LABORATORIUM ZWUE Ćwiczenie 5. Badanie kompensatora

LABORATORIUM ZWUE
Ćwiczenie 5. Badanie kompensatora statycznego D-STATCOM w sieci rozdzielczej SN 25 kV 60Hz.
Dobór nastaw kompensatora statycznego D-STATCOM w linii SN 15 kV 50Hz
1. Wstęp
Urządzenia kompensatorów statycznych STATCOM (STATic COMpensator), a pośród nich D-STATCOM (Distribution
STATCOM) zapewniają dynamiczne sterowanie poziomem napięcia poprzez wytwarzanie lub pobieranie mocy
biernej. Przykładami problemów z nadmiarem lub niedoborem mocy biernej w systemie są zwiększone straty w
liniach, zjawisko flicker’a (wahań napięcia – migotania światła), niestabilność napięcia. Układy STATCOM oraz DSTATCOM są stosowane zwłaszcza do rozwiązywania problemów związanych z:
 obniżeniem napięcia przy dużym obciążeniu,
 podwyższeniem napięcia przy zbyt małym obciążeniu,
 uchybu napięcia w następstwie przerwy,
 sterowaniem przepływem mocy w stanach nieustalonych,
 oscylacjami mocy,
 poprawą stabilności napięcia.
Praca układów STATCOM oraz D-STATCOM w systemie elektroenergetycznym, z założenia powinna prowadzić do
stabilizacji napięcia w punkcie przyłączenia odbiorów oraz do kompensacji mocy biernej. Jako model idealnego
kompensatora przyjmuje się zazwyczaj źródło napięcia o zadanej amplitudzie i fazie. W rzeczywistości źródło to jest
realizowane za pomocą układów energoelektronicznych – falowników napięcia z tyrystorami, bądź ostatnio,
falowników napięcia (VSI – Voltage Source Inverters) z tranzystorami mocy. Falownik napięcia (VSI) układu DSTATCOM jest dołączany do sieci poprzez transformator sprzęgający (Tr). Moc czynna może być pobierana lub
oddawana przez STATCOM jedynie w ilości pokrywającej straty, lub wynikającej z konieczności wstępnego
zmagazynowania wymaganej energii w elementach biernych obwodu DC. Bezstratny układ kompensatora w stanach
ustalonych, nie może pobierać i generować mocy czynnej, tj. musi być spełniony warunek PC=0. W przeciwnym razie,
napięcie kondensatora CD (w układzie VSI) ulegałyby jednokierunkowej zmianie, powodując awarię układu lub jego
niezdolność do pracy. Ograniczenia takie nie występują dla mocy biernej generowanej przez układy STATCOM.
Wartość maksymalną tej mocy ograniczają jedynie parametry prądowo-napięciowe użytych elementów. Moc bierna
generowana przez STATCOM zależy wyłącznie od różnicy napięć VC-VT pomiędzy napięciem zadanym kompensatora
STATCOM Vc a aktualnym napięciem w linii w punkcie przyłączenia VT. Jak widać na rysunku 1(b) generowanie przez
D-STATCOM prądu kompensatora IC pojemnościowego powoduje obniżenie napięcia VT a generowanie prądu IC
indukcyjnego podwyższenie napięcia VT.
Rys. 1. Kompensator mocy biernej D-STATCOM: schemat blokowy (a); wykresy wskazowe (b)
Zadanie ćwiczenia
Z katalogu Matlaba \toolbox\physmod\powersys\facts\factsdemo\ otworzyć plik: power_dstatcom_avg.mdl
a następnie zapisać go w swoim katalogu pod nazwą zad_dstatcom.mdl tak aby nie modyfikować w czasie zajęć
oryginalnego pliku Matlaba!
Rys. 2. Oryginalny schemat z pliku Matlaba power_dstatcom_avg.mdl
Zadanie 1. Symulacja oryginalnego układu D-STATCOM
Wstawić pomiar (skopiować z bloczku Data Acquistion) napięcia na szynie B2. Przeprowadzić symulację oryginalnego
układu w programie Simulink. Do każdego sygnału kazdego oscyloskopu ‘Scope’ dołączyć bloczek ‘To workspace’.
Otworzyć poszczególne przebiegi w oknie Command Window Matlaba. Czy jest zachowana stabilizacja napięcia na
szynach B3 (wartość względna V_B3 równa 1 p.u.* – tylko w stanach przejściowych powinny być drobne
przeregulowania)? Zwrócić uwagę, w których przedziałach czasu STATCOM nie generuje prądu – to znaczy że
napięcie znamionowe (o wartości 1 p.u.) na szynach B3 w sposób naturalny wynika z ustawień źródła (odpowiednio
jest wyższe – podobnie jak w poprzednich zajęciach Laboratoryjnych) oraz ze spadków napięć w linii. Na wykresach –
Prąd Iq – zadana wartość prądu biernego. Va_Inv – napięcie na falowniku STATCOMA. Va – napięcie na
transformatorze STATCOMA. Prąd Ia – prąd STATCOMA, zawsze jest to prąd bierny – na wykresach albo przesunięty
o 90 stopni w lewo od napięcia na transformatorze albo o 90 stopni w prawo.
*
p.u. – napięcie wyrażone w jednostkach względnych (per unit)
Zadanie 2.
Zmniejszyć obciążenie w bloczku 1MW o 50%. Zapisać przebiegi. Jak zachowuje się STATCOM? Czy jest zachowana
stabilizacja napięcia na szynach B3 (wartość względna V_B3 równa 1 p.u.)? Czy w chwilach, gdy w Zadaniu 1
STATCOM nie generował prądu, – czy teraz generuje? Jak ustawić napięcia w linii (bądź zmienić moc bierną
odbiorów) aby w tych samych chwilach co w Zadaniu 1 STATCOM nie generował prądu biernego?
Zadanie 3. Modyfikacja układu D-STATCOM
Zmienić parametry napięcia całej sieci na 15e3 (15kV) oraz częstotliwości na 50Hz. Zmiany dokonać we wszystkich
bloczkach na schemacie: ‘Programmable Voltage Source’ ma być: [1.077*15e3 19 50], ‘System’ Resistance R
(Ohms): ma być: 15e3^2/100e6/10, Inductance L(H) ma być: 15e3^2/100e6/(2*pi*50), ‘21-km Feeder’ Frequency
used for R L C specification (Hz) : ma być 50, ‘3 MW 0.2 Mvar’ Nominal phase-to-phase voltage Vn (Vrms): ma być
15e3, Nominal frequency fn (Hz): ma być 50, Transformator ‘25kV / 600V’ ma być ‘15kV/400V’ zatem Nominal
power and frequency [ Pn(VA) , fn(Hz)] ma być: [6e6 50], Winding 1 parameters [ V1 Ph-Ph(Vrms) , R1(pu) , L1(pu) ]
ma być: [15e3 , 0.05/30/2 , 0.05], Winding 2 parameters [ V2 Ph-Ph(Vrms) , R2(pu) , L2(pu) ] ma być [400 , 0.05/30/2
, 0], obciążenie rezystancyjne ‘1MW’ ma być Vn (Vrms)=400, fn(Hz)=50, ‘Variable Load’ Nominal voltage (Volts rms
ph-ph) ma być 400. Na schemacie wewnątrz bloczka D-STATCOM (Rys.3) zmodyfikować bloczki transformatorów
TrA, TrB, TrC: zmienić częstotliwość fn [Hz] z 60 na 50 oraz Winding 2 parameters [V2(Vrms) R2(pu) L2(pu)]: ma być
[15e3/sqrt(3) 0.03/30 0.03]. W bloczkach szynach B1, B2 oraz B3 zmienić Base voltage (Vrms phase-phase) : ma być
15e3. Zmienić napiecie bazowe na szynie BSTATCOM na 15e3.
Uzyskany system SN ma zupełnie inne parametry – zatem – w bloczku Variable Load na końcu linii zmniejszyć
pobierany prąd na Nominal load: [ Current (Arms) Power factor (0 a 1) ] = [1800 0.9]
Ważne do Zadania 3: JAK ZMIENIC OBCIĄŻENIE NA SZYNIE B2 ( dotychczas 3MW, 0.2Mvar poj.) aby w nowym
systemie SN w tych samych przedziałach czasowych STATCOM nie generował prądu biernego.
Rys. 3. Oryginalny schemat w bloczku D-STATCOM. Widoczne bloczki falowników napięcia VSC, obwód
poścredniczący DC Link z kondensatorem CD oraz transformator sprzęgający Tr. Pomiędzy bloczkami falowników
napięcia VSC a transformatorem Tr widoczne elementy L oraz RC filtra pasywnego formującego napięcie
Wewnątrz bloczka Data Acquistion na schemacie w bloczkach ‘Discrete 3-phase Sequence Analyze’ oraz ‘Discrete 3phase Positive-Sequence Active & Reactive Power’ zmienić częstotliwość na 50!
Zapisać przebiegi. Jak zachowuje się STATCOM? Czy jest zachowana stabilizacja napięcia (wartość względna 1 p.u.) na
szynach B3? Zaproponować jakie zmiany wprowadzić w bloczku STATCOM aby stabilizował napięcie na szynie B3.
SPRAWOZDANIE
Do wszystkich trzech zadań zapisać w sprawozdaniu odpowiednie przebiegi i opisać je. Opisać próby doboru
parametrów STATCOM w Zadaniu 3. Czy udało się uzyskać stabilizacje napięcia na szynie B3? Podać wnioski.
Opisać zachowanie systemu z układem STATCOM po zmianie napięcia na 15kV i częstotliwości na 50Hz przed
dostrojeniem.