УПРАВЛЯЕМОЕ УСТРОЙСТВО ПРОДОЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ДЛЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2019 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях для регулирования реактивного сопротивления, вводимого последовательно в линию электропередачи (ЛЭП) с целью управления потоками мощности, передаваемыми по ЛЭП.

Известно устройство продольной компенсации, включаемое последовательно в линию электропередачи, состоящее из параллельного соединения конденсатора и реактора (Рыжов Ю.П. «Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения» М. Издательский дом МЭИ, 2007, 488 стр. , рис. 9.12, стр. 314). Формирование требуемой величины эквивалентного реактивного сопротивления параллельного колебательного контура, состоящего из параллельного соединения конденсатора и реактора, на частоте питающей сети осуществляется в нем за счет подбора величины индуктивности реактора. Основными недостатками такого построения устройства продольной компенсации являются существенная зависимость к.п.д. устройства от добротности контура, сильная зависимость эквивалентного реактивного сопротивления от разброса параметров элементов контура из-за резонансной зависимости эквивалентного сопротивления контура от параметров его элементов, а также повышенные массогабаритные показатели устройства в виду того, что эквивалентная реактивная мощность, накапливаемая в контуре, определяется разностью реактивных мощностей, накапливаемых отдельно в конденсаторе и реакторе.

Известно устройство продольной компенсации, использующее трансформатор, вторичная обмотка которого включена последовательно в линию электропередачи, а к первичной обмотке трансформатора подключен реактивный элемент Хр (Рыжов Ю.П. «Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения» М. Издательский дом МЭИ, 2007, 488 стр. , рис. 9.13, стр. 316). При фиксированном значении реактивного сопротивления Х_р реактивного элемента, подключенного к первичной обмотке трансформатора, трансформатор используется для увеличения реактивного сопротивления, вводимого в линию электропередачи: Х=X_p/K², где K - коэффициент трансформации трансформатора, определяемый как отношение напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной обмотке трансформатора (К=U₂/U₁). Отметим, что для увеличения величины реактивного сопротивления X, вводимого в линию электропередачи, по отношению к реактивному сопротивлению Х_р, подключенному к первичной обмотке трансформатора, коэффициент трансформации K должен иметь значения меньше 1. Обеспечение необходимой величины реактивного сопротивления, вводимого в линию электропередачи, осуществляется за счет подбора коэффициента трансформации трансформатора. Следует подчеркнуть, что, как в случае аналога, так и прототипа, введение с помощью устройства продольной компенсации дополнительного реактивного элемента в ЛЭП практически не влияет на величину тока, протекающего в ЛЭП, а лишь добавляет в ЛЭП реактивный элемент, способный, в зависимости от характера реактивного элемента, накапливать реактивную мощность индуктивного или емкостного характера. При этом, в схеме прототипа установленная мощность трансформатора всегда равна мощности, накапливаемой в реактивном элементе. Недостатками прототипа являются высокие массогабаритные показатели устройства, высокая чувствительность величины реактивного сопротивления, вводимого в ЛЭП, к изменению устройства продольной компенсации (коэффициента трансформации К и величины реактивного сопротивления, подключенного к первичной обмотке трансформатора - Х_р). Высокие массогабаритные показатели устройства продольной компенсации вытекают из того факта, что в схеме прототипа установленная мощность трансформатора всегда равна установленной мощности реактивного элемента, и суммарная установленная мощность электромагнитных элементов устройства продольной компенсации, построенного по схеме прототипа, определяемая как сумма установленных мощностей реактивного элемента и трансформатора, всегда равна удвоенной реактивной мощности, вводимой в линию электропередачи. Высокая чувствительность реактивного сопротивления к изменению параметров элементов схемы прототипа определяется зависимостью реактивного сопротивления, вводимого в ЛЭП Х=X_p/K². Поскольку коэффициент трансформации трансформатора подбирается из диапазона от 0 до 1, то любой разброс параметров как коэффициента трансформации, так и Х_р будут существенно влиять на изменение величины X.

Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является снижение чувствительности величины реактивного сопротивления устройства к разбросу его параметров, уменьшение его массогабаритных показателей и стоимости, а также расширение областей его применения за счет реализации дискретного регулирования величины реактивного сопротивления, вводимого в линию электропередачи при фиксированных значениях коэффициента трансформации трансформатора и величине реактивного сопротивления используемого реактивного элемента.

Технический результат достигается тем, что в управляемом устройстве продольной компенсации для линий электропередачи, состоящем из реактивного элемента и трансформатора, первичная обмотка которого включена в линию электропередачи, последовательно с первичной обмоткой трансформатора включен реактивный элемент, а параллельно последовательному соединению первичной обмотки трансформатора и реактивного элемента включены две одинаковые параллельные ветви, каждая из которых состоит из последовательного соединения двух ключей, управляемых системой управления, а выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к общим точками соединения ключей в каждой из параллельных ветвей.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема построения управляемого устройства продольной компенсации. На фиг. 2 приведены зависимости реактивного сопротивления, вводимого устройствами продольной компенсации в линию электропередачи, от коэффициента трансформации трансформатора, при различном состоянии управляемых ключей в схеме фиг. 1. На фиг. 3 приведены зависимости относительной установленной мощности трансформатора (по отношению к мощности реактивного элемента), от коэффициента трансформации трансформатора в устройствах продольной компенсации, построенных по схеме прототипа и по схеме фиг. 1 при различных состояниях ключей.

Управляемое устройство продольной компенсации, изображенное на фиг. 1, состоит из трансформатора 1 с первичной и вторичной обмотками, имеющими соответственно числа витков W1 и W2, и реактивного элемента 2, в качестве которого может выступать реактор или батарея конденсаторов. Реактивный элемент 2 своим первым выводом подключен к выходному зажиму вых. 1 управляемого устройства продольной компенсации, а своим вторым выводом соединен с концом первичной обмотки трансформатора 1, при этом начало первичной обмотки трансформатора 1 соединено с выходным зажимом вых. 2 управляемого устройства продольной компенсации. Параллельно выходным зажимам вых. 1 и вых. 2 управляемого устройства продольной компенсации включены две одинаковые ветви, каждая из которых состоит из последовательного соединения ключей 3, 4 и 5, 6 соответственно. При этом первый вывод ключа 3 подключен к выходному зажиму вых. 1 управляемого устройства продольной компенсации, второй вывод ключа 3 подключен к первому выводу ключа 4, а второй вывод ключа 4 соединен с выходным зажимом вых. 2 управляемого устройства продольной компенсации. Первый вывод ключа 5 подключен к выходному зажиму вых. 1 управляемого устройства продольной компенсации, второй вывод ключа 5 подключен к первому выводу ключа 6, а второй вывод ключа 6 соединен с выходным зажимом вых. 2 управляемого устройства продольной компенсации.

Ключи управляются сигналами, поступающими от системы управления 7. Вторичная обмотка трансформатора 1 своим концом подключена к общей точке соединения ключей 5 и 6, а своим началом - к общей точке соединения ключей 3 и 4.

В зависимости от состояний ключей 3, 4, 5, 6 управляемое устройство продольной компенсации фиг. 1 обеспечивает различную величину реактивного сопротивления относительно своих зажимов вых. 1 и вых. 2.

В установившемся режиме в цепи синусоидального тока при замкнутых ключах 4, 5 и разомкнутых ключах 3, 6 одноименные концы первичной W1 и вторичной W2 обмоток трансформатора 1 соединены в одну точку и подключаются к выходному зажиму вых. 2 управляемого устройства продольной компенсации. При этом для выбранных положительных направлений напряжений и токов, указанных на фиг. 1, будут справедливы следующие соотношения:

где I₁ - ток первичной обмотки W1 трансформатора 1, I₂ - ток вторичной обмотки W2 трансформатора 1, J - ток ЛЭП, U₁ - напряжение на первичной обмотке W1 трансформатора 1, U₂ - напряжение на вторичной обмотке W2 трансформатора 1, Up - напряжение на реактивном элементе 2, Х_р - реактивное сопротивление реактивного элемента 2, Q_p - установленная реактивная мощность реактивного элемента 2, К - коэффициент трансформации трансформатора 1, определяемый как отношение напряжения на вторичной обмотке W2 к напряжению на первичной обмотке W1, δ1 - отношение установленной мощности трансформатора 1 к установленной мощности реактивного элемента 2.

Как видно из приведенных соотношений, в зависимости от выбора коэффициента трансформации трансформатора 1, напряжение U₂ на выходных зажимах управляемого устройства продольной компенсации будет меняться в существенных пределах и зависит от реактивного сопротивления Х_р реактивного элемента 2 и коэффициента трансформации трансформатора 1. Это и определяет изменение реактивного сопротивления управляемого устройства продольной компенсации. Зависимость реактивного сопротивления управляемого устройства продольной компенсации для схемы фиг. 1 при включенных ключах 4, 5 и выключенных ключах 3, 6 определяется выражением:

или в относительных единицах

Таким образом, за счет выбора коэффициента трансформации трансформатора 1 в схеме фиг. 1 можно обеспечивать различные значения реактивных сопротивлений управляемого устройства продольной компенсации.

При включенных ключах 3, 6 и выключенных ключах 4, 5 разноименные концы первичной W1 и вторичной W2 обмоток трансформатора 1 объединяются в одну точку и подключаются к выходному зажиму вых. 2 управляемого устройства продольной компенсации. При работе устройства в установившемся режиме в цепи синусоидального тока в этом случае, при выбранных положительных направлениях токов и напряжений, за исключением измененного на противоположное положительного направления тока I₂, справедливы следующие соотношения:

Как видно из приведенных соотношений, в зависимости от выбора коэффициента трансформации K трансформатора 1, напряжение U₂ на выходных зажимах управляемого устройства продольной компенсации будет также меняться. Зависимость реактивного сопротивления управляемого устройства продольной компенсации для схемы фиг. 2 определяется выражением:

Или в относительных единицах

На фиг. 2 приведены зависимости реактивных сопротивлений управляемого устройства продольной компенсации от коэффициента трансформации К трансформатора 1 для различных состояний ключей 4, 5 и 3, 6 в схеме фиг. 1. На фиг. 2 также представлена зависимость реактивного сопротивления от коэффициента трансформации трансформатора 1 для устройства продольной компенсации по схеме прототипа, определяемая выражением:

или в относительных единицах

Представленные на фиг. 2 зависимости иллюстрируют следующие особенности работы схем:

1. В схеме прототипа в диапазоне изменения коэффициентов трансформации К трансформатора 1 от 0 до 1 относительное реактивное сопротивление y1 устройства продольной компенсации изменяется от бесконечности до 1, а абсолютное значение реактивного сопротивления устройства продольной компенсации - от бесконечности до величины реактивного сопротивления Х_р реактивного элемента 2, подключенного к первичной обмотке W1 трансформатора 1. Это и объясняет высокую чувствительность реактивного сопротивления к изменениям параметров элементов схемы устройства продольной компенсации.

2. Для схемы фиг. 1 при включенных ключах 4, 5 и выключенных ключах 3, 6 относительное реактивное сопротивление у2 управляемого устройства продольной компенсации изменяется от бесконечности до 1 при изменении коэффициента трансформации K трансформатора 1 в диапазоне от 1 до бесконечности. Это и объясняет низкую чувствительность реактивного сопротивления управляемого устройства продольной компенсации к изменяющимся параметрам элементов его схемы;

3. Для схемы фиг. 1 при включенных ключах 3, 6 и выключенных ключах 4, 5 диапазон изменения относительного реактивного сопротивления у3 управляемого устройства продольной компенсации составляет от 1 до 0 при изменении коэффициента трансформации К трансформатора 1 от бесконечности до 0. Это также обуславливает низкую чувствительность реактивного сопротивления управляемого устройства продольной компенсации к изменению параметров элементов его схемы.

Важным показателем, определяющим массогабаритные показатели трансформатора 1 при всех состояниях ключей схемы фиг. 1 является отношение его установленной мощности к мощности реактивного элемента 2. Как уже отмечалось ранее, в схеме прототипа эта относительная мощность трансформатора не зависела от коэффициента трансформации и всегда равна 1.

Для схемы фиг. 1 в зависимости от включенных ключей 4, 5 или 3, 6 эти относительные установленные мощности определяются соответственно выражениями:

На фиг. 3 приведены графические зависимости этих выражений от коэффициента трансформации К трансформатора 1.

Из представленных зависимостей следует:

1. Для схемы фиг. 1 при включенных ключах 4, 5 и выключенных ключах 3, 6, уже при значениях коэффициентов трансформации трансформатора 1 превышающих 2, установленная мощность трансформатора 1 становится меньше, чем мощность реактивного элемента 2, что обеспечивает уменьшение весогабаритных и стоимостных показателей трансформатора 1 по сравнению со схемой прототипа;

2. Для схемы фиг. 1 при включенных ключах 3, 6 и выключенных ключах 4, 5 установленная мощность трансформатора 1 меньше, чем мощность реактивного элемента 2 во всем диапазоне изменения коэффициентов трансформации K.

3. Таким образом, можно утверждать, что для схем фиг. 1 и фиг. 2 имеет место уменьшение установленной мощности трансформатора 1 по отношению к установленной мощности реактивного элемента 2.

Так например, в схеме фиг. 1 при выбранном коэффициенте трансформации трансформатора 1 равным 3 при включенных ключах 4, 5 и выключенных ключах 3, 6 реактивное сопротивление на выходах управляемого устройства продольной компенсации будет равно 2,125 Х_р. При выключенных ключах 4, 5 и включенных ключах 3, 6 реактивное сопротивление на выходах управляемого устройства продольной компенсации будет равно 0,56 Х_р. Если ключи 5, 3 будут разомкнуты, а ключи 6, 4 замкнуты, то трансформатор 1 в схеме фиг. 1 будет закорочен и реактивное сопротивление на выходе управляемого устройства продольной компенсации будет равно Х_р. Если любая пара ключей 3, 4 или 5, 6 будет включена, то сопротивление на выходе управляемого устройства продольной компенсации будет равно 0. Таким образом, в зависимости от управления ключами в схеме фиг. 1 можно получить четыре различных значения реактивного сопротивления на выходе управляемого устройства продольной компенсации: 0; 0,56 Х_р; Х_р; 2,125 Х_р.

Расширение областей применения предлагаемого технического решения связано с возможностью получения различных значений реактивного сопротивления управляемого устройства продольной компенсации при одном коэффициенте трансформации К трансформатора 1 за счет управления состоянием ключей. Таким образом, применение заявляемой схемы построения управляемого устройства продольной компенсации позволяет снизить чувствительность реактивного сопротивления к изменению параметров элементов схемы, уменьшить суммарную установленную мощность ее элементов и расширить области применения за счет управления реактивным сопротивлением. Тем самым осуществление совокупности признаков заявляемого устройства обеспечивает достижение указанного технического результата.

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях для регулирования реактивного сопротивления, вводимого последовательно в линию электропередачи (ЛЭП) с целью регулирования потоков мощности, передаваемых по ЛЭП. Техническим результатом является снижение чувствительности величины реактивного сопротивления устройства к разбросу его параметров, уменьшение его массогабаритных показателей и стоимости, а также расширение областей его применения за счет управления величиной реактивного сопротивления, вводимого в линию электропередачи. В управляемом устройстве продольной компенсации для линий электропередачи, состоящем из реактивного элемента и трансформатора, первичная обмотка которого включена в линию электропередачи, последовательно с первичной обмоткой трансформатора включен реактивный элемент, а параллельно последовательному соединению первичной обмотки трансформатора и реактивного элемента включены две одинаковые параллельные ветви, каждая из которых состоит из последовательного соединения двух ключей, управляемых системой управления, а выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к общим точкам соединения ключей в каждой из параллельных ветвей. 3 ил.

Управляемое устройство продольной компенсации для линий электропередачи, состоящее из реактивного элемента и трансформатора, первичная обмотка которого включена в линию электропередачи, отличающееся тем, что последовательно с первичной обмоткой трансформатора включен реактивный элемент, а параллельно последовательному соединению первичной обмотки трансформатора и реактивного элемента включены две одинаковые параллельные ветви, каждая из которых состоит из последовательного соединения двух ключей, управляемых системой управления, а выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к общим точкам соединения ключей в каждой из параллельных ветвей.