Исследование и разработка средств защиты статического компенсатора реактивной мощности с цифровой системой управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Кошелев, Константин Сергеевич

• Кошелев, Константин Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кошелев, Константин Сергеевич

Введение.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Цели и методы компенсации реактивной мощности в системах электропередачи.

1.1.1. Потребители реактивной мощности.

1.1.2. Последствия ухудшения качества электроэнергии.

1.1.3. Обзор традиционных методов компенсации, их достоинства и недостатки.

1.2. Обзор современных методов и устройств компенсации реактивной мощности.

1.3. Постановка задачи.

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА СТАТКОМа С УЧЕТОМ МАСШТАБНЫХ

КОЭФФИЦИЕНТОВ.

2.1. Расчет силовой части макета СТАТКОМ и предельных параметров функционирования.

2.1.1. Выбор типа силового ключевого элемента.

2.1.2. Выбор структуры преобразователя напряжения СТАТКОМа.

2.1.3. Способ управления преобразователем напряжения.

2.1.4. Расчет основных параметров компенсатора.

2.2. Структура цифровой системы управления.

2.2.1. Определение задач и условий работы макета СТАТКОМа

2.2.2. Алгоритмы управления статическим компенсатором.

2.3. Выводы.

Глава 3 КООРДИНАЦИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И АНАЛИЗ АВАРИЙНЫХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.

3.1. Расчет предельных параметров функционирования компенсатора. Определение ОБР элементов силовой схемы.

3.2. Аварийные воздействия на оборудование.

3.3. Математическое моделирование различных режимов нарушения функционирования компенсатора.

3.3.1. Выбор средств математического моделирования.

3.3.2. Создание математической модели СТАТКОМа.

3.4. Выводы.

Глава 4 КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ

ЗАЩИТЫ СТАТКОМа.

3.1. Классификация защит.

3.2. Программная реализация защит.

3.3. Выводы.

ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

5.1 Определение комплекса задач, решаемых на макете.

5.2 Описание макета.

5.3 Экспериментальные исследования по надежности работы оборудования СТАТКОМ.

5.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка средств защиты статического компенсатора реактивной мощности с цифровой системой управления»

Актуальность работы. Нормальная работа потребителей электроэнергии и выполнение возложенных на них функций зависит от совокупности характеристик потребляемой ими электроэнергии, которые определяют ее качество. Благодаря широкому распространению электроэнергии проблема ее качества приобретает все большее значение. Она усугубилась вместе с развитием и широким внедрением в промышленности силовых электронных преобразователей. Это связано с их негативным влиянием на сеть, которое проявляется в основном в виде увеличения реактивной мощности и мощности искажения.

Последствия увеличения доли реактивной нагрузки проявляются в виде снижения пропускной способности электроэнергетических систем (ЭЭС), увеличение дополнительных потерь от передачи реактивной мощности, снижении пределов статической и динамической устойчивости, недопустимых уровней напряжения в узлах ряда энергосистем.

Решить данную проблему позволяет установка в ЭЭС специальных компенсирующих устройств (КУ) или, иными словами, компенсация реактивной мощности. Традиционно в качестве компенсаторов реактивной мощности используются системы типа СТК на базе реактора и тиристорного преобразователя. Развитие силовой электроники привело к созданию новых видов силовых электронных ключей и схемотехнических решений, позволяющих более эффективно решать задачу компенсации реактивной мощности. В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений является создание статических компенсаторов реактивной мощности (СТАТКОМ), которые представляют собой устройства на базе преобразователя напряжения на полностью управляемых ключевых элементах, который способен генерировать ток любой фазы относительно напряжения сети.

СТАТКОМ служит как для генерации реактивной мощности в сеть, так и для компенсации реактивной мощности сети. На стороне переменного тока включаются дроссели для фильтрации гармоник тока, обусловленных ШИМ модуляцией напряжения преобразователя.

Функционирование СТАТКОМа связано с необходимостью управления динамическими и статическими процессами, характерными для импульсных и нелинейных систем. Решение задач управления статическим компенсатором при помощи исключительно аналоговых средств затруднительно. Отличительной особенностью цифровых систем управления является возможность создания сложнейших алгоритмов управления и защиты, а также легкость их модификации и отладки. Цифровая система управления превосходит по точности аналоговую, поскольку ее параметры не изменяются с течением времени и не зависят от таких внешних факторов, как температура, влажность и т.п., что присуще практически всем аналоговым системам. Ограничение на точность цифровой системы управления накладывает точность оцифровки аналогового сигнала модулем АЦП. Быстродействие цифровых систем управления может уступать аналоговым системам. Однако, в последнее время, в связи с постоянным увеличением тактовой частоты ядра процессоров, это различие нивелируется. Поэтому основным направлением развития систем управления и защиты будет создание точных и быстродействующих систем с использованием, как аналоговых средств, так и цифровых сигнальных процессоров и микроконтроллеров.

Следует отметить, что вопросы построения силовой части компенсаторов и вариантов реализации алгоритмов управления в преобразовательной технике рассмотрены достаточно подробно. Не смотря на это, актуальными задачами в этой области остаются: создание методик расчета и оценки характера аварийных режимов; разработка алгоритмов защиты и выявления сбоев в оборудовании СТАТКОМа. Данная задача и определила тему диссертационной работы.

Цель работы. Проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание защитного комплекса устройства

СТАТКОМ на основе преобразователя напряжения с цифровой системой управления. Что позволит эффективно решить задачи: стабилизации напряжения в точке подключения и увеличению пропускной способности линии, следовательно, положительно влияет на устойчивость системы передачи при аварийных режимах.

Достижение цели исследования потребовало решение следующих научно-исследовательских и практических задач:

1. Проведение аналитического обзора современных научно-технических решений в области управления аппаратами компенсации реактивной мощности. Выявление наиболее перспективных принципов регулирования параметров электроэнергии с применением силовых электронных приборов;

2. Разработка методики расчета аварийных процессов в основных элементах силовой части компенсатора;

3. Разработка математических моделей СТАТКОМа и его основных компонентов;

4. Создание методики проектирования и расчета способов и средств защиты СТАТКОМа в аварийных режимах;

5. Создание и отладка макетного образца СТАТКОМа. Анализ эффективности предложенного комплекса защитных мер.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе предполагается использование объектно-ориентированных программ моделирования типа «Matlab» и «PSpice». В числе математических методов, анализ импульсной модуляции напряжений и токов электрических цепей, pq-теория «мгновенной» мощности Хирофуми Акаги, методы преобразования трехфазной системы координат (abc) в двухфазные dq и а(3. При разработке программной части защитного комплекса использовался метод пошаговой отладки в среде программирования «Code Composer». Применение методов теории электрических цепей для расчета аварийных режимов работы СТАТКОМа при определении вариантов защиты.

Обоснование и достоверность результатов. Справедливость теоретических положений подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений, а также результатами компьютерного и физического моделирования.

Научная новизна. На защиту выносятся следующие результаты:

1. Методика расчета и моделирования аварийных процессов в оборудовании СТАТКОМ;

2. Методика проектирования программного комплекса защитных мер для компенсатора реактивной мощности;

3. Принцип построения цифровой системы контроля состояния компенсатора в различных режимах. Алгоритм функционирования системы защит от нештатных ситуаций, позволяющий повысить надежность работы оборудования в целом;

4. Математическая модель СТАТКОМа, позволяющая исследовать и анализировать аварийные процессы компенсатора в случае функциональных сбоев оборудования СТАТКОМа.

Практическая ценность. В результате выполненной работы создана эффективная система защиты статического компенсатора реактивной мощности с использованием цифрового процессора. Полученные результаты служат исходными данными для проектирования защитных систем устройств компенсации на основе преобразователей напряжения при создании «гибких линий». Некоторые результаты работы изложены в отчетах по научно-исследовательским работам ОАО «ВНИИЭ»: «Разработка и создание макета СТАТКОМа напряжением 400В с микропроцессорной системой управления», «Изготовление и поставка статического устройства FACTS типа СТАТКОМ мощностью 50Мвар для ПС Выборгская» 2004-2007г.

Реализация работы. Полученные результаты работы использованы в работах проводимых кафедрой ЭиЭА МЭИ (ТУ) совместно с Филиалом ОАО «НТЦ электроэнергетики» - ВНИИЭ. Техническая реализация и экспериментальная отработка была выполнена на макетном образце СТАТКОМа, созданном в ОАО «ВНИИЭ». Макет предназначен для подключения к трехфазной сети 0,25кВ, 50 Гц. Установленная мощность макета 2,2 кВАр. Номинальное действующее значение основной гармоники тока макета 5,1 А.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях МКЭЭЭ -2006 (Крым, Алушта), СЭЭ-2006(Украина) а также на заседаниях кафедры ЭиЭА с 20062008г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 191 стр. и содержит 111 рисунка, 5 таблиц, 61 наименование списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Кошелев, Константин Сергеевич

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключается в следующем:

1) Предложенная методика проектирования программного комплекса защитных мер компенсатора реактивной мощности позволяет определить электрические и динамические требования к защитному комплексу, очертить необходимый круг задач, стоящих перед программной частью комплекса защитных мер, выявить наиболее опасные с точки зрения повреждения оборудования режимы.

2) Показано, что предложенный принцип построения алгоритмов функционирования цифровой системы контроля работы компенсатора в различных режимах, а также системы защит от нештатных ситуаций, позволяющей повысить надежность работы оборудования компенсатора в целом;

3) Разработанная методика проектирования макета компенсатора реактивной мощности с учетом масштабных коэффициентов позволяет не только осуществить выбор основных силовых элементов схемы, но и провести исследования аварийных процессов, результаты которых незаменимы при проектировании защитного комплекса оборудования СТАТКОМа (50МВАр).

4) Математическая модель компенсатора реактивной мощности, разработанная в программном комплексе OrCAD, позволяет проводить анализ аварийных процессов вызванных функциональными сбоями в работе оборудования СТАТКОМа и настройку регуляторов системы управления.

5) Показано, что предложенная функциональная защита по отклонению тока позволяет надежно выявить большинство нештатных ситуаций, возникающих при сбое в работе оборудования СТАТКОМ и режиме КЗ двухполюсной шины и способна нести на себе функции основной (не дублирующей) программной защиты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кошелев, Константин Сергеевич, 2008 год

1. Исследование технико-экономической эффективности применения регулирующих и компенсирующих устройств FACTS в ЕНЭС и разработка методики их технико-экономического обоснования. Отчет ОАО ВНИИЭ, Москва, 2004.

2. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1995. 416 с.

3. Миронов Ю.М., Миронова А.Н. Электрооборудование и электроснабжение, плазменных и лучевых установок: Учебное, пособие для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1991.- 316 с.

4. Висящев А.Н., Тигунцев С.Г., Луцкий И.И. Влияние потребителей на искажение напряжения. Электрические станции. 2002. №7.

5. Состояние и перспективы внедрения в электропривод статических компенсаторов реактивной мощности. Статические компенсаторы реактивной мощности ведущих зарубежных фирм и отечественных предприятий. Информэлектро, М. 1982 (под редакцией Я.Ю. Солодухо).

6. Управляемые шунтирующие реакторы. Электротехника. 1991. №2 (специальный выпуск).

7. В.И. Кочкин Управляемые статические устройства компенсации реактивной мощности для линий электропередачи. — Электричество №9. 2000 г.

8. Кочкин В.И., Нечаев О.П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М.: Изд-во НЦ ЭНАС. 2000 г.

9. В.И. Плесков, Б.Я. Гумановский, В.А. Камбулин. Источник реактивной мощности на базе инвертора напряжения/ Электричество 1978, №12.

10. Мазуров М.И., Николаев А.В. Преобразователь компенсатор на базе инвертора напряжения с ШИМ управлением. Сборник докладов шестой российской научно-технической конференции «ЭМС - 2000»

11. Николаев А.В. Сравнительная оценка технических и экономических характеристик средств компенсации реактивной мощности в условиях Выборгской преобразовательной подстанции. Сб. докладов второй конференции молодых специалистов электроэнергетики 2003

12. П.А. Шейко, J1.J1. Балыбердин, М.И. Мазуров, А.В. Николаев СТАТКОМ как средство компенсации реактивной мощности в сетях высокого напряжения. Электронный журнал «Новое в российской энергетике» №5 2003.

13. Кочкин В.И., Обязуев А.П., Толстов Ю.Г. Высоковольтный электронный преобразователь напряжения //Техническая электродинамика. 1982. — №4

14. Кочкин В.И., Обязуев А.П. Расчет преобразователя напряжения с учетом конечной величины входной емкрсти // Изв. Вузов. Сер. Электромеханика. -1981.- №7

15. Кочкин В.И., Обязуев А.П. Перспективы применения преобразователей напряжения в энергетике // Тезисы докладов «Преобразовательная техника в энергетике» Информэнерго. 1984.

16. Кочкин В.И. Особенности применения электронных вентилей в преобразователях // Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. 1982. - №5.

17. Кочкин В.И., Обязуев А.П. Новые схемы статических компенсаторов реактивной мощности // Электрические сети и системы. Вып.2. - 1991. Информэнерго.

18. Технические требования к СТАТКОМ (конкурсная документация). Отчет ОАО «ВНИИЭ». Москва, 2004 г.

19. Diego Soto and Tim C.Green «А Comparison of High-Power Converter Topologies for the Implementation of FACTS Controllers» // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 49, NO. 5, OCTOBER 2002.

20. N. Seki and H. Uchino, "Which is better at a high power reactive power compensation system, high PWM frequency or multiple connection," in Proc. IEEE Ind. Applicat. Soc. Annu. Meeting, vol. 2, 1994, pp. 946-953.

21. K.Fujii, K.Kunomura, K.Yoshida, A.Suzuki, S.Konishi, M.Daiguji «STATCOM Applying Flat-Packaged IGBTs Connected in Series» //IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 20, NO. 5, SEPTEMBER 2005.

22. Y. Chen and В. T. Ooi, «Multinodular multilevel rectifier/inverter link with independent reactive power control» // IEEE Trans. Power Delivery, vol. 13, pp. 902-908, July 1998.

23. C.K.Lee, S.K. Leung, S.Y.Ron Hui, Henry Shu-Hung «Circuit-Level Comparison of STATCOM Technologies» // IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 18, NO. 4, JULY 2003

24. Y.Chen, B.-T.Ooi «STATCOM Based on Multimodules of Multilevel Converters Under Multiple Regulation Feedback Control» // IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 14, NO. 5, SEPTEMBER 1999.

25. C.Hochgraf, R.Lasseter, D.Divan, and T.A.Lipo, «Comparison of multilevel inverters for static var compensation» //Soc., 1994 Annu. Meeting, Conf. Rec., pp. 921-928.

26. N.S. Choi, J.G. Cho, G.H.Cho, «А general circuit topology of multilevel inverter» //Proc. IEEE PESC'91 Rec., 1991, pp. 96-103.

27. C.Schauder «Development of ± 100 MVA static condenser for voltage control on transmission systems» // IEEE Trans on Power Delivery, 10, (3), July 1995.

28. D.Juan «Reactive Power Compensation Technologies: State-of-the-Art Review» // Proceed, of IEEE, Dec. 2005, vol. 93, num. 12.

29. C.Schauder, M.Gernhardt, E.Staccy, T.Lemak, L.Gyugyi, T.W.Ceace, A.Edris, M.Wilhelm. «TVA STATCON: design, installation and commissioning» // Session 1996, Paper 14-106.

30. Edris A. "Facts technology development: an update", IEEE Power Engineering Rev., pp. 4-9, Mar. 2000.

31. B.A.Renz, A.J.Keri, A.S.Merhaban, J.P.Kessinger, O.D.Schauder, L.J.Kovalsky, A.Edris. «World's first unified power flow controller on the AEP system.» Cigre Session, Paper 14-107, 1998.

32. Сорокин B.M., Мальцев Г.И., Лытаев P.A. Новые функции статических компенсаторов реактивной мощности в энергосистемах. Электрические станции. 1988. №10.

33. А.Н. Mitwalli, S. В. Leeb, G.C. Verghese, V.J. Thottuvelil, «An Adaptive Digital Controller for a Unity Power Factor Converter» // IEEE Trans. On Power Electronics, Vol. 11, No.2, pp.374-382, March 1996.

34. S. Bibian, H. Jin, «Digital control with improved performance for boost power factor correction circuits» // IEEE Applied Power lectronics Conference 2001, pp. 137-143.

35. J. Chen, A. Prodic, D. Maksimovic and R.W. Erickson «Predictive Digital Current Programmed Control» // IEEE Transactions on ower Electronics, Vol. 18, No.l, January 2003.

36. X.Xiaorong, L.Wenhua, L.Qianjin, et al. «The operation monitoring and fault diagnosis system for a ±20 Mvar STATCOM installation» // Proceedings of 1998 International Conference on Power System Technology, Volume 1, August 1998. pp. 86-90.

37. X.Xie, W.Liu, H.Qian, Y.Hun «Real-Time Supervision for STATCOM installations» // IEEE Computer applications in Power, April 2000. pp.43-47.

38. H. Akagi, Y. Kanazawa, K. Fujita, A. Nabae, Generalized theory of instantaneous reactive power and its application, Electrical Engineering in Japan 103 (4) (1983) 58-65.

39. H. Akagi, Y. Kanazawa, A. Nabae, Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components, IEEE Transactions on Industry Application 20 (3) (1984) 625630.

40. T. Furuhashi, S. Okuma, Y. Uchikawa, A study on the theory of instantaneous reactive power, IEEE Transactions on Industrial Electronics 37 (1) (1990) 8690.

41. J.W. Willems, A new interpretation of the Akagi-Nabae power components for nonsinusoidal three-phase situations, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 41 (4) (1992) 523-527.

42. E.H. Watanabe, R.M. Stephan, M. Aredes, New concepts of instantaneous active and reactive powers in electrical systems with generic loads, IEEE Transactions on Power Delivery 8 (2) (1993) 697-703.

43. M. Aredes, E.H. Watanabe, New control algorithms for series and shunt three-phase four-wire active power filters, IEEE Transactions on Power Delivery 10 (3) (1995) 697-703.

44. F.Z. Peng, J.S. Lai, Generalized instantaneous reactive power theory for three-phase power systems, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 45 (1) (1996) 293-297.

45. M. Aredes, J. Ha'fner, K. Heumann, Three-phase four-wire shunt active filter control strategies, IEEE Transactions on Power Electronics 12 (2) (1997) 311-318.

46. G.W. Chang a, S.K. Chen, M. Chu "An efficient a-b-c reference frame-based compensation strategy for three-phase active power filter control" Electric Power Systems Research 60 (2002) 161-166.

47. Т. M. Rowan and R. J. Kerkman, "A new synchronous current regulator and an analysis of current regulated PWM inverters," IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-22, pp. 678-690, July/Aug. 1986.

48. Ю.А. Казачков. Принцип работы и основные характеристики автономных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Учебное пособие НИИПТ. JI. 1991

49. В.И.Кочкин, С.В.Крайнов «Изготовление и постановка устройства FACTS типа СТАТКОМ мощностью 50 Мвар для ПС Выборгская». Этап 1. // Отчет по научно-исследовательской работе ОАО «ВНИИЭ» Москва, 2005 г.

50. В.И.Кочкин, С.В.Крайнов «Разработка и создание макета СТАТКОМа напряжением 400В с микропроцессорной системой управления». // Отчет по научно-исследовательской работе ОАО «ВНИИЭ» Москва, 2004 г.

51. М. Moroozian, SM IEEE & е, ABB Utilities, FACTs Division «Benefits of SVC STATCOM for Electric Utility Application».

52. Rziha и Seidener, «Техника сильных токов» том 1, 7 издание, стр. 111 или ETZ 38.521.1917.

53. Held.M., Jacob.P., Nicoletti.G., Scacco.P., Poech.M.: "Fast Power. Cycling Test for IGBT Modules in Traction Application", Proc. Power Electronics and Drive Systems, 1997, pp. 425-430

54. Wolfgang.E "Zuverlassigkeit von Silicium-Leistungshalbleiterbauelementen" ETG-Fachtagung, Bad auheim, 1998, Proc. pp. 101-112.