CC BY
105
УДК: 621.316.727
Л.Э. Рогинская, А.А. Караваев ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В СОСТАВЕ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ С ИНДУКТИВНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ
Рассматривается новый тип компенсатора реактивной мощности -компенсатор на базе конвертера и индуктивного накопителя энергии, и проводится имитационное моделирование компенсатора с целью выявления его основных характеристик.
Реактивная мощность, трёхфазный компенсатор реактивной мощности, регулирование реактивной мощности, имитационное моделирование, индуктивный накопитель энергии
L.Eh. Roginskaya, A.A. Karavaev FEATURES OF TRANZISTOR CONVERTERS PART OF REACTIVE POWER COMPENSATOR WITH INDUCTIVE ENERGY STORAGE
This paper presents new type of reactive power compensator - compensator based on converter and inductive energy storage, and runs compensator simulation modeling for the purpose detection his general properties.
Reactive power; three-phase reactive power compensator; reactive power control; simulation modeling, inductive energy storage
В данной статье рассматриваются особенности работы транзисторного преобразователя (конвертера) в составе трёхфазного компенсатора реактивной мощности с индуктивным накопителем энергии (далее компенсатор). От работы и технических параметров конвертера зависит работоспособность компенсатора в целом. Для выявления основных характеристик компенсатора и его работоспособности нами проведено компьютерное моделирование.
В настоящее время всё большее значение приобретают вопросы энергосбережения и качества электроэнергии. Одним из аспектов качественного и эффективного снабжения потребителей электроэнергией является рационально организованная компенсация реактивной мощности [1]. В работе представлен новый тип компенсирующих устройств - компенсатор реактивной мощности с индуктивным накопителем энергии.
Схема имеет преимущества перед традиционными компенсаторами - регулируемыми конденсаторными батареями по целому ряду показателей (например, точности и скорости регулирования реактивной мощности). По сравнению с системами типа SVC Light компании ABB [2] рассматриваемый тип компенсаторов имеет более простую конструкцию (в 2 раза меньше транзисторов, нет токоограничивающих реакторов) и лучшие регулировочные характеристики.
По нашему мнению, исследованию компенсаторов с индуктивными накопителями энергии уделяется мало внимания, и данная работа призвана несколько улучшить существующее положение дел.
Компенсатор состоит из последовательно подключенного Г-образного LC фильтра нижних частот и трёхфазного мостового полупроводникового преобразователя с индуктив-
ностью (дроссель с постоянной индуктивностью) на стороне постоянного тока. Принципиальная схема компенсатора приведена на рис. 1. Трёхфазный мост образуют шесть полностью управляемых ключей с односторонней проводимостью - шесть ЮБТ-транзисторов. Компенсатор подключается параллельно с нагрузкой.
Рис. 1. Принципиальная схема компенсатора
Принцип действия компенсатора заключается в управляемом энергообмене между сетью и дросселем посредством конвертера. Способ управления компенсатором [5] основан на том факте, что в любой момент времени в трёхфазной трёхпроводной системе сумма токов всегда равна нулю, поэтому один из токов всегда равен сумме двух других с обратным знаком. Возможные случаи соотношения знаков токов приводятся в таблице.
Таблица
Возможные случаи соотношения токов
№ 1 2 3 4 5 6
1а > 0 < 0 < 0 < 0 > 0 > 0
1Ь < 0 > 0 < 0 > 0 < 0 > 0
1с < 0 < 0 > 0 > 0 > 0 < 0
Рассмотрим «первый случай», когда все случаи аналогичны. Происходит потребление тока из фазы А и отдача тока в фазы В и С. В этот отрезок времени транзистор в положительной ветви моста фазы А открыт и ток из сети течёт в дроссель. Для замыкания цепи (протекания тока) необходимо открыть транзисторы в отрицательных ветвях моста фаз В и С, сначала один, а потом другой. Время открытия и закрытия этих вентилей находится из соотношения: 11Ь1 / 11с = ТЬ / Тс, где 1Ь, 1с - токи фаз В и С за промежуток времени ТЬ + Тс, а ТЬ, Тс - время нахождения в открытом состоянии транзисторов в фазах В и С.
122
Рис. 2. Общая схема модели
Вестник СГТУ. 2012. № 1 (64). Выпуск 2
Для облегчения фильтрации высших гармоник целесообразно повысить несущую частоту с 300 Гц (5O Гц * 6) до 126OO Гц (З00 Гц * 42). Максимальная частота несущей определяется характеристиками используемых транзисторов и величиной потерь в них.
Таким образом, алгоритм управления транзисторами основан на широтно-импульсном модулировании с частотой несущей в 12,6 кГц и организован так, чтобы ток через дроссель не прерывался. Конвертер, изменяя угол включения и выключения транзисторов, осуществляет регулирование реактивной мощности.
Для исследования разработанного компенсатора реактивной мощности создана компьютерная модель в пакете Matlab (Simulink). Общая схема компьютерной модели компенсатора представлена на рис. 2.
На рис. 2 блок Source имитирует работу трёхфазной сети промышленной частоты, блок Filter - трёхфазного Г-образного фильтра нижних частот, блок IGBT - трёхфазного моста с IGBT-транзисторами (рис. З), блок RL - активно-индуктивной нагрузки (линейный дроссель), блок Control - системы управления транзисторами, блоки Load 1-З - трёхфазной активноиндуктивной нагрузки, блоки Breaker 1-4 - трёхфазных выключателей. Следующие блоки имеют вспомогательный характер: блоки V-I Mes. 1-З, V и I производят измерения токов и напряжений, блоки Power 1-З и PQ производят измерения активных и реактивных мощностей, блоки Scope 1-8 - осциллографы, блок RMS 1 производит вычисления действующего значения тока фазы А, блоки THD 1,2 производят вычисления коэффициентов высших гармоник напряжения и тока фазы А, блоки Gain, Integrator и Pulse вычисляют среднее значение тока дросселя, блоки Switch 1,2, Const 1,2 и Clock включают и отключают компенсатор.
В блок Control поступают измеренные мгновенные значения напряжения сети и токов компенсатора и нагрузки. На основе полученных данных производится расчёт требуемого уровня реактивной мощности, после чего вычисляются поправочные (регулировочные) коэффициенты для подсистемы переключения транзисторов. Переключение транзисторов происходит согласно вышеописанному принципу. Кроме того, блок Control следит за наличием напряжения в сети (обрыв фазы) и максимальными значениями токов. В случае превышения пороговых значений токов (какая либо аварийная ситуация) блок Control отключает все рабочие транзисторы (блоки IGBT/Diode 1-6 на рис. З) и включает чоппер (тормозной транзистор) (блок IGBT/Diode 7 на рис. З) с небольшим добавочным (тормозным) сопротивлением (блок R на рис. 3).
Рис. 3. Модель конвертера (блок IGBT на рис. 2)
0.1 0.102 0.104 0.106 0.108 0.11 0.112 0.114 0.116 0.118 0.12с
А
0.1 0.102 0.104 0.106 0.108 0.11 0.112 0.114 0.116 0.118 0.12с
Б
Рис. 4. Осциллограммы фазного напряжения (А), фазного тока (Б-2) и тока дросселя (Б-1)
Большинство современных IGBT-транзисторов не выдерживают обратного напряжения, равного прямому рабочему, поэтому возникает необходимость в установке последовательно с транзисторами быстродействующих диодов, а также в необходимости во встроенных обратных диодов в транзисторах. При работе конвертера прямое напряжение падает на транзистор (диод открыт), а обратное напряжение на диод (Diode1-6 на рис. 3).
Регулирование реактивной мощности компенсатора осуществляется за счёт изменения угла отпирания транзисторов относительно напряжения сети (линейная зависимость). Регулировать реактивную мощность можно как вниз до 25% от номинальной мощности компенсатора, так и вверх на 5-10% (в зависимости от характеристик используемых транзисторов и диодов).
Фазное напряжение имеет почти полностью синусоидальную форму, тогда как фазный ток (опережает напряжение на 90°) содержит примерно 3% высших гармоник, среди которых наибольшими являются гармоники с частотами от 1500 до 2000 Гц (в зависимости от выбора параметров фильтра низких частот). Ток дросселя имеет постоянную составляющую и переменную с частотой 12600 Гц, дополнительно для пульсаций можно провести огибающую с частотой 300 Гц. Величина пульсаций тока дросселя составляет менее 50% от постоянной составляющей и зависит от индуктивности дросселя, чем выше индуктивность, тем меньше пульсации и наоборот, но связь не линейная.
По результатам моделирования можно сделать вывод о том, что компенсатор реактивной мощности с индуктивным накопителем энергии обеспечивает компенсацию реактивной мощности со значением cos ф = 1, причём имеет бесступенчатое регулирование реактивной мощности и очень высокое быстродействие (не более 5 мс), а также обеспечивает синусоидальность потребляемого тока с коэффициентом высших гармоник не более 5%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Караваев А.А. Компенсатор реактивной мощности с индуктивным накопителем энергии // Мавлютовские чтения: Всерос. молод. науч. конф: сб. науч. тр. Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 2009. Т.2. С. 39-40.
2. Прня Р., Чехов В.И. Качество напряжения - новое в решении проблемы компенсации реактивной мощности // Электротехника. 1999. №4. С. 32-34.
3. Железко Ю.С. Методы расчета нагрузочных потерь электроэнергии в радиальных сетях 0,38-20 кВ по обобщенным параметрам // Электрические станции. 2006. №1.
4. Липатов В.С. Система управления статическими компенсаторами реактивной мощности // Электротехника. 1977. №9. С. 44-47.
5. Рогинская Л.Э., Стыскин А.В., Караваев А.А. Трёхфазный компенсатор реактивной мощности и способ управления им // Патент России № 2368992. 2009. Бюл. № 27.
6. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
7. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Дата введения 01.01.99 взамен 13109-87.
Рогинская Любовь Эммануиловна -
доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханики» Уфимского государственного авиационного технического университета
Караваев Артём Александрович -
аспирант кафедры «Электромеханики» Уфимского государственного авиационного технического университета
Статья поступила в редакцию 27.02.12, принята к опубликованию 12.03.12
