В современных энергосистемах статические генераторы реактивной мощности (СГР) являются основным оборудованием для динамической компенсации реактивной мощности. Используя преимущества полностью управляемых силовых электронных устройств, они могут быстро и точно балансировать реактивную мощность сети и оптимизировать качество электроэнергии, широко применяясь в промышленных распределительных сетях, электростанциях на новых источниках энергии, городских системах электроснабжения и других сценариях. Однако каскадные СГР состоят из нескольких силовых блоков, соединенных последовательно. Под воздействием таких факторов, как колебания нагрузки и различия в параметрах устройств, они подвержены проблемам, таким как дисбаланс трехфазного напряжения и отклонение напряжения субмодулей, что, в свою очередь, приводит к чрезмерным гармоникам на выходе СГР, увеличению потерь в оборудовании и даже влияет на стабильную работу сети. В данной статье рассматривается технология управления балансировкой напряжения на стороне постоянного тока SVG, подробно объясняется логика проектирования и фактические результаты работы двухуровневой стратегии управления напряжением, начиная от проектирования архитектуры управления, основных принципов алгоритма, данных моделирования и заканчивая практикой инженерного применения, а также демонстрируется, как SVG преодолевает узкие места в производительности за счет точного управления балансировкой напряжения для достижения стабильной и эффективной компенсации реактивной мощности.
I. SVG: «Динамический балансир» для компенсации реактивной мощности в энергосистемах
SVG подключается к электросети через мостовые преобразователи, реакторы и фильтрующие устройства. Основанный на технологии широтно-импульсной модуляции (ШИМ), он гибко регулирует фазу и амплитуду выходного напряжения, обеспечивая быстрое поглощение или впрыск реактивной мощности и эффективно решая основные проблемы, такие как колебания напряжения в сети, низкий коэффициент мощности и трехфазный дисбаланс. По сравнению с традиционными устройствами компенсации на основе конденсаторов и реакторов (SVC), SVG обладает более существенными преимуществами, которые в основном проявляются в следующих трех аспектах:
1. Быстрый динамический отклик SVG и высокая точность компенсации SVG
SVG способен быстро реагировать на колебания реактивной мощности сети в течение 20 мс. По сравнению со скоростью реакции более 50 мс традиционных компенсационных устройств, он обладает значительными преимуществами. Он может стабильно повышать коэффициент мощности сети с 0,7-0,8 до более чем 0,95, значительно снижая потери в линиях электропередачи и затраты на электроэнергию. В то же время, SVG использует многоуровневую топологию, и форма выходного напряжения ближе к синусоидальной. Его коэффициент гармонических искажений (THD) может быть стабильно снижен до уровня ниже 5%, что значительно превосходит уровень искажений более 10% традиционных устройств, значительно улучшая качество электроэнергии в сети и обеспечивая гарантию высококачественного электропитания для прецизионного промышленного оборудования и чувствительных электронных нагрузок.
2. SVG адаптируется к сложным условиям работы благодаря высокой стабильности
Система SVG способна точно адаптироваться к сильным колебаниям реактивной мощности, создаваемым нелинейными нагрузками, такими как частотные преобразователи, выпрямители и дуговые печи в промышленных условиях, а также к колебаниям выходной мощности, вызванным новыми источниками энергии, такими как ветровая и фотоэлектрическая энергетика. В качестве примера рассмотрим ветропарк мощностью 200 МВт. На начальном этапе подключения к сети амплитуда колебаний напряжения на шинах достигала ±8% из-за колебаний выходной мощности ветропарка, что часто приводило к срабатыванию сигнализации о низком напряжении. После настройки специализированного устройства SVG, благодаря быстрой компенсации реактивной мощности и поддержке напряжения, амплитуда колебаний напряжения в сети стабильно контролировалась в пределах ±2%, эффективно предотвращая риск отключения ветротурбины из-за дисбаланса реактивной мощности и обеспечивая стабильную выработку электроэнергии ветропарком и безопасность сети.
3. Основная проблема SVG: дисбаланс напряжения ограничивает производительность SVG
Для каскадных SVG баланс напряжения на стороне постоянного тока каждого силового блока является ключевым условием обеспечения его нормальной работы. Если между силовыми блоками наблюдается явное отклонение напряжения, это не только приводит к нестабильной коммутационной нагрузке на основные коммутирующие устройства, такие как IGBT, сокращая срок их службы, но и вызывает такие проблемы, как увеличение искажения выходного сигнала SVG и системные колебания, и даже может напрямую привести к отключению оборудования в случае серьезного отказа. Традиционные стратегии управления SVG в основном сосредоточены на повышении общей точности компенсации реактивной мощности, часто игнорируя управление балансом напряжения каждого субмодуля, что приводит к снижению фактической эффективности компенсации SVG более чем на 30%, и не позволяет в полной мере использовать его проектные характеристики. Поэтому исследования и разработки эффективной и надежной технологии управления балансом напряжения на стороне постоянного тока стали ключевым прорывом для раскрытия полного потенциала SVG и повышения его эксплуатационной стабильности.
II. Управление балансом напряжения на стороне постоянного тока SVG: инновационная конструкция двухслойной архитектуры SVG
Для решения проблемы дисбаланса напряжения в каскадных генераторах с управляемым напряжением (SVG) в отрасли обычно используется двухуровневая архитектура «трехфазное управление балансом напряжения + управление балансом напряжения в блоке», обеспечивающая точное регулирование напряжения от глобального уровня системы до локального уровня модуля, гарантирующая скоординированную и стабильную работу каждого силового модуля SVG и в полной мере использующая его динамическую эффективность компенсации реактивной мощности. Основная логика этой двухуровневой архитектуры управления заключается в балансировке общей эксплуатационной стабильности и локального баланса модулей SVG посредством иерархического регулирования и постепенного совершенствования. Конкретные проектные решения следующие:
1. Первый уровень: SVG — управление балансировкой трехфазного напряжения, закладывающее основу для глобальной балансировки SVG
Трехфазная балансировка напряжения в SVG является основой для обеспечения стабильной работы всей системы компенсации. Основная цель этого уровня управления — обеспечить баланс амплитуды и фазы трехфазного выходного напряжения SVG, а также в режиме реального времени корректировать текущее опорное значение с помощью ПИ-регулятора для компенсации отклонения напряжения между тремя фазами. Конкретный процесс управления и основная логика представлены ниже:
- Соберите сумму напряжений постоянного тока на каждой фазе энергоблока, сравните ее с эталонным напряжением и вычислите значение отклонения;
- Используйте алгоритм ПИ-регулирования (коэффициент пропорциональности Kp + коэффициент интеграла Ki) для динамического формирования опорных сигналов тока и регулировки выходного тока каждой фазы для обеспечения согласованности трехфазных напряжений;
- Основная логика: когда напряжение определенной фазы слишком высокое, увеличить потребление реактивной мощности этой фазы; когда напряжение слишком низкое, увеличить выходную реактивную мощность для быстрого выравнивания разности трехфазных напряжений.
2. Второй слой: управление балансировкой напряжения блока SVG, решение проблемы локальных отклонений SVG
На основе завершения разработки системы управления балансом трехфазного напряжения SVG необходимо дополнительно внедрить систему управления балансом напряжения отдельных блоков для точного решения проблемы отклонения напряжения в субмодулях внутри каждой фазы. Этот уровень управления использует модульную стратегию регулирования для достижения точного баланса напряжения для нескольких энергоблоков внутри каждой фазы. Конкретные этапы реализации следующие:
- Рассчитайте среднее напряжение всех субмодулей в определенной фазе, сравните фактическое напряжение каждого субмодуля со средним значением и получите отклонение;
- Динамически корректировать модулирующий сигнал каждого субмодуля через пропорциональную связь, регулировать состояние переключения IGBT и доводить напряжение каждого блока до уровня, близкого к среднему напряжению;
- Технические данные показывают, что данная стратегия управления позволяет контролировать отклонение напряжения субмодулей в пределах ±2%, что значительно лучше, чем ±5% при традиционном управлении, и существенно снижает потери в коммутирующих устройствах.
3. Математическая модель SVG и преобразование координат: техническая поддержка для повышения точности управления SVG
Для достижения точной развязки в управлении балансом напряжения на стороне постоянного тока SVG и обеспечения быстроты и стабильности регулирования напряжения необходимо преобразовать математическую модель SVG из трехфазной стационарной системы координат (система координат abc) в двухфазную вращающуюся систему координат (система координат d/q). Благодаря преобразованию координат сложные трехфазные связанные переменные могут быть преобразованы в развязанные компоненты по осям d/q, что значительно упрощает проектирование алгоритма управления и повышает точность управления. Основная логика реализации и техническая ценность заключаются в следующем:
- Преобразование сложных трехфазных составляющих напряжения и тока в составляющие по осям d/q с помощью матрицы преобразования координат, что упрощает алгоритм управления;
- Разработайте уравнение баланса мощности, обеспечивающее динамическое согласование напряжения постоянного тока и мощности переменного тока, избегая резких изменений напряжения;
- Результаты моделирования: модель SVG, созданная на основе Matlab/Simulink, демонстрирует 40%-ное улучшение скорости отклика после преобразования координат, а также более точное регулирование напряжения.
III. Проверка моделирования: Преимущества стратегии управления балансом SVG в отношении производительности SVG
Для полной проверки эффективности и превосходства двухуровневой стратегии управления балансом напряжения SVG мы создали имитационную модель SVG, содержащую 2 типичные промышленные нагрузки (каждая с активной мощностью 200 кВт и индуктивной реактивной мощностью 200 кВар), на основе платформы моделирования Matlab/Simulink. Основные параметры имитационной модели установлены следующим образом: напряжение сети 2 кВ, частота системы 50 Гц, емкость субмодуля SVG 5000 мкФ, последовательный реактор 40 мГн. Путем моделирования типичных условий работы, таких как нормальный режим и резкое изменение нагрузки, были всесторонне протестированы эффект баланса напряжения, эффективность компенсации и динамическая устойчивость SVG. Результаты испытаний следующие:
1. Значительный эффект баланса напряжения SVG
Когда двухуровневая стратегия управления балансировкой напряжения не включена, максимальное трехфазное отклонение напряжения SVG достигает 8%, а максимальное отклонение напряжения субмодулей в каждой фазе составляет до 12%, что значительно превышает допустимый инженерный диапазон ±5%, приводя к серьезным гармоникам на выходе SVG, превышающим стандартные значения. После включения двухуровневого управления балансировкой напряжения трехфазное отклонение напряжения SVG быстро снижается до 1,5%, а отклонение напряжения каждого субмодуля точно контролируется в пределах ±2%, полностью соответствуя инженерным требованиям эксплуатации и эффективно обеспечивая безопасную работу основных устройств SVG и качество выходного сигнала.
2. Значительно улучшена эффективность компенсации реактивной мощности SVG
После ввода в эксплуатацию генератора статического напряжения (SVG), оснащенного двухуровневым управлением балансировкой напряжения, коэффициент мощности сети быстро увеличивается с 0,71 до 0,99, а реактивная мощность в сети значительно снижается с 400 кВар до менее 10 кВар, обеспечивая точную компенсацию реактивной мощности. Одновременно с этим, благодаря оптимизации формы выходного сигнала SVG, общее гармоническое искажение выходного напряжения сети снижается с 7,8% до 3,2%, что полностью соответствует соответствующим требованиям национального стандарта GB/T 14549-1993 «Качество электроэнергии — гармоники в общественной сети», обеспечивая надежную гарантию безопасной и эффективной работы электросети.
3. Высокая динамическая стабильность SVG
Для проверки динамической адаптивности SVG в ходе моделирования был смоделирован сценарий внезапного изменения нагрузки, а именно, резкое увеличение реактивной мощности в сети с 200 кВар до 400 кВар за очень короткое время. Результаты испытаний показывают, что SVG, оснащенный двухуровневым управлением балансировкой напряжения, может быстро завершить регулировку напряжения на стороне постоянного тока в течение 0,1 с, и в течение всего процесса регулировки не наблюдается колебаний. Максимальное колебание напряжения на стороне постоянного тока составляет менее 3 В, что значительно лучше, чем максимальное колебание в 8 В при традиционной стратегии управления. Это в полной мере демонстрирует, что SVG обладает высокой динамической помехоустойчивостью и может стабильно справляться с различными колебаниями нагрузки в энергосистеме.
IV. Инженерные решения SVG и меры предосторожности при управлении балансом SVG
1. Основные сценарии применения SVG
Промышленные распределительные сети: В таких промышленных условиях, как металлургия, химическая промышленность и металлургия, большое количество нелинейных нагрузок генерирует сильные колебания реактивной мощности, что приводит к нестабильности напряжения в сети. SVG может быстро реагировать на такие колебания реактивной мощности, стабилизировать напряжение на шинах, улучшить качество электроэнергии, обеспечить нормальную работу промышленного производственного оборудования и снизить риск сбоев в производстве, вызванных колебаниями напряжения;
Подключение к сети новых источников энергии: Выработка электроэнергии из новых источников, таких как ветровая и фотоэлектрическая энергия, характеризуется значительной нестабильностью и прерывистостью. В процессе подключения к сети в сеть поступает большое количество реактивной мощности, что влияет на ее стабильность. Технология SVG позволяет точно сбалансировать дисбаланс реактивной мощности, вызванный выработкой электроэнергии из новых источников, повысить способность сети поглощать энергию новых источников и способствовать эффективному потреблению энергии новых источников.
Городские распределительные сети: В связи с непрерывным ростом городской нагрузки на электросети, особенно в пиковые периоды потребления электроэнергии летом и зимой, часто возникают проблемы с провалами напряжения, влияющие на нормальное потребление электроэнергии жителями. Технология SVG позволяет быстро обеспечить поддержку реактивной мощности в периоды пиковой нагрузки, смягчить провалы напряжения, улучшить качество электроэнергии для жителей и повысить надежность электроснабжения городских распределительных сетей.
2. Ключевые моменты выбора, эксплуатации и технического обслуживания SVG
Адаптация выбора: Выбор SVG должен строго соответствовать уровню напряжения сети, фактическим требованиям к мощности компенсации реактивной мощности и, для реализации управления балансировкой напряжения энергоблока, дополнительным характеристикам нагрузки. Разумный выбор количества субмодулей SVG и параметров основных устройств должен гарантировать, что диапазон регулирования напряжения SVG полностью покрывает фактические эксплуатационные требования, и избегать недостаточной производительности или нерационального использования ресурсов, вызванных неправильным выбором.
Калибровка параметров: Параметры ПИ-регулятора системы управления балансировкой напряжения на стороне постоянного тока SVG напрямую влияют на эффективность регулирования. Необходимо регулярно проверять и оптимизировать коэффициент пропорциональности Kp и коэффициент интеграла Ki в соответствии с изменениями нагрузки сети, чтобы избежать снижения точности управления, вызванного несоответствием параметров, и обеспечить постоянное нахождение SVG в оптимальном рабочем состоянии.
Мониторинг состояния: Создайте комплексную систему мониторинга состояния SVG для сбора в режиме реального времени ключевых параметров, таких как напряжение постоянного тока каждого субмодуля, температура IGBT-транзистора и выходной ток. При обнаружении отклонений от нормы немедленно запустите сигнал тревоги и запишите информацию о неисправности, что позволит оперативно и без проблем устранять неполадки и снизит риск их распространения; а также предотвратите резкие скачки напряжения при внезапной нагрузке.
Адаптация к условиям окружающей среды: Основные компоненты SVG предъявляют высокие требования к условиям эксплуатации. Место установки должно находиться вдали от агрессивных сред, таких как пыль, влажность и коррозионные газы. В то же время необходимо обеспечить беспрепятственное рассеивание тепла оборудования, чтобы избежать нарушений регулирования напряжения или повреждения компонентов, вызванных такими факторами окружающей среды, как высокая температура и высокая влажность.
3. Тенденции в технологиях SVG: интеллект и интеграция
В условиях трансформации энергосистем в сторону интеллектуальности и экологичности, SVG продолжит развиваться в направлении интеллектуальности и интеграции в будущем. В плане интеллектуальности, SVG будет глубоко интегрировать алгоритмы искусственного интеллекта и технологии Интернета вещей (IoT), обеспечивая прогнозируемое регулирование отклонений напряжения путем изучения закономерностей изменения нагрузки сети, предварительную корректировку параметров управления и дальнейшее повышение скорости реакции и точности компенсации; в плане интеграции, SVG будет использовать модульную и компактную конструкцию, упрощая процессы установки оборудования, эксплуатации и технического обслуживания, обеспечивая глубокую связь с системой диспетчеризации сети, повышая общую регулирующую способность сети и адаптируясь к более сложным сценариям работы сети.
V. Заключение: Управление балансом напряжения SVG расширяет возможности модернизации системы компенсации реактивной мощности SVG
Управление балансировкой напряжения на стороне постоянного тока SVG является ключевой технологией, обеспечивающей его стабильную и эффективную работу. Предложенная в данной статье двухуровневая стратегия управления «трехфазная балансировка напряжения + балансировка напряжения блока» полностью решает проблемы устранения неисправностей, связанных с дисбалансом напряжения в точке отбора мощности, и снижает риск быстрого распространения неисправностей в точке каскадного SVG благодаря иерархическому регулированию, обеспечивая двойное повышение точности компенсации реактивной мощности SVG и стабильности работы системы. Большое количество данных моделирования и инженерной практики показывает, что SVG, оснащенный этой стратегией управления, может эффективно справляться с различными сложными условиями работы и значительно оптимизировать качество электроэнергии в сети. На фоне трансформации энергосистем в сторону высокой эффективности, экологичности и интеллектуальности, SVG, благодаря передовой технологии управления и превосходным эксплуатационным характеристикам, постепенно заменяет традиционные устройства компенсации реактивной мощности и становится предпочтительным оборудованием в области компенсации реактивной мощности в сети.
Если в вашей энергосистеме наблюдаются такие проблемы, как дисбаланс реактивной мощности, колебания напряжения и чрезмерные гармоники, влияющие на нормальную работу оборудования и качество электроэнергии, пожалуйста, сообщите нам ключевую информацию, такую как уровень напряжения в системе, тип нагрузки и требования к мощности компенсации реактивной мощности. Опираясь на профессиональную команду разработчиков технологии SVG и богатый инженерный опыт, компания HengRong Electric CO., LTD. разработает для вас эффективное решение SVG с управлением балансом напряжения на стороне постоянного тока, что поможет вашей энергосистеме обеспечить безопасную, стабильную и эффективную работу, а также улучшить общее качество электроснабжения!