СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФАЗОПОВОРОТНЫМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2016 года по МПК H03H7/18 

Область техники

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, и в частности к управлению тиристорными фазоповоротными устройствами (ФПУ). ФПУ представляют высоковольтный электротехнический комплекс для изменения фазы напряжения, включаемый последовательно-параллельно в линию электропередачи. ФПУ могут использоваться в электрических сетях с напряжением 110…1150 кВ для гибкого регулирования потоков активной и реактивной мощности, повышения пропускной способности существующих линий и повышения динамической устойчивости энергетической системы за счет ступенчатого регулирования модуля и фазы напряжения на выходе ФПУ.

Уровень техники

Тиристорные ФПУ известны и имеют в своем составе два трансформатора: сериесный и шунтовой, а также тиристорный коммутатор, включенный между шунтовым и сериесным трансформатором [см., например, пат. RU 106060]. Каждая фаза тиристорного коммутатора содержит ряд последовательно соединенных тиристорных мостов. Тиристорный мост состоит из четырех двунаправленных тиристорных ключей, осуществляющих коммутацию (подключение в прямой либо обратной полярности или отключение) вторичной обмотки шунтового трансформатора, которая включена в диагональ моста (далее - шунтовая обмотка). Вторичные обмотки сериесного трансформатора включаются в рассечку фаз линии электропередачи, и вносимые ими напряжения, называемые ступенями регулирования, могут принимать конечное число значений в зависимости от количества и полярности шунтовых обмоток, введенных в первичную цепь сериесного трансформатора. Каждой ступени регулирования соответствует определенное подключение шунтовых обмоток и определенный набор состояний ключей мостов тиристорного коммутатора. Переход от ранее заданной начальной ступени регулирования к вновь задаваемой конечной ступени может осуществляться как сразу (за один этап), так и через промежуточные ступени (за несколько этапов). В общем случае такой переход является поэтапным с числом этапов 1 и более и обеспечивается соответствующей поэтапной коммутацией шунтовых обмоток тиристорными мостами. Последовательность переключений между ступенями, которую проходит ФПУ при переходе от начальной ступени к конечной, принято называть маршрутом переключения. Каждый маршрут переключения характеризуется начальным состоянием ключей мостов тиристорного коммутатора, конечным состоянием и некоторым количеством промежуточных состояний.

В качестве прототипа заявляемого изобретения принят известный способ управления ФПУ путем поэтапной коммутации тиристорными мостами обмоток шунтового трансформатора [Патент РФ на изобретение №2509408 «Способ управления фазоповоротным устройством», зарегистрирован 10 марта 2014 года]. По способу-прототипу измеряют токи тиристорных мостов и напряжения на коммутируемых ими обмотках шунтового трансформатора и, в соответствии с измеренными значениями, формируют последовательность разрешенных временных интервалов, проведение переключения шунтовых обмоток, в пределах которых исключает протекание кратковременных токов короткого замыкания в мостах тиристорного коммутатора. Выбирают допустимую последовательность поэтапной коммутации шунтовых обмоток из начального состояния в требуемое конечное состояние, удовлетворяющую заданным ограничениям, по меньшей мере на величину выходного напряжения фазоповоротного устройства в процессе поэтапной коммутации. Выполняют переключение мостов тиристорного коммутатора на разрешенных временных интервалах в соответствии с выбранной допустимой последовательностью.

Ограничения на формирование допустимой последовательности поэтапной коммутации могут дополнительно включать ограничение на число переключений шунтовых обмоток, на число переключаемых тиристоров коммутатора, на суммарно накопленный фазовый сдвиг при поэтапной коммутации ФПУ.

Недостаток прототипа - неполная управляемость ФПУ в различных режимах работы энергосистемы. Управление ФПУ по способу-прототипу не позволяет сразу переключить ФПУ в требуемое конечное состояние при малых значениях фазового сдвига между током и напряжением в тиристорном коммутаторе, который определяется значениями активной и реактивной мощности, протекающей в линии энергосистемы с установленным ФПУ.

Более того, управляемость ФПУ при некоторых режимах работы энергосистемы может быть вообще потеряна, а именно в случаях, если при нахождении ФПУ в крайних ступенях регулирования будут отсутствовать разрешенные временные интервалы, необходимые для вывода ФПУ из текущей крайней ступени регулирования.

Раскрытие изобретения

Технический результат изобретения - повышение эффективности регулирования потоков мощности фазоповоротным устройством за счет обеспечения полной управляемости ФПУ вне зависимости от режима работы энергосистемы.

Предметом изобретения является способ управления фазоповоротным устройством путем поэтапного переключения тиристорным коммутатором обмоток шунтового трансформатора, заключающийся в том, что задают конечное состояние тиристорного коммутатора, вводят ограничения на поэтапное переключение тиристорного коммутатора из текущего состояния в заданное конечное, выбирают допустимую последовательность поэтапного переключения, удовлетворяющую заданным ограничениям, по меньшей мере на величину выходного напряжения фазоповоротного устройства в процессе поэтапной коммутации, измеряют токи тиристорного коммутатора и выполняют его поэтапное переключение в соответствии с выбранной последовательностью, снимают импульсы управления со всех тиристоров одной переключаемой фазы тиристорного коммутатора, фиксируют наличие нулевого тока в переключаемой фазе тиристорного коммутатора в течение временного интервала, длительность которого превышает время восстановления тиристоров, подают импульсы управления на включение тиристоров этой фазы в новое, согласно выбранной последовательности, состояние и проводят последовательное переключение каждой следующей фазы тиристорного коммутатора до окончания процесса переключения всех фаз тиристорного коммутатора в заданное конечное состояние.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы управления тиристорным коммутатором ФПУ, на основе которой реализуется предлагаемый способ. На фиг. 2 показана схема одного из тиристорных мостов в составе тиристорного коммутатора ФПУ с подключенной вторичной обмоткой шунтового трансформатора и с датчиком тока фазы. На фиг. 3 приведены диаграммы тока и сигналы, генерируемые системой управления в процессе переключения одной фазы тиристорного коммутатора ФПУ из произвольного начального состояния в требуемое конечное состояние.

Осуществление изобретения

Предлагаемый способ управления ФПУ может быть осуществлен, например, с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг. 1.

Схема на фиг. 1 содержит девять функциональных блоков.

Блок 1 выбора маршрута переключения своим первым входом подключен к выходу блока 2 задания требуемого состояния фазоповоротного устройства, вторым входом - к выходу блока 3 задания характеристик маршрута переключения, третьим входом - к первому выходу блока 4 управления тиристорным коммутатором. Выход блока 1 подключен к первому входу блока управления тиристорным коммутатором 4, при этом второй выход блока 4 подключен к тиристорному коммутатору 5. В составе тиристорного коммутатора 5 находится блок 6 датчиков тока, по одному датчику в каждой из трех фаз тиристорного коммутатора 5, как показано на фиг. 2. Три выхода блока 6 подключены к первому, второму и третьему входам блока 7 слежения за током. К четвертому и пятому входам блока 7 подключены выход блока 8 данных о параметрах силовых компонентов фазоповоротного устройства и третий выход блока 4 управления тиристорным коммутатором. Выход блока 7 слежения за током подключен ко второму входу блока 4 управления тиристорным коммутатором. Входы блоков 2 и 3 подключены к выходам блока 9 автоматического управления энергосистемой или подстанцией.

Заявляемый способ управления осуществляется следующим образом.

В исходном положении блок 4 вырабатывает импульсы управления коммутатором 5, поддерживающие ранее заданное блоком 2 требуемое состояние тиристорных мостов ФПУ. При этом блок 1 постоянно следит за входом, на который поступает сигнал о задаваемом (с выхода блока 2) состоянии ФПУ, и в случае его отличия от предыдущего значения, начинается очередной процесс переключения.

В ходе этого процесса блок выбора маршрута переключения 1 формирует допустимую последовательность промежуточных состояний мостов тиристорного коммутатора 5, которая обеспечивает переход из начального состояния во вновь заданное конечное, а блок 4 вырабатывает сигналы управления тиристорами коммутатора 5, которые обеспечивают реализацию выбранной последовательности состояний маршрута переключения в реальном времени.

Блок 1 может быть выполнен, например, на основе запоминающего устройства, в ячейках которого хранится множество всех возможных для данного ФПУ маршрутов переключения, а в соответствующие поля адресного регистра заносятся данные, поступающие от блоков 2 и 3.

Управление ФПУ обеспечивает переходы ФПУ из состояния, называемого начальным, с одними фазовым сдвигом, в другое, задаваемое системой 9 состояние, называемое конечным, с другим значением фазового сдвига, вносимого ФПУ. Изменение фазового сдвига ФПУ обеспечивается изменением состава и полярности последовательного включения шунтовых обмоток в каждой фазе тиристорного коммутатора 5 за счет соответствующих переключений тиристорных мостов коммутатора 5.

Переключение тиристорных мостов с целью изменения подключения каждой вторичной обмотки шунтового трансформатора осуществляется включением одних и выключением других плеч определенного тиристорного моста. Каждый тиристорный мост имеет три рабочих состояния, различающихся подключением коммутируемой им обмотки шунтового трансформатора (см. фиг. 2):

- обмотка выведена из работы и не оказывает воздействия на выходное напряжение ФПУ (включены тиристоры VS1, VS2 или VS3, VS4);

- обмотка включена согласно (включены тиристоры VS1, VS4);

- обмотка включена встречно (включены тиристоры VS2, VS3).

Любые другие комбинации включения тиристоров моста являются нерабочими, т.е. никогда не используются в исправном устройстве.

Переключение тиристорных мостов возможно посредством отключения тиристоров в составе всех мостов, принадлежащих одной фазе коммутатора ФПУ, и последующего включения тиристорных мостов этой фазы в требуемое состояние, согласно маршруту переключения, который выбрал блок 1.

Временные диаграммы фиг. 3 иллюстрируют процесс переключения одной фазы тиристорного коммутатора 5. Для организации переключения блок 4 управления тиристорным коммутатором снимает импульсы управления с мостов одной фазы коммутатора 5 и формирует в блок 7 слежения за током сигнал о выключении импульсов управления этой фазы. Номер переключаемой фазы может быть закодирован, например, длительностью сигнала из блока 4 в блок 7.

Блок 7 слежения за током по сигналу от блока 4 снимает со своего выхода сигнал разрешения включения тиристоров, который поступает в блок 4, принимает сигнал о мгновенном значении тока в переключаемой фазе тиристорного коммутатора с выхода блока 6 датчиков тока и определяет момент времени, когда ток, протекающий через тиристорные мосты фазы коммутатора ФПУ, становится равным нулю.

Для обеспечения надежного выключения тиристоров необходимо введение временных задержек, рассчитанных исходя из параметров силовой схемы ФПУ, которые поступают на вход блока 7 с выхода блока 8 - блока данных о параметрах силовых компонентов схемы фазоповоротного устройства. Такими параметрами являются:

- время выключения тиристоров в составе коммутатора 5;

- погрешности реальных приборов, находящихся в цепи передачи информации о мгновенном значении тока в тиристорном коммутаторе (фазовом сдвиге, создаваемом датчиками тока 6, возможно устройства аналого-цифрового преобразования и т.д.).

Введение указанных задержек необходимо из-за того, что в случае, когда коммутация тиристоров осуществляется в момент, близкий к переходу тока через нулевое значение, возможно возникновение коротких замыканий вторичной обмотки шунтового трансформатора. Это объясняется тем, что в данном случае тиристоры, обесточенные, но не успевшие восстановить свою способность удерживать напряжение, оказываются под положительным (прямым) напряжением, что приводит к их самопроизвольному включению. В случае недоучета погрешности измерительного оборудования силовой схемы, возможна преждевременная подача импульсов управления на силовые приборы, что может также привести к формированию контура короткого замыкания вторичной обмотки шунтового трансформатора.

Для обеспечения безаварийной коммутации всех тиристорных мостов переключаемой фазы коммутатора 5 блок 7 слежения за током фиксирует наличие нулевого тока в переключаемой фазе тиристорного коммутатора в течение временного интервала t₃ (см. фиг. 3), равного сумме времени восстановления тиристоров и времени задержки, вносимой за счет инструментальной погрешности датчиков тока 6 и контура обработки информации о мгновенном значении тока. По истечении времени t₃ блок 7 формирует в блок 4 сигнал разрешения включения тиристоров, и блок 4 подает импульсы управления на другие тиристоры мостов этой же фазы коммутатора 5 в соответствии с требуемой ступенью регулирования ФПУ.

После переключения одной фазы блок 4 управления тиристорным коммутатором снимает импульсы управления с тиристоров следующей фазы коммутатора 5 и повторяет рассмотренную последовательность действий, пока все фазы тиристорного коммутатора не будут переведены в следующее промежуточное или конечное состояние, согласно маршруту переключения. После совершения каждого этапа переключения выбранного маршрута, т.е. после последовательного переключения трех фаз коммутатора 5, блок 4 выдает на блок 1 сигнал завершения переключения, позволяющий блоку 1 выдать на блок 4 код следующего состояния в соответствии с выбранным маршрутом, а блоку 4 начать следующий этап переключения, пока не будет достигнута требуемая ступень регулирования ФПУ.

В отличие от прототипа предлагаемый способ управления позволяет производить переключение обмоток шунтового трансформатора при любом фазовом соотношении токов и напряжений в линии электропередачи, поскольку успешное завершение переключения не зависит от фазового сдвига между током и напряжением в мостах коммутатора 5.

Согласно заявляемому способу выбранная допустимая последовательность поэтапной коммутации обмоток (маршрут переключения, выбранный блоком 1) должна удовлетворять заданным сигналом с выхода блока 3 ограничениям, по меньшей мере, на величину выходного напряжения ФПУ в процессе поэтапной коммутации. Заданные блоком 3 ограничения могут дополнительно включать ограничение на число переключений шунтовых обмоток, на число переключаемых тиристоров коммутатора, на суммарно накопленный фазовый сдвиг при поэтапной коммутации ФПУ.

Выбор маршрута с требуемыми свойствами осуществляется благодаря размещению возможных маршрутов, хранимых в ячейках памяти блока 1, по адресам в соответствии с предварительно рассчитанным значением ограничиваемого параметра. Блок 1, используя информацию, заданную блоком 9 автоматического управления энергосистемой и поступающую с блоков 2 и 3 в соответствующее адресное поле, выбирает маршрут, удовлетворяющий заданным ограничениям, в число которых обязательно входит ограничение величины выходных напряжений ФПУ в процессе поэтапной коммутации обмоток. Кроме того, блок 9 через блок 3 может задавать блоку 1 другие ограничения, например, на число переключений шунтовых обмоток, на число переключений тиристоров, на суммарно накопленный фазовый сдвиг.

Блок 1 выбора маршрута переключения целесообразно выполнять таким образом, чтобы в результате учета всех задаваемых требований он однозначно выбрал из множества заложенных в его память маршрутов переключения единственный (конкретный) маршрут переключения, предназначенный для отработки блоками 4 и 7.

Таким образом, осуществление совокупности признаков заявляемого способа управления ФПУ обеспечивает достижение указанного технического результата.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в энергетических системах. Технический результат - обеспечение регулирования потоков мощности на обмотках шунтового трансформатора энергосистемы за счет обеспечения полной управляемости фазоповоротным устройством (ФПУ) вне зависимости от режима работы энергосистемы. Управление ФПУ осуществляют путем поэтапного переключения тиристорным коммутатором обмоток шунтового трансформатора, для чего задают конечное состояние тиристорного коммутатора, вводят ограничения на поэтапное переключение тиристорного коммутатора из текущего состояния в заданное конечное, выбирают допустимую последовательность поэтапного переключения, удовлетворяющую заданным ограничениям, измеряют токи тиристорного коммутатора, в соответствии с выбранной последовательностью осуществляют последовательное переключение фаз тиристорного коммутатора в заданное конечное состояние. 3 ил.

Способ управления фазоповоротным устройством путем поэтапного переключения тиристорным коммутатором обмоток шунтового трансформатора, заключающийся в том, что задают конечное состояние тиристорного коммутатора, вводят ограничения на поэтапное переключение тиристорного коммутатора из текущего состояния в заданное конечное, выбирают допустимую последовательность поэтапного переключения, удовлетворяющую заданным ограничениям, по меньшей мере на величину выходного напряжения фазоповоротного устройства в процессе поэтапной коммутации, измеряют токи тиристорного коммутатора и выполняют его поэтапное переключение в соответствии с выбранной последовательностью, отличающийся тем, что снимают импульсы управления со всех тиристоров одной переключаемой фазы тиристорного коммутатора, фиксируют наличие нулевого тока в переключаемой фазе тиристорного коммутатора в течение временного интервала, длительность которого превышает время восстановления тиристоров, подают импульсы управления на включение тиристоров этой фазы в новое, согласно выбранной последовательности, состояние и проводят последовательное переключение каждой следующей фазы тиристорного коммутатора до окончания процесса переключения всех фаз тиристорного коммутатора в заданное конечное состояние.