вольтодобавочное устройство с тиристорным амплитудно- фазовым регулированием для компенсации реактивной мощности трансформаторной подстанции

Формула изобретения

1. Вольтодобавочное устройство с тиристорным амплитудно-фазовым регулированием для компенсации реактивной мощности трансформаторной подстанции, в состав которой входит главный трансформатор с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке, и входные зажимы с батареей косинусных конденсаторов, предназначенные для подключения к сети, содержащее вольтодобавочный трансформатор и тиристорный преобразователь со звеном постоянного напряжения или тока, в состав которого входит реверсивный выпрямитель с системой управления, индуктивно-емкостный фильтр и инвертор с синхронизированной с сетью системой управления, а также датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, при этом вторичная обмотка, вольтодобавочного трансформатора через тиристорный преобразователь со звеном постоянного напряжения или тока подключена к нагрузке, отличающееся тем, что первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора включена между входными зажимами и первичной обмоткой главного трансформатора, выход датчика реактивной мощности сети подключен к управляющему входу системы управления инвертором, выполненной с возможностью изменения направления регулирования фазы выходного напряжения инвертора по знаку управляющего сигнала, выход датчика отклонения напряжения нагрузки подключен к управляющему входу системы управления реверсивным выпрямителем, выполненной с возможностью ограничения минимального уровня выпрямительного напряжения, в индуктивно-емкостный фильтр встроен датчик тока, выход которого подключен к дополнительному управляющему входу системы управления реверсивным выпрямителем, а к входу реверсивного выпрямителя подключены фильтрокомпенсирующие цепи.

2. Вольтодобавочное устройство по п.1, отличающееся тем, что реверсивный выпрямитель выполнен с искусственной коммутацией и регулированием фазы его входного тока в функции выпрямленного тока, при этом система управления реверсивным выпрямителем выполнены с возможностью опережающего регулирования фазы его входного тока в выпрямительном режиме и отстающего регулирования в инверторном режиме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетической электронике, в частности к устройствам компенсации реактивной мощности, и может быть использовано при создании электротехнических систем и комплексов с высокой эффективностью потребления и использования электроэнергии и стабильным напряжением.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является вольтодобавочное устройство с тиристорным ампритудно-фазовым регулированием для компенсации реактивной мощности трансформаторной подстанции (Патент РФ N 2056692, кл. 6 H 02 J 3/18, 20.03.96), которое взято за прототип.

Известное вольтодобавочное устройство включено на низкой стороне главного трансформатора подстанции и содержит датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, вольтодобавочный трансформатор и синхронизированный с сетью тиристорный преобразователь амплитуды и фазы напряжения с промежуточным звеном постоянного тока или напряжения и двухсторонним обменом энергии. В состав тиристорного преобразователя входит реверсивный выпрямитель, LC-фильтр и инвертор. Регулирование амплитуды напряжения вольтодобавки производится реверсивным выпрямителем, а регулирование фазы - инвертором. В устройстве может быть успешно применен как инвертор напряжения, так и инвертор тока. В первом случае применяется двухкомплектный реверсивный выпрямитель с преобладающей емкостью в его выходном LC-фильтре и отрицательной обратной связью по напряжению, во втором - однокомплектный реверсивный выпрямитель с преобладающей индуктивностью в его выходном LC-фильтре и резко отрицательной обратной связью по току.

К недостаткам прототипа следует отнести низкие коэффициенты мощности и полезного действия главного трансформатора подстанции при повышенном напряжении в сети, большие искажения тока, потребляемого реверсивным выпрямителем из вторичной цепи подстанции, вызывающие дополнительные потери в главном и вольтодобавочном трансформаторах и снижающие коэффициент мощности в первичной цепи подстанции, а также большой вес и габаритные размеры вольтодобавочного устройства, обусловленные тем, что для компенсации среднестатистической фазы тока нагрузки, примерно равной 30^o, мощность вольтодобавочного трансформатора и тиристорного преобразователя только в раз меньше мощности главного трансформатора подстанции. При включении вольтодобавочного трансформатора в цепь нагрузки требуется большой расход соединительных шин и кабелей, что также можно отнести к недостаткам устройства при оценке его массогабаритных показателей.

Задачей изобретения является улучшение энергетических показателей подстанции и массогабаритных показателей вольтодобавочного устройства.

В результате решения поставленной задачи массогабаритные показатели вольтодобавочного устройства с учетом добавления фильтрокомпенсирующих цепей улучшаются более чем в 2 раза. Энергетические показатели подстанции повышаются на 25-30%.

Решение поставленной задачи достигается тем, что первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора включена между входными зажимами и первичной обмоткой главного трансформатора, выход датчика реактивной мощности сети подключен к управляющему входу системы управления инвертором, выполненной с возможностью изменения направления регулирования фазы выходного напряжения инвертора по знаку управляющего сигнала, выход датчика отклонения напряжения нагрузки подключен к управляющему входу системы управления реверсивным выпрямителем, выполненной с возможностью ограничения минимального уровня выпрямленного напряжения, в индуктивно-емкосный фильтр встроен датчик тока, выход которого подключен к дополнительному управляющему входу системы управления реверсивным выпрямителем, а также тем что, реверсивный выпрямитель выполнен с искусственной коммутацией и регулированием фазы его входного тока в функции выпрямленного тока, при этом система управления реверсивным выпрямителем выполнена с возможностью опережающего регулирования фазы его входного тока в выпрямительном режиме и отстающего регулирования в инверторном режиме.

Преимуществом предлагаемого устройства является прежде всего то, что полная компенсация реактивной мощности достигается на входе трансформаторной подстанции, а не на выходе. Кроме этого, достигнуто повышение коэффициентов мощности и полезного действия главного трансформатора и коэффициента искажения входного тока подстанции.

В устройстве два источника реактивной мощности - нерегулируемый (батарея 11 косинусных конденсаторов и (или) фильтрокомпенсирующие цепи 8) и регулируемый (вольтодобавочный трансформатор 2 с тиристорным преобразователем для четырехквадрантного регулирования амплитуды и фазы добавочного напряжения). Такое сочетание в устройстве дискретной и плавной ступеней компенсации позволяет при сохранении диапазона полной компенсации реактивной мощности уменьшить мощность вольтодобавочного трансформатора и тиристорного преобразователя в 2 раза.

Монтаж вольтодобавочного устройства не на низкой, а на высокой стороне трансформаторной подстанции также можно отнести к снижению затрат и улучшению массогабаритных показателей. В этом случае сокращение расхода электротехнических материалов (соединительных шин и кабелей) и снижение трудоемкости монтажных работ значительно перекрывает дополнительные капитальные вложения, связанные с введением в устройство дискретной ступени компенсации реактивной мощности.

Что касается массогабаритных показателей элементов собственно дискретной ступени (батареи косинусных конденсаторов и фильтрокомпенсирующих цепей), то они могут быть улучшены применением реверсивного выпрямителя с искусственной коммутацией и опережающим (отстающим) регулированием входного тока реверсивного выпрямителя в режиме вольтодобавки (вольтовычета) при сохранении длительности проводящего состояния тиристоров, равной 120^o (см. п. 2 формулы). Этот способ регулирования амплитуды добавочного напряжения наиболее органично сочетается с предложенной силовой схемой компенсации.

Сущность предлагаемого устройства поясняется нижеследующим описанием с прилагаемым к нему чертежами, где на фиг. 1 приведена схема вольтодобавочного устройства с тиристорным амплитудно-фазовым регулированием для компенсации реактивной мощности трансформаторной подстанции, а на фиг. 2 - векторная диаграмма напряжений и токов компенсатора реактивной мощности.

На фиг. 2 введены следующие обозначения: U₁, - напряжения сети и нагрузки; напряжения первичных обмоток главного и вольтодобавочного трансформаторов; токи сети и нагрузки; первичный и вторичный токи главного трансформатора; токи реверсивного выпрямителя, фильтро-компенсирующих цепей и батареи косинусных конденсаторов; - степень отклонения напряжения сети; _И- фаза выходного напряжения инвертора фаза тока нагрузки; const- угол векторного формирования тока вторичной цепи при применении принципа прямой компенсации.

Устройство (фиг. 1) содержит следующие элементы: 1 и 2 - главный и вольтодобавочный трансформаторы; 3 - инвертор (тока или напряжения) с системой управления 4; 5 - реверсивный выпрямитель (однокомплектный с резко отрицательной обратной связью по току, в случае применения инвертора тока или двухкомплектный с переключением комплектов по знаку выпрямленного тока, в случае применения инвертора напряжения) с системой индуктивно-емкостный. управления 6; 7 - индуктивно-емкостный фильтр (с преобладающей индуктивностью или емкостью в зависимости от типа инвертора) со встроенным датчиком тока; 8 - фильтрокомпенсирующие цепи; 9 - датчик отклонения напряжения нагрузки; 10 - датчик реактивной мощности сети; 11 - батарея косинусных конденсаторов; 12 - нагрузка.

Элементы вольтодобавочного устройства (фиг. 1) соединены следующим образом. Первичные обмотки главного 1 и вольтодобавочного 2 трансформаторов соединены последовательно и подключены к сети. Вторичная обмотка главного трансформатора 1 подключена к нагрузке 12, к которой также через реверсивный выпрямитель 5, фильтр 7 и инвертор 3 подключена вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 2. Управляющий вход системы 6 управления реверсивным выпрямителем 5 подключен к выходу датчика 9 отклонения напряжения нагрузки 12, а управляющий вход системы 4 управления инвертором 3 - к выходу датчика 10 реактивной мощности сети. Батарея 11 косинусных конденсаторов по необходимости подключается к зажимам сети, а фильтрокомпенсирующие цепи 8 подключены к входу реверсивного выпрямителя 5.

Устройство работает следующим образом. Тиристорный преобразователь амплитуды и фазы напряжения из напряжения нагрузки U₂ формирует регулируемое напряжение которое вольтодобавочным трансформатором 2 увеличивается в _вт раз и прибавляется к напряжению сети U₁, образуя напряжение питания главного трансформатора 1 и уменьшенное в k_гт раз напряжение нагрузки

(1)

где k_гт и k_вт - коэффициенты трансформации главного и вольтодобавочного трансформаторов; (_В)- степень регулирования амплитуды; _В,_И- углы управления реверсивным выпрямителем и инвертором.

С учетом отклонений напряжения в сети U₁ = U₁ и падения напряжения на трансформаторах выражение (1) запишется в виде



где - - степень отклонения напряжения сети от номинального уровня;

_К- - относительное падение напряжения на трансформаторах.

Из выражения (2) и векторной диаграммы (фиг. 2) видно, что вектор напряжения нагрузки регулируется по амплитуде и фазе.

Регулирование амплитуды обеспечивает стабилизацию выходного напряжения подстанции на заданном уровне. Регулирование фазы вектора в сторону опережения при RL-нагрузке и в сторону отставания при R-нагрузке (фиг. 2) позволяет совместно с фильтрокомпенсирующими цепями 8 и батареей косинусных конденсаторов 11 обеспечить прямую полную компенсацию реактивной мощности на входных зажимах подстанции.

Эти операции производятся системой двухконтурного управления, построенной по принципу подчиненного регулирования. В устройстве регулирование _В производится по отклонению напряжения на нагрузке, а регулирование величины и знака _И по отклонению и направлению реактивной мощности сети.

Наиболее целесообразной областью применения предлагаемого технического решения являются цеховые трансформаторные подстанции промышленных предприятий, подстанции городских микрорайонов, тяговые подстанции электрофицированного транспорта.