Тиристорное фазоповоротное устройство с вольтодобавочным трансформатором для сети среднего напряжения
THYRISTOR PHASE-REVERSING DEVICE WITH THE BOOSTER TRANSFORMER FOR THE MEDIUM VOLTAGE SYSTEM

Изобретение относится к высоковольтным электротехническим комплексам для управляемых линий электропередач.
Известно фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и вставлены в рассечку фаз высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены по схеме треугольника, узлы соединения обмоток которого подключены к высоковольтным выводам трехфазного высоковольтного коммутатора. При этом низковольтные выводы всех фаз коммутатора соединены по схеме звезды, а входные выводы каждой фазы коммутатора подключены ко вторичной обмотке соответствующей фазы трехфазного шунтового трансформатора, первичные обмотки которого высоковольтными выводами подключены к средним выводам вторичных обмоток сериесного трансформатора, а низковольтными выводами соединены по схеме звезды и заземлены (патент Российской Федерации на полезную модель RU 106060 U1 кл. Н03Н 7/18, опубл. 27.06.2011 г.).
Недостаток данного фазоповоротного устройства заключается в использовании двух трансформаторов, сериесного и шунтового, что значительно увеличивает расчетную мощность трансформаторного оборудования.
Другим недостатком известного устройства является реализация симметричного регулирования напряжения и отсутствие продольного регулирования. Это делает невозможным изменение, а следовательно, и стабилизацию выходного напряжения по величине.
Известно полупроводниковое фазоповоротное устройство (ПФУ), которое реализует продольно-поперечное регулирование напряжения (патент Российской Федерации на полезную модель RU 2450420 С1 кл. Н03С 3/00, опубл. 10.05.2012 г.). Поперечное регулирование напряжения фазы С обеспечивается группами N1 и N2 (чужих) фаз В и А вторичных обмоток шунтового трансформатора, питающего через тиристорные коммутаторы первичные обмотки сериесного трансформатора. Причем числа витков вторичных обмоток шунтового трансформатора этих групп выбраны в соответствии с геометрической числовой последовательностью при основании, равном трем. Продольное регулирование выполняется группой N1 (своей) фазы С. Числа витков вторичных обмоток шунтового трансформатора в пределах этой группы выбраны в соответствии с геометрической числовой последовательностью при основании, равном двум.
Данное ПФУ имеет следующие недостатки. ПФУ может применяться только в линиях электропередач с заземленной нейтралью, необходимой для подключения первичных обмоток шунтового трансформатора. В связи с этим реализация схемного решения невозможна в сетях среднего напряжения (6-20 кВ) из-за отсутствия в них нейтрального провода. В этом ПФУ необходимо разбиение вторичных обмоток шунтового трансформатора на секции, имеющие разное число витков, что значительно усложняет коммутационные процессы. Требуется применение трансформаторов повышенной мощности, т.к. в данном ПФУ регулирование происходит путем геометрического сложения векторов напряжений.
Наиболее близким к техническому решению по технической сущности является ПФУ, которое реализует продольно-поперечное регулирование напряжения (патент Российской Федерации на полезную модель RU 157116 U8 кл. Н03С3/00, Н03Н7/18 опубл. 20.11.15 г.).
ПФУ содержит трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого включены в рассечку фаз высоковольтной линии электропередачи, трехфазный шунтовый трансформатор, высоковольтные выводы которого подключены к клеммам рассечки фаз высоковольтной линии электропередачи со стороны входа ПФУ, а вторичные обмотки каждой фазы выполнены в виде пяти гальванически развязанных секций, выводы которых подключены к соответствующим входным клеммам трехфазного коммутатора. Первичные обмотки шунтового трансформатора соединены по схеме «треугольник».
Недостаток данного фазоповоротного устройства заключается в использовании двух трансформаторов сериесного и шунтового, что значительно увеличивает расчетную мощность трансформаторного оборудования.
Другим недостатком фазоповоротного устройства является большое количество тиристорных коммутаторов в модулях продольного регулирования.
Решаемая задача – регулирование потоков активной и реактивной мощности в электрических сетях 6-20 кВ.
Технический результат – двукратное уменьшение расчетной мощности трансформаторного оборудования, входящего в  состав ФПУ, уменьшение количества тиристорных коммутаторов в модулей продольного регулирования.
Технический результат достигается тем, что в ФПУ  используется один вольтодобавочный трансформатор, при этом сдвиг по фазе выходных линейных напряжений относительно входных реализуется, в основном, модулем поперечного регулирования, а стабилизация величины выходных напряжений осуществляется модулем продольного  регулирования. В последнем используется геометрическое суммирование векторов напряжений секций вторичных обмоток соседних фаз вольтодобавочного трансформатора. Это позволяет реализовать режимы продольного и поперечного регулирования. Соединение первичных обмоток вольтодобавочного трансформатора по схеме «треугольник» не требует использования нейтрали для реализации схемного решения и позволяет использовать ФПУ в сетях низкого и среднего напряжения. Благодаря использованию одного вольтодобавочного трансформатора вместо двух трансформаторов – сериесного и шунтового уменьшается вдвое расчетная мощность трансформаторного оборудования. При указанном способе соединения первичных обмоток для поперечного регулирования применяется арифметическое суммирование векторов напряжений двух секций вторичной обмотки одной фазы вольтодобавочного трансформатора. При таком суммировании уменьшаются расчетные значения напряжений и мощностей регулировочных секций модуля поперечного регулирования в сравнении с геометрическим суммированием, применяемым в известных аналогах. Тиристорные коммутаторы модулей продольного регулирования всех фаз соединены по мостовой схеме. В диагональ каждого моста включены встречно–последовательно соединенные обмотки двух соседних фаз ВДТ. Такое исполнение модуля продольного регулирования  позволяет существенно сократить количество тиристорных коммутаторов модулей продольного регулирования.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена функциональная схема ФПУ.
Предлагаемое тиристорное фазоповоротное устройство с вольтодобавочным трансформатором для сети среднего напряжения (ФПУ) содержит  вольтодобавочный трансформатор (ВДТ) 1,  первичные обмотки  2, 3, 4 которого соединены по способу «треугольник» и подключены к соответствующим  клеммам  высоковольтной линии электропередачи 5 фазы А, 6 фазы В и 7 фазы С  стороны входа ФПУ. Вторичные обмотки каждой из трех фаз выполнены в виде четырех гальванически развязанных секций 8-19, подключенных к соответствующим входным клеммам 20-35 трехфазного коммутатора, выполненного в виде трех цепочек, каждая из которых состоит из группы однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными ключами 36-65 в каждом плече. При этом первые выводы 66-68 каждой цепочки трехфазного коммутатора подключены к выходным высоковольтным зажимам ФПУ 69 фазы А1, 70 фазы В1, 71 фазы С1. Вторые выводы 72-74 трех цепочек трехфазного коммутатора подключены к соответствующим клеммам 5, 6, 7 высоковольтной линии электропередачи со стороны входа ФПУ, при этом первая цепочка трехфазного коммутатора, первый вывод которой 68 подключен  к высоковольтной клемме 71 фазы С1, выполнена из двух преобразователей третьей фазы, одного преобразователя первой фазы и одного преобразователя второй фазы; вторая цепочка, первый вывод 66 которой подключен  к высоковольтной клемме 69 фазы А1, выполнена из двух преобразователей второй фазы, одного преобразователя первой фазы и одного преобразователя третьей фазы; третья цепочка трехфазного коммутатора, первый вывод которой 67 подключен к высоковольтной клемме 70 фазы В1, выполнена из двух преобразователей первой фазы, одного преобразователя третьей фазы и одного преобразователя второй фазы.
ФПУ работает следующим образом.
При включенных коммутаторах 43, 53, 63, 45, 55, 65 вторичные обмотки 10, 11, 14, 15, 18, 19  ВДТ 1 исключаются из цепи протекания тока линии. В зависимости от состояния тиристорных коммутаторов модулей поперечного регулирования 36-41, 46-51, 56-61 имеется пять режимов работы с синусоидальным выходным напряжением ФПУ.
При включенных коммутаторах 40-41 50-51 60-61 и выключенных 36-39, 46-49, 56-59 вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора с напряжением u2=e2 исключаются из цепи протекания тока линии, и выходные напряжения uA1B1, uB1C1, uC1A1 равны соответствующим входным напряжениям uАВ, uВС, uСА.
При включенных коммутаторах 39-40, 49-50, 59-60 в каждую линию вводятся э.д.с. ступени поперечного регулирования e1. Следует отметить, что для поперечного регулирования напряжения фазы А применяется э.д.с. фазы В e1В, находящаяся в противофазе с линейным напряжением uВС. Аналогично для поперечного регулирования напряжений фаз В и С используются э.д.с. фаз С e1С и А e1А, соответственно. Указанные э.д.с. находятся в противофазе с входными линейными напряжениями uСА, uАВ. Векторная диаграмма входных и выходных линейных напряжений для рассматриваемого режима приведена на фиг 2. На фиг. 3 приведена векторная диаграмма напряжений ФПУ при включенных коммутаторах 37, 40, 47, 50, 57, 60. В этом режиме в линию каждой фазы вводится удвоенное значение э.д.с. ступени поперечного регулирования 2e1, при этом угол сдвига между входными и выходными напряжениями увеличивается практически в два раза.
Из представленных на фиг. 2 и фиг. 3 диаграмм следует, что введение в линию каждой фазы э.д.с. поперечного регулирования e1 позволяет получить на выходе ФПУ линейные напряжения, отстающие по фазе относительно входных напряжений на угол α.
При включенных коммутаторах   38, 41, 48, 51, 58, 61 выходные напряжения ФПУ опережают входные на угол α, при включенных коммутаторах 36, 41, 46, 51, 56, 61 выходные напряжения ФПУ опережают входные напряжения на угол  2α.
Следует отметить, что при поперечном регулировании увеличиваются линейные напряжения на выходе ФПУ.
Стабилизация линейных напряжений по величине выполняется модулями продольного регулирования, которые выполнены на тиристорных коммутаторах 42-45, 52-55, 62-65 и вторичных обмотках ВДТ 10, 11, 14, 15, 18, 19, рассчитанных на напряжение u2= e2. Причем э.д.с. вторичных обмоток e2А, e2В, e2С находятся в противофазе со входными линейными напряжениями ФПУ uАВ, uВС, uСА, соответственно. Тиристорные коммутаторы модулей продольного регулирования всех фаз соединены по мостовой схеме. В диагональ каждого моста включены встречно–последовательно соединенные обмотки двух соседних фаз ВДТ. Такое соединение вторичных обмоток позволяет получить систему  напряжений, сдвинутых по фазе относительно входных линейных напряжений ФПУ на 90°. В зависимости от состояния тиристорных коммутаторов модулей продольного регулирования имеются три режима работы ФПУ с синусоидальным выходным напряжением.
При включенных коммутаторах 43, 64 в линию фазы А вводится разность э.д.с. ступеней продольного регулирования e2С - e2А.
При включенных коммутаторах 45, 54 и 53, 62 в линии фаз В и С вводятся разности э.д.с. e2А - e2В и e2В - e2С. Векторная диаграмма напряжений рассматриваемого режима приведена на фиг 4. Из нее следует, что при описанной комбинации включенных коммутаторов выходные напряжения снижаются в сравнении с входными напряжениями. При включенных коммутаторах 42, 65,  52, 63, 44, 55 выходные напряжения увеличиваются по отношению к входным напряжениям. Векторная диаграмма напряжений ФПУ в этом режиме показана на фиг. 5.
Совместное использование модулей продольного и поперечного регулирования позволяет регулировать фазу и величину выходного напряжения ФПУ. Использование импульсно-фазового способа регулирования между соседними уровнями синусоидальных напряжений каждого модуля обеспечивает плавное регулирование во всем диапазоне. Это позволяет оперативно и с высокой точностью изменять направление и величину потоков активной и реактивной мощностей в распределительной сети.