СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФАЗОПОВОРОТНЫМ УСТРОЙСТВОМ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ В ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD OF CONTROLLING PHASE-ROTATION DEVICE IN CASE OF SHORT-CIRCUIT IN POWER TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к управлению фазоповоротными устройствами (ФПУ). ФПУ представляет собой электротехнический комплекс, предназначенный для изменения величины и фазы вольтодобавочного напряжения, вводимого последовательно в линию электропередачи (ЛЭП). ФПУ могут использоваться в электрических сетях переменного тока всех классов напряжения для гибкого регулирования потоков мощности, а также регулирования и стабилизации напряжения в узлах электрической сети.
ФПУ известны и широко применяются в электроэнергетике. Основным элементом ФПУ является вольтодобавочный трансформатор, вторичная (сетевая) обмотка которого включается последовательно в рассечку линии электропередачи. Возбуждение вольтодобавочного трансформатора с целью создания и регулирования напряжения на сетевой обмотке осуществляется путем подключения его первичных (шунтовых) обмоток параллельно к линии электропередачи посредством коммутационных устройств, среди которых наиболее надежными и быстродействующими являются полупроводниковые тиристорные коммутаторы.
Известен способ управления ФПУ, по которому задают конечное состояние тиристорного коммутатора, вводят ограничения на поэтапное переключение тиристорного коммутатора из текущего состояния в заданное конечное, выбирают допустимую последовательность поэтапного переключения, удовлетворяющую заданным ограничениям, по меньшей мере, на величину выходного напряжения фазоповоротного устройства в процессе поэтапной коммутации, измеряют токи тиристорного коммутатора и выполняют его поэтапное переключение в соответствии с выбранной последовательностью, снимают импульсы управления со всех тиристоров одной переключаемой фазы тиристорного коммутатора, фиксируют наличие нулевого тока в переключаемой фазе тиристорного коммутатора в течение временного интервала, длительность которого превышает время восстановления тиристоров, подают импульсы управления на включение тиристоров этой фазы в новое, согласно выбранной последовательности, состояние и проводят последовательное переключение каждой следующей фазы тиристорного коммутатора до окончания процесса переключения всех фаз тиристорного коммутатора в заданное конечное состояние [патент RU на изобретение №2577190, публ. 10.03.2016].
Недостаток прототипа - высокий уровень токов тиристорного коммутатора ФПУ в режиме короткого замыкания линии электропередачи при реализации управления ФПУ в соответствии со способом-прототипом. При этом для обеспечения надежной и безотказной работы тиристорного коммутатора и ФПУ в целом необходимо использование в составе тиристорного коммутатора тиристоров с высоким запасом по току, а в ряде случаев и специальных токоограничивающих элементов, что значительно увеличивает конечную стоимость устройства.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение надежной и безотказной работы тиристорного коммутатора ФПУ в режиме короткого замыкания линии элекропередачи.
Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является многократное снижение токов тиристорного коммутатора ФПУ, исключение длительных перенапряжений на элементах тиристорного коммутатора в режиме короткого замыкания линии электропередачи и, как следствие, существенное уменьшение стоимости устройства за счет исключения из состава тиристорного коммутатора токоограничивающих элементов и возможности применения тиристоров, рассчитанных на значительно более низкие токи и напряжения.
Технический результат достигается тем, что в способе управления фазоповоротным устройством при коротком замыкании в линии электропередачи, осуществляемого путем переключения тиристорным коммутатором шунтовых обмоток трансформатора, наводящих вольтодобавочное напряжение на его сериесной обмотке, заключающемся в том, что задают конечное состояние тиристорного коммутатора, измеряют токи тиристорного коммутатора, выполняют его переключение в заданное конечное состояние за счет снятия импульсов управления со всех тиристорных ключей одной переключаемой фазы тиристорного коммутатора, фиксируют нулевой ток в переключаемой фазе тиристорного коммутатора в течение временного интервала, длительность которого превышает время восстановления тиристорных ключей, подают импульсы управления на включение тиристорных ключей этой фазы в заданное конечное состояние тиристорного коммутатора, при этом начало процесса переключения тиристорного коммутатора инициируют как факт появления режима короткого замыкания в момент превышения током линии электропередачи порогового значения, а заданное конечное состояние тиристорного коммутатора устанавливают таким, при котором тиристорный коммутатор отключается от линии электропередачи, а одна или несколько шунтовых обмоток трансформатора замыкаются накоротко.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом фиг. 1, где изображена структура устройства, реализующего способ управления фазоповоротным устройством при коротком замыкании в линии электропередачи.
На фиг. 2 приведен пример функциональной схемы одной фазы фазоповоротного устройства, включенного в линию электропередачи между питающей сетью и нагрузкой.
На фиг. 3 представлена таблица состояний управляемых ключей тиристорного коммутатора фазоповоротного устройства при которых тиристорный коммутатор отключается от линии электропередачи, а одна или несколько шунтовых обмоток трансформатора замыкаются накоротко.
Фиг. 1 содержит десять функциональных блоков. Блок 1 выбора маршрута переключения своим первым входом подключен к выходу блока 2 задания требуемого состояния фазоповоротного устройства, вторым входом - к выходу блока 3 задания характеристик маршрута переключения, третьим входом - к первому выходу блока 4 управления тиристорным коммутатором. Выход блока 1 выбора маршрута переключения подключен к первому входу блока 4 управления тиристорным коммутатором, при этом второй выход блока 4 подключен к входу тиристорного коммутатора 5. В составе тиристорного коммутатора 5 находится блок 6 датчиков тока тиристорного коммутатора. Три выхода блока 6 датчиков тока тиристорного коммутатора подключены к первому, второму и третьему входам блока 7 слежения за током. К четвертому и пятому входам блока 7 слежения за током подключены соответственно выход блока 8 данных о параметрах силовых компонентов фазоповоротного устройства и третий выход блока 4 управления тиристорным коммутатором. Первый и второй выходы блока 7 слежения за током подключены к второму и третьему входам блока 4 управления тиристорным коммутатором. Вход блока 2 задания требуемого состояния фазоповоротного устройства подключен к первому выходу блока 9 автоматического управления энергосистемой или подстанцией, второй выход которого подключен к входу блока 3 задания характеристик маршрута переключения. К шестому, седьмому и восьмому входам блока 7 слежения за током подключены первый, второй и третий выходы блока датчиков токов фаз линии электропередачи 10.
Заявляемый способ управления осуществляется следующим образом.
Управление ФПУ обеспечивает его переходы из состояния, называемого начальным, с одними величинами выходного напряжения и фазового сдвига, в другое состояние, задаваемое блоком 2 задания требуемого состояния фазоповоротного устройства, называемое конечным, с другими величинами выходного напряжения и фазового сдвига. Изменение выходного напряжения и фазового сдвига ФПУ обеспечивается изменением состава и полярности включения шунтовых обмоток вольтодобавочного трансформатора в каждой фазе ФПУ, осуществляемого тиристорным коммутатором 5 за счет изменения его состояния посредством управления входящих в его состав тиристорных ключей. Блок 2 в свою очередь получает информацию о требуемом состоянии фазоповоротного устройства от блока 9 автоматического управления энергосистемой или подстанцией. Кроме указанной информации блок 9 также формирует дополнительные требования к характеристикам процесса изменения состояния ФПУ, которые он передает в блок 3 задания характеристик маршрута переключения. К данным характеристикам могут относиться: ограничение величины выходных напряжений ФПУ в процессе поэтапной коммутации шунтовых обмоток трансформатора, число переключений шунтовых обмоток трансформатора, число коммутаций тиристорных ключей, максимальная скорость изменения выходного напряжения и фазы в процессе изменения состояния ФПУ, суммарно накопленный фазовый сдвиг и др. Анализ информации, получаемой от блоков 2 и 3, и определение, если в этом есть необходимость, промежуточных состояний, через которые будет двигаться ФПУ при переходе из начального (текущего) состояния в конечное, задаваемое блоком 2, осуществляет блок выбора маршрута переключения 1. Блок 1 определяет необходимость изменения текущего состояния ФПУ и посредством выбора соответствующего маршрута переключения обеспечивает достижение характеристик, задаваемых блоком 3 задания характеристик маршрута переключения. В процессе управления ФПУ блок 1 передает в блок 4 управления тиристорным коммутатором информацию о требуемом состоянии тиристорного коммутатора 5. Блок 4 осуществляет непосредственное управление тиристорным коммутатором 5. При отсутствии со стороны блока 1 запроса на изменение состояния тиристорного коммутатора 5 блок 4 вырабатывает импульсы управления, поддерживающие ранее заданное состояние тиристорного коммутатора 5 и, соответственно, ранее заданное блоком 2 требуемое состояние ФПУ. Информация о текущем состоянии тиристорного коммутатора возвращается блоком 4 в блок 1 выбора маршрута переключения. При появлении со стороны блока 1 запроса на изменение состояния тиристорного коммутатора 5 блок 4 осуществляет пофазное переключение тиристорного коммутатора 5. Для организации переключения блок 4 снимает импульсы управления с тиристорных ключей одной фазы тиристорного коммутатора 5 и формирует в блок 7 слежения за током сигнал о выключении импульсов управления этой фазы. Блок 7 слежения за током по сигналу от блока 4 снимает со своего первого выхода сигнал разрешения включения тиристорных ключей переключаемой фазы тиристорного коммутатора 5, который поступает в блок 4, принимает сигнал о мгновенном значении тока в переключаемой фазе тиристорного коммутатора 5, поступающий с выхода блока датчиков тока 6, и определяет момент времени, когда ток, протекающий через управляемые ключи переключаемой фазы становится равным нулю. На основе информации, поступающей от блока 8 данных о параметрах силовых компонентов ФПУ, блок 7 определяет временную задержку на разрешение переключения фазы тиристорного коммутатора 5 в новое состояние, которая должна быть выдержана после фиксации нулевого тока в переключаемой фазе тиристорного коммутатора 5. Данная временная задержка необходима для исключения возможных коротких замыканий в переключаемой фазе тиристорного коммутатора 5 вследствие неготовности тиристорных ключей к переключению этой фазы в новое состояние. По истечении временной задержки блок 7 формирует в блок 4 сигнал о разрешении включения тиристорных ключей переключаемой фазы, и блок 4 подает импульсы управления на включение тиристорных ключей в соответствии с новым состоянием тиристорного коммутатора 5. После переключения одной фазы тиристорного коммутатора 5 блок 4 проводит аналогичные действия в оставшихся фазах тиристорного коммутатора 5 до тех пор, пока все фазы тиристорного коммутатора 5 не будут переведены в новое состояние.
В процессе работы ФПУ блок 7 слежения за током непрерывно контролирует мгновенные значения токов в каждой фазе линии электропередачи, поступающие в блок 7 с выходов блока датчиков токов фаз линии электропередачи 10, и сравнивает их с устанавливаемым пороговым значением, определяющим факт появления режима короткого замыкания, задаваемым в блок 7 с выхода блока 8 данных о параметрах силовых компонентов ФПУ. В случае, если блок 7 слежения за током фиксирует достижение или превышение током какой-либо из фаз линии электропередачи, а соответственно и ФПУ, установленного блоком 8 порогового значения, что соответствует появлению режима короткого замыкания в линии электропередачи, со второго выхода блока 7 в блок 4 управления тиристорным коммутатором поступает информация о необходимости переключения данной фазы тиристорного коммутатора 5 в защитное состояние, при котором эта фаза тиристорного коммутатора 5 отключается от линии электропередачи, а одна или несколько шунтовых обмоток трансформатора в этой фазе ФПУ замыкаются накоротко, формируя при этом нулевое напряжение вольтодобавки на сериесной обмотке ФПУ. На примере ФПУ, приведенном на фиг. 2, подобное состояние может быть реализовано путем переключения тиристорных ключей VS1-VS8, входящих в состав тиристорного коммутатора 5, в соответствии с таблицей, приведенной на фиг. 3. В таблице включенному состоянию тиристорного ключа соответствует обозначение «вкл», выключенному состоянию - «выкл». Переключение тиристорного коммутатора в любое из состояний таблицы фиг. 3 осуществляется блоком управления 4 тиристорным коммутатором в соответствии с вышеописанной последовательностью изменения состояния тиристорного коммутатора 5. Однако в отличие от штатной работы ФПУ, когда переключение тиристорного коммутатора инициируется блоком 1 выбора маршрута переключения, в режиме короткого замыкания линии электропередачи переключение, по крайней мере, одной из фаз тиристорного коммутатора 5 инициирует блок слежения за током 7. Указанная фаза тиристорного коммутатора будет находится в защитном состоянии до тех пор, пока ток в данной фазе, контролируемый блоком 7 посредством блока 10, превышает пороговое значение, соответствующее режиму короткого замыкания. После снижения тока линии электропередачи ниже порогового значения, означающее отсутствие режима короткого замыкания в линии электропередачи, управление фазой тиристорного коммутатора возвращается к штатному режиму по сигналам блоков 9, 2, 3, 1. В зависимости от топологии построения конкретного ФПУ, а также от требований к функционированию устройства на объекте установки при возникновении короткого замыкания в одной из фаз линии электропередачи могут переводится в защитное состояние сразу все фазы тиристорного коммутатора 5 ФПУ независимо от режима и параметров работы других фаз линии электропередачи.
В отличие от способа-прототипа, предлагаемый способ управления позволяет значительно снизить токи, протекающие в тиристорном коммутаторе 5 при коротком замыкании линии электропередачи. При этом наиболее эффективным с точки зрения уменьшения токов будет переключение тиристорного коммутатора 5 в такое состояние, при котором суммарное число витков согласно включенных шунтовых обмоток в соответствующей фазе вольтодобавочного трансформатора будет максимальным. В таблице фиг. 3 данное состояние тиристорного коммутатора 5 при таком соотношении чисел витков шунтовых обмоток трансформатора, что W11<W12<W13, имеет номер 5. Также следует отметить, что предлагаемый способ в виду замыкания накоротко шунтовых обмоток вольтодобавочного трансформатора при коротком замыкании линии электропередачи позволяет избежать длительного воздействия повышенного напряжения на тиристорные ключи тиристорного коммутатора 5, которое проявлялось бы, например, в случае, если все тиристорные ключи тиристорного коммутатора 5 ФПУ при коротком замыкании линии электропередачи были переведены в выключенное состояние. Поскольку оборудование ФПУ в обязательном порядке выбирается исходя из наихудших возможных режимов работы, к одному из которых относится режим короткого замыкания линии электропередачи, предлагаемый способ позволяет значительно снизить требования к элементам тиристорного коммутатора 5 ФПУ и избежать применения дополнительных токоограничивающих устройств.
Таким образом, осуществление совокупности признаков заявляемого способа управления ФПУ обеспечивает достижение указанного технического результата.