Основанный на GTO STATCOM
Введение
Пример, описанный в этом разделе, иллюстрирует приложение программного обеспечения Simscape™ Electrical™ Specialized Power Systems, чтобы изучить установившиеся и динамические характеристики статического синхронного компенсатора (STATCOM) в системе передачи. STATCOM является устройством шунта Гибких Систем Передачи AC (FACTS) семейство, использующее силовую электронику. Это регулирует напряжение путем генерации или поглощения реактивной мощности. Если вы не знакомы с STATCOM, обратитесь к документации блока Static Synchronous Compensator (Phasor Type), которая описывает принцип STATCOM операции.
В зависимости от номинальной мощности STATCOM различные технологии используются для конвертера степени. Мощные STATCOMs (несколько сотен Mvars) обычно используют основанные на GTO полученные напряжением конвертеры (VSC) прямоугольной волны, в то время как более низкая степень STATCOMs (десятки Mvars) использует основанный на IGBT (или основанный на IGCT) модуляция длительности импульса (PWM) VSC. Блок Static Synchronous Compensator (Phasor Type) библиотеки FACTS является упрощенной моделью, которая может моделировать различные типы STATCOMs. Можно использовать его с симуляцией фазовращателя, доступной через блок Powergui, для изучения динамических характеристик и переходной устойчивости энергосистем. Из-за низких частот электромеханических колебаний в больших энергосистемах (обычно 0,02 Гц к 2 Гц), этот тип исследования обычно требует времен симуляции 30–40 секунд или больше.
Модель STATCOM, описанная в этом примере, является скорее подробной моделью с полным представлением силовой электроники. Это использует прямоугольную волну, VSC с 48 импульсами и соединительные преобразователи для гармонической нейтрализации. Этот тип модели требует дискретной симуляции на фиксированных шагах типа (25 мкс в этом случае), и это обычно используется для изучения производительности STATCOM на намного меньшей области значений времени (несколько секунд). Типовые приложения включают оптимизацию системы управления и влияние гармоник, сгенерированных конвертером.
Описание STATCOM
STATCOM, описанный в этом примере, доступен в модели power_statcom_gto48p. Загрузите эту модель и сохраните ее в вашей рабочей директории как case3, чтобы позволить дальнейшие модификации исходной системе. Эта модель представляет систему на 500 кВ с тремя шинами с 100 Mvar STATCOM, регулирующим напряжение в шине B1.
Внутреннее напряжение эквивалентной системы, соединенной в шине B1, может отличаться посредством Трехфазного Программируемого Исходного блока Напряжения, чтобы наблюдать динамический ответ STATCOM на изменения в системном напряжении.
Компонент степени STATCOM
STATCOM состоит из трехуровневого инвертора с 48 импульсами и двух подключенных последовательно конденсаторов на 3 000 мкФ, которые действуют как переменный источник напряжения постоянного тока. Переменное амплитудное напряжение на 60 Гц, произведенное инвертором, синтезируется от переменного напряжения постоянного тока, которое отличается приблизительно 19,3 кВ.
Дважды кликните на блоке STATCOM 500kV 100 MVA.
Это состоит из четырех 3-фазовых 3-уровневых инверторов вместе с четырьмя фазами, переключающими сдвиг фазы представления преобразователей +/-7.5 степени.
За исключением 23-х и 25-х гармоник, это расположение преобразователя нейтрализует все нечетные гармоники до 45-й гармоники. Y и вторичные устройства преобразователя D отменяют гармоники 5+12n (5, 17, 29, 41...) и 7+12n (7, 19, 31, 43...). Кроме того, сдвиг фазы на 15 ° между двумя группами преобразователей (Tr1Y и продвижение Tr1D на 7,5 °, Tr2Y и Tr2D, отстающий на 7,5 °), позволяет отмену гармоник 11+24n (11, 35...) и 13+24n (13, 37...). При полагании, что все 3n гармоники не передаются преобразователями (дельта и незаземленный Y), первые гармоники, которые не отменяются преобразователями, являются поэтому 23-ми, 25-ми, 47-ми и 49-ми гармониками. Путем выбора соответствующего угла проводимости для трехуровневого инвертора (σ = 172,5 °), могут быть минимизированы 23-и и 25-е гармоники. Первые значительные гармоники, сгенерированные инвертором, затем будут 47-ми и 49-ми. Используя биполярное напряжение постоянного тока, STATCOM таким образом генерирует напряжение с 48 шагами, аппроксимирующее синусоиду.
Следующая фигура воспроизводит первичное напряжение, сгенерированное инвертором с 48 импульсами STATCOM, а также его содержимым гармоник.
Спектр частоты напряжения, сгенерированного инвертором с 48 импульсами ни при какой загрузке
Этот спектр частоты был получен путем выполнения примера power_48pulsegtoconverter, который использует ту же топологию конвертера. Анализ БПФ выполнялся при помощи инструмента FFT Analysis в блоке Powergui. БПФ использует один цикл напряжения инвертора во время операции без загрузок и частотного диапазона на 0-6000 Гц.
Система управления STATCOM
Откройте контроллер STATCOM.
Задача системы управления состоит в том, чтобы увеличить или уменьшить конденсаторное напряжение постоянного тока, так, чтобы сгенерированное напряжение переменного тока имело правильную амплитуду для необходимой реактивной мощности. Система управления должна также сохранить сгенерированное напряжение AC в фазе с системным напряжением в шине связи STATCOM, чтобы сгенерировать или поглотить реактивную мощность только (за исключением маленькой активной степени, требуемой потерями преобразователя и инвертора).
Система управления использует следующие модули:
PLL (замкнутый цикл фазы) синхронизирует импульсы GTO с системным напряжением и предоставляет опорный угол системе измерения.
Система измерения вычисляет компоненты положительной последовательности напряжения STATCOM и текущий, с помощью phase-to-dq преобразование и усреднение рабочего окна.
Регулирование напряжения выполняется двумя регуляторами PI: от измеренного напряжения Vmeas и ссылочное напряжение Vref, блок Voltage Regulator (внешний цикл) вычисляет реактивную текущую ссылку Икреф, используемый блоком Current Regulator (внутренний цикл). Вывод текущего регулятора является α углом, который является сдвигом фазы напряжения инвертора относительно системного напряжения. Этот угол остается очень близко к нулю кроме во время коротких периодов времени, как объяснено ниже.
Свисание напряжения включено в регулирование напряжения, чтобы получить характеристики V-I с наклоном (0.03 pu/100 MVA в этом случае). Поэтому, когда рабочая точка STATCOM изменяется от полностью емкостного (+100 Mvar) к полностью индуктивному (-100 Mvar), напряжение SVC отличается между 1-0.03=0.97 pu и 1+0.03=1.03 pu.
Увольнение Генератора Импульсов генерирует импульсы для этих четырех инверторов от PLL вывод (ω.t) и текущий регулятор вывод (α угол).
Чтобы объяснить принцип регулирования, давайте предположим, что системное напряжение Vmeas становится ниже, чем ссылочное напряжение Vref. Регулятор напряжения затем попросит более высокую реактивную текущую производительность (положительный IQ = емкостный ток). Чтобы произвести больше емкостной реактивной энергии, текущий регулятор затем увеличит α задержку фазы напряжения инвертора относительно системного напряжения, так, чтобы активная степень временно вытекала из системы AC к конденсаторам, таким образом увеличивая напряжение постоянного тока и следовательно генерируя более высокое напряжение переменного тока.
Как объяснено в предыдущем разделе, угол проводимости σ 3-уровневых инверторов был зафиксирован к 172,5 °. Этот угол проводимости минимизирует 23-и и 25-е гармоники напряжения, сгенерированного инверторами прямоугольной волны. Кроме того, чтобы уменьшать нехарактеристические гармоники, положительные и отрицательные напряжения шины DC обеспечены, чтобы остаться равными модулем Регулятора Баланса DC. Это выполняется путем применения небольшого смещения на углах проводимости σ в течение положительных и отрицательных полупериодов.
Система управления STATCOM также позволяет выбор режима управления Var (см. диалоговое окно STATCOM Controller). В таком случае ссылочный текущий Iqref больше не генерируется регулятором напряжения. Это скорее определяется из ссылок Qref или Iqref, заданных в диалоговом окне.
Установившиеся и динамические характеристики STATCOM
Вы будете теперь наблюдать установившиеся формы волны и динамический ответ STATCOM, когда системное напряжение будет отличаться. Откройте программируемое исходное меню напряжения и посмотрите на последовательность шагов напряжения, которые запрограммированы. Кроме того, откройте диалоговое окно STATCOM Controller и проверьте, что STATCOM находится в режиме регулирования Напряжения со ссылочным напряжением 1.0 pu. Запустите симуляцию и наблюдайте формы волны относительно блока scope STATCOM. Эти формы волны воспроизводятся ниже.
Формы волны, иллюстрирующие STATCOM динамический ответ на системные шаги напряжения
Первоначально программируемый источник напряжения установлен в 1.0491 pu, приводящих к 1,0 pu напряжениям в шине B1, когда STATCOM является не работающим. Как ссылочное напряжение Vref установлен в 1.0 pu, STATCOM первоначально плавает (обнулите текущий). Напряжение постоянного тока составляет 19,3 кВ. В t=0.1s напряжение внезапно уменьшено на 4,5% (0.955 pu номинального напряжения). STATCOM реагирует путем производства реактивной энергии (Q = + 70 Mvar), чтобы сохранить напряжение в 0.979 pu. 95%-е время установления составляет приблизительно 47 мс. В этой точке напряжение постоянного тока увеличилось до 20,4 кВ.
Затем в t=0.2 s исходное напряжение увеличенный to1.045 pu его номинальной стоимости. STATCOM реагирует путем изменения его рабочей точки от емкостного до индуктивного, чтобы сохранить напряжение в 1.021 pu. В этой точке STATCOM поглощает 72 Mvar, и напряжение постоянного тока было понижено до 18,2 кВ. Наблюдайте относительно первой трассировки, показывающей первичное напряжение STATCOM и текущий, который ток изменяет от емкостного до индуктивного приблизительно в одном цикле.
Наконец, в t=0.3 s исходное напряжение в задержанном к его номинальной стоимости и рабочей точке STATCOM возвращается, чтобы обнулить Mvar.
Фигура ниже масштабирует на двух циклах во время установившейся операции, когда STATCOM является емкостным и когда это является индуктивным. Формы волны показывают первичное и вторичное напряжение (фаза A), а также первичное текущее течение в STATCOM.
Установившиеся напряжения и текущий для емкостной и индуктивной операции
Заметьте, что, когда STATCOM действует в емкостном режиме (Q = + 70 Mvar), вторичное напряжение с 48 импульсами (в pu) сгенерированный инверторами выше, чем первичное напряжение (в pu) и в фазе с первичным напряжением. Текущий ведет напряжение на 90 °; STATCOM поэтому производит реактивную энергию.
Наоборот, когда STATCOM действует в индуктивном режиме, вторичное напряжение ниже, чем первичное напряжение. Текущий изолирует напряжение на 90 °; STATCOM поэтому поглощает реактивную мощность.
Наконец, если вы посмотрите в подсистеме Сигналов и Осциллографов, то у вас будет доступ к другим управляющим сигналам. Заметьте, что переходный процесс изменяется на α углу, когда напряжение постоянного тока увеличено или уменьшено, чтобы отличаться реактивная мощность. Установившееся значение α (0,5 градуса) является сдвигом фазы, требуемым поддержать маленькие активные потери преобразователя и конвертера компенсации потока энергии.