Источник: 1996 Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (May 26-29). The University of Calgary - 2500 University Dr. NW, Calgary, Alberta, CANADA.
Разработка высоковольтных полупроводниковых переключателей в последнее десятилетие служит средством повышения мощности, передаваемой в крупных системах. Она убедительно продемонстрировала, что динамическая устойчивость энергосистемы может быть улучшена, и провалов напряжение можно избежать. Такой статический преобразователь мощности систем, в том числе передовые центры управления и связи, лежат в основе так называемых гибких системы передачи (FACTS) [1]. Большинство используемых в настоящее время устройств, таких как статические компенсаторы, тиристорные контролируемые конденсаторы обеспечивают работу электростанций в цепи механизмов. Во всех этих устройствах, необходимых для компенсации реактивной мощности, используются традиционные конденсаторы или реакторы, и тиристорные коммутаторы. Используются они только для контроля за сочетанием реактивной мощности и за обмен между системой и компенсатором в течение последовательных периодов времени в зависимости от приложенного напряжения. Несмотря на то, что возможность получения или поглощения контролируемой реактивной мощности предложили [4], например модем требует полупроводниковых преобразователей энергии и выключателей напряжения с текущими оценками. Разработка силовых полупроводниковых приборов с отключаемой способностью, такие как GTO, открывает новые перспективы в развитии подобных устройств. Эти новые устройства меньше, быстрее и более эффективным, чем в старом поколении.
Среди различных типов контроллеров FACTS, единый регулятор потока мощности (UPFC) способен самостоятельно контролировать большое количество параметров. Таким образом, это устройство имеет возможность совмещать терминал с регулированием напряжения компенсации и фазовый угол регулирования [2, 3, 4, 7]. Эти возможности могут быть использованы для мощности колебаний, явления резонансаs, повышения временной стабильности, регулирования напряжения и контролирования потока энергии.
Целью данной работы является изучение эффективности работы UPFC и его способности функционировать в качестве общей цели FACTS устройства. Подход, выбранный для данного исследования является цифровым моделированием, которое осуществляется с помощью EMTP, наиболее распространенных программ для анализа энергетической системы. Кроме того, эта статья предлагает магнитную структуру на 24 импульсных инверторах, которые могут быть легко расширены для до большего колличества импульсов.
В UPFC используется два источника напряжения, инверторы действуют от общего конденсатора постоянного тока, и состоят из принудительной коммутации силовых полупроводниковых переключателей и тиристорных клапанов (рис. 1). Эта конфигурация является идеальной для переменного тока преобразователя, в котором оба инвертора могут работать в четырехквадрантном режиме.Это означает, что мощность может протекать в обоих направлениях между двух терминалов, и реактивная мощность может самостоятельно быть покрыта за счет вводимого в систему переменного тока на выходе каждого инвертора.
Рисунок 1 – Базовая схема UPFC
В параллельных ветвях – схемы статического конденсатора (STATCON), чьи принципы кратко описаны в следующем разделе, а также в [4,5]. Совокупность ветвей осуществляет основные функции в UPFC путем инъекций переменного тока напряжением с контролируемым масштабом и фазовым углом.
Упрощенная модель системы энергоснабжения, которая включает UPFC изображен на рис. 2. Он подразумевает, что UPFC работает для повышения коэффициента мощности, а его способность генерировать или поглощать реактивную мощность не принимается во внимание.
Рисунок 2 – Фазные диаграммы UPFC в двумашинной системе
Более полное описание этих принципов UPFC выходит за пределы этой работы, и читатель может ознакомиться с ними в трех статьях, опубликованных в [2, 3, 7].
Среди различных инверторов импульсного напряжения и многоуровневых инверторов напряжения источника, наиболее практичным сегодня считаются инверторы для мощных систем.
Элементарное шести импульсное напряжение источников в инвертор состоит из шести самоуправляющих коммутацией GTO. Параллельно инверторам подключены диоды. Выходное напряжение такого инвертора является квази-квадрантом сигнала, который будет производить прием текущим гармоник при подключении к линии. Используя принцип гармонической нейтрализации, гармонический спектра N электро-магнитной системы улучшает скорость с количеством импульсов (6n). Выходное напряжение и ток этого 6n импульсного инвертора являются (6nk ± l)f и (6nk)f, соответственно. Кроме того, амплитуды этих гармоник связаны обратной связью. В работе [6] было показано, что для передачи необходимо число импульсов равное 24 или выше.
Рисунок 3 – Схема моделируемого 24-х импульсного инвертора
Рисунок 4 – Выходное напряжение и его спектр
Шунтирующий инвертор в схеме (рис. 1) является эквивалентом для STATCON [2, 3]. Его устойчивое состояние схоже с вращающимся синхронным конденсатором. Однако он может лучше синхронных конденсаторов генерировать реактивную мощность. STATCON по принципу действия похож на синхронный конденсатор, так как благопрриятствует устойчивому напряжению и увеличению времени переходной стабильности. STATCON является одним из двух основных частей в UPFC, краткое исследование эффективности которого представлены в [2, 3].
Основная функция STATCON заключается в том, чтобы регулировать напряжение ЛЭП только с помощью реактивной мощности. Таким образом, активная мощность инвертора, которая берется в линии, отличается от нуля только для компенсации потерь в системе.
Для того, чтобы компенсировать потери, выходное напряжения инвертора должно отставать на небольшой угол. Таким образом, инвертор поглощает небольшой объем реальной мощности, чтобы компенсировать свои внутренние потери. Тот же механизм контроля должен быть использован для изменения напряжения на конденсаторе и, следовательно, амплитуда выходного напряжения инвертора для реактивной мощности. На рис. 5 показаны однофазная эквивалентную схема STATCON и принцип активной и реактивной мощности.
Рисунок 5 – Однофазная эквивалентная схема STATCON
Совершенно очевидно, что уравнения этой системы нелинейны и рассматриваются в качестве входной переменной. Функциональная схема контроля за шунтом компенсатора показана на рис. 6. Читатель найдет в [6] описание системы контроля. Результаты двух комплектов моделирования представлены на рис. 7 и 8, где проиллюстрированы система контроля, а также регулирование напряжения, соответственно. Система управления может достичь своих стационарных состояний в чуть более четверти цикла.
Рисунок 6 – Система контроля STATCON
Рисунок 7 – Система управления и контроля
Рисунок 8 – Регулирование напряжения (STATCON подключается при Т = 16,6 мс)
Результаты применения регулятора потока представлены на рис. 9 и 10. В схемах контроля, используемых для контроля STATCON может быть осуществлен контроль и над UPFC. На рис. 9 показана блок-схема в системы контроля UPFC.Для проверки соответствующих мер контроля цифровое моделирование было проведено с использованием исходных данных, результаты которого продемонстрированы на рис. 10.
Рисунок 9 – Система контроля UPFC
Рисунок 10 – Результаты моделирования для контроля за изменением реактивной мощности
Единый регулятор потока мощности может обеспечить одновременный контроль реальной и реактивной мощности. Он имеет способность действовать в качестве компенсатора, компенсатора и фазовращателя. Кроме того, он способен обеспечить сочетании функционального VAR компенсацию которых невозможно с помощью обычных VAR компенсатора. Приведенные моделирования свидетельствуют о том, что реакции системы контроля достигаются очень быстро, это доказывает,что UPFC является наиболее выгодным для обработки динамических систем и контроля за ними.
[1] N. G. Hingorani, "High Power Electronics and Flexible AC Transmission Systems", IEEE Power Eng. Rev., July 1988.
[2] L. Gyugyi et al, "The Unified Power Flow Controller for Independent P and Q Flow Control in Transmission Systems" EPRIFACTS3, Baltimore, Maryland. Oct 1994.
[3] L. Gyugyi, "A Unified Power Flow Control Concept for flexible AC Transmission System" IEEPROCEEDINGS-C, Vol. 139, No. 4, July 1992.
[4] Gyugyi, L., " Dynamic Compensation of AC Transmission Lines by Solid-state Synchronous Voltage Sources," IEEE/ PES Summer Power Meeting, Paper No. 93 SM 434-lPWRD, Vancouver, B.C., Canada, July 1993.
[5] L. Gyugyi et al, "Advanced Static Var Compensator using GTO Thyristors for Utility Application," CIGRE paper 23-203, Symposium Paris, August 1990.
[6] C. Schauder et al., "Development of a 100 MVAR Static Condenser for Voltage Control of Transmission Systems ". IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 10, No. 3, July 1995.
[7] R. Mihalic, P. Zunko, and D. Povh, "Improvement of Transient Stability Using Unified Power How Controller ", IEEE PWRD 95 WM 269-1.