СВЕРХПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ШИНАХ ПОДСТАНЦИИ

Область техники.
Полезная модель относится к области электроэнергетики, и в частности, к устройствам для компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения при управлении режимами работы электрических сетей. Она может быть применена в энергосистемах для регулирования и автоматического поддержания напряжения на шинах высоковольтных подстанций.
Уровень техники.
Известно устройство для компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения на шинах подстанции, содержащее средство компенсации медленных изменений напряжения, средство компенсации быстрых изменений напряжения и блок управления, снабженный входом, предназначенным для подключения к датчику напряжения на шинах подстанции [Патент RU 34818 U1, Н01J 3/18, 2003 г.].
В известном устройстве указанные средства регулирования выполнены на основе коммутируемых высоковольтными выключателями конденсаторов и тиристорно-реакторных групп соответственно. Известное устройство позволяет поддерживать напряжение на шинах подстанции путем регулирования реактивной мощности (тока), однако возможность повышения качества электроэнергии с помощью известного устройства ограничена ростом требуемого объема компенсирующего и коммутирующего оборудования на подстанции. В известном устройстве расширение пределов компенсации реактивной мощности и уменьшение статических и динамических отклонений регулируемого напряжения от заданной
величины требуют увеличения общей установленной мощности компенсирующего оборудования (реакторов, конденсаторов), а необходимость снижения величины высших гармоник, генерируемых при коммутациях компенсирующих реакторов и конденсаторов - увеличения числа ступеней регулирования, использования дополнительного фильтрового, токоограничивающего и коммутирующего оборудования.
Задача полезной модели - расширить функциональные возможности устройства по обеспечению качества электроэнергии при ограниченном объеме используемого оборудования.
Раскрытие полезной модели.
Предметом полезной модели является устройство для регулирования напряжения на шинах подстанции, содержащее средство компенсации медленных изменений напряжения, средство демпфирования быстрых изменений напряжения и блок управления, при этом средство компенсации медленных изменений напряжения выполнено в виде сверхпроводникового синхронного компенсатора с возбудителем, предназначенного для подключения к шинам высокого или среднего напряжения подстанции, средство демпфирования быстрых изменений напряжения выполнено в виде сверхпроводникового индуктивного накопителя с обратимым статическим преобразователем, предназначенным для подключения накопителя к шинам низкого напряжения подстанции, а блок управления снабжен, по меньшей мере, одним входом для подключения к датчику напряжения на шинах подстанции, присоединен первым выходом к входу возбудителя синхронного компенсатора, а вторым выходом - к управляющему входу указанного преобразователя и выполнен с возможностью выдачи на свои первый и второй выходы
управляющих воздействий по компенсации статической и динамической составляющих изменений реактивной мощности соответственно.
Совокупность указанных признаков позволяет расширить пределы и улучшить динамику компенсации реактивной мощности и, тем самым, уменьшить статические и динамические отклонения регулируемого напряжения от заданной величины при ограниченном объеме используемого оборудования. Это, в свою очередь, позволяет при установке заявляемого устройства в узлах энергосистемы повысить ее устойчивость в рабочих, ремонтных и послеаварийных режимах.
Полезная модель имеет развитие, состоящее в том, что блок управления снабжен дополнительным входом, предназначенным для соединения с датчиком активной мощности линии электропередачи, отходящей от шин подстанции, и третьим выходом, подключенным к дополнительному управляющему входу обратимого статического преобразователя, и выполнен с возможностью выдачи на свой третий выход управляющих воздействий по демпфированию быстрых колебаний указанной активной мощности относительно ее среднего значения.
Это позволяет дополнительно повысить устойчивость энергосистемы.
Краткое описание фигур чертежей.
Сущность полезной модели иллюстрирует фиг.1, где приведена структурная блок-схема предлагаемого устройства с учетом его развития. На фиг.1 показаны также элементы оборудования высоковольтной подстанции, на которой размещено устройство.
Описание осуществления полезной модели.
На схеме на фиг.1 показаны:
- сверхпроводниковый синхронный компенсатор 1 реактивной мощности, его возбудитель 2, совместно образующие средство компенсации медленных изменений напряжения, при этом компенсатор
1 подключен своими статорными обмотками к шинам 3 высокого напряжения или к шинам среднего напряжения (на чертеже не показаны) подстанции;
- сверхпроводниковый индуктивный накопитель 4 и обратимый статический преобразователь 5, через который накопитель 4 подключен к шинам 6 низкого напряжения подстанции, совместно образующие средство демпфирования быстрых изменений напряжения;
- блок 7 управления, снабженный входом 8, который подключен к датчику 9 напряжения на шинах 6, и входом 10, который подключен к датчику 11 напряжения на шинах 3.
Первым выходом 12 блок 7 подключен к входу возбудителя 2, вторым выходом 13 - к управляющему входу 14 преобразователя 5.
Блок 7, показанный на фиг.1, снабжен дополнительным входом 15, соединенным с выходом датчика 16 активной мощности линии электропередачи, отходящей от шин 3 подстанции, и третьим выходом 17, подключенным к дополнительному управляющему входу 18 преобразователя 5.
Кроме того, на фиг.1 показан силовой трансформатор 19, связывающий шины 6 низкого напряжения и шины 3 высокого напряжения.
Блок 7 выполнен с возможностью выдачи на первый выход 12 управляющих воздействий по компенсации статической составляющей изменений реактивной мощности и с возможностью выдачи на второй выход 13 динамической составляющей изменений реактивной мощности.
Блок 7, показанный на фиг.1 с учетом развития полезной модели, выполнен с возможностью выдачи на выход 13 управляющих воздействий по демпфированию быстрых колебаний активной мощности, измеряемой датчиком 16, относительно ее среднего значения.
Компенсатор 1 представляет собой синхронную электрическую машину, работающую в режиме двигателя без активной нагрузки и выполненную на основе высокотемпературных (ВТСП) или низкотемпературных (НТСП) сверхпроводников. Особенность таких машин состоит в том, что в связи с отсутствием электронагрева обмоток, они могут быть выполнены с меньшими массогабаритными характеристиками, расширенными пределами регулирования реактивной мощности и на высокое рабочее напряжение статора (110 или даже 220 кВ). При этом, однако, сверхпроводящее состояние обмоток возбуждения, значение тока которых задает величину компенсируемой (потребляемой или выдаваемой) реактивной мощности, приводит к возрастанию постоянной времени контура возбуждения и к соответствующему замедлению скорости регулирования в процессе компенсации реактивной мощности. Возбудитель 2 может быть выполнен, например, в виде управляемого выпрямителя.
Накопитель 4 представляет собой индуктивный накопитель энергии на основе высокотемпературных (ВТСП) или низкотемпературных (НТСП) сверхпроводников. К его особенностям относятся высокий КПД и быстродействие, а также высокая энергоемкость, увеличение которой, однако, сопровождается соответствующим возрастанием габаритов. В предлагаемом устройстве накопитель 4 используется для быстрой компенсации только кратковременных отклонений напряжения и активной мощности, что позволяет использовать сверхпроводниковый накопитель малой энергоемкости и, соответственно, небольших габаритов.
Устройство работает следующим образом.
После разгона (например, с помощью разгонного двигателя) и синхронизации с сетью компенсатор 1 в зависимости от тока, протекающего в его обмотке возбуждения, выдает на шины 3 или
потребляет с них реактивную мощность. Ток в обмотке возбуждения компенсатора 1 задает возбудитель 2, который может быть выполнен, например, в виде управляемого выпрямителя. Сигнал, в соответствии с которым возбудитель 2 задает ток возбуждения, поступает с выхода 12 блока управления 7.
Накопитель 4 выдает на шины 6 или потребляет с них и накапливает энергию в зависимости от режима работы обратимого преобразователя 5, управляемого по входам 14 и 18. При этом преобразователь 5 работает соответственно либо в режиме инвертора, преобразующего постоянный ток, циркулирующий в индуктивной катушке накопителя, в переменный ток промышленной частоты, либо в режиме управляемого выпрямителя, потребляющего из сети и выдающего постоянный ток в индуктивную катушку накопителя 4. Изменение величины выдаваемой или потребляемой мощности преобразователь 5 осуществляет на основе широтно-импульсной модуляции.
Блок 7 управляет возбудителем 2 и преобразователем 5 в соответствии с результатами измерения напряжений на шинах 6 и 3, поступающими с датчиков 9 и 11 на входы 8 и 10 соответственно, и (с учетом развития полезной модели) в соответствии с результатами измерения активной мощности линии электропередачи, поступающими с датчика 16 на вход 15 блока 7. Управление осуществляется следующим образом.
Напряжение датчика 11, соответствующее напряжению на шинах 3, поступающее на вход 10 блока 7, сравнивается с заданным напряжением (уставкой). Блок 20 выделяет статическую составляющую их разности (например, путем низкочастотной фильтрации) и после усиления выдает ее по выходу 12 в возбудитель 2 в качестве управляющего воздействия по компенсации статической составляющей
изменения реактивной мощности. Возбудитель 2 изменяет ток возбуждения компенсатора 1 в соответствии с этим управляющим воздействием, обеспечивая, тем самым, компенсацию статической (медленной) составляющей отклонений реактивной мощности от величины, соответствующей напряжению уставки.
Напряжение датчика 9, соответствующее напряжению на шинах 6, поступающее на вход 8 блока 7, также сравнивается с заданным напряжением (уставкой). Из полученной разности блок 21, аналогично блоку 20, выделяет статическую составляющую, значение которой вычитается из полученной разности напряжений на входе 8 и уставки.
Результат последнего вычитания после усиления выдается по выходу 13 на вход 14 преобразователя 5 в качестве управляющего воздействия по компенсации динамической (быстрой) составляющей изменения реактивной мощности. В соответствии с этим управляющим воздействием преобразователь 5 изменяет реактивную мощность (отдаваемую в сеть или потребляемую из нее) на шинах 6, обеспечивая, тем самым, компенсацию динамической (быстроменяющейся) составляющей отклонений реактивной мощности от величины, соответствующей напряжению уставки.
Демпфирование быстрых колебаний активной мощности линии электропередачи, подключенной к шинам подстанции, предлагаемое устройство осуществляет следующим образом.
Напряжение датчика 16, соответствующее измеренной активной мощности, передаваемой по линии электропередачи, подключенной, например, к шинам 3 подстанции, поступает на вход 15 блока 7. Блок 22 выделяет среднее значение этого сигнала, которое затем вычитается из сигнала, полученного по входу 15. Полученная разность после усиления выдается по выходу 17 на вход 18 преобразователя 5 в качестве управляющего воздействия по
демпфированию быстрых колебаний активной мощности относительно ее среднего значения. В соответствии с этим управляющим воздействием преобразователь 5 изменяет мгновенную активную мощность, которой накопитель 4 обменивается с сетью. При этом в периоды кратковременных падений активной мощности, измеряемой датчиком 16, накопитель 4 запасает энергию, а в периоды ее кратковременных подъемов выдает ее, обеспечивая, тем самым, демпфирование быстрых колебаний активной мощности относительно ее среднего значения. При этом соответственно демпфируются колебания фазового угла напряжения на шинах подстанции.
Как видно из изложенного, в предлагаемом устройстве сверхпроводниковый компенсатор 1 и сверхпроводниковый накопитель 4 функционально дополняют друг друга, так что к компенсатору 1 не предъявляется повышенных требований по быстродействию, а к накопителю 4 - по энергоемкости.