Статический компенсатор реактивной мощности Российский патент 2022 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях в устройствах поперечной компенсации для управления реактивной мощностью в линии электропередачи (ЛЭП) с целью уменьшения потерь электрической энергии в ЛЭП и регулирования напряжения в местах их установки.

Известен компенсатор реактивной мощности, реализующий управление величиной эквивалентного реактивного сопротивления, подключаемого к сети. Компенсатор реактивной мощности построен на основе группы реактивных элементов и управляемого коммутатора. За счет управления управляемым коммутатором реализуются различные комбинации последовательно-параллельного соединения реактивных элементов, что, в конечном итоге, и определяет эквивалентное реактивное сопротивление и реактивную мощность компенсатора реактивной мощности, подключаемого к сети (Патент RU 2683964 С1). Компенсатор реактивной мощности обеспечивает синусоидальную форму тока во всем диапазоне регулирования реактивной мощности. Недостатками компенсатора являются большое количество реактивных элементов в силовой схеме и прямая зависимость рабочих напряжений ключей управляемого коммутатора и реактивных элементов от величины напряжения сети.

Наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения является статический компенсатор реактивной мощности, использующий регулятор переменного синусоидального напряжения, выводы которого подключены к сети через последовательное соединение с реактивным элементом. Регулятор переменного синусоидального напряжения построен на основе трансформатора, вторичная обмотка которого представляет изолированные секции. Выводы изолированных секций вторичной обмотки трансформатора подключены к соответствующим входам управляемого коммутатора. На выводах регулятора переменного синусоидального напряжения формируется управляемое по величине синусоидальное переменное напряжение. Регулирование реактивной мощности осуществляется системой управления с помощью задания соответствующих комбинаций включенных состояний ключей управляемого коммутатора, определяющих требуемые значения напряжений на выходе регулятора переменного синусоидального напряжения. Напряжение на реактивном элементе, в таких компенсаторах реактивной мощности, определяется алгебраической суммой напряжения сети и напряжения регулятора переменного синусоидального напряжения (Патент RU 2 711 537 С1). К достоинствам таких статических компенсаторов реактивной мощности относятся наличие одного реактивного элемента в их силовой схеме и синусоидальная форма тока во всем диапазоне регулирования реактивной мощности. Недостатком прототипа является относительно высокие потери энергии в ключах управляемого коммутатора, напрямую связанные с количеством одновременно проводящих ключей управляемого коммутатора. Количество одновременно проводящих ключей в схеме прототипа определяется количеством последовательно включенных ключей в одной из параллельно включенных ветвей управляемого коммутатора. Недостаток прототипа существенно проявляется при низких напряжениях сети, когда падения напряжения на одновременно проводящих ключах становятся соизмеримыми с напряжением сети.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение количества одновременно включенных управляемых ключей при одинаковом количестве изолированных секций вторичной обмотки трансформатора по сравнению с прототипом, что скажется на уменьшении потерь в управляемом коммутаторе, снижении общего количества управляемых ключей управляемого коммутатора.

Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является улучшение технико-экономических показателей статических компенсаторов реактивной мощности за счет повышения КПД и снижения его стоимости при сохранении высокой дискретности уровней регулирования реактивной мощности.

Предметом изобретения является статический компенсатор реактивной мощности, работающий от источника синусоидального переменного напряжения и содержащий реактивный элемент и регулятор переменного синусоидального напряжения, построенный на основе трансформатора с вторичной обмоткой, выполненной в виде изолированных секций и управляемого коммутатора, состоящего из двух симметричных ветвей, каждая из которых состоит из последовательного соединения управляемых ключей, при этом выводы изолированных секций вторичной обмотки трансформатора, за исключением одной дополнительной секции, включены между различными симметричными точками соединения управляемых ключей симметричных ветвей управляемого коммутатора, а одни из свободных выводов управляемых ключей каждой из симметричных ветвей управляемого коммутатора объединены вместе и подключены к первому выводу источника переменного синусоидального напряжения, дополнительных управляемых ключей управляемого коммутатора, соединяющих разноименные выводы изолированных секций вторичной обмотки трансформатора, подключенных к общим точкам соединения управляемых ключей на симметричных ветвях управляемого коммутатора, блок измерения напряжения на входных зажимах источника синусоидального переменного напряжения, блок системы управления, задающий управляющее воздействие на регулятор переменного синусоидального напряжения, в котором первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменного синусоидального напряжения, а к другим свободным выводам управляемых ключей каждой из симметричных ветвей управляемого коммутатора подключена дополнительная секция вторичной обмотки трансформатора, один из выводов которой через последовательное соединение с реактивным элементом подключен к второму выводу источника синусоидального напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена упрощенная схема статического компенсатора реактивной мощности емкостного типа, построенного на основе трансформатора с тремя изолированными секциями вторичной обмотки. На фиг. 2 приведена таблица состояний управляемых ключей управляемого коммутатора, поясняющая принцип формирования различных комбинаций включения обмоток трансформатора.

Силовая схема статического компенсатора реактивной мощности фиг. 1 содержит трансформатор 1, с первичной обмоткой 2, имеющей вывод 3, являющийся началом обмотки, и вывод 4, являющийся ее концом, и вторичной обмоткой, состоящей из изолированных секций 5, 6 и дополнительной секции 7, управляемый коммутатор 8, имеющий 6 входных зажимов Вх.1, Вх.2, Вх.3, Вх.4, Вх.5, Вх.6 для подключения выводов изолированных секций вторичной обмотки трансформатора 1 и двух выходных зажимов Вых.1, Вых.2, реактивный элемент 9 емкостного типа. Управляемый коммутатор 8 содержит управляемые ключи 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, при этом управляемые ключи 10, 13, 17 последовательно соединены друг с другом, образуя первую ветвь из последовательно соединенных управляемых ключей 10, 13, 17 управляемого коммутатора 8, а вторая ветвь управляемого коммутатора 8 образована последовательным соединением управляемых ключей 11, 14, 18. Свободный вывод управляемого ключа 10 первой ветви и свободный вывод управляемого ключа 11 второй ветви управляемого коммутатора 8 соединены вместе и подключены к Вых.2 управляемого коммутатора 8. Свободный вывод управляемого ключа 18 второй ветви управляемого коммутатора 8 подключен к его выходу Вых.1. Свободный вывод управляемого ключа 17 первой ветви управляемого коммутатора 8 подключен к Вх.5 управляемого коммутатора 8, при этом Вх.6 управляемого коммутатора 8 соединен с его выходным зажимом Вых.1. Начала изолированных секций 5, 6 и 7 вторичной обмотки трансформатора соединены соответственно с входными зажимами Вх.1, Вх.3 и Вх.5 управляемого коммутатора 8. Концы изолированных секций обмоток 5, 6 и 7 вторичной обмотки трансформатора 1 соединены соответственно с входными зажимами Вх.2, Вх.4 и Вх.6 управляемого коммутатора 8. Входные зажимы Вх.1 и Вх.6 управляемого коммутатора 8 соединены соответственно с общими точками соединения управляемых ключей 10, 13 и 13, 17 первой ветви управляемого коммутатора 8. Входные зажимы Вх.2 и Вх. 4 управляемого коммутатора 8 соединены соответственно с общими точками соединения управляемых ключей 11, 14 и 14, 18 второй ветви управляемого коммутатора 8. Дополнительный управляемый ключ 12 включен между Вх.1 и Вх.4 управляемого коммутатора 8. Дополнительный управляемый ключ 15 включен между Вх.2 и Вх.3 управляемого коммутатора 8. Дополнительный ключ 16 включен между Вх.4 и Вх.5 управляемого коммутатора 8. Вывод 3 первичной обмотки 2 трансформатора 1 соединен с выходным зажимом Вых.2 управляемого коммутатора 8 и подключен к первому выводу источника переменного синусоидального напряжения. Один из выводов реактивного элемента 9 подключен к выходному зажиму Вых.1 управляемого коммутатора 8, а второй вывод реактивного элемента 9 соединен с выводом 4 первичной обмотки 2 трансформатора 1 и подключен к второму выводу источника переменного синусоидального напряжения. Вход блока системы управления 19 соединен с выходом блока измерения напряжения 20, подключенного к выходным зажимам источника переменного синусоидального напряжения. Выход системы управления 19 соединен с управляющими входами управляемых ключей 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18.

Статический компенсатор реактивной мощности работает следующим образом. В зависимости от сигналов с блока системы управления 19, на выходных зажимах Вых. 1, Вых. 2 регулятора переменного синусоидального напряжения, являющимися также выходами управляемого коммутатора 8, формируются различные по знаку и величине дискретные уровни переменного синусоидального напряжения. Реактивная мощность статического компенсатора реактивной мощности определяется действующим значением напряжения U_x, прикладываемого к реактивному элементу 9, а также X - величиной сопротивления X реактивного элемента 9:

В соответствии с топологией построения статического компенсатора мощности фиг. 1, напряжение U_x определяется алгебраической суммой действующих значений напряжения сети переменного синусоидального напряжения U_c и напряжения U₂ на выходных зажимах (Вых.1 и Вых.2) управляемого коммутатора 8, формирующегося из напряжений секций 5, 6, 7 вторичной обмотки трансформатора 1:

Управление реактивной мощностью статического компенсатора реактивной мощности реализуется посредством изменения напряжения U₂ на выходных зажимах управляемого коммутатора 8. Трансформатор 1, подключенный своей первичной обмоткой 2 к сети переменного синусоидального напряжения выводами 3, 4, трансформирует через коэффициенты трансформации к напряжения на секции 5, 6, 7 вторичной обмотки трансформатора 1. Коэффициенты трансформации секций 5, 6 и 7 вторичной обмотки трансформатора 1 определяются как:

где W₁ - количество витков первичной обмотки 2 трансформатора 1, W_2.1 - количество витков секции 5 вторичной обмотки трансформатора 1, W_2.2 - количество витков секции 6 вторичной обмотки трансформатора 1, W_2.3 - количество витков дополнительной секции 7 вторичной обмотки трансформатора 1.

Напряжения секций 5, 6 и 7 вторичной обмотки трансформатора 1 определяются через коэффициенты трансформации k₁, k₂, k₃ как:

U_2.1=U_с ⋅ k_1; U_2.2=U_c⋅k₂;

U_2.3=U_c ⋅ k₃,

где U_2.1 - действующее значение напряжения секции 5 вторичной обмотки трансформатора 1, U_2.2 - действующее значение напряжения секции 6 вторичной обмотки трансформатора 1, U_2.3 - действующее значение напряжения дополнительной секции 7 вторичной обмотки трансформатора 1.

Соответственно, регулируемое напряжение U₂ на выходных зажимах управляемого коммутатора определяется алгебраической суммой напряжений U_2.1, U_2.2, U_2.3 секций 5, 6 и 7 вторичной обмотки трансформатора 1. Подбирая коэффициенты трансформаций k₁, k₂, k₃ и реализуя различные схемы последовательного включения секций 5, 6 и 7 вторичной обмотки трансформатора 1 с помощью управления состояниями управляемых ключей 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 управляемого коммутатора 8, можно получить 14 различных значений напряжений U₂ на выходных зажимах управляемого коммутатора, отличающихся как по модулю, так и по знаку. Таким образом, изменение напряжения U₂ на выходных зажимах управляемого коммутатора 8 влечет за собой изменение напряжения U_x, прикладываемого к реактивному элементу 9. Поскольку мощность статического компенсатора реактивной мощности зависит от напряжения U_x, прикладываемого к реактивному элементу 9, то, имея 14 различных значений напряжения U_x, прикладываемого к реактивному элементу 9, можно получить 14 различных уровней регулирования реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности.

На фиг. 2 представлена таблица, поясняющая принцип формирования различных комбинаций включения обмоток трансформатора при помощи включения различных ключей управляемого коммутатора, позволяющих получить 14 различных уровней регулирования реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности. Обозначениям ключей S1-S9 фиг. 2 соответствуют управляемые ключи 10-18 управляемого коммутатора 8 фиг. 1. Первый столбец отображает номер ступени, при котором реализуется определенный уровень реактивной мощности. Второй столбец отображает комбинации последовательного включения секций 5, 6 и 7 вторичной обмотки трансформатора 1 при конкретном номере ступени. Причем, знак «+» указывает, что секция вторичной обмотки включена согласно по отношению к первичной обмотке трансформатора 1, в то время, как знак «-» указывает на то, что секция вторичной обмотки включена встречно по отношению к первичной обмотке трансформатора 1. Столбец 3 показывает, какие управляемые ключи управляемого коммутатора 8 фиг. 1 должны быть включены для обеспечения нужной комбинации последовательного включения секций 5, 6 и 7 вторичной обмотки трансформатора 1 фиг. 1 при конкретном номере ступени.

Из фиг. 2 видно, что при топологии построения управляемого коммутатора статического компенсатора реактивной мощности в соответствии с фиг. 1, можно получить 14 уникальных комбинаций последовательного включения секций 5, 6 и 7 вторичной обмотки трансформатора 1 фиг. 1, что дает 14 различных уровней регулирования реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности. При таком подходе построения управляемого коммутатора, как показано на фиг. 1, требуется всего 9 управляемых ключей. Кроме того, из фиг. 2 видно, что при любом уровне регулирования реактивной мощности количество одновременно проводящих управляемых ключей S1-S9 всегда равно 3. В то время, когда для реализации тех же ступеней в схеме прототипа, при трех изолированных секциях вторичной обмотки трансформатора, требуется 4 одновременно проводящих управляемых ключей управляемого коммутатора. При наличии трех изолированных секций вторичной обмотки трансформатора, общее количество управляемых ключей в схеме управляемого коммутатора прототипа будет равно 11. В предлагаемом устройстве управляемый коммутатор содержит лишь 9 управляемых ключей.

Таким образом, осуществление совокупности признаков заявляемого статического компенсатора реактивной мощности обеспечивает достижение указанного технического результата, заключающегося в повышении КПД и снижении стоимости устройства за счет уменьшения количества управляемых ключей управляемого коммутатора.

Использование: в области электроэнергетики для управления реактивной мощностью в линии электропередачи (ЛЭП). Техническим результат - уменьшение потерь электрической энергии в местах установки статических компенсаторов реактивной мощности в ЛЭП при сохранении высокой дискретности уровней регулирования реактивной мощности. Статический компенсатор реактивной мощности содержит реактивный элемент и регулятор переменного синусоидального напряжения. Регулятор построен на основе трансформатора с вторичной обмоткой, выполненной в виде изолированных секций и управляемого коммутатора. Регулятор также содержит источник переменного синусоидального напряжения, блок измерения напряжения на входных зажимах источника синусоидального переменного напряжения, блок системы управления, задающий управляющее воздействие на регулятор переменного синусоидального напряжения. За счет комбинаций последовательного включения секций вторичной обмотки трансформатора с помощью ключей управляемого коммутатора получают четырнадцать различных уровней регулирования реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности. 2 ил.

Статический компенсатор реактивной мощности, работающий от источника синусоидального переменного напряжения и содержащий реактивный элемент и регулятор переменного синусоидального напряжения, построенный на основе трансформатора с вторичной обмоткой, выполненной в виде изолированных секций и управляемого коммутатора, состоящего из двух симметричных ветвей, каждая из которых состоит из последовательного соединения управляемых ключей, при этом выводы изолированных секций вторичной обмотки трансформатора, за исключением одной дополнительной секции, включены между различными симметричными точками соединения управляемых ключей симметричных ветвей управляемого коммутатора, а одни из свободных выводов управляемых ключей каждой из симметричных ветвей управляемого коммутатора объединены вместе и подключены к первому выводу источника переменного синусоидального напряжения, дополнительных управляемых ключей управляемого коммутатора, соединяющих разноименные выводы изолированных секций вторичной обмотки трансформатора, подключенных к общим точкам соединения управляемых ключей на симметричных ветвях управляемого коммутатора, блок измерения напряжения на входных зажимах источника синусоидального переменного напряжения, блок системы управления, задающий управляющее воздействие на регулятор переменного синусоидального напряжения, отличающийся тем, что первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменного синусоидального напряжения, а к другим свободным выводам управляемых ключей каждой из симметричных ветвей управляемого коммутатора подключена дополнительная секция вторичной обмотки трансформатора, один из выводов которой через последовательное соединение с реактивным элементом подключен ко второму выводу источника синусоидального напряжения.