УПРАВЛЯЕМЫЙ ШУНТИРУЮЩИЙ РЕАКТОР-ТРАНСФОРМАТОР
CONTROLLABLE SHUNTING REACTOR TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к управляемым шунтирующим реакторам-трансформаторам (УШРТ), и может быть использовано для компенсации избыточной реактивной мощности высоковольтной линии электропередачи и изменения в ней в широких пределах общего уровня напряжения.
Известен управляемый реактор-трансформатор (УРТ), имеющий трехфазные первичную и вторичную обмотки, причем последняя совмещена с обмоткой подмагничивания постоянным током (Авторское свидетельство СССР №1541681, кл. H01F 29/14 [1]).
УРТ предназначен для использования на понижающих подстанциях распределительных сетей в качестве трансформатора и одновременно регулируемой индуктивности компенсатора реактивной мощности. При полной нагрузке подстанции УРТ работает как трансформатор, если нагрузка мала - в реакторном режиме. При промежуточной нагрузке УРТ выполняет функцию и управляемого реактора и силового трансформатора с соответствующей степенью загрузки активной и реактивной мощностями. Изменяя величину постоянного тока подмагничивания, можно регулировать индуктивное сопротивление первичной обмотки и, как следствие, величину потребляемой реактивной мощности и уровень напряжения на вторичной обмотке.
Аналогичные функции выполняет трехфазный управляемый реактор, имеющий дополнительную и вторичную обмотки, первая из которых используется для подмагничивания стержней магнитопровода постоянным током, а вторая предназначается для питания нагрузки (Авторское свидетельство СССР №1658224, кл. H01F 29/14 [2]).
Известен также трехфазный управляемый реактор-автотрансформатор (УРАТ), используемый для улучшения режимов работы дальних электропередач и подключаемый непосредственно к высоковольтной линии (Авторское свидетельство СССР №1781711, кл. H01F 29/14 [3]). Изменение реактивной мощности, потребляемой УРАТ, осуществляется путем изменения тока обмотки управления. Величина тока регулируется встречно-параллельно включенными в ее цепь тиристорами. Изменение угла открытия тиристоров приводит к снижению (увеличению) указанного тока, но при этом генерируются высшие гармоники в токе основной обмотки, для устранения которых УРАТ снабжен компенсационными обмотками. Основная обмотка, выполненная по автотрансформаторной схеме, состоит из двух частей, между которыми включается дополнительный автотрансформатор (ДАТ) небольшой мощности, который имеет отдельный от УРАТ магнитопровод, подмагничиваемый постоянным током. Изменением степени подмагничивания регулируется напряжение на среднем выводе основной обмотки УРАТ, подключенном к линии электропередачи (ЛЭП). Однако изменение напряжения лежит в пределах (8÷14)%, что недостаточно для осуществления глубокого регулирования напряжения на линии.
Все управляемые шунтирующие реакторы (УШР) с подмагничиванием сердечника постоянным током, в том числе и реакторы-трансформаторы типа [1-3], имеют серьезные недостатки:
- повышенное содержание гармоник в токе основной обмотки, вызываемое насыщением сердечника и работой тиристоров при неполных углах открытия;
- большая электрическая инерционность, связанная с наличием постоянной составляющей в магнитном потоке;
- сложная схема управления, включающая дополнительные, фазосдвигающие и компенсационные обмотки;
- недостаточный диапазон регулирования напряжения, что исключает их использование для оптимизации режимов дальних ЛЭП.
Ряд недостатков реакторов в значительной степени устранены в УШР трансформаторного типа (ТТ) (Патент РФ №2221297, кл. H01F 38/02 [4]). УШР ТТ содержит замкнутый магнитопровод без зазоров, на основном стержне которого размещаются обмотки: сетевая, управляющая и компенсационная. Сетевая обмотка подключается непосредственно к ЛЭП, управляющая обмотка замыкается на автоматически управляемый тиристорный блок, к компенсационной обмотке подключаются фильтры высших гармоник. Увеличение тока обмотки управления вызывает вытеснение магнитного потока из основного стержня, что приводит к увеличению сопротивления этому потоку и росту тока намагничивания (потребляемой из ЛЭП реактивной мощности).
Управляемые шунтирующие реакторы всех типов предназначаются в основном для поддержания напряжения в контролируемых узлах высоковольтных сетей на заданном уровне. Вместе с тем известно, что для оптимизации режима дальней ЛЭП по потерям активной мощности необходимо согласованное с ее нагрузкой регулирование общего уровня напряжения на этой ЛЭП (Веников В.А., Сиуда И.П. Расчеты режимов дальних электропередач переменного тока. «Высшая школа», 1966 [5]). Для оптимизации необходимо с увеличением передаваемой по ЛЭП активной мощности по определенному закону увеличивать общий уровень напряжения на этой ЛЭП. В какой-то мере такой режим может обеспечиваться описанными выше УРТ и УРАТ. Однако в силу технического несовершенства и недостаточного диапазона регулирования напряжения использование их для оптимального управления режимами протяженных ЛЭП весьма проблематично.
Наиболее близким, по технической сущности к предлагаемому устройству, является УРАТ по [3], предназначаемый для регулирования реактивной мощности и напряжения на одном из выводов основной (сетевой) обмотки, к которой может быть подключена ЛЭП.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства, позволяющего регулировать реактивную мощность и в широком диапазоне напряжение на ЛЭП.
Поставленная цель достигается тем, что в управляемом шунтирующем реакторе-трансформаторе, содержащем магнитопровод с основным стержнем, ярмами, двумя боковыми ярмами, размещенные на основном стержне сетевую обмотку, состоящую из двух частей, имеющих внешние выводы крайних узлов и соединенных последовательно, первая из которых включена на фазное напряжение линии электропередачи, компенсационную обмотку, обмотку управления, управляющий током сетевой обмотки блок, в него введен управляющий током возбуждения блок, внешние выводы крайних узлов частей сетевой обмотки соединены через коммутационные аппараты, первой части - с шинами концевой подстанции, второй части - с управляющим током возбуждения блоком, необходимые для переключения устройства в режим работы вольтодобавочного трансформатора, при котором первая часть обмотки включается в рассечку линии, вторая часть - на управляющий током возбуждения блок. Внешние выводы конца первой и начала второй частей сетевой обмотки соединены посредством коммутационных аппаратов. Все коммутационные аппараты и управляющие током сетевой обмотки и током возбуждения блоки устройства выполнены на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах. Обмотка управления охватывает основной стержень и замкнута на управляющий током сетевой обмотки блок, а компенсационная обмотка расположена в пространстве между сетевой обмоткой и обмоткой управления, причем к компенсационной обмотке подключены фильтры подавления высших гармонических составляющих.
Конструкция УШРТ состоит из замкнутого магнитопровода, имеющего основной стержень 1, торцевые ярма 2, боковые ярма 3, верхний 4 и нижний 5 кольцевые шунты с радиальными разрезами, обмотки управления 6, сетевой обмотки 7 и компенсационной обмотки 8 (фиг.1).
На фиг.2 показана принципиальная электрическая схема УШРТ, на которой сетевая обмотка разделена на первую 9 и вторую 10 части, соединенные коммутационным аппаратом 15. Конечные выводы первой части 9 через коммутационные аппараты 11 и 12 соединены через посредство высоковольтного выключателя 19 с шинами 20 концевой подстанции. Конечные выводы второй части 10 сетевой обмотки через коммутационные аппараты 13 и 14 подключены к выходу управляющего током возбуждения блока 18. Компенсационная обмотка 8, соединенная в треугольник в трехфазном исполнении, соединена с фильтрами 16 для подавления высших гармонических, состоящих из последовательно соединенных конденсатора и дросселя, настроенных в резонанс на частоте подавляемой высшей гармоники (3-й, 5-й и 7-й). Обмотка управления 6 подключена к управляющему током сетевой обмотки блоку 17, который формируется на основе использования полностью управляемых полупроводниковых силовых приборов. На таких же приборах построен управляющий блок 18, предназначаемый для изменения тока возбуждения обмотки 10 при работе УШРТ в режиме вольтодобавочного трансформатора (ВДТ), включенного в рассечку линии электропередачи. В этом режиме обмотка 10 является первичной (обмоткой возбуждения), а обмотка 9 - вторичной обмоткой ВДТ, включенного последовательно в линию.
На фиг.3 приведена схема включения УШРТ в дальнюю линию электропередачи сверхвысокого напряжения 22, подключенную к шинам передающей 20 и приемной 21 энергосистем посредством высоковольтных выключателей 19. Напряжение изменяется (увеличивается) на линии электропередачи 22 и остается неизменным на шинах энергосистем 20 и 21. УШРТ передающей энергосистемы, работающий в режиме ВДТ, повышает напряжение на линии, УШРТ приемной энергосистемы - понижает напряжение линии до уровня напряжения шин этой энергосистемы.
*
*
Процесс оптимизации режима электропередачи разделяется на две стадии. При нагрузках линии, составляющих 30÷50% пропускной способности электропередачи, производится автоматическое регулирование напряжения в точках подключения УШРТ к линии. Для поддержания напряжения на заданном неизменном уровне реактивная мощность УШРТ Q должна изменяться в функции передаваемой активной мощности Р по закону
*
*
где Q, Р - мощности УШРТ и линии, выраженные в относительных единицах натуральной мощности линии;
λ - волновая длина линии [5].
*
Регулирование напряжения может производиться регулятором, воздействующим на изменение реактивной мощности УШРТ, не в функции величины передаваемой мощности Р, как это следует из закона (1), а по факту отклонения напряжения от заданного значения. При положительном отклонении напряжения мощность УШРТ должна увеличиваться, при отрицательном - уменьшаться. Для устойчивости режима могут использоваться стабилизирующие сигналы по параметрам переходного процесса.
В диапазоне изменения мощности ЛЭП в пределах 50-100% ее пропускной способности производится изменение напряжения на линии по закону
С
где Z - волновое сопротивление линии (Ом);
Р - активная мощность линии (МВт) [5].
Если напряжение на линии регулируется по закону (2), то режим передачи натуральной мощности будет сохраняться при любом значении мощности Р, что благоприятно сказывается на распределении напряжения вдоль линии и на уровень потерь активной мощности.
В режиме холостого хода ЛЭП и нагрузках, не превышающих 50% пропускной способности электропередачи, УШРТ в отправном и приемном узлах поддерживают напряжение на заданном уровне путем поглощения избыточной реактивной мощности, которая генерируется линией. При этом коммутационные аппараты 11 и 15 включены, а 12-14 - отключены. Если нагрузка линий превышает указанную величину, то УШРТ переводится в режим работы вольтодобавочного трансформатора (ВДТ). При этом предполагается, что нагрузка линии равна ее натуральной мощности и ток УШРТ, работающем еще в реакторном режиме, близок к нулю. Для ЛЭП - 500 кВ эта мощность составляет примерно 900 МВт, при которой генерируемая и потребляемая линией мощность равны и не требуется участие УШРТ в регулировании напряжения. В этих условиях производится переключение УШРТ из режима реактора в режим ВДТ.
Первоначально производится отключение коммутационного аппарата (КА) 15, при котором сетевая обмотка 7 делится на первую 9 и вторую 10 части (размыкание цепи происходит практически при нулевом токе). Затем включается КА12, шунтируя включенный КА11, после чего отключается КА11. Обе операции протекают при коммутации токов, значительно меньших нагрузочного тока линии.
Следует заметить, что перед включением первой части 9 сетевой обмотки в рассечку линии должны быть включены КА13 и КА14, соединяющие вторую часть 10 сетевой обмотки с выходными зажимами управляющего блока 18. При этом в исходном режиме добавочное напряжение управляющего блока 18, приложенное к обмотке 10, должно быть достаточным для компенсации падения напряжения на первой части 9 сетевой обмотки от нагрузочного тока линии.
Перевод устройства из режима ВДТ в реакторный осуществляется при снижении нагрузки линии до уровня натуральной мощности при напряжении на ней, равном напряжению шин концевых подстанций. При этом сначала включается КАИ и отключается КА12, затем включается КА15, восстанавливая полный состав сетевой обмотки 7. Операция перевода устройства в реакторный режим завершается отключением КА13 и КА14.
Операция с КА для УШРТ передающего и приемного узлов аналогичны несмотря на то, что добавочное напряжение, производимое устройством в этих узлах, противоположно по знаку. При этом в передающем узле дополнительная мощность поступает через устройство (в режиме работы ВДТ) в линию, а в приемном узле - отбирается устройством из линии и поступает на шины вторичного напряжения этого узла.
В настоящее время на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов разработаны контакторы (ключи) с очень высоким быстродействием и практически неограниченным ресурсом работы. При этом становится возможным осуществлять коммутацию силовых цепей за время, не превышающее десяти микросекунд, т.е. практически мгновенно (Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов./Под ред. Ю.К.Розанова. М., Энергоатомиздат, 1998 [6]). Для уменьшения потерь активной мощности в проводящем состоянии полупроводниковых силовых аппаратов могут использоваться гибридные аппараты на основе встречновключенных тиристоров и электромеханических контактов, параллельно соединенных с ними [6]. Учитывая облегченные условия работы КА11 и КА12, когда отключение (включение) аппарата происходит при параллельно с ним включенном (отключенном) положении другого аппарата, в качестве рабочих КА могут использоваться электрические автоматически управляемые аппараты на коммутацию токов, значительно меньших нагрузочного. КА15 работает в условиях разрыва (соединения) цепи при холостом ходе УШРТ. Поэтому и здесь может быть применен электрический аппарат с автоматическим приводом.
B
Во включенном состоянии КА13 и КА14 пропускают ток I, который определяется по выражению
B
9
10
Л
I=ω/ω·I,
9
10
где ω, ω - число витков первой и второй частей сетевой обмотки 7;
В
I - ток возбуждения обмотки 10;
Л
I - ток линии.
Для реализации КА13 и КА14 могут применяться полностью управляемые силовые полупроводниковые аппараты или гибридные аппараты на основе параллельного включения силовых тиристоров и электромеханических контактов.
Управление всеми коммутационными аппаратами осуществляется регулятором режима работы УШРТ 23 (см. фиг.2), выполняющим также функции оптимального регулирования напряжения на линии по законам (1) и (2).
Изменение реактивной мощности УШРТ на первой стадии процесса регулирования осуществляется путем изменения сопротивления основному магнитному потоку, замыкающемуся в пределах его магнитопровода. Увеличение тока обмотки управления 6, производимого регулированием угла управления полностью управляемых полупроводниковых силовых приборов (тиристоров) блока 17, вызывает вымещение основного магнитного потока из стержня 1, на котором размещены все обмотки, в пространство зазора между обмотками 6 и 7. Последнее ведет к увеличению намагничивающего тока (потребляемой реактивной мощности) УШРТ. Регулирование реактивной мощности производится в соответствии с законом (1).
Для повышения пропускной способности электропередачи (при увеличении передаваемой мощности) осуществляется регулирование общего уровня напряжения линии по закону (2). Регулятор (23) вырабатывает управляющее воздействие, поступающее на оконечный каскад (драйвер), который формирует сигналы управления на включение (выключение) полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов блока 18 в цепи регулирования возбуждения (обмотка 10) УШРТ, работающего в режиме ВДТ. Вход блока 18 подключен к шинам вторичного напряжения концевой подстанции, а выход - к обмотке 10 через посредство включенных КА13 и КА14.
Максимальная мощность УШРТ в режиме ВДТ определяется величиной регулировочного диапазона на изменение напряжения линии и максимальным значением ее рабочего тока. В реакторном режиме эта мощность определяется значением емкостной мощности, генерируемой линией при напряжении шин конечных узлов.
Работа полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, относящихся к блоку 17, вызывает высшие гармонические в токе обмотки 6. Последнее создает условия для появления высших гармонических в магнитном потоке УШРТ, которые индуцируют высшие гармонические в токе сетевой обмотки 7. Подключение фильтров высших гармонических (3-й, 5-й, 7-й) к компенсационной обмотке 8, расположенной в пространстве между 6 и 7 обмотками, обеспечивает должный уровень подавления гармонических (Александров Г.Н. Подавление высших гармонических в управляемых шунтирующих реакторах трансформаторного типа. Изв. РАН Энергетика, 1999, №3 [7]). При соединении в треугольник компенсационных обмоток трех фаз УШРТ суммарная мощность фильтров не превышает 10% от его мощности [7].
Работа управляющего блока 18, содержащего полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы, может вызвать появление высших гармонических в магнитном потоке УШРТ и, соответственно, в токе вторичной обмотки 9, включенной в рассечку линии. Подключение фильтров высших гармонических (3-й, 5-й, 7-й) к компенсационной обмотке 8, обеспечивает должный уровень подавления гармоник [7].
Управляющий током сетевой обмотки блок 17 и регулирующий ток возбуждения блок 18 выполнены на базе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов (тиристоров) с искусственной коммутацией. В блоке 17 используется фазовое регулирование действующего значения тока. Величина угла управления на открытие (закрытие) силовых полупроводниковых приборов вырабатывается регулятором 23, реализующим закон управления (1) или (2), а также коммутацию аппаратов КА11 - КА15.
Работа УШРТ в режиме ВДТ позволяет повышать напряжение на линии по сравнению с неизменным напряжением на шинах 20 и 21 концевых подстанций. Поэтому на этих подстанциях не требуются распределительные устройства и выключатели на повышенное номинальное напряжение линии. УШРТ подключаются непосредственно к линии (без выключателей), которая соединяется с шинами концевых подстанций через выключатели, выбранные на номинальное напряжение шин (см. фиг.3). Такое техническое решение может значительно снизить стоимость электропередачи. Линия с номинальным напряжением 750 кВ может быть просто «встроена» в сеть с номинальным напряжением 500 кВ за счет использования УШРТ, способных перестраиваться на режим работы ВДТ с добавочным напряжением ΔU=250 кВ. Кроме того, возможно поэтапное изменение пропускной способности электропередачи. На первом этапе линия работает на напряжении 500 кВ и УШРТ по ее концам выполняют функции управляемого реактора (закон регулирования (1)). При необходимости повышения пропускной способности электропередачи УШРТ дополняются системой регулирования возбуждения с диапазоном изменения напряжения ΔU=250 кВ. Линия при такой поэтапной стратегии должна выполняться в габаритах 750 кВ при напряжениях концевых подстанций 500 кВ.
Предлагаемое устройство позволяет осуществить оптимальное управление сверхдальней ЛЭП на основе новой технологии, которая предусматривает в зависимости от нагрузки электропередачи вести режим с поддержанием постоянства напряжения на линии либо его изменение в функции передаваемой мощности. Последнее обеспечивает передачу по линии натуральной мощности при любой нагрузке.
Такая технология управления при включении предлагаемого УШРТ по концам линии позволяет:
- передачу энергии по сверхдальней линии без промежуточных устройств компенсации реактивной мощности и с минимальными потерями;
- "встраивать" в существующую системообразующую сеть линии повышенного напряжения (пропускной способности) без сооружения на подстанциях распредустройств на это напряжение;
- осуществить более гибкое управление нормальными и послеаварийными режимами электропередач благодаря высокому быстродействию и расширенному диапазону регулирования.