Конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами
CAPACITOR GROUP SWITCHED BY THYRISTORS

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано для компенсации реактивной мощности с помощью тиристорных преобразователей. Подобные устройства широко применяются в электроэнергетике, электроприводе, электротермии, электролизе, преобразовательной технике для плавного и ступенчатого регулирования реактивной мощности в электрической сети в составе управляемых блоков конденсаторных батарей и комбинированных статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности.
Известна конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами, включающая параллельно соединенные ветви, каждая из которых содержит конденсатор с последовательно подключенным к нему двунаправленным тиристорным ключом. Изменение емкости конденсаторной группы осуществляется за счет управления двунаправленными тиристорными ключами каждой из ветвей и подключением различного количества конденсаторов параллельно. При этом, за счет выбора различных реактивных сопротивлений каждой ветви конденсаторной группы и включением каждой секции или комбинации нескольких из них с помощью двунаправленных тиристорных ключей, достигается требуемая дискретность регулирования величины емкости конденсаторной группы. Система управления устройством синхронизирует моменты отпирания встречно-параллельно соединенных тиристоров из состава двунаправленных тиристорных ключей, в каждой из параллельных ветвей, относительно приложенного к ним напряжения и обеспечивает требуемое значение результирующей емкости конденсаторной группы. («Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения» Ю.П. Рыжов, М., Издательский дом МЭИ, 2007 г., 486 с., стр. 313, рис. 9.11 а).
Недостатком данной схемы построения конденсаторной группы является небольшая дискретность изменения емкости конденсаторной группы, обусловленная ограниченностью числа комбинаций параллельно включаемых ветвей с разными величинами емкостей конденсаторов каждой из них. Этот недостаток сказывается на плавности регулирования реактивной мощности, обеспечиваемой такой схемой построения конденсаторной группы. Кроме этого, схема отличается пониженной надежностью работы, связанной с отсутствием элементов, ограничивающих токи при переключении тиристорных ключей при различающихся начальных напряжениях на конденсаторах в момент их переключения.
Известна конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами, содержащая параллельно соединенные ветви, при этом каждая из ветвей, помимо конденсатора с последовательно подключенным к нему двунаправленным тиристорным ключом, дополнительно содержит последовательно включенный токоограничивающий реактор. Изменение емкости конденсаторной группы также достигается изменением количества конденсаторов, подключаемых параллельно с помощью соответствующих двунаправленных тиристорных ключей. Система управления устройством, аналогично предыдущему прототипу, синхронизирует моменты отпирания встречно-параллельно соединенных тиристоров из состава двунаправленных тиристорных ключей в каждой из параллельных ветвей относительно приложенного к ним напряжения. («Энергосбережение в системах промышленного электроснабжения» Справочно-методическое издание под общей редакцией Вакулко А.Г. Из-во «Теплоэнергетик», М. 2014 г., 298 стр. с ил. стр. 137, рис. 5.10).
Наличие токоограничивающих реакторов в данной схеме позволяет повысить надежность работы устройства за счет ограничения токов при переключении конденсаторов. К недостаткам схемы относится небольшая дискретность регулирования эквивалентной емкости конденсаторной группы и увеличенная установленная мощность реактивных элементов из-за большого количества токоограничивающих реакторов.
Известна конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами, содержащая токоограничивающий реактор и две ветви, каждая из которых состоит из последовательно соединенных двунаправленного тиристорного ключа и конденсатора, при этом каждая ветвь содержит последовательно включенный дополнительный двунаправленный тиристорный ключ, ветви подключаются параллельно таким образом, что одни из выводов дополнительных двунаправленных тиристорных ключей подключены к разноименным выводам параллельных ветвей, а между другими выводами дополнительных двунаправленных тиристорных ключей ветвей включен вспомогательный двунаправленный тиристорный ключ, при этом параллельные ветви подключены к выводам конденсаторной группы последовательно с токоограничивающим реактором. Изменение емкости конденсаторной группы достигается изменением количества конденсаторов, подключаемых параллельно, последовательно или последовательно-параллельно с помощью соответствующих двунаправленных тиристорных ключей. Система управления устройством синхронизирует моменты отпирания тиристоров из состава двунаправленных тиристорных ключей в каждой из параллельных ветвей относительно приложенного к ним напряжения. (Патент на изобретение №2684307 «Конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами», опубликовано 08.04.2019 г.).
Наличие одного токоограничивающего реактора в данной схеме позволяет повысить надежность работы устройства за счет ограничения токов при переключении конденсаторов. Достоинствами схемы также являются увеличение дискретности регулирования емкости конденсаторной группы, уменьшение суммарной установленной мощности реактивных элементов схемы. К недостаткам схемы можно отнести завышенные массогабаритные показатели токоограничивающего реактора и уменьшение к.п.д. вследствие протекания тока через реактор на всех ступенях регулирования конденсаторной группы.
Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является уменьшение установленной мощности токоограничивающего реактора, снижение массогабаритных показателей, увеличение к.п.д.
Технический результат достигается тем, что конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами, содержащая токоограничивающий реактор и две параллельные ветви, каждая из которых состоит из последовательно соединенных двунаправленного тиристорного ключа, конденсатора и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа, при этом одни из выводов дополнительных двунаправленных тиристорных ключей параллельных ветвей являются разноименными выводами параллельных ветвей, а между другими выводами дополнительных двунаправленных тиристорных ключей параллельных ветвей включен вспомогательный двунаправленный тиристорный ключ, реализована так, что последовательно с вспомогательным двунаправленным тиристорным ключом подключается токоограничивающий реактор, а параллельно последовательному соединению двунаправленного тиристорного ключа и конденсатора каждой из параллельных ветвей подключается шунтирующий двунаправленный тиристорный ключ, при этом параллельные ветви подключаются к выводам конденсаторной группы. При этом, дополнительное увеличение дискретности регулирования емкости конденсаторной группы может быть достигнуто тем, что к последовательному соединению двунаправленного тиристорного ключа и конденсатора каждой из ветвей, параллельно подключено любое количество дополнительных ветвей, содержащих последовательно соединенные двунаправленный тиристорный ключ и конденсатор.
Сущность предлагаемого устройства поясняется фиг. 1, на которой приведена схема построения конденсаторной группы, коммутируемой тиристорами, состоящая из двух ветвей с конденсаторами, шунтирующих их ветвей и токоограничивающего реактора.
На фиг. 2 приведена схема построения конденсаторной группы, коммутируемой тиристорами, состоящая из четырех ветвей с конденсаторами, шунтирующих их ветвей и токоограничивающего реактора.
Конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами, включает две ветви, образованные последовательным соединением конденсатора и двунаправленного тиристорного ключа (фиг. 1). Первая ветвь содержит последовательное соединение конденсатора 1 и двунаправленного тиристорного ключа 2. Вторая ветвь содержит последовательное соединение конденсатора 3 и двунаправленного тиристорного ключа 4. К выводу двунаправленного тиристорного ключа 2, не соединенному с конденсатором 1, подключен первый вывод дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 5. К выводу двунаправленного тиристорного ключа 4, не соединенному с конденсатором 3, подключен первый вывод дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 6. Второй вывод дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 6 и вывод конденсатора 1, не соединенный с двунаправленным тиристорным ключом 2, подключены к одному из выходов конденсаторной группы. Второй вывод дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 5 и вывод конденсатора 3, не соединенный с двунаправленным тиристорным ключом 4, подключены к другому выходу конденсаторной группы. К общей точке соединения двунаправленного тиристорного ключа 4 и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 6 подключен первый вывод вспомогательного токоограничивающего реактора 7, второй вывод которого подключен к первому выводу вспомогательного тиристорного ключа 8. При этом второй вывод вспомогательного тиристорного ключа 8 подключен к общей точке соединения двунаправленного тиристорного ключа 2 и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 5.
Управление состоянием тиристорных ключей, входящих в состав конденсаторной группы, осуществляется системой управления 9, которая использует информацию о входном напряжении, поступающую на один из ее входов от датчика напряжения 10. На второй вход системы управления 9 поступает информация с блока 11 - задания требуемой емкости конденсаторной группы, используемая системой управления 9 для определения необходимой комбинации включенных в данный момент тиристорных ключей.
Заявляемая конденсаторная группа содержит шунтирующие двунаправленные тиристорные ключи 12 и 13. Шунтирующий двунаправленный тиристорный ключ 12 подключен первым выводом к выводу двунаправленного тиристорного ключа 2, не соединенному с конденсатором 1, а вторым выводом к выводу конденсатора 1, не соединенному с тиристорным ключом 2. Шунтирующий двунаправленный тиристорный ключ 13 подключен первым выводом к выводу двунаправленного тиристорного ключа 4, не соединенному с конденсатором 3, а вторым выводом к выводу конденсатора 3, не соединенному с тиристорным ключом 4.
На фиг. 2 изображена схема фиг. 1, дополненная в целях увеличения количества ступеней регулирования реактивной мощности двумя дополнительными ветвями, состоящими из последовательного соединения конденсатора и двунаправленного тиристорного ключа. Первая дополнительная ветвь содержит конденсатор 14, первый вывод которого подключен к общей точке соединения конденсатора 1, дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 6 и шунтирующего двунаправленного тиристорного ключа 12, а второй вывод - к первому выводу двунаправленного тиристорного ключа 15. Второй вывод двунаправленного тиристорного ключа 15 подключен к общей точке соединения двунаправленного тиристорного ключа 2, дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 5, вспомогательного двунаправленного тиристорного ключа 8 и шунтирующего двунаправленного тиристорного ключа 12. Вторая дополнительная ветвь содержит конденсатор 17, первый вывод которого подключен к общей точке соединения конденсатора 3, дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 5 и шунтирующего двунаправленного тиристорного ключа 13, а второй вывод - к первому выводу двунаправленного тиристорного ключа 16. Второй вывод двунаправленного тиристорного ключа 16 подключен к общей точке соединения двунаправленного тиристорного ключа 4, дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 6, токоограничивающего реактора 7 и шунтирующего двунаправленного тиристорного ключа 13.
Конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами, изображенная на фиг. 1 работает следующим образом. Управление двунаправленными тиристорными ключами 2, 4, 5, 6, 8, 12, 13 осуществляется системой управления 9 в определенные моменты времени относительно синусоидального напряжения, приложенного к выходам конденсаторной группы. В целях синхронизации моментов переключения указанных ключей, посредством датчика напряжения 10, в систему управления 9 подается информация о приложенном к выходам конденсаторной группы напряжении. При этом в зависимости от набора одновременно включенных двунаправленных тиристорных ключей, определяемого блоком 11 - задания требуемой емкости конденсаторной группы, обеспечивается подключение к выходам конденсаторной группы различной комбинации конденсаторов.
При включенных двунаправленных тиристорных ключах 2 и 5 и выключенных двунаправленных тиристорных ключах 4, 6, 8, 12, 13 к выходам конденсаторной группы подключен конденсатор 1. При включенных двунаправленных тиристорных ключах 4 и 6 и выключенных двунаправленных тиристорных ключах 2, 5, 8, 12, 13 к выходам конденсаторной группы подключается конденсатор 3. При включенных двунаправленных тиристорных ключах 2, 4, 8 и выключенных двунаправленных тиристорных ключах 5, 6, 12, 13 к выходам конденсаторной группы через токоограничивающий реактор 7 подключаются два конденсатора 3 и 1, соединенные последовательно. При включенных двунаправленных тиристорных ключах 2, 4, 5, 6 и выключенных двунаправленных тиристорных ключах 8, 12, 13 к выходам конденсаторной группы подключаются два конденсатора, соединенные параллельно. Таким образом, схема, изображенная на фиг. 1 при наличии двух конденсаторов 1 и 3, в зависимости от управления двунаправленными тиристорными ключами 2, 4, 5, 6, 8, 12, 13 позволяет обеспечить четыре различных значения емкости на выходах конденсаторной группы.
Перед началом очередного изменения комбинации подключенных к выходам конденсаторной группы конденсаторов 1 и 3, система управления обеспечивает передачу энергии, оставшуюся в конденсаторах на момент завершения предыдущего состояния схемы, в токоограничивающий реактор 7. Далее, при использовании тиристорных ключей 5, 6, 8, 12, 13, осуществляется рекуперация энергии из токоограничивающего реактора 7 в источник питания. При этом происходит фиксация напряжения на всех конденсаторах на нулевом уровне к моменту начала очередного изменения состояния конденсаторной группы.
Передача энергии от конденсатора 1 в токоограничивающий реактор 7 осуществляется посредством переключения двунаправленных тиристорных ключей 2, 6, 8. Далее, рекуперация энергии, запасенной в токоограничивающем реакторе 7, в источник питания осуществляется путем переключения двунаправленных тиристорных ключей 5, 6, 8, 12. Передача энергии от конденсатора 3 в токоограничивающий реактор 7 осуществляется посредством переключения двунаправленных тиристорных ключей 4, 5, 8. Далее, рекуперация энергии, запасенной в токоограничивающем реакторе 7, в источник питания осуществляется путем переключения двунаправленных тиристорных ключей 5, 6, 8, 13. При этом моменты отпирания тиристоров из состава двунаправленных тиристорных ключей синхронизируются относительно приложенного к ним напряжения.
Таким образом, наличие токоограничивающего реактора между двумя параллельными ветвями позволяет обеспечивать формирование нулевого уровня напряжения на всех конденсаторах схемы к моменту очередного изменения состояния конденсаторной группы. При этом через токоограничивающий реактор никогда не будет протекать максимальный ток конденсаторной группы и, соответственно, уменьшается суммарная установленная мощность реактора и повышается к.п.д. устройства в целом.
Увеличить дискретность значений емкостей конденсаторов, получаемых на выходах конденсаторной группы, можно за счет подключения дополнительных ветвей, состоящих из последовательного соединения конденсатора и двунаправленного тиристорного ключа, параллельно первой или второй ветвям конденсаторной группы, изображенной на фиг. 1. При этом подключение дополнительных ветвей можно осуществлять как независимо к первой или второй ветвям, так и одновременно к двум ветвям.
На фиг. 2 представлена схема с подключением двух дополнительных ветвей к каждой из исходных ветвей конденсаторной группы. За счет управления двунаправленными тиристорными ключами и подбора величин емкостей четырех конденсаторов в такой схеме можно получить 25 различных величин емкостей на выходах конденсаторной группы.
Таким образом, уменьшение массогабаритных показателей схемы и увеличение к.п.д. достигается благодаря установке токоограничивающего реактора 7 между параллельными ветвями с конденсаторами, а также введением шунтирующих двунаправленных тиристорных ключей 12 и 13. При этом, ток через токоограничивающий реактор 7 протекает только на коротких промежутках времени во время рекуперации энергии, запасенной в конденсаторах, а также при последовательном соединении конденсаторов конденсаторной группы, при котором протекающий через токоограничивающий реактор 7 ток заведомо меньше максимально возможного тока конденсаторной группы.