УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ Российский патент 1998 года по МПК G05F1/30 H02M5/45 

Изобретение относится к энергетической электронике и может быть использовано для стабилизации напряжения на высокой стороне понижающей трансформаторной подстанции.

Известно устройство для стабилизации напряжения трансформаторной подстанции по авт.св. СССР N 1636832, которое взято за прототип. Оно содержит два вольтодобавочных трансформатора с последовательно соединенными первичными обмотками, включенными между входными и выходными зажимами, и два инвертора, подключенные своими выходными выводами к вторичным обмоткам соответственно первого и второго вольтодобавочных трансформаторов. Управление инверторами производится системой импульсно-фазового управления в функции напряжения на нагрузке. Входы инверторов объединены и через выпрямитель подключены к выходным зажимам стабилизатора.

Устройство может быть включено как на высокой, так и на низкой стороне главного трансформатора понижающей подстанции. Однако включение его на высокой стороне усложняет выпрямитель, инверторы и узлы их защиты, а на низкой - не улучшает энергетические показатели главного трансформатора подстанции и требует большого расхода кабеля. Кроме этого, применение в устройстве двух вольтодобавочных трансформаторов увеличивает вес и габариты стабилизатора и усложняет его конструкцию.

Задачей изобретения является упрощение устройства и улучшение его массогабаритных и энергетических показателей без изменения качества выходного напряжения.

В результате решения поставленной задачи улучшаются коэффициенты мощности и полезного действия главного трансформатора подстанции, облегчается и упрощается конструкция, т.к. вместо двух вольтодобавочных трансформаторов с увеличенной на 15 - 20% габаритной мощностью применяется один трансформатор общепромышленного исполнения. К дополнительному эффекту от применения устройства при реконструкции существующих подстанций следует отнести уменьшение расхода активных материалов токопроводов, необходимых для монтажных работ за счет включения обмоток вольтодобавочного трансформатора в цепи низких токов (для подстанции 1000 кВ•А с напряжениями 6/0,4 кВ расход кабеля, необходимого для установки стабилизатора, уменьшается примерно в 15 раз), что также можно отнести к упрощению конструкции и улучшению массогабаритных показателей.

Техническое решение поставленной задачи достигается за счет выполнения трехфазного выпрямителя с двухсторонним обменом энергии и введения индуктивно-емкостного фильтра, который включен между выходом трехфазного выпрямителя и объединенными входами инверторов, а также за счет того, что другие выводы первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора подключены к первичной обмотке главного трансформатора, а другие выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора подключены к выходу второго трехфазного инвертора.

Повышение энергетических показателей главного трансформатора подстанции за счет снижения уровня стабилизируемого напряжения в режимах близких к холостому ходу подстанции достигнуто благодаря тому, что введено переключающее устройство, изменяющее величину сигнала задания, подаваемого на элемент сравнения, а также введен датчик тока нагрузки 6, выход которого подключен к управляющему входу переключающего устройства (см. п.2).

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами, где на фиг. 1 приведена блок-схема устройства, а на фиг. 2 - схема устройства с дополнительными элементами, изменяющими уровень стабилизируемого напряжения в функции тока нагрузки.

Устройство (фиг. 1) подключается входными зажимами к сети 1, а выходными к нагрузке 2 и содержит трехфазный главный трансформатор 3 с первичной 4 и вторичной 5 обмотками, трехфазный вольтодобавочный трансформатор 6 с первичной 7 и вторичной 8 обмотками, полупроводниковый преобразователь 9, в состав которого входят два трехфазных инвертора 10 и 11 с системой управления 12, трехфазный выпрямитель 13 с системой управления 14, фильтр 15, а также датчик напряжения 16 и элемент сравнения 17.

Элементы схемы (фиг. 1) соединены следующим образом.

Первичная обмотка 4 главного трансформатора 3 через первичную обмотку 7 вольтодобавочного трансформатора 6 подключена к сети 1, а его вторичная обмотка 3 подключена к нагрузке 2, к которой также присоединен вход выпрямителя 13 и синхронизирующие входы системы 14 управления выпрямителем 13 и системы 12 управления инверторами 10 и 11. Вторичная обмотка 8 вольтодобавочного трансформатора 6 одними своими выводами подключена к выходу первого инвертора 10, а другими к выходу второго инвертора 11, входы которых объединены и через фильтр 15 подключены к выходу выпрямителя 13. При этом управляющий вход системы 12 управления инверторами через элемент сравнения 17 подключен к выходу датчика 16 напряжения нагрузки, а первый и второй выходы системы 12 с углами управляющих импульсов α и π-α соответственно подключены к первому 10 и второму 11 инверторам.

В представленной на фиг. 2 модификации устройства с дополнительным улучшением энергетических показателей главного трансформатора 3 производится снижение уровня напряжения на входе главного трансформатора 3 при работе подстанции в области глубоких снижений нагрузок. Это производится за счет того, что введен датчик 18 тока нагрузки в комплекте с измерительными трансформаторами тока и переключающее устройство 19 (например, двухступенчатое), выход которого подключен к вычитающему входу элемента сравнения 17, управляющий вход к выходу датчика 18 тока нагрузки, а выходы к сигналам задания уровней стабилизации напряжения нагрузки 2.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Первый и второй трехфазные инверторы 10 и 11 преобразовывают выпрямленное стабилизированное напряжение U₂ нагрузки 2 в регулируемые по фазе переменные фазные напряжения с векторами первых гармоник для одной из фаз соответственно
U_f1= U₂e^jα и U_f2= U₂e^j(π-α)= -U₂e^-jα.
Вследствие того что инверторы 10 и 11 подключены к вторичной обмотке 8 вольтодобавочного трансформатора 6 с обеих сторон, на его первичной обмотке 7 наводится увеличенная в коэффициент трансформации k_вт раз разность напряжений U_f1 и U_f2 инверторов
U_д= k_вт(U_f1-U_f2) = k_втU₂(e^jα+e^-jα)
или, с учетом преобразований Эйлера,
U_д= 2k_втU₂cosα.
Напряжение U₁ на первичной обмотке 4 главного трансформатора 3 определяется суммой напряжений сети U₁ и напряжения вольтодобавки U_д
U₁= U₁+U_д= U₁+2k_вдU₂cosα.
Главный трансформатор 3, уменьшая свое входное напряжение U₁ в k_гт раз, формирует напряжение нагрузки
U₂= U₁/k_гт= U₁/k_гт+2k_вт/k_гтU₂cosα
или с учетом отклонения напряжения сети ± ΔU₁ и падения напряжения на трансформаторах ΔU_к
U₂= (U₁± ΔU₁-ΔU_к)/(k_гт-2k_втcosα), (1)
где k_гт, k_вт - коэффициенты трансформации главного и вольтодобавочного трехфазных трансформаторов;
α - угол управления первым трехфазным инвертором.

Из выражения (1) видно, что при изменении угла управления α от 0 до π рад. устройство (фиг. 1) компенсирует как положительные, так и отрицательные отклонения напряжения сети U₁, обеспечивая стабилизацию выходного напряжения U₂ на заданном, например, номинальном уровне.

Следует отметить, что изменение напряжения вольтодобавки в процессе стабилизации напряжения нагрузки производится без сдвига первой гармоники, а при арккосинусной зависимости между углом и сигналом управления - пропорционально отклонению напряжения в сети.

Устройство (фиг. 1) целесообразно применять в мощных электроустановках (порядка 10 МВ•А) с повышенными требованиями к быстродействию. Оно как более совершенное, обладающее улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями, может заменить известные стабилизаторы трехфазного напряжения трансформаторных подстанций.

Сущность: устройство предназначено для стабилизации трехфазного напряжения на высокой стороне главного трансформатора подстанции. Устройство содержит преобразователь со звеном постоянного тока и вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого через преобразователь подключена к нагрузке, а его первичная обмотка включена последовательно с первичной обмоткой главного трансформатора. Устройство обеспечивает компенсацию отклонения напряжений на входе трансформаторной подстанции без сдвига фазы напряжения на нагрузке. Его отличает простота конструкции, улучшенные энергетические и массогабаритные показатели. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для стабилизации напряжения трансформаторной подстанции, в состав которой входит главный трехфазный трансформатор с выводами вторичной обмотки, предназначенными для подключения нагрузки, содержащее трехфазный вольтодобавочный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, трехфазный выпрямитель с системой управления, вход которого подключен к нагрузке, и два трехфазных инвертора с общей для них системой управления, вход которой через элемент сравнения подключен к выходу датчика напряжения нагрузки, а первый и второй выходы подключены соответственно к первому и второму трехфазным инверторам, обеспечивая регулирование фазы выходного напряжения первого трехфазного инвертора на угол α, а второго - на угол π-α при изменении α от 0 до π рад, причем первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора одними своими выводами подключена к сети, а его вторичная обмотка одними своими выводами подключена к выходу первого трехфазного инвертора, отличающееся тем, что введен индуктивно-емкостный фильтр, который включен между выходом трехфазного выпрямителя и объединенными входами трехфазных инверторов, и трехфазный выпрямитель выполнен с двусторонним обменом энергии, другие выводы первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора подключены к выводам первичной обмотки главного трансформатора, а другие выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора подключены к выходу второго трехфазного инвертора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введено переключающее устройство, изменяющее величину сигнала задания, подаваемого на элемент сравнения, а также введен датчик тока нагрузки, выход которого подключен к управляющему входу переключающего устройства.