УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ПРОВАЛОВ И ПРЕРЫВАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК H02J3/12 

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для компенсации провалов и прерываний напряжения на распределительных устройствах с двумя и более секциями шин.

Известно устройство компенсации провалов напряжения (патент RU на полезную модель №201614, опубл. 23.12.2020, МПК H02J 3/12). Оно обеспечивает возможность работы, как минимум в трех режимах, а именно: компенсация неглубоких провалов напряжения, компенсация провалов напряжения средней глубины и компенсация глубоких провалов напряжения. Устройство компенсации провалов напряжения включает вольтодобавочный трансформатор, одна из обмоток высокого напряжения которого подключена к управляемому выходному инвертору, а другая обмотка низкого напряжения подключена в сеть между питающей сетью и потребителем, а также трансформатор, обмотка высокого напряжения которого подключена к входному управляемому инвертору, а обмотка низкого напряжения подключена в питающую сеть. Кроме этого, устройство содержит статические ключи, выключатели, систему управления и накопитель энергии. Накопитель энергии подключен между управляемым входным и выходным инверторами, в звене постоянного тока.

К недостаткам данного устройства следует отнести малые функциональные возможности, неэффективность работы устройства при компенсации затяжных глубоких провалов и прерываний напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство компенсации провалов и прерываний напряжения (см. Ленев С.Н., Охлопков А.В., Гужавина В.В., и др. Универсальное устройство компенсации провалов и прерываний напряжения для обеспечения надежной работы электроприемников ПАО «Мосэнерго» // Электрические станции. 2020. №11. С. 14-24). Данное устройство обеспечивает возможность работы в четырех режимах: при компенсации неглубоких провалов напряжения, провалов напряжения средней глубины, глубоких провалов напряжения и возможность работы при прерываниях напряжения.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность работы устройства при однофазных замыканиях на землю, ограниченные функциональные возможности, низкая эксплуатационная надежность из-за деградации технических характеристик суперконденсаторных модулей при рассмотрении их в качестве источника электроэнергии и необходимость установки двух накопителей электроэнергии.

Технической задачей предлагаемого изобретения является реализация функции пофазного регулирования напряжения и выработки реактивной мощности, контроль правильной реализации зарядно-разрядных характеристик накопительных элементов и совмещение защиты двух секций шин с помощью одного накопителя электроэнергии.

Технический результат заключается в увеличении эффективности работы устройства при однофазных замыканиях на землю, расширении функциональных возможностей, увеличении эксплуатационной надежности устройства, возможности установки накопителя электроэнергии с меньшей емкостью.

Это достигается тем, что устройство компенсации провалов и прерываний напряжения параллельного включения содержит накопитель электроэнергии, систему управления, два выключателя нагрузки, снабжено системой управления батареями и состоит из двух групп однофазных трансформаторов (по три однофазных трансформатора на каждую секцию шин), обмотки высокого напряжения трансформаторов каждой группы параллельно подключены к секциям шин распределительного устройства через выключатели нагрузки, а обмотки низкого напряжения каждого однофазного трансформатора подключены к двунаправленному преобразователю, которые объединены между собой общим шинопроводом постоянного тока и накопителем электроэнергии, при этом двунаправленные преобразователи выполнены с возможностью приема команд от системы управления для обеспечения переключений между режимами работы устройства и с возможностью пофазного регулирования выдаваемой и/или потребляемой мощности, а система управления выполнена таким образом, что обеспечивает двусторонний информационный обмен с вышестоящими системами, и связана с накопителем электроэнергии через систему управления батареями.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема устройства компенсации провалов и прерываний напряжения параллельного включения.

Устройство компенсации провалов и прерываний напряжения параллельного включения (УКПН) 1 состоит из двух групп однофазных трансформаторов 2, 3, каждая группа состоит из трех однофазных трансформаторов, обмотки высокого напряжения трансформаторов каждой группы параллельно подключены к двум секциям шин 4, 5 распределительного устройства соответственно через выключатели нагрузки 6, 7, а обмотки низкого напряжения каждой группы однофазных трансформаторов подключены к группе из трех двунаправленных преобразователей 8, 9 (один однофазный трансформатор подключен к одному двунаправленному преобразователю).

В устройстве реализована система управления преобразователями 10 с возможностью воздействия на двунаправленные преобразователи 8, 9 и на систему управления батареями (СУБ) 11. Система управления 10 выполнена таким образом, что обеспечивает двусторонний информационный обмен с вышестоящими системами 12 (SCADA-системами, например).

Двунаправленные преобразователи 8, 9 выполнены таким образом, что могут пофазно регулировать выдаваемую и/или потребляемую мощность. Для этого конструкция таких преобразователей отличается количеством силовых ключей в одном преобразовательном модуле, а также переработанной подсистемой управления самого преобразователя. Двунаправленные преобразователи 8, 9 имеют собственную систему управления, которая реализует настройку преобразователя, согласование работы с другими системами, управляющие воздействия для реализации общесистемных алгоритмов. Двунаправленные преобразователи 8, 9 выполнены с возможностью приема команд управления от системы управления преобразователями 10 для обеспечения переключений между режимами работы устройства.

Накопитель электроэнергии (НЭЭ) 13 связан с системой управления преобразователями 10 с помощью системы управления батареями (СУБ) 14. СУ Б 14 выполнена с возможностью контроля состояния НЭЭ 13, степени заряда НЭЭ 13 и правильной реализации зарядно-разрядных характеристик.

НЭЭ 13 в звене постоянного тока подключен между двумя группами двунаправленных преобразователей 8, 9, подключенных к двум секциям шин 4, 5 через группы однофазных трансформаторов 2, 3 и выключатели нагрузки 6, 7. Двунаправленные преобразователи 8, 9 и НЭЭ 13 объединяются между собой общим шинопроводом постоянного тока. НЭЭ 13 может быть выполнен в виде суперконденсаторов, либо аккумуляторных батарей.

Устройство компенсации провалов и прерываний напряжения параллельного включения (УКПН) работает следующим образом.

При первом включении устройства и замыкании выключателей нагрузки 6, 7 или после разряда НЭЭ 13, если нет запретов и напряжение на секциях шин 4, 5 не меньше допустимого для нормальной работы, выполняется заряд НЭЭ 13. При заряде НЭЭ 13 потребляет электрическую энергию из сети через цепь выключатель нагрузки 6 - группа однофазных трансформаторов 2 - двунаправленные преобразователи 8, либо выключатель нагрузки 7 группа однофазных трансформаторов 3 - двунаправленные преобразователи 9, в зависимости от напряжения на шинах 4 и 5. Для обеспечения высокого циклического ресурса заряда-разряда НЭЭ 13 контролируется его состояние, степень заряда и правильная реализация зарядно-разрядных характеристик (ток заряда, напряжение) с помощью СУ Б 14. СУ Б 14 не допускает перезаряда НЭЭ 13 и существенного различия напряжений. Система управления 10 позволяет изменять уставку тока заряда и при неблагоприятных исходах система управления 10 увеличивает уставку тока заряда и передает данную уставку в СУБ 14. Необходимо отметить, что с увеличением тока заряда уменьшается КПД НЭЭ 13 на заряд.

При допустимом напряжении защищаемые секции шин 4, 5 получают питание от электроэнергетической системы №1 (ЭЭС 1) 15 и электроэнергетической системы №2 (ЭЭС 2) 16. Выключатели нагрузки 6, 7 замкнуты. Само устройство УКПН находится в режиме ожидания, а именно: СУБ 14 контролирует степень заряда НЭЭ 13 и при необходимости система управления 10 на основе полученных данных от СУБ 14 подает сигналы на двунаправленные преобразователи 8, 9 для заряда НЭЭ 13, либо подает сигнал для их работы в режиме обеспечения поддерживающего заряда НЭЭ 13 (уставка тока поддерживающего заряда меньше, чем при заряде НЭЭ 13).

При неглубоких провалах напряжения, допустим, на шине 5, система управления 10 подает сигнал на двунаправленные преобразователи 8, 9 для их работы в режиме источника реактивной мощности («ИРМ»). Данный сигнал подается при выходе напряжения на шине 5 за пределы допустимого диапазона. Таким образом, добавка напряжения на шину 5 для поддержания напряжения на номинальном уровне осуществляется через цепь двунаправленный преобразователь 9 - группа однофазных трансформаторов 3 - выключатель нагрузки 7, а питание этой цепи осуществляется через цепь выключатель нагрузки 6 - группа однофазных трансформаторов 2 - двунаправленный преобразователь 8 от другой «здоровой» шины. Аналогично компенсация неглубокого провала напряжения происходит на шине 4. Режим «ИРМ» не сопровождается расходом энергии НЭЭ 13 и может выполняться длительное время без ограничений. Отключение режима «ИРМ» и обратный переход в режим «Ожидание» возможны при условии, что напряжение питающей линии восстановлено.

Кроме этого, устройство может выполнять и функцию компенсатора реактивной мощности при допустимых отклонениях напряжения, выдавая или поглощая реактивную мощность с помощью подачи сигнала от системы управления 10 на двунаправленные преобразователи 8, 9.

При средних провалах напряжения, допустим, на шине 5, система управления 10 подает сигнал на вышестоящие системы 12 (SCADA-системы, например) для отключения выключателя питающей линии 17 и подает сигнал на двунаправленные преобразователи 8, 9 для их работы в режиме источника бесперебойного питания («ИБП»). Это характерно для превышений напряжения и провалов напряжения глубиной 20-40% (в зависимости от параметров схемы сети и возмущения). Добавка напряжения осуществляется через цепь двунаправленный преобразователь 9 - группа однофазных трансформаторов 3 - выключатель нагрузки 7, при этом НЭЭ 13 расходует запасенную энергию, питая нагрузку в автономном режиме. Если напряжения на шине 5 восстановилось, то система управления 10 подает сигнал в вышестоящие системы 12 для включения выключателя 17 и подает сигналы на двунаправленные преобразователи 8, 9 для их перехода в режим источника реактивной мощности («ИРМ»), описанный ранее. Аналогично компенсация среднего провала напряжения происходит на шине 4.

При глубоких провалах напряжения или прерываний напряжения, допустим, на шине 5, система управления 10 подает сигнал на вышестоящие системы 12 для включения секционного выключателя 19 и подает сигналы на двунаправленные преобразователи 8, 9 на переход в режим автоматического ввода резерва («АВР»). Следует отметить, что переход в режим АВР возможен только после режима «ИРМ» или «ИБП», а также при проверке отключенного состояния выключателя 17 или 18 (в зависимости от шины, на которой провал напряжения) с помощью системы управления 10, либо подачи сигнала от системы управления 10 на отключение выключателя 17 питающей линии при переходе из режима «ИРМ». Прямой переход из режима «ИРМ» в режим «ИБП» возможен, если НЭЭ 13 заряжен. Переход из режима «ИБП» возможен, если, работая в этом режиме, устройство не справляется с задачей и напряжение оказывается вне допустимого диапазона, либо если заряд НЭЭ 13 меньше заданной уставки. Таким образом, питание защищаемой шины 5 обеспечивается от шины 4 через секционный выключатель 19 и происходит восстановление напряжения на шине 5. В режиме «АВР» устройство переходит в режим «Ожидание», описанный ранее. Если нет запретов и напряжение питающей секции шин не менее установленного минимального напряжения, осуществляется заряд НЭЭ 13.

Восстановление схемы питания (обратный переход) может быть осуществлен по внешнему сигналу в систему управления 10 от персонала при условии, что нет запретов и напряжение питающей линии восстановлено до заданного значения. Здесь возможны два варианта.

Если НЭЭ 13 разряжен, то переход осуществится путем отключения секционного выключателя 19 и включения выключателя 17 питающей линии с улавливанием синхронизма за минимально возможное время.

Если НЭЭ 13 располагает энергией большей, чем задано уставкой, то переход начинается с отключения секционного выключателя 19 и подачи сигнала от системы управления 10 на двунаправленные преобразователи 8, 9 для их перехода в режим «ИБП». Далее осуществляется включение выключателя 17 питающей линии с улавливанием синхронизма, после чего УКПН переходит в режим «ИРМ», или в режим «Ожидание».

Система управления 10 является программируемым средством. Алгоритм работы функционального звена системы управления 10 следующий. При подаче питания система управления 10 переводит устройство в состояние готовности к работе «ON» при выполнении ряда условий, которые описаны ниже. В таком состоянии устройство никаких действий не производит и ожидает внешнего сигнала от персонала на включение и начало работы в режиме «Ожидание». В случае подачи такого сигнала и при отсутствии запретов устройство переходит в режим «Ожидание».

В момент перехода в одно из активных состояний или во время работы устройства могут возникнуть неисправности диагностируемого и недиагностируемого характера. В таких случаях система управления 10 отключает устройство и переводит его в состояние «Ошибка». Выход из этого состояния становится возможным при внешнем сигнале персонала. По сигналу осуществляется переход в состояние «OFF», в котором система управления 10 ожидает допустимых условий от вышестоящих систем 12 для включения устройства, то есть для перевода его в состояние «ON».

Если система управления 10 не может идентифицировать существующей режим, соответствующее ему состояние или текущий переход, то она отключает устройство и переводит его в режим ошибки с неизвестным кодом ошибки.

Также любой переход контролируется по времени. Если отпущенное время на его выполнение истекло, то срабатывает временная отсечка, и система управления 10 отключает текущий активный режим и переводит устройство в режим «Ошибка».

Если устройство не справляется с задачей (в режимах «ИРМ» и «ИБП»), то система управления 10 подает сигналы для перевода питания защищаемой секции шин на питание от соседней, «здоровой» секции (режим «АВР»). Однако если этот переход невозможен, то осуществляется по возможности управляемое завершение технологического процесса с выдачей предупреждающего сигнала и питанием нагрузки до завершения технологического процесса. По завершении питания нагрузки система управления 10 отключает устройство и переводит его в состояние потери питания нагрузки «0». Далее осуществляется переход в состояние «OFF».

Переход из состояния «OFF», в состояние «ON» осуществляется системой управления 10 автоматически при выполнении нескольких условий:

1. нет запретов (перечислены далее),

2. отключен секционный выключатель (СВ) 19,

3. включен выключатель питающей линии (17 или 18),

4. напряжение на защищаемой секции шин больше уставки

Если хотя бы одно из этих условий нарушено, устройство остается в состоянии «OFF» или переходит в него, если до этого находился в состоянии «ON».

Во время работы система управления 10 контролирует запреты на работу устройства. Запреты на активные режимы работы:

Первый вид запретов вызывается внутренними неисправностями системы управления 10, например, неисправностями системы управления (сбоями, зависаниями и т.п.) или исполнительных органов. Выявление неисправностей выполняют низкоуровневые алгоритмы.

Второй вид запретов вызывается неисправностями измерительных систем и каналов связи, внешних по отношению к устройству систем автоматики и телемеханики.

Третий вид запретов связан с режимами схемы электроснабжения. Запреты этого вида выставляются пусковыми органами РЗА при:

1. коротких замыканиях на защищаемой секции шин,

2. коротких замыканиях в электроприемниках, питаемых от защищаемой секции шин,

3. коротких замыканиях в схеме электроснабжения 0,4 кВ, питаемой от защищаемой секции шин.

Четвертый тип запретов связан с работой устройства в режиме «АВР». В этом случае устройство подключено к электрической сети через соседнюю (вторую) секцию шин и не должно переходить в активный режим работы.

Пятый тип запрета вызывается внешней командой персонала на запрет работы устройства.

В случае если УКПН работает в одном из активных режимов, возникновение запрета вызывает его отключение и перевод в состояние «OFF» с помощью системы управления 10. Если активным режимом был режим «ИБП», это вызовет отключение питания защищаемой секции шин. При этом, если запрет был вызван не коротким замыканием, то РЗА объекта должен выполнить переход в режим «АВР».

Разработанные алгоритмы подтверждают возможность выполнения системой управления 10 предписываемых ей функций в составе данного устройства.

В результате экспериментов на математической модели подтверждено, что использование устройства позволяет увеличить эффективность работы устройства при однофазных замыканиях на землю. Подтверждена возможность работы устройства с пофазным регулированием напряжения и выработкой реактивной мощности, а также уменьшение деградации технических характеристик суперконденсаторов при их использовании в качестве накопителя электроэнергии.

Исходя из вышеизложенного, устройство компенсации и провалов и прерываний напряжения справляется со всеми негативным стадиями процесса, вызываемого провалами и прерывания напряжения. Устройство компенсирует глубокие и неглубокие провалы напряжения, кратковременно осуществляет полное электропитание защищаемой секции шин, как источник бесперебойного питания, при глубоких провалах и прерываниях напряжения, позволяет в случае затяжного провала или прерывания напряжения перевести питание на соседнюю секцию шин за минимальное время, исключая броски тока и провалы напряжения вследствие самозапуска двигателей нагрузки за счет собственного накопителя электроэнергии 13.

Совмещение защиты двух секций шин с помощью одного накопителя электроэнергии благодаря параллельному подключению устройства с помощью двух групп двунаправленных преобразователей 8, 9, подключенных к двум секциям шин 4, 5 через группы однофазных трансформаторов 2, 3 и выключателей нагрузки 6, 7 позволяет передавать часть мощности от «здоровой» секции шины к той, на которой случился провал напряжения. Это позволяет установить НЭЭ 13 с меньшей емкостью, по сравнению с прототипом. Также, так как НЭЭ 13 должен быть рассчитан на время длительности инцидента с учетом некоторого количества энергии, которое будет потрачено в течение переходных процессов во время и после коммутаций, то большее время коммутаций влечет к удорожанию с непропорционально меньшей эффективностью устройства. Именно поэтому реализация устройства со связью двух преобразователей 8, 9 общим шинопроводом на стороне постоянного тока, позволяет осуществлять подпитку работающего устройства продолжительное время через преобразователь от «здоровой» секции, после того как разрядится собственный НЭЭ 13.

Таким образом доказывается, что предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет увеличить эффективность работы устройства при однофазных замыканиях на землю, расширить функциональные возможности, увеличить эксплуатационную надежность устройства и позволяет установить накопитель электроэнергии с меньшей емкостью.

Использование: в области электротехники для компенсации провалов и прерываний напряжения на распределительных устройствах с двумя и более секциями шин. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности устройства, повышение эффективности его работы. Устройство содержит накопитель электроэнергии, двунаправленные преобразователи и два выключателя нагрузки, а также систему управления и систему управления батареями. Введены две группы однофазных трансформаторов, каждая группа состоит из трех однофазных трансформаторов. Обмотки высокого напряжения трансформаторов каждой группы параллельно подключены к двум секциям шин распределительного устройства соответственно через выключатели нагрузки, а обмотки низкого напряжения однофазных трансформаторов каждой группы подключены к группе из трех двунаправленных преобразователей, объединенных между собой общим шинопроводом постоянного тока и накопителем электроэнергии. Двунаправленные преобразователи выполнены с возможностью приема команд от системы управления для обеспечения переключений между режимами работы и с возможностью пофазного регулирования выдаваемой и/или потребляемой мощности, а система управления связана с накопителем электроэнергии через систему управления батареями. 1 ил.

Устройство компенсации провалов и прерываний напряжения параллельного включения, содержащее накопитель электроэнергии, двунаправленные преобразователи и два выключателя нагрузки, отличающееся тем, что оно снабжено системой управления и системой управления батареями, состоит из двух групп однофазных трансформаторов, каждая группа состоит из трех однофазных трансформаторов, обмотки высокого напряжения трансформаторов каждой группы параллельно подключены к двум секциям шин распределительного устройства соответственно через выключатели нагрузки, а обмотки низкого напряжения однофазных трансформаторов каждой группы подключены к группе из трех двунаправленных преобразователей, объединенных между собой общим шинопроводом постоянного тока и накопителем электроэнергии, при этом двунаправленные преобразователи выполнены с возможностью приема команд от системы управления для обеспечения переключений между режимами работы и с возможностью пофазного регулирования выдаваемой и/или потребляемой мощности, а система управления связана с накопителем электроэнергии через систему управления батареями.