ТРЕХФАЗНЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР МОЩНОСТИ Российский патент 2021 года по МПК H02J3/16 

Изобретение относится к области электрических сетей и может быть использовано в устройствах поперечной компенсации с целью управления мощностью, передаваемой по ЛЭП, уменьшения потерь электрической энергии и регулирования напряжения в местах установки данных устройств в линию электропередачи (ЛЭП).

Известен статический компенсатор реактивной мощности, фазы которого образованы параллельным соединением ветвей, содержащих последовательное соединение конденсатора и управляемого ключа, и одной или нескольких тиристорно-реакторных групп, образованных последовательным соединением реактора и двунаправленного тиристорного ключа. Система управления статического компенсатора управляет состоянием управляемых ключей в параллельных ветвях, содержащих конденсаторы, и реализует фазовое управление двунаправленными тиристорными ключами в тиристорно-реакторных группах, регулируя действующее значение протекающего через них тока, что обеспечивает плавное регулирование реактивной мощности статического компенсатора. (Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности электроэнергетических систем: учебное пособие / А.П. Бурман, Ю.К. розанов, Ю.Г. Шакарян. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - 336 с.: ил. Стр. 28, рис. 1.2.).

К недостаткам такого устройства относятся: несинусоидальность генерируемого устройством тока в полном диапазоне регулирования реактивной мощности, негативно отражающаяся на показателях качества электрической энергии и требующая применения в составе компенсатора дополнительных фильтров высших гармоник; невозможность генерации таким компенсатором вместе с реактивной мощностью активной мощности в его фазах.

Известен статический компенсатор реактивной мощности, каждая фаза которого представляет собой ветвь, содержащую реактивный элемент и регулятор переменного синусоидального напряжения, имеющий два входных и два выходных зажима, при этом первый вывод реактивного элемента подключен к первому выводу фазы статического компенсатора реактивной мощности, а второй вывод реактивного элемента подключен к первому выходному зажиму регулятора переменного синусоидального напряжения, второй выходной зажим которого подключен к второму выводу фазы статического компенсатора реактивной мощности. Параллельно выводам фазы подключен датчик напряжения, выход которого соединен с блоком системы управления. Входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения подключены к выводам фаз статического компенсатора реактивной мощности. Блок системы управления осуществляет управление регуляторами переменного синусоидального напряжения в фазах статического компенсатора реактивной мощности и обеспечивает формирование требуемых напряжений на реактивных элементах, соответствующих генерации заданного уровня реактивной мощности в каждой фазе (Патент RU на изобретение №2711537 опубл. 17.01.2020 г. - фиг. 1).

Преимуществом данного статического компенсатора реактивной мощности является отсутствие высших гармонических составляющих в кривой генерируемого тока во всем диапазоне регулирования мощности статического компенсатора, что исключает необходимость применения фильтров высших гармоник для их подавления.

Общий недостаток известных технических решений (аналога и прототипа) состоит в том, что они позволяют формировать и регулировать только реактивные мощности и, соответственно, компенсировать только реактивные составляющие мощностей в фазах электрической сети, и не имеют возможности формирования и компенсации активных составляющих мощности в фазах сети.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей регуляторов мощности для управления не только реактивной, но и активной мощностью в фазах электрической сети.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей статического компенсатора мощности, позволяющее устройству формировать и управлять как реактивной, так и активной мощностями в фазах линии электропередачи и, соответственно, более гибко управлять режимами работы линии электропередачи.

Технический результат достигается тем, что в трехфазном статическом компенсаторе мощности, подключенном к выводам фаз трехфазной сети переменного синусоидального напряжения, одна или несколько фаз которого представляют собой ветвь, содержащую последовательное соединение реактивного элемента и выходных зажимов регулятора переменного синусоидального напряжения, при этом первый вывод реактивного элемента подключен к первому выводу фазы статического компенсатора мощности, а второй вывод реактивного элемента подключен к первому выходному зажиму регулятора переменного синусоидального напряжения, а параллельно выводам фаз статического компенсатора подключены датчики напряжения, своими выходами соединенные с блоком системы управления, осуществляющим управление регуляторами переменных синусоидальных напряжений в фазах статического компенсатора мощности и обеспечивающим формирование требуемых напряжений на их реактивных элементах, а входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения подключены к выводам фаз статического компенсатора мощности в одну или несколько фаз статического компенсатора мощности включены по дополнительному регулятору переменного синусоидального напряжения таким образом, что первый его выходной зажим соединен с вторым выходным зажимом регулятора переменного синусоидального напряжения, а второй выходной зажим дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения соединен со вторым выводом фазы статического компенсатора мощности, при этом входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения и дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения фазы статического компенсатора мощности подключены к различным выводам фаз статического компенсатора мощности, а управление дополнительными регуляторами переменного синусоидального напряжения осуществляется блоком системы управления.

Изобретение имеет развитие, которое состоит в том, что реактивные элементы одной или нескольких фаз статического компенсатора мощности выполнены управляемыми с возможностью регулирования их реактивного сопротивления и изменения его характера, при этом управление управляемыми реактивными элементами осуществляется блоком системы управления.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема заявляемого статического компенсатора мощности, все три фазы которого снабжены дополнительными регуляторами переменного синусоидального напряжения, на входы которых подаются линейные напряжения фаз сети. На фиг. 2 приведена схема статического компенсатора мощности фиг. 1 с управляемыми реактивными элементами. На фиг. 3 приведен пример реализации регулятора переменного синусоидального напряжения. На фиг. 4 приведена схема одной фазы статического компенсатора мощности фиг. 1 и векторные диаграммы напряжений и токов в основных точках схемы данной фазы. На фиг. 5 представлена схема одной фазы статического компенсатора мощности фиг. 1 и векторные диаграммы напряжений и токов элементов схемы в случае, когда на входные зажимы дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения подано фазное напряжение одной из фаз сети. На фиг. 6 приведены примеры реализации управляемого реактивного элемента. На фиг. 7 приведена векторная диаграмма напряжений и токов одной вазы статического компенсатора мощности фиг. 2 при изменении сопротивления реактивного элемента.

На фиг. 1 трехфазная сеть синусоидального переменного напряжения образована источниками синусоидального переменного напряжения 1, 2 и 3, фаз А, В и С соответственно. Источники 1, 2, 3 соединены по схеме «звезда» с общей точкой нейтрали N. Трехфазный статический компенсатор мощности 4 содержит три блока 5, 6, и 7, образующие соответственно фазу А, фазу В и фазу С трехфазного статического компенсатора мощности 4. Блок 5 подключен параллельно источнику синусоидального переменного напряжения 1, блок 6 подключен параллельно источнику синусоидального переменного напряжения 2, блок 7 подключен параллельно источнику синусоидального переменного напряжения 3. Блок 5 содержит реактивный элемент 8, регулятор переменного синусоидального напряжения 9 и дополнительный регулятор переменного синусоидального напряжения 10. Первый вывод реактивного элемента 8 соединен с первым выводом 11 блока 5. При этом вывод 11 блока 5 соединен с общей точкой N соединения источников переменного синусоидального напряжения 1, 2, 3. Второй вывод реактивного элемента 8 соединен с первым выходным зажимом регулятора переменного синусоидального напряжения 9, второй выходной зажим которого соединен с первым выходным зажимом дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 10. Второй выходной зажим дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 10 соединен с вторым выводом 12 блока 5. При этом вывод 12 блока 5 подключен к выводу источника 1, не соединенному с источниками 2 и 3. Первый и второй входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения 9 подключены соответственно к выводам 11 и 12 блока 5, параллельно которым подключен также датчик напряжения 13, выход которого соединен с первым входом блока системы управления 14. Первый и второй входные зажимы дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 10 соединены с выводами 15 и 16 блока 6 и блока 7 трехфазного статического компенсатора мощности 4 соответственно. При этом вывод 15 блока 6 подключен к выводу источника 2, не соединенному с источниками 1 и 3, а вывод 16 блока 7 подключен к выводу источника 3, не соединенному с источниками 1 и 2. Блок 6 и блок 7 трехфазного статического компенсатора мощности 4 построены аналогично блоку 5. Блок 6 содержит реактивный элемент 17, регулятор переменного синусоидального напряжения 18, дополнительный регулятор переменного синусоидального напряжения 19 и датчик напряжения 20. Вывод 21 блока 6, соединенный с выводом реактивного элемента 17, подключен к общей точке N соединения источников 1, 2 и 3. Первый и второй входные зажимы дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 19 соединены с выводами 16 и 12 блока 7 и блока 5 трехфазного статического компенсатора мощности 4 соответственно.

Блок 7 содержит реактивный элемент 22, регулятор переменного синусоидального напряжения 23, дополнительный регулятор переменного синусоидального напряжения 24 и датчик напряжения 25. Вывод 26 блока 7, соединенный с выводом реактивного элемента 22, подключен к общей точке N соединения источников 1, 2 и 3. Первый и второй входные зажимы дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 24 соединены с выводами 12 и 15 блока 5 и блока 6 трехфазного статического компенсатора мощности 4 соответственно.

Второй и третий входы блока системы управления 14 соединены с выходами датчиков напряжения 20 и 25 соответственно. На четвертый вход блока системы управления 14 поступает информация от блока 26 о задаваемых уровнях мощности, формируемых фазами А, В и С трехфазного статического компенсатора мощности 4. Выходные сигналы блока системы управления 14 поступают на управляющие входы регуляторов переменного синусоидального напряжения 9, 18 и 23 и на управляющие входы дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения 10, 19 и 24.

На схеме фиг. 2 представлен трехфазный статический компенсатор мощности 4 фиг. 1, в составе фаз которого реактивные элементы 8, 17 и 22 выполнены управляемыми. При этом входы управления управляемых реактивных элементов 8, 17 и 22 соединены с выходами блока системы управления 14.

Трехфазный статический компенсатор мощности 4 фиг. 1 функционирует следующим образом.

В блок системы управления 14 трехфазного статического компенсатора мощности 4 от блока 26 поступает информация о требуемых значениях активных и реактивных мощностей, формирование которых должно быть обеспечено блоками 5, 6 и 7 трехфазного статического компенсатора мощности 4. Для реализации возможности формирования блоками 5, 6 и 7 как реактивной, так и активной составляющих мощности, а также регулирования данных мощностей должна быть обеспечена возможность регулирования приложенных к реактивным элементам 8, 17 и 22 напряжений как по модулю, так и по фазе относительно напряжений соответствующих фаз электрической сети, образованных источниками переменного синусоидального напряжения 1, 2 и 3. В случае варианта реализации трехфазного статического компенсатора мощности 4 по схеме фиг. 1 возможность такого регулирования напряжений на реактивных элементах 8, 17 и 22 каждого из блоков 5, 6 и 7 обеспечивается использованием в составе каждого из блоков 5, 6 и 7 двух регуляторов переменного синусоидального напряжения. На основе информации о величинах сопротивлений реактивных элементов 8, 17 и 22, а также информации о текущих значениях напряжений электрической сети, измеряемых блоками 13, 20 и 25, блок системы управления 14 вычисляет требуемые напряжения на реактивных элементах 8, 17, 22, соответствующие заданным уровням формируемой активной и реактивной мощности, и формирует управляющие воздействия на управляющие входы регуляторов переменного синусоидального напряжения 9, 18 и 23 и на управляющие входы дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения 10, 19 и 24.

Один из возможных вариантов реализации регуляторов переменного синусоидального напряжения 9, 18 и 23 и дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения 10, 19 и 24 приведен на фиг. 3. Регулятор фиг. 3 представляет собой однофазный трансформатор с дискретно-изменяемым коэффициентом трансформации, что достигается за счет секционирования одной из его обмоток и переключения секций секционированной обмотки посредством ключевого коммутатора. В зависимости от количества секций секционированной обмотки трансформатора и топологии построения ключевого коммутатора можно обеспечить любую заданную дискретность изменения коэффициента трансформации. Регулятор переменного синусоидального напряжения такого типа может формировать на своих выходных зажимах регулируемое переменное синусоидальное напряжение в фазе или противофазе по отношению к напряжению на его входных зажимах.

Рассмотрим на примере блока 5 (фазы А) трехфазного статического компенсатора мощности 4 реализацию управления напряжением на реактивном элементе 8 с использованием в составе блока 5 регуляторов переменного синусоидального напряжения 9 и 10 на основе топологии фиг. 3. На фиг. 4 представлена схема блока 5 и векторные диаграммы напряжений и токов элементов блока 5.

Мгновенное значение синусоидального напряжения, приложенного к реактивному элементу 8, определяется алгебраической суммой мгновенных значений напряжения U_12-11 на выводах блока 5, напряжения U₉, формируемого регулятором переменного синусоидального напряжения 9 между своими выходными зажимами и напряжения U₁₀, формируемого дополнительным регулятором переменного синусоидального напряжения 10 между своими выходными зажимами. При этом выходное напряжение регулятора переменного синусоидального напряжения 9 формируется в фазе или противофазе по отношению к напряжению источника синусоидального переменного напряжения 1, поскольку на входные зажимы регулятора 9 подается напряжение источника синусоидального переменного напряжения 1 - фазы А сети. Выходное напряжение дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 10 формируется сдвинутым на 90 или 270 электрических градусов по отношению к напряжению источника синусоидального переменного напряжения 1, поскольку входные зажимы регулятора 10 подключены к не объединенным выводам источников 2 и 3, т.е. на входные зажимы регулятора 10 подается линейное напряжение фаз В и С сети, которое сдвинуто относительно напряжения фазы А на 90 электрических градусов.

Если в качестве реактивного элемента 8 блока 5 используется конденсатор, то вектор тока I₅, протекающего через элементы блока 5, будет опережать вектор напряжения U₈ на реактивном элементе 8, на 90 электрических градусов. На векторной диаграмме А) фиг. 4 показан случай, когда сформированы такие напряжения U₉ и U₁₀, что угол сдвига фаз φ между током I₅ и напряжением U_11-12 превышает 90 электрических градусов, что говорит о формировании блоком 5 одновременно активной и реактивной составляющих мощности в фазе А сети. На векторной диаграмме Б) фиг. 2 показан случай, когда сформированы такие напряжения U₉ и U₁₀, что угол сдвига фаз φ между током I₅ и напряжением U_11-12 равен 180 электрических градусов, что говорит о формировании блоком 5 только активной составляющей мощности (генерация активной мощности) в фазе А сети. При использовании в качестве реактивного элемента 8 индуктивного реактора ток I₅ будет находиться в фазе с напряжением U_11-12 (потребление активной мощности).

В общем случае, напряжение U₈, сформированное блоками 9 и 10 на реактивном элементе 8, может иметь произвольный угол сдвига фазы относительно напряжения U_12-11 и регулироваться по модулю в широких пределах в зависимости от величин и дискретности изменения коэффициентов трансформации регуляторов переменного синусоидального напряжения 9 и 10.

Блоки 6 и 7 статического компенсатора мощности 4 функционируют аналогично.

Также необходимо отметить, что входные зажимы дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения 10, 19 и 24 могут подключаться к любым напряжениям фаз трехфазной электрической сети (фазным и линейным) в зависимости от реализуемого метода управления мощностью трехфазного статического компенсатора мощности 4. На фиг. 5 представлена схема блока 5 и векторные диаграммы напряжений и токов элементов блока 5 в случае, когда на входные зажимы дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 10 подано напряжение фазы В сети.

При получении от блока 26 нового заданного значения требуемой от фаз А, В и С статического компенсатора 4 мощности, блок системы управления 14 определяет (вычисляет), требуемые величины (действующие значения) напряжений, формируемых на выходах регуляторов переменного синусоидального напряжения 9, 18 и 23 и дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения 10, 19 и 24 и их фазовые сдвиги (0 и 180 эл. град для блоков 9, 18 и 23; 90 и 270 эл. град для блоков 10, 19 и 24) и передает на управляющие входы блоков 9, 18, 23, 10, 19, 24 соответствующее управляющие воздействия.

В общем случае, в зависимости от конкретных условий функционирования трехфазного статического компенсатора мощности 4 некоторые его фазы А, В и С могут не содержать в своем составе регуляторов переменного синусоидального напряжения, дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения, а также реактивных элементов.

В схеме трехфазного статического компенсатора мощности фиг. 2 реактивные элементы 8, 17 и 22 выполнены управляемыми с возможностью регулирования их реактивного сопротивления и изменения его характера. Управляемые реактивные элементы в данном случае могут быть реализованы различными способами, например на основе переключаемых батарей статических конденсаторов, тиристорного-реакторных групп, тиристорно-переключаемых конденсаторных и реакторных групп и т.д. На фиг. 6 приведен один из возможных примеров реализации управляемого реактивного элемента на основе тиристорно-переключаемых конденсаторной и реакторной групп, с возможностью регулирования реактивного сопротивления и изменения его характера (индуктивный или емкостной).

Изменение реактивных сопротивлений реактивных элементов 8, 17 и 22 позволит при фиксированных напряжениях на выходных зажимах блоков 9, 18, 23, 10, 19, 24 дополнительно управлять величинами токов реактивных элементов и их фазовыми сдвигами и, тем самым, дополнительно регулировать активные и реактивные мощности фаз А, В, С трехфазного статического компенсатора мощности 4.

На фиг. 7 для фазы А (блока 5) трехфазного статического компенсатора мощности 4, реализованного по схеме фиг. 2, приведена векторная диаграмма, иллюстрирующая изменение тока фазы А (блока 5) - I₅ трехфазного статического компенсатора мощности 4 в зависимости от изменения величины сопротивления реактивного элемента емкостного типа - X₈ (X_8-1>Х_8-2).

Введение возможности управления сопротивлением реактивных элементов 8, 17 и 22 позволяет расширить возможности управления трехфазного статического компенсатора мощности 4 и увеличить дискретность регулирования активной и реактивной мощности.

Также следует отметить, что в общем случае не все реактивные элементы 8, 17 и 22 трехфазного статического компенсатора 4 должны быть выполнены управляемыми.

Таким образом, использование совокупности признаков заявляемого изобретения позволяет регулировать как реактивную, так и активную мощности в точке подключения статического компенсатора мощности 4 к линии электропередачи.

Изобретение относится к области электрических сетей и может быть использовано в устройствах поперечной компенсации с целью управления мощностью, передаваемой по ЛЭП. Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей статического компенсатора мощности, позволяющее регулировать как реактивную, так и активную мощность статического компенсатора и, соответственно, компенсировать реактивную и активную мощности линии электропередачи. Предметом изобретения является трехфазный статический компенсатор мощности, подключенный к выводам фаз трехфазной сети переменного синусоидального напряжения, одна или несколько фаз которого содержат последовательное соединение реактивного элемента и выходных зажимов регулятора переменного синусоидального напряжения, при этом входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения подключены к выводам фаз статического компенсатора мощности. Блок системы управления обеспечивает управление регуляторами переменных синусоидальных напряжений в фазах статического компенсатора мощности и обеспечивает формирование требуемых напряжений на их реактивных элементах. В одну или несколько фаз статического компенсатора мощности включены по дополнительному регулятору переменного синусоидального напряжения. Входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения и дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения фазы подключены к различным выводам фаз статического компенсатора мощности, а управление дополнительными регуляторами переменного синусоидального напряжения осуществляется блоком системы управления. Реактивные элементы одной или нескольких фаз выполнены управляемыми с возможностью регулирования их реактивного сопротивления и изменения его характера, управление управляемыми реактивными элементами осуществляется блоком системы управления. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Трехфазный статический компенсатор мощности, подключенный к выводам фаз трехфазной сети переменного синусоидального напряжения, одна или несколько фаз которого представляют собой ветвь, содержащую последовательное соединение реактивного элемента и выходных зажимов регулятора переменного синусоидального напряжения, при этом первый вывод реактивного элемента подключен к первому выводу фазы статического компенсатора мощности, а второй вывод реактивного элемента подключен к первому выходному зажиму регулятора переменного синусоидального напряжения, параллельно выводам фаз статического компенсатора подключены датчики напряжения, своими выходами соединенные с блоком системы управления, осуществляющим управление регуляторами переменных синусоидальных напряжений в фазах статического компенсатора мощности и обеспечивающим формирование требуемых напряжений на их реактивных элементах, входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения подключены к выводам фаз статического компенсатора мощности, отличающийся тем, что в одну или несколько фаз статического компенсатора мощности включены по дополнительному регулятору переменного синусоидального напряжения таким образом, что первый его выходной зажим соединен с вторым выходным зажимом регулятора переменного синусоидального напряжения, а второй выходной зажим дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения соединен со вторым выводом фазы статического компенсатора мощности, при этом входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения и дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения фазы статического компенсатора мощности подключены к различным выводам фаз статического компенсатора мощности, а управление дополнительными регуляторами переменного синусоидального напряжения осуществляется блоком системы управления.

2. Статической компенсатор мощности по п. 1, отличающийся тем, что реактивные элементы одной или нескольких фаз статического компенсатора мощности выполнены управляемыми с возможностью регулирования их реактивного сопротивления и изменения его характера, при этом управление управляемыми реактивными элементами осуществляется блоком системы управления.