УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ РЕАКТОРА С ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ Российский патент 2002 года по МПК H01F29/14 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам регулирования реактивной мощности, и может быть использовано для плавного регулирования сетевого тока и мощности управляемых подмагничиванием реакторов.

Известны устройства для управления подмагничиваемыми реакторами, которые содержат собственно реактор с обмотками, силовую схему для подмагничивания постоянным током, например трансформатор с полупроводниковым преобразователем, а также систему импульсно-фазового управления, которая по заданному закону регулирования изменяет ток подмагничивания в обмотке управления реактора и тем самым меняет его индуктивность, а соответственно ток и потребляемую мощность сетевой обмотки (1).

В известных схемах и устройствах система подмагничивания требовала отдельного источника электропитания, например подключения трансформатора с преобразователем к ячейке собственных нужд 6...10 кВ подстанции (2). При этом напряжение синхронизации в систему управления подавалось с трансформатора напряжения шин подстанции, а поддержание заданного тока или мощности сетевой обмотки реактора производилось в замкнутом контуре регулирования пропорционально-интегральными регуляторами (ПИ-регуляторами) с существенной постоянной времени интегрирующего звена, в результате чего усложняются связи между составными частями реактора и оборудованием подстанции, а также возрастают время регулирования и колебательность системы регулирования в целом.

Кроме того, известная инерционность реактора, обладающего значительной индуктивностью, приводила к тому, что выход на требуемый режим потребления реактивной мощностью происходил с задержкой, соответствующей постоянной времени сетевой обмотки реактора и составляющей в зависимости от мощности величину от 0,3 до 2 с. Однако для ряда применений, например для трехфазных шунтирующих реакторов линий 220-500 кВ при включении линии на холостой ход, такое время набора реактором реактивной мощности является неприемлемым и приводит к перенапряжениям на линии.

Цель изобретения - упрощение схемы, повышение надежности и устойчивости регулирования, повышение быстродействие выхода на режим потребления реактивной мощности.

Указанная цель достигается тем, что в первом случае для упрощения схемы, повышения надежности и устойчивости регулирования устройство для управления мощностью реактора с подмагничиванием, содержащего сетевую обмотку, соединенную в звезду, обмотку управления, секции которой соединены параллельно, и компенсационную обмотку, соединенную в треугольник, трансформатор со встроенным преобразователем по схеме Ларионова для подмагничивания и систему импульсно-фазового управления, отличается тем, что трансформатор со встроенным преобразователем своей высоковольтной обмоткой подключен к выводам компенсационной обмотки реактора, а двумя выводами постоянного выходного напряжения схемы Ларионова - к обмотке управления, напряжение синхронизации для системы импульсно-фазового управления подается от вторичной обмотки трансформатора со встроенным преобразователем, а регулирование тока в сетевой обмотке реактора производят по пропорциональному закону регулирования с помощью пропорционального регулятора, в котором угол управления тиристорами встроенного преобразователя определяют по рассогласованию между напряжением уставки и напряжением в точке подключения реактора.

При этом по мере превышения напряжением заданной уставки по напряжению угол управления тиристорами плавно изменяется от угла холостого хода до номинального, в результате чего соответственно нарастает ток подмагничивания в обмотке управления, а ток сетевой обмотки и мощность реактора увеличиваются от значений холостого хода до номинального.

Во втором случае для повышения быстродействия выхода на режим потребления реактивной мощности то же устройство отличается тем, что параллельно выходу встроенного преобразователя для подмагничивания к обмотке управления реактора подключена цепочка из последовательно соединенных диода и тиристора, на которые при условии отсутствия напряжения на реакторе непрерывно подают напряжение от источника предварительного подмагничивания, в результате чего обеспечивают дозированное предварительное насыщение магнитной системы реактора. В результате реактор при появлении напряжения на его сетевой обмотке безинерционно выходит на режим заданного значения потребляемой реактивной мощности.

Предлагаемое изобретение может использоваться для управляемых подмагничиванием реакторов высокого напряжения различного назначения и разнообразных схем соединения обмоток. Один из вариантов такого применения для управляемого трехфазного шунтирующего реактора классов напряжения 220...500 кВ показан на чертеже. В данном случае управляемый реактор (УР) содержит три трехфазные обмотки - сетевую 1 (СО), управления 2 (ОУ) и компенсационную 3 (КО), расположенные соосно на соответствующих стержнях магнитопровода. Устройство подмагничивания постоянным током представляет собой отдельно стоящий трансформатор класса 10/0,4 кВ со встроенным полупроводниковым преобразователем 4 (ПП) на стороне вторичной обмотки (ТМП - трансформатор масляный с преобразователем). Управление преобразователем ТМП осуществляется системой импульсно-фазового управления 5 (СИФУ), которая обеспечивает открытие соответствующих тиристоров преобразователя с углом управления, заданным пропорциональным регулятором по напряжению 6 (П-регулятором), выполненным любым из известных способов, например, на операционном усилителе с резистором в обратной связи.

Сетевая обмотка управляемого реактора в данном случае соединена в звезду и подключается непосредственно к шинам подстанции или линии 220...500 кВ. Фазы обмотки управления соединены параллельно и подключены к выводам постоянного выходного напряжения преобразователя ТМП. Компенсационная обмотка, соединенная в треугольник и служащая для замыкания гармоник, кратных трем, имеет выводы из вершин треугольника, к которым подключается высоковольтная сетевая обмотка 7 (ВН) трансформатора ТМП, соединенная в звезду. Вторичная обмотка 8 (НН), соединенная в треугольник, питает преобразователь, тиристоры которого соединены по схеме Ларионова. Система импульсно-фазового управления (СИФУ) реализуется любым из известных способов и подключается по цепям синхронизации ко вторичной обмотке ТМП, а по опорному сигналу - к пропорциональному регулятору, выходной сигнал которого линейно зависит от рассогласования между напряжением уставки (U уставки) и напряжением в точке подключения реактора (U сети).

Кроме указанного, к выводам обмотки управления параллельно выходу преобразователя ТМП подключена цепочка предварительного подмагничивания постоянным током 9, состоящая из последовательно включенных диода и тиристора, на которую подается напряжение подмагничивания от отдельного источника питания 10 (ИП) во всех режимах, когда на реакторе отсутствует напряжение сети (перед включением линии на холостой ход, в паузе АПВ и т.п.).

Исполнение магнитопровода, схемы соединения обмоток, тип преобразователя ТМП в данном изобретении не имеют принципиального значения и могут быть любыми из известных технических решений. Существенными признаками являются четыре нижеследующих, которые и входят в два зависимых пункта изобретения.

Во-первых, наличие выводов компенсационной обмотки, выбранной на соответствующее напряжение и ток нагрузки, позволяет обеспечить питание ТМП непосредственно от реактора без использования отдельного источника переменного высокого напряжения в виде свободной ячейки 10 кВ подстанции. Таким образом обеспечивается самоподмагничивание реактора в рабочих режимах и упрощаются связи комплекса управляемого реактора в целом, достигается его удешевление за счет экономии фидера питания по стороне 10 кВ. Кроме того, благодаря зависимости напряжения на выводах компенсационной обмотки от тока в ней (при росте нагрузки реактора растет ток в компенсационной обмотке и падает напряжение на ее выводах) обеспечивается дополнительная форсировка по напряжению системы подмагничивания (ТМП) в режимах перехода от нагрузок, близких к холостому ходу, к номинальным нагрузкам реактора, что соответственно повышает быстродействие реактора в указанных режимах.

Следует заметить, что известны технические решения обеспечения самоподмагничивания управляемого реактора тиристорами в отпайках сетевой обмотки или обмотки управления (1,2). Однако по условиям надежности и технологичности они применимы только для управляемых реакторов более низкого класса напряжения, поскольку при больших напряжениях и мощностях реакторов они требуют значительного числа встраиваемых в общий бак полупроводниковых приборов либо большого числа выводов отпаек обмоток наружу (при внешнем расположении приборов), либо большого числа выводов отпаек обмоток наружу (при внешнем расположении коммутируемых тиристоров в отпайках обмоток), что также затруднительно по условиям технологии. Указанная выше дополнительная форсировка по напряжению в этих решениях также отсутствует, что сравнительно снижает быстродействие реактора.

Во-вторых, упрощение схемы комплекса управляемого реактора и повышение надежности его работы обеспечивается за счет оптимизации связей по управлению, а именно передачей синхронизирующих напряжений в СИФУ непосредственно от вторичной обмотки ТМП, питающей схему преобразователя. Наряду с сокращением количества и протяженности вторичных цепей в сравнении с получением синхронизации от подстанционных трансформаторов напряжения это решение позволяет упростить нижеописанный алгоритм работы цепей предварительного подмагничивания, поскольку отсутствие напряжения на ТМП и в цепях синхронизации однозначно свидетельствует о тех режимах, когда на реакторе отсутствует напряжение и требуется его предварительное подмагничивание.

В-третьих, по сравнению с известньми решениями изменен контур регулирования и способ формирования опорного напряжения для СИФУ. Ранее в контурах регулирования реактора по напряжению и заданной мощности использовались как пропорциональные, так и интегральные звенья (ПИ-регуляторы). Наличие интегрального звена в регуляторе при известной инерционности самого объекта регулирования создавало систему замкнутого регулирования не ниже второго порядка, что неизбежно приводило к ее колебательности, дополнительным контурам для ее минимизации, а также к снижению быстродействия, поскольку в интегрирующем звене постоянная времени выбирается большей или равной постоянной объекта регулирования.

В то же время инерционность реактора как объекта регулирования при допустимости для рассматриваемого круга задач пропорционального регулирования со статизмом позволяет применить пропорциональный регулятор (П-регулятор), в котором все звенья регулятора являются практически безинерционными. Тогда система регулирования будет иметь первый порядок, переходные процессы станут апериодическими и колебательность системы будет исключена. При этом собственно реактор, являясь инерционным звеном или интегратором в системе регулирования, сглаживает случайные отклонения и быстро переходные процессы как в сети, так и в контуре регулирования. При безинерционном формировании управляющего опорного сигнала П-регулятором по рассогласованию напряжения сети с напряжением уставки регулирование сетевого тока и мощности реактора производится с постоянной времени сетевой обмотки порядка 0,1 с.

В-четвертых, подключение к выводам обмотки управления параллельно к выходу ТМП цепочки предварительного подмагничивания, состоящей из последовательно включенных диода и тиристора, позволяет обеспечить безинерционный выход реактора на требуемый режим потребления реактивной мощности при подаче напряжения на сетевую обмотку. Для этого во всех режимах, когда напряжение сети на реакторе отсутствует - при первичном включении линии или реактора, при восстановлении напряжения после паузы АПВ (автоматического повторного включения при к. з. в сети) и т.п. по признаку отсутствия синхронизирующих напряжений, получаемых от ТМП в СИФУ, подается напряжение на указанную цепь предварительного подмагничивания и управляющее напряжение на тиристор в ее составе. Указанное напряжение вызывает ток предварительного подмагничивания через диод и тиристор в обмотке управления реактора, в результате чего магнитная система частично насыщается постоянным магнитным потоком, и при включении сетевого напряжения фазы реактора безинерционно набирают реактивную мощность, величина которой обусловлена величиной тока предварительного подмагничивания через дополнительную цепь из диода и тиристора на выводах обмотки управления. Изменяя напряжение и ток предварительного подмагничивания, можно регулировать ток сетевой обмотки и соответствующую мощность, которые безинерционно обеспечат реактор при подаче на него напряжения сети. Мощность источника и полупроводниковых приборов в цепи предварительного подмагничивания составляет величину менее 1% мощности управляемого реактора.

Управляемый подмагничиванием трехфазный шунтирующий реактор, приведенный на чертеже, работает следующим образом. При отключенном выключателе со стороны сетевой обмотки и отсутствии напряжения на реакторе отсутствует также напряжение на ТМП и синхронизирующие напряжения на СИФУ, получаемые со вторичной обмотки ТМП. При этом на диод и тиристор в цепи предварительного подмагничивания подается напряжение 220 В от источника питания ИП системы управления (СУ). Выпрямление и регулирование этого напряжения указанными диодом и тиристором обеспечивает протекание в обмотке управления выпрямленного тока такой величины, которая обеспечит дозированное насыщение магнитопровода в соответствии с той реактивной мощностью, которую должен безинерционно набрать реактор после подачи на него сетевого напряжения.

При подаче напряжения на реактор включением выключателя 220... 500 кВ (либо при включении линии на холостой ход или после паузы АПВ) реактор безинерционно переходит в режим потребления реактивной мощности, обусловленной величиной тока предварительного подмагничивания. Одновременно при этом снимается напряжение от источника предварительного подмагничивания, подается напряжение на ТМП от компенсационной обмотки, синхронизирующие напряжения от ТМП в СИФУ, и дальнейшее регулирование сетевого тока и реактивной мощности реактора осуществляется преобразователем ТМП в соответствии с углом открытия тиристоров преобразователя, который в свою очередь вырабатывается в СИФУ сравнением пилообразного напряжения с опорньм сигналом от П-регулятора. Замкнутый контур системы автоматического регулирования, состоящий из П-регулятора, СИФУ, ТМП и обмотки управления, поддерживает в последней ток подмагничивания, обеспечивающий такое насыщение магнитной системы реактора, при котором значения индуктивностей и токов фаз сетевой обмотки реактора обуславливают текущую потребляемую реактивную мощность реактора в соответствии с сигналом рассогласования между напряжением уставки и напряжением в точке подключения реактора к сети 220...500 кВ. По мере повышения напряжения сети выше заданного напряжения уставки с заданным статизмом порядка 2...5% растет рассогласование на входе П-регулятора, что вызывает уменьшение угла открытия тиристоров преобразователя ТМП от угла холостого хода до его номинального значения, соответствующий рост тока подмагничивания в обмотке управления, насыщение магнитной системы реактора и рост сетевого тока в фазах А, В, С. В соответствии с этим плавно и линейно возрастает (или снижается) потребляемая реактивная мощность от значений холостого хода до номинального режима (и обратно).

При этом предлагаемые в изобретении технические решения позволяют минимизировать состав оборудования и связей в реакторе, повысить надежность и устойчивость его работы, а также обеспечить максимальное быстродействие в требуемых режимах за счет форсировки напряжения на ТМП и предварительного подмагничивания магнитной системы.

Предлагаемые технические решения исследованы на математических и физических моделях управляемых шунтирующих реакторов напряжением 220 и 330 кВ. Эти исследования и эксперименты, а также макетирование основных узлов показали эффективность и работоспособность как отдельных решений, так и комплекса управляемого подмагничиванием реактора в целом.

Литература
1. Управляемые реакторы. Электротехника, 1991, 2 (спецвыпуск).

2. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы - новое электротехническое оборудование. А.М., Брянцев, Б.И. Базылев, А.Г. Долгополов и др. - Электротехника, 1999, 7.

Использование: для плавного регулирования сетевого тока и мощности управляемых подмагничиванием реакторов. Технический результат заключается в упрощении схемы, повышении надежности и устойчивости регулирования, повышении быстродействия выхода на режим потребления реактивной мощности. Устройство содержит сетевую обмотку, соединенную в звезду, обмотку управления, секции которой соединены параллельно, и компенсационную обмотку, соединенную в треугольник. Трансформатор со встроенным преобразователем своей высоковольтной обмоткой подключен к выводам компенсационной обмотки реактора, а двумя выводами постоянного выходного напряжения его преобразователя, тиристоры которого соединены по схеме Ларионова, к обмотке управления. Напряжение синхронизации для системы импульсно-фазового управления подается от вторичной обмотки трансформатора. Регулирование тока в сетевой обмотке реактора производят с помощью пропорционального регулятора, в котором угол управления тиристорами встроенного преобразователя определяют по рассогласованию между напряжением уставки и напряжением в точке подключения реактора. По мере превышения напряжением заданной уставки по напряжению угол управления тиристорами плавно изменяется от угла холостого хода до номинального, в результате чего соответственно нарастает ток подмагничивания в обмотке управления, а ток сетевой обмотки и мощность реактора увеличиваются от значений холостого хода до номинального 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для управления мощностью реактора с подмагничиванием, содержащего сетевую обмотку, соединенную в звезду, обмотку управления, секции которой соединены параллельно, и компенсационную обмотку, соединенную в треугольник, трансформатор со встроенным преобразователем для подмагничивания, тиристоры которого соединены по схеме Ларионова, и систему импульсно-фазового управления, отличающееся тем, что трансформатор со встроенным преобразователем своей высоковольтной обмоткой подключен к выводам компенсационной обмотки реактора, а выводами постоянного выходного напряжения - к обмотке управления, система импульсно-фазового управления подключается по цепям синхронизации ко вторичной обмотке трансформатора со встроенным преобразователем для подмагничивания, а по опорному сигналу - к пропорциональному регулятору, выходной сигнал которого линейно зависит от рассогласования между напряжением уставки и напряжением сети в точке подключения реактора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что параллельно выходу встроенного преобразователя для подмагничивания к обмотке управления реактора подключена цепочка из последовательно соединенных диода и тиристора, на которые при условии отсутствия напряжения сети на реакторе непрерывно подают напряжение подмагничивания от отдельного источника питания, в результате чего обеспечивают дозированное предварительное насыщение магнитной системы реактора.