Regulation transformer with extended control range

Abstract

The paper deals with research of the booster transformer (regulation transformer), which can be attributed to “Sen” family, which has an extended range and higher control accuracy. The main aim of the paper is to study both operational and energy characteristics of the transformer device that implements output voltage longitudinal-transverse regulation principle relative to the input based on power electronics. The most significant research results can be considered new developed circuit design and method for windings sectioning, including their regulating control strategy. The obtained computational experiments results based on developed structural simulation models of the booster transformer demonstrated effectiveness of the proposed device technical solution and its control strategy in terms of significant expansion of the output voltage range both in magnitude and in phase. It is shown that the proposed technical solution provides greater possibilities for phase voltage regulation (relative to the UPFC and “Sen” transformer) with the same restrictions on the longitudinal and transverse components of the boost voltage. Vector diagrams of the studded device were constructed and expressions characterizing its operating parameters were obtained. The characteristics of the device parameters variation in both idle and load mode were obtained and analyzed. The significance of the obtained results consisting in fact, that the proposed technical solution is capable to provide the same control actions in the form of an adjustable additional voltage as FACTS controllers such as UPFC and “Sen” - transformer, but on a simpler basis that is more accessible to practical implementation.

În articol se studiază transformatorul de rapel, care poate fi atribuit familiei „Sen”, ce posedă un diapason larg de reglare şi un nivel mai înalt de precizie. Lucrarea a avut ca scop cercetarea caracteristicilor de regim şi energetice ale instalaţiei de tip transformator, care implementează principiul de reglare longitudinal-transversal al tensiunii de ieşire faţă de tensiunea de intrare şi se comandă cu ajutorul electronicii de putere. Cele mai esențiale rezultate le constituie soluţia tehnică dezvoltată şi modul de secţionare al înfăşurărilor de comandă, inclusive strategia de comandă cu acestea. Rezultatele obţinute în urma calculelor experimentale realizate pe modelul Simulink dezvoltat au demonstrat eficienţa atât a soluţiei tehnice dezvoltate pentru transformatorul de rapel, cât şi a strategiei de comandă din punct de vedere a extinderii esenţiale a zonei de reglare a tensiunii de ieşire după modul şi fază. S-a demonstrat, că soluţia tehnică propusă asigură o gamă mai extinsă de posibilităţi de reglare a tensiunii după fază (comparativ cu transformatorul UPFC şi „Sen”) pentru aceleaşi limitări a componentelor longitudinale şi transversale ale transformatorului de rapel. Au fost construite diagramele vectoriale şi obţinute expresiile ce caracterizează parametrii de regim ai instalaţiei. Au fost obţinute şi analizate caracteristicile variației parametrilor instalației în regimuri de mers în gol şi sarcină. Importanţa rezultatelor obţinute constă în faptul, că soluţia tehnică propusă este capabilă să asigure aceleaşi acţiuni de reglare, precum controlerele FACTS de tipul UPFC şi „Sen”, dar la un nivel mai simplu şi mai uşor de implementat din aspect practic.

Объектом исследования является вольтодобавочный трансформатор, который можно отнести к семейству “Sen”, обладающий расширенным диапазоном и более высокой точностью регулирования. Целью работы является исследование режимных и энергетических характеристик трансформаторного устройства, реализующего принцип продольно–поперечного регулирования выходного напряжения относительно входного и управляемого средствами силовой электроники. Поставленная цель достигается посредством создания в среде Simulink/Matlab структурно–имитационной модели объекта исследования и проведении на основе SPS- моделей расчетных экспериментов, имитирующих работу вольтодобавочного трансформатора при различных стратегиях управления. Наиболее существенными результатами являются новое схемное решение, вариант секционирования обмоток управления и закон регулирования ими. Результаты расчётных экспериментов, полученные на основе построенных структурно-имитационных моделей объекта исследования, показали эффективность предложенного схемного варианта устройства и стратегии его управления. с точки зрения существенного расширения диапазона выходного напряжения как по модулю, так и по фазе. Показано, что предложенное техническое решение обеспечивает более широкие возможности регулирования напряжения по фазе (относительно UPFC и “Sen” – трансформатора) при тех же ограничениях продольной и поперечной составляющих вольтодобавочного напряжения. Построены векторные диаграммы и получены выражения, характеризующие режимные параметры исследуемого устройства. Получены и проанализированы характеристики изменения параметров устройства на холостом ходу и в режиме нагрузки. Рассчитана типовая мощность элементов вольтодобавочного трансформатора с прямоугольной зоной регулирования. Значимость полученных результатов состоит в том, что предложенное техническое решение способно обеспечить те же управляющие воздействия в виде регулируемого добавочного напряжения, что и FACTS контроллеры типа UPFC и “Sen” – трансформатор, но на более простой и доступной к практической реализации основе.