СТАТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2014 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в качестве управляемых систем регулирования, автоматической стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности в высоковольтных электрических сетях без ограничения класса напряжения.

Известны средства регулирования автоматической стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности в электрических сетях - статические тиристорные компенсаторы (СТК) /1/. К недостаткам СТК, являющимися аналогом предлагаемого изобретения, относится невозможность их исполнения непосредственно на напряжение 110 кВ и выше. Как следствие, повышающий трансформатор как необходимый элемент СТК для сети 110 кВ и выше ухудшает стоимостные показатели устройства. Вторым дорогостоящим элементом СТК является реакторно-тиристорная группа, выполняющая роль регулируемой индуктивности, равная по мощности номинальной мощности СТК. Кроме того, СТК имеет плавно-ступенчатую регулировочную характеристику. В емкостном режиме к вторичной обмотке трансформатора подключены и батарея конденсаторов и реакторно-тиристорная группа. Плавность регулировочной характеристики обеспечивается в этом случае компенсацией мощности батареи конденсаторов, управляемой реакторно-тиристорной группой. Переход СТК в индуктивный режим требует отключения батареи конденсаторов, поскольку реакторно-тиристорная группа не обладает перегрузочной способностью выше номинального значения, что и определяет ступенчатость регулировочной характеристики СТК. Необходимость коммутации батареи конденсаторов при каждом переходе от емкостного к индуктивному режиму вызывает возмущения напряжения в электрической сети и снижает надежность работы устройства.

Частично указанные выше недостатки устранены в статическом компенсаторе реактивной мощности, являющимся прототипом предлагаемого изобретения /2/. Прототип содержит регулируемую индуктивность в виде управляемого шунтирующего реактора, батарею конденсаторов и фильтры пятой и седьмой гармоник. В прототипе управляемый шунтирующий реактор совмещает в себе функции трансформатора и реакторно-тиристорной группы, что и определяет его улучшенные функциональные возможности и технико-экономические показатели по сравнению с аналогом.

Однако прототип имеет ряд недостатков из-за того, что диапазон значений короткого замыкания всех производящихся на сегодня двухобмоточных управляемых шунтирующих реакторов находится в пределах /3/:

где: U*_{К УШР} - напряжение кроткого замыкания двухобмоточных управляемых шунтирующих реакторов.

Большое, по сравнению с трансформаторами, U*_{К УШР} вызывает значительное увеличение напряжения на его вторичной обмотке при подключении батареи конденсаторов, что требует увеличения установленной мощности по отношению к номинальной емкостной мощности прототипа примерно в:

раза.

Повышенные значения U*_{К УШР} ограничивают также максимальную потребляемую мощность управляемого шунтирующего реактора до 1,3-1,5 кратного значения от его номинальной мощности, что, как и в СТК, исключает переход прототипа от номинального емкостного режима к номинальному индуктивному режиму без отключения батареи конденсаторов. Из-за больших значений установленной мощности конденсаторной батареи и не более чем 1,3-1,5 кратной перегрузки управляемого шунтирующего реактора сверх номинальной мощности, мощность батареи конденсаторов в реализованных прототипах не превышает 5-15% от номинальной мощности управляемых шунтирующих реакторов /3/. К существенному недостатку прототипа относится применение в качестве устройств фильтрации высших гармонических фильтров 5 и 7 гармоник. С одной стороны, точно настроенные на резонанс фильтры склонны к перегрузке фильтруемыми гармониками тока, с другой, небольшие колебания частоты сети приводят к резкому снижению их фильтрующих свойств. В результате снижается надежность устройства и его эффективность.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности оборудования статического компенсатора реактивной мощности в части 3 расширения плавного диапазона регулирования мощности от номинального емкостного до номинального индуктивного, снижения установленной мощности батарей конденсаторов, исключения перегрузки устройств фильтрации высшими гармониками.

Указанная цель достигается тем, что в статическом компенсаторе реактивной мощности, состоящем из регулируемой индуктивности, конденсаторной батареи и устройства фильтрации высших гармоник, регулируемая индуктивность представляет собой двухобмоточный трансформатор с регулятором насыщения магнитопровода, причем номинальное входное сопротивление трансформатора от полутора до шести раз превышает сумму приведенных к номинальному напряжению индуктивных сопротивлений его обмоток, устройство фильтрации высших гармоник выполнено в виде фильтрокомпенсирующего устройства, номинальная мощность которого составляет от одной десятой до половины номинальной мощности батареи конденсаторов, а сумма номинальных мощностей фильтрокомпенсирующего устройства и батареи конденсаторов, подключенных к вторичной обмотке низкого напряжения, равна номинальной мощности трансформатора.

Сущность предлагаемого устройства поясняется схемой (фиг.1) и характерными осциллограммами тока и напряжения (фиг.2). Предлагаемое устройство содержит двухобмоточный трансформатор 7 с регулируемым насыщением, первичная обмотка 2 которого со схемой «звезда» подключена вводами А, В, С к номинальному напряжению высоковольтной сети, а вторичная обмотка 3 со схемой «треугольник» выполнена секционированной, в две параллельные ветви с выведенными средними точками. К вершинам «треугольника» а, в, с вторичной обмотки 3 подключены батарея конденсаторов 4 и фильтрокомпенсирующее устройство 5, к средним точкам OO' вторичной обмотки 3 подключен регулятор насыщения 6.

Предлагаемое изобретение работает следующим образом. При подключении первичной обмотки трансформатора 1 к напряжению U₁ электрической сети и нулевом значении управляющего напряжения U_У регулятора насыщения 6, в устройстве устанавливается режим выдачи в электрическую сеть номинальной емкостной мощности, равной сумме мощностей батареи конденсаторов 4 и фильтрокомпенсирующего устройства 5 через вторичную 3 и первичную 2 обмотки трансформатора 1. Емкостная мощность, выдаваемая в электрическую сеть, при этом равна номинальной мощности трансформатора 7. Режиму выдачи номинальной емкостной мощности на фиг.2 соответствует интервал времени 0,0-0,08с. Видно, что в этом режиме ток устройства i опережает номинальное напряжение U первичной обмотки 2 на 90 град и синусоидален по форме, также синусоидальны напряжение вторичной обмотки U₂, ток i_БК батареи конденсаторов 4 и ток i_ФКУ фильтрокомпенсирующего устройства 5. При формировании регулятором насыщения 6 управляющего напряжения U_У между средними точками OO' вторичной обмотки 3, начинает насыщаться магнитопровод трансформатора 7, и возникает переходный процесс изменения мощности предлагаемого устройства. На отрезке времени 0,08-0,16 с (фиг.2) приведен переход от номинального емкостного режима к режиму «нулевой» мощности за счет увеличения насыщения магнито-провода трансформатора 1. Уменьшение U_У примерно до нуля, сохраняет режим «нулевой» мощности неизменным в интервале времени 0,08-0,16 с. Повторная подача напряжения U_У от регулятора насыщения 6 на средние точки OO' вторичной обмотки 3 приводит к нарастающему преобладанию индуктивной составляющей в токе i₁ первичной обмотки, см. интервал времени 0,16-0,32 с, вплоть до возникновения номинального индуктивного режима, см. интервал 0,32-0,4 с. Время переходного процесса в устройстве обратно пропорционально величине постоянной составляющей U_У. При отношении U_У/U₂ порядка 0,02-0,03, как видно из осциллограмм фиг.2, время переходного процесса от номинального режимов до «нулевого», или наоборот, не превышает 0,1 с. При напряжении управления U_У, близком к нулю, переходный процесс прекращается, и режим, например, «нулевой», номинальной емкостной или номинальной индуктивной мощности сохраняется неограниченно долго, см. на фиг.2 интервалы времени:0,00-0,08 с; 0,16-0,24 с; 0,32-0,4 с. При отрицательных значениях управляющего напряжения U_У происходит обратный переходный процесс от индуктивной к емкостной мощности с возможностью установления любого установившегося режима в интервале от номинального емкостного до номинального индуктивного. Относительная мощность регулятора насыщения 6 пропорциональна отношению U_У/U₂ и не превышает 2-3 процентов номинальной мощности трансформатора 7.

Из осциллограмм фиг.2 видно, что форма тока i практически синусоидальна по форме во всем диапазоне регулирования, а все высшие гармоники, обусловленные насыщением трансформатора 1, замыкаются в фильтрокомпенсирующем устройстве 5. Причем устраняются искажения не только в первичном токе трансформатора 1, от высших гармоник тока защищается и батарея конденсаторов 4. Из осциллограмм фиг.2 видно, что любая из высших гармоник в токе i_БК батареи конденсаторов намного меньше ее основной гармоники. Высокая эффективность фильтрокомпенсирующего устройства 5, обеспечивает также и практически полную синусоидальность напряжения U₂ вторичной обмотки 3, см. фиг.2, что снимает ограничение по подключению к ней активной нагрузки, например, собственных нужд подстанции.

Возможность плавного регулирования мощности от номинального емкостного до номинального индуктивного и наоборот достигается благодаря отличию в подходах к проектированию управляемого шунтирующего реактора, входящего в состав прототипа, и трансформатора с регулируемым насыщением в предлагаемом изобретении. Так управляемый шунтирующий реактор, входящий в состав прототипа, рассчитывается в первую очередь как управляемая индуктивность, когда основным условием выбора геометрических размеров управляемого шунтирующего реактора является обеспечение равенства его номинального входного сопротивления сумме сопротивлений сетевой обмотки и приведенной к первичному напряжению обмотки управления, с целью обеспечения, так называемого, режима полупериодного или полупредельного насыщения /4/:

где Х_УШР - номинальное входное сопротивление;

Х_СО, X'_ОУ - индуктивные сопротивления сетевой и приведенной к номинальному напряжению управляющей обмоток.

Именно это и приводит к увеличенному значению U*_{К УШР} и описанном выше недостатком прототипа.

В предлагаемом устройстве трансформатор 7 рассчитывается, в первую очередь, как трансформатор с номинальной емкостной нагрузкой, значения напряжения короткого замыкания U*_К которого типичны для силовых трансформаторов общего назначения /5/:

и одновременно с этим его номинальное сопротивление превышает сумму индуктивных сопротивлений обмоток:

где Х_НОМ - номинальное сопротивление предлагаемого устройства;

X₁, Х'₂ - индуктивные сопротивления первичной и приведенной к первичному напряжению вторичной обмоток трансформатора.

Выполнение условий (4) и (5) в трансформаторе 1 повышает эффективность установленной мощности батареи конденсаторов и обеспечивает плавный переход предлагаемого устройства от номинального емкостного режима к номинальному индуктивному.

Фильтрокомпенсирующее устройство 5 в отличие от фильтров 5 и 7 гармоник прототипа функционирует как широкополосный фильтр, не имеющий точной настройки ни на одну из фильтруемых гармоник. Критерием выбора номинальной мощности является превышение номинального значения тока над максимумом любой из фильтруемых гармоник, что исключает возможность его перегрузки высшими гармониками. Целесообразный технико-экономический диапазон относительной мощности фильтрокомпенсирующего устройства составляет от одной десятой до половины мощности батареи конденсаторов.

По сравнению с аналогом и прототипом предлагаемое изобретение обладает расширенным диапазоном плавного регулирования мощности - от номинального емкостного до номинального индуктивного режимов без отключения батареи конденсаторов, снижением установленной мощности батарей конденсаторов, практически синусоидальной формой тока при исключении перегрузки устройства фильтрации высшими гармониками.

Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является возможность его применения без батареи конденсаторов, в качестве управляемого шунтирующего реактора с возможностью подключения к его вторичной обмотке активной нагрузки.

Работоспособность предлагаемого статического компенсатора реактивной мощности проверена расчетами, физическим и математическим моделированием, испытаниями макета.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бортник И.М. и др. Статические тиристорные компенсаторы для энергосистем и сетей электроснабжения. - Электричество, 1985, №2.

2. Брянцев A.M., Долгополов А.Г. Статический компенсатор реактивной мощности. Патент РФ №2282912, заявка №2004121712, опубликовано 27.08.2006, бюл. №24.

3. Брянцев A.M. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы как элемент электроэнергетической системы. Сб. статей «Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы» М. Знак. 2010. с.5-10.

4. Бики М.А., Бродовой Е.Н., Брянцев A.M., Лейтес Л.В., Лурье А.И., Чижевский Ю.Л. Электромагнитные процессы в мощных управляемых реакторах. «Электричество» №6, 1991. с.23-29.

5. Электротехнический справочник. Т.2. Электротехнические изделия и устройства. М. Изд. МЭИ, 2003, c.125-158.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в качестве управляемых систем регулирования, автоматической стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности в высоковольтных электрических сетях без ограничения класса напряжения. Технический результат - повышение эффективности и надежности. В статическом компенсаторе регулируемая индуктивность представляет собой двухобмоточный трансформатор с регулятором насыщения магнитопровода, причем номинальное входное сопротивление трансформатора от полутора до шести раз превышает сумму приведенных к номинальному напряжению индуктивных сопротивлений его обмоток, устройство фильтрации высших гармоник выполнено в виде фильтрокомпенсирующего устройства, номинальная мощность которого составляет от одной десятой до половины номинальной мощности батареи конденсаторов, а сумма номинальных мощностей фильтрокомпенсирующего устройства и батареи конденсаторов равна номинальной мощности трансформатора. 2 ил.

Статический компенсатор реактивной мощности, содержащий управляемую индуктивность, батарею конденсаторов, устройство фильтрации высших гармоник, отличающийся тем, что регулируемая индуктивность представляет собой двухобмоточный трансформатор с регулятором насыщения магнитопровода, причем номинальное входное сопротивление трансформатора от полутора до шести раз превышает сумму приведенных к номинальному напряжению индуктивных сопротивлений его обмоток, устройство фильтрации высших гармоник выполнено в виде фильтрокомпенсирующего устройства, номинальная мощность которого составляет от одной десятой до половины мощности батареи конденсаторов, а сумма номинальных мощностей фильтрокомпенсирующего устройства и батареи конденсаторов, подключенных к вторичной обмотке, равна номинальной мощности трансформатора.