СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ Российский патент 2001 года по МПК H02J3/18 G05F1/30 

Изобретение относится к энергетической электронике и может быть использовано для компенсации реактивной мощности на входе и стабилизации напряжения на выходе трансформаторной подстанции.

За прототип взята система автоматической компенсации отклонений напряжения трансформаторной подстанции, которая содержит главный и вольтодобавочный трансформаторы и тиристорный преобразователь со звеном постоянного напряжения, в состав которого входят реверсивный выпрямитель, LC-фильтр и двухмостовой инвертор напряжения (Патент N 2117981 РФ, G 05 F 1/30, H 02 M 5/45, 20.08.98, Бюл. N 23). Обмотки главного трансформатора подстанции включены по схеме У/Ун. Вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора через тиристорный преобразователь подключена к нагрузке, а его первичная обмотка включена последовательно с первичной обмоткой главного трансформатора. Реверсивный выпрямитель работает с фиксированными углами α_в и π-α_в прямого и обратного трехфазных мостов при формировании соответственно положительной и отрицательной вольтодобавки. Углы управления α_и и π-α_и первым и вторым трехфазными мостами инвертора напряжения регулируются от 0 до 180 градусов.

В результате раздельного согласованного управления мостами выпрямителя с фиксированным α_в и совместного согласованного управления мостами инвертора достигается широтно-импульсное регулирование вольтодобавки в шести поддиапазонах.

Это регулирование выходного напряжения производится вверх и вниз относительно напряжения сети без сдвига первой гармоники и со сравнительно высоким быстродействием.

К недостаткам известного устройства следует отнести низкие значения коэффициентов мощности и полезного действия трансформаторной подстанции, которые вызваны тем обстоятельством, что при наличии в прототипе потребителей реактивной мощности и источников мощности искажения в нем отсутствуют средства и элементы управления для компенсации этих составляющих полной мощности.

В известном устройстве имеются два источника нелинейных искажений, вызывающих потери активной мощности у потребителей, в сети, на элементах трансформаторной подстанции.

Во-первых, это искажения выходного напряжения, вносимые двухмостовым инвертором. Они имеют наибольшие значения при отсутствии амплитудного регулирования, особенно при изменении α_и в пределах от 0 до 15 град. и от 165 до 180 град.

Во-вторых, это искажения тока на низкой и высокой стороне подстанции, обусловленные наличием реверсивного выпрямителя.

Кроме того, при работе подстанции в условиях резких качаний напряжения в сети и резкопеременном характере нагрузки возникают дополнительные искажения формы токов и качания их первых гармонических составляющих по фазе.

Задачей изобретения является повышение качества, эффективности потребления и использования электроэнергии.

В результате решения поставленной задачи улучшаются форма выходного напряжения и форма входного тока, повышаются коэффициенты мощности и полезного действия подстанции.

Решение поставленной задачи при неполной и нерегулируемой компенсации реактивной мощности сети достигается тем, что к входным зажимам реверсивного выпрямителя подключены фильтрокомпенсирующие цепи, система совместного согласованного управления двухмостовым инвертором напряжения выполнена с возможностью изменения угла управления в пределах от 15 до 165 град., а система раздельного согласованного управления реверсивным выпрямителем выполнена с ограничением минимального уровня выпрямленного напряжения и ее управляющий вход подключен к выходу того же датчика отклонения напряжения нагрузки или к выходу введенного датчика отклонения напряжения сети, а также тем, что реверсивный выпрямитель выполнен по мостовой схеме с искусственной коммутацией и с неизменным 120-градусным интервалом между углами включения и выключения каждого вентиля, синхронизирующий вход системы управления реверсивным выпрямителем подключен к нагрузке через одноканальную систему регулирования фазы синхроимпульсов, выполненную с изменением направления регулирования фазы синхроимпульсов относительно напряжения нагрузки по знаку управляющего сигнала или знаку выпрямленного тока, а управляющий вход одноканальной системы регулирования фазы синхроимпульсов подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки или датчика отклонения напряжения сети.

Решение поставленной задачи при достижении полной компенсации реактивной мощности подстанции с обеспечением высокого качества выходного напряжения и входного тока подстанции достигается тем, что в к входным зажимам трансформаторной подстанции подключена батарея косинусных конденсаторов и синхронизирующий вход системы совместного согласованного управления двухмостовым инвертором напряжения подключен к сети через дополнительную одноканальную систему регулирования фазы синхроимпульсов, выполненную с возможностью изменения направления регулирования фазы относительно напряжения сети по знаку управляющего сигнала, а управляющий вход дополнительной одноканальной системы регулирования фазы синхроимпульсов подключен к выходу введенного реверсивного датчика реактивной мощности сети, а также тем, что введен логический блок задания направления регулирования фазы, выход которого подключен к входу контроля одноканальной системы регулирования фазы синхроимпульсов, а первый и второй его входы - соответственно к выходу реверсивного датчика реактивной мощности сети и к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки.

На фиг. 1-4 приведены схемы предлагаемой системы, выполненные до уровня известных функциональных элементов. Схемы с управляемым реверсивным выпрямителем с естественной и искусственной коммутацией представлены на фиг. 1 и 2, а с добавлением к ним четырехквадрантного амплитудно-фазового регулирования - на фиг. 3 и 4. На фиг. 5 представлена векторная диаграмма токов и напряжений, иллюстрирующая работу системы при R- и RL-нагрузках.

На векторной диаграмме (фиг. 5) введены следующие обозначения:
U_c и ΔU_с - напряжение сети и его отклонение от номинального уровня;
и - напряжение на первичной обмотке главного трансформатора при RL- и R-нагрузке соответственно;
и - напряжение на вторичной обмотке главного трансформатора при RL- и R-нагрузке соответственно;
и - добавочное напряжение трансформатора при RL- и R-нагрузке;
ϕ_н и - фаза тока нагрузки при RL- и R-нагрузке;
β - фаза добавочного напряжения;
- ток сети и его составляющие (ток первичной цепи и конденсаторной батареи);
- ток вторичной цепи и его составляющие (ток нагрузки, выпрямителя и первой гармоники фильтрокомпенсирующих цепей).

Система автоматической компенсации реактивной мощности и отклонений напряжения трансформаторной подстанции (фиг. 1, 2, 3 и 4) содержит следующие элементы: главный и вольтодобавочный трансформаторы 1 и 2, двухмостовой инвертор напряжения 3 с системой совместного согласованного управления 4, мостовой реверсивный выпрямитель 5 с системой управления 6, фильтр 7, фильтрокомпенсирующие цепи 8, датчики отклонения напряжения нагрузки 9 и сети 10, сеть 11 и нагрузку 12, одноканальную систему регулирования фазы синхроимпульсов 13, дополнительную одноканальную систему регулирования фазы синхроимпульсов 14, реверсивный датчик реактивной мощности 15, батарею косинусных конденсаторов 16, логический блок задания направления регулирования фазы синхроимпульсов 17.

Элементы схемы (фиг. 1) соединены следующим образом.

Обмотки главного трансформатора 1 соединены по схемам У/Ун. Вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 2 пофазно подключена к выходу тиристорного преобразователя со звеном постоянного напряжения, вход которого подключен к нагрузке 12. Первичные обмотки главного и вольтодобавочного трансформаторов 1 и 2 соединены последовательно и подключены к сети 11. В тиристорном преобразователе между выходом реверсивного выпрямителя 5 и входом двухмостового инвертора напряжения 3 включен LC-фильтр 7 со встроенным в него датчиком направления входного тока инвертора, а выход этого датчика подключен к системе раздельного согласованного управления 6 мостами реверсивного выпрямителя 5. К входным зажимам реверсивного выпрямителя 5 подключены фильтрокомпенсирующие цепи 8 и синхронизирующий вход его системы раздельного согласованного управления 6. Синхронизирующий вход системы совместного согласованного управления 4 двухмостовым инвертором напряжения 3 подключен к сети 11. Выход датчика 9 отклонения напряжения нагрузки подключен к управляющему входу системы управления 4 двухмостовым инвертором напряжения 3, а управляющий вход системы управления 6 реверсивным выпрямителем 5 подключен к выходу датчика 10 отклонения напряжения сети 11.

На фиг. 2, 3 и 4 введены дополнительные элементы и связи между ними. На фиг. 2 синхронизирующий вход системы раздельного согласованного управления 6 через одноканальную систему регулирования фазы синхроимпульсов 13 подключен к нагрузке 12. На фиг. 3 синхронизирующий вход системы совместного согласованного управления 4 через дополнительную одноканальную систему регулирования фазы синхроимпульсов 14 подключен к сети, к которой также подключены введенная батарея косинусных конденсаторов 16 и реверсивный датчик 15 реактивной мощности сети, выход которого подключен к управляющему входу дополнительной одноканальной системы регулирования фазы синхроимпульсов 14. На фиг. 4 выход логического блока задания направления регулирования фазы 17 подключен к входу контроля одноканальной системы регулирования фазы синхроимпульсов 13, а первый и второй его входы - соответственно к выходу реверсивного датчика 15 реактивной мощности сети 11 и к выходу датчика 9 отклонения напряжения нагрузки 12.

Принцип действия предлагаемой системы основан на суммировании напряжения сети с модулированным добавочным напряжением и четырехквадрантном векторном формировании добавочного напряжения при помощи тиристорного преобразования амплитуды и фазы со звеном постоянного напряжения.

Вектор действующего значения первой гармоники модулированного добавочного напряжения формируется из напряжения нагрузки U₂ и определяется выражением

где α_В, α_И - углы управления тиристорами реверсивного выпрямителя и двухмостового инвертора напряжения; β_И - фаза выходного напряжения двухмостового инвертора; κ_ВT - коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора.

Здесь при учете падения напряжения в тиристорном преобразователе и условии ограничения начального и конечного значений α_И на 15 град. будем полагать, что

и тогда выражение (1) запишется в виде

Напряжение U₁ на первичной обмотке главного трансформатора определяется суммой напряжения сети U_c и добавочного напряжения U_д:

Главный трансформатор 1, уменьшая свое входное напряжение U₁ в коэффициент трансформации κ_ГТ раз, формирует напряжение нагрузки

или с учетом отклонений напряжения в сети ± ΔU_с и падения напряжения на трансформаторах окончательно получим

Из выражения (4) и диаграммы (фиг. 5) видно, что при изменении α_И β_И и α_В вектор регулируется по амплитуде и фазе. Регулирование амплитуды обеспечивает компенсацию отклонений напряжения, вызванных изменениями напряжения в сети ± ΔU_С, а также изменениями величины и характера нагрузки, выраженными вектором
Регулирование фазы вектора напряжения U₂ в сторону опережения при RL-нагрузке и в сторону отставания при R-нагрузке позволяет совместно с фильтрокомпенсирующими цепями 8 обеспечить ориентацию вектора тока вторичной цепи подстанции практически на неизменную величину угла δ относительно напряжения сети U_С и при необходимости с применением в первичной цепи батареи косинусных конденсаторов 16 обеспечить полную компенсацию реактивной мощности на входных зажимах подстанции.

Ток вторичной цепи (фиг. 5) складывается из тока нагрузки с током реверсивного выпрямителя и первой гармоники тока фильтрокомпенсирущих цепей :

При использовании в устройстве реверсивного выпрямителя 5 с искусственной коммутацией фазу вектора тока I_в можно регулировать углами включения и выключения тиристоров (см. п. 2 формулы), сохраняя при этом между ними интервал 120 град. В режиме вольтодобавки фазу тока I_в целесообразно регулировать в сторону опережения, а в режиме вольтовычета - в сторону отставания относительно синхронизирующего напряжения U₂. Это дополняет решение задачи компенсации реактивной мощности, уменьшает искажения тока, потребляемого выпрямителем из вторичной цепи подстанции (облегчает фильтрокомпенсирующие цепи 8), и уменьшает искажения выходного напряжения.

При управлении углом β в функции реактивной мощности сети, а углами α_И и α_В в функции отклонения напряжения нагрузки (см. п. 3 формулы) вектор напряжения U₁ является радиусом заданной окружности, а фаза тока сети равна нулю (см. фиг. 5). Это позволяет в одном устройстве совместить две взаимно дополняющие друг друга функции - стабилизировать напряжение нагрузки и компенсировать реактивную мощность сети.

При совмещении п. 2 и п. 3 формулы вопрос рационального регулирования фазы тока выпрямителя I_в может быть решен при помощи логического блока 17 задания направления регулирования фазы синхроимпульсов (см. п. 4 формулы) по совпадению знаков выходных сигналов с датчиков обратной связи в процессе четырехквадрантного формирования вектора
Предлагаемое устройство отличают высокое быстродействие, улучшенная форма входного тока и выходного напряжения. Оно, как более совершенное, может заменить в системах электроснабжения известные устройства автоматической компенсации реактивной мощности и стабилизации трехфазного напряжения.

Изобретение предназначено для электротехнических систем и комплексов. Оно обеспечивает быстродействующую компенсацию реактивной мощности и стабилизацию трехфазного синусоидального напряжения в системах энергоснабжения промышленных предприятий, объектов агропромышленного и оборонного комплексов, городского жилищно-коммунального хозяйства и электрифицированного транспорта. Система содержит вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого через реверсивный выпрямитель, фильтр и двухмостовой инвертор напряжения подключена к нагрузке, а его первичная обмотка соединена последовательно с первичной обмоткой главного трансформатора подстанции. В автоматической системе для стабилизации напряжения на нагрузке применено смешанное регулирование добавочного высоковольтного напряжения (амплитудное и широтно-импульсное). Широтно-импульсное регулирование реализовано двухмостовым инвертором напряжения в функции отклонения напряжения на нагрузке, а амплитудное - реверсивным выпрямителем в функции отклонения напряжения сети или нагрузки. Компенсация реактивной мощности сети осуществляется дискретным и плавным путем. Дискретная ступень представляет собой батарею косинусных конденсаторов на зажимах сети и/или фильтрокомпенсирующие цепи на зажимах нагрузки. Ступень плавного регулирования потребляемой или генерируемой реактивной мощности организована двухмостовым инвертором путем отстающего или опережающего регулирования фазы его выходного напряжения в функции реактивной мощности сети. Предлагаемую систему отличают улучшенное качество выходного напряжения и входного тока, высокие энергетические показатели и быстродействие, что является техническим результатом. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Система автоматической компенсации реактивной мощности и отклонений напряжения трансформаторной подстанции, содержащая главный и вольтдобавочный трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и подключены к входным зажимам трансформаторной подстанции, предназначенным для подключения сети, вторичная обмотка главного трансформатора подключена к нагрузке, к которой также через реверсивный выпрямитель, фильтр и двухмостовой инвертор напряжения подключена вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, при этом в реверсивном выпрямителе применена синхронизированная с напряжением нагрузки система раздельного согласованного управления с переключением мостов по знаку тока через фильтр, а в двухмостовом инверторе напряжения - синхронизированная с напряжением сети система совместного согласованного управления с управляющим входом, подключенным к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, отличающаяся тем, что к входным зажимам реверсивного выпрямителя подключены фильтрокомпенсирующие цепи, система совместного согласованного управления двухмостовым инвертором напряжения выполнена с возможностью изменения угла управления в пределах от 15 до 165^o, а система раздельного согласованного управления реверсивным выпрямителем выполнена с ограничением минимального уровня выпрямленного напряжения и ее управляющий вход подключен к выходу того же датчика отклонения напряжения нагрузки или к выходу вновь введенного датчика отклонения напряжения сети. 2. Система автоматической компенсации по п.1, отличающаяся тем, что реверсивный выпрямитель выполнен по мостовой схеме с искусственной коммутацией и с неизменным 120-градусным интервалом между углами включения и выключения каждого вентиля, синхронизирующий вход системы управления реверсивным выпрямителем подключен к нагрузке через одноканальную систему регулирования фазы синхроимпульсов, выполненную с изменением направления регулирования фазы синхроимпульсов относительно напряжения нагрузки по знаку управляющего сигнала или знаку выпрямленного тока, а управляющий вход одноканальной системы регулирования фазы синхроимпульсов подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки или датчика отклонения напряжения сети. 3. Система автоматической компенсации по п.1, отличающаяся тем, что к входным зажимам трансформаторной подстанции подключена батарея косинусных конденсаторов и синхронизирующий вход системы совместного согласованного управления двухмостовым инвертором напряжения подключен к сети через дополнительную одноканальную систему регулирования фазы синхроимпульсов, выполненную с возможностью изменения направления регулирования фазы относительно напряжения сети по знаку управляющего сигнала, а управляющий вход дополнительной одноканальной системы регулирования фазы синхроимпульсов подключен к выходу вновь введенного реверсивного датчика реактивной мощности сети. 4. Система автоматической компенсации по п.2, отличающаяся тем, что к входным зажимам трансформаторной подстанции подключена батарея косинусных конденсаторов и синхронизирующий вход системы совместного согласованного управления двухмостовым инвертором напряжения подключен к сети через дополнительную одноканальную систему регулирования фазы синхроимпульсов, выполненную с возможностью изменения направления регулирования фазы относительно напряжения сети по знаку управляющего сигнала, а управляющий вход дополнительной одноканальной системы регулирования фазы синхроимпульсов подключен к выходу вновь введенного реверсивного датчика реактивной мощности сети. 5. Система автоматической компенсации по п.4, отличающаяся тем, что введен логический блок задания направления регулирования фазы, выход которого подключен к входу контроля одноканальной системы регулирования фазы синхроимпульсов, а первый и второй его входы соответственно к выходу реверсивного датчика реактивной мощности сети и к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки.