Статический компенсатор реактивной мощности Российский патент 2023 года по МПК H02J3/16 

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 и регулирования напряжения в местах установки данных устройств в ЛЭП.

Известен компенсатор реактивной мощности, реализующий управление величиной эквивалентного реактивного сопротивления, подключаемого к сети. Компенсатор реактивной мощности построен на основе группы реактивных элементов и управляемого полупроводникового коммутатора. За счет управления полупроводниковым 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 C1). 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 полупроводникового 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 полупроводникового 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 полупроводникового 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 2711537 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 прямая зависимость рабочих напряжений ключей управляемого полупроводникового коммутатора и реактивного элемента от величины напряжения сети. При напряжениях сети 35 кВ и выше построение полупроводникового коммутатора на современных полупроводниковых ключах и реактивных элементах приводит к существенному усложнению их конструктивной реализации, ухудшению технико-экономических показателей и надежности работы статических компенсаторов реактивной мощности в целом.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение прямой зависимости рабочих напряжений на ключах управляемого полупроводникового коммутатора и реактивном элементе от напряжения сети.

Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является улучшение технико-экономических показателей статических компенсаторов реактивной мощности за счет снижения требований к классу напряжений ключей управляемого полупроводникового коммутатора и реактивного элемента, повышение надежности их работы, а также расширение диапазона напряжений сети, на которых они могут быть применены.

Предметом изобретения является статический компенсатор реактивной мощности, работающий в сети переменного синусоидального напряжения, содержащий реактивный элемент и регулятор переменного синусоидального напряжения, построенный на основе трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена в виде изолированных секций, и управляемого полупроводникового коммутатора, к входным выводам которого подключены выводы изолированных секций вторичной обмотки трансформатора, блок измерения напряжения сети переменного синусоидального напряжения, блок системы управления, задающий управляющие воздействия на регулятор переменного синусоидального напряжения, в котором первичная обмотка трансформатора подключена к сети переменного синусоидального напряжения, а одна из изолированных секций вторичной обмотки трансформатора, не подключенная к входным выводам управляемого полупроводникового коммутатора, включена последовательно в ветвь, состоящую из последовательного соединения выходных выводов регулятора переменного синусоидального напряжения и реактивного элемента, подключенную к сети переменного синусоидального напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена упрощенная схема статического компенсатора реактивной мощности емкостного типа. На фиг. 2 приведена схема, поясняющая принцип формирования напряжений на выходе регулятора переменного синусоидального напряжения и реактивном элементе. На фиг. 3 приведены векторные диаграммы, демонстрирующие соотношения векторов напряжений на элементах схемы фиг. 2 при различных напряжениях на выходе регулятора переменного синусоидального напряжения.

Упрощенная схема статического компенсатора реактивной мощности фиг.1 представляет собой трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого подключена к сети переменного синусоидального напряжения, а вторичная обмотка состоит из изолированных секций 3, 4, 5, и управляемый полупроводниковый коммутатор 6. Изолированные секции 3, 4 вторичной обмотки трансформатора подключены к входным выводам управляемого полупроводникового коммутатора 6, состоящего из двух параллельно включенных ветвей, каждая из которых содержит последовательное соединение двунаправленных полупроводниковых ключей 7, 9, 11 и 8, 10, 12 соответственно. При этом одни из выводов двунаправленных полупроводниковых ключей 7 и 8, принадлежащих разным параллельным ветвям управляемого полупроводникового коммутатора 6, объединены между собой. Аналогичным образом соединены одни из выводов двунаправленных полупроводниковых ключей 11 и 12, принадлежащих разным параллельным ветвям полупроводникового коммутатора 6. Общие точки соединения двунаправленных полупроводниковых ключей 7, 8 и 11, 12 образуют одновременно выходные выводы управляемого полупроводникового коммутатора 6 и регулятора переменного синусоидального напряжения. Регулятор переменного синусоидального напряжения состоит из трансформатора 1 и полупроводникового коммутатора 6. Изолированная секция 3 вторичной обмотки трансформатора 1 подключена одним своим выводом к общей точке соединения полупроводниковых ключей 7, 9, а другим выводом к общей точке соединения ключей 8, 10. Изолированная секция 4 вторичной обмотки трансформатора 1 подключена одним своим выводом к общей точке соединения полупроводниковых ключей 9, 11, а другим к общей точке соединения полупроводниковых ключей 10, 12. Изолированная секция 5 вторичной обмотки трансформатора 1 подключена одним своим выводом ко второму выводу управляемого полупроводникового коммутатора 6, образованного общей точкой соединения полупроводниковых ключей 11, 12, а другим выводом к первому выводу реактивного элемента 13. Второй вывод реактивного элемента 13 подключен к общей точке соединения выводов первичной обмотки 2 трансформатора 1 и первому выводу сети переменного синусоидального напряжения. Второй вывод сети переменного синусоидального напряжения соединен с первым выводом управляемого полупроводникового коммутатора 6. Вход системы управления 14 соединен с выходом блока измерения напряжения сети переменного синусоидального напряжения. Выходы блока системы управления 14 соединены с входами управляемых полупроводниковых ключей 7, 8, 9, 10, 11, 12.

Статический компенсатор реактивной мощности работает следующим образом. Регулятор переменного синусоидального напряжения подключен своими входными выводами, с помощью первичной обмотки 2 трансформатора 1, к сети переменного синусоидального напряжения. Выходными выводами регулятора переменного синусоидального напряжения являются выходные выводы управляемого полупроводникового коммутатора 6, образованные общими точками соединения полупроводниковых ключей 7, 8 и 11, 12. В зависимости от сигналов с блока системы управления 14, на выходных выводах регулятора переменного синусоидального напряжения формируются различные по знаку и величине дискретные уровни переменного синусоидального напряжения. Реактивная мощность статического компенсатора реактивной мощности определяется напряжением на реактивном элементе 13:

где U_x - действующее значение напряжения, прикладываемого к реактивному элементу, X - величина сопротивления реактивного элемента.

В соответствии с топологией построения статического компенсатора мощности фиг. 1, напряжение U_x определяется как алгебраическая сумма действующих значений напряжения сети переменного синусоидального напряжения U_c, напряжения на выходе регулятора переменного синусоидального напряжения U_p и напряжения U_2.3 секции 5 вторичной обмотки трансформатора 1.

Управление реактивной мощностью статического компенсатора реактивной мощности реализуется посредством изменения напряжения на выходе регулятора переменного синусоидального напряжения - U_p. В свою очередь, напряжение U_p формируется путем комбинирования последовательного включения секций 3, 4 трансформатора 1. Трансформатор 1, подключенный своей первичной обмоткой 2 к сети переменного синусоидального напряжения, трансформирует через коэффициенты трансформации к напряжения на секции 3, 4, 5 вторичной обмотки. Коэффициенты трансформации секций вторичной обмотки определяются как:

где W_i - количество витков первичной обмотки 2 трансформатора 1, W_2.1 - количество витков секции 3 вторичной обмотки трансформатора 1, W_2.2 - количество витков секции 4 вторичной обмотки трансформатора 1, W_2.3 - количество витков секции 5 вторичной обмотки трансформатора 1.

Напряжения секций 3, 4, 5 вторичной обмотки трансформатора 1 через коэффициенты трансформации k₁, k₂, k₃, определяются как:

U_2.1=U_c⋅k₁;

U_2.2=U_c⋅k2;

U_2.3=U_c⋅k₃,

где U_2.1 - действующее значение напряжения секции 3 вторичной обмотки трансформатора 1, U_2.2 - действующее значение напряжения секции 4 вторичной обмотки трансформатора 1, U_2.3 - действующее значение напряжения секции 5 вторичной обмотки трансформатора 1.

Соответственно, регулируемое напряжение U_p на выходе регулятора переменного синусоидального напряжения определяется алгебраической суммой напряжений секций U_2.1 и U_2.2. Подбирая коэффициенты трансформаций k₁, k₂ и реализуя различные схемы последовательного включения секций 3, 4 вторичной обмотки трансформатора 1, можно получить 7 различных значений напряжений на выходе регулятора переменного синусоидального напряжения, отличающихся как по модулю, так и по знаку. В зависимости от схемы включения секции 5 вторичной обмотки трансформатора 1 по отношению к первичной обмотке 2 трансформатора 1, напряжение U_2.3 секции 5 будет складываться или вычитаться из напряжения сети. При согласном включении первичной обмотки 2 с секцией 5 вторичной обмотки трансформатора 1, напряжение U_2.3 секции 5 вторичной обмотки трансформатора 1 всегда будет вычитаться из напряжения сети U_c. Такое включение секции 5 вторичной обмотки трансформатора 1 позволяет исключить прямую зависимость рабочих напряжений на полупроводниковом коммутаторе 6 и реактивном элементе 13 от напряжения сети.

На фиг. 2 приведена схема, поясняющая принцип формирования напряжений на управляемом полупроводниковом коммутаторе 6 и реактивном элементе 13. Напряжение на выходе регулятора переменного синусоидального напряжения, с учетом фазового сдвига относительно напряжения сети, может изменяться дискретно в диапазоне напряжения от 0 до +/- U_2m. Напряжение U_2.3 секции 5 вторичной обмотки трансформатора 1 представлено напряжением U₃, а сумма напряжений U_2.1 секции 3 вторичной обмотки трансформатора 1 и U_2.2 секции 4 вторичной обмотки трансформатора 1 представлена напряжением U₂. Исходя из схемы фиг. 2, напряжение U_x, будет определяться как:

U_x=U_c-U₃±U₂.

При фиксированных значениях U_c и U₃, диапазон изменения U_x будет составлять 2U_2m. В случае, когда U_x изменяется от 0 до 2_Um, величина напряжения U₃ определяется выражением:

U₃=U_c-U_2m.

На фиг. 3а, б, в приведены векторные диаграммы, иллюстрирующие три варианта напряжений на выходе регулятора переменного синусоидального напряжения:

Рис. 3а-U_2.3=0, при этом U_x=U_2m;

Рис. 3б-U_2.3=U_2m, при этом U_x=0;

Рис. 3в-U_2.3=-U_2m, при этом U_x=2 U_2m.

В качестве числового примера рассмотрим статический компенсатор реактивной мощности, построенный по предлагаемой схеме и работающий от сети с напряжением 35 кВ. Зададим диапазон регулирования напряжения на реактивном элементе от 0 до 10 кВ. В этом случае, величина напряжения на секции 5 вторичной обмотки трансформатора 1 будет равна U₃=30 кВ. Диапазон изменения напряжения на выходе регулятора переменного синусоидального напряжения составляет+/- 5 кВ. Для этого примера номинальные рабочие напряжения управляемого полупроводникового коммутатора 6 не будет превышать 5 кВ, а максимальное напряжение на реактивном элементе составляет 10 кВ.

В схеме прототипа при сети 35 кВ рабочее напряжение управляемого полупроводникового коммутатора и максимальное рабочее напряжение реактивного элемента составляют 35 кВ. Конструктивно реализовать управляемый полупроводниковый коммутатор и реактивный элемент на данный класс напряжения без ухудшения технико-экономических показателей и снижения надежности представляется затруднительным. Дальнейшее увеличение напряжений сети до 110, 220 кВ только усугубляет техническую реализацию компенсаторов реактивной мощности, построенных по схеме прототипа.

Применение предлагаемого технического решения по построению статических компенсаторов реактивной мощности позволяет устранить ограничения, связанные с рабочими напряжениями сети.

Таким образом, осуществление совокупности признаков заявляемого статического компенсатора реактивной мощности обеспечивает достижение указанного технического результата.

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 и регулирования напряжения в местах установки данных устройств в ЛЭП. Техническим результатом является снижение класса напряжения ключей тиристорного коммутатора и коммутационного оборудования, а также снижение требований к максимальному напряжению реактивного элемента, применяемых в статических компенсаторах реактивной мощности. Статический компенсатор реактивной мощности содержит реактивный элемент и регулятор переменного синусоидального напряжения, построенный на основе трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена в виде изолированных секций и управляемого полупроводникового коммутатора, к входным выводам которого подключены выводы изолированных секций вторичной обмотки трансформатора. Первичная обмотка трансформатора подключена к сети переменного синусоидального напряжения, а одна из изолированных секций вторичной обмотки трансформатора, не подключенная к входным выводам управляемого полупроводникового коммутатора, включена последовательно в ветвь, состоящую из последовательного соединения выходных выводов регулятора переменного синусоидального напряжения и реактивного элемента, подключенную к сети переменного синусоидального напряжения. 3 ил.

Статический компенсатор реактивной мощности, работающий в сети переменного синусоидального напряжения, содержащий реактивный элемент и регулятор переменного синусоидального напряжения, построенный на основе трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена в виде изолированных секций и управляемого полупроводникового коммутатора, к входным выводам которого подключены выводы изолированных секций вторичной обмотки трансформатора, блок измерения напряжения источника синусоидального переменного напряжения, блок системы управления, задающий управляющие воздействия на регулятор переменного синусоидального напряжения, отличающийся тем, что первичная обмотка трансформатора подключена к сети переменного синусоидального напряжения, а одна из изолированных секций вторичной обмотки трансформатора, не подключенная к входным выводам управляемого полупроводникового коммутатора, включена последовательно в ветвь, состоящую из последовательного соединения выходных выводов регулятора переменного синусоидального напряжения и реактивного элемента, подключенную к сети переменного синусоидального напряжения.