УСТРОЙСТВО СТАТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2012 года по МПК H02J3/18 

Область техники

Настоящее изобретение касается, в целом, устройств статических компенсаторов реактивной мощности и, более конкретно, того, как устройство статического компенсатора реактивной мощности соединяется с передающими сетями.

Предшествующий уровень техники

Шунтирующие компенсаторы применяются в высоковольтных сетях для компенсации избыточного потребления или генерированием реактивной энергии. Тиристоры часто используют для управления обменной реактивной энергией таких шунтирующих компенсаторов на циклической основе.

Обычный способ соединения шунтирующих компенсаторов можно увидеть на фиг.1. Согласующий трансформатор 101 применяется между передающей сетью 102 и тиристорными регулирующими/переключающими реактивную энергию элементами, чтобы адаптировать номинальное высокое напряжение передающей системы к пониженному напряжению в диапазоне 10-30 кВ, к которому подключены тиристорные управляемые реакторы (ТУР) 103, тиристорные переключающие реакторы (ТПР) 103 и/или тиристорные переключающие конденсаторы (ТПК) 104. Обычно также группы шунтов и/или фильтры 105 гармоник соединяют с той же низковольтной шиной.

Однако данное соединение предшествующего уровня техники демонстрирует некоторые недостатки в отношении производительности, такие как насыщение трансформатора при высоком емкостном питании или при высоком напряжении сети, потребление реактивной мощности в трансформаторе и избыточные номинальные вторичные токи, и очень высокие токи короткого замыкания.

Поэтому существует необходимость в улучшении применения шунтирующих компенсаторов.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является упрощение компоновки статических компенсаторов реактивной мощности.

Согласно изобретению предложено устройство однофазного статического компенсатора реактивной мощности. Устройство содержит компенсаторную цепь, состоящую из первого статического компенсатора реактивной мощности, соединенного последовательно с тиристорным вентилем. Компенсаторная цепь выполнена с возможностью соединения на своем первом конце с одной фазой передающей сети номинального напряжения, превышающего 69 кВ. Кроме того, тиристорный вентиль содержит множество тиристоров, соединенных последовательно. Компенсаторная цепь содержит конденсатор, соединенный параллельно с тиристорным вентилем, при этом компенсаторная цепь выполнена с возможностью непосредственного гальванического соединения с передающей сетью.

Посредством соединения компенсаторной цепи непосредственно с передающей сетью, или сетью, трансформатор исключается. Это становится возможным путем включения конденсатора, обеспечивающего защиту от бросков напряжения, например от ударов молнии. Конденсатор может быть соединен параллельно всему тиристорному вентилю, или каждый тиристор тиристорного вентиля может иметь соответствующий конденсатор, соединенный параллельно. Отсутствие трансформатора обеспечивает ряд преимуществ, таких как отсутствие звукового шума от трансформатора и более экологичная, безмасляная установка без необходимости иметь масло-герметичные компоновки. Кроме того, упрощается монтаж на месте. Можно избежать других недостатков, связанных с трансформаторами, таких как необходимость перевозки тяжелых трансформаторов, длительное время доставки трансформаторов, длительное время ремонта после повреждения, высокая стоимость (которая вероятно увеличивается со временем), и модернизация (с точки зрения увеличения диапазона реактивной мощности) компенсатора может затрудняться из-за стоимости трансформатора.

В данном контексте тиристорный вентиль следует трактовать как множество тиристоров, соединенных последовательно.

Первый статический регулируемый компенсатор реактивной мощности компенсаторной цепи может быть выполнен с возможностью непосредственного соединения с передающей сетью.

Тиристорный вентиль может содержать одну сотню тиристоров, соединенных последовательно.

Тиристорный вентиль может содержать симметричные управляемые тиристоры.

Первый статический компенсатор реактивной мощности может содержать индуктор.

Компенсаторная цепь может дополнительно содержать второй статический регулируемый компенсатор реактивной мощности, и тиристорный вентиль может соединяться на его первом конце с первым статическим компенсатором реактивной мощности, и на его втором конце с первым концом второго статического компенсатора реактивной мощности.

Второй статический компенсатор реактивной мощности может содержать индуктор.

Второй статический компенсатор реактивной мощности может содержать конденсатор.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено устройство трехфазного статического компенсатора реактивной мощности, содержащее три однофазных устройства согласно первому аспекту, причем каждое из однофазных устройств выполнено с возможностью соединения с соответствующей одной фазой трехфазной передающей сети.

Компенсаторная цепь может быть выполнена с возможностью соединения на ее первом конце с соответствующей фазой, а на втором конце - с передающей сетью, связанной с другой фазой, образуя соединение треугольником.

Компенсаторная цепь может быть выполнена с возможностью соединения на ее первом конце с соответствующей фазой, а на втором конце - с нейтральной точкой, образуя соединение звездой. Число полупроводниковых устройств в соединении звездой значительно ниже, чем если используется соединение треугольником для полного напряжения передающей сети.

Нейтральная точка может соединяться с передающей сетью.

Нейтраль может обеспечиваться с использованием искусственной нейтрали от Z-трансформатора, соединенного с тремя соответствующими фазами.

Согласно третьему аспекту изобретения предложено устройство трехфазного статического компенсатора реактивной мощности, содержащее два однофазных устройства согласно первому аспекту, причем каждое из двух однофазных устройств выполнено с возможностью соединения на соответствующем первом конце с соответствующей одной фазой из двух фаз трехфазной передающей сети, при этом статический компенсатор реактивной мощности выполнен с возможностью соединения на его первом конце с третьей фазой трехфазной передающей сети. Вторые концы двух однофазных устройств непосредственно соединены со вторым концом третьего статического компенсатора реактивной мощности.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложено устройство однофазного статического компенсатора реактивной мощности, содержащее компенсаторную цепь, состоящую из первого статического компенсатора реактивной мощности, соединенного последовательно с тиристорным вентилем. Компенсаторная цепь выполнена с возможностью соединения на ее первом конце с одной фазой передающей сети номинального напряжения свыше 69 В. Тиристорный вентиль содержит множество тиристоров, соединенных последовательно, компенсаторная цепь содержит конденсатор, соединенный параллельно с тиристорным вентилем, при этом компенсаторная цепь содержит автотрансформатор, выполненный с возможностью гальванического соединения компенсаторной цепи с передающей сетью.

Следует заметить, что любой признак первого аспекта, второго аспекта, третьего аспекта или четвертого аспекта может быть применен к любому другому аспекту, соответственно.

В общем все термины, используемые в формуле изобретения, следует интерпретировать согласно их обычному значению в данной области техники, если точно не определено иное. Все ссылки на элемент, устройство, компонент, средство, этап и др. следует интерпретировать, как ссылку на, по меньшей мере, один пример данного элемента, устройства, компонента, средства, этапа и др., если точно не определено иное. Этапы любого способа, описанного здесь, не должны выполняться в точно описанном порядке, если не установлено иное.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схему типичной статической компенсации реактивной мощности для компенсации реактивной энергии сети;

Фиг.2а-b - схемы статической компенсации реактивной мощности при соединении треугольником, где использованы реакторы с тиристорным управлением и конденсаторы с тиристорным управлением, соответственно;

Фиг.3 - схему испытательной компоновки с базовым уровнем изоляции;

Фиг.4 - схему статической компенсации реактивной мощности при соединении звездой без нейтрального соединения;

Фиг.5 - схему статической компенсации реактивной мощности, при соединении через автотрансформатор;

Фиг.6 - схему статической компенсации реактивной мощности при соединении звездой автотрансформатора с нейтральным соединением;

Фиг.7 - схему статической компенсации реактивной мощности при соединении звездой и с Z-трансформатором;

Фиг.8 - схему пакета симметричных фазовых управляемых тиристоров;

Фиг.9 - схему вентиля с индивидуальным теплообменником.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Настоящее изобретение будет описано подробнее со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых показаны определенные варианты воплощения данного изобретения. Данное изобретение, однако, может иметь много других форм и не должно рассматриваться как ограниченное указанными здесь вариантами осуществления; скорее эти варианты осуществления обеспечиваются в качестве примера, чтобы данное описание было исчерпывающим и полным, и будет полностью передавать объем данного изобретения специалистам в данной области техники.

На фиг.2а-b показаны схемы статической компенсации реактивной мощности при соединении треугольником, где использованы реакторы с тиристорным управлением и конденсаторы с тиристорным управлением, соответственно. На фиг.2а реакторы с тиристорным регулированием (РТУ/РТП) соединены треугольником между фазами в устройстве 240 трехфазного статического компенсатора реактивной мощности. Индукторы 210а' и 210а", 210b' и 210b", 210с' и 210с" могут быть разделены по две части 210а' и 210а", 210b' и 210b", 210с' и 210с", которые соединены так, что они составляют тиристорный вентиль 212 а-с. Необязательно один индуктор внутри каждой пары может быть пущен. Каждая соответствующая последовательная соединяющая линия из индукторов 210а'-с', 210а"-с" и тиристорного вентиля 212а-с называется компенсаторной цепью 211а-с. На фиг.2b, показывающей конденсаторы с тиристорным переключением (КТП), тиристорный вентиль 212а-с обычно включен между демпфирующим индуктором 214а-с и конденсаторной батареей 216а-с (фиг.2b). Каждая соответствующая последовательная соединяющая линия из индукторов 214а'-с', тиристорного вентиля 212а-с и конденсаторной батареи 216а-с называется компенсаторной цепью 213а-с.

В альтернативном варианте осуществления тиристорные вентили 212а-с соединены с передающей сетью, а индукторы и/или конденсаторы, в свою очередь, соединены с тиристорными вентилями.

На фиг.3 показана схема испытательной компоновки с базовым уровнем изоляции.

Распределительная установка СКРМ обычно защищена от прямых ударов молнии защитными проводами над оборудованием или высокими заземленными мачтами. Удары молнии не могут поразить точку между тиристорным вентилем и реактором, но будут приниматься объединенной цепочкой реактор - тиристорный вентиль (РТУ или РТП) или объединенной цепочкой реактор - тиристорный вентиль -конденсаторная батарея (КТП). Соответственно, конструкция цепи содержит средство для подавления и/или управления крутыми бросками напряжения, так что полное тестовое напряжение базового уровня изоляции (БУИ) может быть приложено к данным цепям, как отмечается и показано на фиг.2а и 2b. Пример реактора с тиристорным управлением показан на фиг.3. Генератор 322 тестового напряжения обеспечивает напряжение для испытания.

Необходимы специальные защитные схемы тиристорного вентиля для выполнения этой задачи. На фиг.3 это показано в виде конденсатора 320, соединенного параллельно с тиристорной парой 312. В реальном воплощении, чтобы защитить процесс включения тиристора, могут потребоваться дополнительные компоненты, что хорошо известно специалистам в области силовой электроники.

В этом случае тиристорные вентили должны быть разработаны для полного напряжения линия-линия передающих сетей. Ток чаще всего является умеренным. Вследствие высокого напряжения большое число компонентов может последовательно соединяться в данном вентиле.

Ток третьей гармоники, генерируемый компенсаторной цепью 211а-с, будет включаться в ток индуктора, но будет захватываться и замыкаться внутри соединения треугольником.

На фиг.4 показана схема статической компенсации реактивной мощности при соединении звездой без нейтрального соединения.

В принципе также может использоваться система компенсации реактивной мощности (СКРМ) 440 с соединенными звездой цепи пассивных компонентов (индукторы и/или батареи конденсаторов) 410а-с и тиристорными вентилями 412а-b. Если СКРМ не работает с непрерывным управлением с использованием управления по фазовому углу, а скорее работает в переключающем режиме (полностью включено/полностью выключено), требуются только два вентиля 412а-b, как показано на фиг.4.

На фиг.5 показана схема статической компенсации реактивной мощности, соединенная через автотрансформатор, которая описана ниже.

Одним способом снизить номинал трансформатора является использование автотрансформатора 528 в качестве интерфейса к СКРМ 530. На фиг.5 показана данная концепция.

Номинальная мощность трансформатора представляет собой только часть полной номинальной мощности СКРМ. Если U₂ обозначает напряжение передающей сети 532, и U₁ обозначает напряжение шины 534 СКРМ, то кажущаяся мощность S_trafo может быть выражена как коэффициент кажущейся мощности СКРМ S_СКРМ следующим образом:

Реактивное сопротивление утечки автотрансформатора 528 гораздо ниже, чем реактивное сопротивление утечки трансформатора для полного номинала СКРМ. Это часто является выгодным, но в некоторых случаях может оказаться трудным сконструировать фильтры гармоник. Если имеет место этот случай, может быть выгодно вставить добавочный индуктор 526 последовательно с автотрансформатором 528, как показано на фиг.5. Добавочный индуктор 526 может также использоваться, чтобы снизить перенапряжение на тиристорном вентиле при тестировании напряжения БУИ.

Если передающая система имеет нейтраль от трансформатора, можно использовать СКРМ 630 при соединении звездой, как показано на фиг.6, где показано РТУ, но СКРМ конфигурация 530 может включать в себя несколько РТУ, РТП, КТП и батарей фильтров.

В этом случае ток третьей гармоники будет проходить через нейтральное соединение 636 автотрансформатора 628.

Подобно предыдущим случаям, добавочный индуктор может соединяться (не показано на фиг.6) между автотрансформатором и СКРМ, чтобы снизить перенапряжение на тиристорных вентилях при тестах бросков напряжения БУИ.

На фиг.7 показана схема статической компенсации реактивной мощности при соединении звездой и с Z-трансформатором. Z-соединенный трансформатор 740 может использоваться для создания локальной нейтральной точки (искусственная нейтраль) для напряжений в передающей системе. Тогда соединенный звездой тиристорный вентиль из СКРМ 740 может применяться, как показано на фиг.7. Число полупроводниковых устройств в соединении звездой значительно меньше, чем если используется соединение треугольником для полного напряжения передающей сети. Внутри СКРМ 740 есть три компенсаторных цепи 711а-с. На фиг.7 показана характерная цепь, но СКРМ конфигурация 740 может включать в себя несколько РТУ, РТП, КТП и батарей фильтров.

Z-трансформатор должен быть сконструирован с возможностью прохождения тока третьей гармоники через трансформатор. Никакое напряжение третьей гармоники генерироваться не будет.

На фиг.8 показана схема пакета симметричных фазовых управляемых тиристоров.

Тиристоры, имеющие существенную возможность регулирования тока по сравнению с обычным номинальным током, допустимы, так как только низкий ток будет необходим при высоком номинальном напряжении. Это имеет несколько интересных преимуществ. Во-первых, температура перехода может оставаться близкой к температуре корпуса. Во-вторых, меньше конструкционных проблем наблюдается в отношении бросков токов при неисправностях или ошибках управления. И, в-третьих, легко разработать высокую перегрузочную способность для СКРМ.

Для этого применения могут преимущественно использоваться так называемые симметричные тиристоры или симметричные управляемые тиристоры (СУТ) 850. Эти устройства имеют два антипараллельных тиристора, объединенных на одной кремниевой пластине. Затем для каждой функции вентиля является необходимым только один пакет устройств. Между каждым СУТ 850 есть охлаждающее устройство 852.

Наибольшее число устройств для напряжений свыше 69 кВ разработано для наружного применения. Это также возможно для упомянутых здесь тиристорных вентилей. Каждая функция вентиля содержит один пакет (симметричных) тиристоров 850. Данный пакет может быть помещен в изолированный корпус 854, например, образованный из полимерного материала, с достаточным припуском на оплавление и ползучесть. На фиг.8 показан этот подход.

На фиг.9 показана схема вентиля с индивидуальным теплообменником.

В СКРМ вентилях высокого напряжения номинальный ток становится умеренным, и потери на устройство являются низкими по сравнению с обычно применяемыми конструкциями низкого напряжения. Следовательно, перепад температуры между переходом и корпусом 854 является низким, и может использоваться высокая температура охладителя. Это делает теплообменник 956 меньше для данной полной величины обрабатываемой мощности.

В предлагаемой конструкции каждый вентиль, который может включать в себя пакет СУТ, имеет свой собственный охладитель с отдельным циркуляционным насосом 958 и/или с естественным потоком 960 охладителя. На фиг.9 показан этот подход.

Что касается монтажа вентиля, тиристорные вентили для высокого напряжения становятся довольно длинными, так как число последовательно соединенных устройств становится большим (порядка одной сотни устройств). Соответственно, разумно устанавливать такие вентили висящими с потолка (в помещении) или со стальной конструкцией (вне помещений).

Данное изобретение, главным образом, описано выше со ссылкой на несколько вариантов осуществления. Однако, как легко понятно специалисту в данной области техники, другие варианты осуществления, чем описанные ранее, равно возможны в объеме данного изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.

Устройство однофазного статического компенсатора реактивной мощности содержит компенсаторную цепь, состоящую из первого статического компенсатора реактивной мощности, соединенного последовательно с тиристорным вентилем. Компенсаторная цепь выполнена с возможностью соединения своим первым концом с одной фазой передающей сети номинального напряжения, превышающего 69 кВ. Кроме того, тиристорный вентиль содержит множество тиристоров, соединенных последовательно, а компенсаторная цепь выполнена с возможностью непосредственного соединения с передающей сетью, что позволяет исключить трансформатор. Также описано соответствующее трехфазное устройство. Технический результат - упрощение конструкции и компановки. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство однофазного статического компенсатора реактивной мощности, содержащее:
компенсаторную цепь (211а-с, 213а-с, 711а-с), состоящую из первого статического компенсатора реактивной мощности, соединенного последовательно с тиристорным вентилем (212а-с);
причем компенсаторная цепь (211а-с, 213а-с, 711а-с) скомпонована так, чтобы обеспечить соединение на своем первом конце с одной фазой передающей сети номинального напряжения, превышающего 69 кВ;
отличающееся тем, что
тиристорный вентиль (212а-с) содержит множество тиристоров, соединенных последовательно,
компенсаторная цепь содержит конденсатор, соединенный параллельно с упомянутым тиристорным вентилем,
при этом компенсаторная цепь (211а-с, 213а-с, 711а-с) выполнена с возможностью непосредственного гальванического соединения с передающей сетью.

2. Устройство по п.1, в котором первый статический компенсатор реактивной мощности компенсаторной цепи (211а-с, 213а-с, 711а-с) выполнен с возможностью непосредственного соединения с передающей сетью.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором тиристорный вентиль (212а-с) содержит сотню тиристоров, соединенных последовательно.

4. Устройство по любому из пп.1 или 2, в котором тиристорный вентиль содержит симметричные управляемые тиристоры.

5. Устройство по любому из пп.1 или 2, в котором первый статический компенсатор реактивной мощности содержит индуктор.

6. Устройство по любому из пп.1 или 2, в котором компенсаторная цепь (211а-с, 213а-с) дополнительно содержит второй статический компенсатор реактивной мощности (210а"-с", 216а-с), при этом тиристорный вентиль (212а-с) соединен первым концом с первым статическим компенсатором реактивной мощности, а вторым концом с первым концом второго статического компенсатора (210а"-с", 216а-с) реактивной мощности.

7. Устройство по п.6, в котором второй статический компенсатор (210а"-с") реактивной мощности содержит индуктор.

8. Устройство по п.6, в котором второй статический компенсатор (216а-с) реактивной мощности содержит конденсатор.

9. Устройство (240, 740) трехфазного статического компенсатора реактивной мощности, содержащее три однофазных устройства по любому из предшествующих пунктов, в котором каждое из однофазных устройств выполнено с возможностью соединения с соответствующей одной фазой трехфазной предающей сети.

10. Устройство (240) по п.9, в котором компенсаторная цепь (211а-с, 213а-с) выполнена с возможностью соединения первым концом с соответствующей фазой и вторым концом с передающей сетью, связанной с другой фазой, чем упомянутая соответствующая фаза, образуя соединение треугольником.

11. Устройство (740) по п.9, в котором компенсаторная цепь (711а-с) выполнена с возможностью соединения первым концом с соответствующей фазой и вторым концом с нейтральной точкой, образуя соединение звездой.

12. Устройство (740) по п.11, в котором нейтральная точка соединена с передающей сетью.

13. Устройство (740) по п.11, в котором нейтральная точка образована с использованием искусственной нейтрали от Z-трансформатора, соединенного с тремя соответствующими фазами.

14. Устройство (240, 740) трехфазного статического компенсатора реактивной мощности, содержащее:
два однофазных устройства по любому из пп.1-8, в которых каждое из двух однофазных устройств выполнено с возможностью соединения соответствующим первым концом с соответствующей одной фазой из двух фаз трехфазной передающей сети,
статический компенсатор реактивной мощности, выполненный с возможностью соединения первым концом с третьей фазой трехфазной передающей сети,
отличающееся тем, что вторые концы двух однофазных устройств непосредственно соединены с вторым концом третьего статического компенсатора реактивной мощности (410b).

15. Устройство однофазного статического компенсатора реактивной мощности, содержащее:
компенсаторную цепь (211а-с, 213а-с, 711а-с), состоящую из первого статического компенсатора реактивной мощности, соединенного последовательно с тиристорным вентилем (212а-с);
причем компенсаторная цепь (211а-с, 213а-с, 711а-с) выполнена с возможностью соединения своим первым концом с одной фазой передающей сети номинального напряжения, превышающего 69 кВ;
отличающееся тем, что
тиристорный вентиль (212а-с) содержит множество тиристоров, соединенных последовательно,
компенсаторная цепь содержит конденсатор, соединенный параллельно с тиристорным вентилем,
при этом компенсаторная цепь (211а-с, 213а-с, 711а-с) содержит автотрансформатор (526), выполненный с возможностью гальванического соединения компенсаторной цепи (211а-с, 213а-с, 711а-с) с передающей сетью.