Применение Simulink (Matlab) для анализа энергетических характеристик классического фазорегулирующего устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение Simulink (Matlab) для анализа энергетических характеристик классического фазорегулирующего устройства

Основной целью проводимой в настоящее время авторами научно-исследовательской работы является разработка и выбор наиболее эффективных схемных вариантов ФРТ, которые позволят уменьшить размеры, вес и стоимость оборудования в целом. В связи с этим, будут разработаны несколько новых вариантов схемных решений для двухтрансформаторных ФРТ, которые могут быть перспективными для практического применения. Эффективность каждого из разрабатываемого в дальнейшем схемного решения ФРТ будет оцениваться путем сравнения с известным техническим решением, которое называется «Marcerau Connection» [1,2,3]. Таким образом, настоящая работа посвящена созданию модели «Marcerau Connection» в среде Simulink (Matlab) и анализу результатов расчетных экспериментов проведенных на ее базе. В дальнейшем для каждого разрабатываемого варианта ФРТ будет разработана соответствующая математическая модель, рассчитанная на ту же пропускную способность и на максимальный угол фазового сдвига между входным и выходным напряжениями .

Как критерии для дальнейшего сравнения приняты следующие ключевые показатели:

- Мощность потерь ФРТ при проведении опыта холостого хода,

- Мощность потерь ФРТ при проведении опыта короткого замыкания,

- Общие потери мощности ФРТ по результатам двух опытов ,

- Номинальная мощность ФРТ при проведении нагрузочных испытаний ,

- Номинальная мощность «Exiting» - трансформатора,

- Номинальная мощность «Boosting» - трансформатора.

Результаты тестирования схемных вариантов в режимах холостого хода и короткого замыкания позволяют построить эквивалентную схему замещения (Рис. 1), которая может быть использована для определения соотношений между входными и выходными параметрами ФРТ в условиях регулирования угла или изменения тока нагрузки.

simulink фазорегулирующий трансформатор энергетический

Рис.1. Схема замещения ФРТ

Результаты тестирования схемных вариантов в нагрузочном режиме позволяют определить номинальную мощность каждого элемента, являющегося частью ФРТ, а также определить пути повышения эффективности использования энергетического оборудования в направлении уменьшения веса и размеров составных частей ФРТ и снижения номинальной мощности элементов силовой электроники.

Традиционная схема ФРТ

Принципиальная схема классического двухтрансформаторного ФРТ выполненного на основе «Marcerau Connection» представлена на Рис.2.

Рис.2. Традиционный вариант ФРТ (Marcerau Connection)

Элементы, связанные с «Exiting» - трансформатором помечены индексами «q», элементы, связанные с «Boosting» трансформатором помечены индексами «p».

Входные электрические значения помечены индексом «s» и выходные электрические величин обозначены индексами «r»:

- Напряжение и ток на входе ФРТ,

- Напряжение и ток на выходе ФРТ,

- Фазовый сдвиг между выходным напряжением и входным напряжением (или между и ),

- Связь между входными и выходными параметрами ФРТ в режиме холостого хода.

На основе схемы Рис.2 в среде Simulink (Matlab) была создана комплексная модель ФРТ выполненного по варианту «Marcerau Connection» и позволяющая проводить различные расчетные эксперименты а также измерение всех токов и напряжений на всех элементах устройства. Для удобства проведения расчетных экспериментов каждый из трансформаторов ФРТ представлен в модели в виде группы однофазных трансформаторов.

Параметры элементов одной из фаз каждого трансформатора представлены в Табл.1 и были определены исходя из и номинальной мощности нагрузки устройства равной .

Рис. 3. Принципиальная схема Simulink - модели классического двухтрансформаторного ФРТ

Табл.1. Параметры трансформаторов составляющих ФРТ

Все параметры в табл.1 были рассчитаны исходя из условия, что ФРТ имеет пропускную мощность 10кВА и заданы в системе СИ. Для возбуждающего трансформатора была рассчитана и характеристика насыщения, позволяющая более корректно определить энергетические характеристики устройства. На основе разработанной модели были проведены опыты холостого хода, короткого замыкания и нагрузки устройства. Результаты опыта холостого хода представлены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты опыта холостого хода ФРТ выполненного по классической схеме («Marcerau Connection»)

simulink фазорегулирующий трансформатор энергетический

Опыт холостого хода проводился при различных уровнях напряжения , которое снимается между контактами РПН с обмотки и является питающим для обмотки . Индуктивность обмотки между контактами РПН определяется величиной .

Строка «Position» в табл.2 и далее определяет виртуальное положение контактов РПН, которые обеспечивают соответствующее значение угла .

Все основные измеряемые и рассчитываемые величины приведены для одной фазы трехфазного устройства. Измеренными величинами являются: ,,,,,. Рассчитанными параметрами являются: ,,. Напряжение определяет изменение магнитной индукции в стержне «Exiting» - трансформатора в процессе регулирования угла .

Основные результаты проведенного на модели опыта короткого замыкания представлены в табл. 3. При проведении расчетного эксперимента уровень тока короткого замыкания был установлен на уровне и поддерживался путем выбора соответствующего .

Табл.3. Результаты опыта короткого замыкания ФРТ выполненного по классической схеме («Marcerau Connection»)

Измеренными величинами в опыте короткого замыкания являются: ,,. Рассчитанными параметрами являются: ,,.

Характеристики активной и реактивной составляющих полного сопротивления устройства в режиме холостого хода, также как и активной и реактивной составляющих сопротивления устройства в режиме короткого замыкания представлены на рис. 4 и рис. 5 соответственно.

Рис.4. Характеристики активной и реактивной составляющих сопротивления ФРТ в режиме холостого хода

Рис.5. Характеристики активной и реактивной составляющих сопротивления ФРТ в режиме короткого замыкания

Характер изменения потерь активной мощности в рассматриваемом ФРТ представлен на рис. 6, где - потери в режиме холостого хода, - потери в режиме короткого замыкания и . Представленные зависимости будут в дальнейшем сравниваться с аналогичными характеристиками при разработке схемных вариантов ФРТ для более объективной оценки их технической эффективности.

Рис.6. Зависимости изменения активных потерь от угла в ФРТ выполненном по схеме «Marcerau Connection»

Аргумент , относительно которого строились графики рис. 4,5,6, соответствует углу фазового сдвига в режиме холостого хода, таким образом из табл. 2.

В результате проведения нагрузочных испытаний могут быть определены мощности всех элементов, составляющих ФРТ.

Для обобщения получаемых в дальнейшем результатов, как мощность ФРТ, так и мощности отдельных элементов представлены через полную мощность нагрузки на выходе устройства, которая может быть выражена как , где - величина, устанавливаемая на стадии проектирования.

Опыт короткого замыкания проводился при . Соответственно во время нагрузочных испытаний соблюдалось условие путем присоединения к выходным контактам ФРТ соответствующего активного сопротивления нагрузки.

Результаты нагрузочных испытаний «Marcerau Connection» представлены в табл. 4. Наряду с показателями, характеризующими нагрузочный режим (L), в таблице представлены также некоторые характеристики режима холостого хода (I), которые будут использованы для дальнейших вычислений.

ФРТ обеспечивает способность симметричного регулирования угла фазового сдвига в пределах . В электрической сети при увеличении угла в положительном направлении соответственно увеличивается мощность через ФРТ и наоборот. Таким образом, условие является самым тяжелым для оборудования и должно быть принято в качестве расчетного для проектирования ФРТ.

В соответствии со стандартным определением, мощность любого трансформатора можно представить в виде половины суммы номинальных мощностей всех его обмоток. В свою очередь, проектная мощность каждой обмотки является произведением максимального тока и максимального напряжения этой обмотки, которые выбраны из всех возможных режимов работы трансформатора.

Таким образом, напряжения и токи, отмеченные в табл. 4 маркером, являются базовыми для расчета номинальных мощностей соответствующих обмоток. В соответствии с вышесказанным могут быть рассчитаны номинальные мощности отдельных элементов ФРТ.

Мощность () «boosting» - трансформатора .

Значения величин мощностей отдельных обмоток данного трансформатора следующие:

, , .

Мощность () «excitation» - трансформатора .

Мощности отдельных обмоток этого трансформатора:

, .

Величина несколько выше величины из-за того, что трансформатор “q” дополнительно загружается током холостого хода трансформатора “p”.

Общая мощность () обоих трансформаторов формирующих ФРТ:

.

Относя величину полной мощности ФРТ к выходной мощности устройства можно получить следующий коэффициент:

.

Таким образом, полная мощность рассматриваемого ФРТ , или в 2.15 раза больше его мощности на выходе .

Отметим также, что величина определяет обмен мощности между “p” и “q” трансформаторами в процессе регулирования угла. Эта мощность определяет также мощность элементов силовой электроники , если она применяется для регулирования угла. Разделив величину на выходную мощность устройства , получаем коэффициент, который в дальнейшем может применяться при сравнении разрабатываемых в дальнейшем схемных вариантов ФРТ:

, то есть .

Очевидно, что представленный выше вариант ФРТ следует рассматривать как достаточно громоздкий, если необходимо обеспечить значительную величину фазового угла . В дальнейшем авторами будут разрабатываться новые схемные решения ФРТ позволяющие существенно снизить массогабаритные показатели устройства.

Основное внимание в работе уделено всестороннему исследованию классического варианта ФРТ, выполненного по схеме «Marcerau Connection». В результате проведенной работы разработана модель устройства в среде Simulink (Matlab), позволившая провести серию расчетных экспериментов. Определены параметры схемы замещения ФРТ в процессе регулирования, а также энергетические характеристики рассматриваемого устройства, рассчитаны показатели, позволяющие оценить техническую эффективность классической схемы ФРТ.

Литература

simulink фазорегулирующий трансформатор энергетический

1. Luiz A. C. Lopes, Geza Joos, Boon-Teck Ooi, “A PWM Quadrature Booster Phase-Shifter For FACTS, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.11, No.4, October 1996.

2. D.Perco, Special Transformer Will Control Power Flow between Ontario-Manitoba, Electrical News and Engineering, July, 1972.

3. S.Nyati, J.Kappenman, N.Mohan, A.Edris Design Issues For a Single Core Transformer Thyristor Controlled Phase-Angle Regulator, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.10, No.4, October 1995.

Размещено на Allbest.ru