способ управления мощностью реактора с подмагничиванием

Формула изобретения

1. Способ управления мощностью реактора с подмагничиванием, содержащего сетевую обмотку, обмотку управления и трансформатор с преобразователем для подмагничивания, отличающийся тем, что обмотку управления реактора соединяют в треугольник, и она совмещает в себе функции подмагничивания и компенсационной обмотки, трансформатор с преобразователем разбивают на три фазы, размещенные внутри основного бака реактора, и подключают высоковольтными обмотками к фазам обмотки управления реактора, а низковольтными - к входам однофазных двухполупериодных тиристорных выпрямителей, выходы выпрямленного тока которых подключают к входам подмагничивания соответствующих фаз обмотки управления реактора, при этом регулирование тока подмагничивания и, как следствие, тока сетевой обмотки реактора осуществляют независимо в каждой фазе соответствующим однофазным выпрямителем, в котором угол управления тиристорами изменяется в заданной зависимости от рассогласования между напряжением уставки и напряжением в точке подключения реактора, при этом по мере отклонения напряжения от заданной уставки по напряжению угол управления тиристорами и время их включенного состояния изменяются таким образом, чтобы результирующий ток подмагничивания и ток сетевой обмотки реактора обеспечили стабилизацию напряжения в точке подключения на уровне заданной уставки по астатическому либо статическому закону регулирования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что параллельно с фазами трансформатора для подмагничивания к выводам обмотки управления реактора высоковольтной обмоткой подключают трехфазный трансформатор 35/0,4 кВ со схемой соединения "звезда-треугольник" и последовательно включенными низковольтными реакторами, на которые при условии отсутствия напряжения на реакторе непрерывно подается питание от внешнего источника переменного тока напряжением 0,4 кВ, в результате чего магнитная система реактора имеет дозированное предварительное насыщение постоянным током обмотки управления, и реактор при появлении напряжения на сетевой обмотке безинерционно выходит на режим заданного значения потребляемой реактивной мощности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам регулирования реактивной мощности, и может быть использовано для регулирования сетевого тока и мощности управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов с целью стабилизации сетевого напряжения в точке их подключения.

Известны способы и устройства для управления подмагничиваемыми реакторами, которые содержат собственно реактор с обмотками, силовую схему для подмагничивания постоянным током, например трансформатор с полупроводниковым преобразователем, а также систему импульсно-фазового управления, которая по заданному закону регулирования изменяет ток подмагничивания в обмотке управления реактора и тем самым меняет его индуктивность, а соответственно, ток и потребляемую мощность сетевой обмотки (1).

В известных схемах и устройствах система подмагничивания требовала отдельного источника электропитания, например подключения трансформатора с преобразователем к ячейке собственных нужд 6...10 кВ подстанции (2). При этом напряжение синхронизации в систему управления подавалось с трансформатора напряжения шин подстанции, а поддержание заданного тока или мощности сетевой обмотки реактора производилось в замкнутом контуре регулирования пропорционально-интегральными регуляторами (ПИ-регуляторами) с существенной постоянной времени интегрирующего звена, в результате чего усложняются связи между составными частями реактора и оборудованием подстанции, а также возрастают время регулирования и колебательность системы регулирования в целом.

Кроме того, известная инерционность реактора, обладающего значительной индуктивностью, приводила к тому, что выход на требуемый режим потребления реактивной мощностью происходил с задержкой, соответствующей постоянной времени сетевой обмотки реактора и составляющей в зависимости от мощности величину от 0,3 до 2 с. Однако для ряда применений, например для трехфазных шунтирующих реакторов линий 220-500 кВ при включении линии на холостой ход, такое время набора реактором реактивной мощности является неприемлемым и приводит к перенапряжениям на линии.

Ближайшим аналогом, в котором устранены указанные недостатки, является способ управления мощностью реактора с подмагничиванием по патенту РФ №2181915 [3]. Дополнительные технические решения в указанном аналоге заключаются в том, что трансформатор со встроенным преобразователем подключен к выводам компенсационной обмотки реактора, напряжение синхронизации для системы импульсно-фазового управления подается от вторичной обмотки трансформатора со встроенным преобразователем, а регулирование тока в сетевой обмотке реактора производится по пропорциональному закону регулирования, в котором угол управления тиристорами преобразователя изменяется по линейной зависимости от рассогласования между напряжением уставки и напряжением в точке подключения реактора, при этом по мере превышения напряжением заданной уставки по напряжению угол управления тиристорами плавно изменяется от угла холостого хода до номинального, в результате чего соответственно нарастает ток подмагничивания в обмотке управления, а ток сетевой обмотки и мощность реактора увеличиваются от значений холостого хода до номинального.

Для повышения быстродействия выхода на режим потребления реактивной мощности тот же способ отличается тем, что параллельно выходу преобразователя для подмагничивания к обмотке управления реактора подключена цепочка из последовательно соединенных диода и тиристора, на которые при условии отсутствия напряжения на реакторе непрерывно подается напряжение от источника предварительного подмагничивания, в результате чего магнитная система реактора имеет дозированное предварительное насыщение постоянным током обмотки управления, и реактор при появлении напряжения на сетевой обмотке безынерционно выходит на режим заданного значения потребляемой реактивной мощности.

Указанный способ успешно работает в практических применениях, однако не во всех случаях является оптимальным. В первую очередь, такой способ не позволяет вести независимое пофазное управление, что необходимо, например, в случаях симметрирования напряжения сети или организации гашения дуги в паузе ОАПВ. Кроме того, он требует размещения отдельно расположенных дополнительных элементов - трансформатора со встроенным преобразователем, источника предварительного подмагничивания с дополнительными тиристорами в преобразователе, системы импульсно-фазового управления, что усложняет схему соединений, снижает ее надежность и увеличивает массогабаритные показатели комплекса в целом. Дополнительной проблемой, препятствующей повышению точности и устойчивости регулирования, является сравнительно узкий рабочий диапазон регулирования углов открытия тиристоров преобразователя, что определяется необходимым для форсировки запасом по напряжению и плавным групповым регулированием трехфазного тиристорного моста преобразователя с помощью системы импульсно-фазового управления.

Цель изобретения - обеспечение пофазного управления, упрощение схемы путем сокращения количества элементов и связей, повышение надежности и устойчивости регулирования, расширение диапазона углов управления тиристорами, повышение быстродействия выхода на режим потребления реактивной мощности.

Указанная цель достигается тем, что обмотка управления реактора соединена в треугольник и совмещает в себе функции компенсационной обмотки, трансформатор с преобразователем разбит на три фазы, размещенные внутри основного бака реактора и подключенные высоковольтными обмотками к фазам обмотки управления реактора, а низковольтными - к входам однофазных двухполупериодных тиристорных выпрямителей, выходы выпрямленного тока которых подключены к входам подмагничивания соответствующих фаз обмотки управления реактора, при этом регулирование тока подмагничивания и, как следствие, тока сетевой обмотки реактора осуществляется независимо в каждой фазе соответствующим однофазным выпрямителем, в котором угол управления тиристорами изменяется в заданной зависимости от рассогласования между напряжением уставки и напряжением в точке подключения реактора, при этом по мере отклонения напряжения от заданной уставки по напряжению угол управления тиристорами и время их включенного состояния изменяются таким образом, чтобы результирующий ток подмагничивания и ток сетевой обмотки реактора обеспечили стабилизацию напряжения в точке подключения на уровне заданной уставки по астатическому либо статическому закону регулирования.

Для реализации предварительного подмагничивания от сети 0,4 кВ собственных нужд подстанции с целью безынерционного выхода на требуемый по мощности режим параллельно с трансформаторами для подмагничивания к выводам обмотки управления реактора высоковольтной обмоткой подключен трехфазный трансформатор 35/0,4 кВ со схемой соединения "звезда-треугольник" и последовательно включенными низковольтными реакторами, на которые при условии отсутствия напряжения на реакторе непрерывно подается питание от внешнего источника переменного тока напряжением 0,4 кВ, в результате чего магнитная система реактора имеет дозированное предварительное насыщение постоянным током обмотки управления, и реактор при появлении напряжения на сетевой обмотке безынерционно выходит на режим заданного значения потребляемой реактивной мощности.

Предлагаемое изобретение может использоваться для управляемых подмагничиванием реакторов высокого напряжения различного назначения и разнообразных схем соединения обмоток как трехфазного, так и пофазного исполнений.

Один из вариантов такого применения для управляемого трехфазного шунтирующего реактора классов напряжения 110...500 кВ показан на схеме.

В данном случае управляемый реактор содержит две трехфазных обмотки - сетевую 1 (СО) и управления 2 (ОУ), расположенные соосно на соответствующих стержнях магнитопровода. Устройство подмагничивания постоянным током выполнено пофазным и для каждой фазы представляет собой встроенный в основной бак реактора однофазный трансформатор 3 класса 35/1 кВ с встроенным в общий или отдельный навесной бак однофазным тиристорным выпрямителем 4 на стороне вторичной обмотки. Высоковольтная обмотка каждого однофазного трансформатора 3 подключена к выводам соответствующей фазы обмотки управления 2. Выход каждого однофазного выпрямителя 4 подключен к эквипотенциальным по переменному напряжению средним точкам соответствующих фаз обмотки управления 2. Управление тиристорами выпрямителя 4 осуществляется системой автоматического управления 5 (САУ) для каждой фазы независимо по заданному статическому или астатическому закону управления.

Сетевая обмотка управляемого реактора в данном случае соединена в звезду и подключается непосредственно к шинам подстанции или линии 110...500 кВ. Фазы обмотки управления соединены в треугольник для замыкания в нем гармоник, кратным трем. Таким образом, в сравнении с прототипом обмотка управления совмещает в себе функции подмагничивания и компенсационной обмотки, в связи с чем снижаются массогабаритные показатели в целом.

К выводам обмотки управления, соединенной в треугольник, для обеспечения режима предварительного подмагничивания дополнительно подключена высоковольтная обмотка расположенного в общем или отдельном навесном баке трехфазного (или группы однофазных) трансформатора напряжением 35/0,4 кВ со схемой соединения "звезда-треугольник" 6. К низковольтным выводам указанного трансформатора 6 через дополнительные продольные реакторы и контактор подключается питание 0,4 кВ от собственных нужд подстанции. Таким образом, за счет установки в навесном баке реактированного трансформатора небольшой мощности и использования для предварительного подмагничивания от собственных нужд основных фазных тиристорных выпрямителей 4 по сравнению с прототипом не только исключаются дополнительные тиристорные цепи в преобразователе и силовой блок в системе управления, но и создается возможность обратного питания собственных нужд подстанции от находящегося под напряжением реактора.

Исполнение магнитопровода, схема соединения обмоток, тип преобразователей в данном изобретении не имеют принципиального значения и могут быть любыми из известных технических решений. Существенными признаками являются нижеследующие, которые и входят в два зависимых пункта изобретения:

- за счет разбиения питающего трансформатора 3 и тиристорного преобразователя 4 на три фазы достигается возможность независимого пофазного управления, необходимого в режимах симметрирования напряжения или гашения дуги в паузе ОАПВ;

- совмещение в одной вторичной обмотке 2 реактора функций управления и замыкания гармоник, кратным трем, а также конструктивное решение, объединяющее в общем или навесном баке трансформаторы подмагничивания 3,6 и пофазные тиристорные выпрямители 4, минимизирует состав поставляемого оборудования и связи между элементами схемы, что упрощает проектирование и повышает надежность;

- с помощью организации связи выводов обмотки управления 2 с собственными нуждами подстанции через дополнительный реактированный трехфазный трансформатор 6 напряжением 35/0,4 кВ обеспечивается режим предварительного подмагничивания и достигается упрощение схемы за счет исключения дополнительных цепей в преобразователе и силового блока источника питания в системе автоматического управления 5;

- по сравнению с аналогом изменено управление тиристорами однофазных выпрямителей 4 подмагничивания фаз. В системе автоматического управления 5 реактора формируется три независимых канала управления для однофазных выпрямителей подмагничивания каждой фазы реактора. При этом регулирование выпрямленного тока подмагничивания обеспечивается ключевым режимом работы верхней и нижней ветвей однофазного выпрямителя 4 с различными фиксированными углами управления и разным временем включенного состояния.

Так, например, для поддержания номинального режима нижняя ветвь выпрямителя 4 включена постоянно с полным открытием тиристоров, а верхняя пара тиристоров работает с фиксированным углом около 120 эл.град. Для обеспечения форсированного набора мощности или режима допустимой перегрузки обе ветви, т.е. все четыре тиристора, работают непрерывно с полным открытием. Для расфорсировки (сброса мощности) выпрямитель 4 переводится в инверторный режим с фиксированными углами управления всех тиристоров в диапазоне 120...150 эл.град. При поддержании промежуточных значений сетевого тока и мощности реактора от холостого хода до номинального значения нижняя пара тиристоров открыта полностью непрерывно, а верхняя работает с углами около 120 эл.град. и скважностью (соотношением числа периодов включенного и отключенного состояния), соответствующей поддержанию заданного значения тока и мощности.

Указанный алгоритм дает два преимущества. Во-первых, ключевой режим работы дает возможность отказаться от системы импульсно-фазового управления, традиционно применяемой для непрерывного и плавного управления тиристорами в традиционной трехфазной схеме выпрямления. Во-вторых, несимметричная схема работы ветвей выпрямителя, когда нижняя пара тиристоров поддерживает требуемый ток подмагничивания в открытом состоянии, а верхняя пара компенсирует омические потери в обмотке управления включением с фиксированным углом и требуемой скважностью, расширяет диапазон рабочих углов управления, повышает точность и устойчивость работы реактора в режимах автоматической стабилизации напряжения.

Управляемый подмагничиванием трехфазный шунтирующий реактор, приведенный на схеме, работает следующим образом. При отключенном выключателе со стороны сетевой обмотки и отсутствии напряжения на реакторе отсутствует также напряжение на обмотке управления 2 и трансформаторах подмагничивания 3 с тиристорными выпрямителями 4. При этом через дополнительный трехфазный реактированный трансформатор 6 подается напряжение 380 В от системы собственных нужд подстанции. Выпрямление и регулирование этого напряжения указанными выпрямителями 4 обеспечивает протекание в обмотке управления 2 выпрямленного тока такой величины, которая обеспечит дозированное насыщение магнитопровода в соответствии с той реактивной мощностью, которую должен безынерционно набрать реактор после подачи на него сетевого напряжения.

При подаче напряжения на реактор включением выключателя 110...500 кВ (либо при включении линии на холостой ход или после паузы АПВ) реактор безынерционно переходит в режим потребления реактивной мощности, обусловленной величиной тока предварительного подмагничивания. При этом снимается напряжение от источника предварительного подмагничивания на трансформатор 6, подается напряжение на выпрямители 4 от обмотки управления 2, и дальнейшее регулирование сетевого тока и реактивной мощности реактора осуществляется системой автоматического управления 5 в соответствии с требуемым законом управления.

При этом предлагаемые в изобретении технические решения позволяют обеспечить пофазное управление, минимизировать состав оборудования и связей в реакторе, повысить надежность и устойчивость его работы, а также обеспечить максимальное быстродействие в требуемых режимах за счет форсировки напряжения и предварительного подмагничивания магнитной системы.

Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что способ управления мощностью реактора с подмагничиванием, содержащего сетевую обмотку, обмотку управления и трансформатор с преобразователем для подмагничивания, отличается тем, что обмотки управления реактора соединяют в треугольник, и она совмещает в себе функции подмагничивания и компенсационной обмотки, трансформатор с преобразователем разбивают на три фазы, размещенные внутри основного бака реактора, и подключают высоковольтными обмотками к фазам обмотки управления реактора, а низковольтными - к входам однофазных двухполупериодных тиристорных выпрямителей, выходы выпрямленного тока которых подключают к входам подмагничивания соответствующих фаз обмотки управления реактора, при этом регулирование тока подмагничивания и, как следствие, тока сетевой обмотки реактора осуществляют независимо в каждой фазе соответствующим однофазным выпрямителем, в котором угол управления тиристорами изменяется в заданной зависимости от рассогласования между напряжением уставки и напряжением в точке подключения реактора, при этом по мере отклонения напряжения от заданной уставки по напряжению угол управления тиристорами и время их включенного состояния изменяются таким образом, чтобы результирующий ток подмагничивания и ток сетевой обмотки реактора обеспечили стабилизацию напряжения в точке подключения на уровне заданной уставки по астатическому либо статическому закону регулирования.

Во втором зависимом случае тот же способ отличается тем, что параллельно с фазами трансформатора для подмагничивания к выводам обмотки управления реактора высоковольтной обмоткой подключают трехфазный трансформатор 35/0,4 кВ со схемой соединения "звезда-треугольник" и последовательно включенными низковольтными реакторами, на которые при условии отсутствия напряжения на реакторе непрерывно подается питание от внешнего источника переменного тока напряжением 0,4 кВ, в результате чего магнитная система реактора имеет дозированное предварительное насыщение постоянным током обмотки управления, и реактор при появлении напряжения на сетевой обмотке безынерционно выходит на режим заданного значения потребляемой реактивной мощности.

Предлагаемые технические решения исследованы на математических и физических моделях управляемых шунтирующих реакторов напряжением 110...500 кВ. Эти исследования и эксперименты, а также макетирование основных узлов показали эффективность и работоспособность как отдельных решений, так и комплекса управляемого подмагничиванием реактора в целом.

Литература

1. Управляемые реакторы, Электротехника, 1991, № 2 (спецвыпуск).

2. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы - новое электротехническое оборудование. А.М., Брянцев, Б.И. Базылев, А.Г. Долгополов и др. - Электротехника, 1999, № 7.

3. Брянцев А.М., Долгополов А.Г. Способ управления мощностью реактора с подмагничиванием. Патент РФ № 2181915. Опубл. БИ № 12, 2002 г.