Прислать материал
14.577.21.0098
Цель исследования - разработка научно-технических решений по созданию автоматизированных узлов регулирования транспортных потоков мощности (АУРПМ) в распределительных электрических сетях низкого (0,4 кВ) и среднего (6-20 кВ) напряжений на базе полупроводниковых преобразователей с микропроцессорной системой управления, позволяющих реализовать концепцию интеллектуальной энергетической системы России в направлении создания технических средств, обеспечивающих управляемость и оптимизацию регулирования параметров сети.
Основными задачами исследования являются:
1) разработка, изготовление и исследование экспериментального образца устройства регулирования потоков мощности (УРПМ) в сети низкого напряжения;
2) разработка, изготовление и исследование физической модели УРПМ в сети среднего напряжения;
3) разработка методических рекомендаций по проектированию автоматизированных узлов регулирования транспортных потоков мощности;
4) разработка проекта технического задания на проведение опытно-конструкторской работы.
В отличие от распределительных электрических сетей (РЭС) высокого напряжения, РЭС среднего (6-20 кВ) и низкого (0,4 кВ) напряжений характеризуются, как правило, «древовидной» структурой и однонаправленным потоком электроэнергии от трансформаторных подстанций ТП 110/6-20кВ к ТП 6-20/0,4кВ и к многочисленным потребителям далее. Концепция smart grid предъявляет новые требования к построению РЭС, наиболее важным из которых является реализация двунаправленного потока электроэнергии. Оперативное перераспределение потоков мощности от различных источников энергии к нагрузке позволит своевременно устранять дефицит мощности в системе, снижать нагрузку на сети, не допускать аварийных ситуаций, интегрировать в энергосистему источники малой распределенной генерации, обеспечивая при этом надежное и качественное электроснабжение потребителей.
Технологии управления потоками мощности в сети среднего напряжения к настоящему времени не достигли достаточного уровня развития. На низком напряжении технологии построения систем обмена электроэнергией находятся в экспериментальной стадии.
Поэтому актуальным является разработка новых технических устройств, способных эффективно перераспределять потоки мощности от различных источников к нагрузке и изменять топологию РЭС среднего и низкого напряжений.
Для решения поставленных задач на первом этапе проведены теоретические исследования, включающие аналитический обзор современной научно-технической литературы в проблемной области, патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96, обоснование возможных вариантов решения задач.
С учетом полученных результатов разработаны структурные схемы и определены электрические и функциональные параметры электрооборудования АУРПМ для сети среднего и низкого напряжений. Для сети среднего напряжения предложено использовать полупроводниковое фазоповоротное устройство в составе сериесного и шунтового трансформаторов и однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными ключами. Для сети низкого напряжения в основе построения АУРПМ предложено использовать устройство управления потоков мощности на основе полупроводникового низковольтного преобразователя напряжения.
Для оценки возможности технической реализации принятых решений проведены исследования регулировочных характеристик и аварийных режимов работы разрабатываемых устройств. Поставленная задача решена с использованием Simulink-моделирования. В программной среде Matlab 8.1.0.604 (Simulink) разработаны имитационные компьютерные модели элементов АУРПМ для сети среднего и низкого напряжения, позволившие определить оптимальные параметры элементов и режимов работы АУРПМ.
Важным компонентом АУРПМ является двухуровневая система управления: на первом уровне реализуется система управления регулятором потока мощности (СУРПМ), на втором уровне – распределенная система управления (РСУ) для управления активными элементами АУРПМ и обмена информацией с другими АУРПМ сети. Для устройств управления потоками мощности в сети среднего и низкого напряжений разработаны специальные алгоритмы СУРПМ и описаны принципы построения и функционирования РСУ. Отработка алгоритмов проведена с помощью разработанной имитационной модели системы управления устройства.
Для проверки адекватности имитационных моделей разработаны физические модели УРПМ для сети среднего и низкого напряжения. На физических моделях проведена проверка принятых решений. Исследования физических моделей проведены с помощью специально разработанного и изготовленного лабораторного стенда. Результаты испытаний физических моделей устройств показали практически полное соответствие данным, полученным при компьютерном моделировании.
Для сети низкого напряжения разработан и изготовлен экспериментальный образец УРПМ. С целью проведения экспериментальных исследований выполнена установка экспериментального образца в составе автоматизированного узла регулирования транспортных потоков мощности на участке централизованной электрической сети 0,4 кВ. С использованием лабораторного стенда проведены исследования силовой части и системы управления экспериментального образца УРПМ.
Результаты проведенных исследований будут положены в основу Методических рекомендаций по проектированию автоматизированных узлов регулирования транспортных потоков мощности и использованы для разработки Проекта технического задания на проведение опытно-конструкторской работы.
Основными результатами исследования являются экспериментальный образец УРПМ в сети низкого (0,4 кВ) напряжения и физическая модель УРПМ в сети среднего (6-20 кВ) напряжения.
Физическая модель УРПМ в сети среднего напряжения состоит из вольтодобавочного трансформатора, модулей продольного и поперечного регулирования с возможностью управления мощностью 1 кВА, а также системы управления на базе промышленного компьютера. Функциональные возможности устройства позволяют регулировать потоки активной и реактивной мощностей; изменять конфигурацию электрической сети и оптимизировать напряжения в узлах нагрузки.
В сравнении с применяемыми фазоповоротными устройствами преимущества разработки заключаются в расширении возможностей модуля продольного регулирования и уменьшении расчетной мощности трансформаторов в составе устройства.
Экспериментальный образец УРПМ в сети низкого напряжения представляет собой управляемый трехфазный полупроводниковый преобразователь напряжения (ППН) с вольтодобавочными трансформаторами (ВДТ) в каждой фазе и адаптивной системой управления. Главной функцией ППН является формирование переменных напряжений с целью изменения потоков мощности в первичной сети. Исследовательские испытания экспериментального образца показали возможность дискретного (2-30° с точностью ±5°) и плавного (0-15° с точностью ±1°) регулирования фазового угла выходного напряжения и управления потоком мощности ±27 кВА. Применение УРПМ в составе узла нагрузки позволит организовать двунаправленный поток энергии между источниками и потребителями, управлять реактивной мощностью и формировать напряжения синусоидальной формы.
Положительный эффект от внедрения результатов разработок для среднего напряжения будет заключаться в: увеличении надежности электроснабжения, стабилизации уровня напряжения на шинах потребителей, повышении пропускной способности линий электропередач, выравнивании загрузок питающих трансформаторов.
Положительный эффект от внедрения результатов разработок для низкого напряжения будет заключаться:
- для распределительных электрических сетей – в снижении дефицита электроэнергии и пиковых нагрузок;
- для потребителей – в увеличении надежности электроснабжения;
- для потребителей с собственной генерацией – в возможности продажи излишков электроэнергии.
Экспериментальный образец УРПМ в сети низкого напряжения может быть использован для исследований процессов, происходящих в micro-grid при управлении потоками мощности. Проведение таких исследований поможет в решении вопросов наиболее эффективного применения технологий управления электроэнергией, в том числе SST, в micro-grid.