Компенсатор

ВВЕДЕНИЕ 10
1. Способы компенсации реактивной мощности в электрических сетях 15
1.1 Реактивная мощность 15
1.2. Потребители реактивной мощности. 17
1.3. Компенсация реактивной мощности в электрических сетях 18
1.4. Батареи статических конденсаторов 19
1.5. Синхронные компенсаторы 21
2. Cинхронный компенсатор как объект управления 25
2.1 Структурная схема системы управления синхронным компенсатором 25
2.2 Теоретические основы регулирования СК 26
3. Автоматические регуляторы возбуждения синхронных компенсаторов 31
3.1 Регулятор знакопеременного возбуждения. 31
3.2 Автоматические регуляторы возбуждения синхронных компенсаторов с поперечной обмоткой ротора. 34
4. Синтез системы управления СК 37
4.1 Построение математической модели СК 37
4.2 Построение структурной схемы СУ-q 39
5 Программирование интерфейса 42
5.1 Общие характеристики системы управления 42
5.2 Программирование интерфейса верхнего уровня 43
6. Выбор технических средств 45
6.1 Измерительные преобразователи системы 45
6.1.1 Трансформатор тока 46
6.1.2 Трансформатор напряжения 47
6.1.3 Датчики температуры 47
6.1.4 Датчики давления 47
6.1.5 Датчики расхода 47
6.1.6 Датчики вибрации 48
6.2 Регулятор каналов "q" и "d" 48
6.2.1 Модули автоматического регулирования FM 455С 49
6.2.2 Функциональный модуль FM 458-1 DP 50
6.2.3 Коммуникационный процессор СР 443-5 51
6.3 Функциональная схема регулятора "q" и "d " (регулятора) 53
7. Технико-экономическое обоснование работы 55
7.1 Актуальность разработки 55
7.2. Расчет затрат на этапе проектирования 55
7.3. Расчет себестоимости продукции 59
7.4. Исходные данные для расчета экономического эффекта 60
7.5 Расчет экономического эффекта от использования системы 60
7.6 Затраты на эксплуатацию системы 61
7.8. Определение цены разрабатываемой системы управления 62
8. Безопасность и экологичность проекта 63
8.1 Анализ условий труда в научно-исследовательской лаборатории 63
8.2 Расчет искусственного освещения 70
8.3 Безопасность при эксплуатации СК 71
8.4 Требования безопасности систем возбуждения
9. Социальная значимость работы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
Библиография 76
ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы экономного использования всех видов энергии, в том числе электрической, и повышения экономичности работы электроустановок являются важной государственной проблемой.
Электроэнергия, как особый вид продукции, обладает определенными характеристиками, позволяющими судить о ее пригодности в различных производственных процессах. Совокупность таких характеристик, при которых приемники электроэнергии способны выполнять заложенные в них функции, объединены под общим понятием качества электроэнергии.
В последние годы повышению качества электроэнергии уделяют большое внимание, т.к. качество электроэнергии может существенно влиять на расход электроэнергии, надежность систем электроснабжения, технологический процесс производства.
При решении задачи повышения качества электроэнергии выделяют экономические, математические и технические аспекты.
Экономические аспекты включают в себя методы расчета убытков от некачественной электроэнергии в системах промышленного электроснабжения.
...

1.1 Реактивная мощность
Появление термина «реактивная» мощность связана с необходимостью выделения в мощности, потребляемой нагрузкой, составляющей, которая обеспечивает вращающий момент. Эта составляющая имеет место при двигательном, то есть индуктивном характере нагрузки. Практически вся бытовая нагрузка, не говоря о промышленном производстве, в той или иной степени имеет индуктивный характер. С другой стороны, элементы распределительной сети (линии электропередачи, повышающие и понижающие трансформаторы) в силу особенностей конструктивного исполнения имеют продольное индуктивное сопротивление. Поэтому, даже для нагрузки потребляющей только активную мощность, в начале распределительной сети будет иметь место индуктивная составляющая – реактивная мощность. Величина этой реактивной мощности зависит от индуктивного сопротивления распределительной сети и полностью расходуется на потери в элементах этой распределительной сети.
...

1.2. Потребители реактивной мощности.
1.2.1. Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей ,, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п.
1.2.2. Трансформатор как потребитель реактивной мощности. Трансформатор является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от
электростанции до потребителя.
...

1.3. Компенсация реактивной мощности в электрических сетях
Продольная составляющая падения напряжения (потеря напряжения) ∆U связывает напряжение в центре питания U1 с напряжением в конце сети U2 и определяется выражением:

∆U= U1-U2= (1.7)


где Рн, Qн - потоки мощности, обусловленные нагрузкой; R, X - активное и реактивное сопротивления сети.
Из этого выражения (1.7) видно, что на величину U2 можно воздействовать изменением потока реактивной мощности, поскольку в отличие от активной мощности, единственным источником которой являются генераторы электростанций, реактивная мощность может быть получена от других источников, называемых компенсирующими устройствами. Для уменьшения перетоков реактивной мощности по линиям и трансформаторам источники реактивной мощности должны размещаться вблизи мест ее потребления.
...

1.4. Батареи статических конденсаторов
Различают два принципа применения БСК:
- шунтовые БСК, которые подключаются к шинам подстанций параллельно, и применяются для генерации реактивной мощности в узлах сети - поперечная компенсация;
-установки продольной компенсации (УПК), которые включают в линии последовательно для уменьшения реактивного сопротивления линий
- продольная компенсация.
Батареи конденсаторов комплектуются из отдельных конденсаторов, соединенных последовательно и параллельно. Конденсаторы выпускаются в однофазном и трехфазном исполнении на номинальное напряжение 0,22 - 10,5 кВ.

Рис. .1.2 Принципиальные схемы батарей конденсаторов:
а, б – последовательное и параллельное соединение конденсаторов; в, г – соединение фаз БСК треугольником и звездой.
При соединении шунтовых конденсаторов звездой мощность батареи:
QБСК =3Uф2ωC . (1.
...

1.5. Синхронные компенсаторы
Синхронный компенсатор (СК) - это синхронный двигатель, работающий в режиме холостого хода, т.е. без нагрузки на валу. Потребляемая им активная мощность (если пренебречь потерями холостого хода) Рск~0, и СК загружен только реактивным током. По сравнению с обычным синхронным двигателем СК изготовляются с облегченным валом, они имеют меньшие размеры и массу.
Мощность, вырабатываемую СК, можно найти из выражения:

Qск= ∙ Icк= Uc (1.10)

Величина и знак реактивной мощности СК зависят от соотношения между ЭДС Eq и Uc - напряжением в точке сети, где подключен СК. Eq определяется значением тока возбуждения, причем росту тока возбуждения соответствует увеличение Eq. Если Eq=Uc, реактивная мощность СК Qск=0.
...

2.1 Структурная схема системы управления синхронным компенсатором
Структурная схема системы управления синхронным компенсатором приведена на рис.2.1

Рис.2.1 Структурная схема системы управления СК: СК- синхронный компенсатор; ТАск- трансформатор тока СК; ТАл- трансформатор тока линии; Т- силовой трансформатор; TV- измерительный трансформатор напряжения; ДУ- датчик углового положения ротора СК.

Функционально СУ можно считать совокупностью следующих подсистем:
- система охлаждения обеспечивает температурный режим обмоток и магнитопроводов СК. В нашем случае система охлаждения двухконтурная (первый контур водородный, второй водяной).
...

2.2 Теоретические основы регулирования СК
Синхронный компенсатор (СК) — традиционный генератор реактивной мощности, используется в современных энергосистемах и как ее управляемый потребитель.
Режим генерирования (выдачи) или потребления определяется возбуждением СК. В соответствии с U-образной его характеристикой (рис. 2.2,а) при номинальном возбуждении (/в.ном) синхронный компенсатор выдает реактивную мощность

Qск.ном= (2.1)

а при отсутствии возбуждения (1В = 0) — потребляет реактивную мощность
|- Qск.ном|= ≈ 0.5 Qск.ном . (2.2)

Наибольшая возможная загрузка СК потребляемой реактивной мощностью достигается или при граничном отрицательном токе возбуждения — Iв.гр. или при отсутствии возбуждения (IВ = 0) и внутреннем угле компенсатора δ=π/2, т.е. при расположении ротора по поперечной оси.
...

3.1 Регулятор знакопеременного возбуждения.
Основной особенностью автоматического регулятора знакопеременного возбуждения, обусловленной задачей обеспечения искусственной устойчивости СК в режиме потребления реактивной мощности, является его быстродействие и необходимость формирования сигнала по отклонению угла δ от значения, близкого к π/2 [9]. Он применяется на СК с тиристорным бесщеточным возбуждением [10]. Реверсивный возбудитель состоит из двух встречно включенных тиристорных преобразователей. При безщеточном возбуждении обмотка ротора состоит из двух параллельных ветвей LG1, LG2 (рис. 3.1), каждая из которых подключена к вращающимся диодным выпрямителям VS1, VS2, питаемым от двух обращенных синхронных генераторов GE1, GE2. Генераторы имеют тиристорное возбуждение — тиристорные преобразователи VST1, VST2, подключенные через трансформатор Т к выводам СК. Тиристорные преобразователи в режиме выпрямления через устройства управления УУ1, УУ2 — формирователи импульсов токов iи.
...

3.2 Автоматические регуляторы возбуждения синхронных компенсаторов с поперечной обмоткой ротора.
Реверсивное изменение возбуждения СК с дополнительной удерживающей обмоткой ротора, расположенной по поперечной его о.си, создается, как указывалось, двумя тиристорными возбудителями VST1, VST2 (рис. 3.3), состоящими каждый из двух встречно включенных тиристорных выпрямителей, подключенных через трансформатор Т к выводам обмоток статора, управляемых двумя автоматическими регуляторами возбуждения APB-d и APB-q.
Алгоритмы функционирования автоматических регуляторов определяются их назначением. Регулятор APB-d обеспечивает поддержание напряжения Uш на шинах путем изменений генерируемой или потребляемой СК реактивной мощности. На него возлагается и задача демпфирования качаний синхронных генераторов электростанций путем создания принужденных колебаний напряжения на шинах с частотой колебаний роторов генераторов с фазой, обеспечивающей эффективное их затухание.
...

4.1 Построение математической модели СК
Задача построения полной математической модели СК в настоящее время не решена. Как правило, разрабатываются частные модели [13]. В нашем случае ставится задача построения системы стабилизации ротора.
При построении модели примем следующие допущения:
-рассматриваем только движение ротора относительно магнитного поля статора. Основным параметром в этом случае является угол δ между магнитной осью ротора и вектором магнитной индукции статора ;
-при составлении уравнений движения ротора считаем, что регуляторы токов продольной и поперечной обмоток независимы (см. гл.2 и 3);
-приращения значений моментов, действующих на ротор, незначительные.
Согласно [14] составим уравнение моментов, действующих на ротор

J⋅δ''= ∑M. (4.1)

где: J- момент инерции ротора.
...

4.2 Построение структурной схемы СУ-q
Основной задачей при построении структурной схемы и моделировании системы управления является обеспечение стабильного положения ротора СК. У штатной системы управления компенсатором КСВБО 100-11У1 ошибка положения ротора равна 3 угл. градуса при погрешности датчика угла
1.5 угл. градуса. Перед нами ставится задача обеспечить, при том же датчике угла, ошибку положения ротора не более 2 угл. градуса.
Структурные схемы и результаты моделирования выполнены в среде Matlab (подпрограмма Simulink). Все параметры звеньев взяты из табл.2.1

Рис.4.1 Исходная структурная схема системы управления
Исходная схема приведена на рис.4.1. В схему введены следующие
компоненты:
- УСТАВКА - задатчик требуемого значения угла δ (в нашем случае δ≡0);
- ПОПЕРЕЧНАЯ ОБМОТКА- обмотка предназначена для стабилизации положения ротора СК с постоянной времени Tq= 0.06сек (см.табл.2.
...

5.1 Общие характеристики системы управления
Программная часть системы управления СК построена по принципу двухуровневой системы. Нижний уровень предназначен для сбора первичной информации о состоянии элементов СК, расчета управляющих воздействий и их выдачи. Управление СК на нижнем уровне может быть полностью автономным.
Алгоритмы обработки информации для нижнего уровня реализуются на основе стандартного программного обеспечения, поставляемого вместе с приобретаемым оборудованием. Реализация интерфейса сопряжения нижнего уровня с верхним обеспечивается на основе интерфейсов RS-485.
Верхний уровень системы реализуется на обычном ПК. Функция верхнего уровня заключается в контроле функционирования нижнего уровня и отображения текущего состояния энергосистемы и подключенного к ней СК. Также имеется возможность вмешательства в работу подсистемы управления нижнего уровня.
...

5.2 Программирование интерфейса верхнего уровня
Основное окно программного обеспечения верхнего уровня представлено на рис. 5.1. Окно разработано в среде Matlab 7.12 (приложение GUIDE).
Листинги программ для окон "compensator " и "refregerating " приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

Рис. 5.1. Основное окно системы

Основное окно предполагает в системе наличие дежурного оператора энергосистемы. Оператор может контролировать общие характеристики энергосистемы и состояние СК.

Элементы диалогового окна:
- переключатель "ПРОСМОТР" обеспечивает формирование массива данных о характере процессов в энергосистеме. При этом детализировано рассмотрение таких параметров как: активная мощность, реактивная мощность, наличие гармоник в энергосистеме.
- переключатель "ТЕСТИРОВАНИЕ" предназначен для выполнения контроля функционирования АПД, датчиков системы, возбудителей d и q, функциональных модулей SIMATIC (см.п.6.3) и пневмогидроарматуры системы охлаждения СК при штатной работе .
...

6.1.1 Трансформатор тока
В качестве датчика тока ТА (см.рис.3.3) предлагается использовать высоковольтный оптический измерительный трансформатор тока NXCVT (NxtT&D Corporation, Канада)
Уменьшенный размер и вес, в отличие от традиционного медного трансформатора, позволяют размещать его в ограниченном пространстве небольших подстанций. Трансформаторы NXCVT могут быть использованы в информационно-измерительных системах технического и коммерческого учета электрической энергии, в системах контроля качества электрической энергии, с возможностью оценки до 100 гармонических составляющих напряжения и тока в высоковольтных линиях электропередач.
Трансформатор NXVCT оладает следующими характеристиками:
- точностные характеристики превышают требования IEC класс 0,2 и IEEE класс 0,3 для измерения;
- динамический диапазон: от 100А до 4000А - диапазон измерений, и до 160 кА - диапазон защиты.
-широкая полоса пропускания: точное воспроизведение формы сигнала от 10 Гц до 15 кГц.
...

6.2 Регулятор каналов "q" и "d"
Основные требования к регулятору следующие:
- обеспечение необходимой вычислительной мощности;
- согласование входных и выходных сигналов по виду и уровню.
Для выполнения этих требований построение регуляторов АРВ-q и АРВ-d выполнено в одном блоке на функциональных модулях SIMATIC S7-400SIEMENS.
Регулятор реализуется модулями FM458-1D; FM455C; ЕХМ-438-1; СР443-5. Питание системы осуществляется от модулей PS 407.
Функциональные модули предназначены для решения типовых задач автоматического управления, к которым можно отнести задачи скоростного счета, позиционирования, автоматического регулирования и т.д. Большинство функциональных модулей наделено интеллектом, что позволяет производить выполнение возложенных на них задач с минимальными нагрузками для центрального процессора контроллера. В целом ряде случаев эти модули способны продолжать свое функционирование даже в случае остановки центрального процессора контроллера.
...

6.2.1 Модули автоматического регулирования FM 455С
FM 455С является универсальным интеллектуальным 16-канальным модулем, который применяется для решения широкого круга задач автоматического регулирования. На его основе могут быть построены системы регулирования температуры, давления, потока и других параметров. Модуль
FM 455С предназначен для построения систем автоматического регулирования с аналоговыми исполнительными устройствами, подключаемыми к 16 аналоговым выходам модуля;
Модуль позволяет создавать программируемые структуры автоматического регулирования и использовать интерактивную систему адаптации систем регулирования . Регуляторы, построенные на основе FM 455С, способны продолжать свою работу даже в случае остановки центрального процессора контроллера.
...

6.2.3 Коммуникационный процессор СР 443-5
Коммуникационный процессор СР443-5 Basic предназначен для подключения контроллеров SIMATIC S7-400 к сети PROFIBUS. Он позволяет разгрузить центральный процессор контроллера от выполнения коммуникационных задач и способен поддерживать:
-функции FMS связи с PROFIBUS FMS станциями через сеть PROFIBUS;
-функции связи с программатором, устройствами и системами человеко-машинного интерфейса;
-функции связи с другими системами автоматизации SIMATIC S7/ С7;
-допустимое количество коммуникационных процессоров, устанавливаемых в одном программируемом контроллере, определяется типом центрального процессора и видом используемых функций связи;
-подключение программируемых контроллеров SIMATIC S7-400 к электрической (RS 485) сети PROFIBUS со скоростью передачи данных до 12 Мбит/с (включая 45.45 Кбит/с).
...