Устройство и принцип действия

Введение

Актуальность работы. Являясь одним из наиболее комплексных устройств гибкой системы передачи переменного тока (FACTS), унифицированный регулятор потока мощности (UPFC) имеет возможность одновременного управления величиной напряжения, потоком активной и реактивной мощности. Обобщенный UPFC (GUPFC), который имеет один шунтирующий преобразователь и, по крайней мере, два последовательных преобразователя, еще более эффективен в улучшении пределов передачи поперечного сечения и устойчивости энергосистемы к переходным процессам. Однако топология системы UPFC может быть более гибкой в ​​реальных проектах. Система Nanjing Western UPFC Китая состоит из двух преобразователей, соединенных последовательно с двумя линиями электропередачи 220 кВ через трансформаторы, и одного шунтирующего преобразователя, соединенного с шиной 35 кВ. Эта система UPFC способствует балансированию потока мощности поперечного сечения Сяо Чжуан и южного поперечного сечения сети Нанкин-Вестер. Поскольку потребность в реактивной мощности системы переменного тока относительно невелика, шунтирующий преобразователь подключается к шине с более низким уровнем напряжения, и, таким образом, размер шунтирующего преобразователя может быть меньше, а связанные с этим затраты снижаются.Система передачи электроэнергии является частью системы электроснабжения. Система передачи обеспечивает процесс передачи электроэнергии от электростанции к нагрузке. Процесс передачи должен выполняться как можно оптимальнее с учетом надежности системы, безопасности системы и экономичных затрат на передачу. В 2018 году потребление электроэнергии увеличилось на 5,1 процента по сравнению с прошлым годом. Для удовлетворения растущих потребностей в потреблении электроэнергии в качестве стратегии, помимо увеличения мощности по выработке электроэнергии, можно использовать оптимизацию использования пропускной способности сети передачи, рост которой в 2018 году составил 7,78 процента по сравнению с предыдущим годом. Но оптимизация пропускной способности сети передачи должна по-прежнему учитывать некоторые параметры, чтобы процесс передачи электроэнергии продолжал работать должным образом.Цель работы – рассмотреть объединенный регулятор потоков мощности.Задачи:Охарактеризовать устройство и принцип действия;Провести анализ влияния размещения унифицированного регулятора перетока на общую пропускную способность линий электропередачи.1 Устройство и принцип действияПоявление устройств продольной и поперечной компенсации второго поколения (на полностью управляемых силовых ключах) стало предпосылкой для создания нового адаптивного устройства, способного воздействовать на все параметры, определяющие функционирование линий электропередач. Такое устройство получило название объединенного регулятора потоков мощности (ОРПМ), который является комбинированным устройством из-за специфики исполнения.Принцип работы ОРПМ основан на совместном управлении двумя преобразователями напряжения, объединенных источником напряжения (конденсаторной батареей КБ) на стороне постоянного тока. Преобразователь ПН1 подключается параллельно к линии через трансформатор связи Т1 и обеспечивает генерацию активной мощности преобразователя ПН2 за счет ее потребления из электрической сети. Последний вводит в линию добавочное напряжение ∆U, регулируемое по величине и фазе, через вольтодобавочный трансформатор Т2. Вводимое напряжение плавно изменяется в широком диапазоне значений как по модулю, ∆U = 0÷∆Uзад, так и по фазе, 0÷2π, что делает возможной работу ОРПМ в режимах всех устройств, описанных ранее.Требования к системе управления ОРПМ формируются из задач, которые он будет решать в электроэнергетических сетях, из условий его эксплуатации, а также из принятых схемотехнических решений. Суммируя вышесказанное и информацию из предыдущих разделов можно сформулировать требования к системе управления ОРПМ, которая должна обеспечивать: независимое регулирование активной и реактивной мощности; высокое быстродействие ОРПМ в переходных режимах и его работоспособность в аварийных и послеаварийных режимах электроэнергетической системы; приемлемое качество гармонического состава тока на выходе СТАТКОМ. Управление ОРПМ можно разделить на две части: поперечная компенсация и продольная. При автономной работе продольного компенсатора он вводит напряжение пропорционально току в линии, тем самым создавая индуктивное или емкостное реактивное сопротивление последовательно с линией. Поперечный компенсатор вводит реактивный ток в точке соединения, тем самым также создавая реактивное сопротивление в точке соединения с линией электропередачи [1].ОРПМ представляет собой вставку постоянного тока относительно небольшой мощности, состоящую из двух преобразователей напряжения ПН1 и ПН2, объединенных по постоянному току с общим конденсатором в этой цепи (рис.1). Данные преобразователи могут работать как в режиме выпрямителя или инвертора, так и потреблять или генерировать реактивную мощность [2].Рис. 1. Объединенный регулятор потоков мощности [2]Преобразователь ПН1 связан с шинами подстанции через трансформатор Т1, преобразователь ПН2 - с линией через трансформатор Т2, первичная (сетевая) обмотка которого включена в линию последовательно, а вторичная (вентильная) присоединена к преобразователю. Принцип работы ОРМП заключается в том, что в линию с помощью последовательной обмотки трансформатора Т2 вводится некоторое напряжение ΔU, фаза вектора которого может изменяться от нуля до 360˚ по отношению к напряжению фазы, в которую включена эта обмотка.ОРПМ подключается непосредственно к выводам статора синхронного генератора (рис. 2) и выполняет функции регулирования напряжения и создания или потребления реактивной мощности блока. Аналогичные функции ОРПМ успешно реализуются на подстанциях энергосистем [3].Рис. 2. Схема энергоблока [3]В отличие от типовых энергоблоков, в энергоблоках «СГ – ОРПМ» изменяется способ воздействия на выходное напряжение блока. Для оценки быстродействия такого энергоблока рассмотрим изменение его режимных параметров при его работе в энергосистеме (см. рис. 3). Параметры элементов схемы, приведенные к напряжению 15,75 кВ, следующие: генератор Рном = 220 МВт, Uном = 15,75 кВ выдает только активную мощность, так как в исследуемой схеме его ток возбуждения не регулируется и принят соответствующим выдаче генератором только номинальной активной мощности. ЛЭП lЛ1 = lЛ3 = 30км, lЛ2 = lЛ4 = 45 км введены только их реактивными сопротивлениями, соответственно XЛ1 =XЛ3 = 12 Ом и XЛ2 = XЛ4 = 18 Ом. Промежуточные отборы мощности на ЛЭП: Р1 = 20 МВт, Q1 = 15 МВАр, Р2 = 20 МВт, Q2 = 15 МВАр. Остальная мощность 180 МВт передается в систему, напряжение которой UС = 14 кВ и мощность короткого замыкания SКЗ = 500 МВА [4].Рис. 3. Схема энергоблока «СГ – ОРПМ», работающего в энергосистеме [4]Получаемый таким образом диапазон регулирования показан на векторной диаграмме (рис. 4, а). Преобразователь ПН2, связанный с шинами электростанции через трансформатор Т2, обеспечивает генерацию или потребление реактивной мощности (в зависимости от режима энергосистемы) в узле подключения блока, а также создает контур для протекания активной мощности между преобразователями ПН1 и ПН2. Управление реактивной мощностью осуществляется изменением величины напряжения преобразователя ПН2. Напряжение, приложенное к Х2 (индуктивному сопротивлению трансформатора Т2), является разницей напряжений Uвых и UПН2. Активное сопротивление трансформатора незначительно, поэтому ток в этой цепи отстаёт на 90º от напряжения, приложенного к Х2. При этом, если напряжение преобразователя UПН2 совпадает по фазе с напряжением Uвых, то ток IПН2 имеет только реактивную составляющую, происходит обмен с сетью реактивной мощностью. Реактивная мощность ПН2 имеет емкостной характер, если амплитуда напряжения преобразователя больше амплитуды напряжения Uвых и индуктивный характер, если меньше. Векторные диаграммы приведены на рис. 4, б [5].Рис. 4. а - векторная диаграмма напряжений энергоблока «СГ - ОРПМ» при его работе на сеть бесконечной мощности для установившихся режимов; б – векторные диаграммы работы преобразователя ПН2 для режимов генерации и потребления реактивной мощности [5]2 Анализ влияния размещения унифицированного регулятора перетока на общую пропускную способность линий электропередачиОдним из параметров, который необходимо учитывать, является напряжение сети передачи. Если этим не управлять тщательно, растущая нагрузка из-за увеличения потребления электроэнергии может привести к нестабильности напряжения и коллапсу напряжения. Если падение напряжения не будет восстановлено немедленно, худшее воздействие, которое произойдет на передающей сети, — полное отключение электроэнергии. Следовательно, решением может быть оптимизация пропускной способности сети передачи, которая не вызывает коллапса напряжения, например, увеличение значения общей пропускной способности (TTC) сети передачи. TTC — это максимальная электрическая мощность, которая может быть передана через выбранную сеть передачи, которая не вызывает нарушений безопасности системы, таких как коллапс напряжения, нарушение предела напряжения, тепловая перегрузка и проблемы со стабильностью при переходных процессах. В системе передачи переменного тока имеется силовое электронное оборудование, называемое оборудованием гибкой системы передачи переменного тока (FACTS), которое можно использовать для повышения стабильности и способности передачи мощности системы. Основываясь на сравнении устройства FACTS для повышения стабильности мощности, UPFC имеет лучшие характеристики в управлении потоком мощности и напряжением системы передачи переменного тока, чем TCSC, SVC и SSSC. UPFC может одновременно или выборочно управлять величиной напряжения, импедансом линии передачи и фазовым углом для оптимизации потока мощности в линии передачи [6].Оборудование FACTS может увеличить возможности передачи электроэнергии за счет повышения стабильности напряжения и повышения стабильности систем электроснабжения в сети передачи. UPFC - это особый тип FACTS, который может одновременно или выборочно контролировать величину напряжения, импеданс линии передачи и фазовый угол. для оптимизации потока мощности в линии передачи. Он состоит из двух полупроводниковых синхронных преобразователей напряжения, соединенных общим звеном постоянного тока. Звено постоянного тока обеспечивает путь для обмена активной мощностью между преобразователями. Последовательный преобразователь можно использовать для регулирования потока мощности в линии путем управления величиной (0 ≤ r ≤ rmax) и фазовым углом последовательно подаваемого напряжения через последовательный трансформатор. Инжектируемое напряжение и линейный ток определяют активную и реактивную мощность, инжектируемую последовательным преобразователем. Последовательный преобразователь также может подавать или поглощать реактивную мощность и фазовые углы, необходимые для конденсаторов звена постоянного тока. Затем шунтирующий преобразователь используется для обеспечения активной мощности, необходимой последовательному преобразователю, на конденсаторе звена постоянного тока системы, а также для ввода или поглощения реактивной мощности в линии [7].На рис. 5 в осях K0ωst(K0ωpst) и K0ust(K0i) отложены одинаковые характеристики демпфирования рассматриваемой схемы сети. Как видно из рис. 5, выбор управляющего коэффициента K0ωpst оказывает существенное влияние на колебательную установившуюся устойчивость. Такой значительный рост абсолютного значения показателя демпфирования α подтверждается переходным процессом при трехфазном коротком замыкании на шине (U1) длительностью Δtк = 0,1 с, показанном на рис. 6 [1].Рис. 5. Область колебательно-установившейся устойчивости рассматриваемой сетевой схемы в осях K0ωst (K0ωpst) [1]Рис. 6. Изменение угла ротора генератора относительно вектора напряжения бесконечной шины (ИБ) при трехфазном коротком замыкании на станционной шине без УПЧП (синяя кривая) и с УПЧП (красная кривая) [1]Однако в реальных условиях эксплуатации не всегда возможно передать сигнал проскальзывания ротора генератора на блоки УППЧ АР, особенно в многомашинной схеме, поэтому в данном исследовании; вместо каналов девиации скольжения ротора генератора рассматриваются каналы отклонения частоты напряжения в точке подключения устройства УППЧ [8]. Область динамической устойчивости (показана на рис. 7) показывает меньшие абсолютные значения показателя демпфирования α по сравнению с рис. 5.Рис. 7. Область колебательно-установившейся устойчивости рассматриваемой сети в плоскости K0ωst(K0ωpst)В открытой литературе предложено несколько различных методов потока мощности для энергосистемы с UPFC, но большинство из них сосредоточено на обычном UPFC (как показано на рис. 5). Переменные состояния UPFC и ограничения управления в матрицу Якоби и уравнения рассогласования алгоритма потока нагрузки Ньютона-Рафсона и обновляют их итерациями. Для решения потока нагрузки методом быстрой развязки матрица Якоби упрощена в [9]. Предполагая, что UPFC управляет потоком активной и реактивной мощности линии передачи и величиной напряжения шунтирующей шины, UPFC можно заменить моделью ввода мощности [10]. Вводимая мощность не имеет отношения к переменным состояния UPFC, и, таким образом, размер матрицы Якоби не увеличивается. Более простой метод предложен в [9] для решения потока нагрузки с помощью обычных программ потока нагрузки. Это увеличивает дополнительный узел к терминальной шине UPFC. Таким образом, передающий конец UPFC преобразуется в шину PV, а принимающий конец преобразуется в шину PQ. Тогда исходная система становится энергосистемой без UPFC. Чтобы упростить управление ограничениями по току, ток преобразователей рассматривается как переменная величина, и в [10] предлагается модель UPFC, основанная на токе.З
Заключение
По характеру воздействия во времени (характеру сигналов) преобразователь относится к непрерывно-дискретным системам, в которых присутствуют как непрерывные, так и дискретные сигналы, т. е. сигналы, определяемые только в определенные моменты времени.В непрерывной системе необходимая для управления информация доступна в любой момент времени, сигналы (воздействия) в ней непрерывны во времени и по уровню. Связи между элементами всегда сохраняются, т.е. любое непрерывное изменение входного сигнала во времени вызывает также непрерывное изменение входного и выходного сигналов всех последующих элементов. В системах периодического управления (дискретных) связи между элементами не всегда сохраняются. Такие системы содержат элемент, который при непрерывном изменении сигнала на входе будет передавать его дальше прерывисто.Приведенные зависимости позволяют определить требуемые значения параметров ОРПМ, который используется совместно с синхронным генератором с нерегулируемой системой возбуждения и является основным средством регулирования напряжения на нагрузке. Проведенный модельный эксперимент в комплексе MATLAB Simulink подтверждает работоспособность схемы «Синхронный генератор – ОРЗМ – нагрузка».

Список использованной литературы
Литвинов С. А., Воронин С. В. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕДИНЕННОГО РЕГУЛЯТОРА ПОТОКОВ МОЩНОСТИ //НОВЫЕ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. – 2022. – С. 71-77.Смирнов В. В., Старченко Т. С., Старченко М. А. Особенности применения объединенного регулятора потоков мощности //Энергетические установки и технологии. – 2019. – Т. 5. – №. 3. – С. 62-65.Егоров И. С., Гольдштейн М. Е. Регулирование напряжения блока «Синхронный генератор объединенный регулятор потока мощности» //Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2014. – Т. 14. – №. 3. – С. 19-24.Гольдштейн М. Е., Егоров И. С. Оценка быстродействия энергоблоков «Синхронный генератор-ОРПМ» при регулировании напряжения в схемах выдачи мощности электростанций //Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2016. – Т. 16. – №. 4. – С. 39-44.Гольдштейн М. Е., Егоров И. С. Работа энергоблока" синхронный генератор с нерегулируемым возбуждением-объединенный регулятор потоков мощности" при аварийном выделении части энергосистемы на изолированную работу //Электроэнергетика глазами молодежи-2017. – 2017. – С. 149-152.Putra H., Joyokusumo I. An Analysis of Unified Power Flow Controller Placement Effect on Transmission Lines Total Transfer Capability //2019 International Conference on Technologies and Policies in Electric Power & Energy. – IEEE, 2019. – С. 1-5.Smolovik S. V. et al. Analysis of the Unified Power Flow Controller Influence on Transient Processes //2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). – IEEE, 2019. – С. 1080-1082.Yang J. et al. Implementation of a novel unified power flow controller into Newton-Raphson load flow //2017 IEEE Power & Energy Society General Meeting. – IEEE, 2017. – С. 1-5.Sun X., Li T., Xing L. The Application of Unified Power Flow Controller in Smepc //2020 IEEE 4th Conference on Energy Internet and Energy System Integration (EI2). – IEEE. – С. 4138-4141.Yuan B. et al. Several Key Issues of the Unified Power Flow Controller in its Actual Application //2020 7th International Forum on Electrical Engineering and Automation (IFEEA). – IEEE, 2020. – С. 271-275.