CC BY
12УДК 621.316.72
А.И. Чивенков, В.В. Севастьянов
СИЛОВОЙ МОДУЛЬ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СЕТЯМИ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Рассмотрены вопросы, посвященные созданию и исследованию устройства для регулирования величины и направления межсетевых потоков мощности в составе интегрированной системы управления электрическими сетями распределенной энергосистемы. Предложен алгоритм работы системы управления устройством. Приведены результаты моделирования в различных режимах работы регулируемых электрических сетей.
Ключевые слова: гибкая система электропередачи, межсетевой поток мощности, компенсация реактивной мощности, регулируемый инвертор напряжения, силовой активный фильтр, синхронная система координат, имитационная модель.
В понятие «разработка типовых схем электрических сетей и распределительных устройств распределенной системы электроснабжения» все чаще вводится термин «интеллектуальные электрические сети» (Smart Grid) [1]. Под данным термином понимаются электросети, имеющие глубокую степень автоматизации, позволяющие управлять перетоками активной и реактивной мощностей, а также допускающие интеграцию малой и распределенной генерации в общую энергосистему. Данная система должна автоматически регулировать подачу электроэнергии в зависимости от режима потребления и требует разработки автоматизированной системы управления узлом нагрузки.
Одной из составляющих SmartGrid являются гибкие системы передачи переменного тока - Flexible Alternative Current Transmission System (FACTS) [2]. Эти системы направлены на регулирование величины и направления потоков мощности электрической энергии разветвленной сети единой энергетической системы, а также на улучшение параметров качества напряжения питающих цепей электроприемников. В свою очередь, системы FACTS для выполнения упомянутых функций базируются на таком техническом устройстве, как контроллер межсетевого потока мощности - Interline Power Flow Controller (IPFC) [3].
В соответствии с существующими тенденциями была поставлена задача исследования путей создания интегрированной системы управления электрическими сетями (ИСУЭС) распределенной энергосистемы. Вопросы взаимодействия традиционных и возобновляемых источников с сетью рассматривались в [4]. В последующих исследованиях они получили дальнейшее развитие. Работа выполнялась при финансовой поддержке министерства образования и науки РФ (ГК № 16.526.12.6016 от 11.10.11 г.).
В соответствии с существующими требованиями к силовому модулю и с учётом проведенного анализа возможных технических решений [5], наиболее целесообразной и перспективной схемотехникой силовой части была признана топология, построенная на базе трехфазного инвертора напряжения (ИН).
Исследования проводились с использованием имитационного моделирования в пакете прикладных программ MATLAB Simulink.
Имитационная модель силового модуля ИСУЭС приведена на рис. 1. В его состав входят два инвертора напряжения Inverter_1 и Inverter_2, объединенных общим емкостным накопителем C_1, C_2 (Series RLC Branch). Инверторы выполнены на базе трехфазного моста с IGBT- транзисторами (Universal Bridge) и индуктивно-емкостным фильтром (3-Phase Series RLC Branch) на выходе. Регистрация токов и напряжений в фазах инверторов выполняется измерителями M_inv_1 и M_inv_2 (Three-Phase V-I Measurement). На параллельную работу с сетью инверторы включаются коммутаторами Breaker_1 и Breaker_2 (Ideal Switch).
© Чивенков А.И., Севастьянов В.В., 2013.
Дальнейшей задачей являлась разработка соответствующего алгоритма управления инверторами напряжения, позволяющего обеспечить взаимодействие инверторов между собой и соответствующими сетями в процессе регулирования потоков активной и реактивной мощности в узле нагрузки.
Рис. 1. Имитационная модель силового модуля ИСУЭС
В настоящее время наиболее часто используются два метода управления инверторами с функциями компенсации и регулирования составляющих мощности сети. Это метод «мгновенной мощности» и метод управления в синхронной системе координат путем преобразований Парка-Горева.
Метод «мгновенной мощности» основан на вычислении мощности нагрузки с использованием токов и напряжений нагрузки в стационарной ортогональной системе координат
а - Р . Недостатком этого метода является непосредственное использование проекций обобщенного вектора напряжения сети при вычислении токов задания. В переходных режимах это может привести к колебательному процессу выходного тока и напряжения инвертора, что и наблюдалось в процессе имитационного моделирования.
Поэтому в дальнейшем был принят для реализации метод управления в синхронной системе координат. Метод основан на прямом и обратном преобразовании Парка-Горева. Прямое преобразование заключается в нахождении проекций обобщенного вектора тока или напряжения на оси ортогональной системы координат, вращающейся синхронно с вектором напряжения сети:
2 3
2
2ж
¡а • ^ + ¡Ъ ■ Н °—Г\ + ¡с • Н 0 +
3
2ж_
з
¡а ■ соб 0 + ¡ъ ■ СОБ^О - + ¡с' СОБ^О + ^
• = 1 (• + • + •)
¡о 3
^ 1ъ ^ и ,
(1)
где 0 = ф • t - значение угла поворота системы координат, вращающейся с частотой
ф = 2я ■ , относительно неподвижной системы координат.
В синхронной системе координат постоянные составляющие проекций на оси d - ^ будут соответствовать активной и реактивной составляющим тока первой гармоники.
Обратное преобразование Парка-Горева осуществляется в соответствии
с выражениями:
i = i ■ sinO + i ■ cosO + i ;
la la lq »-o
ib = L • sinf^-fV iq ■ cosi^- fV io ; (2)
1 = ia ■ sin|^ + -r| + iq ■ cos|0 + — | + .
2жЛ . (a 2ж — I +1 ■ cosl O + —
3 J Lq \ 3 ,
Относительной трудностью в реализации данного метода является необходимость синхронизации с основной гармоникой напряжения сети сигналов cosO и sinO. В данном случае для синхронизации принята система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Управление реализовано по методу одношагового прогноза [7]. Ток в фазах формируется как:
(0=1 ¡U(t)-Ми(t))dt ,
где /и(7) - ток инвертора, u^t), uи(t) - фазное напряжение сети и инвертора, L - индуктивность дросселя фильтра инвертора.
Напряжение инвертора вычисляется на каждом такте модуляции с целью обеспечения равенства среднего значения генерируемого тока и тока задания:
М=М -L—, (3)
T
X м
где Тм - период модуляции; ии, ис, iref , ^ - обобщенные векторы соответственно напряжения инвертора, напряжения сети, тока задания и тока сети в синхронной системе координат d - q
Таким образом, управление фазными токами инвертора осуществляется посредством формирования соответствующих напряжений.
Система управления инверторами, реализующая упомянутые ранее закономерности, приведена на рис. 2. Для преобразования трехфазных систем токов и напряжений сети (I_greed, U_greed) в двухфазную ортогональную синхронную систему координат Id - Iq, Ud -Uq построены блоки координатных преобразователей abc dqo и abcdql. Они выполняют операции в соответствии с (1). Для работы координатных преобразователей необходимы сигналы синхронизации sin9 и cos9. Эти сигналы вырабатываются блоком фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) «PLL».
Для каждой из составляющих обобщенного вектора выделен свой канал обработки. Выбор составляющих обеспечивается селекторами сигналов Selectorl ... Selector4 из библиотеки «Simulink/Signal Routing». Для выделения постоянных составляющих проекций по
осям d - q, соответствующих активной и реактивной составляющим тока первой гармоники, построены фильтры низкой частоты Filter_I, FilterU.
В соответствии с выражением (3), полученные токи сети Id, Iq необходимо сравнить с токами задания Id_ref, Iq_ref. Физически значениями данных переменных являются, соответственно, необходимая амплитуда активной составляющей и необходимая амплитуда реактивной составляющей тока сети. Для этого на каждом шаге модуляции определяется разность тока задания и текущего тока сети с помощью сумматоров «Suml» и «Sum2» из библиотеки «Simulink/Math Operations».
Разность токов умножается на коэффициент, равный отношению L/TM, формируемый блоками «Gain 1» и «Gain2» из библиотеки «Simulink/Math Operations», где Fm - частота модуляции, L - индуктивность фильтра инвертора.
Далее, в соответствии с выражением (3) на базе сумматоров «Sum3>m «Sum4» вычисляются составляющие напряжения управления инвертором. Координатный преобразователь dq0_abc выполняет обратное преобразование переменных из синхронной системы координат в трехфазную систему в соответствии с (2). Таким образом, получаем напряжение управления по каждой из фаз инвертора. Импульсы управления ключами формируются путем классической ШИМ в блоке PWMmodulation.
Для включения источника напряжения параллельно сети необходимо выполнить мероприятия по синхронизации с сетью. В данном случае равенство частот напряжений обеспечивается блоком ФАПЧ «PLL». В соответствии с алгоритмом управления в качестве задания инвертору указываются необходимые составляющие обобщенного вектора тока сети. Поэтому, если перед включением в параллель инвертору будет задан текущий ток сети, то инвертор не должен будет влиять на сеть. Это предполагает режим холостого хода, в котором инвертор генерирует напряжение, по амплитуде и фазе равное напряжению сети. Это позволяет подключить инвертор параллельно сети без уравнительных токов.
Режим синхронизации поддерживается программной записью составляющих текущего тока сети в регистры Constl и Const2. Этот режим продолжается до тех пор, пока внешний управляющий сигнал Start является пассивным. Если данный сигнал становится активным, то система переходит в режим отработки внешних заданий при параллельной работе с сетью.
В данном модуле ИСУЭС два инвертора напряжения имеют один общий емкостный накопитель. Для нормального функционирования модуля напряжение накопителя в процессе работы должно оставаться неизменным. Это делает режимы работы инверторов взаимозависимыми. Если один из инверторов предает мощность в сеть, параллельно с которой он работает, то он будет являться ведущим. Второй инвертор будет подчиненным, и его режим работы будет определяться условием постоянства напряжения на емкостном накопителе.
В процессе работы были определены области соответствующих режимов работы ведущего и подчиненного инвертора. Они приведены на рис. 3.
На диаграмме концы векторов обозначены дробью, числитель которой соответствует относительному значению активной составляющей, а знаменатель - реактивной составляющей тока инвертора. Режимы работы ведущего инвертора охватываются областью 0/0_1/0_1/-1_0/-1_0/0. Соответствующие режимы работы подчиненного инвертора - областью 0/0_-1/-1_-1/0_0/1_0/0. Определение токов задания подчиненного инвертора выполняется в соответствии с выражениями, в которых индекс «master» соответствует токам задания ведущего инвертора, а индекс «slave» - токам задания подчиненного инвертора:
Id _ master Id _ ref '
I q _ master I q _ ref '
T = -T +1•
I d_il I d_ref '
T =-T -1 •
1 q _ il -L q _ ref '
Id _ i 2 = Id _ i 1 ;
I q _ i 2 = -1 d _ il Iq _ il '
T =-T +1 •
J- d _ slave -L d _ i 2 '
I =-I -1 .
J- q slave J- q i 2
Рис. 4. Осциллограммы (сверху вниз) напряжения сети (В), тока сети (А) и тока инвертора (А) при генерации инвертором реактивного тока (задание 1й = 1, Iq = 0)
Для исследования разработанного силового модуля ИСУЭС проводилось имитационное моделирование переходных и стационарных режимов в процессе взаимодействия инверторов с соответствующими сетями.
Экспериментально проверялась работа инвертора в режиме генерации реактивного тока, равного реактивному току нагрузки: задание М = 1, ^ = 0. Это соответствует компенсации реактивной мощности сети. Осциллограммы данного режима приведены на рис. 4.
До включения инвертора (0,08 секунды) ток сети был активно-индуктивным в соответствии с параметрами нагрузки. После включения инвертора и выхода его на заданный режим (после 0,18 секунды) ток сети становится чисто активным, а ток инвертора носит чисто индуктивный характер.
Исследовалась работа инвертора в режиме генерации активного тока, равного активному току нагрузки: задание М = 0, ^ = 1. Это соответствует разгрузке сети по активной мощности. Осциллограммы данного режима приведены на рис. 5.
Рис. 5. Осциллограммы (сверху вниз) напряжения сети (В), тока сети (А) и тока инвертора (А) при генерации инвертором активного тока (задание И = 0, = 1)
В рамках экспериментального исследования были получены регулировочные характеристики при изменении задания по реактивной и активной составляющим тока сети.
Графические зависимости при изменении задания по реактивному току для основной и вторичной сети приведены на рис. 6. Характеристики показывают наличие регулируемого потока реактивной мощности из вторичной сети в основную.
Графические зависимости при изменении задания по активному току для основной и вторичной сети приведены на рис. 7. Характеристики показывают наличие регулируемого потока активной мощности из вторичной сети в основную.
В ходе выполнения работ подтверждены начальные предпосылки возможности регулирования величин и направлений потоков мощностей в соответствии с установленными параметрами управления качеством электроэнергии распределенной системы электроснабжения интеллектуальных электрических сетей.
а) б)
Рис. 6. Регулировочные характеристики основной сети (а) и вторичной сети (б) по реактивному току задания
-♦— Активный ток ■ Реактивный ток
50
^ 40
н 30
ш
£ 20 о
Н 10
0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Задание М, о.е.
а) б)
Рис. 7. Регулировочные характеристики основной сети (а) и вторичной сети (б) по активному току задания
Библиографический список
1. Интеллектуальные сети: российский взгляд. Энергоэксперт. 2009. № 4.
2. Padiyar, K. R. FACTS controllers in power transmission and distribution / K.R. Padiyar. - New Age International (P) Ltd. Publishers, 2007. - 532 с.
3. Sasan Salem, Sood V. K. Simulation and controller design of an Interline Power Flow Controller in EMTP RV / Sasan Salem // International Conference on Power Systems Transients in Lyon, France on June 4-7, 2007.
4. Чивенков, А.И. Определение структурной схемы устройства сопряжения модульного типа / А.И. Чивенков [и др.] // Известия академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. Малая энергетика, Т. 23. 2008. С. 211-219.
5. Зиновьев, Г.С. Силовая электроника: учеб. пособие, углубленный курс / Г.С. Зиновьев. - 5-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2012. - 667 с.
6. Черных, И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSistems и Simulink / И.В. Черных. - М.:ДМК Пресс, 2011. - 288 с.
7. Смирнов, М.И. Пуско-регулирующее устройство на базе статического компенсатора реактивной мощности // Автореферат дис. на соиск. уч. степ. к.т.н. / М.И. Смирнов. - М.: МЭИ, 2007. - 20 с.
Дата поступления
в редакцию 19.04.2013
A.I. Chyvenkov, V.V. Sevastyanov THE POWER MODULE OF INTEGRATED CONTROL SISTEM BY POWER GRIDS
Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.Y. Alexeev
Purpose: Creation and research of device for interline power flow control in load nodes of the distributed electric networks.
Design/methodology/approach: The power module uses two current source converters that share a common dc-link. Each current source converters injects a current - with controllable amplitude and phase angle - into the power transmission line. Each current source converters provides parallel reactive power compensation for an individual line and it can also supply/absorb active power to/from the common dc-link.
Findings: Offered hardware facilities and control system algorithm of device for interline power flow control. Demonstrated simulation results in differently power module and power grids regimes.
Research limitations/implications: Research limitations - electric power industry. The study of an IPFC system with two parallel lines has demonstrated the flexible control of active/reactive power to assist in the transmission system. Originality/value: Thus, the power module has an additional degree of freedom to control active power flow in the power system when compared to a traditional compensator. This capability makes it possible to transfer power from over- to under-loaded lines, reduce the line resistive voltage drop, and improve the stability of the power system.
Key words: flexible transmission system, interline power flow, reactive power compensation, adjustable voltage inverter, power active filter, synchronous reference frame, simulation model.
