Пример, описанный в этом разделе, иллюстрирует приложение программного обеспечения Simscape™ Electrical™ Specialized Power Systems изучить установившиеся и динамические характеристики статического синхронного компенсатора (STATCOM) на системе передачи. STATCOM - шунтирующее устройство семейства гибких систем передачи переменного тока («ФАКТЫ»), использующее силовую электронику. Он регулирует напряжение путем генерирования или поглощения реактивной мощности. Если вы не знакомы с STATCOM, обратитесь к документации по блоку статического синхронного компенсатора (Phasor Type), которая описывает принцип работы STATCOM.
В зависимости от номинальной мощности STATCOM для преобразователя мощности используются различные технологии. Статкомы высокой мощности (несколько сотен Мваров) обычно используют преобразователи на основе GTO и квадратного напряжения (VSC), в то время как Статкомы низкой мощности (десятки Мваров) используют VSC на основе IGBT (или IGCT). Блок статического синхронного компенсатора (Phasor Type) библиотеки Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > FACTS представляет собой упрощенную модель, которая может моделировать различные типы STATCOM. Его можно использовать с моделирующим типом фазора, доступным через блок Powergui, для изучения динамической производительности и переходной стабильности энергосистем. Из-за низких частот электромеханических колебаний в больших энергосистемах (обычно от 0,02 Гц до 2 Гц) этот тип исследования обычно требует времени моделирования 30-40 секунд и более.
Модель STATCOM, описанная в этом примере, является довольно детальной моделью с полным представлением силовой электроники. Для нейтрализации гармоник используются преобразователи квадратной волны, 48-импульсные VSC и трансформаторы межсоединения. Этот тип модели требует дискретного моделирования на этапах фиксированного типа (в данном случае 25 мкс) и обычно используется для изучения производительности STATCOM в гораздо меньшем временном диапазоне (несколько секунд). Типичные применения включают оптимизацию системы управления и воздействие гармоник, генерируемых преобразователем.
СТАТКОМ, описанный в этом примере, доступен в power_statcom_gto48p модель. Загрузите эту модель и сохраните ее в рабочей папке как case3 позволяет вносить дальнейшие изменения в исходную систему. Данная модель представляет собой трехшинную систему 500 кВ с регулировочным напряжением 100 Мвар STATCOM на шине B1.
Внутреннее напряжение эквивалентной системы, подключенной к шине B1, может изменяться с помощью блока трехфазного программируемого источника напряжения для наблюдения динамической реакции STATCOM на изменения напряжения системы.
СТАТКОМ состоит из трехуровневого 48-импульсного инвертора и двух последовательно соединенных конденсаторов 3000 мкФ, которые действуют как источник переменного напряжения постоянного тока. Напряжение с переменной амплитудой 60 Гц, создаваемое инвертором, синтезируется из переменного напряжения постоянного тока, которое изменяется около 19,3 кВ.
Дважды щелкните по блоку STATCOM 500kV 100 MVA.
Состоит из четырех 3-фазных 3-уровневых инверторов, связанных с четырьмя фазосдвигающими трансформаторами, вводящими фазовый сдвиг +/-7,5 градусов.
За исключением 23-й и 25-й гармоник, эта компоновка трансформатора нейтрализует все нечетные гармоники вплоть до 45-й гармоники. Вторичные трансформаторы Y и D отменяют гармоники 5 + 12n (5, 17, 29, 41,...) и 7 + 12n (7, 19, 31, 43,...). Кроме того, фазовый сдвиг 15 ° между двумя группами трансформаторов (Tr1Y и Tr1D, ведущие на 7,5 °, Tr2Y и Tr2D, отстающие на 7,5 °) позволяет подавлять гармоники 11 + 24n (11, 35,...) и 13 + 24n (13, 37,...). Учитывая, что все 3n гармоник не передаются трансформаторами (дельта и незаземленный Y), первые гармоники, которые не отменяются трансформаторами, поэтому являются 23-й, 25-й, 47-й и 49-й гармониками. Выбирая подходящий угол проводимости для трехуровневого инвертора (λ = 172,5 °), можно минимизировать 23-ю и 25-ю гармоники. Первыми значимыми гармониками, генерируемыми инвертором, будут 47-я и 49-я. Используя биполярное напряжение постоянного тока, STATCOM, таким образом, генерирует 48-ступенчатое напряжение, аппроксимирующее синусоидальную волну.
На следующем рисунке показано первичное напряжение, генерируемое 48-импульсным инвертором STATCOM, а также его гармонические характеристики.
Спектр частоты напряжения, произведенного инвертором с 48 пульсом ни при какой нагрузке
Этот частотный спектр был получен путем запуска power_48pulsegtoconverter пример, в котором используется та же топология преобразователя. Анализ БПФ проводился с использованием инструмента анализа БПФ в блоке Powergui. БПФ использует один цикл напряжения инвертора при работе без нагрузки и диапазоне частот 0-6000 Гц.
Откройте контроллер STATCOM.
Задача системы управления состоит в увеличении или уменьшении постоянного напряжения конденсатора, так что генерируемое напряжение переменного тока имеет правильную амплитуду для требуемой реактивной мощности. Система управления должна также поддерживать генерируемое переменным током напряжение в фазе с системным напряжением на шине подключения STATCOM для генерации или поглощения только реактивной мощности (за исключением малой активной мощности, необходимой для потерь трансформатора и инвертора).
Система управления использует следующие модули:
Схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) синхронизирует импульсы GTO с системным напряжением и обеспечивает опорный угол для измерительной системы.
Измерительная система вычисляет компоненты положительной последовательности напряжения и тока STATCOM, используя преобразование фаза-dq и усреднение рабочего окна.
Регулирование напряжения осуществляется двумя PI регуляторами: из измеренного напряжения Vmeas и опорного напряжения Vref блок регулятора напряжения (внешний контур) вычисляет эталон реактивного тока Iqref, используемый блоком регулятора тока (внутренний контур). Выходом регулятора тока является угол α, который является фазовым сдвигом напряжения инвертора относительно напряжения системы. Этот угол остается очень близким к нулю, за исключением коротких периодов времени, как объясняется ниже.
Понижение напряжения включено в регулирование напряжения для получения V-I характеристик с наклоном (в данном случае 0,03 pu/100 МВА). Поэтому при изменении рабочей точки STATCOM с полностью емкостной (+ 100 Mvar) на полностью индуктивную (-100 Mvar) напряжение SVC изменяется между 1-0,03 = 0,97 pu и 1 + 0,03 = 1,03 pu.
Генератор импульсов зажигания генерирует импульсы для четырех инверторов с выхода ФАПЧ и выхода регулятора тока (угол α).
Для объяснения принципа регулирования предположим, что системное напряжение Vmeas становится ниже опорного напряжения Vref. Затем регулятор напряжения запрашивает более высокий выход реактивного тока (положительный Iq = емкостной ток). Чтобы генерировать более емкостную реактивную мощность, регулятор тока затем увеличивает α-фазовое отставание напряжения инвертора по отношению к системному напряжению, так что активная мощность временно перетекает из системы переменного тока в конденсаторы, таким образом увеличивая напряжение постоянного тока и, следовательно, генерируя более высокое напряжение переменного тока.
Как пояснялось в предыдущем разделе, угол проводимости λ 3-уровневых инверторов был зафиксирован равным 172,5 °. Этот угол проводимости минимизирует 23-ю и 25-ю гармоники напряжения, генерируемые преобразователями прямоугольной формы. Кроме того, для уменьшения нехарактерных гармоник положительные и отрицательные напряжения шины постоянного тока принудительно остаются равными с помощью модуля регулятора баланса постоянного тока. Это выполняется путем применения небольшого смещения к углам проводимости, для положительного и отрицательного полуциклов.
Система управления STATCOM также позволяет выбрать режим управления Var (см. диалоговое окно STATCOM Controller). В таком случае опорный ток Iqref больше не генерируется регулятором напряжения. Он скорее определяется по ссылкам Qref или Iqref, указанным в диалоговом окне.
При изменении напряжения системы будут наблюдаться устойчивые формы сигналов и динамический отклик STATCOM. Откройте меню программируемого источника напряжения и просмотрите последовательность запрограммированных шагов напряжения. Также откройте диалоговое окно STATCOM Controller и убедитесь, что STATCOM находится в режиме регулирования напряжения с опорным напряжением 1,0 pu. Выполните моделирование и просмотрите формы сигналов в блоке объема STATCOM. Эти сигналы воспроизводятся ниже.
Формы сигналов, иллюстрирующие динамическую реакцию STATCOM на этапы напряжения системы
Первоначально программируемый источник напряжения устанавливается на 1,0491 pu, что приводит к напряжению 1,0 pu на шине B1, когда STATCOM находится в нерабочем состоянии. Поскольку опорное напряжение Vref установлено равным 1,0 pu, STATCOM первоначально является плавающим (нулевой ток). Напряжение постоянного тока 19,3 кВ. При t = 0,1 с происходит резкое снижение напряжения на 4,5% (0,955 pu номинального напряжения). STATCOM реагирует путем генерирования реактивной мощности (Q = + 70 Mvar) для поддержания напряжения на уровне 0,979 pu. Время отстаивания 95% составляет приблизительно 47 мс. В этот момент напряжение постоянного тока увеличилось до 20,4 кВ.
Затем при t = 0,2 с напряжение источника увеличивают до 1,045 pu от его номинального значения. STATCOM реагирует, изменяя свою рабочую точку с емкостной на индуктивную, чтобы поддерживать напряжение на уровне 1,021 pu. В этот момент STATCOM поглощает 72 Мвар и напряжение постоянного тока понижено до 18,2 кВ. Обратите внимание на первую трассу, показывающую первичное напряжение и ток STATCOM, что ток изменяется от емкостного к индуктивному приблизительно за один цикл.
Наконец, при t = 0,3 с напряжение источника возвращается к номинальному значению, а рабочая точка STATCOM возвращается к нулю Mvar.
На рисунке ниже показано масштабирование двух циклов во время работы в установившемся режиме, когда STATCOM является емкостным и индуктивным. Формы сигналов показывают первичное и вторичное напряжение (фаза A), а также первичный ток, протекающий в STATCOM.
Стационарные напряжения и ток для емкостной и индуктивной работы
Обратите внимание, что когда STATCOM работает в емкостном режиме (Q = + 70 Mvar), 48-импульсное вторичное напряжение (в pu), генерируемое инверторами, выше первичного напряжения (в pu) и в фазе с первичным напряжением. Ток является ведущим напряжением на 90 °; поэтому STATCOM вырабатывает реактивную мощность.
Напротив, при работе СТАТКОМ в индуктивном режиме вторичное напряжение ниже первичного. Ток запаздывает по напряжению на 90 °; Таким образом, СТАТКОМ поглощает реактивную мощность.
Наконец, если вы заглянете в подсистему Signals and Scopes, вы получите доступ к другим управляющим сигналам. Обратите внимание на переходные изменения угла α, когда напряжение постоянного тока увеличивается или уменьшается для изменения реактивной мощности. Установившееся значение α (0,5 градуса) представляет собой фазовый сдвиг, необходимый для поддержания небольшого активного потока энергии, компенсирующего потери трансформатора и преобразователя.