Описание

В этом примере идеальные переключатели и zig-zag фазовращающие трансформаторы используются для построения инвертора источника напряжения типа GTO 100 МВА, 138 кВ. Этот тип преобразователя используется в высокомощных (до 200 МВА) гибких системах передачи переменного тока (ФАКТЫ), которые используются для управления потоком мощности на передающих сетях. Его можно использовать, например, для построения модели шунта или последовательного статического компенсатора (STATCOM или SSSC) или, используя два таких преобразователя, комбинации шунта и последовательных устройств, известных как Unified Power Flow Controller (UPFC).

Инвертор, описанный в этом примере, представляет собой нейтрализованный гармоникой 48-импульсный преобразователь GTO, описанный в ссылке. Состоит из четырёх 3-фазных, 3-уровневых инверторов и четырёх фазосдвигающих трансформаторов. Откройте подсистему «48-импульсный инвертор». Обратите внимание, что шина постоянного тока (В = +/-9650 В) подключена к четырем 3-фазным инверторам. Четыре напряжения, генерируемые инверторами, подаются на вторичные обмотки четырех zig-zag фазосдвигающих трансформаторов, соединенных в Wye (Y) или Delta (D). Четыре первичных обмотки трансформатора соединены последовательно, и комбинации импульсов преобразователя сдвинуты по фазе так, что четыре основных компонента напряжения суммируются по фазе на первичной стороне.

Каждый трехуровневый инвертор генерирует три напряжения прямоугольной формы, которые могут быть + Vdc, 0, -Vdc. Длительность уровня + Vdc или -Vdc (Sigma) может регулироваться между 0 и 180 градусами от входа Sigma блока генератора импульсов возбуждения. Каждый инвертор использует трехуровневый мостовой блок, где указанные силовые электронные устройства являются идеальными коммутаторами. В этой модели каждая ветвь инвертора использует 3 идеальных переключателя для получения 3 уровней напряжения (+ Vdc, 0, - Vdc). Эта простая модель моделирует поведение физического инвертора, где каждая ветвь состоит из 4 ГТО, 4 антипараллельных диодов и 2 нейтральных зажимных диодов. Несмотря на эту упрощенную схему переключения, модель по-прежнему требует 4 импульса на руку, как в физической модели. Схема импульсов, посылаемых на каждую ветвь 3-фазного инвертора, описана в генераторе импульсов возбуждения.

В качестве силовых электронных устройств можно также выбрать пары GTO/Diodes вместо Ideal Switches. Это позволяет задавать прямые перепады напряжения для ГТО и диодов и наблюдать за токами, протекающими в ГТО и диодах с помощью мультиметрового блока.

Фазовые сдвиги, производимые вторичными дельта-соединениями (-30 градусов) и первичными зигзагообразными соединениями (+ 7,5 градуса для трансформаторов 1Y и 1D, и -7,5 градуса для трансформаторов 2Y и 2D), позволяют нейтрализовать гармоники до 45-й гармоники, как объясняется ниже:

30-градусный фазовый сдвиг между Y и D вторичными цепями отменяет гармоники 5 + 12n (5, 17, 29, 41,...) и 7 + 12n (7, 19, 31, 43,...). Кроме того, 15-градусный фазовый сдвиг между двумя группами трансформаторов (1Y и 1D, ведущие на 7,5 градусов, 2Y и 2D отстающие на + 7,5 градусов) позволяет подавить гармоники 11 + 24n (11, 35,...) и 13 + 24n (13, 37,...). Учитывая, что все 3n гармоник не передаются Y и D вторичными, первые гармоники, которые не отключаются трансформаторами, являются 23-й, 25-й, 47-й и 49-й. Путем выбора соответствующего угла проводимости для 3-уровневых инверторов (сигма = 180 - 7,5 = 172,5 градусов) можно минимизировать 23-й и 25-й. Поэтому первыми значимыми гармониками являются 47-я и 49-я. Этот тип инвертора генерирует почти синусоидальную форму сигнала, состоящую из 48 шагов.

Инвертор работает в разомкнутом контуре при постоянном постоянном напряжении, поэтому угол напряжения (альфа), который обычно поддерживается близким к нулю, не используется. Можно посмотреть пример STATCOM (детальная модель), показывающий работу 48-импульсной GTO STATCOM в замкнутом контуре.

Первоначально инвертор работает без нагрузки. Затем при t = 0,025 с на клеммах 138-kV подключается резистивная нагрузка 100 МВА.

Моделирование

Выполните моделирование и просмотрите следующие формы сигналов в блоке Scope:

Напряжения, генерируемые инвертором (трассой 1), токи нагрузки (трассой 2), фазо-нейтральное напряжение и фазно-фазовое напряжение одного из четырех инверторов (1Y), наложенных на трассу 3. Когда инвертор работает без нагрузки, можно наблюдать три 48-ступенчатых сигнала напряжения. При включении нагрузки напряжение становится более плавным, поскольку гармоники фильтруются реактивами утечки трансформатора.

После завершения моделирования откройте Powergui и выберите «FFT Analysis» для отображения частотного спектра 0-4000 Гц сигналов, сохраненных в двух «psb48pulse_str» структурах. Выберите сигнал с меткой «Vabc (pu)». БПФ будет выполняться в 1-цикличном окне напряжения фазы А, начиная с t = 0,025-1/60 с (инвертор работает без нагрузки). Нажмите Display и просмотрите частотный спектр.

Фундаментальная составляющая напряжения (в pu), а также THD отображаются над окном спектра. Обратите внимание, что первые значимые гармоники - 47-я и 49-я (приблизительно 2%). Обратите внимание также, что 23 и 25 снижены ниже 0,3%. Чтобы оценить эффективность гармонической нейтрализации, можно также наблюдать частотный спектр фазофазного напряжения, генерируемого каждым отдельным инвертором. Выберите вход «Van Vab Converter 1Y» и сигнал номер 2 и нажмите на Display. Обратите внимание, что THD в диапазоне частот 0-4000 Гц составляет 25%.

Можно также выполнить другое моделирование, указав различные значения сигма на входе генератора импульсов. Можно проверить, что для отмены определенной гармоники n в фазном напряжении каждого отдельного преобразователя значение Сигма (в градусах) задается следующим образом:

Убедитесь также, что выбор Sigma = 180 градусов эквивалентен использованию двухуровневых преобразователей и что форма сигнала напряжения ухудшается до 24 импульсов.

Ссылка

Нараин Г. Хингорани и Ласло Гюйи, «Понимание фактов», IEEE ® Press, 2000