Управляемый шунтирующий реактор-автотрансформатор
CONTROLLED SHUNT REACTOR-AUTOTRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к управляемым шунтирующим реакторам-автотрансформаторам (УШРАТ), и может быть использовано для регулирования 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. Трехфазный управляемый реактор, класс H01F 29/14, опубл.: 07.02.1990).
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.
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. Трехфазный управляемый реактор, класс H01F 29/14, опубл.: 23.06.1991).
Известен также трехфазный управляемый реактор-автотрансформатор (УРАТ), используемый для улучшения режимов работы дальних электропередач и подключаемый непосредственно к высоковольтной линии (Авторское свидетельство СССР №1781711. Трехфазный насыщающийся реактор, класс H01F 29/14, опубл.: 15.12.1992). 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 УРАТ. Для устранения нечетных гармоник УРАТ снабжен фазосдвигающими и компенсационными обмотками, что усложняет его конструкцию. Основная обмотка УРАТ, выполненная по автотрансформаторной схеме, состоит из двух частей, между которыми включается дополнительный автотрансформатор (ДАТ) небольшой мощности, который имеет отдельный от УРАТ магнитопровод. Этот магнитопровод подмагничивается постоянным током. Если подмагничивание отсутствует, то напряжение на обмотке ДАТ, включенной последовательно в основную обмотку, возрастает, а при определенном уровне подмагничивания - снижается. Таким образом может регулироваться 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 вышеприведенные реакторы-трансформаторы (авторские свидетельства СССР №1541681, №1658224, №1781711) имеют серьезные недостатки:
- повышенное содержание гармоник в токе основной обмотки, вызываемое 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.
Указанные недостатки реакторов в значительной степени устранены в УШР трансформаторного типа (Патент РФ №2221297. Управляемый шунтирующий реактор, класс H01F 38/02, опубл.: 10.01.2004 в Бюл. №1). Этот УШР ТТ содержит замкнутый магнитопровод, коаксиально расположенные сетевую обмотку (СО), обмотку управления (ОУ) и компенсационную обмотку (КО), которая предназначена для компенсации высших гармонических в токе сетевой обмотки.
Напряжение короткого замыкания УШР ТТ составляет примерно 100%, что обеспечено увеличением межобмоточного расстояния и числа витков обмоток по сравнению с трансформатором той же мощности. Изменение тока ОУ, осуществляемое тиристорными блоками, приводит к вытеснению магнитного потока из основного стержня и, как следствие, увеличению сопротивления этому потоку, что вызывает увеличение реактивного тока, потребляемого УШР ТТ из высоковольтной передачи.
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 глубокое регулирование на ней общего уровня напряжения и компенсация избыточной реактивной мощности (Веников В.А., Сиуда И.П. Расчеты режимов дальних электропередач переменного тока. «Высшая школа», 1966). Для оптимизации необходимо с увеличением передаваемой по ЛЭП активной мощности по определенным законам увеличивать общий уровень напряжения на ней и потребление из нее реактивной мощности. 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, приведенный в авторском свидетельстве СССР №1781711, предназначаемый для регулирования реактивной мощности и напряжения на одном из выводов основной (сетевой) обмотки, к которому может быть подключена ЛЭП.
Для согласованного регулирования в требуемом диапазоне реактивной мощности и напряжения в управляемом шунтирующем реакторе-автотрансформаторе (УШРАТ), содержащем магнитопровод с основным стержнем и ярмами, сетевую обмотку, включенную по автотрансформаторной схеме и состоящую из последовательной обмотки и общей обмотки, обмотку управления, управляющие током сетевой обмотки, блоки, к обмотке управления, расположенной между основным стержнем и последовательной обмоткой, подключен блок Б1 совместного оптимального по потерям активной мощности одновременного регулирования общего уровня напряжения на линии и реактивной мощности по ее концам.
Регулируемый указанным блоком ток в обмотке управления вызывает вымещение магнитного потока из основного стержня, при этом изменяется величина э.д.с., индуцируемая в последовательной обмотке, что ведет к изменению напряжения в узле соединения последовательной и общей обмотки, к которому подключается электропередача. Одновременно происходит изменение сопротивления основному магнитному потоку устройства и, как следствие, потребляемой из электропередачи реактивной мощности.
Компенсационная обмотка соединяется с блоком Б2 дополнительного регулирования реактивной мощности, к которому подключается конденсаторная батарея. Изменение напряжения этого блока вызывает увеличение (снижение) емкостного тока компенсационной обмотки и последующее снижение (увеличение) индуктивного тока сетевой обмотки.
Общее управление работой УШРАТ осуществляется блоком Б3 задания режима электропередачи по величине ее общего уровня напряжения и реактивной мощности в конечных узлах в функции законов оптимального управления передаваемой мощностью.
Технический результат заключается в совмещении в УШРАТ функций регулирования реактивной мощности и регулирования в широком диапазоне напряжения на ЛЭП.
Технический результат достигается тем, что в управляемом шунтирующем реакторе-автотрансформаторе, содержащем магнитопровод с основным стержнем, ярмами, двумя боковыми ярмами, размещенными на основном стержне, сетевую обмотку, включенную по автотрансформаторной схеме и состоящую из последовательной обмотки и общей обмотки с выводом узла соединения между ними, обмотку управления, компенсационную обмотку, управляющие током сетевой обмотки блоки, устройство ограничения высших гармоник в токе сетевой обмотки, к обмотке управления, расположенной между основным стержнем и последовательной обмоткой, подключен блок совместного оптимального по потерям активной мощности регулирования общего уровня напряжения на линии электропередачи и реактивной мощности по ее концам. К компенсационной обмотке, размещенной между последовательной обмоткой и основной обмоткой, подключен блок дополнительного регулирования реактивной мощности сетевой обмотки, который подключен к конденсаторной батарее. Управляющие током сетевой обмотки блоки подключены к задатчику режима работы устройства по оптимальному совместному и отдельному регулированию общего уровня напряжения на линии и реактивной мощности по ее концам. Вывод узла соединения между последовательной и общей обмотками подключается к электропередаче.
Конструкция УШРАТ состоит из замкнутого магнитопровода, имеющего стержень 1, торцевые ярма 2, боковые ярма 3, верхний и нижний кольцевые шунты 4, обмотки управления 6, последовательной обмотки 7, компенсационной обмотки 8, общей обмотки 9. Стержень 1 охватывается соответствующими обмотками, которые сверху и снизу прикрываются кольцевыми шунтами, которые улавливают магнитный поток рассеяния и направляют его к ярмам магнитопровода (фиг. 1).
На фиг. 2 показана принципиальная однолинейная схема УШРАТ, на которой сетевая обмотка, состоящая из согласованно включенных последовательной обмотки 7 и общей обмотки 9, включена на фазное напряжение, а компенсационная обмотка 8, соединенная в треугольник в трехфазном исполнении для подавления 3-ей гармонической, имеет фильтры внешних гармонических, состоящих из последовательно соединенных конденсатора 10 и дросселя 11, настроенных в резонанс на частоте подавляемой высшей гармоники. Обмотка управления 6 подключается к управляющему блоку Б1, выход которого формируется на основе встречно включенных тиристоров и служит для изменения режима работы сетевой обмотки.
К компенсационной обмотке 8 подключается блок Б2 дополнительного регулирования реактивной мощности, состоящий из регулятора напряжения на полностью управляемых силовых электронных двунаправленных ключах, способных блокировать прямое и обратное напряжение, позволяющих обеспечить синусоидальность выходного напряжения регулятора методом импульсной модуляции при изменении выходного напряжения от нуля до максимального входного.
Система управления СУ, управляя ключами S1 и S2, производит ШИМ входного напряжения. При этом обеспечивается требуемое регулирование действующего значения выходного напряжения при сохранении его синусоидальности. Для устранения перенапряжений, обусловленных коммутацией ключа, включаются входные LC-фильтры. К выходу блока Б2 подключается батарея конденсаторов 5, емкость которой определяется диапазоном дополнительного регулирования реактивной мощности устройства.
УШРАТ предназначается для компенсации избыточной емкостной мощности, которая генерируется ЛЭП, и глубокого изменения на ней напряжения, осуществляемых по законам оптимального по потерям мощности управления. При введении в структуру УШРАТ блока дополнительного регулирования Б2 с источником емкостной мощности расширяются возможности устройства по автоматическому изменению только реактивной мощности или только напряжению на ЛЭП.
Изменение потребления из ЛЭП реактивной мощности осуществляется путем изменения сопротивления основному магнитному потоку, замыкающемуся в пределах магнитопровода. При увеличении сопротивления возрастает намагничивающая сила (ток) сетевой обмотки УШРАТ. Увеличение тока обмотки управления 6 вызывает вымещение магнитного потока из стержня 1 в зазор между обмотками. При этом последовательная обмотка 7 теряет сцепление с основным магнитным потоком и в ней не индуцируется э.д.с., направленная встречно приложенному напряжению. Тогда потенциал начала обмотки 7 сообщается его концу и напряжение, приложенное к сетевой обмотке УШРАТ, переходит к выводу узла соединения последовательной и общей обмоток 12, то есть передается линии. УШРАТ в этом режиме не действует как понижающий автотрансформатор (для отправного конца линии), а потребляет из линии максимальную реактивную мощность.
Для осуществления оптимального по потере активной мощности режима дальней линии электропередачи необходимо изменять напряжение в ее конечных узлах в соответствии с выражением
m
m
где U - напряжение в начале (конце) линии, Р - активная мощность в начале (конце) линии, g - параметр, определяемый обобщенными постоянными линии.
При этом реактивная мощность УШРАТ по концам линии должна изменяться по выражению
m
m
m
где Q - мощность реактора в начале (конце) линии, U - оптимальное значение напряжения в начале (конце) линии, определяемое по (1), b - параметр, зависящий от обобщенных постоянных линии.
m
m
Параметры g и b определяются по формулам
где  - обобщенные постоянные линии [Веников В.А., Сиуда И.П. Расчеты режимов дальних электропередач переменного тока. «Высшая школа», 1966].
7
9
Оптимальное по потерям значение напряжения на линии (выражение (1)) устанавливается управляющим блоком Б1 путем вымещения магнитного потока из стержня 1, то есть из зоны расположения последовательной обмотки 7. Обмотка 6 замыкается управляемыми тиристорами блока Б1 для создания условий необходимого вымещения магнитного потока из стержня 1. Напряжение короткого замыкания УШРАТ по обмотке управления 6 должно составлять значительную величину (порядка 100%). Последнее достигается соответствующим расположением сетевой и управляющей обмоток. Большая часть сетевой обмотки располагается на магнитопроводе с большим зазором по отношению к обмотке управления 6 (см. фиг. 1). Последовательная обмотка 7, которая является составной частью сетевой обмотки, имеет меньший зазор с обмоткой 6. Однако, при учете соотношений числа витков обмоток 7 и 9 W=(0,25÷0,3)×W величина напряжения короткого замыкания будет определяться числом витков обмотки 9, тем более что действие обмотки 7 исключается при повышении реактивного тока УШРАТ.
При малой загрузке линии УШРАТ работает как автотрансформатор с коэффициентом трансформации
где  - э.д.с., индуцируемые основным магнитным потоком соответственно в последовательной 7 и общей 9 обмотках. При вытеснении магнитного потока из стержня 1 происходит снижение э.д.с.  и увеличение коэффициента  и соответственно напряжения на выводе узла соединения обмоток 7 и 9.
7
9
7
7
9
Следует заметить, что повышение коэффициента  при увеличении тока обмотки управления 6 приводит к снижению эквивалентного числа витков сетевой обмотки W+W из-за снижения сцепления обмотки W с основным магнитным потоком. При короткозамкнутой обмотке 6 можно принять условие W=0 и напряжение фазы полностью прилагается к общей обмотке W. Увеличение коэффициента  должно сопровождаться дополнительным увеличением реактивного тока, потребляемого УШРАТ из ЛЭП, исходя из соотношения
где  - напряжение фазы;
- реактивная проводимость УШРАТ.
m
m
d
d
d
d
Анализ зависимостей оптимальных по потерям значений напряжения U и реактивной мощности Q по концам электропередачи 750 кВ длиной 1500 км показал, что в пределах регулирования передаваемой мощности до 0,4÷0,6 ее натуральной величины диапазоны необходимых изменений напряжения U и реактивной мощности Q (отнесенные к номинальным величинам) совпадают по величине U/Q≅1 [Веников В.А., Сиуда И.П. Расчеты режимов дальних электропередач переменного тока. «Высшая школа», 1966].
m
m
m
m
m
m
Конструкция УШРАТ позволяет одновременно реализовать оптимальные значения напряжения и реактивной мощности в требуемом диапазоне и приведенном выше соотношении. Однако точная установка значений U и Q посредством одного действия - вымещения основного магнитного потока из стержня магнитопровода - не всегда возможна из-за поправок параметров U и Q (изменение обобщенных постоянных, схемы ЛЭП). Конструкция УШРАТ рассчитывается на определенное соотношение одновременных изменений напряжения и реактивной мощности по мере вымещения указанного магнитного потока. Это соотношение остается неизменным во всех режимах работы устройства. Поэтому блок совместного регулирования напряжения и реактивной мощности приоритетно устанавливает напряжение на линии U, а затем, если реактивная мощность не отвечает значению Q, блок дополнительного регулирования реактивной мощности Б2 вырабатывает управляющее воздействие на изменение реактивной мощности устройства
2
α
m
Q=Q-Q,
α
где Q - текущее значение реактивной мощности устройства.
При этом предусматривается возможность снижения или увеличения емкостной мощности посредством изменения напряжения на батарее конденсаторов.
Изменение магнитного потока в стержне 1 вызывает изменение напряжения и реактивной мощности устройства. Для изменения только напряжения на ЛЭП необходимо компенсировать в процессе регулирования изменение реактивной мощности устройства путем воздействия на блок Б2, изменяющим напряжение на батарее конденсаторов для стабилизации реактивной мощности сетевой обмотки.
При постоянном напряжении на линии (действие блока Б1 исключено) реактивная мощность устройства может регулироваться воздействием на увеличение (снижение) напряжения на емкостной батарее, осуществляемое блоком Б2.
m
m
Выдача реактивной (емкостной) мощности устройством возможна при достаточной мощности конденсаторной батареи блока Б2, так как такой режим требует полной компенсации индуктивной мощности устройства в исходном режиме. При малых значениях U и Q текущего режима УШРАТ способен выполнять функции компенсатора реактивной мощности.
Управляющие током сетевой обмотки блоки Б1 и Б2 подключены к задатчику режима работы устройства 13, выполняющему функции ведения оптимального по потерям активной мощности режима электропередачи по выражениям (1) и (2), с учетом изменения потребления устройством реактивной мощности по (3). На принципиальной электрической схеме УШРАТ (фиг. 2) показаны соединения задатчика режима с блоками Б1 и Б2 и каналом информации о режиме ЛЭП.
При изменении условий работы электропередачи (изменение схемы, параметров элементов и т.п.) устройство может регулировать только напряжение или только реактивную мощность. Возможна его работа в режиме синхронного компенсатора при малом собственном потреблении реактивной мощности.
На фиг. 3 показана схема включения электропередачи сверхвысокого напряжения 14 между узлами соединения последовательной и общей обмоток 12 УШРАТ передающей и приемной энергосистем. Шины этих энергосистем 15 соединены с началами последовательных обмоток 7 УШРАТ посредством коммутационных аппаратов 16. В отправном конце линии УШРАТ работает на понижение напряжения, а в приемном конце - на повышение напряжения, до уровня напряжения шин приемного узла.
Предлагаемое устройство - УШРАТ позволяет осуществить оптимальное управление сверхдальними ЛЭП сверхвысокого напряжения, которое базируется на одновременном глубоком регулировании общего уровня напряжения и потребления избыточной реактивной мощности, генерируемой линией. При этом изменение коэффициента трансформации УШРАТ производится бесконтактным способом путем изменения сцепления основного магнитного потока с последовательной обмоткой 7. В особых режимах электропередачи устройство может осуществлять глубокое регулирование общего уровня напряжения, либо регулирование только реактивной мощности.
Использование УШРАТ в сверхдальних ЛЭП позволяет реализовать:
- передачу энергии без промежуточных устройств компенсации реактивной мощности;
- успешное внедрение ЛЭП повышенной натуральной мощности;
- значительное снижение потерь активной мощности;
- более гибкое управление нормальными и послеаварийными режимами электропередачи.