СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФАЗОПОВОРОТНЫМ УСТРОЙСТВОМ
METHOD TO CONTROL PHASE-SHIFTING DEVICE

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, и в частности к управлению тиристорными фазоповоротными устройствами (ФПУ). ФПУ представляют высоковольтный электротехнический комплекс для изменения фазы напряжения, включаемый последовательно в линию электропередачи. ФПУ могут использоваться в электрических сетях с напряжением 110…1150 кВ для гибкого регулирования потоков активной и реактивной мощности, повышения пропускной способности существующих линий и повышения динамической устойчивости энергетической системы за счет ступенчатого регулирования модуля и фазы напряжения на выходе ФПУ.
Уровень техники
Тиристорные ФПУ известны и имеют в своем составе два трансформатора: сериесный и шунтовой, а также тиристорный коммутатор, включенный 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) вторичной обмотки шунтового трансформатора, которая включена в диагональ моста (далее - шунтовая обмотка). Вторичные обмотки сериесного трансформатора включаются в рассечку фаз линии электропередачи и вносимые ими напряжение и фазовый сдвиг могут принимать конечное число значений, называемых ступенями регулирования, в зависимости от количества и полярности шунтовых обмоток, введенных в первичную цепь сериесного трансформатора. Каждой ступени регулирования соответствует определенное подключение шунтовых обмоток и определенный набор состояний ключей мостов тиристорного коммутатора. Переход от ранее заданной исходной ступени регулирования к вновь задаваемой (конечной) ступени может осуществляться как сразу (за один этап) так и через промежуточные ступени (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 ступенями, которую проходит ФПУ при переходе от исходной ступени к конечной, принято называть маршрутом переключения.
В качестве прототипа заявляемого изобретения принят известный способ управления ФПУ путем поэтапной коммутации тиристорными мостами обмоток шунтового трансформатора [Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения. М.: Издательство МЭИ, 2007. с.309-310]. По способу-прототипу измеряют токи тиристорных мостов и напряжения на коммутируемых ими обмотках шунтового трансформатора и в соответствии с измеренными значениями переключают тиристоры мостов для поэтапной коммутации обмоток шунтового трансформатора, переводящей ФПУ из исходного состояния в заданное конечное состояние. При коммутации обмоток включение тиристоров производится на тех интервалах в периоде переменного тока, которые характеризуются наличием положительного напряжения между анодом и катодом коммутируемого тиристора и соответствующим направлением тока в обмотке.
Недостаток прототипа - пониженная надежность. Управление по способу-прототипу не предотвращает аварийные ситуации, которые могут возникникать из-за коротких замыканий вторичных обмоток шунтового трансформатора при одновременном включении параллельных плеч тиристорных мостов. Другая причина низкой надежности прототипа - на промежуточных этапах коммутации обмоток возможно возникновение недопустимо высоких напряжений (перенапряжений) на выходе ФПУ.
Раскрытие изобретения
Технический результат изобретения - повышение надежности, как следствие предотвращения коротких замыканий вторичных обмоток шунтового трансформатора и перенапряжений на выходе ФПУ в процессе поэтапной коммутации шунтовых обмоток.
Предметом изобретения является способ управления ФПУ путем поэтапной коммутации тиристорными мостами обмоток его шунтового трансформатора, измеряют токи тиристорных мостов и напряжения на коммутируемых ими обмотках, по измеренным в исходном состоянии фазоповоротного устройства 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.
Развития изобретения предусматривают, что заданные ограничения дополнительно включают ограничение на число переключений, на число переключаемых тиристоров (минимизация числа переключений и числа тиристоров, участвующих в переключении, снижает вероятность их отказов и дополнительно увеличивает надежность ФПУ), ограничение на суммарно накопленный фазовый сдвиг при поэтапной коммутации ФПУ (суммарно накопленный фазовый сдвиг негативно сказывается на работе энергосистемы, использующей ФПУ, а именно на ее динамической устойчивости).
Краткое описание фигур
На фиг.1 приведен пример функциональной схемы устройства управления тиристорным ФПУ, осуществляющей предлагаемый способ. На фиг.2 показана схема одного из тиристорных мостов, коммутирующих шунтовую обмотку ФПУ, с датчиками тока и напряжения, а на фиг.3 и фиг.4 приведены временные диаграммы тока и напряжения, измеряемых этими датчиками.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ управления ФПУ может быть осуществлен, например, с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг.1.
Схема на фиг.1 содержит двенадцать функциональных блоков.
Формирователь 1 маршрута переключения подключен своими входами к первому выходу блока 2 анализа и преобразования временных интервалов, к выходу блока 3 задания конечной ступени регулирования, к выходу блока 4 задания ограничений на выбор маршрута, и к выходу блока 5 управления ключами мостов. Выход формирователя 1 подключен к одному из входов блока 5. Другой вход блока 5 подключен к второму выходу блока 2. Второй выход блока 5 подключен к входу формирователя 6 импульсов управления тиристорным мостовым коммутатором 7. Мосты коммутатора 7 снабжены датчиками 8 тока тиристоров и датчиками 9 напряжения на коммутируемой шунтовой обмотке, подключение которых показано на фиг.2. Выходы датчиков 8 и 9 каждого из мостов подключены к входам блока 10 измеряемых величин, выход которого подключен к первому входу блока 2. Второй вход блока 2 подключен к выходу блока 11 выдачи данных о параметрах силовых компонентов схемы ФПУ. На входы блока 3 и блока 4 поступает информация от системы 12 автоматического управления энергосистемой или электроподстанцией.
Заявляемый способ управления осуществляется следующим образом.
В исходном положении формирователь 6 вырабатывает импульсы управления, поддерживающие ранее заданное системой 12 исходное состояние тиристорных мостов ФПУ. При этом формирователь 1 постоянно следит за своими входами, на которые поступают сигналы об исходном (с выхода блока 5) и задаваемом (с выхода блока 3) состоянии ФПУ и, следовательно, об исходном и требуемом состоянии тиристорных мостов.
При несовпадении указанных сигналов начинается очередной процесс переключения. В ходе этого процесса формирователь 1 выбирает конкретный маршрут переключения тиристорных мостов коммутатора 7, обеспечивающий переход из исходного состояния во вновь заданное конечное, а блоки 5 и 6 обеспечивают последующую реализацию выбранного маршрута в реальном времени.
Формирователь 1 может быть выполнен, например, на основе запоминающего устройства, в ячейках которого хранится множество всех возможных для данного ФПУ маршрутов переключения, а в соответствующие поля адресного регистра заносятся данные, поступающие от блоков 2 и 4.
Управление ФПУ обеспечивает переходы ФПУ из состояния, называемого исходным, с одними фазовым сдвигом, в другое, задаваемое системой 12, состояние, называемое конечным, с другим значением фазового сдвига, вносимого ФПУ. Изменение фазового сдвига ФПУ обеспечивается изменением состава и полярности последовательного включения шунтовых обмоток за счет соответствующих переключений тиристорных мостов.
Изменение подключения шунтовой обмотки осуществляется переключением соответствующего тиристорного моста, т.е. включением одних и выключением других тиристоров моста. Включение тиристора может быть произведено только в случае наличия положительного напряжения между его анодом и катодом и появления прямого тока во включаемом тиристоре. Из этого следует, что требуемые переключения тиристоров в составе моста могут быть произведены на определенных интервалах, определяемых фазовым сдвигом между током, измеряемым датчиком 8, и напряжением, измеряемым датчиком 9.
1
2
С учетом этого блок 2 разделяет все интервалы, пригодные для тех или иных переключений шунтовой обмотки тиристорным мостом, на интервалы первого вида Δt, начинающиеся со смены полярности напряжения и заканчивающиеся сменой направления тока, и интервалы второго вида Δt, начинающиеся со смены направления тока и заканчивающиеся сменой полярности напряжения (см. фиг.4).
Такое разделение необходимо из-за того, что в случае, когда коммутация тиристоров осуществляется в момент, близкий к началу или к концу интервалов второго вида, возможно возникновение коротких замыканий вторичной обмотки шунтового трансформатора. Это объясняется тем, что в данном случае тиристоры, обесточенные, но не успевшие восстановить свою способность удерживать напряжение, оказываются под положительным (прямым) напряжением, что приводит к их самопроизвольному включению. При этом для исключения коротких замыканий коммутируемой шунтовой обмотки необходимо учесть, что на концах интервалов второго вида время коммутации тока между тиристорами моста увеличивается за счет влияния на процесс коммутации индуктивности рассеяния вторичной обмотки шунтового трансформатора. Интервалы первого вида не имеют этой особенности.
q
q
x
x
Следовательно, для безаварийной коммутации тиристоров мостов на интервалах второго вида необходимо задерживать начало процесса коммутации на время восстановления тиристорами своих управляющих свойств t - от начала интервала и заканчивать процесс коммутации тиристоров до окончания интервала за время, равное сумме t+t, где t - время коммутации тока вторичной обмотки шунтового трансформатора между тиристорами моста, обусловленное индуктивностью рассеяния этой обмотки (см. фиг.3).
2
x
q
В тех случаях когда длительность укороченного интервала (Δt-t-2t) меньше необходимой длительности импульса включения тиристоров безаварийная естественная коммутация тиристоров на данном интервале второго вида невозможна (или, по крайней мере, не гарантирована) и должна быть исключена.
2
x
q
q
x
2
x
q
2
В соответствии с вышеизложенным блок 2, чтобы не допустить аварийной ситуации, сравнивает длительность (Δt-t-2t) с необходимой длительностью импульса включения тиристоров. Величины t и t заранее определяются, например, по паспортным данным тиристоров используемого типа и шунтового трансформатора соответственно и хранятся в блоке 11. Если (Δt-t-2t) больше длительности импульса включения тиристоров, то блок 2 включает данный интервал Δt в последовательность разрешенных интервалов, состоящую из укороченных интервалов второго вида, которая поступает с блока 2 на блок 5, в противном случае данный интервал не используется для коммутации тиристоров блоком 5.
Согласно заявляемому способу последовательность поэтапной коммутации обмоток (т.е. коммутация по выбранному формирователем 1 маршруту переключения), выбираемая из памяти формирователя 1 должна быть допустима т.е. выполнима (без создания аварийной ситуации) при имеющемся фазовом сдвиге между током и напряжением, измеряемыми датчиками 8 и 9. Возможность осуществления этого признака способа подтверждается и поясняется ниже.
Каждый тиристорный мост имеет три рабочих состояния, различающихся подключением коммутируемой обмотки (см. фиг.2):
- обмотка выведена из работы (включены тиристоры VS1, VS2 или VS3,VS4) и не оказывает воздействия на выходное напряжение ФПУ («опрокинутое» состояние моста);
- обмотка включена согласно (включены тиристоры VS1, VS4);
- обмотка включена встречно (включены тиристоры VS2, VS3).
Эти рабочие состояния (и соответствующие комбинации включения тиристоров) можно назвать опрокинутым, согласным и встречным соответственно. Любые другие комбинации включения тиристоров моста являются нерабочими (т.е. никогда не используются в исправном устройстве).
1
2
3
4
0
1
2
3
Как видно из фиг.3, существуют интервалы времени, когда напряжение от датчика 9 и ток от датчика 8 имеют одинаковый знак (от t до t и от t до t) и противоположный знак (от t до t и от t до t).
Исходя из изложенных выше условий переключения тиристоров установлено, что в тиристорных мостах при одинаковых знаках тока и напряжения, измеряемых датчиками 8 и 9, могут быть осуществлены (т.е. являются допустимыми) одни переключения:
- встречное → опрокинутое;
- встречное → согласное;
- опрокинутое → согласное,
а при противоположных знаках тока и напряжения, измеряемых датчиками 8 и 9, другие переключения:
- согласное → опрокинутое;
- согласное → встречное;
- опрокинутое → встречное.
Для того чтобы выбранная формирователем 1 последовательность поэтапной коммутации на разрешенных интервалах (маршрут переключения) была допустима и реализуема при имеющимся фазовом сдвиге между током, измеряемым датчиком 8, и напряжением, измеряемым датчиком 9, блок 10 в исходном состоянии ФПУ выявляет интервалы совпадения или антисовпадения знаков измеряемых величин и выдает соответствующие данные в блок 2, который, в свою очередь, выдает их на вход формирователя 1 для занесения в соответствующее адресное поле.
Благодаря этой информации формирователь 1 выбирает маршрут переключения с учетом того, какие переключения могут быть осуществлены в данном (исходном) состоянии ФПУ, а какие не могут, и, следовательно, должны отсутствовать в выбранном маршруте переключений.
Для выбранного таким образом маршрута переключений все интервалы первого вида и укороченные интервалы второго вида являются разрешенными временными интервалами для переключений тиристоров моста, включаемых формирователем 1 в состав выбранного маршрута.
Согласно заявляемому способу выбранная допустимая последовательность поэтапной коммутация обмоток (маршрут переключения, выбранный формирователем 1) должна удовлетворять заданным (например, внешним сигналом) ограничениям, по меньшей мере, на величину выходного напряжения ФПУ в процессе поэтапной коммутации. Для этого формирователь 1, используя информацию, поступающую с блока 4 в соответствующее адресное поле, выбирает маршрут, удовлетворяющий заданным ограничениям, в число которых входит ограничение величины выходных напряжений ФПУ в процессе поэтапной коммутации обмоток. Кроме того, блок 4 может задавать формирователю 1 другие ограничения, например, на число переключений обмоток, на число переключаемых тиристоров, на фазовый сдвиг, суммарно накапливаемый при поэтапной коммутации.
Выбор маршрута с требуемыми свойствами осуществляется благодаря размещению возможных маршрутов, хранимых в ячейках памяти формирователя 1, по адресам в соответствии с предварительно рассчитанным значением ограничиваемого параметра.
Формирователь 1 целесообразно выполнять таким образом, чтобы в результате учета всех задаваемых требований, согласно осуществляемому способу, он однозначно выбрал из множества заложенных в его память маршрутов переключения единственный (конкретный) маршрут переключения, предназначенный для отработки блоками 5 и 6.
Согласно выбранному маршруту переключений блок 5 подает управляющие сигналы на формирователь 6, который вырабатывает импульсы включения соответствующих тиристоров в мостах коммутатора 7. Последовательность сигналов о разрешенных интервалах, сформированная блоком 2, поступает на вход блока 5, который, управляя блоком 6, обеспечивает подачу импульсов включения на тиристоры только в пределах разрешенных интервалов.
После совершения последнего этапа переключения выбранного маршрута блок 5 выдает на формирователь 1 сигнал завершения маршрута, позволяющий начинать следующий процесс управления сменой фазового сдвига ФПУ при появлении на выходе блока 3 другого значения конечного состояния, несовпадающего с установленным текущим.
Таким образом, осуществление совокупности признаков заявляемого способа управления ФПУ обеспечивает достижение указанного технического результата.