Фазоповоротное устройство
PHASE-SHIFTING DEVICE

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях для гибкого регулирования и стабилизации напряжения в электрической сети, повышения пропускной способности существующих линий и повышения динамической устойчивости энергетической системы за счет изменения величины напряжения, вводимого последовательно в линию электропередачи (ЛЭП).
Известно фазоповоротное устройство (ФПУ) (патент RU на изобретение №106060, публ. 27.06.2011, бюл. №18, МПК Н03Н 7/18), содержащее в своем составе сериесный трансформатор, каждая фаза сетевой обмотки которого подключена последовательно в соответствующую фазу линии электропередачи (ЛЭП), шунтовой трансформатор, каждая фаза первичной обмотки которого подключена к соответствующей фазе ЛЭП, коммутатор, к входам которого подключены вторичные обмотки шунтового трансформатора, а к выходам подключены вентильные обмотки сериесного трансформатора ФПУ. Каждая фаза коммутатора содержит последовательно соединенные мосты, в свою очередь, содержащие по четыре управляемых ключа, посредством управления состоянием которых осуществляют коммутацию вторичных обмоток шунтового трансформатора к вентильным обмоткам сериесного трансформатора. За счет различных коэффициентов трансформации вторичных обмоток в каждой фазе шунтового трансформатора и соответствующего управления управляемых ключей коммутатора на сетевой обмотке каждой фазы сериесного трансформатора формируется напряжение различной величины.
Недостатками данного технического решения являются пониженный КПД устройства из-за большого количества управляемых ключей коммутатора, находящихся в проводящем состоянии при формировании на сетевой обмотке сериесного трансформатора требуемого уровня напряжения, а также высокая стоимость ФПУ за счет необходимости применения большого количества элементов теплоотвода и сложной конструкции ФПУ в целом.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является фазоповоротное устройство (патент RU на изобретение №2655922, публ. 30.05.2018, бюл. №16, МПК Н02Н 7/18, МПК H02J 3/18), содержащее сериесный трансформатор сетевые обмотки которого включены последовательно в ЛЭП, шунтовой трансформатор, первичные обмотки которого подключены к соответствующей фазе ЛЭП, коммутатор, к входам которого подключены вторичные обмотки шунтового трансформатора, а к выходам вентильные обмотки сериесного трансформатора. Каждая фаза коммутатора состоит из двух одинаковых параллельно включенных ветвей, содержащих последовательное соединение управляемых ключей. Формирование различных уровней напряжения на сетевой обмотке каждой фазы сериесного трансформатора обеспечивается за счет различных коэффициентов трансформации вторичных обмоток каждой фазы шунтового трансформатора и соответствующего управления управляемыми ключами коммутатора.
Недостатками данного технического решения является малое количество различных уровней напряжения, формируемых на сетевой обмотке каждой фазы сериесного трансформатора при фиксированном количестве вторичных обмоток шунтового трансформатора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение количества дискретных уровней напряжения на каждой фазе сетевой обмотки сериесного трансформатора, что приводит к более плавному регулированию напряжения вводимого с помощью ФПУ в линию электропередачи с сохранением высокого КПД ФПУ.
Технический результат заключается в увеличении количества уровней напряжения, формируемых на сетевой обмотке каждой фазы сериесного трансформатора, при заданном количестве вторичных обмоток шунтового трансформатора с сохранением высокого КПД ФПУ.
Это достигается тем, что известное фазоповоротное устройство, содержащее коммутатор, шунтовый трансформатор, сериесный трансформатор, каждая фаза сетевой обмотки которого включена последовательно в соответствующую фазу линии электропередачи, а его вентильные обмотки подключены к соответствующим фазным выходам коммутатора, каждая фаза которого состоит из двух одинаковых параллельно включенных ветвей, снабженных последовательно соединенными управляемыми ключами, общие точки соединения которых симметрично расположены на параллельных ветвях коммутатора и являются входами коммутатора для соответствующего подключения каждой из вторичных обмоток шунтового трансформатора, а общие точки соединения двух параллельных ветвей коммутатора образуют выходы коммутатора, при этом первичная обмотка каждой фазы шунтового трансформатора подключена к соответствующей фазе линии электропередачи, а одноименные выводы вторичных обмоток каждой фазы шунтового трансформатора подключены к соответствующим входам коммутатора, расположенным на одной из параллельных ветвей, снабжено дополнительными управляемыми ключами, включенными между разноименными выводами вторичных обмоток шунтового трансформатора, одноименные выводы которых разделены на параллельных ветвях коммутатора управляемым ключом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема фазоповоротного устройства, а на фиг. 2 приведена таблица состояний управляемых ключей коммутатора, определяющих уровень напряжения, формируемого на сетевой обмотке сериесного трансформатора.
Фазоповоротное устройство содержит сериесный трансформатор 1 с сетевой обмоткой 2 и вентильной обмоткой 3, шунтовой трансформатор 4 с первичной обмоткой 5 и первой 6, второй 7 и третьей 8 вторичными обмотками, а также коммутатор 9. При этом сетевая обмотка 2 сериесного трансформатора 1 включена последовательно в фазу линии электропередачи и соединена с одним из выводов первичной обмотки 5 шунтового трансформатора 4, а первичная обмотка 5 шунтового трансформатора 4 подключена параллельно фазе линии электропередачи.
Коммутатор 9 содержит первую 10 и вторую 11 параллельные ветви, соединенные в первой 12 и второй 13 общих точках, причем первая общая точка 12 является первым выходом коммутатора 9 и подключена к одному из выводов вентильной обмотки 3 сериесного трансформатора 1, а вторая общая точка 13 является вторым выходом коммутатора 9 и подключена к другому выводу вентильной обмотки 3 сериесного трансформатора 1.
Первая параллельная ветвь 10 содержит последовательно соединенные первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый 17 управляемые ключи, вторая параллельная ветвь 11 содержит последовательно соединенные пятый 18, шестой 19, седьмой 20 и восьмой 21 управляемые ключи. При этом первая вторичная обмотка 6 шунтового трансформатора 4 своим началом подключена к первому входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения первого 14 и второго 15 управляемых ключей первой параллельной ветви 10 коммутатора 9, а своим концом подключена ко второму входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения пятого 18 и шестого 19 управляемых ключей второй параллельной ветви 11 коммутатора 9. Начало второй вторичной обмотки 7 шунтового трансформатора 4 подключено к третьему входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения второго 15 и третьего 16 управляемых ключей первой параллельной ветви 10 коммутатора 9, а ее конец подключен к четвертому входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения шестого 19 и седьмого 20 управляемых ключей второй параллельной ветви 11 коммутатора 9. Начало третьей вторичной обмотки 8 шунтового трансформатора 4 подключено к пятому входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения третьего 16 и четвертого 17 управляемых ключей первой параллельной ветви 10 коммутатора 9, а ее конец подключен к шестому входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения седьмого 20 и восьмого 21 управляемых ключей второй параллельной ветви 11 коммутатора 9. В состав коммутатора 9 также входят первый 22, второй 23, третий 24, четвертый 25 дополнительные управляемые ключи. При этом первый дополнительный управляемый ключ 22 подключен между первым и четвертым входами коммутатора 9, второй дополнительный управляемый ключ 23 подключен между вторым и третьим входами коммутатора 9, третий дополнительный управляемый ключ 24 подключен между третьим и шестым входами коммутатора 9, а четвертый дополнительный управляемый ключ 25 подключен между четвертым и пятым входами коммутатора 9. Таким образом, дополнительные ключи включены между теми разноименными концами вторичных обмоток 6, 7 и 8 шунтового трансформатора 4, одноименные концы которых на параллельных ветвях 10 и 11 коммутатора 9 разделены одним управляемым ключом.
Фазоповоротное устройство работает следующим образом.
Изменение уровня напряжения, формируемого на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1, осуществляется системой управления коммутатора 9 посредством изменения состояния (включение или выключение) управляемых ключей 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 путем подачи на них импульсов управления в соответствии с таблицей, приведенной на фиг. 2, где индекс «OFF» соответствует выключенному состоянию управляемого ключа, а индекс «ON» соответствует его включенному состоянию.
N
При формировании напряжения на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1 вторичные обмотки 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4 с помощью коммутатора 9 подключаются к вентильной обмотке 3 сериесного трансформатора 1. Коммутатор 9 может формировать различные комбинации из последовательного соединения вторичных обмоток 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4. При этом каждая из вторичных обмоток 6, 7, 8 может быть включена согласно или встречно относительно других обмоток в последовательном их соединении или может быть вообще не включена в соединение. Поэтому, максимально возможное количество различных комбинаций из последовательных соединений вторичных обмоток 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4, подключаемых коммутатором 9 к вентильной обмотке 3 сериесного трансформатора 1 равно 27. Для ФПУ с числом вторичных обмоток шунтового трансформатора 4 равным N максимально возможное количество различных комбинаций вторичных обмоток 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4, подключаемых коммутатором 9 к вентильной обмотке 3 сериесного трансформатора 1 определяется из выражения: 3, где N≥1, целое число.
ФПУ, приведенное на фиг. 1, позволяет получить 27 различных комбинаций подключения вторичных обмоток 6, 7, 8 к вентильной обмотке 3 сериесного трансформатора 1. При обеспечении соотношения коэффициентов трансформации вторичных обмоток 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4 в пропорции 1:3:9 на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1 возможно обеспечить 27 различных уровней напряжения, тринадцать из которых будут являться положительными величинами по отношению к напряжению фазы, а другие тринадцать - отрицательными величинами, при этом одна из комбинаций будет обеспечивать нулевой уровень напряжения. Относительные уровни напряжения, формируемые на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1, при соотношении коэффициентов трансформации вторичных обмоток 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4 в пропорции 1:3:9 следующие: -13, -12, -11, -10, -9, -8, -7, -6, -5, -4, -3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13.
В устройстве по прототипу использование трех вторичных обмоток шунтового трансформатора 4 позволяет обеспечить только 13 уровней напряжения на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1 (по 6 уровней напряжения каждого знака и один нулевой уровень). При этом, по прототипу, как и в предлагаемом изобретении, в формировании напряжения на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1 участвуют четыре управляемых ключа коммутатора 9.
Таким образом, при одинаковом количестве вторичных обмоток шунтового трансформатора 4 заявляемое устройство обладает большим количеством уровней напряжения, формируемых на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1 в отличие от прототипа. При этом усложнение схемы и управления коммутатора 9 не снижает КПД заявляемого устройства по сравнению с прототипом.
Таким образом, осуществление совокупности признаков заявляемого фазоповоротного устройства обеспечивает достижение указанного технического результата, а именно увеличение количества уровней напряжения, формируемых на сетевой обмотке каждой фазы сериесного трансформатора, при заданном количестве вторичных обмоток шунтового трансформатора с сохранением высокого КПД устройства.