Имитационная модель блока задания направления потока мощности «flow-control»

№51-2,

технические науки

В статье рассмотрена работа элемента системы управления устройства регулирования межсетевого потока активной и реактивной мощностей. Приведены диаграммы зависимости уровней активного и реактивного токов от сигнала управления как в основной сети, так и в подчиненной (резервной). Описана возможность построения автоматической системы контроля потока мощности.

Похожие материалы

Переход к электрическим сетям нового поколения, включающих в себя дополнительные источники электроэнергии малой генерации, предполагает глубокую степень автоматизации, позволяющую управлять потоками активной и реактивной мощностей. Автоматическое регулирование потоков электроэнергии в зависимости от режимов потребления и генерации обеспечивается исследуемым преобразователем – регулятором потоков мощности (РПМ). Подключение РПМ в сети 0,4 кВ изображено на рисунке 1.

Регулятор потоков мощности в сети 0,4 кВ
Рисунок 1. Регулятор потоков мощности в сети 0,4 кВ

В состав силового модуля регулятора потока мощности (РПМ) входят два преобразователя напряжения, выполненные по типовой схеме трёхфазного инвертора напряжений с нулевым проводом и объединённые по цепи постоянного тока с батарей конденсаторов (емкостный накопитель). Батарея включает в свой состав два последовательно соединённых блока конденсаторов. Во время работы РПМ в любом режиме напряжение емкостного накопителя должно поддерживаться в заданном диапазоне (700-900 В).

Это возможно благодаря работе двух взаимозависимых преобразователей, т.е. при работе первого преобразователя в режиме инвертора, он потребляет мощность из батареи конденсаторов и передает ее в сеть, а второй преобразователь работает как активный выпрямитель, потребляет мощность и передает ее в емкостный накопитель. При необходимости, можно изменить режимы работы преобразователей на противоположные, поэтому в системе управления РПМ должен быть блок, который управляет направлением потока мощности и, соответственно, режимами работ преобразователей. Другими словами, при помощи этого блока осуществляется выбор ведущего и подчиненного преобразователей, определяется активная и реактивная составляющие задающих токов для подчиненного преобразователя.

На рисунке 2 представлена структура блока задания направления потока мощности (БЗНПМ).

Схема блока задания направления потока мощности
Рисунок 2. Схема блока задания направления потока мощности

Поставленные задачи были проимитированы в программе MathLab/Simulink. Разработана модель блока задания направления потока мощности « Flow-control», показанная на рисунке 3.

Использование логического сигнала направления потока мощности «F» позволяет определять ведущий и подчиненный преобразователи, то есть выбор направления передачи потока мощности между двумя сетями. Пользователь в системе управления при помощи этого сигнала определяет величины активной Id_ref и реактивной Iq_ref составляющих тока задания ведущего преобразователя, работающего параллельно с сетью в режиме инвертора, генерирующего мощность в сеть.

 Модель блока задания направления потока мощности (БЗНПМ).
Рисунок 3. – Модель блока задания направления потока мощности (БЗНПМ).

Для реализации заданных функций используются блоки «Switch 5» ... «Switch 8», которые при изменении величины сигнала «F» определяют статус ведущего преобразователя, подчиненного и наоборот. С помощью сигналов «Id_load-1», «Iq_load-1» основной и «Id_load-2», «Iq_load-2» резервной сетей, полученных из системы управления РПМ, устанавливаются величины амплитуд активной и реактивной составляющих. Блоки «Switch1» ... «Switch4» позволяют выбрать соответствующие составляющие тока основной или резервной сети, используемые для расчета задающего тока ведущего и подчиненного преобразователя в зависимости от сигнала направления потока мощности «F».

Для определения составляющих тока задания подчиненного преобразователя используются следующие выражения:

  • если введена активная составляющая тока задания Id_ref > 0, то

\left\{\begin{matrix}Id_{slave}=2Id_{load}-Id_{master}\\Iq_{slave}=Iq_{load}-Id_{master}\end{matrix}\right (1)

где – активная составляющая тока задания подчиненного преобразователя; - активная составляющая тока нагрузки; - активная составляющая тока задания ведущего преобразователя; - реактивная составляющая тока задания подчиненного преобразователя; - реактивная составляющая тока нагрузки;

  • если введена активная составляющая тока задания Id_ref = 0, то

\left\{\begin{matrix}Id_{slave}=2Id_{load}\\Iq_{slave}=Iq_{load}-Iq_{master}\end{matrix}\right (2)

где – активная составляющая тока задания подчиненного преобразователя; - активная составляющая тока нагрузки; - реактивная составляющая тока задания подчиненного преобразователя; - реактивная составляющая тока нагрузки; - реактивная составляющая тока задания ведущего преобразователя.

Блоки Sum1, Sum2, Sum3 и Gain позволяют проверять указанные выше условия (1) и (2).

В модели БЗНПМ также учтена проблема потерь активной мощности в элементах подчиненного преобразователя, вызывающая падение уровня напряжения на емкостном накопителе. Для сохранения постоянной величины среднего значения напряжения на батарее конденсаторов, необходимо компенсировать эти потери. Для решения задачи компенсации потерь используется пропорционально-интегрирующее (ПИ) звено «PID Controller». На его вход поступает разностный сигнал E1 между опорным напряжением накопителя (800 В), и реальным значением напряжения на батарее конденсаторов (Uc, Uc/2 соответствует напряжению одного плеча конденсаторов относительно нулевого проводника). ПИ-регулятор позволяет усилить входной сигнал E1 и получить выходной S1, который суммируется с сигналами пропорциональными активным составляющим токов задания ведущего и подчиненного преобразователей.

На рисунках 4 - 7 приведены временные диаграммы тока задания, направления потока мощности и напряжения батареи конденсаторов БЗНПМ, токов задания ведущего и подчинённого преобразователя БЗНПМ а также сигналы на входе и выходе ПИ - регулятора при различных условиях результирующей генерации.

Диаграммы входных (а) и результирующих (б) сигналов БЗНПМ, сигналов ПИ- регулятора (в) при Id_ref = 1, Iq_ref =0, F=1
Рисунок 4. Диаграммы входных (а) и результирующих (б) сигналов БЗНПМ, сигналов ПИ- регулятора (в) при Id_ref = 1, Iq_ref =0, F=1

Из рисунка 4 (а, б, в) следует, что при F=1 на входе БЗНПМ, первый преобразователь является ведущим, а второй - подчиненным. Активная (Id_ref = 1) и реактивная (Iq_ref =0) составляющие задающего тока указываются для ведущего преобразователя. В процессе работы РПМ напряжение на емкостном накопителе уменьшается. ПИ- регулятор усиливает сигнал ошибки. При реализации данного режима работы РПМ осуществляется компенсация реактивной составляющей тока основной сети.

Диаграммы входных (а) и результирующих (б) сигналов блока задания направления потока мощности, сигналов ПИ- регулятора (в) при Id_ref = 1, Iq_ref =0, F=0
Рисунок 5. Диаграммы входных (а) и результирующих (б) сигналов блока задания направления потока мощности, сигналов ПИ- регулятора (в) при Id_ref = 1, Iq_ref =0, F=0

Рисунок 5 (а, б, в) отображает, что при F=0, первый преобразователь является подчиненным, а второй - ведущим. Как и в первом случае, активная (Id_ref = 1) и реактивная (Iq_ref =0) составляющие задающего тока указываются для ведущего преобразователя. Компенсируется реактивная составляющая тока резервной сети.

Диаграммы входных (а) и результирующих (б) сигналов блока задания направления потока мощности, сигналов ПИ - регулятора (в) при Id_ref = 0, Iq_ref =0, F=1
Рисунок 6. Диаграммы входных (а) и результирующих (б) сигналов блока задания направления потока мощности, сигналов ПИ - регулятора (в) при Id_ref = 0, Iq_ref =0, F=1

Рисунок 6 (а, б, в) отображает полученные данные при F=1 на входе БЗНПМ, нулевой активной (Id_ref = 0) и реактивной (Id_ref = 0) , что соответствует полной компенсации мощности потребления основной сети .

Диаграммы входных (а) и результирующих (б) сигналов блока задания направления потока мощности, сигналы ПИ- регулятора (с ) при Id_ref =0, Iq_ref =0, F=0
Рисунок 7. Диаграммы входных (а) и результирующих (б) сигналов блока задания направления потока мощности, сигналы ПИ- регулятора (с ) при Id_ref =0, Iq_ref =0, F=0

Рисунок 7 (а, б, в) отображает, что при F=0 на входе БЗНПМ, при нулевой активной (Id_ref = 0) и реактивной (Id_ref = 0) составляющей задающего тока, компенсация полной мощности потребления резервной сети.

Результаты исследования показывают, что блок задания направления потока мощности (БЗНПМ) позволяет выбрать ведущий и подчиненный преобразователи при изменении сигнала направления потока мощности (F). При этом выполняются следующие режимы:

  • при F=1 выполняются условия: Id_1_ref = Id_ref и Iq_1_ref = Iq_ref (в этом режиме задающие токи определяют первый преобразователь как ведущий, а второй преобразователь как подчиненный, т.е. поток мощности направлен из резервной сети в основную сеть);
  • при F=0 выполняются условия: Id_2_ref = Id_ref и Iq_2_ref = Iq_ref (в этом режиме задающие токи определяют второй преобразователь как ведущий, а первый преобразователь как подчиненный, поток мощности направлен из основной сети в резервную сеть).

Также можно сделать вывод корректности выражений определения составляющих задающих токов для подчиненного преобразователя:

  • при Id_ref > 0_ выражения ( 1) выполняется;
  • при Id_ref = 0_ выражения (2) выполняется.

Корректность данных выражений наглядно демонстрируют диаграммы 3б, 4б, 5б, 6б.

При работе преобразователей на емкостном накопителе изменяются напряжения, поэтому ПИ-регулятор компенсирует потери активной мощности в звене постоянного тока путем добавления усиленного сигнала в активные составляющие задающего тока ( Id_1_ref и Id_2_ref).

Полученные результаты подтверждают, что разработанная модель БЗНПМ позволяет автоматически выбирать направления потоков мощности между основной и резервной сетями, назначать ведущий и подчиненный преобразователи в силовой модели регулятора потока мощности с учётом заданных параметров. Также модель автоматически определяет задающие токи подчиненного преобразователя и компенсирует потери активной мощности на емкостном накопителе. Это позволяет РПМ управлять потоком мощности в двух направлениях и обеспечивает взаимозависимую работу преобразователей в любом режиме, что значительно увеличивает возможности и преимущества разработанного прибора.