статический компенсатор реактивной мощности

Формула изобретения

Статический компенсатор реактивной мощности, состоящий из регулируемой индуктивности, конденсаторной батареи и фильтров высших гармоник, отличающийся тем, что в качестве регулируемой индуктивности используют трехфазный управляемый подмагничиванием реактор и подключают его непосредственно к сети высокого напряжения, фильтры пятой и седьмой гармоник подключают к выводам вторичной обмотки реактора, а конденсаторную батарею подключают к сети высокого напряжения с секционированием через выключатели или к выводам вторичной обмотки реактора параллельно фильтрам.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высоковольтным регулируемым электротехническим комплексам, и может использоваться в высоковольтных электрических сетях напряжением 110...750 кВ для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения.

Известны традиционные средства компенсации и регулирования реактивной мощности в электрических сетях - синхронные компенсаторы (СК) и статические тиристорные компенсаторы (СТК). Первые являются вращающимися электрическими машинами, требующими закрытых помещений и постоянного квалифицированного обслуживания. В СТК отсутствуют подвижные элементы, однако они так же, как и СК, нуждаются в охлаждении, закрытом помещении, обслуживании, поскольку средством регулирования в них являются высоковольтные тиристорные ключи на полную мощность.

Кроме того, и СК, и СТК не могут быть выполнены на напряжение непосредственного подключения к сетям высокого напряжения 110...750 кВ, что требует промежуточного трансформатора на полную мощность и снижает эффективность регулирования реактивной мощности на стороне высокого напряжения. СТК генерируют спектр канонических гармоник, что требует установки дополнительных фильтров значительной мощности, поскольку в них циркулируют также гармоники параллельно подключенных нагрузок.

Указанные выше особенности снижают технико-экономические показатели СК и СТК, увеличивают стоимость оборудования, монтажа и эксплуатации, в основном, из-за дополнительного трансформатора связи и помещения с системой охлаждения. Технические проблемы при использовании этих устройств связаны с дополнительными потерями и неэффективностью регулирования мощности на высокой стороне за понижающим трансформатором или автотрансформатором, а для СТК еще и с необходимостью установки дополнительных фильтров большой мощности.

В то же время существует новый тип регулируемой силовой индуктивности - управляемый подмагничиванием реактор [1], на базе которого можно создать статический компенсатор реактивной мощности, лишенный указанных выше недостатков и способный заменить СК и СТК в сетях напряжением 110-750 кВ.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения по назначению и составу оборудования является статический тиристорный компенсатор, содержащий трехфазную силовую индуктивность, регулируемую последовательными тиристорными ключами на полную мощность, параллельно подключенную конденсаторную батарею и фильтры основных высших гармоник - 3, 5, 7, 9 и 11 [2]. Такие СТК в электрических сетях высокого напряжения подключаются либо на третичные обмотки существующих автотрансформаторов, либо, при отсутствии таковых, через дополнительные понижающие трансформаторы.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности регулирования реактивной мощности в высоковольтных электрических сетях, снижение стоимости установленного оборудования и повышение его надежности.

Указанная цель достигается тем, что в статическом компенсаторе реактивной мощности, состоящем из регулируемой индуктивности, конденсаторной батареи и фильтров высших гармоник, регулируемая индуктивность представляет собой трехфазный управляемый подмагничиванием реактор с непосредственным подключением к сети высокого напряжения, нерегулируемая конденсаторная батарея подключается параллельно фазам реактора с секционированием через выключатели, а фильтры пятой и седьмой гармоник подключаются к выводам вторичной обмотки реактора.

Разновидностью такого статического компенсатора реактивной мощности является схема без конденсаторной батареи на стороне высокого напряжения, когда конденсаторная батарея для выдачи реактором реактивной мощности подключается к выводам вторичной обмотки реактора параллельно фильтрам.

Принципиальная схема подключения статического компенсатора реактивной мощности изображена на фиг.1. К шинам сети 110...750 кВ через выключатели подключены секции конденсаторной батареи 1, выводы соединенной в звезду сетевой обмотки реактора 2 и стандартный трансформатор напряжения (ТН), обеспечивающий обратную связь для регулирования реактора через его вторичную обмотку системой автоматического управления 3 (САУ). К выводам вторичной обмотки реактора, соединенной в треугольник, подключают фильтры 5 и 7 гармоник 4. При отсутствии конденсаторной батареи на стороне высокого напряжения и необходимости не только потребления, но и выдачи реактором реактивной мощности к этим же выводам подключается конденсаторная батарея 5.

Приведенный на схеме статический компенсатор реактивной мощности работает следующим образом. При снижении нагрузки сети и появлении избытка реактивной мощности, связанной с повышением напряжения на шинах, реактор 2 автоматически переходит в режим потребления реактивной мощности и стабилизации напряжения с помощью своей системы автоматического управления САУ 3. В этих режимах потребления реактивной мощности часть секций или все секции конденсаторной батареи 1 отключены своими выключателями. В процессе автоматической стабилизации напряжения в суточном графике нагрузок мощность реактора 2 принимает произвольные значения от холостого хода до номинального значения. При этом максимальная сумма высших гармоник в сетевом токе реактора достигает 4% без учета влияния фильтров 4. Для снижения уровня основных гармоник до необходимого по нормам уровня на выводах вторичной обмотки реактора постоянно включены фильтры 5 и 7 гармоник (4) общей мощностью порядка 12% от мощности реактора. Мощность этих фильтров существенно меньше соответствующих фильтров СТК благодаря тому, что они электрически расположены за индуктивностью связи сетевой обмотки и вторичной обмотки реактора, тем самым исключается их перегрузка гармониками нагрузки сети.

Следует пояснить, что из основного спектра нечетных высших гармоник (3, 5, 7, 9, 11, 13...) гармоники, кратные трем (3, 9...), благодаря наличию вторичной обмотки реактора, соединенной в треугольник, замыкаются в нем и не выходят в сеть. Поэтому фильтры 3, 9 и следующих кратных им высших гармоник не требуются. Из оставшихся канонических гармоник 5 и 7 являются основными, наиболее энергетически мощными. Поэтому введение фильтров указанных 5 и 7 гармоник является достаточным, чтобы снизить искажение напряжения в месте подключения статического компенсатора в 2 и более раза.

В режимах, когда мощность нагрузки растет, а напряжение сети соответственно снижается, в состав статического компенсатора выключателями последовательно вводятся секции конденсаторной батареи 1, обеспечивающей выдачу необходимой реактивной мощности и компенсацию снижения напряжения. При этом плавность регулирования по-прежнему обеспечивает реактор 2. Количество секций конденсаторной батареи и соответствующих выключателей может быть любым и зависит от потребности в выдаче реактивной мощности в точке подключения реактора.

Практически в сетях напряжением 330 кВ и выше избыточная реактивная мощность линий электропередач такова, что значительной выдачи реактивной мощности от статического компенсатора не требуется. В этих случаях секционированную конденсаторную батарею с выключателями 1 на стороне высокого напряжения можно исключить, а конденсаторную батарею для перехода в режим выдачи реактивной мощности при максимуме нагрузок перенести на сторону 35 кВ вторичной обмотки реактора. При этом исключаются не только конденсаторная батарея (и ее выключатели на стороне высокого напряжения), но и могут быть исключены коммутации выключателем конденсаторной батареи на стороне 35 кВ. Это возможно благодаря тому, что при напряжении короткого замыкания между сетевой обмоткой и вторичной обмоткой реактора не менее 50% напряжение на конденсаторной батарее по мере роста нагрузки реактора снижается в несколько раз, а соответствующая мощность выдачи конденсаторной батареи - в квадратуре напряжения, т.е. в десять и более раз.

Таким образом, состав и мощность установленного оборудования снижена в сравнении с СТК за счет отсутствия трансформатора связи, меньшей мощности фильтров, отсутствия необходимости коммутации конденсаторной батареи со стороны вторичной обмотки (во втором варианте ее подключения) и незначительной мощности управления - около 1% мощности реактора в сравнении со 100% тиристорным блоком в СТК [1].

Следует также отметить режимные преимущества подключения статического компенсатора реактивной мощности непосредственно к шинам высокого напряжения, т.е. именно к тому узлу сети, где требуется компенсация реактивной мощности и стабилизация напряжения. При этом за счет исключения промежуточной индуктивности (трансформатора связи) повышается эффективность регулирования в месте подключения и снижаются потери от перетоков реактивной мощности через трансформатор связи.

Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в статическом компенсаторе реактивной мощности, состоящем из регулируемой индуктивности, конденсаторной батареи и фильтров высших гармоник, в качестве регулируемой индуктивности используют трехфазный управляемый подмагничиванием реактор и подключают его непосредственно к сети высокого напряжения, фильтры пятой и седьмой гармоник подключают к выводам вторичной обмотки реактора, а конденсаторную батарею подключают к сети высокого напряжения с секционированием через выключатели или к выводам вторичной обмотки реактора параллельно фильтрам.

Отличительными признаками и преимуществами предлагаемого статического компенсатора реактивной мощности в сравнении с традиционными СТК являются следующие:

1. Отсутствуют встречно-паралелльные тиристорные ключи на полную мощность, требующие охлаждения, закрытых помещений и квалифицированного персонала.

2. Компенсатор подключается непосредственно к шинам высшего напряжения сети, что исключает необходимость трансформатора связи и обеспечивает эффективное регулирование реактивной мощности в точке подключения без дополнительных потерь.

3. Снижена мощность фильтров, поскольку их подключение на вторичной обмотке реактора исключает потребление ими высших гармоник, имеющихся в электрической сети.

4. Имеется возможность подключения конденсаторной батареи на выводах 35 кВ вторичной обмотки реактора, при этом за счет параметрического регулирования напряжения на ее выводах по мере роста потребляемой реактором мощности до номинальной выдача реактивной мощности конденсаторной батареей снижается практически до нуля без коммутации дополнительными выключателями.

5. За счет снижения мощности управления и расположения всего силового реакторного оборудования на открытой территории подстанции в масляных баках снижается стоимость монтажа и эксплуатации, повышается срок службы и надежность оборудования.

Литература

1. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы - новое электротехническое оборудование. / Брянцев А.М. и др. Электротехника, №7, 1999 стр.1-7.

2. Статические тиристорные компенсаторы для энергосистем и сетей электроснабжения. / Бортник И.М. и др. Электричество, 1985, №2.