Способ плавного регулирования мощности секционированной конденсаторной установки Российский патент 2022 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для компенсации переменной реактивной мощности и повышения коэффициента мощности трехфазных потребителей электроэнергии.

Известен способ регулирования мощности секционированной конденсаторной установки, содержащей N трехфазных конденсаторных секций, мощность которых выбирается в соотношении 1:1:…:1, и N коммутирующих аппаратов, заключающийся в том, что коммутацию трехфазных конденсаторных секций осуществляют с помощью коммутирующих аппаратов по N-разрядному унитарному коду a_N-1…а₁а₀, каждый разряд a_i=[0,1] которого управляет одним коммутирующим аппаратом и осуществляет переход на смежную ступень регулирования [1].

Недостатком известного способа является ступенчатый характер регулирования мощности конденсаторной установки и соответственно низкая точность регулирования, обусловленная тем, что количество ступеней регулирования равно количеству трехфазных конденсаторных секций, а зона нечувствительности ступенчатой характеристики регулирования равна мощности трехфазной конденсаторной секции.

Известен способ регулирования мощности секционированной конденсаторной установки, содержащей N трехфазных конденсаторных секций, мощность которых выбирается в соотношении 2⁰:2¹:…:2^N-1, и N коммутирующих аппаратов, заключающийся в том, что коммутацию трехфазных конденсаторных секций осуществляют с помощью коммутирующих аппаратов по N-разрядному прямому двоичному коду a_N-1…а₁а₀, каждый разряд которого a_i=[0,1] управляет одним коммутирующим аппаратом [2].

Недостатком известного способа является ступенчатый характер регулирования мощности конденсаторной установки с зоной нечувствительности, равной мощности трехфазной конденсаторной секции с минимальной емкостью, и ограниченной точностью регулирования, определяемой количеством трехфазных конденсаторных секций.

Кроме того, переход на смежную ступень регулирования должен обеспечиваться одновременной коммутацией нескольких трехфазных конденсаторных секций, что увеличивает общее количество коммутаций в процессе регулирования и сокращает срок службы коммутирующих аппаратов с механической контактной системой.

Наиболее близким к предлагаемому является способ регулирования мощности секционированной конденсаторной установки, содержащей N основных трехфазных секций мощностью 2⁰·Q₀;2¹·Q₀;…;2^N-1·Q₀, ветви которых соединены в треугольник и образованы последовательным соединением компенсирующего конденсатора и тиристорного контактора, заключающийся в том, что вычисляют фактическую реактивную мощность нагрузки по измеренным значениям тока и напряжения и производят коммутации тиристорных контактов, используя N-разрядный прямой двоичный код a_N-1…а₁а₀, каждый разряд которого a_i=[0,1] управляет тиристорными контакторами только одной основной трехфазной секции таким образом, чтобы суммарная мощность включенных в трехфазную электрическую сеть основных трехфазных секций была максимально близка, но не превышала фактическую реактивную мощность нагрузки [3].

Недостатком известного способа является ступенчатый характер регулирования мощности секционированной конденсаторной установки с зоной нечувствительности, равной минимальной мощности 2⁰·Q₀ основной трехфазной секции, и ограниченной точностью регулирования, определяемой количеством трехфазных основных конденсаторных секций.

Цель предполагаемого изобретения – уменьшение количества основных трехфазных секций и увеличение точности регулирования мощности путем формирования плавной регулировочной характеристики.

Поставленная цель достигается за счет того, что в состав секционированной конденсаторной установки вводят корректирующую трехфазную секцию мощностью Q₀, ветви которой соединены в треугольник и образованы последовательным соединением компенсирующего конденсатора и тиристорного контактора, выполненного на запираемых тиристорах, и осуществляют импульсно-фазовое управление запираемыми тиристорами таким образом, чтобы ток каждого компенсирующего конденсатора корректирующей трехфазной секции обладал четной симметрией относительно моментов перехода через нулевое значение приложенного линейного напряжения трехфазной электрической сети за счет включения и выключения запираемых тиристоров при равенстве напряжения компенсирующего конденсатора линейному напряжению трехфазной электрической сети.

На фиг. 1 представлена функциональная схема секционированной конденсаторной установки, реализующей предполагаемый способ плавного регулирования мощности.

На фиг. 2 представлены графики мгновенных значений линейного напряжения трехфазной электрической сети и компенсирующего конденсатора корректирующей трехфазной секции (а), управляющих импульсов включения/выключения запираемых тиристоров (б) и токов запираемых тиристоров (в).

На фиг. 3 показана регулировочная характеристика корректирующей трехфазной секции.

На фиг. 4 представлены ступенчатая характеристика регулирования мощности основных трехфазных секций и плавная характеристика регулирования мощности секционированной конденсаторной установки.

Секционированная конденсаторная установка содержит N основных трехфазных секций 1.1,…,1.N, корректирующую трехфазную секцию 2 (на фиг. 1 показаны однолинейные схемы) и блок управления 3. Основные трехфазные секции 1.1,…,1.N содержат тиристорные контакторы 4.1,…,4.N и компенсирующие конденсаторы 5.1,…,5.N. Мощность основных трехфазных секций 1.1,…,1.N выбирается в соотношении 2⁰:2¹:…:2^N-1, причем мощность секции 1.1 выбирается минимальной и равной 2⁰·Q₀, а мощность секции 1.N выбирается максимальной и равной 2^N-1·Q₀. Корректирующая трехфазная секция 2 содержит тиристорный контактор, выполненный на запираемых тиристорах 6.1 и 6.2, и компенсирующий конденсатор 7. Мощность корректирующей трехфазной секции 2 выбирается равной Q₀.

Секционированная конденсаторная установка подключена к трехфазной активно-индуктивной нагрузке 8, питание которой осуществляется от трехфазной электрической сети 9. Линейное напряжение трехфазной электрической сети 9 измеряется трансформатором напряжения 10, а линейный ток трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8 измеряется трансформатором тока 11.

В состав блока управления 3 входит модуль вычисления 12 реактивной мощности Q_Н трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8, входы которого подключены к вторичным обмоткам трансформатора напряжения 10 и трансформатора тока 11. Выход модуля вычисления 12 реактивной мощности Q_Н подключен к аналоговому входу N-разрядного аналогово-цифрового преобразователя 13 и к прямому входу «+» модуля импульсно-фазового управления 14. Цифровые выходы N-разрядного аналогово-цифрового преобразователя 13 подключены к управляющим входам тиристорных контакторов 4.1,…,4.N, причем младший разряд «а₀» подключен к управляющему входу тиристорного контактора 4.1, а старший разряд «а_N-1» подключен к управляющему входу тиристорного контактора 4.N. Выход модуля импульсно-фазового управления 14 подключен к управляющим входам запираемых тиристоров 6.1 и 6.2, а инверсный вход «-» подключен к выходу модуля вычисления 15 мощности Q_КС основных трехфазных секций 1.1,…,1.N, подключенных тиристорными контакторами 4.1,…,4.N к трехфазной активно-индуктивной нагрузке 8. Цифровые входы модуля вычисления 15 мощности Q_КС подключены к одноименным разрядам цифровых выходов N-разрядного аналогово-цифрового преобразователя 13.

Предлагаемый способ плавного регулирования мощности секционированной конденсаторной установки заключается в следующем.

Вариации параметров трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8, питание которой осуществляется от трехфазной электрической сети 9, сопровождаются изменением величины потребляемой реактивной мощности. Модуль вычисления 12 реактивной мощности трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8 формирует по мгновенным значениям вторичного напряжения u_С трансформатора напряжения 10 и вторичного тока i_Н трансформатора тока 11 аналоговый сигнал Q_Н текущего потребления реактивной мощности по алгоритму, который определяется известным выражением

где U_C – действующее значение линейного напряжения трехфазной электрической сети 9, вычисляемое по мгновенным значениям вторичного напряжения u_C с учетом коэффициента трансформации трансформатора напряжения 10; I_H – действующее значение линейного тока трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8, вычисляемое по мгновенным значениям вторичного тока i_Н с учетом коэффициента трансформации трансформатора тока 11; φ_H – фазовый угол между кривыми мгновенных значений вторичного напряжения u_C трансформатора напряжения 10 и вторичного тока i_Н трансформатора тока 11.

Аналоговый сигнал Q_Н модуля вычисления 12 реактивной мощности трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8 преобразуется аналогово-цифровым преобразователем 13 в N-разрядный прямой двоичный код

a_N-1…a₁a₀

таким образом, чтобы сумма

2⁰⋅а₀+2¹⋅а₁+…+2^N-1⋅а_N-1=[Q_H/Q₀]

равнялось целой части отношения [Q_H/Q₀], т.е. отношения текущего значения реактивной мощности Q_Н трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8 к мощности Q₀ основной трехфазной секции 1.1. Разряды N-разрядного прямого двоичного кода, принимающие единичное значение a_i=1, включает тиристорные контакторы 4.i основных трехфазных секций 1.i, а разряды, принимающие нулевое значение а_j=0, выключают тиристорные контакторы 4.j основных трехфазных секций 1.j. В результате суммарная мощность подключенных к трехфазной электрической сети 9 основных трехфазных секций 1.1,…,1.N

Q_КС=Q₀⋅[2⁰⋅а₀+2¹⋅а₁+…+2^N-1⋅а_N-1] (1)

будет меньше текущего значения реактивной мощности Q_Н трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8 на величину, не превышающую мощность Q₀ основной трехфазной секции 1.1.

Модуль вычисления 15 мощности включенных N-разрядным прямым двоичным кодом основных трехфазных секций 1.1,…,1.N формирует в соответствии с выражением (1) аналоговый сигнал Q_КС, который поступает на инверсный вход «-» модуля импульсно-фазового управления 14. На прямой вход «+» модуля импульсно-фазового управления 14 поступает аналоговый сигнал Q_Н текущего значения реактивной мощности трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8.

Модуль импульсно-фазового управления 14 осуществляет преобразование разности аналоговых сигналов (Q_Н-Q_КС) в последовательности импульсов включения ON1, ON2 и импульсов выключения OF1, OF2 запираемых тиристоров 6.1, 6.2 корректирующей трехфазной секции 2, как показано на фиг. 2,б. Положение импульсов включения ON1 и выключения OF1 запираемого тиристора 6.1 симметрично относительно моментов перехода через нуль линейного напряжения u_C трехфазной электрической сети 9 от отрицательных значений к положительным. Положение импульсов включения ON2 и выключения OF2 запираемого тиристора 6.2 симметрично относительно моментов перехода через нуль линейного напряжения u_C трехфазной электрической сети 9 от положительных значений к отрицательным. В этом случае включение и выключение запираемых тиристоров 6.1 и 6.2 осуществляется при нулевой величине анодного напряжения, исключающей возможность возникновения бросков тока в процессе регулирования мощности корректирующей трехфазной секции 2, и одинаковой величине углов включения/выключения (фиг. 2,а)

α_ON=α_OF=α,

где α_ON – угол включения запираемого тиристора 6.1(6.2); α_OF – угол выключения запираемого тиристора 6.1(6.2).

После выключения запираемого тиристора 6.1(6.2) напряжение компенсирующего конденсатора 7 остается неизменным, как показано на фиг. 2,а, и равным значению

до очередного включения запираемого тиристора 6.2(6.1).

При указанных условиях кривая тока i_6.1 (фиг. 2.в) запираемого тиристора 6.1 приобретает кусочно-синусоидальную форму, симметричную относительно момента перехода через нуль напряжения u_C трехфазной электрической сети 9 от отрицательных к положительным значениям и обладающую поэтому четной симметрией относительно амплитудного значения

где ω – круговая частота напряжения трехфазной электрической сети 9; C₀ – емкость компенсирующего конденсатора 7 корректирующей трехфазной секции 2.

Кривая тока i_6.2 запираемого тиристора 6.2 также приобретает кусочно-синусоидальную форму, но симметричную относительно момента перехода через нуль напряжения u_C трехфазной электрической сети 9 от положительных к отрицательным значениям. Длительность интервала λ проводимости запираемого тиристора 6.1(6.2) определяется величиной угла включения/выключения

λ=2⋅α

а диапазон изменения углов включения/выключения составит

0≤α≤π/2.

При α=0 запираемые тиристоры 6.1 и 6.2 выключены, корректирующая трехфазная секция 2 отключена от трехфазной электрической сети 9 и не участвует в компенсации реактивной мощности трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8. При α=π/2 запираемый тиристор 6.1(6.2) находится в проводящем состоянии в течение половины периода (λ=π) напряжения трехфазной электрической сети 9 и через компенсирующий конденсатор 7 протекает синусоидальный ток (тонкая линия на фиг. 2,в), а мощность корректирующей трехфазной секции 2 достигает максимальной величины

При промежуточных значениях углов включения/выключения α запираемых тиристоров 6.1, 6.2 ток i₇ компенсирующего конденсатора 7

i₇=i_6.1+i_6.2

складывается из двух полуволн i_6.1 и i_6.2, приобретает кусочно-синусоидальную форму (жирная линия на фиг. 2,в) и соответственно сложный гармонический состав, который с учетом четной симметрии положительных (i_6.1) и отрицательных (i_6.2) полуволн определяется выражениями

где I₇₍₁₎, I_7(k) – амплитуды основной и высших гармоник тока компенсирующего конденсатора 7.

Анализ выражения (4) показывает, что в составе тока компенсирующего конденсатора 7 отличны от нуля только нечетные гармоники, т.е. гармоники с порядковыми номерами k=1,3,4,7,9,11,13… Относительные значения амплитуд I^*_7(k)=I_7(k)/I_m высших гармоник тока компенсирующего конденсатора 7 при различных значениях углов включения/выключения α запираемых тиристоров 6.1, 6.2 представлены в таблице 1.

Таблица 1

α, гр. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 I^*₇₍₃₎ 0 0,211 0,361 0,414 0,368 0,259 0,138 0,048 0,0066 0 I^*₇₍₅₎ 0 0,194 0,249 0,138 -0,375 -0,146 -0,138 -0,065 -0,01 0 I^*₇₍₇₎ 0 0,17 0,119 -0,069 -0,143 -0,041 0,069 0,065 0,0135 0 I^*₇₍₉₎ 0 0,141 0,0054 -0,124 0,01 0,092 0,0138 -0,049 -0,016 0 I^*₇₍₁₁₎ 0 0,109 -0,068 -0,055 0,087 -0,005 -0,055 0,024 0,017 0 I^*₇₍₁₃₎ 0 0,075 -0,091 0,039 0,03 -0,062 0,04 0,001 -0,017 0

Наиболее значимая по величине третья гармоника тока I^*₇₍₃₎, а также остальные гармоники нулевой последовательности замыкаются в треугольнике ветвей корректирующей трехфазной секции 2 и не оказывают влияние на работу основных трехфазных секций 1.1,…,1.N.

При промежуточных значениях углов включения/выключения α запираемых тиристоров 6.1, 6.2 мощность корректирующей трехфазной секции 2, обеспечивающая компенсацию пропорциональной части реактивной мощности трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8, определяется только основной гармоникой тока I₇₍₁₎ компенсирующего конденсатора 7. С учетом данного обстоятельства мощность корректирующей трехфазной секции 2 будет определяться выражением

На фиг. 3 представлен график зависимости относительной величины мощности Q^*_0(α)=Q_0(α)/Q₀ корректирующей трехфазной секции 2 от величины углов включения/выключения α запираемых тиристоров 6.1, 6.2, построенный по выражению (5). Зависимость Q^*_0(α)=f(α) является регулировочной характеристикой мощности корректирующей трехфазной секции 2, которая имеет заметно нелинейный вид. Поэтому практический диапазон регулирования α=(0÷75)гр. заметно меньше теоретически возможного (0÷90)гр., но обеспечивает почти полный диапазон регулирования мощности Q^*_0(α)=(0÷0,98) корректирующей трехфазной секции 2.

Если вариации реактивной мощности ΔQ_H трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8 не превышают максимальной мощности Q₀ корректирующей трехфазной секции 2

ΔQ_H≤Q₀,

модуль импульсно-фазового управления 14 путем изменения углов включения/выключения α запираемых тиристоров 6.1, 6.2 обеспечивает точную компенсацию переменной реактивной мощности

Q_H±ΔQ_H=Q_КС+Q_0(α) (6)

без изменения N-разрядного прямого двоичного кода на цифровых выходах аналогово-цифрового преобразователя 13 и соответственно без коммутаций основных трехфазных секций 1.1,…,1.N.

Если вариации реактивной мощности ΔQ_H превышают максимальную мощность корректирующей трехфазной секции 2

ΔQ_H>Q₀,

то модулем аналогово-цифрового преобразователя 13 формируется новый N-разрядный прямой двоичный код, разряды а_j которого соответствуют измененной величине реактивной мощности (Q_H±ΔQ_H) трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8. В соответствии с новым N-разрядным прямым двоичным кодом изменится и состав подключенных тиристорными контакторами 4.1,…,4.N к трехфазной электрической сети 9 основных трехфазных секций 1.1,…,1.N, суммарная мощность которых меньше реактивной мощности (Q_H±ΔQ_H) трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8 на величину, не превышающую величину Q₀. Происходит «грубая» компенсация, затем корректирующая трехфазная секция 2 обеспечивает выполнение условия (6) точной компенсации изменившейся реактивной мощности трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8.

Зависимость суммарной мощности Q_КС основных трехфазных секций 1.1,…,1.N от значений а_i=[0,1] отдельных разрядов N-разрядного прямого двоичного кода аналогово-цифрового преобразователя 13 имеет ступенчатый характер, как показано на фиг. 4. Основная особенность ступенчатой характеристики Q_КС=f(a_N-1a_N-2…a₁a₀) заключается в том, что мощность двух любых смежных ступеней отличается на величину максимальной мощности Q₀ корректирующей трехфазной секции 2. Поэтому при любом значении N-разрядного прямого двоичного кода корректирующая трехфазная секция 2 позволяет осуществлять плавное регулирование мощности в пределах любой ступени ступенчатой характеристики Q_КС=f(a_N-1a_N-2…a₁a₀). Таким образом, регулировочная характеристика мощности Q_КУ секционированной конденсаторной установки в целом

Q_КУ=Q_КС+Q_0(α)

формируется путем наложения на каждую ступень регулировочной характеристики мощности основных трехфазных секций 1.1,…,1.N

Q_КС=f(a_N-1a_N-2…a₁a₀)

плавной регулировочной характеристики корректирующей трехфазной секции 2

Q_0(α)=f(α),

как показано на фиг. 4. В результате наложения ступенчатая характеристика регулирования мощности основных трехфазных секций 1.1,…,1.N преобразуется в непрерывную, плавную регулировочную характеристику мощности секционированной конденсаторной установки

Q_КУ=f(a_N-1a_N-2…a₁a₀,α),

которая показана на фиг. 4 волнистой линией и является функцией двух параметров:

- цифрового, которым является N-разрядный прямой двоичный код, обеспечивающий «грубую» компенсацию реактивной мощности;

- аналогового, которым является угол включения/выключения α, обеспечивающий точную компенсацию реактивной мощности.

При вариациях реактивной мощности трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8 в диапазоне

0<Q_Н≤Q_Н(max)=[(2⁰+2¹+…+2^N-1)·Q₀+Q₀]

плавная регулировочная характеристика мощности

Q_КУ=f(a_N-1a_N-2…a₁a₀,α),

изображенная на фиг. 4, позволяет устанавливать равное значение мощности секционированной конденсаторной установки, всегда обеспечивая режим (6) полной компенсации.

Мощность Q₀ корректирующей трехфазной секции 2 при известной величине максимальной реактивной мощности Q_H(max) трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8 определяется количеством N основных трехфазных секций 1.1,…,1.N. В таблице 2 представлены значения

мощности корректирующей трехфазной секции 2 в процентах от максимальной реактивной мощности трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8 при различном количестве N основных трехфазных секций 1.1,…,1.N.

Таблица 2

N 1 2 3 4 5 6 7 8 Q^*₀, % 50 25 12,5 6,25 3,125 1,5625 0,78125 0,390625

Как видно, уже при N=4 мощность корректирующей трехфазной секции 2 составляет только 6,25% максимальной реактивной мощности трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8. Поэтому количество основных трехфазных секций в предлагаемой секционированной конденсаторной установки может быть ограничено указанным значением (N=4 и даже N=3) при сохранении способности обеспечивать режим полной компенсации при любых вариациях реактивной мощности трехфазной активно-индуктивной нагрузки 8.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить положительный эффект, который заключается в уменьшении количества основных трехфазных секций и повышении точности регулирования мощности секционированной конденсаторной установки за счет формирования плавной регулировочной характеристики.

Источники информации, использованные при экспертизе

1. Статические компенсаторы реактивной мощности в электрических системах: Пер. тематического сб. рабочей группы Исследовательского Комитета №38 СИГРЭ/Под ред. И.И. Карташева. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 174 с. (Энергетика за рубежом).

2. Статические компенсаторы реактивной мощности в энергосистемах: Карташев И.И., Чехов В.И. / Под ред. Ю.П. Рыжова. – М.: Изд-во МЭИ, 1990. – 68 с.

3. Ивлев М.Л., Черевко А.И. Экспериментальная установка компенсатора реактивной мощности дискретного типа // ЭЛЕКТРО. – 2005. - №3. – С. 30-32.

Использование: в области электротехники. Технический результат - увеличение точности регулирования мощности секционированной конденсаторной установки. Конденсаторная установка содержит N основных трехфазных секций из компенсирующего конденсатора и тиристорного контактора мощностью , ветви которых соединены в треугольник. Согласно способу вычисляют фактическую реактивную мощность нагрузки и коммутируют тиристорные контакторы таким образом, чтобы суммарная мощность основных трехфазных секций была максимально близка, но не превышала фактическую реактивную мощность нагрузки. Для достижения технического результата в состав секционированной конденсаторной установки вводят корректирующую трехфазную секцию мощностью Q₀ и осуществляют импульсно-фазовое управление запираемыми тиристорами таким образом, чтобы ток каждого компенсирующего конденсатора корректирующей трехфазной секции обладал четной симметрией относительно моментов перехода через нулевое значение приложенного линейного напряжения трехфазной электрической сети за счет включения и выключения запираемых тиристоров при равенстве напряжения компенсирующего конденсатора линейному напряжению трехфазной электрической сети. 4 ил., 2 табл.

Способ регулирования мощности секционированной конденсаторной установки, содержащей N основных трехфазных секций мощностью 2⁰Q₀; 2¹Q₀;…2^N-1Q₀, ветви которых соединены в треугольник и образованы последовательным соединением компенсирующего конденсатора и тиристорного контактора, заключающийся в том, что вычисляют фактическую реактивную мощность нагрузки по измеренным значениям тока и напряжения и производят коммутации тиристорных контакторов, используя N-разрядный прямой двоичный код a_N-1…a₁a₀, каждый разряд которого a_i=[0,1] управляет тиристорными контакторами только одной основной трехфазной секции таким образом, чтобы суммарная мощность включенных в трехфазную электрическую сеть основных трехфазных секций была максимально близка, но не превышала фактическую реактивную мощность нагрузки, отличающийся тем, что в состав секционированной конденсаторной установки вводят корректирующую трехфазную секцию мощностью Q₀, ветви которой соединены в треугольник и образованы последовательным соединением компенсирующего конденсатора и тиристорного контактора, выполненного на запираемых тиристорах, и осуществляют импульсно-фазовое управление запираемыми тиристорами таким образом, чтобы ток каждого компенсирующего конденсатора корректирующей трехфазной секции обладал четной симметрией относительно моментов перехода через нулевое значение приложенного линейного напряжения трехфазной электрической сети за счет включения и выключения запираемых тиристоров при равенстве напряжения компенсирующего конденсатора линейному напряжению трехфазной электрической сети.