Компенсированная система электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии
OFFSETTING ELECTRICAL POWER SUPPLY SYSTEM FOR THE ELECTRIC ENERGY REMOTE CONSUMERS

Изобретение относится к системам электроснабжения на основе силовой преобразовательной техники и может быть использовано для питания удаленных потребителей переменного тока, например, в качестве систем электроснабжения буровых установок (БУ) нефтегазодобывающего комплекса.
Известна некомпенсированная система электроснабжения буровых установок нефтегазодобывающего комплекса (Абрамов Б.И., Коган А.И., Бреслав Б.М. и др. Частотно-регулируемый электропривод буровых установок БУ-4200/250 // Электротехника. - №1, 2009, с. 8-13, рис. 2). В этой системе использован частотно-регулируемый электропривод главных механизмов буровых установок. Система содержит питающую сеть в виде источника трехфазного переменного напряжения (понижающую подстанцию) и воздушной линии электропередачи (ЛЭП) протяженностью не более трех километров, двенадцатифазный диодный некомпенсированный выпрямитель, распределительное устройство постоянного тока, от которого посредством автономных инверторов напряжения осуществляется питание двигателей буровых насосов, роторного ствола, буровой лебедки, цементировочных насосов и др. В указанной системе электроснабжения используются простые асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Однако такая система имеет ряд существенных недостатков, а именно значительное потребление из питающей сети реактивной мощности и резко снижающиеся показатели качества электрической энергии, как в питающей сети, так и у потребителя при возрастании длины ЛЭП. Это не позволяет осуществлять электроснабжение удаленных от источника питания потребителей электрической энергии.
Известна компенсированная система электроснабжения потребителей электрической энергии (RU 2400917, МПК Н02М 7/68, опубл. 27.09.2010, Бюл. №27 "Компенсированная система электроснабжения разночастотных потребителей электрической энергии", Ю.И. Хохлов, М.Ю. Федорова, С.А. Чупин). Эта система построена на основе двенадцатифазного диодного компенсированного выпрямителя с включенным в его состав компенсирующим устройством, осуществляющим опережающую искусственную коммутацию вентилей с помощью конденсаторов, перезаряжаемых токами пятой и седьмой гармоник. Потребители электрической энергии в данной системе выполнены в виде автономных инверторов и трехфазных электрических двигателей переменного тока.
Данная система, выбранная в качестве ближайшего аналога, имеет малую установленную мощность оборудования и высокую эффективность использования компенсирующего устройства за счет работы его на частотах 250 и 350 Гц, обеспечивает компенсацию потребляемой из питающей сети выпрямителем реактивной мощности и обладает повышенной жесткостью внешней характеристики выпрямителя. Последнее повышает стабильность выпрямленного напряжения на входных выводах автономных инверторов, а, следовательно, и на их выходных выводах, т.е. на потребителях электрической энергии при широком диапазоне изменения тока нагрузки. В результате увеличивается возможное расстояние от источника трехфазного переменного напряжения (понижающей подстанции) до потребителей при допустимом уровне снижения напряжения. При питании буровых установок по воздушным ЛЭП это расстояние может составлять 4-5 км. Однако при имеющихся на практике еще больших длинах воздушных ЛЭП (в нефтегазодобывающем комплексе длины ЛЭП могут составлять 10 и более километров) степень компенсации реактивной мощности в системе оказывается недостаточной из-за малой степени компенсации реактивного сопротивления линии. При большой длине ЛЭП значительно возрастает падение напряжения как на индуктивном, так и на активном ее сопротивлениях. Отсутствие возможности регулирования напряжения и недостаточная степень компенсированности в линии приводит к тому, что в номинальном режиме работы нагрузки до недопустимых пределов снижается уровень напряжения в конце ЛЭП и, соответственно, на потребителях электрической энергии. В результате на буровых установках затрудняется процесс бурения. Простое повышение напряжения источника трехфазного переменного напряжения не может решить данную проблему. Это связано с тем, что в этом случае в режимах холостого хода БУ на основных и всех расположенных в районе БУ потребителях возникают перенапряжения, приводящие к аварийной ситуации на буровых установках.
Изобретение решает задачу создания возможности эффективного и надежного электроснабжения по ЛЭП переменного тока с большими величинами активного и индуктивного сопротивлений потребителей электрической энергии в виде автономных инверторов и трехфазных электрических двигателей переменного тока, расположенных на большом расстоянии от источника трехфазного переменного напряжения промышленной частоты (удаленных потребителей) с одновременным повышением энергетических показателей и качества электрической энергии в системе электроснабжения.
Для решения этой задачи в системе электроснабжения, содержащей питающую сеть в виде источника трехфазного переменного напряжения промышленной частоты и трехфазную ЛЭП с подключенным в конце линии p-фазным компенсированным выпрямителем с включенным в его состав компенсирующим устройством, осуществляющим опережающую искусственную коммутацию вентилей с помощью конденсаторов, перезаряжаемых токами пятой и седьмой гармоник, причем с включенными на выходе p-фазного выпрямителя потребителями электрической энергии в виде автономных инверторов и трехфазных электрических двигателей переменного тока, согласно изобретению на входе трехфазной линии электропередачи включен дополнительно введенный электронный регулятор потока мощности, содержащий подключенный первичной трехфазной обмоткой параллельно к источнику трехфазного переменного напряжения первый трансформатор, вторичная трехфазная обмотка которого подключена к входу трехфазного мостового выпрямителя, выходные зажимы которого посредством параллельно включенного конденсатора подключены к входу трехфазного автономного инвертора напряжения с управляемой синусоидальной широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения, подаваемого на первичную трехфазную обмотку второго трехфазного трансформатора, вторичная трехфазная обмотка которого включена пофазно последовательно с трехфазной линией электропередачи. Кроме того, дополнительно с целью снижения уровня высших гармоник напряжения в предлагаемой системе на входе p-фазного компенсированного выпрямителя может быть включен параллельный пассивный фильтр либо p-1 гармоники, либо p-1 и p+1 гармоник.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1а и 2а представлены принципиальные однолинейные схемы вариантов компенсированной системы электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии, соответственно при отсутствии и наличии параллельного пассивного фильтра высших гармоник. На фиг. 1б и 2б приведены векторные диаграммы, поясняющие процесс управления системами электроснабжения.
Компенсированная система электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии содержит источник трехфазного переменного напряжения 1 (понижающая подстанция), трехфазную линию электропередачи 2, p-фазный компенсированный выпрямитель 3, потребители электрической энергии 4 в виде автономных инверторов напряжения 5 и трехфазных электрических двигателей переменного тока 6, электронный регулятор потока мощности 7 в виде параллельно включенного первого трехфазного трансформатора 8, трехфазного мостового выпрямителя 9, конденсатора 10, трехфазного автономного инвертора напряжения с управляемой синусоидальной широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения 11 и последовательно включенного второго трехфазного трансформатора 12, параллельный пассивный фильтр высших гармоник 13.
y
S
R
y
y
Работа предлагаемой компенсированной системы электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии осуществляется следующим образом. После подключения системы к источнику напряжения 1 переменное трехфазное напряжение через вторичные фазные обмотки трансформатора 12 и ЛЭП 2 подается на компенсированный выпрямитель 3, а также на первичную обмотку трансформатора 8. Компенсированный выпрямитель 3, работающий в режиме искусственной коммутации вентилей осуществляет компенсацию потребляемой им реактивной мощности и посредством автономных инверторов напряжения 5 обеспечивает питание электрических двигателей 6 потребителей электрической энергии 4. Напряжение вторичной обмотки трансформатора 8 через выпрямитель 9, конденсатор 10 и автономный инвертор напряжения 11 с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения подается на первичную обмотку трансформатора 12. В результате на вторичных фазных обмотках трансформатора 12 формируются управляемые инвертором по амплитуде и фазе фазные напряжения (вектора U на диаграммах на фиг. 1б и фиг. 2б). Эти напряжения добавляются к фазным напряжениям источника переменного трехфазного напряжения 1 (вектор U на диаграммах на фиг. 1б и фиг. 2б). Результирующие напряжения (вектора U на диаграммах на фиг. 1б и фиг. 2б) подаются на компенсированный выпрямитель 3. Для повышения напряжения на потребителях 4, когда оно снижается до недопустимых пределов, фазу управляемых напряжений инвертора (ψ на фиг. 1б и фиг. 2б) изменяют на практике в диапазоне от 0 до 90 эл. град. Для ограничения напряжения на потребителях в режиме холостого хода БУ указанную фазу приближают к 180 эл. град. Таким образом, работой регулятора 7 обеспечивается необходимое надежное управление напряжением на потребителях 4. Одновременно, как следует из векторных диаграмм на фиг. 1б и 2б, при положительных углах ψ регулятор обеспечивает компенсацию реактивной мощности в линии электропередачи (см. углы сдвига фаз тока в ЛЭП по отношению к напряжению источника трехфазного переменного напряжения ϕ' и ϕ'' на фиг. 1б и фиг. 2б). Параллельный пассивный фильтр высших гармоник 13 снижает уровень высших гармоник, генерируемых компенсированным выпрямителем 3.
Технико-экономический эффект от применения предлагаемой компенсированной системы электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии определяется значительным увеличением допустимого расстояния от понижающей подстанции до потребителей электрической энергии, таких как буровые установки нефтегазодобывающего комплекса. При этом отпадает необходимость строительства дополнительных понижающих подстанций, поскольку каждая питающая подстанция может обслужить большее число буровых установок, что приводит к значительному снижению капитальных затрат. Кроме того, за счет полной компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения и нормализации качественных показателей электрической энергии обеспечивается существенный как энергосберегающий, так и технологический эффект.