В этом примере показана средняя модель распределения STATCOM.
Пьер Жиру; Гилберт Сибилл (Hydro-Quebec, IREQ)
При моделировании систем преобразования энергии на основе VSC в Specialized Power Systems можно использовать два типа моделей, в зависимости от диапазона частот, подлежащих представлению: детальная модель и средняя модель.
Подробная модель, такая как представленная в power_dstatcom_pwm модели, находится в библиотеке примеров «ФАКТОВ». Детальная модель включает в себя подробное представление силовых электронных IGBT-преобразователей. Для достижения приемлемой точности с частотой переключения 1680 Гц, используемой в этом примере, модель должна быть дискретизирована на относительно небольшом временном шаге (5 микросекунд). Эта модель хорошо подходит для наблюдения за динамическими характеристиками гармоник и системы управления в течение относительно коротких периодов времени (обычно от сотен миллисекунд до одной секунды).
Средняя модель, например, представленная в этом примере. В модели этого типа IGBT преобразователи с источником напряжения (VSC) представлены эквивалентными источниками напряжения, генерирующими напряжение переменного тока, усредненное за один цикл частоты переключения. Эта модель не представляет гармоники, но динамика, возникающая в результате взаимодействия системы управления и энергосистемы, сохраняется. Эта модель позволяет использовать гораздо большие временные шаги (обычно 40-50 микросекунд), что позволяет моделировать несколько секунд.
В качестве альтернативы для моделирования на больших временных рамках может использоваться третий тип модели: фазорная модель. Этот тип модели недоступен для D-STATCOM, но доступен для STATCOM, аналогичного устройства, в модели power_statcom.
Распределительный статический синхронный компенсатор (D-STATCOM) используется для регулирования напряжения в 25-kV распределительной сети. Два фидера (21 км и 2 км) передают мощность нагрузкам, подключенным на шинах B2 и B3. Шунтирующий конденсатор используется для коррекции коэффициента мощности на шине B2. 600-V нагрузка, соединенная с шиной B3 через трансформатор 25kV/600V, представляет собой установку, поглощающую непрерывно изменяющиеся токи, подобно дуговой печи, создавая таким образом мерцание напряжения. Переменная величина тока нагрузки модулируется с частотой 5 Гц, так что ее кажущаяся мощность изменяется приблизительно между 1 МВА и 5,2 МВА, сохраняя при этом коэффициент мощности 0,9 запаздывания. Это изменение нагрузки позволит вам наблюдать способность D-STATCOM уменьшать мерцание напряжения.
D-STATCOM регулирует напряжение B3 шины, поглощая или вырабатывая реактивную мощность. Эта передача реактивной мощности осуществляется через реактивное сопротивление утечки трансформатора связи путем генерирования вторичного напряжения в фазе с первичным напряжением (на стороне сети). Это напряжение обеспечивается ШИМ-инвертором с источником напряжения. Когда вторичное напряжение ниже, чем напряжение шины, D-STATCOM действует как реактивная мощность, поглощающая индуктивность. Когда вторичное напряжение выше, чем напряжение шины, D-STATCOM действует как конденсатор, генерирующий реактивную мощность.
D-STATCOM состоит из следующих компонентов:
трансформатор 25kV/1.25kV связи, обеспечивающий связь между ШИМ-инвертором и сетью.
инвертор PWM с источником напряжения. В этом примере ШИМ-инвертор заменяется на стороне переменного тока тремя эквивалентными источниками напряжения, усредненными за один цикл частоты переключения (1,68 кГц). Поэтому гармоники, генерируемые инвертором, не видны в этой средней модели. На стороне постоянного тока инвертор моделируется источником тока, заряжающим конденсатор постоянного тока. Ток постоянного тока Idc вычисляется так, чтобы мгновенная мощность на входах переменного тока инвертора оставалась равной мгновенной мощности на выходе постоянного тока (Va * Ia + Vb * Ib + Vc * Ic = Vdc * Idc).
На выходе инвертора подключены LC-демпфированные фильтры. Сопротивления, соединенные последовательно с конденсаторами, обеспечивают коэффициент качества 40 при 60 Гц.
конденсатор на 10 000 микрофарадов, действующий как источник напряжения постоянного тока для инвертора
регулятор напряжения, который управляет напряжением на шине B3
сглаживающие фильтры, используемые для получения напряжения и тока.
Контроллер D-STATCOM состоит из нескольких функциональных блоков:
фазовый контур автоподстройки частоты (ФАПЧ). ФАПЧ синхронизируется с основными первичными напряжениями трансформатора.
две измерительные системы. Блоки Vmeas и Imeas вычисляют компоненты d-оси и q-оси напряжений и токов путем выполнения преобразования abc-dq в синхронной привязке, определяемой sin (wt) и cos (wt), обеспечиваемыми PLL.
внутренний контур регулирования тока. Этот контур состоит из двух пропорционально-интегральных (PI) контроллеров, которые управляют токами d-оси и q-оси. Выходами контроллеров являются напряжения Vd и Vq, которые должен генерировать ШИМ-инвертор. Напряжения Vd и Vq преобразуют в фазные напряжения Va, Vb, Vc, которые используют для синтеза напряжений ШИМ. Эталон Iq поступает из внешнего контура регулирования напряжения (в автоматическом режиме) или из эталона, заданного Qref (в ручном режиме). Ссылка Id поступает от регулятора напряжения линии постоянного тока.
внешний контур регулирования напряжения. В автоматическом режиме (регулируемое напряжение) PI-контроллер поддерживает первичное напряжение равным опорному значению, определенному в диалоговом окне системы управления.
контроллер постоянного напряжения, который поддерживает постоянное напряжение линии постоянного тока до своего номинального значения (В постоянного тока = 2,4 кВ).
Электрическая цепь дискретизируется с использованием времени выборки Ts = 40 микросекунд. Контроллер использует большее время выборки (4 * Ts = 160 микросекунд).
1. Динамический отклик D-STATCOM
Во время этого теста переменная нагрузка будет поддерживаться постоянной, и вы будете наблюдать динамическую реакцию D-STATCOM на ступенчатые изменения напряжения источника. Проверьте, что модуляция переменной нагрузки не работает (синхронизация модуляции [Ton Toff] = [0,15 1] * 100 > время остановки моделирования). Программируемый блок источника напряжения используется для модуляции внутреннего напряжения 25-kV эквивалента. Напряжение сначала программируется на 1,077 pu для того, чтобы поддерживать D-STATCOM первоначально плавающим (B3 напряжение = 1 pu и опорное напряжение Vref = 1 pu). Три этапа программируют на 0,2 с, 0,3 с и 0,4 с для последовательного увеличения напряжения источника на 6%, уменьшения его на 6% и возврата его к исходному значению (1,077 pu).
Запустите моделирование. Наблюдайте за Scope1 сигналов напряжения и тока фазы А D-STATCOM, а также сигналов контроллера на Scope2. После переходного периода продолжительностью приблизительно 0,15 с достигается установившееся состояние. Первоначально напряжение источника таково, что D-STATCOM неактивен. Он не поглощает и не обеспечивает реактивную мощность сети. При t = 0,2 с напряжение источника увеличивают на 6%. D-STATCOM компенсирует это увеличение напряжения поглощением реактивной мощности из сети (Q = + 2,7 Мвар на трассе 2 области 2). При t = 0,3 с напряжение источника уменьшается на 6% от значения, соответствующего Q = 0. D-STATCOM должен генерировать реактивную мощность для поддержания напряжения 1 pu (Q изменяется от + 2,7 MVAR до -2,8 MVAR). Следует отметить, что при переходе D-STATCOM от индуктивной к емкостной работе индекс модуляции ШИМ-инвертора увеличивается с 0,56 до 0,9 (след 4 Scope2), что соответствует пропорциональному увеличению напряжения инвертора. Реверсирование реактивной мощности происходит очень быстро, около одного цикла, как это наблюдается на токе D-STATCOM (пурпурный сигнал на следе 1 Scope1).
2. Уменьшение мерцания напряжения
Во время этого теста напряжение программируемого источника напряжения будет поддерживаться постоянным, и вы включите модуляцию переменной нагрузки, чтобы вы могли наблюдать, как D-STATCOM может уменьшить мерцание напряжения. В меню программируемого источника напряжения измените значение параметра «Time Variation of» на «None». В меню блока переменной нагрузки установите для параметра Modulation Timing значение [Ton Toff] = [0.15 1] (удалите коэффициент умножения 100). Наконец, в контроллере D-STATCOM измените параметр "Mode of operation" на "Q regulation? и убедитесь, что опорное значение реактивной мощности Qref (2-я строка параметров) установлено в нуль. В этом режиме D-STATCOM является плавающим и не выполняет коррекции напряжения.
Выполните моделирование и проверьте Scope3 изменения P и Q на шине B3 (1-я трасса), а также напряжения на шинах B1 и B3 (трасса 2). Без D-STATCOM напряжение B3 изменяется от 0,96 pu до 1,04 pu (изменение +/- 4%). Теперь в контроллере D-STATCOM измените значение параметра «Mode of operation» на «Voltage regulation» и перезапустите моделирование. Обратите внимание на Объем 3, что колебания напряжения на шине B3 теперь снижены до +/- 0,7%. D-STATCOM компенсирует напряжение путем инжекции реактивного тока, модулированного на частоте 5 Гц (след 3 Scope3) и изменяющегося между 0,6 pu емкостным, когда напряжение низкое, и 0,6 pu индуктивным, когда напряжение высокое.