МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ (SVC) В СРЕДЕ MATLAB/SIMULINK

АННОТАЦИЯ

Рассматривается применение технологии «Гибкие системы передачи переменного тока (FACTS)» в электроэнергетических системах для эффективного управления режимами их работы. Приведены основные свойства FACTS, общая схема устройства и ее характеристики. Для моделирования выбрано устройство «Статический компенсатор реактивной мощности (SVC)». При оценке эффективности работы устройства разработана модель электрической сети в среде MATLAB/Simulink и применен численный метод моделирования, выполнена симуляция работы SVC, приведены основные результаты его работы.

ABSTRACT

The application of "Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS)" technology in electric power systems for effective control of their operation modes is considered. The basic properties of FACTS, the general scheme of the device and its characteristics are given. The device "Static reactive power compensator (SVC)" is selected for modeling. When evaluating the efficiency of the device, the model of the electric network in MATLAB/Simulink environment is developed and the numerical method of modeling is applied, the simulation of SVC operation is performed, the main results of its operation are given.

Ключевые слова: технология FACTS, статический компенсатор реактивной мощности (SVC), управляемость энергосистемы, стабилизация напряжения, компенсация реактивной мощности.

Keywords: FACTS technology, static reactive power compensator (SVC), power system controllability, voltage stabilization, reactive power compensation.

Введение

Страны Центральной Азии (ЦА) уделяют особое внимание развитию энергетического сектора, модернизации производственных мощностей, внедрению современного энергетического оборудования и развитию возобновляемых источников энергии. С учетом темпов экономического развития потребности стран ЦА в электроэнергии в 2035 году возрастут в среднем в 2 раза по сравнению с текущим годом. Это обстоятельство требует повышения надежности функционирования Объединенной энергосистемы (ОЭС) ЦА путем создания дополнительных резервов мощности в объединении, дальнейшего укрепления взаимосвязей региональных энергосистем для обмена мощностями. Несмотря на значительные сетевые изменения в энергосистемах, в ОЭС ЦА имеются отдельные энергоузлы, которые не удовлетворяют принципу надежности N-1 и должны быть усилены за счет трансграничного сетевого строительства, а также внедрения передовых технологий управления электрическими режимами энергосистем, такими как технологии гибких систем передачи переменного тока (FACTS) [1; с. 1-6].

Основную задачу FACTS можно сформулировать как обеспечение научно-технического прорыва в области силовой электроники для высоких, сверхвысоких и ультравысоких напряжений в целях улучшения управления потоками мощности на стороне высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения сети как в установившихся, так и в переходных режимах электроэнергетической системы (ЭЭС). Наиболее важным является тот факт, что технология FACTS открывает новые возможности для управления потоками мощности, как существующих, так и в новых или модернизируемых линий электропередач (ЛЭП).

Эти возможности возникают благодаря способности исполнительных устройств технологии FACTS управлять взаимосвязанными параметрами, определяющими функционирование ЛЭП, включая сопротивление, ток, углы фазовых сдвигов между напряжениями в узлах сети, затухание колебаний на различных частотах и т.д. Устройства FACTS могут обеспечить пропускную способность ЛЭП вплоть до допустимого предела термической стойкости проводов [2; с. 20-23].

Рисунок 1. Общая схема устройства FACTS

Технология FACTS обладает способностью управлять токами, сопротивлениями, углами фазовых сдвигов узловых напряжений, другими параметрами. FACTS состоит из регулирующих устройств, управляющих процессом потребления и генерации., а также стационарных устройств - источников реактивной мощности (ИРМ), осуществляющих потребление и генерацию реактивной мощности исходя из требуемого режима энергосистемы (рис. 1) [2; с. 20-23, 3; с. -112, 4; с. 15-30, 5; с. -28, 6; с. 17-26].

ИРМ состоит из стационарных устройств, осуществляющих потребление и генерацию реактивной мощности, а также регулирующих устройств (рис. 2), управляющих процессом потребления и генерации.

Рисунок 2. Схема компенсации реактивной мощности

Данный источник в пределах своей рабочей характеристики способен регулировать напряжение в точке подключения (рис. 3). Поскольку у статического компенсатора отсутствует механическое запаздывание, его быстродействие при надлежащем управлении может быть сколь угодно высоким.

Рисунок 3. Типовая вольт-амперная характеристика

В статье рассматривается статический компенсатор реактивной мощности (SVC), который представляет собой шунтирующее устройство семейства гибких систем передачи переменного тока (FACTS), использующее силовую электронику для управления потоком мощности и улучшения устойчивости переходных процессов в энергосетях [7; с. 34-59].

Метод

Для оценки эффективности работы устройства SVC разработан модель электрической сети в среде MATLAB/Simulink и применен численный метод моделирования [8; с. 1461-1462, 9; с. 16-18, 10; с. 37-45].

Численное моделирование — это процесс создания математических моделей реальных систем и их исследование с помощью численных методов на компьютере. В контексте электроэнергетических систем, численное моделирование позволяет анализировать и оценивать различные аспекты их работы, такие как эффективность, стабильность, потери энергии и другие.

Модель электрической схемы состоит из двух постоянных и одной переменной нагрузки, в одном из которой установлен устройство SVC что послужил основой для проведения эксперимента и сбора данных об эффективности SVC при компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в сети (рис. 5).

Рисунок 5. Схема замещения модели в среде Simulink

Основные блоки модели состоят из библиотеки пакета расширения SimPowerSystems и измерительных устройств:

- блока программируемого трёхфазного источника напряжения;

- блоков линий электропередачи;

- блоков трёхфазных активных нагрузок;

- блоков трёхфазных измерительных устройств (токов и напряжений);

- блока «Разъединитель»;

- блока SVC;

- блока Powergui:

Таблица 1.

 Номинальные значения параметров расчетных блоков

В таблице 1 приведены параметры расчетных блоков библиотеки пакета расширения SimPowerSystems.

Возмущение задается через блок «Разъединитель» в определенных интервалах времени (рис. 6. а) и с заданным количеством мощности из источника нагрузки (рис. 6. б).

а)                                                                             б)

Рисунок 6. Окно параметров блока «Разъединитель» (а) и блока «Источник нагрузки 2» (б)

Параметры линий электропередачи выбраны по умолчанию.

Рисунок 7. Окно параметров блока «SVC»

Устройство SVC реагирует на изменение мощности в сети без ограничения во времени и компенсирует реактивную мощность, за счёт чего поддерживается стабильное напряжение. На (рис. 7) приведены основные параметры блока SVC.

Результат

После запуска симуляции можно увидеть динамическую реакцию SVC на скачки напряжения на блоках «Осциллограф 1 и 2». Формы сигналов воспроизведены ниже на (рис. 8). На графике 1 показаны фактическая проводимость прямой последовательности  и выходной сигнал управления  регулятора напряжения , график 2 показывает фактическое напряжение прямой последовательности системы  и выходной сигнал устройства SVC.

Рисунок 8. Показания блока «Осциллограф 1»

Рисунок 9. Показания блока «Осциллограф 2»

Осциллограф принимает значения напряжения и реактивной мощности в о.е. которую скомпенсировало устройство SVC (за базовые параметры приняты: =500кВ). 

SVC регулирует напряжение на своих клеммах, контролируя количество реактивной мощности, подаваемой в энергосистему или поглощаемой из нее (рис. 9). Отрицательное значение мощности указывает на то, что устройство SVC поглощает реактивную мощность из системы.

Заключение

Моделирование устройства SVC в среде MATLAB/Simulink наглядно показывает его эффективность при компенсации реактивной мощности. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Устройство SVC успешно компенсирует реактивную мощность, обеспечивая стабильность напряжения в сети и улучшая качество электроснабжения.
2. При изменении нагрузки и внешних факторов, устройство SVC быстро реагирует и корректирует мощность, поддерживая установленные параметры. На основе полученных результатов симуляционной модели, устройство SVC является надежным средством для поддержания режимных параметров энергосистемы, повышения энергетической эффективности и надёжности работы электроустановок.
3. Модель позволяет усложнить рассматриваемую схему на базе схем IEEE [11; с. 1, 12; с. 1-2] и оценить возможности применения SVC для ОЭС Центральной Азии.

Список литературы:

1. Khamidov Sh.V., Shamsiev Kh.A., Shamsiev B.Kh. Technical and organizational aspects of increasing the reliability of the Unified Power System of Central Asian countries Rudenko International Conference “Methodological Problems in Reliability Study of Large Energy Systems” (RSES 2021)AIP Conference Proceedings 2552, 010001 (2023). https://doi.org/10.1063/12.0013114 https://doi.org/10.1063/5.0111614
2. Мисриханов М.Ш., Хамидов Ш.В. «Устройства FACTS и их применение для интеллектуального управления режимами электроэнергетических систем» / – Ташкент, Изд. «Navro`z». 2022. –320 с.
3. Flexible AC Transmission Systems (FACTS) / Y.H. Song, A.T. Johns. – London: IEEE Press, 1999.
4. Технология и устройства FACTS: Учеб. Пособие / М.Ш. Мисриханов, В.Н. Рябченко/ ФГБОВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина». – Иваново, 2017. –112 с.
5. Hingorani, N.G. Understanding FACTS: Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems / IEEE Press, 2000.
6. Расчет потоков мощности в электрических сетях с устройствами FACTS: / Мисриханов М.Ш., Рябченко В.Н., Хамидов Ш.В. ФГБОВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина». – Иваново, 2018. –208 с.
7. N. G. Hingorani, L. Gyugyi, “Understanding FACTS; Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems,” IEEE® Press book, 2000
8. Application of unified power flow controller in interconnected power systems – modeling, interface, control strategy, and case study / Z.Y. Huang [и др.] // IEEE – 2000. – Vol. 15, № 2.
9. FACTS: Modeling and Simulation in Power Networks/ E.Acha и др. – John Wiley  & Sons, 2004.
10. Computer Analysis of Power Systems / J. Arrillaga, C.P. Arnold/ - Chichester: John Wiley & Sons, Ltd. 2004.
11. https://powersystem.info/index.php?title=Тестовые_схемы
12. IEEE14-BusSystem. http://www.ee.washington.edu/research/pstca/pf14/pg_tca14bus.htm