Способ косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения Российский патент 2024 года по МПК H02J3/18 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, в частности, к электроэнергетическим системам и может быть использовано для косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения без ухудшения синусоидальности формы токов и напряжений питающей сети и нагрузки с сохранением номинального уровня напряжения у потребителей при повышенном, номинальном и пониженном напряжении питающей сети.

Известен способ косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения (Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий / Ю.Л. Мукосеев. Учебник для вузов. - М., Энергия, 1973. - стр. 448-449, рис. 12.8), который реализуется нерегулируемой батареей конденсаторов конденсаторной установки и регулируемым реактором с управляемым подмагничиванием магнитопровода.

Суть способа заключается в том, что батарея конденсаторов с фиксированной емкостью и реактор с регулируемой индуктивностью (магнитный ключ) подключаются параллельно к сети и поддерживают баланс между генерируемой конденсаторной батареей реактивной мощностью и суммарной потребляемой реактивной мощностью нагрузкой и регулируемым реактором.

Способ применим как для одноступенчатой конденсаторной установки, так и между ступенями конденсаторной установки с фиксированными емкостями. Его применение улучшает режим напряжения у потребителей при пониженном напряжении в сети, из-за смещения вверх внешней характеристики нагрузки.

Однако и этому известному способу косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения имеются свойственны недостатки. Это большие искажения тока сети, вносимые подмагничиваемым реактором (магнитным ключом), а также возникновение перенапряжения у потребителей при снижении нагрузки и(или) повышении напряжения сети. Для устранения перенапряжения у потребителей на практике предусмотрена защита на отключение батарей конденсаторов и перевода системы энергоснабжения на режим поддержания рабочего уровня напряжения при помощи подмагничивания реактора с дополнительным потреблением из сети реактивной мощности. Этот недостаток исключает функционирование способа и приводит к снижению энергетической эффективности всей системы энергоснабжения.

Известен также способ косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения (Солодуха, Я.Ю. Состояние и перспективы внедрения в электропривод статических компенсаторов реактивной мощности (обобщение отечественного и зарубежного опыта). Реактивная мощность в сетях с несинусоидальными токами и статические устройства для ее компенсации // Информэлектро, Москва, 1981. стр. 32, рис. 8.), который реализуется нерегулируемой батареей конденсаторов и реактором с последовательно соединенными с ним тиристорными ключами.

Способ производит косвенную компенсацию реактивной мощности, суть которой заключается в том, что батарея конденсаторов с фиксированной емкостью и реактор с тиристорными ключами подключаются параллельно к сети и поддерживают баланс между генерируемой конденсаторной батареей реактивной мощностью и потребляемой реактивной мощностью нагрузкой и реактора с тиристорными ключами.

Способ также применим как для одноступенчатой конденсаторной установки, так и между ступенями конденсаторной установки с фиксированными емкостями. Его применение улучшает режим напряжения у потребителей при пониженном напряжении в сети, из-за смещения вверх внешней характеристики нагрузки.

К недостаткам этого способа прежде всего следует отнести большие искажения тока сети, вносимые тиристорными ключами и перенапряжения у потребителей при снижении нагрузки и(или) повышении напряжения в сети. Для устранения перенапряжений у потребителей на практике предусмотрена также защита на отключение батареи конденсаторов. После чего система энергоснабжения переводится на режим поддержания рабочего уровня напряжения посредством реакторно-тиристорного регулирования, которое сопряжено с дополнительным потреблением из сети реактивной мощности. Необходимость введение указанных операций в известном способе указывает на его существенный недостаток - снижение энергетической эффективности системы энергоснабжения.

Наиболее близким по физической сущности является способ косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения (патент РФ на изобретение №2776212 С1, Бюл. №20, 14.07.2022), который взят за прототип.

Способ - прототип реализуется нерегулируемой батареей конденсаторов и реакторно-тиристорным блоком состоящей из основного реактора и основных тиристорных ключей соединенными между собой параллельно.

Способ производит косвенную компенсацию реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения, суть которой в том, что батарея конденсаторов с фиксированной емкостью параллельно подключаются между питающей сети и реакторно-тиристорным блоком, а реакторно-тиристорный блок подключен последовательно к сети и активно-индуктивной нагрузке, и поддерживают баланс между генерируемой конденсаторной батареей реактивной мощностью и потребляемой реактивной мощностью нагрузкой и реакторно-тиристорным блоком.

Положительным качеством способа - прототипа является то, что в процессе изменения проводящего состояния тиристорных ключей при разных уровнях напряжения питающей сети одновременно выполняется две операции. Это, во-первых, обеспечение непрерывной косвенной компенсации реактивной мощности, не меняя емкости батареи конденсаторов и, во-вторых, поддержание уровень напряжения у потребителей на заданном (номинальном) значении при нестабильности напряжения питающей сети.

В качестве положительного показателя способа - прототипа можно еще отметить, что в процессе обеспечения косвенную компенсацию реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения при максимальном и минимальном уровне напряжения питающей сети комплексно сохраняются синусоидальности формы токов и напряжений во всех элементах системы.

Способ применим как для одноступенчатой конденсаторной установки, так и между ступенями конденсаторной установки с фиксированными емкостями.

Вместе с тем способ - прототип при номинальном напряжении сети и номинальной активно-индуктивной нагрузки обладает недостатками, среди которых, прежде всего, следует выделить большие искажения на синусоидальной форме тока потребляемого из сети, а также на форму тока и напряжения активно-индуктивной нагрузки. Кроме этого при номинальном напряжении сети создается также гармонические составляющие на форму токов и напряжений реакторно-тиристорного блока и самым батареи конденсаторов вносимые основными тиристорными ключами.

Как известно наличие этих недостатков приводят к снижению энергетической эффективности и сокращению срока службы электрооборудования систем энергоснабжения в частности преждевременного выхода из строя батареи конденсаторов.

Задачей изобретения помимо сохранения преимущества способа прототипа еще является комплексное улучшение энергетических показателей системы энергоснабжения и сохранение срок службы ее электрооборудования за счет улучшения синусоидальности формы токов и напряжений при номинальном напряжении питающей сети и номинальной нагрузке.

В результате решения поставленной задачи будет достигнуто комплексное улучшение энергетических показателей системы энергоснабжения и продление срока службы ее электрооборудования. Кроме этого, как и в прототипе сохраняется преимущество косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения при повышенном и пониженном напряжении питающей сети.

Предлагаемый способ при повышенном напряжении питающей сети позволяет обеспечить косвенную компенсацию реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения благодаря суммарных сопротивлений основного и дополнительного реакторов, которые нейтрализуют генерируемой дополнительной реактивной энергии (мощности) батареи конденсаторов, а при пониженном напряжении за счет полного потребления генерируемой реактивной энергии (мощности) батареи конденсаторов, которой зависит от минимального значения напряжения питающей сети и максимального значения тока нагрузки.

Решение поставленной задачи достигается тем, что регулирование реактивной мощности в одноступенчатой конденсаторной установке с фиксированной емкостью разделяются на два уровня - максимальный и минимальный. Вводя номинальный уровень, который задается сопротивлением дополнительного реактора при полностью открытых основных тиристорных ключей, выключенным основным реактором и полностью закрытых дополнительных тиристорных ключе при номинальном напряжении питающей сети и тока нагрузки. Максимальный уровень регулирования реактивной мощности достигается при помощи полностью открытых дополнительных тиристорных ключей, которые полностью шунтируют основные тиристорные ключи, основного и дополнительного реакторов при пониженном напряжении сети. Минимальный уровень регулирования реактивной мощности осуществляется при помощи суммарных сопротивлений, как основного, так и дополнительного реактора при включенном контакторе и полностью выключенных основных и дополнительных тиристорных ключей при повышенном напряжении сети, причем между максимальным и минимальным уровнем регулирования реактивной мощности относительно номинального уровня, вводятся максимальный и минимальный промежуточный уровень, причем регулирование реактивной мощности при максимальном промежуточном уровне достигается при включенном контакторе и частичном расшунтировании основного и дополнительного реакторов за счет увеличения проводящего состояния дополнительных тиристорных ключей при полностью выключенных основных тиристорных ключей, а минимальный промежуточный уровень осуществляется при включенном контакторе и уменьшении суммарных сопротивлений основного и дополнительного реакторов за счет изменения проводящего состояния основных тиристорных ключей при полностью выключенных дополнительных тиристорных ключей. Таким образом, при максимальном и минимальном промежуточном уровне регулирования реактивной мощности также поддерживается баланс между генерируемой конденсаторной батареей реактивной мощностью и суммарной потребляемой реактивной мощностью нагрузкой и регулируемыми реакторами с сохранением номинального уровня напряжения у потребителей с высокими значениями технико-экономическими показателями.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется ниже следующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на фиг. 1 в однолинейном исполнении приведена трехфазная схема заявляемого способа, а на фиг. 2 - фиг. 4 приведены осциллограммы напряжений и токов, проведенных в среде MatLab для способа прототипа и предлагаемого способа при номинальном напряжении сети и номинальной нагрузке.

Схема заявляемого способа, представленная на фиг. 1 состоит из сети 1, батарея конденсаторов 2 с фиксированными емкостями, реакторно-тиристорного блока 3, содержащий контактор 4, основной 5 и дополнительный 6 реакторы, основные 7 и дополнительные 8 тиристорные ключи, а также активно-индуктивной нагрузки 9. Обеспечение косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения по способу прототипа (фиг. 2а) и предлагаемому способу (фиг. 2б) иллюстрируют результаты численных экспериментов представленных на фиг. 2, которые проводились в среде MatLab при номинальном напряжении сети и номинальной нагрузке. На осциллограммах фиг. 2 показаны мгновенные значения напряжение (u_c) и тока (_ic) питающей сети, мгновенные значения тока нагрузки (i_н), батареи конденсаторов (i_БК), основных (i_ТК1) и дополнительных (i_ТК2) тиристорных ключей, основного (i_p1) и дополнительного (i_P2) реакторов, а также действующее значение напряжения нагрузки (U_н). Осциллограммы, приведенные на фиг. 3 иллюстрируют падение напряжения в сети, на элементах реакторно-тиристорного блока и нагрузке при номинальном напряжении сети и номинальной нагрузке для способа прототипа (фиг. 3а) и предлагаемого способа (фиг. 3б). Здесь на осциллограммах введены мгновенные значения падение напряжения в питающей сети (u_с), на основных тиристорных ключах (u_ТК1), дополнительном реакторе (u_p2) и нагрузке (u_н). Влияние реакторно-тиристорного блока на синусоидальности формы тока сети и нагрузки, а также на коэффициент активной мощности сети и нагрузки при номинальном напряжении сети и номинальной нагрузке иллюстрируют осциллограммы, представленные на фиг. 4 по способу прототипа (фиг. 4а) и по предлагаемому способу (фиг. 4б). На этих осциллограммах (фиг. 4) приведены мгновенные значения токов для одной фазы питающей сети (i_c), нагрузки (i_н), основного (i_p1) и дополнительного (i_p2) реакторов, а также основных (i_ТК1) и дополнительных (i_ТК2) тиристорных ключей при разных углах управления тиристорами. На осциллограмме, приведенной на фиг. 4а показаны токи при углах управления тиристорами α=65 град, а на фиг. 4б при α=15 град.

Суть предлагаемого способа косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения заключается в одновременном выполнении известной и вновь введенной операций.

Предлагаемый способ при номинальном напряжении сети 1 и тока нагрузки 9 фиксируя емкости батареи конденсаторов 2 обеспечивает непрерывности и точности компенсации реактивной мощности с одновременным сохранением уровней напряжения у потребителей на заданном значении, не искажая при этом формы токов и напряжений питающей сети 1, батареи конденсаторов 2, активно-индуктивной нагрузки 9, а также самых элементов реакторно-тиристорного блока 3.

В заявляемом способе, косвенная компенсация реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения у потребителей на заданном (номинальном) значении при разных уровнях напряжения питающей сети достигается благодаря регулированием генерируемой энергии батареи конденсаторов с фиксированными емкостями и плавным регулированием сопротивлений реакторов для создания падения напряжения на них (избыточная, генерируемая энергия, батареи конденсаторов нейтрализуется энергией реакторов). Индуктивное сопротивление дополнительного реактора 6 регулируется при помощи увеличения (уменьшения) углов управления основными тиристорными ключами 7, а индуктивное сопротивление основного реактора 5 регулируется при помощи увеличения (уменьшения) углов управления основными 7 и дополнительными 8 тиристорными ключами при включенном контакторе.

Стоит особо отметить, что для обеспечения косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения по реализуемой схеме приведенная на фиг. 1 при нестабильности напряжения питающей сети и тока нагрузки необходимо мощности батареи конденсаторов 2 выбирать и установить с учетом минимального уровня напряжения питающей сети и максимального значения тока нагрузки. Учитывая последнее в зависимости от величины отклонения и колебания напряжения питающей сети и тока нагрузки для каждого объекта возникает необходимости индивидуально выбрать емкости батареи конденсаторов 2 и индуктивное сопротивление основного 5 и дополнительного 6 реакторов. Это позволяет комплексно улучшить технико-экономические показатели того или иного объекта, где возникает необходимости обеспечения косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения.

Физическая сущность предлагаемого способа и его новые свойства отражены в принципе действия в виде совокупности известных, вновь введенных операций и последовательности между ними.

Предлагаемый способ косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения соответственна с его схемы реализации (фиг. 1) учитывая нестабильности напряжения в питающей сети генерируемой энергии батареи конденсаторов с фиксированными емкостями разделяет на максимальном, номинальном и минимальном уровне регулирование реактивной мощности, который работает следующим образом.

Максимальный уровень регулирование реактивной мощности при пониженном напряжении в питающей сети достигается при помощи полностью включенных дополнительных тиристорных ключей 8, которые полностью шунтируют основных тиристорных ключей 7, основного 5 и дополнительного 6 реакторов в результате чего напряжение на активно-индуктивной нагрузке 9 прикладывается только через дополнительные тиристорные ключи 8. Угол проводящего состояния дополнительных тиристорных ключей 8 при этом уровне обеспечения косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения составляет α=15 град.

Номинальный уровень регулирование реактивной мощности при номинальном напряжении питающей сети достигается при помощи полностью включенных основных тиристорных ключей 7 и дополнительного реактора 6 при полностью выключенных дополнительных тиристорных ключей 8, основного реактора 5 и контактора 4 в результате чего напряжение на активно-индуктивной нагрузке 9 прикладывается через основные тиристорные ключи 7 и дополнительного реактора 6. Угол проводящего состояния основных тиристорных ключей 7 при этом уровне обеспечения косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения составляет α=15 град.

Минимальный уровень регулирование реактивной мощности при повышенном напряжении в питающей сети обеспечивается при помощи полностью включенных основного 5 и дополнительного 6 реакторов при полностью выключенных как основных 7 так и дополнительных 8 тиристорных ключей. Трехфазный контактор 4 в процессе выключения тиристорных ключей одновременно подключает основного реактора 5 к питающей сети и таким образом напряжение на активно-индуктивной нагрузке 9 прикладывается через основной 5 и дополнительный 6 реакторы. Основные 7 и дополнительные 8 тиристорные ключи плавно выключаются при α=135 град и в процессе завершения выключения тиристорных ключей снимаются импульсы с их управляющие входы. На этом уровне создавая падение напряжения на суммарном индуктивном сопротивлении основного 5 и дополнительного 6 реакторов, а также нейтрализации избыточной энергии батареи конденсаторов при повышенном напряжении питающей сети обеспечивается косвенная компенсация реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения.

Предлагаемый способ косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения помимо максимального и минимального уровня регулирования реактивной мощности относительно номинальным уровнем также сохраняет качество электроэнергии и повышает эффективность работы всей системы при максимальном и минимальном промежуточном уровне регулирования реактивной мощности. Под максимальным (минимальным) промежуточным уровнем регулирования реактивной мощности батареи конденсаторов с фиксированными емкостями понимается регулирование между максимальным (минимальным) промежуточным уровнем и номинальным уровнем.

Обеспечение косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения при максимальном промежуточном уровне регулирования реактивной мощности достигается при включенном контакторе 4 и частичном расшунтировании основного 5 и дополнительного 6 реакторов за счет увеличения проводящего состояния дополнительных тиристорных ключей 7 при полностью выключенных основных тиристорных ключей 8. Минимальный промежуточный уровень регулирования реактивной мощности осуществляется при помощи контактора 4 и уменьшения суммарных сопротивлений основного 5 и дополнительного 6 реакторов за счет изменения проводящего состояния основных тиристорных ключей 7 при полностью выключенных дополнительных тиристорных ключей 8. Таким образом, при максимальном (минимальном) промежуточном уровне регулирования реактивной мощности батареи конденсаторов с фиксированными емкостями также поддерживается баланс между генерируемой конденсаторной батареей реактивной мощностью и суммарной потребляемой реактивной мощностью нагрузкой и регулируемыми реакторами с сохранением номинального уровня напряжения у потребителей с высокими значениями технико-экономическими показателями.

Преимущества предлагаемого способа косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения при номинальном напряжении сети и тока нагрузки по сравнению с известным способом-прототипа заключаются двумя новыми свойствами. Первое это улучшение эффективности работы питающей сети и потребителей электроэнергии, а второе - это улучшение эффективности работы самых батареи конденсаторов 2 и элементов (4, 5, 6, 7 и 8) реакторно-тиристорного блока 3 за счет комплексного сохранения синусоидальности формы токов и напряжений в результате, которых комплексно улучшается технико-экономические показатели всей системы при разных уровнях напряжения питающей сети 1.

Областью применения предлагаемого способа косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения является системы электроснабжения с протяженностями линиями электропередачи, у которых благодаря новыми свойствами способа будут улучшены внешняя, регулировочная и энергетические характеристики.

Наиболее целесообразной областью применения являются объекты систем энергоснабжения, где требуется обеспечение многоступенчатого регулирования реактивной мощности с одновременной стабилизации напряжения, в сочетании с которыми предлагаемый способ будет выполнять точное регулирование на каждой ступени с фиксированными емкостями конденсаторов.

Техническое решение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетическим системам, и может быть использовано для косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения без ухудшения синусоидальности формы токов и напряжений питающей сети и нагрузки с сохранением номинального уровня напряжения у потребителей при повышенном, номинальном и пониженном напряжении питающей сети. Способ, предназначенный для разгрузки электрических сетей от реактивной мощности и поддержания уровня напряжения у потребителей на номинальном значении при повышенном, номинальном и пониженном напряжении питающей сети, обеспечивает повышение качества выпускаемой продукции и улучшение технико-экономических показателей систем электроснабжения. Областью применения предлагаемого способа косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения являются системы электроснабжения с протяженными линиями электропередачи, у которых благодаря новым свойствам способа будут улучшены внешняя, регулировочная и энергетические характеристики. Наиболее целесообразной областью применения являются объекты систем энергоснабжения, где требуется обеспечение многоступенчатого регулирования реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения, в сочетании с которыми предлагаемый способ будет выполнять регулирование на каждой ступени с фиксированными емкостями конденсаторов. 4 ил.

Способ косвенной компенсации реактивной мощности с одновременной стабилизацией напряжения, заключающийся в том, что посредством конденсаторной батареи с неизменной емкостью и основных тиристорных ключей с двухсторонней проводимостью тока, пофазно шунтирующих основной реактор, включенный в цепь нагрузки, поддерживают баланс в сети между реактивной мощностью, генерируемой конденсаторной батареей, и суммарной реактивной мощностью, потребляемой нагрузкой и основным реактором с основными тиристорными ключами, воздействуя сигналом управления на основные тиристорные ключи, который изменяет угол управления основными тиристорными ключами для расшунтирования в той или иной степени основного реактора, и таким образом вводят в цепь нагрузки активно-индуктивное сопротивление, которое изменяется по модулю и аргументу, отличающийся тем, что регулирование реактивной мощности в одноступенчатой конденсаторной установке с фиксированной емкостью разделяют на два уровня - максимальный и минимальный, вводят номинальный уровень, который задают сопротивлением дополнительного реактора при полностью открытых основных тиристорных ключах, выключенном основном реакторе и полностью закрытых дополнительных тиристорных ключах при номинальном напряжении питающей сети и номинальном токе нагрузки, максимальный уровень реактивной мощности достигается при полностью открытых дополнительных тиристорных ключах, которые полностью шунтируют основные тиристорные ключи основного и дополнительного реакторов при пониженном напряжении сети, а минимальный уровень регулирования реактивной мощности осуществляют при помощи суммарных сопротивлений основного и дополнительного реакторов при включенном контакторе и полностью выключенных основных и дополнительных тиристорных ключах при повышенном напряжении сети, причем между максимальным и минимальным уровнем регулирования реактивной мощности относительно номинального уровня вводят максимальный и минимальный промежуточные уровни, причем регулирование реактивной мощности при максимальном промежуточном уровне достигается при включенном контакторе и частичном расшунтировании основного и дополнительного реакторов за счет увеличения проводящего состояния дополнительных тиристорных ключей при полностью выключенных основных тиристорных ключах, а минимальный промежуточный уровень осуществляют при включенном контакторе и уменьшении суммарных сопротивлений основного и дополнительного реакторов за счет изменения проводящего состояния основных тиристорных ключей при полностью выключенных дополнительных тиристорных ключах, таким образом при максимальном и минимальном промежуточном уровне регулирования реактивной мощности также поддерживается баланс между генерируемой конденсаторной батареей реактивной мощностью и суммарной реактивной мощностью потребляемой нагрузкой и регулируемыми реакторами с сохранением номинального уровня напряжения у потребителей с высокими значениями технико-экономических показателей.