СПОСОБ СИММЕТРИРОВАНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ТРЕХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD FOR SYMMETRING OPERATION MODE OF THREE-WIRE ELECTRIC TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в устройствах поперечной компенсации с целью уменьшения потерь электрической энергии, регулирования напряжения в местах установки данных устройств в линию электропередачи (ЛЭП), а также симметрирования несимметричной трехфазной нагрузки в трехфазных трехпроводных ЛЭП.
Известен способ управления режимом работы линии электропередачи, реализуемый устройством управления, построенным на основе управляемого реактивного элемента и регулятора синусоидального напряжения, подключаемого своими зажимами к ЛЭП и формирующего регулируемое синусоидальное напряжение на своих выходных зажимах, задающего напряжение на реактивном элементе, включающий задание требуемого режима работы ЛЭП, измерение напряжений на входных зажимах регулятора синусоидального напряжения, вычисление требуемых значений напряжений на выходе регулятора синусоидального напряжения и на реактивном элементе, путем алгебраического суммирования мгновенных значений регулируемых линейных напряжений всех фаз линии электропередачи (патент RU на изобретение №2749279, опубл. 08.06.21 г.). Способ позволяет управлять активными и реактивными мощностями в фазах трехпроводной ЛЭП при различных трехфазных несимметричных нагрузках. Недостатком данного способа является то, что реализация устройства на его основе позволяет лишь симметрировать режим работы ЛЭП при различных типах трехфазной нагрузки, но не позволяет одновременно с этим и компенсировать реактивную мощность в фазах ЛЭП.
Наиболее близким прототипом к заявляемому способу управления является способ, использующий схему Штейнмеца (в качестве устройства управления), построенную на основе двух реактивных элементов, позволяющий преобразовывать однофазную или двухфазную нагрузку в симметричную трехфазную нагрузку, подключаемую к трехпроводной трехфазной ЛЭП. Способ и реализующее его устройство управления позволяют симметрировать и одновременно компенсировать реактивную мощность в трехфазной ЛЭП. (В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, «Трехфазно-однофазные системы электроснабжения с преобразователями Штейнмеца», «Современные технологии. Системный анализ. Моделирование» №3 (59), 2018, стр. 98-107, Иркутский государственный университет сообщения). Устройство управления подключается своими входными зажимами к трехпроводной ЛЭП, а выходными зажимами к однофазной или двухфазной нагрузке. Реализация способа управления режимами работы трехпроводных ЛЭП основывается на измерении токов, напряжения и мощностей в однофазных или двухфазных нагрузках и вычислении на основе измерений требуемых значений параметров реактивных элементов, обеспечивающих симметрирование и компенсацию реактивных мощностей в трехпроводных ЛЭП.
Недостатком способа и устройства прототипа является ограниченные функциональные возможности, так как устройство может быть применено только для однофазных или двухфазок нагрузкок.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа симметрирования режима работы ЛЭП для общего случая, когда нагрузка представляет из себя несимметричную трехфазную нагрузку. При этом, в зависимости от требований, заявляемый способ позволяет обеспечивает как симметрирование режима работы трехпроводной ЛЭП, так и одновременно компенсацию реактивной мощности в ней.
Предметом изобретения является способ симметрирования режима работы трехпроводной линии электропередачи, реализуемый устройством управления, подключаемым к фазам линии электропередачи, силовая схема которого построена на основе управляемых реактивных элементов, включающий измерение режимов работы фаз нагрузки линии электропередачи, вычисление и задание значений управляемых реактивных элементов устройства управления, заключающийся в том, что в зависимости от требований к симметрированию режима работы линии электропередачи, определяют и задают необходимое количество управляемых реактивных элементов силовой схемы устройства управления, подключаемых к различным парам фаз линии электропередачи, а вычисление и задание характера и величин каждого из управляемых реактивных элементов производят на основе значений активных и реактивных мощностей в каждой фазе нагрузки, определенных из измеренных их режимов работы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема подключения устройства, реализующего способ управления режимом работы ЛЭП (далее -устройство управления), к трехфазной электрической сети. На фиг. 2 представлена упрощенная структура устройства управления, построенного на основе двух управляемых реактивных элементов и предназначенная для симметрирования режима работы ЛЭП. На фиг. 3 приведена упрощенная структура устройства управления, построенного на основе трех управляемых реактивных элементов и предназначенная для симметрирования и одновременно компенсации реактивной мощности в ЛЭП. На фиг. 4 приведены результаты моделирования в среде Matlab Simulink симметрирования режима работы ЛЭП с помощью устройства управления фиг. 2 для конкретного примера несимметричной нагрузки. На фиг. 5 приведены результаты моделирования в среде Matlab Simulink симметрирования режима работы и компенсации реактивной мощности в ЛЭП для того же примера несимметричной нагрузки с помощью устройства управления фиг. 3.
na
nb
nc
Линия электропередачи, представленная на фиг. 1, сформирована тремя фазными генераторами 1, 2, 3, образующими симметричную систему линейных напряжений фаз А, В, С трехпроводной ЛЭП. Трехфазная несимметричная нагрузка представлена в соответствующих фазах сопротивлениями 4, 5, 6. Датчики токов в фазах линии электропередачи 7, 8, 9 предназначены для измерения токов I, I, I в соответствующих фазах нагрузки. Датчики напряжения 10, 11 измеряют напряжения в линии электропередачи. Устройство управления 12 включает в себя систему управления 13, входы которой соединены с выходами датчиков тока нагрузки 7, 8, 9 и выходами датчиков напряжения 10 и 11. Блок 14 представляет силовую схему устройства управления. Выходы блока 14 непосредственно подключены к фазам А, В и С ЛЭП, а входы блока 14 подключены к управляющим выходам блока 13 системы управления устройства управления 12.
На фиг. 2 приведено устройство управления, в котором силовая схема блока 14, построена на основе двух управляемых реактивных элементов 15 и 16. Управляемые реактивные элементы 15 и 16 своими зажимами подключены соответственно к различным фазам ЛЭП. Управляющие входы реактивных элементов 15 и 16 соединены с соответствующими управляющими выходами блока 13 системы управления устройством управления 12.
На фиг. 3 приведено устройство управления, в котором силовая схема блока 14 построена на основе трех управляемых реактивных элементов 15, 16, 17. При этом, выходные зажимы управляемых реактивных элементов 15, 16, 17 блока 14 подключены к соответствующим фазам А, В и С линии электропередачи, а их управляющие входы соединены к соответствующими управляющими выходами блока 13 системы управления устройства управления 12.
na
nb
nc
pa
pb
pc
Способ управления работает следующим образом. При несимметричной нагрузке 4, 5, 6, токи I, I, I в фазах А, В, С (фиг.1) ЛЭП представляют из себя несимметричную систему токов, которую, используя метод симметричных составляющих, можно разложить на три симметричные составляющие токов: токи нулевой, прямой и обратной последовательностей. Поскольку в ЛЭП фиг.1 отсутствует нулевой провод (что характерно для распределительных электрических сетей средних классов напряжения), то токи нулевой последовательности в разложении будут отсутствовать. Таким образом, в разложении несимметричных токов нагрузки будут присутствовать только симметричная система токов прямой и обратной последовательности. Устройство управления 12, подключенное своими входными зажимами к фазам А, В, С ЛЭП, формирует на своих выходных зажимах соответствующую несимметричную систему токов I, I, I, которую, в общем виде, также можно представить виде трех симметричных систем токов нулевой, прямой и обратной последовательности. Поскольку у устройства управления 12 также отсутствует нулевой провод, то токи нулевой последовательности в разложении несимметричной системы токов устройства управления 12 также будут отсутствовать.
pa
pb
pc
Заявляемый способ предполагает формирование и управление токами I, I, I на выходных зажимах устройства управления 12 путем управления характером и значениями сопротивлений управляемых реактивных элементов 15, 16, 17 блока 14. Структуру силовой схемы блока 14 устройства управления 12 определяют в зависимости от требований к управлению режимом работы ЛЭП. При выбранной силовой схеме блока 14, значения ее реактивных элементов вычисляют в блоке 13 системы управления устройства управления 12 путем измерения токов и напряжений в фазах нагрузки и последующим вычислением на их основе активных и реактивных мощностей в каждой из фаз нагрузки 4, 5, 6 ЛЭП.
Устройство управления 12 (фиг. 2), силовая схема которого представлена блоком 14, предназначенное для симметрирования режима работы линии электропередачи, работает следующим образом. Как уже отмечалось ранее, токи на выходных зажимах устройства управления 12, представляют собой несимметричную систему токов, которую можно разложить на токи прямой и обратной последовательности. При симметрировании режима работы линии электропередачи токи обратной последовательности в фазах нагрузки должны быть скоменсированы токами обратной последовательности устройства управления 12. При этом результирующие токи фаз линии электропередачи будут симметричными и определяться суммой токов прямой последовательности нагрузки (4, 5, 6) и устройства управления 12. В общем случае, суммарные токи в фазах А, В и С линии электропередачи будут симметричными и сдвинутыми по фазе относительно фазных напряжений ЛЭП.
l
2
pa
pb
pc
pa
pb
pc
pa
pb
pc
Для фиг. 2 величины управляемых реактивных элементов 15 и 16 блока 14, обозначаемых соответственно X, Х, и линейные напряжения линии электропередачи однозначно определяют величины фазных токов I, I, I на выходных зажимах устройства управления 12. Аналогично однозначно определены активные и реактивные мощности в фазах устройства управления 12, соответственно обозначенные как P, P, P, Q, Q, Q. Необходимо отметить, что поскольку силовая схема устройства управления 12 построена на основе реактивных элементов, активными потерями в них можно пренебречь, а для активных мощностей фаз устройства управления 12 справедливо соотношение:
na
nb
nc
na
nb
nc
na
nb
nc
a
b
c
При заданных значениях сопротивлений нагрузки 4, 5, 6 токи в фазах линии электропередачи I, I, I, так же как и их активные P, P, P и реактивные мощности Q, Q, Q однозначно определены. Очевидно, что в результате симметрирования режима работы ЛЭП с помощью устройства управления 12, активные мощности в фазах линии электропередачи P, P, P будут одинаковыми и, с учетом выражения (1), могут быть определены как:
Для каждой из фаз ЛЭП можно записать:
1
2
Соотношения 3 позволяют получить взаимосвязь значений параметров реактивных сопротивлений Х, Х силовой схемы блока 14 устройства управления 12 с активными мощностями в фазах нарузки при симметрировании режима работы ЛЭП в виде:
а
где Е - фазное напряжение линии электропередачи.
Отметим, что в результате расчета значения реактивных сопротивлений могут быть как положительными, так и отрицательными. При положительных знаках реактивных элементов они представляются реактивными элементами индуктивного характера. При отрицательных знаках они представляются реактивными элементами емкостного характера.
Таким образом, на основе измерения активных мощностей в фазах нагрузки ЛЭП из соотношений (4) можно вычислять и задавать характер и значения реактивных сопротивлений в силовой схеме блока 14 устройства управления 12.
1
2
3
1
2
3
При необходимости симметрирования режима работы и компенсации реактивной мощности в ЛЭП будет применяться силовая схема устройства управления, изображенная блоком 14 на фиг. 3. За счет применения трех управляемых реактивных элементов 15, 16, 17, обозначенных соответственно Х,Х,Х, в силовой схеме блока 14 возможна не только компенсация токов обратной последовательности нагрузки, но и воздействие на токи прямой последовательности ЛЭП, обеспечивая отсутствие сдвига фаз между результирующим током линии электропередачи и фазным напряжением сети. При этом, значения сопротивлений управляемых реактивных элементов Х,Х,Х определяются из совместного решения выражений:
na
nb
nc
na
nb
nc
При измеренных значениях активных P, P, P и реактивных мощностей Q, Q, Q в фазах несимметричной нагрузки величины реактивных элементов силовой схемы устройства управления 14 определяются выражениями:
Как видно из выражений (6) для симметрирования и компенсации реактивной мощности в ЛЭП необходимо измерять активные и реактивные мощности в каждой из фаз ЛЭП и управлять характерами и величинами сопротивлений трех реактивных элементов.
На фиг. 4 приведены результаты моделирования режима работы ЛЭП при заданных параметрах нагрузок фаз ЛЭП для симметрирования режима работы ЛЭП с помощью устройства управления, представленного на фиг. 2. с рассчитанными параметрами значений реактивных сопротивлений по выражениям (4).
Параметры ЛЭП:
Параметры нагрузки:
na
nb
nc
Z=5+j3 Ом, Z=17-j2 Ом, Z=6 Ом
n2
p2
I=I=13.845∠-82.484° А
nа
nb
nb
Р=6261 Вт; P=3048 Вт; P=8278 Вт
na
nb
nc
Q=4038 вар; Q=-146 вар; Q=-836 вар
Расчитанные сопротивления X1, Х2:
1
2
Х=-j 14.894 Ом, Х=-j 17.35 Ом
На фиг. 5 приведены результаты моделирования режима работы ЛЭП при тех же параметрах сопротивлений фаз нагрузок для симметрирования режима работы и компенсации реактивной мощности ЛЭП с помощью устройства управления 13 (фиг. 3). Величины реактивных сопротивлений трех управляемых реактивных элементов расчитаны по выражениям (6).
Параметры ЛЭП:
Параметры нагрузки:
na
nb
nc
Z=5+j3 Ом, Z=17-j2 Ом, Z=6 Ом
n2
p2
I=I=13.845∠-82.484° А
na
nb
nb
P=6261 Вт; P=3048 Вт; P=8278 Вт
na
nb
nc
Q=4038 вар; Q=-146 вар; Q=-836 вар
Рассчитанные сопротивления X1, Х2, Х3:
1
2
3
Х=-j30.709 Ом, Х=-j43.366 Ом, Х=j28.919 Ом
Таким образом, предлагаемый способ управления обеспечивает расширение функциональных возможностей способа управления режимом работы ЛЭП для случая трехфазных несимметричных нагрузок трехфазной трехпроводной ЛЭП. Использование для расчета величин реактивных элементов устройств управления измеренных значений активных и реактивных мощностей фаз нагрузок также значительно упрощает алгоритмы их расчета, реализуемые в блоке системы управления 12.