Розділ 4. Моделювання процесів регулювання напруги за рахунок зміни реактивної потужності

4.1. Моделювання закону регулювання напруги силового трансформатора з пристроєм рпн

Впровадження сучасних технологій у вітчизняній промисловості ставить нові вимоги до якості електроенергії та надійності електропостачання споживачів. Електроенергія розглядається як предмет споживання та продажу і повинна відповідати визначеним нормам якості. Постійне підтримання цих норм неможливе без регулювання відповідних параметрів.

Існують три основні групи методів підвищення якості електроенергії [1]. Найкращою за економічним фактором сьогодні є група методів, яка передбачає використання пристроїв корекції якості електричної енергії – регуляторів одного або декількох її параметрів, оскільки зміна структури мережі або оновлення всіх споживачів призведе до значних матеріальних затрат [4].

Регулювання напруги має за мету безумовне забезпечення допустимих рівнів напруг у всіх точках енергосистеми, якісних показників електроенергії та зниження втрат активної потужності в мережі.

Напруга змінюється із зміною навантаження. У випадку змінного графіку навантаження споживачів протягом доби, здійснюється так зване зустрічне регулювання напруги [1].

У відповідності з ним на шинах вузлової підстанції підтримується номінальна напруга при мінімальних навантаженнях, а з ростом навантаження, з метою компенсації втрат напруги в елементах мережі, цю напругу підвищують до . Для ступінчатого регулювання пристроями РПН такий закон можна записати у вигляді (4.1,а):

(4.1,б)

(4.1,а)

де – коефіцієнт трансформації трансформатора з РПН;

– приведена напруга на шинах підстанції з урахуванням струмової компенсації;

– нижня і верхня границі зони нечутливості, які задаються з умов надійності;

– уставка регулятора, яка відповідає номінальній напрузі на шинах підстанції;

– поточне значення цієї напруги;

– струм, що знімається з шин підстанції в режимі мінімуму навантаження;

– поточне значення цього струму;

– напруга на шинах низької напруги трансформатора;

– напруга, в обмотці високої напруги трансформатора при підключенні і-го відгалуження;

– коефіцієнт, який характеризує чутливість регулятора;

– коефіцієнт, що визначає нахил характеристики зустрічного регулювання;

– час регулювання, протягом якого значення напруги повертається в зону нечутливості, обумовлену надійністю роботи системи.

Метою закону регулювання напруги є зменшення числа перемикань пристрою РПН силового трансформатора. Цим досягається збільшення ефективності у роботі, тому в умовах експлуатації намагаються, по можливості, зменшити кількість переключень відгалужень трансформатора, свідомо йдучи на деяке зниження якості регулювання, але збільшуючи тим самим надійність. З цією метою закон регулювання синтезують нечутливим до короткочасних коливань напруги і орієнтують його тільки на відпрацювання відхилень. Це досягається введенням часової затримки і логічної умови, яка основана на врахуванні знаку похідної огинаючої регульованої напруги. Ця умова дає змогу не проводити перемикання відгалужень трансформатора, якщо регульований параметр знаходиться поза зоною нечутливості регулятора, але під впливом зовнішніх факторів сам прямує до зони. Вищевказаний закон не передбачає швидкої реакції регулятора на значне відхилення контрольованої напруги, внаслідок чого тривалий час напруга на навантаженні має ненормоване значення через затримку сигналу керування на час . Тому закон регулювання (4.1,а) доповнюють додатковою умовою, яка дозволяє виконувати перемикання пристрою РПН без часу затримки сигналу , коли контрольована напруга має значення, що суттєво відрізняється від .З урахуванням такої умови закон регулювання буде мати вигляд (4.1,б ), де

З двох наведених законів видно, що умова оптимального перемикання краще буде виконуватись при використанні закону (4.1,б), оскільки у ньому закладена додаткова умова у вигляді , що значно підвищує надійність роботи пристрою РПН. Моделювання законів регулювання виконане на прикладі електричної мережі 110/35 кВ (рис.4.1), яка складається з живлячої системи , силового трансформатора, ЛЕП та навантаження. Використані наступні параметри трансформатора марки ТДН – 25000/110 [2]: число фаз – 3; схема і група з’єднання обмоток – Ун/Д-11; напруга к.з. – 10,85%; втрати холостого ходу – 30,75 кВт; струм холостого ходу – 0,45%; спосіб і діапазон регулювання напруги обмоток ВН – РПН ( 9 1,78%).

Рисунок 4.1 – Приклад електричної мережі 110/35 кВ

Засобами ППП Matlab Simulink [3] створена модель системи регулювання напруги силового трансформатора із пристроєм РПН (рис.4.2). Модель включає такі основні елементи: 1 – джерело живлення із можливістю зміни класу напруги; 2 – система 1000 МВА; 3 – силовий трансформатор марки ТДН-25000/110; 4 – ЛЕП довжиною 80 км (марка проводу АС – 185); 5 – навантаження з активною потужністю 120 МВт і реактивною потужністю 30 МВАр; 6 – пристрій компенсації реактивної потужності; 7 – пристрій РПН.

Рисунок 4.2 – Модель трифазного двохобмоткового силового трансформатора з РПН

З її використанням досліджені раціональні алгоритми перемикання відпайок силового трансформатора, що забезпечують підвищення якості мережевої напруги при одночасному підвищенні експлуатаційної надійності РПН.

Моделювання починається із запуску системи, перемикач відпайок знаходиться в положенні «0». Регулювання напруги залежить від величини зони нечутливості. Доки максимальна величина кількості відпайок (-9 або +9) не буде досягнута, напруга залишиться в межах (1,02<U<1,04). Процеси, які відбуваються при моделюванні законів (4.1,а та 4.1,б ) зображенні на рис.4.3 і рис.4.4 відповідно.

Осцилограми демонструють динаміку зміни наступних величин в залежності від положення перемикача пристрою РПН:

а) положення перемикача;

б) напруга на шинах первинної та вторинної сторін трансформатора (в.о);

в) активна потужність (МВт);

г) реактивна потужність (МВАр).

а)

б)

в)

г)

t,с

Рисунок 4.3 – Осцилограми для закону регулювання (4.1,а)

а)

б)

в)

г)

t,с

Рисунок 4.4 – Осцилограми для закону регулювання (4.1,б)

На рис. 4.3,а. показана кількість перемикань пристрою РПН у відповідності з законом регулювання (4.1а). Напруги на шинах В3 та В4 (рис.4.3,б), знаходяться в допустимих межах. Моделювання закону (4.1,б) виконується у відповідності з (4.1,а) з тією відмінністю, що вводиться час затримки сигналу . Цим досягається зменшення числа перемикань (рис.4.4,а). При подальшому збільшенні часової затримки число перемикань зменшується. Після процесу перемикання, напруга виходить на усталений режим, який спостерігається і при законі регулювання (4.1,а).

Із аналізу графіків, отриманих при моделюванні, можна зробити висновок, що при використанні закону зустрічного регулювання (4.1б), за допомогою затримки сигналу , можна зменшити число перемикань пристрою РПН, зберігаючи параметри мережі у допустимих межах. Термін експлуатації відпайок РПН збільшується, обмеження кількості перемикань пристрою РПН приводить до підвищення надійності регулювання напруги.