Моделирование режимов параллельной работы трехфазных распределительных трансформаторов

Моделирование режимов параллельной работы трехфазных распределительных трансформаторов

А.А Кралин, М.Н. Охотников

Нижегородский государственный технический университет

им. Р.Е. Алексеева

Аннотация: Рассмотрены вопросы моделирования режимов параллельной работы распределительных трансформаторов, входящих в состав трансфороматорно-тиристорного регулятора напряжения и мощности. Модели выполнены в пакете Simulink. Представлена структурная модель параллельной работы двух трехфазных трансформаторов, с помощью которой произведено исследование электромагнитных процессов при пофазном регулировании.

Ключевые слова: трехфазный трансформатор, параллельная работа трехфазных трансформаторов, моделирование, Simulink.

Параллельная работа трехфазных распределительных трансформаторов при авариях, а также необходимом ремонте трансформаторного оборудования, позволяет легче решать проблему резервирования электроснабжения потребителей. В случае параллельной работы трансформаторов в периоды малых нагрузок существует возможность отключить один из работающих трансформаторов, уменьшив тем самым потери электроэнергии.

Обеспечение равномерного распределения нагрузки при параллельной работе трансформаторов является весьма актуальной.

В ходе выполнения НИР проведено исследование режимов параллельной работы существующих серийно выпускаемых распределительных трансформаторов с опытным трансформатором, лежащим в основе разрабатываемого трансформаторно-тиристорного регулятора напряжения и мощности с ключами однонаправленного тока (ТТРНМ ОТ) (рис. 1). Анализ данных режимов позволяет определить параметры трансформаторно-тиристорного оборудования, дать рекомендации по оптимальному распределению нагрузки [1].

н

ТТРНМ ОТ содержит регулируемый опытный трансформатор ТСЗН-400/10 и тиристорное переключающее устройство (ТПУ), которое выполняет автоматическое или ручное переключение трех ответвлений каждой фазы обмотки ВН в диапазоне ±5%.

N

Рис. 1. Электрическая схема трансформатора ТСЗН-400/10

Серийные трансформаторы имеют устройство ПБВ с ручным переключением в диапазонах ±2х2,5%. В связи с различными характеристиками ПБВ и ТПУ возникают как симметричные, так и несимметричные режимы параллельной работы трансформаторов [2].

Симметричные режимы работы имеют место при одинаковых коэффициентах трансформации, несимметричные - при различных коэффициентах трансформации. Несимметричные режимы возникают при пофазном регулировании коэффициента трансформации в одной или двух фазах [1,2].

Исследование режимов работы указанных трансформаторов целесообразно осуществлять с помощью компьютерного моделирования с

использованием мощных современных программных средств, таких как МайаЬ со встроенным пакетом визуального моделирования БтиНпк [3,4].

Для составления моделей в БтиНпк необходимо иметь математическое описание электромагнитной системы трехфазного трехстержневого трансформатора [5-7].

Основные допущения при разработке нелинейных математических моделей трансформаторов общеприняты [8-10]. Системы уравнений в матричной форме записи при нулевых начальных условиях будут иметь следующий вид:

м-1

и

где м вектор содержащий количества витков соответствующих обмоток, 1(р) вектор токов, Н(р)-1 - падения магнитного напряжения на участках магнитопровода, Ф - магнитный поток, I - длина соответствующего участка магнитопровода, и(р) - напряжение обмотки; Ь - матрица собственных индуктивностей и индуктивностей рассеяния пары обмоток, Р диагональная матрица активных сопротивлений обмоток.

Уравнения, представленные выше, являются нелинейными дифференциальными уравнениями трехфазного многообмоточного трансформатора. Модель параллельной работы трансформаторов, в основе которой лежат уравнения (1) -(2) представлена на рис.2.

В результате проведенного моделирования измерены первичные и вторичные напряжения и токи трансформаторов, уравнительные токи, суммарные потери мощности в режиме холостого хода.

Одним из несимметричных режимов является отклонение числа витков обмотки ВН во всех фазах ТСЗН-400/10 на ±5%, а у серийного трансформатора ТС-400/10 установка коэффициента трансформации во всех фазах в номинальное положение. Расчеты и моделирование показывают, что

величина уравнительных токов в этом режиме составляет 50-55% от номинального значения тока.

При использовании пофазного регулирования коэффициент трансформации ТСЗН-400/10 изменяется независимо в каждой фазе. При этом также возникает уравнительный ток и дополнительные потери.

Рис. 2.- Модель параллельной работы двух трансформаторов

По результатам моделирования установлено, что при изменении коэффициента трансформации в одной фазе на ±5% максимальная величина

уравнительного тока составляет 32-36% от номинального тока обмотки НН, а

при изменении коэффициента трансформации в двух фазах 45-50%.

Литература

1. Алтунин, Б.Ю. Исследование несимметричных режимов работы трансформаторно-тиристорного регулятора напряжения и мощности/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин, И.А. Карнавский // Промышленная энергетика, 2013. - № 12. - С. 13-16.

2. Алтунин Б.Ю., Туманов И.М. Математическое моделирование тиристорных устройств РПН трёхфазных трансформаторов// Электротехника, 1996. - №6. - С.22-25.

3. Иванушкин, Ф.Н. Структурное моделирование электромеханических систем и их элементов: Монография / Ф.Н. Иванушкин, В.А. Сарапулов, П. Шимчак. - Щецин: ЩТУ, 2000.-310с.

4. Гультяев, А.К. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows. - СПб.: КОРОНА принт,1999.- 288 с.

5. Алтунин, Б.Ю. Исследование режимов работы нелинейного трехфазного трансформатора в пакете Simulink/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин, В.В. Гуляев // Вестник волжской государственной академии водного транспорта, 2012. - № 32. - С.195-198.

6. Кралин А.А. Моделирование трансформаторов преобразовательных агрегатов в Simulink // Инженерный вестник Дона, 2014, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2362/.

7. Bhuyan K. Surge Modelling of Transformer Using Matlab-Simulink/ Bhuyan K, Chatterjee S // India Conference (INDICON), december 2009 Annual IEEE pp 1-4.

8. Хватов О.С. Математическое описание алгоритма управления топливоподачей дизель-генераторной электростанции переменной

скорости вращения // Инженерный вестник Дона, 2013, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1869/.

9. Титов В.Г. Управление энергосберегающими полупроводниковыми преобразователями // Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1909/.

10. Singh B. Integrated three-leg VSC with a zig-zag transformer based three-phase four-wire DSTATCOM for power quality improvement / Singh B, Jayaprakash P. , Somayajulu T.R., Kothari D.P.,Chandra A., Al-Haddad K. // Industrial Electronics, 2008. IECON 2008. 34th Annual Conference of IEEE, pp 796-801.

References

1. Altunin B.Yu., Kralin A.A., Gulyaev V.V. Vestnik volzhskoy gosudarstvennoy akademii vodnogo transporta, 2012. № 32. pp.195-198.

2. Altunin B.Yu., Tumanov I.M. . Elektrotekhnika. 1996. №6. pp.22-25.

3. Ivanushkin, F.N. Strukturnoe modelirovanie elektromekhanicheskikh sistem i ikh elementov [Structural modeling of electromechanical systems and their elements]. F.N. Ivanushkin, V.A. Sarapulov, P. Shimchak. Shchetsin: ShchTU, 2000. 310 p.

4. Gul'tyaev, A.K. MATLAB 5.2. Imitatsionnoe modelirovanie v srede Windows [Simulation modeling for Windows]. SPb. KORONA print. 1999. 288 p.

5. Altunin B.Yu., Kralin A.A., Karnavskiy I.A. Promyshlennaya energetika, 2013. № 12. pp. 13-16.

6. Kralin A.A. Inzhenernyy vestnik Dona (Rus), 2014, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2362

7. Bhuyan K. Surge Modelling of Transformer Using Matlab-Simulink/ Bhuyan K, Chatterjee S // India Conference (INDICON), december 2009 Annual IEEE pp 1-4.

8. Khvatov, O.S. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №3. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1869

9. Titov, V.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2013, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1909

10. Singh B. Integrated three-leg VSC with a zig-zag transformer based three-phase four-wire DSTATCOM for power quality improvement / Singh B, Jayaprakash P. , Somayajulu T.R., Kothari D.P.,Chandra A., Al-Haddad K. // Industrial Electronics, 2008. IECON 2008. 34th Annual Conference of IEEE, pp 796-801.