Моделирование режимов параллельной работы трехфазных распределительных трансформаторов

Аннотация

Рассмотрены вопросы моделирования режимов параллельной работы распределительных трансформаторов, входящих в состав трансфороматорно-тиристорного регулятора напряжения и мощности. Модели выполнены в пакете Simulink. Представлена структурная модель параллельной работы двух трехфазных трансформаторов, с помощью которой произведено исследование электромагнитных процессов при пофазном регулировании.

Ключевые слова: трехфазный трансформатор, параллельная работа трехфазных трансформаторов, моделирование, Simulink.

трехфазный распределительный трансформатор Параллельная работа трехфазных распределительных трансформаторов при авариях, а также необходимом ремонте трансформаторного оборудования, позволяет легче решать проблему резервирования электроснабжения потребителей. В случае параллельной работы трансформаторов в периоды малых нагрузок существует возможность отключить один из работающих трансформаторов, уменьшив тем самым потери электроэнергии.

Обеспечение равномерного распределения нагрузки при параллельной работе трансформаторов является весьма актуальной.

В ходе выполнения НИР проведено исследование режимов параллельной работы существующих серийно выпускаемых распределительных трансформаторов с опытным трансформатором, лежащим в основе разрабатываемого трансформаторно-тиристорного регулятора напряжения и мощности с ключами однонаправленного тока (ТТРНМ ОТ) (рис. 1). Анализ данных режимов позволяет определить параметры трансформаторно-тиристорного оборудования, дать рекомендации по оптимальному распределению нагрузки [1].

ТТРНМ ОТ содержит регулируемый опытный трансформатор ТСЗН-400/10 и тиристорное переключающее устройство (ТПУ), которое выполняет автоматическое или ручное переключение трех ответвлений каждой фазы обмотки ВН в диапазоне ±5%.

Серийные трансформаторы имеют устройство ПБВ с ручным переключением в диапазонах ±2×2,5%. В связи с различными характеристиками ПБВ и ТПУ возникают как симметричные, так и несимметричные режимы параллельной работы трансформаторов [2].

Симметричные режимы работы имеют место при одинаковых коэффициентах трансформации, несимметричные — при различных коэффициентах трансформации. Несимметричные режимы возникают при пофазном регулировании коэффициента трансформации в одной или двух фазах [1,2].

Исследование режимов работы указанных трансформаторов целесообразно осуществлять с помощью компьютерного моделирования с использованием мощных современных программных средств, таких как Matlab со встроенным пакетом визуального моделирования Simulink [3,4].

Для составления моделей в Simulink необходимо иметь математическое описание электромагнитной системы трехфазного трехстержневого трансформатора [5−7].

Основные допущения при разработке нелинейных математических моделей трансформаторов общеприняты [8−10]. Системы уравнений в матричной форме записи при нулевых начальных условиях будут иметь следующий вид:

wI (p)=H (p)l (1).

U (p)=pLI (p)+pwФ (p)+RdI (p)(2).

где w вектор содержащий количества витков соответствующих обмоток, I (p) вектор токов, H (р)l — падения магнитного напряжения на участках магнитопровода, Ф — магнитный поток, l — длина соответствующего участка магнитопровода, U (p) — напряжение обмотки; L — матрица собственных индуктивностей и индуктивностей рассеяния пары обмоток, Rd диагональная матрица активных сопротивлений обмоток.

Уравнения, представленные выше, являются нелинейными дифференциальными уравнениями трехфазного многообмоточного трансформатора. Модель параллельной работы трансформаторов, в основе которой лежат уравнения (1) -(2) представлена на рис. 2.

В результате проведенного моделирования измерены первичные и вторичные напряжения и токи трансформаторов, уравнительные токи, суммарные потери мощности в режиме холостого хода.

Одним из несимметричных режимов является отклонение числа витков обмотки ВН во всех фазах ТСЗН-400/10 на ±5%, а у серийного трансформатора ТС-400/10 установка коэффициента трансформации во всех фазах в номинальное положение. Расчеты и моделирование показывают, что величина уравнительных токов в этом режиме составляет 50−55% от номинального значения тока.

При использовании пофазного регулирования коэффициент трансформации ТСЗН-400/10 изменяется независимо в каждой фазе. При этом также возникает уравнительный ток и дополнительные потери.

Рис. 2.— Модель параллельной работы двух трансформаторов

По результатам моделирования установлено, что при изменении коэффициента трансформации в одной фазе на ±5% максимальная величина уравнительного тока составляет 32−36% от номинального тока обмотки НН, а при изменении коэффициента трансформации в двух фазах 45−50%.

Алтунин, Б. Ю. Исследование несимметричных режимов работы трансформаторно-тиристорного регулятора напряжения и мощности/ Б. Ю. Алтунин, А. А. Кралин, И. А. Карнавский // Промышленная энергетика, 2013. — № 12. — С. 13−16.

Алтунин Б.Ю., Туманов И. М. Математическое моделирование тиристорных устройств РПН трёхфазных трансформаторов// Электротехника, 1996. — № 6. — С.22−25.

Иванушкин, Ф. Н. Структурное моделирование электромеханических систем и их элементов: Монография / Ф. Н. Иванушкин, В. А. Сарапулов, П. Шимчак. — Щецин: ЩТУ, 2000.-310с.

Гультяев, А.К. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows. — СПб.: КОРОНА принт, 1999. 288 с.

Алтунин, Б. Ю. Исследование режимов работы нелинейного трехфазного трансформатора в пакете Simulink/ Б. Ю. Алтунин, А. А. Кралин, В. В. Гуляев // Вестник волжской государственной академии водного транспорта, 2012. — № 32. — С.195−198.

Кралин А. А. Моделирование трансформаторов преобразовательных агрегатов в Simulink // Инженерный вестник Дона, 2014, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2362/.

Bhuyan K. Surge Modelling of Transformer Using Matlab-Simulink/ Bhuyan K, Chatterjee S // India Conference (INDICON), december 2009 Annual IEEE pp 1−4.

Хватов О. С. Математическое описание алгоритма управления топливоподачей дизель-генераторной электростанции переменной скорости вращения // Инженерный вестник Дона, 2013, № 3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1869/.

Титов В. Г. Управление энергосберегающими полупроводниковыми преобразователями // Инженерный вестник Дона, 2013, № 4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1909/.

Singh B. Integrated three-leg VSC with a zig-zag transformer based three-phase four-wire DSTATCOM for power quality improvement / Singh B, Jayaprakash P., Somayajulu T.R., Kothari D.P., Chandra A., Al-Haddad K. // Industrial Electronics, 2008. IECON 2008. 34th Annual Conference of IEEE, pp 796−801.