STATCOM на основе GTO
Введение
Пример, описанный в этом разделе, иллюстрирует применение программного Simscape™ Electrical™ Specialized Power Systems для исследования установившейся и динамической эффективности статического синхронного компенсатора (STATCOM) в системе передачи. STATCOM - это шунтируемое устройство семейства Гибких систем передачи переменного тока (ФАКТЫ), использующее силовую электронику. Он регулирует напряжение путем генерирования или поглощения реактивной степени. Если вы не знакомы с STATCOM, обратитесь к документации по Static Synchronous Compensator (Phasor Type) блокам, которая описывает принцип операции STATCOM.
В зависимости от номинальной степени STATCOM, для преобразователя степени используются различные технологии. STATCOM высокой степени (несколько сотен Mvar) обычно используют основанные на GTO преобразователи напряжения квадратной волны (VSC), в то время как STATCOM меньшей степени (десятки Mvars) используют основанную на IGBT (или основанную на IGCT) модуляцию ширины импульса ( Static Synchronous Compensator (Phasor Type) блок Simscape> Electrical> Specialized Power Systems> FACTS библиотека является упрощенной моделью, которая может моделировать различные типы STATCOMs. Можно использовать его с типом симуляции фазора, доступным через блок Powergui, для изучения динамической эффективности и переходной устойчивости степеней. Из-за низких частот электромеханических колебаний в крупных степенях (обычно от 0,02 Гц до 2 Гц) этот тип исследования обычно требует времен симуляции 30-40 секунд или более.
Модель STATCOM, описанная в этом примере, является скорее детальной моделью с полным представлением степени электроники. Он использует квадратную волну, 48-импульсный VSC и соединительные трансформаторы для гармонической нейтрализации. Этот тип модели требует дискретной симуляции на шагах фиксированного типа (25 мкс в этом случае), и он обычно используется для изучения эффективности STATCOM в гораздо меньшей временной области значений (несколько секунд). Типичные приложения включают оптимизацию системы управления и влияние гармоник, генерируемых конвертером.
Описание STATCOM
STATCOM, описанный в этом примере, доступен в power_statcom_gto48p модель. Загрузите эту модель и сохраните ее в рабочей директории как case3 для дальнейшего изменения исходной системы. Эта модель представляет систему с тремя шинами 500 кВ с 100 Mvar STATCOM, регулирующим напряжение на B1 шины.
Внутреннее напряжение эквивалентной системы, подключенной к шине B1, может изменяться с помощью блока Three-Phase Programmable Voltage Source, чтобы наблюдать динамическую реакцию STATCOM на изменения напряжения системы.
Степень STATCOM
STATCOM состоит из трехуровневого 48-импульсного инвертора и двух последовательно соединенных 3000 мкФ конденсаторов, которые действуют как переменная постоянного напряжения. Напряжение переменной амплитуды 60 Гц, создаваемое инвертором, синтезируется из переменного напряжения постоянного тока, которое изменяется около 19,3 кВ.
Дважды кликните по блоку STATCOM 500kV 100 MVA.
Он состоит из четырех 3-фазных 3-уровневых инверторов, связанных с четырьмя фазосдвигающими трансформаторами, вводящими сдвиг фазы +/-7,5 степеней.
За исключением 23-й и 25-й гармоник, это устройство трансформатора нейтрализует все нечетные гармоники до 45-й гармоники. Секунды трансформаторов Y и D отменяют гармоники 5 + 12n (5, 17, 29, 41,...) и 7 + 12n (7, 19, 31, 43,...). В сложение 15 ° сдвига фазы между двумя группами трансформаторов (Tr1Y и Tr1D ведущие на 7,5 °, Tr2Y и Tr2D отставания на 7,5 °) позволяет гасить гармоники 11 + 24n (11, 35,...) и 13 + 24n (13, 37,...). Учитывая, что все 3n гармоник не передаются трансформаторами (дельта и незаземленная Y), первые гармоники, которые не отменяются трансформаторами, являются 23-й, 25-й, 47-й и 49-й гармониками. Выбирая соответствующий угол проводимости для трехуровневого инвертора (σ = 172,5 °), 23-я и 25-я гармоника может быть минимизирована. Первые значимые гармоники, сгенерированные инвертором, затем будут 47-й и 49-й. Используя биполярное постоянное напряжение, STATCOM таким образом генерирует 48-ступенчатое напряжение, аппроксимирующее синусоиду.
Следующий рисунок воспроизводит основное напряжение, генерируемое 48-импульсным инвертором STATCOM, а также его содержимое гармоник.
Частотный спектр напряжения, генерируемого инвертором 48-Pulse при отсутствии нагрузки
Этот частотный спектр был получен при запуске power_48pulsegtoconverter пример, который использует ту же топологию конвертера. Анализ БПФ проводили с использованием инструмента FFT Analysis в блоке Powergui. БПФ использует один цикл напряжения инвертора во время работы без нагрузки и область значений 0-6000 Гц.
Система управления STATCOM
Откройте Контроллер.
Задача системы управления состоит в том, чтобы увеличить или уменьшить напряжение постоянного тока конденсатора, так что сгенерированное напряжение переменного тока имеет правильную амплитуду для необходимой реактивной степени. Система управления должна также поддерживать напряжение, генерируемое переменным током, в фазе с напряжением системы на соединительной шине STATCOM, чтобы генерировать или поглощать только реактивную степень (за исключением малой активной степени, необходимой для потерь трансформатора и инвертора).
Система управления использует следующие модули:
PLL (фаза заблокированный цикл) синхронизирует импульсы GTO с напряжением системы и обеспечивает ссылку угол для системы измерения.
Система измерений вычисляет компоненты напряжения и тока STATCOM с положительной последовательностью, используя преобразование фазы в dq и среднее значение рабочего окна.
Регулирование напряжения выполняется двумя регуляторами ПИ: из измеренного напряжения Vmeas и опорного напряжения Vref, блок Voltage Regulator (внешний контур) вычисляет ссылку реактивного тока Iqref, используемую блоком Current Regulator (внутренний цикл). Выходом регулятора тока является угол α, который является сдвигом фазы напряжения инвертора относительно напряжения системы. Этот угол остается очень близким к нулю, за исключением коротких периодов времени, как объяснено ниже.
Падение 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 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.
Увольнение Генератора Импульсов производит импульсы для этих четырех инверторов от (ω.t) выхода PLL и текущего выхода регулятора (α угол).
Чтобы объяснить принцип регулирования, предположим, что системное напряжение Vmeas становится ниже, чем опорное напряжение Vref. Затем регулятор напряжения запросит более высокий выходной реактивный ток (положительный Iq = емкостный ток). Чтобы сгенерировать больше емкостных реактивных степеней, регулятор тока затем увеличит α фазу задержку напряжения инвертора относительно напряжения системы, так что активная степень будет временно течь от системы переменного тока к конденсаторам, таким образом увеличивая напряжение постоянного тока и, следовательно, генерируя более высокое напряжение переменного тока.
Как объяснено в предыдущем разделе, угол проводимости в 3-уровневых инверторах фиксирован на 172,5 °. Этот угол проводимости минимизирует 23-ю и 25-ю гармоники напряжения, генерируемого инверторами квадратной волны. Кроме того, чтобы уменьшить нехарактерные гармоники, положительное и отрицательное напряжения шины постоянного тока вынуждены оставаться равными модулю DC Balance Regulator. Это выполняется путем наложения небольшого смещения на углы проводимости в положительном и отрицательном полуциклах.
Система управления STATCOM также позволяет выбрать режим VAR (см. диалоговое окно Контроллер). В таком случае ссылка ток Iqref больше не генерируется регулятором напряжения. Оно определяется скорее из ссылок Qref или Iqref, заданных в диалоговом окне.
Установившаяся и динамическая эффективность STATCOM
Теперь вы будете наблюдать установившиеся формы волны и динамическую характеристику STATCOM, когда напряжение системы изменяется. Откройте программируемое меню источника напряжения и проверьте последовательность программируемых шагов напряжения. Кроме того, откройте диалоговое окно Контроллера STATCOM и проверьте, что STATCOM находится в режиме регулировки напряжения с ссылкой напряжением 1,0 pu. Запустите симуляцию и наблюдайте форму волны на блоке scope STATCOM. Эти формы волны воспроизведены ниже.
Формы волны, иллюстрирующие динамическую характеристику STATCOM на шаги напряжения системы
Первоначально программируемый источник напряжения устанавливается на уровне 1.0491 pu, в результате чего напряжение 1.0 pu в шине B1 когда STATCOM не работает. Когда ссылка напряжение Vref установлена на 1,0 pu, STATCOM первоначально плавает (нуль току). Напряжение постоянного тока составляет 19,3 кВ. При t = 0,1 с напряжение внезапно уменьшается на 4,5% (0,955 пу номинального напряжения). STATCOM реагирует, генерируя реактивную степень (Q = + 70 Mvar), чтобы поддерживать напряжение на уровне 0,979 pu. 95% времени урегулирования составляет приблизительно 47 мс. При этой точке напряжение постоянного тока увеличилось до 20,4 кВ.
Затем на t = 0,2 с напряжение источника увеличивается до 1,045 pu его номинального значения. STATCOM реагирует путем изменения своей рабочей точки с емкостной на индуктивную для поддержания напряжения на уровне 1.021 pu. На данной точке STATCOM поглощает 72 Mvar, и напряжение постоянного тока снижается до 18,2 кВ. Наблюдайте на первой трассировке, показывающей основное напряжение и ток STATCOM, что ток изменяется с емкостного на индуктивный примерно за один цикл.
Наконец, на t = 0,3 с напряжение источника в наборе назад к его номинальному значению и рабочая точка STATCOM возвращается к нулю Mvar.
Рисунок ниже изменяет масштабирование двух циклов во время установленной операции, когда STATCOM является емкостным и когда он является индуктивным. Формы волны показывают основное и вторичное напряжение (фаза A), а также основной ток, протекающий в STATCOM.
Статические напряжения и ток для емкостной и индуктивной операции
Заметьте, 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 опережает напряжение на 90 °; Поэтому STATCOM генерирует реактивную степень.
Напротив, когда STATCOM работает в индуктивном режиме, вторичное напряжение ниже первичного напряжения. Ток запаздывает напряжение на 90 °; поэтому STATCOM поглощает реактивную степень.
Наконец, если вы заглянете в подсистему Signals and Scopes, у вас будет доступ к другим управляющим сигналам. Заметьте переходные изменения угла α, когда напряжение постоянного тока увеличивается или уменьшается, чтобы изменить реактивную степень. Установившееся значение α (0,5 степени) является сдвигом фазы, необходимым для поддержания небольших потерь трансформатора и конвертера, компенсирующих активный поток степени.