СИСТЕМА ДЛЯ ОТБОРА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ОТ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H02J3/36 H02J5/00 

Передача на большие расстояния электроэнергии по высоковольтным линиям постоянного тока постепенно становится общепринятой, в частности, вследствие меньших на них затрат. Большие затраты в таких линиях приходятся на преобразователи тока при отборе и трансформаторах. Вследствие этого непрактично размещать вдоль такой высоковольтной линии несколько полностью укомплектованных принимающих станций.

Для отбора меньших напряжений чем в линии, обычно это менее 10% было предложено, чтобы токоотборные станции подсоединялись последовательно в цепь постоянного тока и ток отбирался бы в соответствии с перепадом напряжения в линии. Самое простое решение этого типа предусматривает применение трехфазного преобразователя тока, подключенного последовательно в цепь постоянного тока. Этот шунт преобразователей подсоединяется напрямую к трехфазной сети через трансформатор. Шунт является коммутированным по линии, что означает что коммутация (эл. ) вентилей достигается с помощью тока переменного напряжения в трехфазной сети.

Первым недостатком систем такого типа является то, что коммутация по линии требует оборудования синхронизаторами, что становится экономически нерентабельным в случае устройства небольших и средних сетей. Вторым недостатком является то, что применение трансформатора дорого в сравнении с отбираемой энергией, а третий недостаток возмущения и помехи в сети переменного тока могут привести к таким же явлениям в коммутационном процессе в преобразователе тока, и таким образом, в основной сети.

Одной из целей изобретения является создание серии систем для отбора электроэнергии, способной устранить эти недостатки. Другой целью является создание системы энергоотбора, которая позволила бы небольшим сетям получать небольшие напряжения (объемы энергии) экономически рентабельным способом. Таковая возможность обладает особенно большой ценностью для государственных (не частных) энергокомпаний, которым трудно рассчитывать на понимание в случае затруднений с подачей электроэнергии в малонаселенные регионы, по которым проходит дорогостоящая линия энергопередачи.

Эти и другие цели достигаются по изобретению посредством системы, имеющей такие отличительные черты, как это указано в п. 1 формулы изобретения.

Изобретение позволяет отбирать небольшие количества энергии от больших сетей высоковольтных линий передачи постоянного тока с помощью относительно недорогих компонентов, так что стоимость подачи энергии оказывается экономически целесообразной. Все что нужно подсоединить к высоковольтной линии это преобразователь, преобразующий один ток в соответствующий другой ток, включенный по мостовой схеме с соответствующим коммутационным оборудованием, управляемый по волоконной оптике с земли и первичной обмотки трансформатора, причем нагрузкой на эту обмотку будет только перепад напряжения, соответствующий отобранной энергии. Для того, чтобы дать представление об идее (концепции), можно представить себе некий случай, в котором имеется высоковольтная линия передачи прямого тока известного типа с напряжением ±500 кВ и максимальной силой тока 1600 А. Первыми подсоединяются в эту сеть первый преобразователь и первичная обмотка трансформатора. Обои могут быть однофазными. Первичная обмотка должна выдерживать полностью ток в 1600 А и должна быть изолирована материалом, выдерживающим 500 кВ, от сердечника трансформатора. С другой стороны, нет необходимости давать на обмотку напряжение большее, чем соответствующее отобранной энергии, т.е. максимум 50 кВ при максимальной мощности 80 МВт. Стоимость использования трансформатора также может быть снижена, если полученному переменному току придать большую частоту, чем обычно это принято, т.е. частоту 120 150 Гц. Его потом снимают с вторичной обмотки трансформатора (40 кВ, 2 кА), который выпрямляется далее на ток постоянной местной сети на 40 кВ во втором преобразователе, который принимается как имеющий ускоренную коммутацию (переключение). Предпочтительно, чтобы трехфазный ток получался из этого тока постоянного напряжения путем преобразования в третьем преобразователе, каковой преобразователь может иметь ускоренную коммутацию на частоту тока в сети 50 или 60 Гц соответственно потребности, при напряжении, пригодном для местной передачи.

Местная сеть энергопередачи в предпочтительном варианте поддерживает постоянное напряжение с помощью конденсатора и может быть оснащена также, дополнительно, аккумуляторной батареей для накопления и временного хранения энергии. Расход энергии предпочтительно контролировать по замеру напряжения в местной сети постоянного тока, которое имеет тенденцию падения при увеличивающемся расходе электроэнергии через третий преобразователь, и путем управления коммутацией (переключением) первого и второго преобразователей с целью получения требуемого напряжения постоянного тока в местной сети.

Второй и третий преобразователи соответственно выполняются из полностью управляемых полупроводниковых вентилей (двухоперационные триодные, т.е. GTO-тиристоры), которые пропускают ток в обоих направлениях, в то время как первый преобразователь состоит из управляемых полупроводниковых вентилей с блокировкой от перемены полярности тока. Сети передачи электроэнергии будут тогда включать фильтрующие цепи, используемые для устранения пульсаций, возникающих при отборе тока.

Стоимость энергоотборных станций будет умеренной, особенно в связи с тем, что напряжение между гребешками коллекторов от линии высокого напряжения относительно низкое, позволяя тем самым даже использовать коллекторные гребешки в качестве преобразующего трансформатора между первым и вторым преобразователями через обычный фарфоровый изолятор. Используемое для иллюстрации исполнение в ряд его вариантов ниже будет описано со ссылками на приложенные чертежи. Для того, чтобы не усложнять описание подробностями известного уровня техники передачи постоянного тока высокого напряжения, делается ссылка на монографическую литературу в этой области, такую как Power Tranmission by Direct Current. Передача энергии постоянным током (Springer Verlag 1975).

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемой системы; на фиг.2 и 3 более детальное изображение схемы; на фиг.4 блок-схема, иллюстрирующая исполнение системы управления описываемой системы отбора.

Блок-схема на фиг. 1 иллюстрирует принципиальное устройство с четырьмя отличающимися друг от друга по напряжению системами, а именно: линия передачи постоянного тока высокого напряжения, откуда отбирается часть энергии, в которой, например, 500 кВ, первая система с переменным током AC1, в которой, предпочтительно, частота тока в 2 4 раза выше стандартной, система с постоянным током ДС, например 40 кВ, и вторая система с переменным током AC2, в котором ток имеет частоту сети и которая предназначена передавать/создавать местную систему энергораспределения. Энергия передается между этими двумя системами посредством преобразователей, включенных по мостовой схеме. Хотя первая система с переменным током может быть однофазной, однако это может быть и трехфазная сеть, как проиллюстрировано на фиг.2.

В целях обеспечения широкого диапазона отбора энергии могло бы быть также целесообразно ввести на линии постоянного тока высокого напряжения некое множество активируемых и дезактивируемых преобразователей, причем функция каждого заключалась бы в передаче соответствующего переменного тока, мощность которых объединена, т.е. путем подачи указанных токов к соответствующей первичной обмотке в первом трансформаторе. Путем выбора соответствующего устройства было бы возможно таким путем избежать излишне больших углов возбуждения на выпрямляющих тиристорах и связанных с этим широко известных проблем.

Очевидно, что однофазная система будет самой дешевой, так как требуются только четыре тиристорных группы на высоковольтной стороне, причем эти тиристоры должны быть способны выдерживать только максимальный перепад напряжений высоковольтной линии в сравнении с принципиальной системой и иметь в системе одну обмотку, изолированную от высокого напряжения в трансформаторе 4. Это связано с выбором мощности (емкости), и в некоторых случаях, возможно, как показано на фиг.2, соединять несколько преобразователей 1, 1' последовательно, когда величина отбираемой энергии возрастет, и применять более дорогостоящую двенадцатиимпульсную коммутацию и т.д. в соответствии с превалирующими потребностями. Однако в случае отбора небольших и средних количеств энергии предпочтительно работать с однофазным напряжением частотой 120-150 Гц, так как трансформатор 4 может обойтись дешевле в этом случае. Частота также может быть регулируемой, так чтобы управлять процессом отбора энергии.

Чертежи представляют в символах всю сеть, включая конечные станции A и B линии передачи постоянного тока высокого напряжения (ЛПТВК), а также систему отбора энергии, подсоединенную к одному из проводов линии, который может быть одним из двух жил (проводов) двухжильного провода (не показано).

Система, показанная на фиг. 2 и 3, включает полупроводниковые вентили (преобразователей) 2 и 3, причем эти вентили запираются посредством колебания тока (тип GTO). Преобразователь 2, показанный на фиг.2, указан как поддерживающий постоянное напряжение и ускоренно коммутируемый. По крайней мере один из преобразователей 1 и 2 должен иметь ускоренную коммутацию. Преобразователь 2 тогда подсоединяется через переменный ток взаимодействия к преобразователю 3, который имеет ускоренную коммутацию и подключен напрямую в цепь переменного тока системы распределения (энергии). Так как работа идет при относительно постоянном напряжении постоянного тока, возможно использовать аккумуляторную батарею, что облегчит запуск системы при перерыве в питании сети переменного тока, а также избежать возмущений в питающей сети постоянного тока и наоборот. Если преобразователь 3 имеет ускоренную коммутацию, то в подсоединяемой цепи нет нужды использовать синхронизирующие устройства. Если у местной сети нет других источников энергопитания, то частота тока в цепи будет определяться, несомненно, коммутационной частотой на преобразователе 3, который также имеет ускоренную коммутацию. В простейшем виде преобразователь управляется прямоугольными сигналами. Ключевой компонент U_v тока переменного при этом пропорционален напряжению тока постоянного U_dc, т.е.

U(vG) k_u•U_dc.

Коэффициент отношения K_u является константом для преобразователей, управляемых прямоугольными сигналами, но может также управляться модуляцией по ширине колебания, при использовании двух шестипульсовых со смещенной фазой мостиков или так называемого NPC соединения. Это описано в монографии Экстрема High Power Electronics SVC (Stock Rolm 1989). Переключающие виртуальные схемы (электронные) мощных высоковольтных линий передачи постоянного тока (Стокгольм 1989 г.). Ниже описывается управляющая и контролирующая система для простого случая, когда K_и1 является константой, напряжение переменного тока U_v1, тем самым напряжение в местной сети переменного тока, контролируемое управляющим напряжением, U_d. С другой стороны, если система выполнена так, что K_и может изменяться, тогда напряжение взаимодействия U_d в сети прямого тока выводится на фиксированное значение, что позволяет в цепь тока взаимодействия включить аккумуляторную батарею.

На фиг.4 показана в форме блок-схемы система контроля и управления к системе, показанной на фиг.1. В этом случае системы возбуждения преобразователей 2 и 3 особенно просты, так как принимается, что эти (преобразователи) управляются с единственной целью обеспечить желаемое значение частот f₄ и f_e. Системы контроля 5 и 6, например, могут быть в виде счетчиков с кольцевой схемой, возбуждаемых колебаниями, имеющими частоту 2Хf₄ и 6Хf_e соответственно. Основной проблемой здесь является управление напряжением U_Dc, так чтобы желаемое напряжение U_L могло быть получено в местной (энергораспределительной) сети. В простейшем виде эта сеть может быть выполнена как система обратной связи (фиг.4), где заменяемое напряжение U_L сравнивается c желаемым напряжением U_Lref. Когда замеряемое напряжение слишком мало, на регуляторе напряжения 7 определяется соответствующее увеличение входящей энергии (мощности) P, подающееся на контрольное устройство 8 преобразователя 1. Замеренное напряжение U₄ также передается на контрольное устройство 8. Контрольное устройство может быть тех параметров и размещено так, как это показано в главе 7 указанной монографии Экстрема. Там преобразователь выполнен так, что импульсы возбуждения при плюсе поля запаздывающие и становятся опережающими при минусе поля. Воздействие запаздывающих возбуждающих импульсов на преобразователь 1 вызывает увеличение угла возбуждения и уменьшение угла затухания, что, в свою очередь, приводит к увеличению напряжения постоянного тока U_d1 через преобразователь 1 при постоянном напряжении переменного тока U₄. Если принимать, что постоянный ток U_d1, константы, то увеличение напряжения U_d1 приведет к увеличению подачи энергии на конденсатор C сети прямого тока взаимодействия и таким образом к увеличению напряжения U_dc на указанном конденсаторе. Для того, чтобы предотвратить ошибки коммутации на преобразователе 1, контрольное устройство 8, подобное такому описанному в вышеуказанной монографии Экстрема, имеет ограничения так, что угол затухания не может быть менее заранее определенного наименьшего уровня.

В рамках этого изобретения, что понятно для специалиста в данной области, возможно множество различных исполнений. Степень сложности устройства в большой степени зависит от количества отбираемой энергии в каждом конкретном случае, а вышеописанный пример исполнения предусматривает изначально отбор небольших количеств, т.е. там, где преимущества, предоставляемые изобретением, предоставляются наиболее значительными, хотя, как уже было отмечено, система может быть выполнена на, в определенной степени, большие количества энергии при использовании трехфазного (6-пульсового преобразователя в качестве первого преобразователя или простого 12-пульсового преобразователя) с тем, чтобы уменьшить проблемы, связанные с фильтрованием и устранением возмущений на высоковольтной стороне.

Использование: в энергетике. Сущность: в высоковольтную линию передачи постоянного тока включен последовательно первый преобразователь, преобразующий постоянный ток в переменный. Его выход подключен к первичной обмотке первого трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к второму преобразователю, к которому подключена вторичная сеть постоянного тока. К вторичной сети постоянного тока подключен третий преобразователь, преобразующий постоянный ток в переменный ток для местной сети. Система отбора электроэнергии от линии передачи постоянного тока в местную сеть позволяет отбирать небольшие количества энергии от мощных сетей постоянного тока относительно недорого. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система для отбора электроэнергии от высоковольтной линии передачи постоянного тока в местную сеть, в которой в высоковольтную линию передачи постоянного тока включен последовательно первый преобразователь, преобразующий постоянный ток в переменный, выход которого подключен к первичной обмотке первого трансформатора, отличающаяся тем, что вторичная обмотка первого трансформатора подключена к второму преобразователю, преобразующему переменный ток в постоянный, к которому подключена вторичная сеть постоянного тока, к которой подключен третий преобразователь, преобразующий постоянный ток в переменный для местной сети низкого напряжения, причем преобразователи включены по мостовой схеме. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что первый преобразователь и первый трансформатор являются однофазными. 3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что первый преобразователь состоит из управляемых полупроводниковых вентилей с блокировкой от перемены полярности электрического тока, второй и третий преобразователи состоят из полностью управляемых полупроводниковых вентилей, которые могут пропускать ток в обоих направлениях. 4. Система по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что второй преобразователь выполнен так, что поддерживает постоянное напряжение на выходе и шунтирован стабилизирующим конденсатором. 5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что стабилизирующий конденсатор подсоединен параллельно аккумуляторной батарее. 6. Система по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающаяся тем, что первый и второй преобразователи выполнены с возможностью коммутации при частоте, в два-четыре раза выше нормальной частоты в сетях, а третий преобразователь выполнен с возможностью коммутации при нормальной частоте сетей. 7. Система по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающаяся тем, что первый трансформатор выполнен с несколькими первичными обмотками, а в высоковольтную линию постоянного тока включены последовательно несколько первых преобразователей, которые могут частично шунтированы, выход каждого из которых подключен к соответствующей первичной обмотке первого трансформатора.