Разработка системы адаптивного регулирования компенсации реактивной мощности

УДК 621.331

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АДАПТИВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

С.В. Ершов, В.Ю. Карницкий

Предлагается структура устройства, которое обеспечивает адаптивное управление параметрами реактивной мощности в системах электроснабжения. Система обеспечивает не только адаптивное управление, но и существенно повышает плавность управления, что благоприятно сказывается на показателях надежности системы электроснабжения.

Ключевые слова: электроснабжение, реактивная мощность, компенсация, проектирование.

Среди устройств управления параметрами реактивной мощности конденсаторные батареи являются наиболее эффективными для использования в условиях городских сетей электроснабжения. Наиболее оптимальным и надежным решением является использование в качестве коммутационной аппаратуры управляемых тиристоров. Таким образом, выбор системы будем вести в данном направлении.

С учетом вышесказанного может быть предложена следующая принципиальная схема системы автоматического регулирования коэффициента мощности.

Управляющее устройство вырабатывает в нужные моменты токовые импульсы, которые, проходя через контролирующий блок, изменяют напряжение на ее зажимах. Таким образом, скачков тока при коммутации вентилей в цепи этой БК не будет. Продолжительность протекания тока в течение одного полупериода может осуществлять регулирование моментом подачи импульса тока от управляющего устройства.

Устройство представляет собой два симметричных блока (рис. 1). В каждом блоке трехфазные группы соединены в треугольник. Таким образом, с конденсаторами подключаются два встречнопараллельно- соединенных вентиля 3 и 4. Конденсаторные батареи БК 1 и 2 и вентили включаются в сеть через трехфазный трансформатор. Обмотки трансформаторов 5 и 6 должны быть соединены таким образом, чтобы суммарный ток блоков не имел гармоник, кратных трем, которые, как показывают теоретические и имитационные исследования, являются самыми большими в токе ИРМ. Это можно достигнуть, если для одного трансформатора выбрать схему соединения обмоток "звезда-звезда", а для другого - "звезда-треугольник". При подсоединении конденсаторов в треугольник компенсируются третья и кратная ей гармоники тока.

Сеть

Рис.1. Принципиальная схема устройства автоматического регулирования реактивной мощности

Для практического применения рассматриваемая схема может иметь следующие параметры: постоянная времени 0,02...0,03 с; диапазон регулирования мощности (в долях от номинальной) 0,3 - 1; диапазон регулирования угла управления вентилями - около 50°.

Главным элементом системы управления является блок автоматического регулирования подачи сигналов на тиристоры. Его возможная структура представлена на рис. 2.

Все компоненты регулятора выполнены на интегральных микросхемах с применением управляемых выпрямителей в измерительных преобразователях напряжения, интегральных перемножителей в измерительных преобразователях активной мощности и дискретных логических микросхем.

Микропроцессорная автоматическая система адаптивного управления и защиты статическими компенсаторами основывается на базе современного микропроцессора. Она производит не только автоматическое регулирование величины действующего напряжения повышения и коэффициента реактивной мощности СТК, но и противоаварийное управление: защиту тиристорных преобразователей, снижение перенапряжений, дис-

кретное увеличение требуемого напряжения (уставки) по сигналу противо-аварийной автоматики.

ИПЧ

от ТА

АИТГ

от IV

АИН

АК

хАДЛ

ФНЧ

ВИНП

РДС

ВЧ

4

Т1 Т2

МП1

МП2

Т1 Т2

МП1

МП2

МК

<--------

МПЛ

МК

4--------

Ис. Ч

ФИУ

к VST

КВР

к 01,02

ЦАП,

0

Рис.2. Структура блока управления САР реактивной мощности

Для повышения надежности функционирования предусматриваею-ся два взаиморезервируемых управляющих контроллера, образующих расчетную (ВЧ функциональную) часть. Каждая из них имеет по два микропроцессора -МП 1, МП2.

Измерительно-преобразовательная ИПЧ и исполнительная Ис.Ч функциональные части, образуют устройство связи с объектом, осуществляют аналоговое измерительное преобразование входных сигналов - напряжений и токов промышленной частоты, формируют фазоимпульсное регулирующее воздействие на тиристоры СТК и организуют гальваническое разделение (развязку) их цепей и входов расчетной части. При этом применяются герконы реле дискретных сигналов РДС и оптоэлектронные усилители в цепочках аналоговых сигналов (на схеме не представлены).

Узлы аналогового измерительного преобразования токов АИТ и напряжений АИН включают в себя активные измерительные трансреакторы и трансформаторы с обобщенными сигналами в виде переменных напряжений с ограниченной на уровне 5 В амплитудой. Они подаются через переключатель аналоговых сигналов АК (аналоговый мультиплексор) в АЦП.

Поскольку напряжения на зажимах шин подстанции и на питающей линии при работе СТК, генерирующего гармоники, несинусоидальны, то перед блоками аналого-дискретных преобразователей АДП, формирующих импульсы управления микропроцессорами, устанавливаются активные частотные фильтры нижних частот ФНЧ.

34

Два АДП генерируют короткие импульсы в моменты равенства нулевым мгновенным величинам трехфазных напряжений, необходимых для цифровых измерительных преобразований управляющей части.

В связи с упомянутой несинусоидальностью напряжений осуществляется цифровое измерительное преобразование действующего показателя напряжения в сигнал, что является отличительной особенностью вычислительной части предлагаемой САР. Алгоритм такого преобразования предполагает расчет сумм квадратов дискретных мгновенных значений фазных напряжений иа через промежутки времени, равные 1/4 периода их изменений, и извлечение квадратного корня. Цифровой сигнал данных о действующем напряжении формируется по среднему за интервал Тп промышленной частоты их значению. Прекращение вычислений контролируется соответствующими таймерами Г1, Т2 контроллера.

В цепях напряжений присутствуют также аналоговые выпрямительные измерительные преобразователи средних величин напряжений ВИПН.

Отличительной особенностью является цифровой способ формирования сигналов управления - определение двоичного кода угла включения тиристоров СТК и его фазоимпульсное преобразование.

Начало работы программы фазоимпульсного преобразования происходит по прерываниям 12 раз в течение периода промышленной частоты по управляющим сигналам, формируемым третьим АДП при каждом моменте равенства нулю показателей шестифазной системы переменных напряжений, получаемых от измерительных трансформаторов ТУ с отличными друг от друга группами соединений первичной и вторичной обмоток. На выходе второго микропроцессора МП2 по шести каналам передаются информационные сигналы об углах включения тиристоров трехфазных вентилей (прямого и обратного) тиристорного преобразователя. Сигналы обрабатываются, усиливаются и распределяются по тиристорам в формирователях импульсных токов управления ФИУ - токов базы тиристоров исполнительной части САР. В формирователи подаются и сигналы переключения на диодный режим работы тиристоров.

Исполнительная часть состоит из комплекта герконов дискретных выходных сигналов КВР, подаваемых от их мультиплексора МПЛ, модуля контроля МК и подключаемого через ЦАП осциллограф О. Микропроцессорная система автоматического регулирования выполняет функции защиты СТК (статических конденсаторов) от токов перегрузки и аварийных режимов тиристорного преобразователя. Широкий перечень программных функций, реализуемых алгоритмом, обеспечивает удобство контроля и обслуживания САР.

Принципиальная схема блока регулирования может быть представлена на рис. 3.

26

. 9 7

ио Д27 £ о_Г

,-3

29

10

Н

"С

12

= 16 22

Ьо-і

21

18 £

25

24

Рис. 3. Принципиальная схема блока регулирования СА У

Устройство для регулирования реактивной мощности в системе электроснабжения имеет п секций 1 конденсаторной батареи, подсоединяемым к шинам с помощью блоков 2 коммутации, и вентильнореакторное компенсирующее устройство 3.

Устройство содержит также включенный в цепь вентильнореакторного компенсирующего устройства датчик 4 коэффициента мощности, включающий в себя трехфазную группу трансформаторов 5 тока и выпрямителя 6, два компаратора (7 и 8) и два источника опорного напряжения (9, 10). Устройство имеет также цифровую вычислительную схему, в состав которой входят шесть логических элементов 2И 11-16, два логических элемента НЕ 17 и 18, логический элемент ИЛИ 19, два счетчика на К 20 и 21 (где К - число переключений вентилей вентильно-реакторного компенсирующего устройства за время подачи напряжения системы электропитания), ЯБ-триггер 22, синхронизатор 23, элемент 24 задержки и п-разрядный главный контроллер 25..

Цепочка управления вентильно-реакторным компенсирующим устройством 3 образует узел, содержащий датчик 26 обратной связи, схему 27 сравнения, блок 28 управления вентильно-реакторным компенсирующим устройством 3 и датчик 29 коэффициента мощности нагрузки.

Устройство функционирует следующим образом. Поддержание используемого баланса реактивной мощности в системе электроснабжения осуществляется посредством плавного изменения реактивной мощности вентильно-реакторного компенсирующего устройства в функции изменения величины угла ф сдвига фаз между напряжениями системы и током

нагрузки и ступенчатого регулирования реактивной мощности путем подключения (отключения) определенного количества секций 1, определяемого при помощи блоков 2 коммутации батареи конденсаторов. Сигнал, пропорциональный углу ф сдвига фаз, подается датчиком 26 обратной связи, этот сигнал на схеме 27 сравнивается с заданным сигналом и0, и разница передается на информационный вход блока 28 управления вентильнореакторным компенсирующим устройством. Блок управления осуществляет сдвиг поочередности вырабатываемых им импульсов управления вентилями компенсатора 3 на временной промежуток, пропорциональный величине смещения угла ф от используемого показателя. В результате этого осуществляется изменение величины потребляемого компенсатором 3 реактивного тока (и, соответственно, количества реактивной энергии), что в конечном итоге приводит к компенсации возмущающего сигнала нагрузки на величину значения стабилизируемого параметра.

При глубоких колебаниях нагрузки компенсация реактивной мощности осуществляется путем переключения секций конденсаторной батареи. Переключение секций 1 выполняется на основании данных о величине реактивной мощности компенсирующего устройства 3 на основе контроля величины его тока.

Подключение следующей секции 1 происходит сразу после того, как на одном из этапов работы компенсатора 3 амплитуда его тока станет меньше используемого параметра. Следующее подключение будет выполняться при тех же условиях, но по истечении срока, равного времени влияния напряжения системы, и необходимого времени для затухания переходного процесса подключения секций 1 регулируемой секции конденсаторной батареи.

Отключение последующей секции 1 конденсаторной батареи будет происходить после того, как на всех шести (если схема компенсатора 3 трехфазная мостовая) промежутках работы амплитуда тока вентильнореакторного компенсирующего устройства 3 будет больше заранее заданного значения.

Определение сигнала, пропорционального коэффициенту мощности компенсирующего устройства 3, осуществляет датчик 4 коэффициента мощности, который содержит трехфазную группу трансформаторов 5 тока и выпрямитель 6. Этот сигнал передается на инвертирующий вход первого компаратора 7, на второй вход которого подается опорное напряжение источника 9, величина которого устанавливает минимально допустимую амплитуду тока компенсирующего устройства 3. На выходе компаратора 7 будет находиться сигнал, соответствующий уровню логической единицы, когда напряжение источника 9 будет больше напряжение датчика 4, и равный уровню логического нуля в противном случае. Этот сигнал подается на один из входов первого элемента 2И 11, на другой вход которого с выходных клемм синхронизатора 23 приходят импульсы, образующиеся в

37

момент перехода напряжения системы через нуль. Данный момент будет совпадать с амплитудой тока вентильно-реакторного компенсирующего устройства 3.

Если величина тока компенсирующего устройства 3 в какой то интервал времени превышает заданный уровень, сигнал на выходе первого элемента 2И 11 будет равен нулевому уровню. В случае, если на одном интервале ток компенсатора 3 падает ниже эталонной величины, то на выходе компаратора 7 в синхронизирующий момент из-за единичного уровня на выходе элемента 2И 11 появляется импульс, который поступает на один из входов шестого элемента 2И 16. На другой вход элемента 16 с выхода первого счетчика 20 подается сигнал логического нуля, если в течение предыдущего этапа уже происходила процедура подключения секции

1, и сигнал логической единицы, если указанная процедура не осуществлялась.

Контроль числа прошедших интервалов после подключения очередной секции 1 проводится счетчиком на К (для трехфазной мостовой схемы К=6), который после сброса обнуления шестым по счету прошедшим импульсом с выхода синхронизатора на вход С1 подает на выход Q4 сигнал логической единицы. Таким образом, подаваемый на один из входов элемента 2И 16 импульс, при сигнале на втором входе равный величине логической единицы, появляется на Б-входе ЯБ-триггера, на выходе которого будет уровень логической единицы. Он подается на первый управляющий Бо и первый записывающий входы регистра 25 сдвига.

После подачи смещенного на элементе 24 импульса на синхронизирующий С-вход контроллера 25 начинаются процедура записи логической единицы в программу контроллера 25 и смещение выходной последовательности влево. Элемент 24 задержки отвечает за сдвиг синхронизирующего момента записи на время, требуемое для установления расчетных уровней на управляющих Б0, Б1, и записывающих Бк, входах контрол-

лера 25.

Занесение очередной единицы в регистр ведет к срабатыванию соответственного блока 2 коммутации и подключению следующей секции 1 к шинам системы. Возникающий на выходе Q триггера уровень логической единицы передается также на один из входов четвертого логического элемента 2И 14, на следующий вход которого поступает сместившийся на элементе 24 импульс синхронизации. Образовавшийся на элементе 14 импульс передается на входы сброса Я первого счетчика 20 и триггера 22, задавая на их выходных выводах нулевые уровни до того как возникнет следующий импульс синхронизации. Таким образом, исключается подключение нескольких секций 1 конденсаторной батареи к выходным зажимам системы.

Таким образом, система для регулирования реактивной мощности в электрической сети дает возможность с высоким быстродействием выпол-

нять дискретно-непрерывное регулирование реактивной мощности. При этом устройство обеспечивает высокую устойчивость работы коммутационной аппаратуры секций КБ в режимах переходных процессов. Это может быть достигнуто исключением ложного срабатывания каналов генерации управляющих воздействии устройствами коммутации секций конденсаторных батарей.

Список литературы

1. Идельчик В.И. Электрические системы и сети: учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 592 стр.

2. Ю.А. Борцов [и др.] Робастные регуляторы возбуждения мощных синхронных генераторов. Электричество. 2003. №7.

3. Красовская М. А. Методы и алгоритмы нелинейного программирования в АСУ. М.: Изд-во МАИ, 1994.

4. Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Якубович В.А. Адаптивное управление динамическими объектами. М.: НАУКА, 1981.

Ершов Сергей Викторович, к. техн. наук, проф., доц.,erschov.serrg@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Карницкий Валерий Юльевич, канд. техн. наук, доц.,eiests@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DEVELOPMENT OF ADAPTIVE REGULA TION OF REACTIVE PO WER

COMPENSATION

S. V. Ershov, V. Y. Karnitsky

The structure of the device that provides adaptive management options reactive power in energy supply systems is proposed. The system does not only provide adaptive management, but also significantly improves smoothness of management, which has a positive effect on the reliability of the system power supply.

Key words: power, reactive power compensation, the engineering.

Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical sciences, docent, er-schov. serrg@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Karnitsky Valery Yulyevich, candidate of technical sciences, docent, eiests@tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula, Tula State University