БЕССТУПЕНЧАТО РЕГУЛИРУЕМАЯ КОМПЕНСАЦИОННАЯ ДРОССЕЛЬНАЯ КАТУШКА НАСЫЩЕНИЯ
STEPLESSLY VARIABLE SATURATION COMPENSATION CHOKE

Изобретение относится к бесступенчато регулируемой компенсационной дроссельной катушке насыщения, содержащей шихтованный сердечник с двумя стержнями с обмоткой на каждую фазу, которые соединены посредством ярма, причем на каждом стержне с обмоткой размещена ветвь сетевой обмотки, и концы высокого напряжения обеих ветвей сетевой обмотки фазы подключены к фазному проводу, а концы низкого напряжения этих ветвей сетевой обмотки подключены к источнику постоянного напряжения.
Бесступенчато регулируемые посредством предварительного намагничивания компенсационные дроссельные катушки (MCSR: Magnetically Controlled Shunt Reactor - магнитно-управляемый шунтирующий электрический реактор) вышеуказанного типа используются для стабилизации напряжения при колебаниях нагрузки в сетях высокого напряжения и линиях передачи, а также для компенсации чрезмерной реактивной мощности в сетях высокого напряжения и промышленных установках.
По сравнению с регулируемыми посредством ступенчатого переключателя дроссельными катушками, MCSR имеют следующие преимущества:
- существенно больший диапазон регулирования реактивной мощности: 1:100 для MCSR вместо максимально 1:2 для дроссельной катушки с регулированием посредством ступенчатого переключателя (сети с сильно колеблющейся нагрузкой требуют по меньшей мере 1:10),
- существенно меньшее время для изменения реактивной мощности от минимума до максимума: 0,3 с для MCSR вместо 1-3 мин для дроссельной катушки с регулированием посредством ступенчатого переключателя (для компенсации скачка сетевого напряжения после сброса нагрузки требуется примерно 0,3 с),
- неограниченное число регулировок мощности в MCSR (в дроссельной катушке с регулированием посредством ступенчатого переключателя это число ограничено сроком службы контактов ступенчатого переключателя).
Однако к недостаткам MCSR по отношению к дроссельной катушке с регулированием посредством ступенчатого переключателя относятся искажение кривой тока, высокие затраты и потери. По сравнению со статическими компенсаторами реактивной мощности (англ. SVC: статический компенсатор реактивной мощности), которые известны, например, из Cigré-Paper 12-05, 1978, ʺReactor transformer for controllable static compensatorsʺ, MCSR имеют меньшие затраты и потери, а также более высокую надежность. Это обусловлено существенно меньшей мощностью электронной переключающей системы (1-2% дроссельной мощности в MCSR вместо 100% в SVC).
Первое описание структуры и способа функционирования современного MCSR было представлено в документе Becker H.: ʺDie steuerbare Drosselspule. Ein statischer Phasenschieber zur Kompensation von Blindlaststößen.ʺ ETZ-B, 1971, Bd. 23, H. 12. Сообразно с этим, MCSR состоит из замкнутого шихтованного  стального сердечника, как в трансформаторе, обмотки PW переменного тока, которая подключена к питающей сети, управляющей обмотки GW постоянного тока, которая запитывается от источника постоянного напряжения, и компенсационной обмотки DW, включенной по схеме треугольника. Каждая из названных обмоток фазы разделена на две равные последовательно включенные части, которые намотаны на два различных стержня сердечника. Части обмотки PW соединены между собой одинаково и генерируют в обоих стержнях одинаково направленные магнитные потоки АС. Части обмоток GW соединены встречно и создают в обоих стержнях противоположно направленные магнитные потоки DC. В пределах полупериода магнитные потоки АС и DC суммируются в первом стержне и вычитаются во втором стержне. В пределах второго полупериода процесс протекает противоположным образом. При достаточно большом токе предварительного намагничивания в обмотке GW стержень 1 переходит в насыщение в пределах части первого полупериода, а стержень 2 переходит в насыщение в пределах равной части второго полупериода. Во время насыщения стержня индуктивность намотанной на него части обмотки PW сильно снижается, что обуславливает токовый импульс с положительной или отрицательной полярностью.
За счет изменения постоянного напряжения на обмотке GW можно регулировать длительность насыщенного состояния стержня и, тем самым, амплитуду тока в обмотке PW. Профиль рабочего тока MCSR в принципе является несинусоидальным, потому что во время ненасыщенного состояния стержня сердечника через обмотку PW не протекает ток. При номинальном режиме работы MCSR длительность насыщенного состояния каждого стержня составляет точно полпериода. Тем самым ток в обмотке PW является приближенно синусоидальным. За счет встречного включения обмотки GW, в этой обмотке циркулируют токи всех четных гармоник. За счет схемы включения треугольником компенсационной обмотки DW в ней циркулируют 3-я, 9-я и т.д. гармоники тока. Таким образом, обмотки GW и DW действуют как фильтры четных гармоник, а также гармоник, делимых на 3. Остальные гармоники: 5-я, 7-я, 11-я и т.д. не компенсируются и поступают в питаемую сеть. Подавление этих высших гармоник может, при необходимости, достигаться посредством использования внешних подключенных к обмотке DW LC-фильтров.
В связи с разработкой и производством MCSR в России и Украине, в последующие годы вышеописанная конструкция MCSR была усовершенствована в направлении сокращения стоимости производства и потерь, см., например, патент СССР № 1762322, патент RU 2063084, патент RU 2132581 и патент RU 2217829. В документе O.M. Budargin, L.V. Makarevitsch, L.A. Mastrukov: ʺEine gesteuerte Sättigungs-Drosselspule 180 Mvar, 500kV von OAG 'Elektrozavod'ʺ, Electro N 6, 2012, было предложено удалить обмотку GW предварительного намагничивания и ее функцию перенести на сетевую обмотку PW. Согласно этой публикации, сетевая обмотка каждой фазы состоит из двух идентичных параллельных ветвей, которые размещены на различных стержнях сердечника. Первые ветви всех фаз образуют первое соединение звездой, и вторые ветви - второе соединение звездой. Оба соединения звездой концами высокого напряжения подключены к линии передачи АС. Между нулевыми точками звезды обоих соединений звездой подключен регулируемый источник постоянного тока. Каждая нулевая точка звезды заземлена через дроссельную катушку заземления. За счет упразднения обмотки постоянного тока номинальные потери сокращаются примерно на 50%, и общий вес снижается примерно на 15%.
В патенте RU 2320061 предложено усовершенствование вышеуказанного решения путем замены общего источника постоянного напряжения шестью (по два на каждую фазу) отдельными источниками D переменного напряжения, которые питаются от АС-сети АС. В течение определенной части периода источник D через силовые транзисторы или тиристоры соединен с концом низкого напряжения соответствующей ветви сетевой обмотки. Тем самым в ней генерируется ток, требуемый для предварительного намагничивания. В течение остального времени периода этот конец обмотки заземлен. Это решение позволяет исключить дроссельные катушки заземления и отдельно регулировать токи в фазах, что гарантирует их симметрию. Середина импульса предварительного намагничивания смещена по отношению к середине импульса рабочего тока на четверть периода, что сокращает требуемую мощность источника постоянного тока по сравнению с вышеуказанным решением.
Последнее упомянутое решение рассматривается в качестве ближайшего уровня техники. Основным недостатком этого решения является протекание рабочего тока MCSR в течение части периода через источник D переменного тока с относительно незначительной мощностью. С нарастанием рабочего тока до номинального значения длительность импульса рабочего тока становится все большей, максимально равной половине периода, то есть она превышает временной сдвиг между началами импульсов рабочего тока и тока предварительного намагничивания. Источник D переменного тока представляется как трансформатор выпрямителя тока с большим расстоянием между первичной и вторичной обмотками, чтобы гарантировать изоляционную прочность этого промежутка при испытательных напряжениях нулевой точки звезды MCSR. Поэтому реактивность между обмотками трансформатора выпрямителя тока может быть сопоставимой с номинальной индуктивностью MCSR при полностью насыщенном стержне сердечника. Это может привести к искажению формы волны тока MCSR и к опасному повышению напряжения на электронных переключателях.
Еще одним недостатком предшествующего уровня техники является нелинейная зависимость тока предварительного намагничивания от управляющих параметров - длительности управляющего импульса на электронных переключателях - из-за непостоянного напряжения источника D в течение длительности действия управляющего импульса. Это приводит к снижению коэффициента усиления в контуре обратной связи в диапазоне номинального тока MCSR и соответствующему увеличению ошибки регулирования.
Поэтому задачей изобретения является предложить бесступенчато регулируемую компенсационную дроссельную катушку насыщения вышеуказанного типа, которая снижает мощность источников постоянного напряжения, степень искажения рабочего тока и ошибку регулирования, а также уменьшает число источников постоянного напряжения.
Эта задача в соответствии с изобретением решается тем, что источник постоянного напряжения содержит два стабилизированных, однополюсно заземленных выпрямителей тока с противоположными полярностями, а также на каждую фазу два управляемых системой управления электронных транзисторных переключателя, и что система управления выполнена таким образом, что питание постоянным током обеих ветвей сетевой обмотки одной фазы осуществляется импульсным способом через соответствующий электронный транзисторный переключатель, и что питание постоянным током в обе ветви сетевой обмотки осуществляется с противоположной полярностью из различных выпрямителей тока.
При этом изобретение исходит из идеи о том, что, аналогично уровню техники, прежде всего каждая фаза MCSR содержит две параллельных ветви сетевой обмотки, которые размещены на различных стержнях шихтованного сердечника и подключены между сетевой фазой и источником предварительного намагничивания.
В отличие от уровня техники, предложенный здесь MCSR имеет два однополюсно заземленных стабилизированных выпрямителя тока с положительной и отрицательной полярностями. Посредством управляемых электронных транзисторных переключателей соответствующие выпрямители тока кратковременно соединяются с концами низкого напряжения параллельных ветвей обмотки. Тем самым, в обеих ветвях обмотки генерируются требуемые токи предварительного намагничивания.
При этом выпрямители тока предпочтительным образом выполнены одинаково, то есть идентично, однако при этом расположены противоположно полярно.
С каждой параллельной ветвью сетевой обмотки соотнесен транзисторный переключатель. Транзисторные переключатели предпочтительно содержат, соответственно, по меньшей мере три рабочих позиции, и первая рабочая позиция соединяет конец низкого напряжения первой ветви сетевой обмотки с первым выпрямителем тока и конец низкого напряжения второй ветви сетевой обмотки с вторым выпрямителем тока, вторая рабочая позиция соединяет каждый конец низкого напряжения ветвей сетевой обмотки с заземленным выводом нулевой точки звезды, и третья рабочая позиция соединяет конец низкого напряжения первой ветви сетевой обмотки с вторым выпрямителем тока и конец низкого напряжения второй ветви сетевой обмотки с первым выпрямителем тока, причем управление рабочими позициями обоих транзисторных переключателей происходит с временным смещением на половину периода синусоиды.
При этом система управления предпочтительно выполнена так, чтобы регулировать рабочий ток компенсационной дроссельной катушки насыщения путем управления длительностью первой и третьей рабочих позиций. При этом амплитуда рабочего тока предпочтительным образом сравнивается с амплитудой заданного значения. Рассогласование управляет длительностью соответствующих рабочих позиций в одной фазе так, что рассогласования амплитуд минимизируются.
Кроме того, система управления предпочтительно выполнена так, чтобы сравнивать положительные и отрицательные амплитуды рабочего тока каждой фазы друг с другом и управлять одинаковым образом, чтобы минимизировать рассогласование между ними.
Предпочтительным образом во время насыщенного состояния стержня с обмоткой сердечника конец низкого напряжения расположенной на нем ветви сетевой обмотки заземлен через соответствующий электронный транзисторный переключатель, то есть, соединен с выводом нулевой точки звезды, и кроме того, предпочтительным образом в течение заданного управлением временного интервала во время ненасыщенного состояния стержня с обмоткой сердечника конец низкого напряжения расположенной на нем ветви сетевой обмотки через соответствующий электронный транзисторный переключатель соединен с одним из выпрямителей тока. Упомянутое импульсное питание каждой ветви обмотки осуществляется, таким образом, в течение пассивных полупериодов, когда соответствующий стержень сердечника не насыщен, и рабочий ток в ветви не протекает.
Кроме того, система управления предпочтительно выполнена так, чтобы регулировать скорость изменения амплитуды рабочего тока компенсационной дроссельной катушки насыщения посредством управления выходными напряжениями обоих выпрямителей тока.
В другом предпочтительном выполнении, система управления выполнена так, чтобы сравнивать амплитуды рабочего тока всех фаз друг с другом и корректировать длительность соответствующей рабочей позиции в фазах таким образом, что эти амплитуды становятся равными.
Изобретение поясняется далее с помощью чертежей, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - упрощенная электрическая схема MCSR с механическим представлением электронного транзисторного переключателя,
Фиг. 2 - пример электронного транзисторного переключателя с IGBT силовыми транзисторами (электрическое представление электронного транзисторного переключателя),
Фиг. 3 - профиль тока в ветвях сетевой обмотки одной фазы в режиме постоянной нагрузки MCSR,
Фиг. 4 - профиль тока в ветвях сетевой обмотки одной фазы в режиме нарастания нагрузки MCSR,
Фиг. 5 - профиль тока в ветвях сетевой обмотки одной фазы в режиме сброса нагрузки MCSR.
Фиг. 1 показывает одну фазу компенсационной дроссельной катушки насыщения (MCSR). Каждая фаза описываемого здесь MCSR состоит из двух стержней 1, 2 сердечника, на которых намотаны одинаковые параллельные ветви 3, 4 сетевой обмотки. Их концы высокого напряжения совместно подключены к сетевому фазному проводу, а концы N1 и N2 низкого напряжения по отдельности подключены к электронным транзисторным переключателям 5а и 5b.
Электронные переключатели 5а, 5b управляются независимо друг от друга и могут занимать одну из трех позиций: ʺ0ʺ, ʺ↑ʺ и ʺ↓ʺ. В позиции ʺ0ʺ конец N1 или N2 обмотки соединен с землей. В позиции ʺ↑ʺ конец N1 обмотки соединен со стабилизированным тиристорным выпрямителем 6 тока с положительной полярностью (напряжение +U0), и конец N2 обмотки соединен с идентичным тиристорным выпрямителем 7 тока с отрицательной полярностью (напряжение -U0). В положении ʺ↓ʺ конец N1 обмотки соединен с отрицательным выпрямителем 7 тока, и конец N2 обмотки соединен с положительным выпрямителем 6 тока.
Параллельно к выходам выпрямителей 6, 7 тока подключены сглаживающие конденсаторы 8 с большой емкостью. Концы N1, N2 ветвей 3, 4 сетевой обмотки соединены с землей через RC-звенья (состоящие из емкости 9 и сопротивления 10). Эти RC-звенья служат для ограничения потенциалов точек N1 и N2 в течение короткого гальванического прерывания тока в ветвях 3, 4 сетевой обмотки при переходах электронных переключателей 5а, 5b от одной позиции к другой позиции. Сопротивления 10 ограничивают при этом токи перезаряда конденсаторов 8, 9 в начальный момент времени после переключения электронных переключателей 5а, 5b, чтобы избежать токовой перегрузки транзисторов.
Управление электронными переключателями 5а, 5b осуществляется посредством системы 14 управления, которая сравнивает фактические сигналы от MCSR-датчика тока и от датчика 13 сетевого напряжения с предварительно заданными значениями IACsoll и UACsoll. В зависимости от значения и знака разностных сигналов рассогласования, система 14 управления генерирует управляющие сигналы для электронных переключателей 5а, 5b, которые определяют длительность и полярность импульсов DC-питания.
Датчики 11 Холла служат для сравнения положительных и отрицательных амплитуд рабочего тока MCSR. Если эти амплитуды, вследствие неодинаковых магнитных состояний стержней 1, 2 сердечника одной фазы, не равны, то система 14 управления корректирует токи предварительного намагничивания в ветвях 3, 4 сетевой обмотки, чтобы достичь более полного подавления постоянной составляющей и четных гармоник в рабочем токе MCSR. Для подавления делимых на три гармоник, на каждом стержне 1, 2 сердечника могут быть размещены дополнительные компенсационные отмотки, включенные по схеме треугольника (на фиг. 1 не показаны).
Фиг. 2 показывает более детальное представление электронных переключателей 5а, 5b. Каждый электронный переключатель 5а, 5b состоит из трех идентичных транзисторных переключателей по числу рабочих позиций переключателя. Каждый транзисторный переключатель образован параллельным соединением двух противоположно включенных силовых транзисторов Т1, Т2 (или Т3, Т4; Т5, Т6), например IGBT-транзисторов. При приложении соответствующего напряжения к управляющим электродам G1, G2 (или G3, G4; G5, G6) оба транзистора Т1 и соответственно Т2 находятся в проводящем состоянии и проводят ток в обоих направлениях.
Во время переключения сначала транзисторы Т1, Т2 до сих пор проводящего переключателя запираются, и только через короткое время примерно 0,1 мс после этого отпираются транзисторы до сих пор запертого переключателя. Для развязки системы 14 управления от силовых транзисторов Т1, Т2 и, тем самым, нулевой точки звезды MCSR, управляющие сигналы направляются к электродам G1, G2 по световодному кабелю.
Далее описывается способ работы вышеописанной электронной схемы MCSR. При включении сетевых обмоток 3, 4 в АС-сеть (АС: переменный ток) в стержнях 1, 2 сердечника возникают одинаково направленные АС магнитные потоки. Если при этом в ветвях 3, 4 обмотки не протекает ток предварительного намагничивания, то сердечник не насыщен и потребляет в MCSR лишь незначительный ток холостого хода, как трансформатор.
При одновременном появлении в ветвях 3, 4 обмотки постоянных токов с противоположными полярностями, в стержнях 1, 2 сердечника возникают противоположно направленные DC магнитные потоки (DC: постоянный ток), которые суммируются с АС-потоками. Тем самым в каждом стержне 1, 2 сердечника чередуются активные полупериоды, если направления АС- и DC-токов одинаковы, с пассивными полупериодами, если эти токи являются противоположно направленными. Во время активного полупериода стержень сердечника может в течение определенной части полупериода переходить в насыщение. Чередующееся насыщение стержней 1, 2 вызывает в ветви 3 обмотки положительные, а в ветви 4 обмотки отрицательные импульсы тока сетевой частоты, которые в фазном проводе приводят к биполярному профилю тока. С возрастанием тока предварительного подмагничивания длительность и амплитуда этих импульсов увеличиваются.
В номинальном режиме работы стержни 1, 2 сердечника являются насыщенными в течение всех активных полупериодов. В течение активного полупериода переключатель 5а (5b) занимает позицию ʺ0ʺ, что препятствует протеканию рабочего тока через выпрямители 6, 7 тока и снижает их мощность. В течение пассивного полупериода соответствующий стержень 1 или 2 сердечника не насыщен, и через намотанную на него ветвь 3 или 4 сетевой обмотки течет лишь относительно малый ток предварительного намагничивания. Только в течение этого временного материала конец N1, N2 обмотки может соединяться с выпрямителем 6, 7 тока.
Способ функционирования поясняется более подробно с помощью графиков на фиг. 3-5. Они показывают, соответственно, временной профиль токов I1, I2 через ветви 3 или 4 сетевой обмотки и их суммы I1+I2=IAC, соответственно, в амперах. В нижней части фиг. 3-5 показаны преобладающие к соответствующему времени положения переключателей 5а, 5b.
В режиме с постоянной нагрузкой MCSR (фиг. 3), ток предварительного намагничивания должен быть постоянным. За счет большой постоянной времени ветвей 3 или 4 сетевой обмотки по сравнению с АС-периодом сокращение этого тока в течение периодов, которое обуславливается потерями в сетевой обмотке и в переключателях 5а, 5b, незначительно. Восстановление тока предварительного намагничивания на исходное значение осуществляется в пределах короткого временного интервала пассивных полупериодов, если электронный переключатель 5а или 5b установлен в позицию ʺ↑ʺ. Внутри этого временного интервала ток предварительного намагничивания возрастает линейно со скоростью, которая пропорциональна напряжению U0 DC-источников 6, 7.
Длительность этого временного интервала определяется системой 14 управления в зависимости от рассогласования в предыдущем АС-периоде. Если это рассогласование находится внутри приемлемого предела, электронный переключатель 5а, 5b остается в позиции ʺ0ʺ в течение всего периода.
В режиме возрастания нагрузки MCSR (фиг. 4), ток предварительного намагничивания должен повышаться от периода к периоду, пока он не достигнет нового значения, которое требуется для повышенного значения рабочего тока. Этот режим отличается от режима с постоянным током только увеличенным временным интервалом, при котором электронные переключатели 5а, 5b находятся в позиции ʺ↑ʺ. Система 14 управления ограничивает длительность этого временного интервала до длительности ненасыщенного состояния стержней сердечника, чтобы исключить протекание рабочего тока через выпрямители 6, 7 тока. После достижения нового значения регулируемого параметра (амплитуды MCSR-тока или сетевого напряжения) система 14 управления переводит электронные переключатели 5а, 5b в режим постоянной нагрузки. Чтобы сократить длительность переходного процесса, система управления при большом рассогласовании автоматически повышает напряжения ±U0 тиристорных выпрямителей 6, 7 тока.
В режиме сброса нагрузки MCSR (фиг. 5), ток предварительного намагничивания должен сокращаться от периода к периоду, пока он не достигнет нового значения, которое требуется для сокращенного значения рабочего тока. В этом режиме система 14 управления в течение пассивных полупериодов переводит электронные переключатели 5а, 5b в позицию ʺ↓ʺ. Длительность этого состояния электронных переключателей пропорциональна значению рассогласования. Как в режиме возрастания нагрузки, длительность состояния ʺ↓ʺ электронных переключателей ограничена до длительности ненасыщенного состояния стержней сердечника. В этом режиме выпрямители 6, 7 тока функционируют как инверторы. За счет этого постоянная составляющая энергии MCSR магнитного поля возвращается в сеть питания. Как в режиме возрастания нагрузки, система 14 управления при большом рассогласовании автоматически повышает напряжения ±U0 тиристорных выпрямителей 6, 7 тока.
Перечень ссылочных позиций
1, 2 стержень сердечника
3, 4 ветвь сетевой обмотки
5а, 5b транзисторный переключатель
6, 7 тиристорный выпрямитель тока
8 сглаживающий конденсатор
9 конденсатор
10 сопротивление
11 датчик Холла
12 MCSR-датчик тока
13 датчик сетевого напряжения
14 система управления
С1, С2, С3 коллектор
Е1, Е2, Е3 эмиттер
G1, G2, G3, G4, G5, G6 управляющий электрод
I1, I2, IAC ток
IACsoll заданное значение тока
QACsoll заданное значение реактивной мощности
N1, N2 конец низкого напряжения
T1, T2, T3, T4, T5, T6 силовой транзистор
U0 напряжение
UACsoll заданное значение напряжения