Диссертация (Исследование возможности и разработка способов применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме), страница 6

ФКУ –фильтрокомпенсирующее устройство; СФУ – система фазового управления; АДВ – автоматикадозировки воздействий, Pн, Qн – задаваемое значение мощности через преобразователь, α1, α2 –углы управления полупроводниковым преобразователем.Для индуктивных накопителей (такие как СПИН) для перевода из режиманакопления в режим выдачи энергии (т.е. из режима выпрямителя в режиминвертора) необходимо сменить направления тока в накопителе без необходимостиизменения полярности напряжения. В этом случае схема полупроводниковогопреобразователя работает в режиме источника тока.

Такой преобразовательформирует в точке подключения ток заданной амплитуды и фазы [1]. Дляреализацииданнойсхемывозможноприменениеодноготрехфазногополупроводникового преобразователя. Но, для улучшения гармонического составасетевого тока, рекомендуется подключать накопитель через две группыпреобразователей к двум вторичным обмоткам силового трансформатора, одна изкоторых соединена в звезду, а другая – в треугольник [1]. Такое подключениеобеспечивает сдвиг 30º в одном из плеч преобразователя, таким образом,34обеспечивается двенадцатифазная пульсация тока вместо шестифазной (для схемыс одним преобразователем).Схемаподключениенакопителяэнергиисполупроводниковымпреобразователем по схеме источника тока приведена на рисунке рис. 2.4, а).Для остальной группы накопителей – конденсаторных накопителей(аккумуляторных батарей большой мощности, суперконденсаторов, маховиковыхнакопителей с электромашинным приводом) кроме смены направления протеканиятока через накопитель, для перевода в режим выдачи энергии необходимо такжеизменить полярность напряжения.

Такой режим работы полупроводниковогопреобразователя называется режимом источника напряжения.Один трехфазный преобразователь в силу своей схемы не может обеспечитьсмену полярности напряжения на зажимах накопителя [72]. Для решения этойпроблемыприменяютдвегруппыпреобразователей,соединенныхпоследовательно друг с другом, причем накопитель энергии подключаетсяпараллельно в рассечку между группами преобразователей. Одна из групппреобразователей в таком случае работает в режиме выпрямителя, а вторая – врежиме инвертора.

При изменении углов управления группами преобразователямиизменяется «влияние» каждого из преобразователей, таким образом, достигаетсяреверс полярности напряжения на зажимах накопителя.В общем случае выделяют два типа управления накопителями – фазовое иимпульсное [73]. Несмотря на то, что существуют работы, в которых описываетсядвухпараметрическое импульсное управление сверхпроводниковым накопителем[74], в данной работе рассматривается фазовое, т.к.

такой вид управления позволяетунифицировать схему управления преобразователем, работающим как режимеисточника тока, так и источника напряжения. Однако, к недостаткам данного типауправления стоит отнести невозможность работы преобразователя в режимевыдачи реактивной мощности.Управлениедвумягруппамипреобразователейдляобеспечениявозможности смены полярности напряжения возможно двумя способами:согласованное и раздельное управление [72].35Под раздельным управлением подразумевается подача разных угловуправления на разные группы преобразователей.

При этом, управлениепредполагает запирание неработающей группы вентилей при отсутствииуравнительного тока [75]. Такое управление требует систему контроля состояниявентиля для исключения подачи одновременных импульсов на аналогичныевентили двух групп преобразователей (для исключения короткого замыкания).Кроме того, такое управление не позволяет быстро перевести преобразователь изрежима выпрямителя в режим инвертора [72].Согласованное управление подразумевает под собой подачу согласованныхуглов управления на соответствующие преобразователи согласно закону:`1 = 180 − 1 ;`2 = 180 − 2 ;(2.1)где 1 , 2 – углы управления фазными и буферными вентилями первогополупроводникового преобразователя соответственно, `1 , `2 – углы управленияфазными и буферными вентилями второго полупроводникового преобразователясоответственно [72].Основное достоинство согласованного управления – максимально быстроепереключения из режима накопителя в режим инвертора и наоборот [72].

Такимобразом, благодаря данному свойству, далее в работе будет применяться именносогласованное управление преобразователями, работающими в режиме источниканапряжения.Схема подключения преобразователя, работающего в режиме источниканапряжения приведена на рис. 2.4, б).На основе описанных выше требований для анализа работы накопителейэнергии выбрана мостовая схема с буферными вентилями в нулевом проводе последующим причинам [1]: даннаясхемаобеспечиваетвысокийуровеньпульсаций(применительно к двенадцатифазной двухмостовой схеме), схема обеспечивает высокую скорость переключения режимоввыпрямления/инвертирования;36 схемаобеспечиваетработукакврежимеисточникатока(двенадцатифазная схема), так и в режиме источника напряжения(обратимый преобразователь).К сетиК сетиYYYα1,α2от СФУα1,α2Источник Iот СФУΔYYα1,α2α`1,α`2Источник Uб)а)Рис. 2.4 Схемы подключения полупроводниковых преобразователей для накопителейэнергии для различных режимов.

а) режим источника тока, б) режим источника напряжения.СФУ – система фазового управления; α1,α2 – углы управления полупроводниковыми вентилями(или группой полупроводниковых вентилей); α1,α2 – углы управления смежнымиполупроводниковыми вентилями при согласованном управленииДля реализации двухпараметрического управления необходимо применятьдвухоперационные (полностью управляемые или запираемые) вентили, способныекоммутировать высокие значения токов на напряжении 6-20 кВ. К таким вентилямможно отнести современные биполярные транзисторы с изолированным затвором(IGBT) и МОП-транзисторы (MOSFET) [76].На рис. 2.5 приведена схема одной из двух групп используемого мостовогополупроводникового преобразователя на базе управляемых вентилей с буфернымивентилями в нулевом проводе.Фазныевентили(VS.1-VS.6)коммутируютсоответствующиеположительные (катодная группа) и отрицательные (анодная группа), каждая изгрупп вступает в работу один раз за период.

Буферные вентили (VS.1B, VS.2B)37коммутируют соответствующие фазные вентили (каждый из буферных вентилейвступает в работу три раза за период) [1].Здесь и далее приняты следующие обозначения углов управления фазными ибуферными вентилями: α – для фазных вентилей, αб – для буферных вентилей.VS.4VS.6VS.2BVS.1VS.3VS.5VS.1BНакопительVS.2UaUbUcСФУфазααбαСФУбуфαбαРис. 2.5 Схема преобразовательной группы трехфазного мостового полупроводниковогопреобразователя с буферными вентилями. VS.1-VS.6 – фазные вентили, VS.1B, VS.2B –буферные вентили, Ua, Ub, Uc – обмотки сетевого трансформатора связи, α, αб – углыуправления соответственно фазными и буферными вентилямиРеализуемая схема полупроводникового преобразователя накладываетследующие ограничения на диапазон изменения углов (исходя из условийсимметричной работы всех трех плеч моста):0 ≤ − б ≤Формированиеимпульсов,23(2.2)позволяющихрегулироватьмощность,протекающую через преобразователь, возлагается на систему фазового управления(СФУ).В настоящее время существуют две основные реализации системы фазовогоуправления – синхронное и асинхронное [72].

В случае синхронного управлениямоменты формирования импульсов управления всегда синхронизированы с38напряжением сети, к которому подключен вентиль. В асинхронной системе частотагенерации импульсов становится синхронной по отношению к частоте напряжениясети только в установившемся режиме при замкнутом контуре регулированияфазой импульса управления [72]. Так как управление преобразователем для целиобеспечения эффективности противоаварийного управления при большихвозмущения осуществляется в темпе переходного процесса, поэтому в данномслучае применима только синхронная схема управления.Выражение (2.3) для определения мощности перетока через преобразовательприведено в [1]:3√2т ( ′ + ′ б ),3√2т ( ′ + ′ б ),=′ = + ;6′ б = б + ;6=(2.3)где – углы открытия фазных вентилей; б – углы открытия буферных вентилей;т – напряжение сетевой обмотки трансформатора связи; – выпрямленный токнагрузки (преобразователя); – активная мощность обмена преобразователя ссетью; – реактивная мощность обмена преобразователя с сетью.Такжевыражение(2.3)позволяетполучитьуглыуправленияпреобразователями для получения требуемой мощности, выдаваемой илипотребляемой накопителями.2.3.Структурная схема модели энергосистемы с накопителем энергииДля исследования влияния накопителей энергии на динамическуюустойчивость генератора автором разработана структурная схема моделиэнергосистемы с накопителем энергии.

Структурная схема исследуемой моделиэнергосистемы с накопителем энергии приведена нарис. 2.6.39СГUГ=13.8 кВK2 СK1ТТурбинаВЛАРВUном=13.8 кВS=235 кВАПП2СТH1ТДЦ(Ц)- UСТ=220 кВ250000/220UС=220 кВ S=10 ГВтH2P=5 МВтP=10 МВтПП1НакопительРис. 2.6 Структурная схема исследуемой модели энергосистемы с накопителем энергии. СТ –сетевой трансформатор, ПП – полупроводниковый преобразователь, СВ – системавозбуждения, АРВ – автоматика регулирования возбуждения, Н – нагрузка, С –электроэнергетическая система, СГ– синхронный генератор, Т – блочный трансформатор, ВЛ –линия.Модель состоит генератора мощностью 200 МВт, блочного трансформатора,нагрузок (собственные нужды 13.8 кВ и выделенная нагрузка на шинах 220 кВ),линии 220 кВ и электроэнергетической системы (представляется источникомтрехфазного напряжения).

Параметры схемы замещения структурной схемыприведены на рис. 2.7.Для связи накопителя с сетью, а также для реализации режимовзаряда/разряда, накопитель энергии подключается через полупроводниковыйпреобразователь с сетевыми трансформаторами (см. рис. 2.4). В качестве вентилейвыбраны IGBT, т.к. данные вентили обладают достаточной высокой мощностью идостаточной изоляцией для использования на генераторном напряжении (13.8 кВ).В рамках исследуемой модели рассматриваются следующие возмущения,приводящие к возникновению аварийного небаланса мощности:Режим 1: трехфазное короткое замыкания на выводах высшего напряженияблочного трансформатора (точка К1 на рис.

2.7). Данный режим характеризуетсяглубоким снижением напряжения и предназначен для оценки возможности работынакопителя в условиях глубокого снижения напряжения.40ПараметрыСГ (о.е.)Xd1.305Xd` 0.296Xd`` 0.252Xq0.474Xq` 0.243Rs 0.0028Параметрытрансформатора (о.е.)Rвн 0,004Xвн0.17RНН0,01XНн0.3Г13.8кВXd,XqТНXВНXТНННZН1Параметрытрансформатора (о.е.)Rвн 0,0027Xвн0.08RНН 0,0027XНн0.08К1К2Система10 ГВтXлXт220кВПараметрынагрузки 1ZН2(о.е.)R12.67XсПараметрынагрузки 2(о.е.)R6.083XТННННакопительРис.