Badania symulacyjne zmienno impedancyjnych kompensatorów szeregowych

Transkrypt

1 Janina RZĄSA Politechnika Rzezowka, Wydział Elektrotechniki i Informatyki Badania ymulacyjne zmienno impedancyjnych kompenatorów zeregowych Strezczenie. W ramach wtępnych badań nad zagadnieniem związanym z wykorzytaniem urządzeń FATS w terowaniu rozpływem mocy czynnej w ytemie elektroenergetycznym wykonane zotały w programie PSIM modele ymulacyjne układów energoelektronicznych używanych w reaktancyjnych kompenatorach zeregowych typu: TSS, GS i TS. Niniejzy artykuł prezentuje wyniki badań ymulacyjnych tych układów. Abtract. The article preent the reult of imulation reearch of power electronic component of variable impedance erie compenator working in FATS technology. Model of teted cheme were prepared with ue of PSIM program. There were the introductory tudie involved in control of power flow. (Simulation reearch of variable impedance type erie compenator ). Słowa kluczowe: kompenacja zeregowa, FATS, rezonan podynchroniczny Keyword: erie compenation, FATS, ubynchronou reonance Wtęp Bezpieczeńtwo energetyczne kraju zależy od zdolności ytemu elektroenergetycznego do dotawy odbiorcom wymaganej ilości mocy z uwzględnieniem możliwości wytwórczych elektrowni, linii przeyłowych i tranformatorów ieciowych oraz zależy od zdolności ytemu elektroenergetycznego do zachowania tabilności pracy w przypadku wytąpienia awarii powodowanych zwarciami oraz nagłymi nieprzewidzianymi wyłączeniami elementów ytemu. Zdolności przeyłowe ytemu mogą być zwiękzone przez rozbudowę lub modernizację itniejących linii. Biorąc pod uwagę kozty nowych inwetycji oraz trudności w utaleniu lokalizacji, wynikające chociażby z dążności do zachowania naturalnego środowika, należy położyć nacik na zwiękzenie możliwości przeyłowych i pozerzenie margineu tabilności itniejącej infratruktury ytemu elektroenergetycznego. Możliwości przeyłowe krótkich linii elektroenergetycznych ą ograniczone dopuzczalnym obciążeniem termicznym przewodów. W liniach długich o dużej reaktancji, ograniczenie tanowi tzw. granica tatycznej możliwości przeyłu, która jet na ogół mniejza od możliwości termicznych. Zmniejzenie wartości reaktancji linii wpływa bezpośrednio na zwiękzenie tatycznej granicy przeyłu oraz poprawia warunki zachowania tabilności tatycznej i dynamicznej w ytemie elektroenergetycznym [1,2]. Jednym ze poobów zwiękzenia możliwości przeyłowych itniejących linii i zwiękzenia margineu tabilności jet zatoowanie kompenacji zeregowej w potaci urządzeń określanych krótem FATS (Flexible A Tranmiion Sytem). Do grupy urządzeń FATS, realizujących kompenację zeregową, należą między innymi [3]: TSS (Thyritor-Switched Serie apacitor) GS (GTO Thyritor-ontrolled Serie apacitor) TS (Thyritor-ontrolled Serie apacitor) SSS (Static Synchronou Serie ompenator). Technologia FATS polega na zatoowaniu zetawów urządzeń energoelektronicznych wyokiej mocy, które mogą być użyte indywidualnie lub w koordynacji z innymi, do terowania jednego lub kilku parametrów w ytemie elektroenergetycznym. Zatąpienie wyłączników mechanicznych podzepołami energoelektronicznymi, w klaycznych układach realizujących kompenację, kraca cza załączania i wyłączania urządzeń kompenujących, a więc kraca cza reakcji podzepołów wykonawczych na wypracowywane cyfrowo ygnały terujące i pomiarowe. W ramach wtępnych badań nad zagadnieniem związanym z wykorzytaniem urządzeń FATS w terowaniu rozpływem mocy w ytemie elektroenergetycznym, wykonane zotały w programie PSIM modele ymulacyjne układów wykorzytywanych w kompenacji zeregowej. Niniejzy artykuł prezentuje wyniki tej pracy. Wpływ kompenacji zeregowej na tabilność kątową, napięciową i obciążalność linii przeyłowej Kompenacja zeregowa jet realizowana na dwa pooby: jako kompenacja impedancyjna i jako wtrzykiwanie napięcia dodawczego, zmieniającego reaktancyjny padek napięcia na indukcyjności wzdłużnej linii. Podtawową ideą impedancyjnej kompenacji zeregowej jet zmniejzenie reaktancji indukcyjnej linii tranmiyjnej poprzez włączenie zeregowej pojemności. Optymalnym obciążeniem linii o indukcyjności wzdłużnej L jet obciążenie impedancją falową (1). (1) Z SIL L Przy obciążeniu linii impedancją falową napięcie na końcu linii jet równe co do modułu napięciu na jej początku, mimo itnienia pojemności poprzecznej linii przeyłowej, prąd wpływający do linii jet równy co do modułu prądowi wypływającemu z linii, moc bierna wpływająca i wypływająca z linii jet równa zero, linia jet obciążona tylko mocą czynną (2), nazywaną mocą naturalną. (2) P SIL U Z 2 SIL Jak widać ze wzorów (1-2) zmniejzenie indukcyjności wzdłużnej L linii przez zatoowanie zeregowego kondenatora zwiękza jej obciążalność w tanach tatycznych. W linii promieniowej obciążonej mocą czynną o wartości mniejzej niż moc naturalna (P<P SIL ) konieczne jet odbieranie nadmiaru mocy biernej, w przypadku gdy P>P SIL dotarczanie tej mocy. Brak wparcia źródłami mocy biernej powoduje, że napięcie w linii bardzo mocno zależy 216 PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/2009

2 od obciążenia mocą czynną. Kompenacja zeregowa ma tu do pełnienia woja rolę, co łatwo pokazać na wykreie (Ry.1), przedtawiającym zmiany napięcia w funkcji mocy obciążenia na końcu linii promieniowej dla trzech wartości wpółczynnika kompenacji zeregowej. Kompenacja zeregowa zmniejza reaktancję linii i powoduje tabilizację napięcia U r na jej końcu. Ry.1. Napięcie w linii promieniowej w funkcji mocy obciążenia Margine tabilności kątowej linii ocenia ię na podtawie wykreu mocy czynnej w funkcji kąta przeyłu (Ry.2). W linii łączącej dwa węzły: przeyłowy o napięciu U i odbiorczy o napięciu U r, możliwą do przełania moc czynną P w zależności od reaktancji indukcyjnej można wyrazić zależnością (3), U U r (3) P in gdzie: U i U r wartości kuteczne napięć; kąt pomiędzy wkazami tych napięć. Zatoowanie w kompenacji zeregowej baterii kondenatorów o reaktancji powoduje, że efektywna reaktancja linii jet równa (4) 1 k (4) eff gdzie k= / jet topniem kompenacji zeregowej. Przeyłana moc czynna w kompenowanej linii jet wyrażona zależnością (5). (5) P U 1 k 2 in Ry.2. Wykre wkazowy napięć w linii z kompenacją impedancyjną i zależność mocy czynnej od kąta przeyłu dla różnych wartości wpółczynnika kompenacji Przy założeniu równości amplitud napięć w węzłach dotawczym i odbiorczym: U =U r =U, wykre wkazowy kompenowanej linii (Ry.2) pokazuje, że padek napięcia U na kondenatorach kompenujących zwiękza napięcie na reaktancji linii do wartości U, co przy niezmienionej wartości tej reaktancji, mui być związane z odpowiednim zwiękzeniem prądu, a więc i przeyłanej mocy. Przebieg charakterytyki P=f() dla ronących wartości topnia kompenacji k pokazuje, iż, przy określonym obciążeniu linii mocą czynną, linia ta pracuje przy odpowiednio coraz mniejzym kącie przeyłu, co powoduje, że zwiękza ię zapa tabilności kątowej. Wpływ impedancyjnej kompenacji zeregowej na powtanie rezonanu podynchronicznego Problemem, jaki twarza zeregowa kompenacja impedancyjna, jet niebezpieczeńtwo powtania rezonanu podynchronicznego (ubynchronou reonance SSR) [3,5]. Generacja mocy elektrycznej wiąże ię z interakcją pomiędzy energią elektryczną i mechaniczną przęgniętymi w generatorze. Powoduje to, że każda zmiana w ytemie elektrycznym powoduje odpowiadającą reakcję ze trony ytemu mechanicznego i odwrotnie. W zetawie turbina-generator na wpólnym wale ą oadzone duże may, które w momencie wytąpienia zmiany obciążenia w generatorze, przypiezają bądź zwalniają z różną prędkością, w zależności od wielkości danej may. Wolne zmiany obciążenia przekładają ię na wolno zmienne momenty mechaniczne wzdłuż wału wirnika, co jet pokrywane przez dopaowywanie ię kąta wirnika do nowych wartości tanu utalonego. Natomiat gwałtowne zaburzenia w ytemie elektroenergetycznym, takie jak zwarcia, wyłączanie zwarcia i ponowne załączanie, powodują zybkozmienne momenty w ytemie mechanicznym i odpowiadające temu przejściowe kołyania wału wirnika przęgającego turbinę z generatorem. Na wale pojawiają ię mechaniczne drgania kręcające o czętotliwości włanej f m mniejzej od czętotliwości ieci f. zętotliwości te, jak podaje autor [3], przy czętotliwości ytemu równej 60Hz miezczą ię w przedziale 10-55Hz. Kołyania wirnika generatora wytwarzają duże momenty na wale, częto kilka razy więkze niż normalny moment odpowiadający mocy znamionowej. W warunkach dużego udaru jak zwarcie w ytemie, po którym natępuje wyłączenie i z dużą zybkością załączenie na zwarcie, kołyanie może potencjalnie uzkodzić wał, nawet w przypadku gdy linia pracuje bez zeregowej kompenacji. Jednocześnie, ocylacje wirnika powodują, że napięcie na zacikach generatora jet modulowane. Jeśli czętotliwość drgań mechanicznych wynoi f m, to w napięciu generatora pojawiają ię kładowe odkztałcenia przy dopełniającej czętotliwości f e =f o -f m i f e =f o +f m. Napięcia te, z kolei, wywołują przepływ kładowych prądu o wartościach wynikających z impedancji ytemu przy tych czętotliwościach. Zależnie od kąta fazowego, prądy te wytwarzają odpowiadające im momenty mechaniczne o mechanicznej czętotliwości f m a więc dalze mechaniczne zmiany w wirniku. Kondenator zatoowany jako kompenator zeregowy wraz indukcyjnością linii tranmiyjnej tanowi zeregowy obwód rezonanowy drgający z naturalną czętotliwością rezonanową f e. Biorąc po uwagę, że topień kompenacji zeregowej k= / jet przyjmowany w granicach 25% do 75%, łatwo zauważyć, że czętotliwość rezonanowa f e jet mniejza niż PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/

3 czętotliwość znamionowa w linii przeyłowej f, i jet czętotliwością podharmoniczną. 1 (6) fe f 0,5 0, 866f 2 L W przypadku gdy czętotliwość kładowej prądu wynikającej z ocylacji mechanicznych zbiega ię z czętotliwością rezonanową kompenowanej linii ma miejce wzmocnienie prądu danej kładowej. Zwiękzonej wartości prądu odpowiada wzmocnienie momentu mechanicznego, który był powodem pojawienia ię danej kładowej napięcia i prądu. Interakcja pomiędzy kompenowaną linią tranmiyjną, drgającą z naturalną podynchroniczną czętotliwością rezonanową a kładowymi napięcia i prądu wynikającymi z mechanicznych drgań krętnych zetawu turbina-generator powoduje wzmacnianie elektrycznych i mechanicznych ocylacji, i może prowadzić do znizczenia wału układu prądotwórczego. Prawie wzytkie urządzenia FATS, w tym również zmienno impedancyjne kompenatory zeregowe, oferują pooby neutralizacji zjawika rezonanu podynchronicznego. Kompenator reaktancyjny TSS (Thyritor-Switched Serie apacitor) Podtawowa konfiguracja układu tyrytorowo załączanych kondenatorów, tworzących układ TSS, zawiera baterie kondenatorów zbocznikowanych dwukierunkowymi łącznikami tyrytorowymi. Układy terujące tyrytorami generują impuly wyzwalające, zgodnie ze pecyfiką terowania klaycznymi tyrytorami SR i wymaganiami kompenacji zeregowej, zdefiniowanymi zadanym topniem kompenacji linii. Ze względu na to, że tyrytory ą załączane impulem bramkowym, a wyłączają ię po zaniku prądu, w prezentowanym układzie może być zrealizowana tylko kokowa zmiana topnia kompenacji przez załączanie lub wyłączanie określonej ekcji baterii kondenatorów zeregowych. W modelu ymulacyjnym (Ry.3) układ bocznikowanych tyrytorami kondenatorów jet reprezentowany trzema ekcjami pojemności. Kolejne załączanie dwukierunkowych łączników tyrytorowych eliminuje pozczególne ekcje baterii, realizując kompenację reaktancji linii ze wpółczynnikiem równym, odpowiednio: k= / = 67,7%,45,1% i 22,5%. Ry.3. Model jednofazowego układu kompenatora TSS Wyniki ymulacji (Ry.4) uzykane zotały przy założeniu, że kolejne ekcje baterii kondenatorów ą bocznikowane przez łączniki tyrytorowe w odtępach jedno ekundowych. Otatni przedział: (3 4) odpowiada obciążeniu linii bez kompenacji. Ry.4. Prąd linii i moc czynna przy topniowaniu kompenacji zeregowej Z faktu, że załączany tyrytor mui być polaryzowany dodatnim napięciem, wynika minimalny cza opóźnienia (t op na ryunku 5) reakcji układu na ygnał terujący. Jeśli terowanie tyrytorów (ygnał bramkowy IG1) jet zynchronizowane z przebiegiem prądu linii I(RL), który wyprzedza napięcie U1 na bocznikowanym kondenatorze, to minimalny cza jaki mui upłynąć od decyzji o zbocznikowaniu danej ekcji kondenatorów przez równoległy łącznik tyrytorowy, wynoi co najmniej ćwierć okreu czętotliwości ieciowej, czyli 5 m. Ry.5. Przebiegi ilutrujące cza opóźnienia pierwzego włączenia tyrytora po decyzji o bocznikowaniu danej ekcji kondenatorów Na niekorzyść tego typu kompenatora zeregowego przemawia fakt, że może on być przyczyną powtania rezonanu podynchronicznego w kompenowanej ieci. W praktycznych układach, jednak, itnieje konieczność ograniczenia tromości naratania prądu tyrytorów poprzez włączenie zeregowego dławika o niewielkiej indukcyjności. Stwarza to możliwość tłumienia rezonanu podynchronicznego, zgodnie z zaadą działania tłumika rezonanu NGH, którego działanie zotanie omówione w dalzej części artykułu. Kompenator reaktancyjny GS (GTO Thyritor- ontrolled Serie apacitor) Układ GS pozwala na płynną regulację włączonej reaktancji kompenującej, co wymaga zatoowania tyrytorów GTO (Ry.6). Sterowanie tyrytorów jet zynchronizowane z przebiegiem prądu kompenowanej linii. Sygnały bramkowe, o czaie trwania odpowiadającym połowie okreu napięcia ieci, powodują załączenie odpowiedniego tyrytora w przedziale gdy ma on pełnione napięciowe warunki anodowe (Ry.7). Zmiana wartości kąta terowania w zakreie od 0 do 90º, mierzonego od chwili 218 PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/2009

4 oiągnięcia przez prąd linii wartości zczytowej o przeciwnej polaryzacji niż prąd danego tyrytora, jet regulowaniem czau wyłączania tego tyrytora [4,5]. wartości odpowiadającej całej włączonej zeregowo pojemności kondenatorów kompenujących do zera. Kompenator reaktancyjny TS (Thyritor-ontrolled Serie apacitor) Kompenator reaktancyjny TS jet układem, który pozwala na zwiękzanie reaktancji kompenującej w porównaniu z wartością odpowiadającą włączonej pojemności. Jego ważną zaletą jet dodatnie tłumienie kołyań mocy w ytemie i niwelowanie rezonanu podynchronicznego. Obwód mocy (Ry.9) kłada ię z baterii kondenatorów i równoległej gałęzi z dławikiem L o reaktancji regulowanej dwukierunkowym łącznikiem tyrytorowym THY1, THY2. Ry.6. Model jednofazowego układu kompenatora GS Ry. 9. Model jednofazowego układu kompenatora TS Ry.7. Przebiegi ilutrujące załączanie jednego z tyrytorów Ry.8. Napięcie na kondenatorze, prąd linii i moc czynna przy kącie = 120º Zwieranie kondenatora, za pomocą łącznika tyrytorowego, na część okreu napięcia ieciowego odpowiada zmniejzaniu wartości kutecznej napięcia na tym kondenatorze czyli zmianie jego impedancji pojemnościowej, a więc zmianie topnia kompenacji zeregowej (Ry.8). Płynna regulacja napięcia na kondenatorze powoduje jednak odkztałcenie przebiegu tego napięcia a więc odkztałcenie prądu kompenowanej linii. W prądzie linii pojawiają ię nieparzyte harmoniczne czętotliwości ieciowej, których procentowy udział zależy od wielkości regulowanej reaktancji pojemnościowej i kąta terowania tyrytorów. Dla zminimalizowania wpływu harmonicznych, odkztałcających przebieg prądu, touje ię połączenie płynnej regulacji w układzie GS ze kokową zmianą impedancji pojemnościowej za pomocą układu TSS. Zatoowanie razem układów TSS i GS pozwala na zmniejzanie reaktancji kompenującej od Równoległe gałęzie z kondenatorem i dławikiem tanowią obwód rezonanowy o czętotliwości drgań włanych 1 2 L f o. Dla właściwego funkcjonowania układu TS, potrzeba aby czętotliwość rezonanowa obwodu równoległego kondenator - dławik była wyżza od czętotliwości przeyłu: f o >f. Iloraz czętotliwości rezonanowej i czętotliwości przeyłu noi nazwę wpółczynnika rezonanu: (7) fo f o Zgodnie z [3,6-9] wpółczynnik rezonanu jet przyjmowany w granicach (2 4) i jego wartość utala ię tak, by czętotliwość rezonanowa f o była różna od czętotliwości harmonicznych kładowej podtawowej czętotliwości przeyłu. Wartość wpółczynnika czętotliwości decyduje o wartości indukcyjności L układu TS. Im jet więkza wartość tego wpółczynnika tym mniejza jet indukcyjność L, co powoduje, że tyrytory narażone ą na więkze chwilowe wartości prądu. Dobór pojemności układu TS i zakreu zmian katów terowania tyrytorów zależy od przyjętej wartości dwu parametrów: wpółczynnika kompenacji (8), (8) k i wpółczynnika boot (9), określającego makymalny zakładany topień kompenacji. (9) K B TS max L PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/

5 Wartości wpółczynnika kompenacji k określa minimalny topień kompenacji, która jet realizowana gdy tyrytory w gałęzi z dławikiem ą zablokowane. Wpółczynnik boot definiuje zakre zmian topnia kompenacji zeregowej, przyjmowany w granicach: (25% - 75%). Ograniczenie topnia kompenacji zeregowej wynika z faktu, że wraz ze zmniejzaniem ię efektywnej reaktancji linii przez zwiękzanie reaktancji zeregowo włączonych baterii kondenatorów, rośnie udział rezytancji czynnej w całkowitej impedancji podłużnej linii. Wiąże ię to ze wzrotem udziału kładowej biernej tranmitowanego prądu, czyli ze wzrotem trat przeyłu, co ogranicza makymalną wartość przeyłanej mocy czynnej. W tanie utalonym pracy układu, tyrytory ą załączane krótkimi impulami bramkowymi z kątem terowania odmierzanym od chwili, gdy napięcie na kondenatorze oiąga wartość zczytową dodatnią - w przypadku tyrytora THY1 i ujemną - w przypadku tyrytora THY2 (Ry.10). tyrytorów w krótkim czaie zmienia polaryzację na przeciwną (Ry.11). Ry.11. Napięcie na kondenatorze dla kata terowania = 75 i = 57 Przebieg napięcia na kondenatorze kłada ię więc z umy nieregulowanego napięcia inuoidalnego zależnego od prądu linii i napięcia przeładowania kondenatora, regulowanego kątem terowania tyrytorów. Im więkzy jet kąt przewodzenia tyrytorów, tym więkze jet podwyżzenie (booting) napięcia na kondenatorze w tounku do napięcia inuoidalnego, co z kolei powoduje, że więkza jet wartość makymalnego napięcia na kondenatorze i napięcia blokowania tyrytorów (Ry.12). Ry.10. Przebiegi ilutrujące poób załączania tyrytorów w TS Zakre zmian kąta terowania wynoi 0< < 90. Przy = 90 tyrytory nie mają pełnionych napięciowych warunków anodowych, co powoduje, że nie wchodzą w przewodzenie, czyli przez gałąź z indukcyjnością L nie płynie prąd. Prąd linii przeyłowej płynie przez pojemność kompenatora TS a jego reaktancja zatępcza jet reaktancją pojemnościową równą: =. Dla kąta terowania < 90 przez każdy z tyrytorów płynie, odpowiednio, dodatni lub ujemny półokre prądu wynikającego z ocylacyjnego przeładowania energii pomiędzy pojemnością i indukcyjnością równoległych gałęzi L. Przedział czau, w którym przez dany tyrytor płynie prąd, odpowiada kątowi 2 (10) (10) 2 Prąd płynący w obwodzie zamkniętym kondenator - dławik dodaje ię w kondenatorze do prądu obciążenia linii przeyłowej. W przedziale czau pomiędzy przedziałami przewodzenia tyrytorów napięcie na kondenatorze zmienia ię pod wpływem prądu obciążenia kompenowanej linii. W przedziale przewodzenia każdego z tyrytorów, kondenator przeładowywany jet prądem powiękzonym o inuoidalny impul prądowy obwodu ocylacyjnego L. Itnienie równoległej gałęzi ze terowaną reaktancją indukcyjną powoduje, że napięcie na kondenatorze w układzie TS podcza przewodzenia Ry.12. Napięcie na kondenatorze i na tyrytorze przy = 75 i = 57 Reaktancja układu TS w funkcji kąta terowania tyrytorów wyraża ię zależnością (11). (11) TS L L We wzorze (11) reaktancja gałęzi z dławikiem zmienia ię w funkcji kąta terowania tyrytorów w zakreie: L L, gdzie: L L oraz 2 in L L. Dla kąta = 90, reaktancja ta przyjmuje wartość równą niekończoności. Zmniejzanie kąta terowania powoduje zmniejzanie ię reaktancji gałęzi z dławikiem, co odpowiada wzrotowi reaktancji równoległych gałęzi L. Dla kata = 0 reaktancja dławika wynika tylko z jego indukcyjności i wynoi L =ωl. Itnieje więc taki kąt terowania tyrytorów, dla którego wartość reaktancji dławika jet równa reaktancji równoległego kondenatora, co kutkuje wytąpieniem rezonanu równoległego. Kąt terowania, przy którym wytępuje rezonan, pełnia warunek: 90 > rez > 0. Zmniejzanie kąta terowania w zakreie (90 ; rez ) powoduje wzrot reaktancji układu TS od minimalnej wartości równej TS,min = = 1/ω, aż do wartości teoretycznie równej niekończoności. Reaktancja ta ma charakter pojemnościowy. Zmniejzanie kąta terowania poniżej wartości rez powoduje dalze zmniejzanie reaktancji gałęzi z dławikiem. W tym przypadku reaktancja wypadkowa układu TS ma 220 PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/2009

6 charakter reaktancji indukcyjnej. Kąt terowania, przy którym wytępuje rezonan równoległy gałęzi L dzieli zakre zmian tego kąta na dwa przedziały. Dla kątów > rez (Ry.13) TS reprezentuje regulowaną reaktancję pojemnościową, zmniejzającą efektywną impedancję linii przeyłowej. W przedziale < rez układ TS tanowi reaktancję o charakterze indukcyjnym, zwiękzającą efektywną reaktancję linii. [ TS rez Należy zauważyć, że na ryunku 14 napięcie U reprezentujące padek napięcia na kondenatorze układu TS jet, zgodnie z charakterem impedancji tego kompenatora, w przeciwfazie do napięcia U na reaktancji linii, a na ryunku 15 jet, odpowiednio do charakteru indukcyjnego reaktancji kompenatora, w fazie z napięciem U. W trybie kompenacji pojemnościowej zmiana kąta wyterowania tyrytorów powoduje, że tranmitowana w linii moc czynna może być regulowana powyżej wartości jaka jet przeyłana przy wpółczynniku kompenacji k = 0,25. Dla katów terowania < rez indukcyjny charakter reaktancji, jaką tanowi układ kompenatora TS powoduje, że moc czynna w linii jet mniejza w porównaniu do mocy przeyłanej w linii bez kompenacji (Ry.16). P[W] 8000 P Ry.13. Reaktancja układu TS w funkcji kąta terowania tyrytorów Zmianie efektywnej reaktancji linii przy utalonej tracie napięcia pomiędzy tacjami r i towarzyzy odpowiednia zmiana prądu a więc i przeyłanej mocy czynnej. Ryunki 14 i 15 pokazują przebiegi napięć i prądów w kompenowanej linii w trybie, odpowiednio, kompenacji pojemnościowej i kompenacji indukcyjnej. Ry.14. Przebiegi prądów w trybie kompenacji pojemnościowej Ry.15. Przebiegi prądów i napięć w trybie kompenacji indukcyjnej rez Ry. 16. Moc czynna linii przeyłowej w funkcji kąta terowania tyrytorów układu TS Wykrey na ryunkach zotały wykonane na podtawie wyników ymulacji przeprowadzonych w programie PSIM z wykorzytaniem modelu z ryunku 9. W modelu przyjęte zotały natępujące parametry: U,ampl = U r,ampl = 325,3 V, kąt przeyłu = 30 i moc czynna przeyłana z końca linii o napięciu U do U r. Rezytancja i indukcyjność linii wynozą odpowiednio: R = 1,6 L = 50 mh, a parametry układu TS: = 0,8 mf, L = 1,8 mh. Przy tak dobranych parametrach wpółczynnik kompenacji k = 0,25, a kąt terowania rez = 56, reaktancja kompenatora TS ma charakter reaktancji pojemnościowej o wartości więkzej od wartości reaktancji ieci przy wpółczynniku boot K B > 4. Tłumienie rezonanu podynchronicznego z zatoowaniem układu TS Kompenator TS ma jezcze jedną bardzo cenną zaletę. Jet on mianowicie niewrażliwy na rezonan podynchroniczny, ponieważ reaktancja gałęzi równoległych L przy czętotliwości podynchronicznej wykazuje charakter indukcyjny. Autor publikacji [3] wyjaśnia to na zaadzie analogii pomiędzy reakcją układu dwóch równoległych gałęzi układu TS i reakcją tłumika rezonanu podynchronicznego (NGH Damper). W 1981 N. G. Hingorani, jeden z autorów [3], zaproponował tyrytorowo terowany układ tłumiący rezonan podynchroniczny do zatoowania z zeregowymi kondenatorami (NGH Damper). Podtawowa zaada tłumika NGH jet oparta na forowaniu napięcia na zeregowym kondenatorze do zera na końcu każdego półokreu, jeśli napięcie to przekracza wartość podtawowej kładowej napięcia o ynchronicznej czętotliwości mocy. Tłumik NGH jet zaadniczo tyrytorowo terowanym rezytorem rozładowującym, włączonym równolegle do kondenatora kompenującego. PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/

7 Tyrytory terujące wartością rezytancji tłumika ą wyzwalane ynchronicznie z czętotliwością ytemu i przewodzą w przedziale w pobliżu końca półokreu napięcia na kondenatorze. Załączanie rezytora raz w półokreie odpowiadającym kładowej podtawowej napięcia ieci odpowiada kilkakrotnemu zwieraniu kondenatora przez ten rezytor w półokreie kładowej podynchronicznej. Powoduje to, że kładowa podynchroniczna prądu płynącego przez kondenator jet w fazie z napięciem na kondenatorze o tej amej czętotliwości. W ten poób kondenator kompenujący wraz z rezytorem tłumiącym jet dla kładowej podynchronicznej napięcia elementem rezytancyjnym [3]. Rezytor rozładowujący, tanowiący tłumik NGH, jet połączony z niewielkim dławikiem ograniczającym tromość naratania prądu tyrytorów. Pod względem topologii układ tłumika NGH jet taki am jak układ kompenatora TS, różne ą tylko wartości indukcyjności i rezytancji gałęzi rozładowującej. Kilkakrotne w każdym półokreie zwieranie kondenatora przez równoległy dławik w układzie TS powoduje, że kładowa podynchroniczna napięcia na kondenatorze wyprzedza kładową prądu o tej amej czętotliwości. Dla kładowych podynchronicznych układ TS ma więc charakter impedancji indukcyjnej [3]. Poprawność rozumowania przeprowadzonego w [3] potwierdzają wyniki ymulacji wykonane w oparciu o model z ryunku 17, w którym dodatkowe źródła zailające Uub i Urub modelują kładowe podynchroniczne napięcia generatora, którego praca zotała zakłócona nagłą zmianą obciążenia. Zakłada ię, że zaburzenie pojawiło ię w momencie gdy tyrytory układu kompenatora TS były wyterowane tak, że reaktancja tego układu wynoiła 5 Ω, co przy założonych parametrach linii przeyłowej twarzało niebezpieczeńtwo wytąpienia rezonanu dla czętotliwości podynchronicznej f e = 16,17 Hz. Wyniki ymulacji na ryunku 18 pokazują kutki działania kompenatora TS gdyby zaburzenie mocy powodowało pojawienie ię kładowych podynchronicznych napięcia o czętotliwości 16,17 Hz, a ryunek 19 gdyby kładowe te miały czętotliwość 25 Hz. Warunki ymulacji zotały dobrane tak, że do czau równego 1 ekunda nie ą wyterowane tyrytory, więc linia jet kompenowana za pomocą kondenatora o pojemności 0,8 mf. podynchronicznej linii opóźnia ię za napięciem na kondenatorze kompenacyjnym (Ry.18); gdy kładowe podynchroniczne mają czętotliwość wyżzą od czętotliwości rezonanowej linii przy zadanym kącie wyterowania tyrytorów, to włączenie tyrytorów oprócz zmiany fazy prądu danej kładowej, powoduje znaczne zmniejzenie jej amplitudy (Ry.19); zmniejzenie efektywnej reaktancji układu TS przez zwiękzenie kąta wyterowania tak by zmalała czętotliwość rezonanowa w kompenowanej linii, powoduje tłumienie kładowych podynchronicznych prądu (Ry. 20). Ry. 18. Przebiegi napięć i prądów w linii z zaburzeniem o czętotliwości 16,17 Hz i kącie terowania α = 63 Ry. 19. Przebiegi napięć i prądów w linii z zaburzeniem o czętotliwości 25 Hz i kącie terowania α = 63 Ry. 20. Przebiegi napięć i prądów w linii z zaburzeniem o czętotliwości 16,17 Hz i kącie terowania α = 80 Ry. 17. Model jednofazowego układu kompenatora TS w linii zailanej napięciami o czętotliwości ynchronicznej i podynchronicznej Analiza wyników ymulacji pozwala na wyciągnięcie natępujących wnioków: kładowe podynchroniczne prądu w kompenowanej linii, przed uruchomieniem wyzwalania tyrytorów w układzie TS, wywołują na kondenatorze padek napięcia, który opóźnia ię za prądem, natomiat po uruchomieniu wyzwalania tyrytorów, prąd kładowej Podumowanie Kompenacja zeregowa gwarantuje wyoce efektywne terowanie przepływem mocy w ytemie elektroenergetycznym i ma do odegrania dużą rolę w przypadku długich linii, w których przeył mocy czynnej jet ograniczony przez impedancję, w tym głównie reaktancję indukcyjną linii. Kompenatory impedancyjne w technologii FATS oferują zatąpienie wyłączników mechanicznych układami tyrytorowymi. Zatoowanie tyrytorów klaycznych w układzie TSS zapewnia, podobnie jak w układach z wyłącznikami mechanicznymi, kokową zmianę reaktancji kompenującej. Natomiat układ TS z 222 PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/2009

8 tyrytorami klaycznymi oraz układ GS z tyrytorami wyłączalnymi zapewnia nie tylko załączanie i wyłączanie pozczególnych ekcji baterii kondenatorów, czyli kokową zmianę topnia kompenacji, ale także płynną regulację wartości reaktancji pojemnościowej włączonej zeregowo z linią. W układzie GS reaktancja ta może być regulowana w przedziale od zera do wartości wynikającej z pojemności włączonej baterii kondenatorów. Odpowiada to płynnej regulacji makymalnej mocy czynnej przełanej w linii od wartości wynikającej z reaktancji linii bez kompenacji do wartości odpowiadającej przyjętemu wpółczynnikowi kompenacji. W układzie TS natomiat, regulacja polega na zwiękzaniu reaktancji pojemnościowej kompenatora powyżej wartości wynikającej z pojemności zatoowanej baterii, co powoduje, że makymalna moc czynna jet zwiękzana od wartości wynikających ze topnia kompenacji, przyjętego wtępnie przez dobór baterii kondenatorów. Układ TS dodatkowo wykazuje przedział terowania tyrytorów, w którym reaktancja kompenatora ma charakter indukcyjny, co jet jednoznaczne z regulacją makymalnej przeyłanej mocy czynnej w dół do wartości poniżej wartości charakterytycznej dla linii niekompenowanej. Pozwala to na ograniczanie przeyłu mocy w danej linii i przekierowywanie jej do innych torów przeyłowych. Bardzo cenną zaletą układu TS jet fakt, że dla kładowych podynchronicznych prądu, układ wykazuje efektywną impedancję o charakterze indukcyjnym, co powoduje, że jet on niewrażliwy na rezonan podynchroniczny i wywołuje tłumienie kładowych o czętotliwościach niżzych od znamionowej czętotliwości przeyłu. Układ TS może być używany wyłącznie dla oiągnięcia neutralizacji rezonanu podynchronicznego w przypadku gdy przedział przewodzenia tyrytorów terujących impedancją równoległego dławika będzie utrzymywany na minimalnym poziomie. Ponieważ również w układzie TSS jet wymagane zatoowanie małego dławika włączonego zeregowo z tyrytorami dla ograniczenia tromości naratania prądu tyrytorów, to przez analogiczne wyterowanie jak w układzie TS może on pełnić rolę tłumika NGH. W dużych zeregowych kompenatorach kondenatorowych może być połączonych kilka podtawowych obwodów TS zeregowo, i część z nich może być terowana z pełnym załączeniem lub wyłączeniem gałęzi z dławikiem dla zminimalizowania harmonicznych i trat lub realizacji tłumienia kładowych podynchronicznych prądu. LITERATURA [1] Barlik R., Nowak M.: Jakość energii elektrycznej tan obecny I perpektywy. Przegląd Elektrotechniczny NR 7-8/ [2] M a ciejew ki Z.: Sieci przeyłowe jako element bezpieczeńtwa elektroenergetycznego Polki. Polityka Energetyczna, Tom 11, Zezyt 1, 2008, [3] Hingorani M.G., Gyugyi L.: Undertanding FATS, IEEE Inc., New York, [4] Arede M., Sao E.M., Emmerik E.L., Portela. : The GTO-ontrolled Serie apacitor Applied to Half-Wave Length Tranmiion-Line. International onference on Power Sytem Tranient IPST 2003 in New Orlean, USA [5] Jeu F.D., Watanabe E.H., Souza L.F.W., Alve J. E.: SSR and Power Ocilation Damping Uing Gate- ontrolled Serie apacitor (GS). IEEE Tran. On Power Delivery, Vol.22, NO. 3. July 2007 [6] Rigby B.S., Ndlovu.K., Harley R.G.: A Thyritor ontrolled Serie apacitor Deign for Reearch Laboratory Application. IEEE, 1999, pp [7] Ängquit L.: Dynamic Performance of TS Scheme. igre 1996: [8] Ängquit L.: Synchronou Voltage Reveral ontrol of Thyritor ontrolled Serie apacitor. Doctoral Diertation, Royal Intitute of Technology Department of Electrical Engineering. Stockholm [9] Ye d i t i V.K., Jonon B.K.: Deign of TS for laroom and Reearch Application on an Analog Model Power Sytem. IEEE Autor: dr inż. Janina Rząa, Politechnika Rzezowka, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, ul. W. Pola 2, Rzezów, E- mail: jrzaa@prz.rzezow.pl; PRZEGLĄD ELEKTROTEHNIZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 12/