ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧА ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1999 года по МПК H02J1/00 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для вновь сооружаемых и уже эксплуатируемых электропередач постоянного тока с целью уменьшения содержания высших гармоник в трехфазном токе из подстанций.

Известны электропередачи постоянного тока, каждая из которых содержит биополярную линию постоянного тока и две подстанции по концам линии, причем каждая подстанция состоит из двух 12-фазных преобразователей, включенных на стороне трехфазного тока параллельно, а на стороне постоянного тока последовательно. Узлы соединения двух преобразователей на стороне постоянного тока подключены к рабочим заместителям или к заземленному проводу, соединяющему эти узлы. Каждый полюс линии постоянного тока и соединенные с ним 12-фазные преобразователи обеих подстанций образуют полуцепь электропередачи. Каждая подстанция имеет устройство управления и регулирования 12-фазными преобразователями. Эти устройства создают импульсы управления, при которых 12-фазные преобразователи обеих полуцепей электропередачи работают с одинаковыми углами регулирования α на выпрямительной подстанции и β на инверторной подстанции. Такими электропередачами постоянного тока являются, например, электропередача в Новой Зеландии с биполярной воздушно-кабельной линией 500 кВ и электропередача Волгоград-Донбас с биополярной воздушной линией 800 кВ, устройство которых изложено в [1] на стр. 258-272.

Недостаток такой электропередачи постоянного тока, принятой за прототип, состоит в недостаточно хорошем качестве трехфазного тока обеих подстанций - в нем, кроме первой гармоники, содержатся высокие гармоники k, имеющие порядок n = 12k±1 = 11, 13, 23, 24,..., причем относительная величина 11 и 13 гармоник (по отношению к первой гармонике) находится в разных реальных режимах действующих подстанций в пределах от 4 до 10%.

Задачей данного изобретения является улучшение качества трехфазных подстанций электропередачи постоянного тока за счет уменьшения в несколько раз содержащихся в них высших гармоник с порядком n = (2k-1)12±1 = 11, 13, 35, 37....

Сущность изобретения состоит в том, что на обеих подстанциях электропередачи постоянного тока с биполярной линией устройства управления и регулирования выполняются такими, чтобы создавать импульсы управления, при которых 12-фазные преобразователи одной полуцепи электропередачи работают с углами регулирования α₁ на выпрямительной подстанции и β₁ на инверторной подстанции, а 12-фазные преобразователи другой полуцепи - соответственно с углами регулирования α₂ = α₁ + 15^o и β₂ = β₁ + 15^o. При таких углах регулирования 11 и 13 гармоники в трехфазном токе подстанции значительно меньше, чем в трехфазных токах 12-фазных преобразователей обеих полуцепей электропередачи, так как последние сдвинуты между собой для 11 гармоники на угол 11•15^o = 165^o, а для 13 гармоники на угол 13•15^o=195^o. Такие же фазовые сдвиги получаются и для других гармоник с порядком n = (2 k-1)12±1.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемой электропередачи постоянного тока, на фиг.2 - схема 12-фазного преобразователя, при использовании которого достигается наибольший эффект уменьшения высших гармоник в трехфазном токе подстанций и на фиг.3, а-в построены векторные диаграммы 1, 11 и 13 гармоник в этом токе.

Электропередача постоянного тока (фиг.1) содержит выпрямительную подстанцию с 12-фазными преобразователями 1 и 2, инверторную подстанцию с 12-фазными преобразователями 3 и 4, биполярную линию постоянного тока с полюсами 5 и 6, рабочие заземлители 7 и 8, устройства управления и регулирования 9 и 10 соответственно на выпрямительной и инверторной подстанции. На каждой подстанции 12-фазные преобразователи на стороне трехфазного тока соединены параллельно и подключены к энергосистеме, а на стороне постоянного тока они соединены последовательно. Узел соединения преобразователей 1 и 2 подключен к рабочему заземлителю 7, а узел соединения преобразователей 3 и 4 - к рабочему заземлителю 8. При такой схеме электропередача имеет две полуцепи. В одну полуцепь входят преобразователи 1 и 3 и полюс линии 5, в другую полуцепь - преобразователи 2 и 4 и полюс линии 6. Нормально обе полуцепи работают с одинаковым постоянным током и поэтому ток через землю не проходит.

Устройство управления и регулирования 9 на выпрямительной подстанции создает такие импульсы управления, при которых преобразователь 1 работает с углом регулирования α₁, а преобразователь 2 - с углом регулирования α₂ = α₁ + 15^o. При регулировании преобразователями 1 и 2 изменение углов α₁ и α₂ производится устройством 9 одновременно на одинаковую величину под действием сигнала, поступающего на его вход.

Устройство управления и регулирования 10 на инверторной подстанции создает такие импульсы управления, при которых преобразователь 3 работает с углом регулирования β₁ , а преобразователь 4 - с углом регулирования β₂ = β₁ + 15^o. При регулировании преобразователями 3 и 4 изменение углов β₁ и β₂ производится устройством 10 одновременно на одинаковую величину под действием сигнала, поступающего на его вход.

В результате указанного действия устройств управления и регулирования обеих подстанций 12-фазные преобразователи одной полуцепи электропередачи работают с углами регулирования α₁ на выпрямительной подстанции и β₁ на инверторной подстанции, а 12-фазные преобразователи другой полуцепи - соответственно с углами регулирования α₂ = α₁ + 15^o и β₂ = β₁ + 15^o.

12-фазные преобразователи на подстанциях электропередачи постоянного тока могут быть выполнены по любой известной схеме. Наилучший результат в отношении уменьшения высших гармоник в трехфазном токе подстанции получается, если 12-фазный преобразователь выполнен по схеме фиг. 2 [2].

В состав этого преобразователя входят трехфазные трехобмоточные трансформаторы 11 и 12, отличающиеся только соединением вторичных обмоток, шунтовые конденсаторы 13, два вентильных моста 14 и 15, реактивные двухполюсники 16, включенные в три фазы цепи, соединяющей третичные обмотки трансформаторов 11 и 12, сглаживающий реактор 17.

Вентильные мосты 14 и 15 могут быть укомплектованы обычными (незапираемыми) тиристорными вентилями или запираемыми вентилями, состоящими из последовательно соединенных запираемых тиристоров.

Шунтовые конденсаторы 13 в преобразователях с запираемыми вентилями ограничивают перенапряжения, возникающие из-за коммутаций тока с одного вентиля на другой в течение малых промежутков времени порядка 10 мкс. В преобразователях с обычными тиристорными вентилями шунтовые конденсаторы осуществляют быстрые коммутации тока в течение десятков мкс, а также ограничивают перенапряжения.

Реактивные двухполюсники 16 исключают 5 и 7 гармоники в напряжениях вторичных обмоток трансформаторов 11 и 12. В результате этого улучшается форма кривой анодного напряжения: снижается его максимальное значение и обеспечивается возможность преобразователю с обычными вентилями работать при малых углах регулирования.

Содержание высших гармоник в трехфазном токе i₁ одного 12-фазного преобразователя, выполненного по схеме фиг. 2, характеризуется относительными значениями, приведенными в табл.1.

В трехфазном токе i подстанции происходит суммирование тока i₁ и i₂ (фиг. 1) двух 12-фазных преобразователей, работающих с разностью углов регулирования, равной 15^o. Если 12-фазные преобразователи подстанции выполнены по схеме фиг. 2, то токи i₁ и i₂ имеют одинаковую величину и форму, но сдвинуты между собой по фазе так же, как углы регулирования, на угол 15^o. При этом первая гармоника I₁₍₁₎ в токе i₁ и первая гармоника I₂₍₁₎ в токе i₂ сдвинуты по фазе на 15^o, а n-ая гармоника I_1(n) в токе и та же n-я гармоника I₂(n) в токе i₂ сдвинуты между собой на угол n • 15^o (в частоте гармоники).

Исходя из сказанного на фиг. 3 построены векторные диаграммы, показывающие суммирование первой, 11 и 13 гармоник в токах i₁ и i₂.

Согласно диаграмме 18 на фиг. 3 действующее значение первой гармоники в трехфазном токе подстанции
I₍₁₎ = 2 I₁₍₁₎cos 7,5^o, (1)
где I₁₍₁₎ - действующее значение первой гармоники в токе i₁ одного 12-фазного преобразователя.

Согласно диаграммам 19 и 20 на фиг. 3 действующие значения 11 и 13 гармоник в трехфазном токе подстанции
I₁₁ = 2 I₁₍₁₁₎ sin 7,5^o, I₁₃ = 2 I₁₍₁₃₎ sin 7,5^o, (2)
где I₁₍₁₁₎ и I₁₍₁₃₎ - действующие значения соответственно 11 и 13 гармоник в токе i₁ одного 12-фазного преобразователя.

Исходя из (1) и (2), получаем относительные значения 11 и 13 гармоник в трехфазном токе подстанции

Соотношения (3) справедливы для всех высших гармоник k, имеющих порядок n = (2k-1)12 ± 1 = 11, 13, 35, 37, ... Другие высшие гармоники, имеющие порядок n = 24k ± 1 = 23, 25, 47, 49, ..., суммируются так же, как первая гармоника, и поэтому их относительные значения в трехфазном токе подстанции такие же, как в трехфазном токе одного 12-фазного преобразователя: I^* _1(n) = I^* _1(n).

Используем приведенные выше относи тельные значения высших гармоник I^* _1(n) в трехфазном токе одного 12-фазного преобразователя и на основании изложенного получаем следующие относительные значения высших гармоник в трехфазном токе подстанции (табл.2).

При таком малом содержании высших гармоник трехфазный ток подстанции близок к синусоидальному. На подстанциях предлагаемой электропередачи постоянного тока не требуется установка фильтров для улучшения качества трехфазного тока.

Особенно существенно уменьшение 11 и 13 гармоник. Благодаря работе двух 12-фазных преобразователей подстанции с разностью углов регулирования, равной 15^o, 11 и 13 гармоник k уменьшаются в 1/tg 7,5^o = 7,6 раз. В столько же раз уменьшаются и другие высшие гармоники с порядком n = (2k-1)12±1, в частности, 35 и 37.

Отметим, что при использовании на подстанции двух 12-фазных преобразователей без шунтовых конденсаторов эффект от их работы с разностью углов регулирования, равной 15^o, может быть несколько ниже из-за того, что они при этом имеют разные углы коммутации.

Приведенные выше данные показывают, что задача изобретения выполнена: у предлагаемой электропередачи постоянного тока улучшено качество трехфазных токов подстанций за счет уменьшения в несколько раз содержащихся в них высших гармоник с порядком n = (2k-1)12±1 = 11, 13, 35, 37, ... .

Источники информации
1. Поссе А. В. Схемы и режимы электропередач постоянного тока. - Л.: "Энергия", 1973. С. 258-272.

2. Патент РФ N 2011282, кл. H 02 M 7/12, 1994.1

Изобретение относится к вновь сооружаемым и эксплуатируемым электропередачам постоянного тока. Сущность изобретения: на обеих подстанциях электропередачи постоянного тока с биполярной линией устройства управления и регулирования выполняются такими, чтобы создавать импульсы управления, при которых 12-фазные преобразователи одной полуцепи электропередачи работают с углами регулирования α₁ на выпрямительной подстанции и β₁ на инверторной подстанции, а 12-фазные преобразователи другой полуцепи - соответственно с углами регулирования α₂ = α₁ + 15^o и β₂ = β₁ + 15^o. Благодаря этому трехфазный ток подстанций имеет малое содежание высших гармоник; гармоники k, имеющие порядок n = (2k-1)12 ± 1= 11, 13, 35, 37, ..., в трехфазном токе подстанции в несколько раз меньше, чем в трехфазном токе 12-фазного преобразователя, не требуется установка фильтров для улучшения качества трехфазного тока подстанции. 3 ил., 2 табл.

Электропередача постоянного тока, содержащая биполярную линию постоянного тока и две подстанции по концам линии, каждая подстанция состоит из двух 12-фазных преобразователей, включенных на стороне трехфазного тока параллельно, а на стороне постоянного тока последовательно, узлы соединения двух преобразователей на стороне постоянного тока на каждой подстанции подключены к рабочим заземлителям или к заземленному проводу, соединяющему эти узлы, каждый полюс линии постоянного тока и соединенные с ним 12-фазные преобразователи обеих подстанций образуют полуцепь электропередачи, каждая подстанция имеет устройство управления и регулирования 12-фазными преобразователями, отличающаяся тем, что устройства управления и регулирования обеих подстанций создают импульсы управления, при которых 12-фазные преобразователи одной полуцепи электропередачи работают с углами регулирования α₁ на выпрямительной подстанции и β₁ на инверторной подстанции, а 12-фазные преобразователи другой полуцепи - соответственно с углами регулирования α₂ = α₁ + 15^o и β₂ = β₁ + 15^o.