СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ РАБОТЫ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2021 года по МПК H02J3/16 H02J3/18 G05F1/70 

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

Известен способ управления мощностью статического компенсатора мощности, работающего в сети синусоидального переменного напряжения и содержащего последовательное соединение реактивного элемента и управляющего устройства, включающий задание генерируемой статическим компенсатором мощности, измерение напряжения на входных зажимах статического компенсатора мощности, вычисление соответствующего заданной генерируемой мощности значения напряжения управляющего устройства, синхронные с напряжением сети воздействия на управляющее устройство, обеспечивающие формирование вычисленного значения его напряжения (Патент RU на изобретение №2675620, опубл. 21.12.2018 г.).

Недостатком способа является ограничение его функциональных возможностей, обусловленное формированием только реактивной мощности в фазе линии электропередачи в месте подключения управляющего устройства.

Наиболее близким прототипом к заявляемому способу и устройству является способ управления мощностью статического компенсатора мощности, работающего в сети синусоидального напряжения и содержащего последовательное соединение реактивного элемента и управляющего устройства, включающий задание генерируемой статическим компенсатором мощности, измерение напряжения на входных зажимах статического компенсатора мощности, вычисление соответствующего заданной генерируемой мощности значения напряжения управляющего устройства, синхронные с напряжением сети воздействия на управляющее устройство, обеспечивающие формирование вычисленного значения его напряжения, с фазовым сдвигом относительно напряжения сети. (Патент №2726935, от 17.07.2020, опубл. 17.07.2020, бюл. №20).

Управляющее устройство для реализации данного способа построено на основе регулятора синусоидального напряжения, входные зажимы которого подключены к линии электропередачи, а его выход включен последовательно с реактивным элементом, датчик напряжения, включенный параллельно входным зажимам регулятора, и блок управления.

Реализация управления по данному способу-прототипу позволяет управлять как реактивной, так и активной составляющими мощностей в фазе линии электропередачи посредством подключенного к ней управляющего устройства.

Недостатком способа и устройства прототипа является ограничение их функциональных возможностей, связанное с управлением посредством применения таких способа и устройства мощностями лишь в одной фазе линии электропередачи.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа управления режимом работы линии электропередачи и устройства для его осуществления, позволяющих регулировать активные и реактивные мощности одновременно во всех фазах линии электропередачи при одновременном упрощении структуры устройства, реализующего способ, и существенном улучшении за счет этого его технико-экономических показателей.

Предметом изобретения является способ управления режимом работы линии электропередачи, реализуемый устройством управления, построенным на основе реактивного элемента и регулятора синусоидального напряжения, подключаемого своими входными зажимами к линии электропередачи и формирующего регулируемое синусоидальное напряжение на своих выходных зажимах, задающего напряжение на реактивном элементе, включающий задание требуемого режима работы линии электропередачи, измерение напряжений на входных зажимах регулятора синусоидального напряжения, вычисление требуемых значений напряжения на выходе регулятора синусоидального напряжения и реактивном элементе, формирование воздействия на регулятор синусоидального напряжения синхронно с напряжениями линии электропередачи, обеспечивающего формирование вычисленного значения синусоидального напряжения на его выходе, в котором напряжение на реактивном элементе вычисляют исходя из заданного требуемого режима работы линии электропередачи с использованием информации об измеряемых величинах токов и напряжений линии электропередачи в местах подключения к ней входных зажимов устройства управления, а формируют регулятором переменного напряжения путем алгебраического суммирования мгновенных значений регулируемых линейных напряжений всех фаз линии электропередачи, при этом ток реактивного элемента дополнительно регулируют путем управления реактивным сопротивлением реактивного элемента, а устройство управления режимом работы линии электропередачи, содержащее регулятор синусоидального напряжения, входные зажимы которого подключены к линии электропередачи, а выход включен последовательно с реактивным элементом, датчик напряжения, включенный параллельно входным зажимам регулятора, блок управления, состоит из трех независимых регуляторов синусоидальных напряжений, входные зажимы которых подключены соответственно к различным фазам линии электропередачи, а выходные зажимы соединены последовательно и подключены к управляемому реактивному элементу, датчиков напряжений и токов, включенных в линию электропередачи в местах подключения входных зажимов устройства управления в линию электропередачи, а выходы датчиков напряжений и токов подключены ко входам блока управления.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема подключения устройства, реализующего способ управления режимом работы линии электропередачи (далее - устройство управления), к трехфазной электрической сети. На фиг. 2 представлена упрощенная внутренняя структура устройства управления, а на фиг. 3 приведена развернутая структурная схема устройства управления и схема его подключения к электрической сети.

Линия электропередачи, представленная на фиг. 1, сформирована генератором 1, образующим систему трехфазных ЭДС. К фазам А, В, С линии электропередачи подключен блок 2 трехфазной нагрузки. Устройство управления 3, реализующее заявляемый способ управления режимом работы линии электропередачи, подключается своими зажимами к фазам А, В и С линии электропередачи.

На фиг. 2 представлена упрощенная внутренняя структура устройства управления 3, состоящего из трех одинаковых трансформаторов 4, 5, и 6 с регулируемыми коэффициентами трансформации и управляемого реактивного элемента 7. При этом первичные обмотки трансформаторов 4, 5 и 6 соединены в треугольник и подключены к фазам А, В и С линии электропередачи: первичная обмотка трансформатора 4 включена между фазами А и В, первичная обмотка трансформатора 5 включена между фазами В и С, первичная обмотка трансформатора 6 включена между фазами С и А. Вторичные обмотки трансформаторов 4, 5, и 6 соединены последовательно, при этом свободные выводы вторичных обмоток трансформаторов 5 и 6, не соединенные с выводами вторичной обмотки трансформатора 4, подключены к выводам управляемого реактивного элемента 7.

На фиг. 3 приведена структура устройства управления 3, иллюстрирующая реализацию трансформатора 4 с регулируемом коэффициентом трансформации, выполненного на основе трансформатора, первичная обмотка W1 которого подключена между фазами А и В линии электропередачи, и тремя изолированными секциями вторичной обмотки W21, W22, W23 и управляемого ключевого коммутатора, построенного на основе управляемых ключей S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8. При этом ключевой коммутатор состоит из двух параллельно включенных ветвей, каждая из которых состоит из последовательного соединения управляемых ключей: S1, S2, S3, S4 и S5, S6, S7, S8 соответственно. Начало секции W21 подключено к общей точке соединения выводов ключей S1 и S2, а конец секции W21 подключен к общей точке соединения выводов ключей S5 и S6. Начало секции W22 подключено к общей точке соединения выводов ключей S2 и S3, а конец секции W22 подключен к общей точке соединения выводов ключей S6 и S7. Начало секции W23 подключено к общей точке соединения выводов ключей S3 и S4, а конец секции W23 подключен к общей точке соединения выводов ключей S7 и S8. При этом общие точки соединения параллельных ветвей, одна из которых образована соединением выводов ключей S1 и S5, а вторая соединением ключей S4 и S8, являются зажимами вторичной обмотки трансформатора 4 с регулируемым коэффициентом трансформации. Аналогичным образом реализуется построение трансформаторов 5 и 6 на фиг. 3. Блок управления 8 устройства управления 3 формирует управляющие сигналы на управляемые ключи всех ключевых коммутаторов, входящих в структуры блоков 4, 5, 6 трансформаторов с управляемым коэффициентом трансформации и управляемый реактивный элемент 7. Датчики токов 9, 10, 11, 12, 13 и 14 включены последовательно в линию электропередачи до и после подключения к ней каждого зажима устройства управления 3. При этом датчики тока 9 и 10 расположены в фазе А, датчики тока 11 и 12 - в фазе В, датчики тока 13 и 14 - в фазе С. Датчики напряжения 15, 16 и 17 подключены соответственно между фазами А, В и С линии электропередачи. Выходы всех датчиков тока и напряжения подключены к соответствующим входным зажимам блока управления 8 устройства управления 3.

Способ и устройство для его реализации работают следующим образом.

При несимметричной нагрузке 2, токи Iна, Iнв, Iнс в фазах А, В, С (фиг. 1) линии электропередачи представляют из себя несимметричную систему токов, которую, используя метод симметричных составляющих, можно разложить на три симметричные составляющие токов: токи нулевой, прямой и обратной последовательности. Поскольку в линии электропередачи на фиг. 1 отсутствует нулевой провод (что характерно для распределительных электрических сетей средних классов напряжения), то токи нулевой последовательности в разложении будут отсутствовать. Таким образом, в разложении несимметричных токов нагрузки 2 будут присутствовать только симметричная система токов прямой и обратной последовательности. Устройство управления 3, подключенное своими входными зажимами к фазам А, В, С линии электропередачи, будет формировать на своих входных зажимах несимметричную систему токов Ipa, Ipb, Ipc, которую, в общем виде, также можно представить виде трех симметричных систем токов нулевой, прямой и обратной последовательности. Поскольку у устройства управления 3 также отсутствует нулевой провод, то токи нулевой последовательности в разложении несимметричной системы токов устройства управления 3 также будут отсутствовать.

Заявляемый способ предполагает формирование и управление токами Ipa, Ipb, Ipc на входных зажимах устройства управления 3 путем регулирования тока в управляемом реактивном элементе 7, входящего в состав устройства управления 3. Регулирование тока через управляемый реактивный элемент 7 осуществляют путем регулирования прикладываемого к нему напряжения и величины реактивного сопротивления реактивного элемента. Напряжение на управляемом реактивном элементе 7 устройства управления 3 определяется алгебраической суммой регулируемых линейных напряжений линии электропередачи. Для формирования из линейных напряжений линии электропередачи независимо регулируемых напряжений как по величине, так и по знаку, входящих в алгебраическую сумму напряжений, в способе используются независимые регуляторы линейных напряжений с коэффициентами преобразования линейных напряжений Ка, Кb и Кс соответственно. При этом знаки у коэффициентов преобразования независимых регуляторов линейных напряжений могут быть как положительные, так и отрицательные. В упрощенном виде в качестве таких регуляторов линейных напряжений могут выступать трансформаторы с регулируемым коэффициентом трансформации. Упрощенная схема построения устройства управления 3, построенного на основе трех трансформаторов 4, 5, 6 с регулируемыми коэффициентами трансформации и управляемого реактивного элемента 7, приведена на фиг. 2. В качестве управляемого реактивного элемента 7 на фиг. 2 представлен управляемый реактор. При фиксированном напряжении, прикладываемом к управляемому реактору 7, величина тока, протекающего в нем, будет определяться величиной его сопротивления, которое в свою очередь зависит от величины индуктивности реактора - L. Таким образом, модуль протекающего в реактивном элементе тока, так же, как и его фаза, будут зависеть от четырех независимых переменных: Ка, Kb Кс и L.

Управление режимом работы линии электропередачи по предлагаемому способу осуществляют с помощью управления устройством управления 3 так, чтобы токи обратной последовательности устройства управления 3 были равны и противоположны по фазе токам обратной последовательности, протекающим в нагрузке 2. При этом режим работы линии электропередачи будет симметрироваться за счет компенсации токов обратной последовательности в линии электропередачи. Способ также позволяет одновременно компенсировать и реактивные составляющие токов прямой последовательности в линии за счет формирования реактивной составляющей токов прямой последовательности устройства управления 3, равной по модулю и противоположной по знаку реактивной составляющей токов прямой последовательности нагрузки 2. Для одновременного решения этих двух задач устройство управления 3 должно обеспечить выполнение четырех условий:

1. Модули токов обратной последовательности устройства управления 3 и нагрузки 2 должны быть равны;

2. Фазы токов обратной последовательности устройства управления 3 и нагрузки 2 должны иметь противоположные знаки;

3. Модуль реактивной составляющей тока прямой последовательности устройства управления 3 должен быть равен модулю реактивной составляющей тока прямой последовательности нагрузки 2;

4. Фаза реактивной составляющей тока прямой последовательности устройства управления 3 должна быть противоположна по знаку фазе реактивной составляющей тока прямой последовательности нагрузки 2.

Выполнение вышеперечисленных четырех условий может быть обеспечено блоком управления 8 (фиг. 3) за счет вычисления и задания соответствующих величин: Ка, Кb Кс и L.

На фиг. 3 в качестве примера приведена блок схема построения устройства управления 3 на основе трех регуляторов переменного напряжения 4, 5 и 6 соответственно, каждый из которых построен на основе трансформатора с первичной обмоткой W1, подключенной к соответствующему линейному напряжению линии электропередачи и секционированными вторичными обмотками W21, W22, W23, подключенными к управляемому коммутатору, состоящему из двух параллельно включенных ветвей, каждая из которых содержит последовательно включенные управляемые ключи S1, S2, S3, S4 и S5, S6, S7, S8 соответственно. При этом общие точки соединения параллельно включенных ветвей формируют выход каждого из регуляторов переменного синусоидального напряжения. Блок управления 8 устройства управления 3 по сигналам с датчиков тока 9, 10, 11, 12, 13, 14, датчиков напряжения 15, 16, 17 в соответствии с требуемым режимом работы линии электропередачи вычисляет требуемые значения Ка, Кb Кс и L и управляет регуляторами напряжения 4, 5, 6 и реактивным элементом 7 (фиг. 3).

Таким образом, предлагаемый способ управления и устройство для его реализации обеспечивают расширение функциональных возможностей способа управления режимом работы линии электропередачи за счет симметрирования режима работы фаз линии электропередачи и управления как реактивными, так и активными мощностями в фазах, а устройство позволяет технически осуществить его реализацию. При этом структура заявляемого устройства управления 3 оказывается существенно более простой по сравнению с возможной реализацией аналогичного устройства на основе устройства-прототипа. Это обеспечивает существенное улучшение технико-экономических показателей заявляемого изобретения.

Использование: в области электротехники и электроэнергетики для уменьшения потерь электрической энергии, регулирования напряжения в местах установки данных устройств в линию электропередачи (ЛЭП), а также управления мощностью, передаваемой по ЛЭП. Технический результат - расширение функциональных возможностей способа управления режимом работы линии электропередачи и устройства для его осуществления, позволяющих регулировать активные и реактивные мощности одновременно во всех фазах линии электропередачи. Согласно способу управления режимом работы линии электропередачи, реализуемому устройством управления, построенным на основе реактивного элемента и регулятора синусоидального напряжения, подключаемого своими входными зажимами к линии электропередачи и формирующего регулируемое синусоидальное напряжение на своих выходных зажимах, задающего напряжение на реактивном элементе, напряжение на реактивном элементе вычисляют исходя из заданного требуемого режима работы линии электропередачи с использованием информации об измеряемых величинах токов и напряжений линии электропередачи в местах подключения к ней входных зажимов устройства управления, а формируют регулятором переменного напряжения путем алгебраического суммирования мгновенных значений регулируемых линейных напряжений всех фаз линии электропередачи, при этом ток реактивного элемента дополнительно регулируют путем управления реактивным сопротивлением реактивного элемента. Устройство управления режимом работы линии электропередачи, состоит из трех независимых регуляторов синусоидальных напряжений, входные зажимы которых подключены соответственно к различным фазам линии электропередачи, а выходные зажимы соединены последовательно и подключены к управляемому реактивному элементу, датчиков напряжений и токов, включенных в линию электропередачи в местах подключения входных зажимов устройства управления в линию электропередачи, а выходы датчиков напряжений и токов подключены ко входам блока управления. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления режимом работы линии электропередачи, реализуемый устройством управления, построенным на основе реактивного элемента и регулятора синусоидального напряжения, подключаемого своими входными зажимами к линии электропередачи и формирующего регулируемое синусоидальное напряжение на своих выходных зажимах, задающего напряжение на реактивном элементе, включающий задание требуемого режима работы линии электропередачи, измерение напряжений на входных зажимах регулятора синусоидального напряжения, вычисление требуемых значений напряжения на выходе регулятора синусоидального напряжения и реактивном элементе, формирование воздействия на регулятор синусоидального напряжения синхронно с напряжениями линии электропередачи, обеспечивающего формирование вычисленного значения синусоидального напряжения на его выходе, отличающийся тем, что напряжение на реактивном элементе вычисляют исходя из заданного требуемого режима работы линии электропередачи с использованием информации об измеряемых величинах токов и напряжений линии электропередачи в местах подключения к ней входных зажимов устройства управления, а формируют регулятором синусоидального напряжения путем алгебраического суммирования мгновенных значений регулируемых линейных напряжений всех фаз линии электропередачи, при этом ток реактивного элемента дополнительно регулируют путем управления реактивным сопротивлением реактивного элемента.

2. Устройство управления режимом работы линии электропередачи, содержащее регулятор синусоидального напряжения, входные зажимы которого подключены к линии электропередачи, а выход включен последовательно с реактивным элементом, датчик напряжения, включенный параллельно входным зажимам регулятора, блок управления, отличающееся тем, что устройство состоит из трех независимых регуляторов синусоидальных напряжений, входные зажимы которых подключены соответственно к различным фазам линии электропередачи, а выходные зажимы соединены последовательно и подключены к управляемому реактивному элементу, датчиков напряжений и токов, включенных в линию электропередачи в местах подключения входных зажимов устройства управления в линию электропередачи, а выходы датчиков напряжений и токов подключены ко входам блока управления.