и нагрузки приведена на рис. 2.

Система управления регулятором представлена моделью трансформатора тока нагрузки, трансформатором напряжения третичной обмотки автотрансформатора, системой сопряжения и контроллером управления, представленным в свою очередь блоком Interpreted MATLAB Fcn, с частотой дескретизации 10 мкс, что позволяет работать в дискретной системе управления с кодом и входными/выходными параметрами,

соответствующими реальной

микроконтроллерной системе, применяемой в настоящее время в технике.

ф1

Pi Section Linel

|[VD2]

5 5 i §

°ис. 2. Модель тиристорного регулятора

трансформаторно-

Модель системы управления приведена на рис. 3.

Для ограничения токов короткого замыкания в сетях среднего и высокого напряжения, при неизменном уровне напряжения является увеличение индуктивного сопротивления в месте короткого замыкания.

Для этого применяются реакторы (управляемые и неуправляемые).

Неуправляемый реактор ставится в цепь распределительной сети и его импеданс суммируется с импедансом сети. Таким образом, во время нормальной работы коэффициент мощности близок к 0,9 и падение напряжения на реакторах из-за протекающего тока сдвинуто по фазе на 90 градусов относительно нагрузки. Напряжение на нагрузке при этом поддерживается в соответствии с требованиями ГОСТ.

Рис. 3. Модель системы управления ТРН

Так же непосредственно на нагрузке могут использоваться ограничители тока, приборы, разъединяющие цепь при превышении определенного порога тока.

В случае с тиристорным регулятором напряжения увеличение индуктивного сопротивления можно получить как за счет специального управления ключами

(кососимметричное управление дает относительно небольшое увеличение сопротивления [4]), так и за счет отключения первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора от сети.

При этом если использовать те же тиристорные группы, то быстродействие будет равняться порядка 10 мс, в следствии невозможности выключения тиристоров до пересечения током нуля (рис. 4). На рисунке показаны графики работы ТРН при активно-индуктивной нагрузке на линию электропередач длиной 20 км при угле отпирания тиристоров равном 130 градусов. При срабатывании защиты от КЗ сигналы на управление ключами не подаются, как видно из рисунка тиристоры пропускают ток короткого замыкания в течении одного периода и только потом ТРН переходит в дроссельный режим, индуктивность сети растет, а соответственно ток - падает. Для увеличения быстродействия подобной системы требуется отключения тиристорных групп от первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора сразу после срабатывания токовой защиты. Сделать это можно с помощью обычных коммутационных приборов. Данный способ позволяет снизить ток короткого замыкания, и отключить тиристорные группу раньше чем при естественной коммутации. Дополнительно первичная обмотка шунтируется

последовательным резистором, что позволяет избавиться от пульсаций напряжения на нагрузке, путём варьирования индуктивного

сопротивления вольтодобавочного

трансформатора.

Модель трансформаторно-тиристорного регулятора с системой токоограничения на

основе коммутационных элементов и гасящего резистора представлена на рис. 6.

1 °°°-¡¡к-¡¡к-¡¡к-¡¡к-ак-гк-гЬ-актРис. 4. Переключение ТРН в дроссельный режим с помощью выключения тиристоров 1 - напряжение на выходе трансформатора, 2 - напряжение на нагрузке, 3 - ток на нагрузке

-

V'........................

--""""

,«, о

Рис. 5. Переключение ТРН в дроссельный режим с помощью размыкания тиристоров 1 - напряжение на нагрузке, 2 - напряжение на выходе трансформатора, 3 - ток на нагрузке

Рис. 6. Тиристорный регулятор с системой токоограничения

Результаты моделирования системы токоограничения показаны на рис. 5.

Как видно из результатов моделирования: применение вольтодобавочного

трансформатора в режиме шунтирующего реактора при действии токов короткого замыкания позволяет добиться снижение действующих токов до 1,25 от номинальных, при учете регулирования значения тока отсечки и скорости нарастания тока, за счет применения микроконтроллерной системы управления. При моделировании были учтены как дискретность по времени такой системы управления, так и адекватность смоделированных алгоритмов из соображений переноса их в дальнейшем на лабораторные макеты и стенды для лабораторных занятий.

Стоит отметить, что моделирование микроконтроллерных (дискретных) систем управления в среде MATLAB на основе блоков Interpreted MATLAB Fcn позволяет добиться не только результатов моделирования с высокой сходимостью с реальными объектами управления, но и добиться быстроты написания и отладки программного обеспечения микро-

контроллерной системы управления объектом, за счет того что основой текст (в данном случае регулятора напряжения с функцией токоограничения) программы будет аналогичен описанным в функции MATLAB.

Литература

1. Крысанов В.Н. Тиристорный регулятор напряжения как средство повышения пропускной способности и снижения перенапряжения в ЛЭП [Текст] / В.Н Крысанов // Энергетические комплексы и системы управления. - 2009. - №1. - С. 12-15.

2. Крысанов В.Н Быстродействующее регулирование напряжения при коротком замыкании в высоковольтных сетях [Текст] / В.Н. Крысанов, С.В. Астафьев // Энергетические комплексы и системы управления. - 2010. - №1. - С. 56-60.

3. Крысанов В.Н Использование современных микроконтроллерных средств вычисления для управления устройствами «Гибких» систем передачи переменного тока «FACTS» [Текст] / В.Н. Крысанов, Ю.В. Шарапов // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2014. - №3. - С. 62-66.

4. Крысанов В.Н Учет нелинейности магнитопровода силового трансформатора в статических регуляторах напряжения для энергопотребителей [Текст] / В.Н. Крысанов, А.Б. Кирилов // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2015.- №3 -С.35- 39.

Воронежский государственный технический университет

COMPUTER SIMULATION OF STATIC SHORT-CURRENT LIMITING DEVICES IN

THE POWER SYSTEM

V.N. Krysanov, Candidate of Technical Sciences, Voronezh Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: sovtech2000@mail.ru.

Yu.V. Sharapov, Postgraduate, Voronezh Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: y.v.sharapov@list.ru.

The article discusses the possibility of using the transformer-thyristor voltage regulator as a current-limiting device during short circuits in electrical networks. A mathematical model of discrete transformer-thyristor short-circuit current limiting device with an analog microcontroller control and locking semiconductor thyristor switched keys as a natural and artificial disconnection of thyristor keys External device (switching devices). Conducted by mathematical simulation of the modified voltage regulator shown that gates off the external device reduces the maximum current flowing in the circuit of the autotransformer, to a predetermined value. This is achieved by increasing the resistance of the inductance of the transformer, caused by opening of the primary winding. Another option is the construction of such a device with a locking keys in a natural way (in the case of locking the passage of current through zero) is not effective, due to the current increase during the half-cycle before the shutdown valve and reaches the critical values for the device installed on the input threshold. The resulting device and a description of discrete control function allows you to use the resulting program code and a power converter circuit further laboratory prototyping and modeling of 3-phase version of the device

Key words: modeling, thyristor short circuit, booster transformer, autotransformer

References

1. Krysanov V.N. Tyristornyj regulator napryazhenya kak sredstvo povysheniya propusknoy sposobnosty I snizheniya v LEP [Thyristor voltage regulator as a tool for increasing of carrying capacity and decline of overvoltage in power transmission line], Energeticheskie komplecsy I sistemy upravlenia, 2009; №1; 12-15.

2. Krysanov V.N., Astafev S.V. Bystrodeystvuyuschee regulirovanie napryazhenia pri korotkom zamykanyy v vysokovoltnykh lyniyakh. [Fast-acting regulation of voltage in the tim of short current in high-voltages lines]. Energeticheskie komplecsy I sistemy upravlenia; 2010 №1; 56-60.

3. Krysanov V.N., Sharapov Y.V. Ispolzovanie sovremennykh microcontrollernykh sredstv vychislenij dlya uprovleniya ustroystvamy gibhikh system peredachi peremennogo toka [Using modern microcontroller devices of computing for control FACTS system devices]. Energeticheskie komplecsy I sistemy upravlenia; 2014 №3; 62-66.

4. Krysanov V.N., Kyrilov A.B. Uchet nelineynosty magnitoprovoda silovogo transformatora v staticheskikh regulatorakh napryazheniya dlya tntrgopotrebitele [The Accounting of nonlinearly of the magnetic core of power transformer in static voltage regulators for energy consomers] Nauchno-tekhnicheskyj zhurnal; Electrotekhnicheskie kompleksy I sistemy upravlenia; Voronezh; Kvarta; 2015 №3; 35-39.