ВОЛЬТОДОБАВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО С ТИРИСТОРНЫМ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ Российский патент 2001 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к энергетической электронике, в частности к устройствам компенсации реактивной мощности, и может быть использовано при создании электротехнических систем и комплексов с высокой эффективностью потребления и использования электроэнергии и стабильным напряжением.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является вольтодобавочное устройство с тиристорным ампритудно-фазовым регулированием для компенсации реактивной мощности трансформаторной подстанции (Патент РФ N 2056692, кл. 6 H 02 J 3/18, 20.03.96), которое взято за прототип.

Известное вольтодобавочное устройство включено на низкой стороне главного трансформатора подстанции и содержит датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, вольтодобавочный трансформатор и синхронизированный с сетью тиристорный преобразователь амплитуды и фазы напряжения с промежуточным звеном постоянного тока или напряжения и двухсторонним обменом энергии. В состав тиристорного преобразователя входит реверсивный выпрямитель, LC-фильтр и инвертор. Регулирование амплитуды напряжения вольтодобавки производится реверсивным выпрямителем, а регулирование фазы - инвертором. В устройстве может быть успешно применен как инвертор напряжения, так и инвертор тока. В первом случае применяется двухкомплектный реверсивный выпрямитель с преобладающей емкостью в его выходном LC-фильтре и отрицательной обратной связью по напряжению, во втором - однокомплектный реверсивный выпрямитель с преобладающей индуктивностью в его выходном LC-фильтре и резко отрицательной обратной связью по току.

К недостаткам прототипа следует отнести низкие коэффициенты мощности и полезного действия главного трансформатора подстанции при повышенном напряжении в сети, большие искажения тока, потребляемого реверсивным выпрямителем из вторичной цепи подстанции, вызывающие дополнительные потери в главном и вольтодобавочном трансформаторах и снижающие коэффициент мощности в первичной цепи подстанции, а также большой вес и габаритные размеры вольтодобавочного устройства, обусловленные тем, что для компенсации среднестатистической фазы тока нагрузки, примерно равной 30^o, мощность вольтодобавочного трансформатора и тиристорного преобразователя только в раз меньше мощности главного трансформатора подстанции. При включении вольтодобавочного трансформатора в цепь нагрузки требуется большой расход соединительных шин и кабелей, что также можно отнести к недостаткам устройства при оценке его массогабаритных показателей.

Задачей изобретения является улучшение энергетических показателей подстанции и массогабаритных показателей вольтодобавочного устройства.

В результате решения поставленной задачи массогабаритные показатели вольтодобавочного устройства с учетом добавления фильтрокомпенсирующих цепей улучшаются более чем в 2 раза. Энергетические показатели подстанции повышаются на 25-30%.

Решение поставленной задачи достигается тем, что первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора включена между входными зажимами и первичной обмоткой главного трансформатора, выход датчика реактивной мощности сети подключен к управляющему входу системы управления инвертором, выполненной с возможностью изменения направления регулирования фазы выходного напряжения инвертора по знаку управляющего сигнала, выход датчика отклонения напряжения нагрузки подключен к управляющему входу системы управления реверсивным выпрямителем, выполненной с возможностью ограничения минимального уровня выпрямленного напряжения, в индуктивно-емкосный фильтр встроен датчик тока, выход которого подключен к дополнительному управляющему входу системы управления реверсивным выпрямителем, а также тем что, реверсивный выпрямитель выполнен с искусственной коммутацией и регулированием фазы его входного тока в функции выпрямленного тока, при этом система управления реверсивным выпрямителем выполнена с возможностью опережающего регулирования фазы его входного тока в выпрямительном режиме и отстающего регулирования в инверторном режиме.

Преимуществом предлагаемого устройства является прежде всего то, что полная компенсация реактивной мощности достигается на входе трансформаторной подстанции, а не на выходе. Кроме этого, достигнуто повышение коэффициентов мощности и полезного действия главного трансформатора и коэффициента искажения входного тока подстанции.

В устройстве два источника реактивной мощности - нерегулируемый (батарея 11 косинусных конденсаторов и (или) фильтрокомпенсирующие цепи 8) и регулируемый (вольтодобавочный трансформатор 2 с тиристорным преобразователем для четырехквадрантного регулирования амплитуды и фазы добавочного напряжения). Такое сочетание в устройстве дискретной и плавной ступеней компенсации позволяет при сохранении диапазона полной компенсации реактивной мощности уменьшить мощность вольтодобавочного трансформатора и тиристорного преобразователя в 2 раза.

Монтаж вольтодобавочного устройства не на низкой, а на высокой стороне трансформаторной подстанции также можно отнести к снижению затрат и улучшению массогабаритных показателей. В этом случае сокращение расхода электротехнических материалов (соединительных шин и кабелей) и снижение трудоемкости монтажных работ значительно перекрывает дополнительные капитальные вложения, связанные с введением в устройство дискретной ступени компенсации реактивной мощности.

Что касается массогабаритных показателей элементов собственно дискретной ступени (батареи косинусных конденсаторов и фильтрокомпенсирующих цепей), то они могут быть улучшены применением реверсивного выпрямителя с искусственной коммутацией и опережающим (отстающим) регулированием входного тока реверсивного выпрямителя в режиме вольтодобавки (вольтовычета) при сохранении длительности проводящего состояния тиристоров, равной 120^o (см. п. 2 формулы). Этот способ регулирования амплитуды добавочного напряжения наиболее органично сочетается с предложенной силовой схемой компенсации.

Сущность предлагаемого устройства поясняется нижеследующим описанием с прилагаемым к нему чертежами, где на фиг. 1 приведена схема вольтодобавочного устройства с тиристорным амплитудно-фазовым регулированием для компенсации реактивной мощности трансформаторной подстанции, а на фиг. 2 - векторная диаграмма напряжений и токов компенсатора реактивной мощности.

На фиг. 2 введены следующие обозначения: U₁, - напряжения сети и нагрузки; напряжения первичных обмоток главного и вольтодобавочного трансформаторов; токи сети и нагрузки; первичный и вторичный токи главного трансформатора; токи реверсивного выпрямителя, фильтро-компенсирующих цепей и батареи косинусных конденсаторов; δ- степень отклонения напряжения сети; α_И- фаза выходного напряжения инвертора фаза тока нагрузки; β ≈ const- угол векторного формирования тока вторичной цепи при применении принципа прямой компенсации.

Устройство (фиг. 1) содержит следующие элементы: 1 и 2 - главный и вольтодобавочный трансформаторы; 3 - инвертор (тока или напряжения) с системой управления 4; 5 - реверсивный выпрямитель (однокомплектный с резко отрицательной обратной связью по току, в случае применения инвертора тока или двухкомплектный с переключением комплектов по знаку выпрямленного тока, в случае применения инвертора напряжения) с системой индуктивно-емкостный. управления 6; 7 - индуктивно-емкостный фильтр (с преобладающей индуктивностью или емкостью в зависимости от типа инвертора) со встроенным датчиком тока; 8 - фильтрокомпенсирующие цепи; 9 - датчик отклонения напряжения нагрузки; 10 - датчик реактивной мощности сети; 11 - батарея косинусных конденсаторов; 12 - нагрузка.

Элементы вольтодобавочного устройства (фиг. 1) соединены следующим образом. Первичные обмотки главного 1 и вольтодобавочного 2 трансформаторов соединены последовательно и подключены к сети. Вторичная обмотка главного трансформатора 1 подключена к нагрузке 12, к которой также через реверсивный выпрямитель 5, фильтр 7 и инвертор 3 подключена вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 2. Управляющий вход системы 6 управления реверсивным выпрямителем 5 подключен к выходу датчика 9 отклонения напряжения нагрузки 12, а управляющий вход системы 4 управления инвертором 3 - к выходу датчика 10 реактивной мощности сети. Батарея 11 косинусных конденсаторов по необходимости подключается к зажимам сети, а фильтрокомпенсирующие цепи 8 подключены к входу реверсивного выпрямителя 5.

Устройство работает следующим образом. Тиристорный преобразователь амплитуды и фазы напряжения из напряжения нагрузки U₂ формирует регулируемое напряжение которое вольтодобавочным трансформатором 2 увеличивается в k_вт раз и прибавляется к напряжению сети U₁, образуя напряжение питания главного трансформатора 1 и уменьшенное в k_гт раз напряжение нагрузки
(1)
где k_гт и k_вт - коэффициенты трансформации главного и вольтодобавочного трансформаторов; ε(α_В)- степень регулирования амплитуды; α_В,α_И- углы управления реверсивным выпрямителем и инвертором.

С учетом отклонений напряжения в сети ΔU₁ = δ•U₁ и падения напряжения на трансформаторах выражение (1) запишется в виде

где δ- - степень отклонения напряжения сети от номинального уровня;
δ_К- - относительное падение напряжения на трансформаторах.

Из выражения (2) и векторной диаграммы (фиг. 2) видно, что вектор напряжения нагрузки регулируется по амплитуде и фазе.

Регулирование амплитуды обеспечивает стабилизацию выходного напряжения подстанции на заданном уровне. Регулирование фазы вектора в сторону опережения при RL-нагрузке и в сторону отставания при R-нагрузке (фиг. 2) позволяет совместно с фильтрокомпенсирующими цепями 8 и батареей косинусных конденсаторов 11 обеспечить прямую полную компенсацию реактивной мощности на входных зажимах подстанции.

Эти операции производятся системой двухконтурного управления, построенной по принципу подчиненного регулирования. В устройстве регулирование α_В производится по отклонению напряжения на нагрузке, а регулирование величины и знака α_И по отклонению и направлению реактивной мощности сети.

Наиболее целесообразной областью применения предлагаемого технического решения являются цеховые трансформаторные подстанции промышленных предприятий, подстанции городских микрорайонов, тяговые подстанции электрофицированного транспорта.

Изобретение предназначается для компенсации реактивной мощности на входе трансформаторной подстанции с одновременной стабилизацией ее выходного напряжения. Устройство содержит вольтодобавочный трансформатор, который включается на высокой стороне подстанции и управляется от тиристорного преобразователя амплитуды и фазы напряжения с промежуточным звеном постоянного напряжения или тока. Тиристорный преобразователь получает питание из цепи нагрузки. Дискретная ступень компенсации реактивной мощности содержит фильтрокомпенсирующие цепи нагрузки и батарею косинусных конденсаторов сети. При RL-нагрузке инвертор работает с опережающей фазой, а при R-нагрузке - с отстающей. При опережающем амплитудно-фазовом регулировании вектора вольтодобавки тиристоры инвертора работают с искусственной коммутацией. Технический результат заключается в улучшении энергетических показателей подстанции и массогабаритных показателей вольтодобавочного устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вольтодобавочное устройство с тиристорным амплитудно-фазовым регулированием для компенсации реактивной мощности трансформаторной подстанции, в состав которой входит главный трансформатор с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке, и входные зажимы с батареей косинусных конденсаторов, предназначенные для подключения к сети, содержащее вольтодобавочный трансформатор и тиристорный преобразователь со звеном постоянного напряжения или тока, в состав которого входит реверсивный выпрямитель с системой управления, индуктивно-емкостный фильтр и инвертор с синхронизированной с сетью системой управления, а также датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, при этом вторичная обмотка, вольтодобавочного трансформатора через тиристорный преобразователь со звеном постоянного напряжения или тока подключена к нагрузке, отличающееся тем, что первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора включена между входными зажимами и первичной обмоткой главного трансформатора, выход датчика реактивной мощности сети подключен к управляющему входу системы управления инвертором, выполненной с возможностью изменения направления регулирования фазы выходного напряжения инвертора по знаку управляющего сигнала, выход датчика отклонения напряжения нагрузки подключен к управляющему входу системы управления реверсивным выпрямителем, выполненной с возможностью ограничения минимального уровня выпрямительного напряжения, в индуктивно-емкостный фильтр встроен датчик тока, выход которого подключен к дополнительному управляющему входу системы управления реверсивным выпрямителем, а к входу реверсивного выпрямителя подключены фильтрокомпенсирующие цепи. 2. Вольтодобавочное устройство по п.1, отличающееся тем, что реверсивный выпрямитель выполнен с искусственной коммутацией и регулированием фазы его входного тока в функции выпрямленного тока, при этом система управления реверсивным выпрямителем выполнены с возможностью опережающего регулирования фазы его входного тока в выпрямительном режиме и отстающего регулирования в инверторном режиме.