Исследование гармонического состава выходного напряжения тиристорного регулятора величины и фазы вольтодобавочного напряжения при продольно-поперечном регулировании

Исследование гармонического состава выходного напряжения тиристорного регулятора величины и фазы вольтодобавочного напряжения при продольно-поперечном регулировании

А.А. Кралин1, Е.В. Крюков1, А.А. Асабин1, Е.А. Чернов1, Г.Б. Онищенко2

1 Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,

2НПФ «Приводная техника», г. Москва

Аннотация: Статья посвящена изучению гармонического состава выходного напряжения тиристорного регулятора величины и фазы вольтодобавочного напряжения в режиме продольно-поперечного регулирования. Гармонический анализ выходного напряжения проводился с использованием моделей разработанных в пакете Matlab Simulink. Ключевые слова: продольно-поперечное регулирование, тиристорный регулятор, гармонический анализ, Matlab Simulink.

Эффективность и надежность электроснабжения, снижение потерь в электрических сетях является актуальной задачей энергетической стратегии России до 2035 года [1,2].

Действующие распределительные сети спроектированы в основном для пассивного распределения электроэнергии и не учитывают современные тенденции комплексного подхода к построению интеллектуальных электрических сетей. Задачи увеличения пропускной способности РЭС 6-20 кВ различной конфигурации, снижения потерь электроэнергии, повышения качества электроэнергии, регулирования потоков мощности в настоящее время решаются с помощью устройств продольного, поперечного и продольно-поперечного регулирования напряжения [3-7]. Основу таких устройств составляют тиристорные регуляторы величины и фазы вольтодобавочного напряжения (ТРВДН), позволяющие изменять как величину, так и фазу выходного напряжения [5,6].

Один из вариантов схемы силовой части ТРВДН представлен на рис. 1 [5,6]. Основными блоками ТРВДН являются шунтовый трансформатор TV1,

вольтодобавочный сериесный трансформатор ТУ2, модули поперечного и продольного регулирования.

Рис.1. - Упрощенная схема тиристорного регулятора величины и фазы

вольтодобавочного напряжения

При продольно-поперечном регулирования изменяется как фаза, так и амплитуда выходного напряжения ТРВДН [7]. Переключение тиристоров модулей продольного и поперечного регулирования сопровождается скачкообразными изменениями величин напряжений на элементах схемы и на его выходе. Наибольшее искажение синусоидальной формы выходного напряжения происходит вследствие импульсно-фазового управления тиристорами.

Необходимо отметить, что спектр выходного напряжения не содержит постоянной составляющей и четных гармоники вследствие симметрии их по полупериодам. Кроме того, генерируемые ТРВДН гармонические составляющие утроенной частоты и кратные им образуют систему напряжений нулевой последовательности и в линейных напряжениях отсутствуют. Поэтому целесообразно анализировать зависимости

:

коэффициентов пятой, седьмой, одиннадцатой гармонических составляющих и суммарного коэффициента гармонических искажений.

Гармонический состав выходного напряжения ТРВДН при продольно-поперечном регулировании выполнен с использованием имитационного моделирования в пакете Matlab Simulink [8-11]. Расчет амплитудных значений линейных выходных напряжений и начальных фаз гармонических составляющих выполнялся с использованием блоков преобразования Фурье «Fourier». Суммарный коэффициент гармонических искажений kD рассчитывался с использованием блока «THD» в соответствии с выражением:

Ju 22 + и32 + ... + и2 kD =—-U- ,

где U1 - среднеквадратичное значение первой гармоники входного сигнала, Un - среднеквадратичные значения высших гармоник входного сигнала.

В результате проведенного моделирования получены зависимости суммарного коэффициента гармонических искажений, изменения коэффициентов 5, 7, 11 гармоник выходного напряжения в зависимости от напряжения управления.

Анализируя зависимости, представленные на рис. 2 можно сделать вывод, что значения суммарного коэффициента гармонических искажений для активной нагрузки kD не превышает 3%. Максимальное значение kD для угла нагрузки ф=300 не превышает 2,3%, для ф=600 kD не превышает значения 2 %.

В ходе проведенного анализа гармонического состава выходного напряжения установлено, что в рассмотренных режимах регулирования преобладает пятая гармоника. Максимальному значению пятой гармоники соответствует активная нагрузка ф=0° (рис. 3). При этом ее максимальное значение не превышает 4,1%. Коэффициент седьмой гармоники не более 2,5%, одиннадцатой не более 1,3%.

1К1 Инженерный вестник Дона. №4 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n4y2018/5272

О ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2

Рис. 2 - Зависимости суммарного коэффициента гармонических искажений к^ от напряжения управления при продольно-поперечном регулировании

4

2,5

к5

А',

V -^ \ / д

:

\ / 1 \ / / \

\ '• / / Ч \ \

к / / \ '• \ •• / / \ \ * / * ч ч

\ / » \ \ / / 9

и*

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2

Рис. 3- Зависимости изменения коэффициентов высших гармонических выходного напряжения от величины напряжения управления для угла

нагрузки ф=00

Выводы

В процессе продольно-поперечного регулирования при изменении амплитуды выходного напряжения на ±10%, а также угла сдвига между

векторами выходного и входного напряжения на ±5% качество выходного напряжения ТРВДН соответствует требованиям ГОСТ 32144-2013 для сетей среднего напряжения. При этом суммарный коэффициент гармонических искажений kD<5%, коэффициент пятой гармоники k5<4%, коэффициент седьмой гармоники k7<3%, коэффициент одиннадцатой гармоники k11<2%.

Литература

1. Концепция реализации национального проекта «Интеллектуальная энергетическая система России». Москва: 2015. 25 с.

2. Соснина Е.Н., Бедретдинов Р.Ш. Основные направления развития интеллектуальных электрических сетей на основе адаптивного управления. // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2012. №5. С. 25-28.

3. Ranamuka, A. P. Agalgaonkar, K. M. Muttaqi, Online voltage control in distribution systems with multiple voltage regulating devices // IEEE Transactions on Sustainable Energy. vol. 5. pp. 617-628, 2014.

4. Sosnina E., Kralin A., Bedretdinov R. Kryukov E. Harmonic Analysis of the Thyristor Regulator Output Voltage // Proc. 2018 IEEE PES Transmission & Distribution Conference and Exhibition - Latin America (T&DLA). Peru: 2018. pp.1-6.

5. Соснина Е.Н., Асабин А.А., Бедретдинов Р.Ш., Кралин А.А. Исследование твердотельного регулятора напряжения и мощности в сети 620 кВ. // Сборник трудов 2-й Международной научно-технической конференции «Пром-инжиниринг». Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2016. С. 322-327.

6. Соснина Е.Н., Лоскутов А.Б., Асабин А.А., Бедретдинов Р.Ш., Крюков Е.В. Испытания прототипов устройства контроля потока мощности. Международная конференция по инновационным интеллектуальным грид-технологиям. Азия: 2016. С. 312-316.

7. Соснина Е.Н., Асабин А.А., Кралин А.А., Крюков Е.В. Тиристорный регулятор величины и фазы вольтодобавочного напряжения в распределительных электрических сетях 6-10 кВ. // Актуальные проблемы электроэнергетики: сборник научно-технических статей. 2017. С. 132-136.

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

9. Бхуян К., Чаттерджи С. Моделирование трансформации трансформатора с использованием Matlab-Simulink // Актуальные проблемы электроэнергетики: сборник научно-технических статей. Индия: Ежегодная конференция, 2017. С. 1-4.

10. Кралин А.А. Моделирование режимов параллельной работы трехфазных распределительных трансформаторов // Инженерный вестник Дона, 2014, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2602/.

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

References

1. Kontseptsiya realizatsii natsional'nogo proekta «Intellektual'naya ehnergeticheskaya sistema Rossii» [Intellectual energy system of Russia]. Moskva: 2015. 25 p.

2. Ranamuka, A. P. Agalgaonkar, K. M. Muttaqi IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2014. vol. 5. pp. 617-628.

3. Sosnina E.N., Bedretdinov R.SH. Elektrooborudovanie: ehkspluatatsiya i remont. 2012. №5. pp. 25-28.

4. Sosnina E., Kralin A., Bedretdinov R. Kryukov E. Proc. 2018 IEEE PES Transmission & Distribution Conference and Exhibition - Latin America (T&DLA). Peru: 2018. pp. 1-6.

5. Sosnina E.N., Asabin A.A., Bedretdinov R.SH., Kralin A.A. Sbornik trudov 2-j Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferentsii «Prom-inzhiniring». CHelyabinsk: Izdatel'skij tsentr YUUrGU, 2016. pp. 322-327.

6. Sosnina E.N., Loskutov A.B., Asabin A.A., Bedretdinov R.SH., Kryukov E.V. Mezhdunarodnaya konferentsiya po innovatsionnym intellektual'nym grid-tekhnologiyam. Aziya: 2016. pp.312-316

7. Sosnina E.N., Asabin A.A., Kralin A.A., Kryukov E.V. Aktual'nye problemy ehlektroehnergetiki: sbornik nauchno-tekhnicheskih statej. 2017. pp. 132-136.

8. Kralin A.A., Altunin B. YU. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2362/.

9. Bhuyan K., CHatterdzhi S. Aktual'nye problemy ehlektroehnergetiki: sbornik nauchno-tekhnicheskih statej. Indiya: Ezhegodnaya konferentsiya, 2017. pp.1-4.

10. Kralin A.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2602/

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