СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛЯТОРОМ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК G05F1/24 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях для гибкого регулирования и стабилизации напряжения в электрической сети за счет изменения величины напряжения, вводимого последовательно в линию электропередачи.

Известны способы управления фазоповоротными устройствами (ФПУ), реализующие функцию регулирования переменного напряжения в фазах электрической сети посредством технологии регулируемой вольтодобавки. ФПУ имеют в своем составе два трансформатора: сериесный и шунтовой, а также коммутатор, который может быть выполнен в том числе и на тиристорах, и подключаемый между шунтовым и сериесным трансформатором [см., например, пат. RU 106060]. Каждая фаза тиристорного коммутатора содержит ряд последовательно соединенных тиристорных мостов. Тиристорный мост состоит из четырех двунаправленных тиристорных ключей, осуществляющих коммутацию (подключение в прямой либо обратной полярности или отключение) секций секционированной вторичной обмотки шунтового трансформатора, которые включены в диагонали мостов (далее - шунтовая обмотка). Вторичные обмотки сериесного трансформатора включаются в рассечку фаз линии электропередачи, и вносимые ими напряжения (вольтодобавка), называемые уровнями регулирования, могут принимать конечное число значений в зависимости от количества и полярности шунтовых обмоток, введенных в первичную цепь сериесного трансформатора. Каждому уровню регулирования соответствует определенное подключение шунтовых обмоток и определенный набор состояний ключей мостов тиристорного коммутатора. Переход от ранее заданного начального уровня регулирования к вновь задаваемому конечному уровню может осуществляться как сразу (за один этап), так и через промежуточные уровни (за несколько этапов). В общем случае такой переход является поэтапным с числом этапов 1 и более и обеспечивается соответствующей поэтапной коммутацией шунтовых обмоток тиристорными мостами. Последовательность переключений между уровнями, которую проходит ФПУ при переходе от начального уровня к конечному, принято называть маршрутом переключения. Каждый маршрут переключения характеризуется начальным состоянием ключей мостов тиристорного коммутатора, конечным состоянием и некоторым количеством промежуточных состояний.

Стоит отметить, что возможен вариант реализации ФПУ на базе одного трансформатора. Первичная обмотка такого трансформатора выполняет функции сериесного, ранее упомянутого трансформатора ФПУ, и подключается последовательно в линию, а секционированная вторичная обмотка выполняет функции шунтового ранее упомянутого трансформатора ФПУ, и подключается параллельно питающей сети через коммутатор, выполненный на тиристорах, либо переключателях иных типов.

В качестве аналога заявляемого изобретения принят известный способ управления ФПУ путем поэтапной коммутации тиристорными мостами обмоток шунтового трансформатора. Согласно способу-аналогу задают конечное состояние тиристорного коммутатора, вводят ограничения на поэтапное переключение тиристорного коммутатора из текущего состояния в заданное конечное, выбирают допустимую последовательность поэтапного переключения, удовлетворяющую заданным ограничениям, по меньшей мере на величину выходного напряжения фазоповоротного устройства в процессе поэтапной коммутации, измеряют токи тиристорного коммутатора и выполняют его поэтапное переключение в соответствии с выбранной последовательностью. Причем процесс переключение начинают с того, что снимают импульсы управления со всех тиристоров одной переключаемой фазы тиристорного коммутатора, фиксируют наличие нулевого тока в переключаемой фазе тиристорного коммутатора в течение временного интервала, длительность которого превышает время восстановления тиристоров, подают импульсы управления на включение тиристоров этой фазы в новое, согласно выбранной последовательности, состояние и проводят последовательное переключение каждой следующей фазы тиристорного коммутатора до окончания процесса переключения всех фаз тиристорного коммутатора в заданное конечное состояние (Патент на изобретение №2577190 от 23.12.2014 «Способ управления фазоповоротным устройством»).

Недостатком указанного способа является пониженная надежность и сложность системы управления, реализующей упомянутый способ управления. Для реализации указанного способа необходимо наличие датчиков тока с широким диапазоном измерений величин, соответствующих диапазону изменения тока ФПУ. На практике реализация подобных датчиков сопряжена с определенными трудностями, заключающимися в узком диапазоне измерения датчиков тока, соответствующего требуемой точности измерений. Повышение диапазона и точности измерения, как правило, достигается либо заменой датчиков, либо разделением диапазонов измерений на несколько датчиков с целью повышения точности. Данная особенность усложняет систему управления, увеличивает ее стоимость и ограничивает сферу применения такого способа управления.

Наиболее близким прототипом заявляемого технического решения является способ управления ФПУ путем поэтапной коммутации тиристорными мостами обмоток его шунтового трансформатора, в соответствии с которым измеряют токи тиристорных мостов и напряжения на коммутируемых ими обмотках, и по измеренным значениям тока и напряжения для каждого тиристорного моста фиксируют интервалы первого вида, начинающиеся со смены полярности напряжения и заканчивающиеся сменой направления тока, и интервалы второго вида, начинающиеся со смены направления тока и заканчивающиеся сменой полярности напряжения, укорачивают интервалы второго вида в начале интервала - на величину, превышающую время восстановления управляющих свойств тиристора, а в конце интервала - на величину, превышающую сумму времени восстановления управляющих свойств тиристора и времени коммутации тока обмотки шунтового трансформатора, сравнивают длительность укороченных интервалов с длительностью импульса включения тиристора, формируют последовательность «разрешенных» интервалов из интервалов первого вида и укороченных интервалов второго вида, длительность которых превышает длительность импульса включения тиристора, выбирают допустимую последовательность поэтапной коммутации обмоток, удовлетворяющую заданным ограничениям, по меньшей мере, на величину выходного напряжения фазоповоротного устройства в процессе поэтапной коммутации, и выполняют поэтапную коммутацию обмоток на «разрешенных» интервалах в соответствии с выбранной последовательностью. (Патент на изобретение №2509408 от 09.06.2012 «Способ управления фазоповоротным устройством»).

К одним из основных недостатков описанного способа и устройства его реализующего следует отнести его ограниченные возможности применения и реализации. Так, согласно указанному способу, определенные переключения состояния тиристорного коммутатора возможны исключительно при одинаковых полярностях измеряемых токов и напряжений, а другие переключения исключительно при разных полярностях. В силу того, что характер тока, протекающего через ФПУ и определяемого подключенной выходной нагрузкой, не является неизменным, и ток может иметь произвольный фазовый сдвиг относительно питающего напряжения, не исключены ситуации, когда необходимые интервалы для переключения тиристорного коммутатора будут отсутствовать. Например, в случае такого характера протекающего через ФПУ тока, при котором фазовый сдвиг между током и напряжением будет нулевым, будут отсутствовать интервалы времени с разной полярностью тока и напряжения, следовательно, определенные переключения тиристорного коммутатора будут невозможны, что приведет к потере управляемости устройства без возможности выйти из этого состояния до тех пор, пока характер нагрузки не поменяется. Указанная особенность, связанная с невозможностью безаварийного изменения состояния ФПУ, и зависимость его от фазового сдвига между выходными током и напряжением, ограничивает сферу применения указанного способа управления.

Кроме этого, для упомянутого прототипа характерны все недостатки, описанные ранее для аналога, связанные с измерением тока нагрузки. Следует также учитывать, что система управления, реализующая указанный способ должна обладать достаточной производительностью чтобы осуществлять непрерывный мониторинг за полярностью всех токов и напряжений, и в требуемые моменты осуществлять управление тиристорным коммутатором.

Совокупность указанных недостатков существенно ограничивает сферу применения указанного способа управления регулятором переменного напряжения.

Технической задачей, на решение которой направлен заявляемый способ, является расширение диапазона допустимых режимов работы регулятора переменного напряжения.

Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является расширение сферы применения способа управления за счет расширение диапазона допустимых режимов работы регулятора переменного напряжения, уменьшение стоимости регулятора переменного напряжения за счет исключения датчиков тока, и упрощение системы управления регулятора переменного напряжения благодаря уменьшению количества измерительных каналов.

Технический результат достигается тем, что в способе управления регулятором переменного напряжения, состоящим из вольтодобавочного трансформатора с секционированной первичной обмоткой и двунаправленных тиристорных ключей, использующем датчик напряжения и систему управления для переключения секционированных обмоток вольтодобавочного трансформатора с помощью двунаправленных тиристорных ключей синхронизовано с синусоидальным напряжением питающей сети, управление двунаправленными тиристорными ключами осуществляется с фиксированной задержкой относительно моментов времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня, при этом при поступлении запроса на изменение уровня выходного напряжения фиксируют момент времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня, вводят временную задержку, минимальная длительность которой определяется на основе максимального допустимого тока двунаправленных тиристорных ключей, а после окончания временной задержки снимают импульсы управления со всех двунаправленных тиристорных ключей и осуществляют переключение двунаправленных тиристорных ключей в новое состояние, соответствующее новому значению уровня выходного напряжения.

Сущность предлагаемого способа управления регулятора переменного напряжения поясняется чертежом фиг. 1, где приведена блок схема, поясняющая заявляемый способ управления. На фиг. 2 приведен пример функциональной схемы одной фазы регулятора переменного напряжения, а также устройство управления, реализующее заявляемый способ управления. На фиг. 3 представлены временные диаграммы, поясняющие способ управления устройства фиг. 2 при изменении уровня вводимой регулятором переменного напряжения вольтодобавки с помощью переключения двунаправленных тиристорных ключей на примере работы устройства фиг. 2 на активно-емкостную (RC) нагрузку.

В соответствии с фиг. 1, регулятор переменного напряжения 1 построен на основе вольтодобавочного трансформатора 2 с секционированной первичной обмоткой и тиристорного коммутатора 3, состоящего из двунаправленных тиристорных ключей. Регулятор переменного напряжения 1 подключен последовательно между питающей сетью 4 и нагрузкой 5, причем дополнительный вывод регулятора переменного напряжения 1 соединен с общей точной подключения питающей сети 4 и нагрузки 5. Выход датчика сетевого напряжения 6, подключенного параллельно питающей сети 4, подключен к первому входу системы управления 7. Выход системы управления 7 подключен к тиристорному коммутатору 3, а ко второму входу системы управления 7 подключен выход блока задания уставки по напряжению 8. Система управления 7 включает в себя такие блоки как: блок формирования запроса на изменение уровня выходного напряжения 9, блок фиксации момента времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня 10, блок формирования временной задержки 11 и блок формирования состояния двунаправленных тиристорных ключей 12, причем к первому входу блока формирования запроса на изменение уровня выходного напряжения 9 подключен выход датчика сетевого напряжения 6, а ко второму входу блока формирования запроса на изменение уровня выходного напряжения 9 подключен выход блока задания уставки по напряжению 8. К первому входу блока фиксации момента времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня 10 подключен выход датчика сетевого напряжения 6, а ко второму входу этого блока подключен первый выход блока формирования запроса на изменение уровня выходного напряжения 9. Выход блока фиксации момента времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня 10 подключен ко входу блока формирования временной задержки 11, выход которого подключен к первому входу блока формирования состояния двунаправленных тиристорных ключей 12. Ко второму входу блока формирования состояния двунаправленных тиристорных ключей 12 подключен второй выход блока формирования запроса на изменение уровня выходного напряжения 9, а выход блока 12 подключен к тиристорному коммутатору 3.

Устройство управления регулятором переменного напряжения реализующее предложенный способ управления, приведено на фиг.2, где регулятор переменного напряжения 1 построен на основе вольтодобавочного трансформатора 2 с секционированной первичной обмоткой и тиристорного коммутатора 3, состоящего в рассмотренном примере из шести двунаправленных тиристорных ключей, каждый из которых включает два однооперационных тиристора, включенных встречно-параллельно. Датчик сетевого напряжения 6 используется системой управления 7 для переключения секционированных обмоток вольтодобавочного трансформатора 2 с помощью двунаправленных тиристорных ключей тиристорного коммутатора 3 синхронизовано с синусоидальным напряжением питающей сети. В рассматриваемом примере первичная (шунтовая) обмотка вольтодобавочного трансформатора 2 состоит из двух секций. Вторичная обмотка (сетевая) вольтодобавочного трансформатора 2 подключена последовательно с питающей сетью 4 и нагрузкой 5. Тиристорный коммутатор 3 обеспечивает различные комбинации подключения шунтовых обмоток вольтодобавочного трансформатора 2 к питающей сети 4, что в свою очередь позволяет изменять полярность и величину напряжения на сетевой обмотке вольтодобавочного трансформатора 2 (вольтодобавку), регулируя тем самым напряжение на нагрузке 5. Так, например, если система управления 7 сформирует импульсы управления на двунаправленные тиристорные ключи VS1 и VS5 тиристорного коммутатора 3, то на сетевой обмотке вольтодобавочного трансформатора 2 сформируется положительная вольтодобавка величина которой будет определяться соотношением количества витков первичной и вторичной обмоток вольтодобавочного трансформатора 2 (коэффициентом трансформации) W11/W2 и величиной сетевого напряжения. Напряжение на нагрузке 5 в данном случае увеличится на указанную величину вольтодобавки. Если, например, система управления 7 сформирует импульсы управления на двунаправленные тиристорные ключи VS3 и VS4 тиристорного коммутатора 3, то на сетевой обмотке вольтодобавочного трансформатора 2 сформируется отрицательная вольтодобавка величина которой будет определяться коэффициентом трансформации (W11+W12)/W2 и величиной сетевого напряжения. Напряжение на нагрузке 5 в данном случае уменьшится на указанную величину вольтодобавки. В рассматриваемой схеме регулятора переменного напряжения 1 можно реализовать по три уровня регулирования напряжения в положительную и отрицательную сторону, а также нулевую вольтодобавку, например, с помощью включения двунаправленных тиристорных ключей VS4 и VS6 тиристорного коммутатора 3.

Заявляемый способ управления осуществляется следующим образом. Способ использует измерение питающего сетевого напряжения с помощью датчика сетевого напряжения 6. Результаты измерения поступают в систему управления 7. Несовпадение текущего диапазона уставки по напряжению, поступающего в блок формирования запроса на изменение уровня выходного напряжения 9 с блока задания уставки 8, и измеренного текущего напряжения питающей сети с помощью датчика сетевого напряжения 6 является основанием для формирования запроса на изменение уровня выходного напряжения. Для этого блок формирования запроса на изменение уровня выходного напряжения 9 формирует на своем первом выходе сигнал, информирующий о необходимости переключения двунаправленных тиристорных ключей тиристорного коммутатора 3 (момент t1 на фиг. 3). После обнаружения подобного сигнала, активируется блок фиксации момента времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня 10, который с помощью сигнала с датчика сетевого напряжения 6 определяет и фиксирует момент времени достижения напряжения питающей сети 4 нулевого уровня. Далее, после обнаружения момента времени достижения напряжения питающей сети 4 нулевого уровня (момент t2 на фиг. 3), блок фиксации момента времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня 10 передает сигнал на блок формирования временной задержки 11, который в свою очередь формирует временную задержку (таймаут, интервал от t2 до t3 на фиг. 3), в течение которой не предпринимаются никакие действия по изменению состояния двунаправленных тиристорных ключей тиристорного коммутатора 3. После окончания длительности задержки (момент t3 на фиг. 3) блок формирования временной задержки 11 передает сигнал в блок формирования состояния двунаправленных тиристорных ключей 12, котороый в свою очередь снимает импульсы управления со всех двунаправленных тиристорных ключей тиристорного коммутатора 3. Далее, на основе информации со второго выхода блока формирования запроса на изменение уровня выходного напряжения 9, с которого поступает информация о требуемом новом состоянии двунаправленных тиристорных ключах, блок формирования состояния двунаправленных тиристорных ключей 12 подает импульсы управления на те двунаправленные тиристорные ключи, которые обеспечат требуемый уровень выходного напряжения на нагрузке 5.

На этом алгоритм переключения завершен. Далее имеют место переходные процессы переключения двунаправленных тиристорых ключей тиристорного коммутатора 3.

Стоит отметить, что, несмотря на то, что в момент времени t3 путем подачи импульсов управления системой управления 7 были открыты двунаправленные тиристорные ключи тиристорного коммутатора 3, обеспечивающие новый уровень регулирования (например, тиристорные ключи VS1 и VS6, обеспечивающие повышение уровня выходного напряжения по сравнению с предыдущим уровнем), двунаправленные тиристорные ключи, формировавшие предыдущий уровень регулирования (например, двунаправленные тиристорные ключи VS1 и VS5) еще не закрылись и также находятся в проводящем состоянии. После момента времени t3, до момента времени t5, в двунаправленных тиристорных ключах VS5 и VS6 протекает ток переходного процесса, амплитуда которого достигается в момент времени t4 - в момент достижения напряжения питающей сети 4 нулевого уровня. Амплитуда тока переходного процесса определяется выражением:

где U_max и ω - амплитуда и частота питающего сетевого напряжения, L_s и R - индуктивность рассеянья и активное сопротивления шунтовой обмотки вольтодобавочного трансформатора 2, t* - длительность интервала времени от t3 до t4. К моменту времени t5 переходные процессы заканчиваются и регулятор переменного напряжения 1 обеспечивает на выходе новый уровень напряжения, который в рассмотренном примере выше предшествующего уровня напряжения.

Стоит отметить, что длительность упомянутой задержки, в течение которой не предпринимаются никакие мероприятия по переключению (интервал времени от t2 до t3 на фиг. 3) не является строго фиксированной для всех регуляторов переменного напряжения. Требуемое значение длительности задержки для конкретного регулятора переменного напряжения 1 определяется исходя из допустимой амплитуды тока переходного процесса (выражение (1)), которую в свою очередь следует ограничить допустимым максимальным током тиристорных ключей тиристорного коммутатора 3 и допустимым максимальным током секционированных шунтовых обмоток вольтодобавочного трансформатора 2.

Подводя итог вышесказанному, следует подчеркнуть, что заявляемый способ управления справедлив для любого типа и характера выходной нагрузки регуляторов переменного напряжения - RL, RC и R, что существенно расширяет диапазон допустимых режимов работы регулятора переменного напряжения и расширяет сферу применения заявляемого способа управления. Способ управления использует синхронизацию только с моментами времени достижения напряжения питающей сети нулевого уровня. При этом, как известно, диапазон изменения питающего напряжения сети существенно меньше диапазона изменения выходного тока регулятора напряжения, что упрощает структуру системы управления, повышает надежность и уменьшает стоимость устройства в целом за счет полного исключения датчиков тока.

Таким образом, осуществление совокупности признаков заявляемого способа управления регулятором переменного напряжения обеспечивает достижение указанного технического результата.

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях для гибкого регулирования и стабилизации напряжения в электрической сети за счет изменения величины напряжения, вводимого последовательно в линию электропередачи. Технический результат заключается в расширении сферы применения способа управления за счет расширения диапазона допустимых режимов работы регулятора переменного напряжения и упрощении системы управления регулятора переменного напряжения благодаря уменьшению количества измерительных каналов. В способе осуществляют управление регулятором переменного напряжения с фиксированной задержкой относительно моментов времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня, при этом при поступлении запроса на изменение уровня выходного напряжения фиксируют момент времени достижения напряжения питающей сети нулевого уровня, вводят временную задержку, минимальная длительность которой определяется на основе максимального допустимого тока двунаправленных тиристорных ключей, а после окончания временной задержки снимают импульсы управления со всех двунаправленных тиристорных ключей и осуществляют переключение двунаправленных тиристорных ключей в новое состояние, соответствующее новому значению уровня выходного напряжения. 3 ил.

Способ управления регулятором переменного напряжения, состоящим из вольтодобавочного трансформатора с секционированной первичной обмоткой и двунаправленных тиристорных ключей, использующий датчик напряжения и систему управления для переключения секционированных обмоток вольтодобавочного трансформатора с помощью двунаправленных тиристорных ключей синхронизовано с синусоидальным напряжением питающей сети, отличающийся тем, что управление двунаправленными тиристорными ключами осуществляется с фиксированной задержкой относительно моментов времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня, при этом при поступлении запроса на изменение уровня выходного напряжения фиксируют момент времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня, вводят временную задержку, минимальная длительность которой определяется на основе максимального допустимого тока двунаправленных тиристорных ключей, а после окончания временной задержки снимают импульсы управления со всех двунаправленных тиристорных ключей и осуществляют переключение двунаправленных тиристорных ключей в новое состояние, соответствующее новому значению уровня выходного напряжения.