СТАТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
STATIC REACTIVE POWER COMPENSATOR

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано для управления мощностью управляемых компенсаторов реактивной мощности с целью обеспечения баланса реактивной мощности в точке их подключения. Такая технология реализуется в различных устройствах силовой электротехники, применяемых в электроэнергетике, электроприводе, электротермии, электролизе, преобразовательной технике, для компенсации реактивной мощности нагрузки.
Известен компенсатор реактивной мощности, основанный на применении шунтирующего реактора с подмагничиванием. Управление реактивной мощностью устройства осуществляется с помощью изменения тока подмагничивания в дополнительной обмотке управляемого шунтирующего реактора и управления за счет этого положением рабочей точки сердечника на нелинейной кривой намагничивания его стали. Система управления компенсатором управляет состоянием управляемых ключей и тем самым регулирует величину тока подмагничивания управляемого шунтирующего реактора, изменяя его индуктивность. (Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей. 2-е дополненное издание. Под ред. Д.т.н., проф. A.M. Брянцева. - М.: «Знак». 2010. 288 с. Ил.
К недостаткам такого устройства относятся сложная конструкция управляемого шунтирующего реактора и цепей его управления, наличие дополнительных потерь в стали сердечника и нелинейных искажений в кривой тока управляемого шунтирующего реактора, что требует применения дополнительных фильтров высших гармоник и приводит к усложнению схемы управляемого шунтирующего реактора. Принцип действия устройства не может быть распространен на управляемые компенсаторы реактивной мощности, генерирующие реактивную мощность емкостного характера.
Известен статический компенсатор реактивной мощности, основанный на применении фазового управления управляемыми ключами (например, тиристорами), использующий последовательное соединение реактора и управляемого ключа, построенного на основе встречно-параллельно включенных тиристоров. Управляя с помощью системы управления моментом включения управляемого ключа по отношению к моменту перехода синусоидального напряжения на управляемом шунтирующем реакторе через нулевое значение, можно регулировать действующее значение протекающего через управляемый шунтирующий реактор тока и, соответственно, реактивную мощность. (Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения: учебник для вузов / Ю.П. Рыжов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 488 с.: илл. Стр. 303, рис 9.2).
Существенным недостатком данного устройства является несинусоидальная форма тока реактора с присутствием в ней большого числа высших гармоник при регулировании реактивной мощности. Подавление высших гармоник в токе, потребляемом управляемым шунтирующим реактором от источника синусоидального напряжения, приводит к необходимости применения дополнительных фильтров высших гармоник. Применение фильтров, с одной стороны, полностью не устраняет высшие гармоники в кривой тока а, с другой стороны, усложняет силовую схему управляемого шунтирующего реактора за счет введения в него дополнительных устройств. Схема построения такого статического компенсатора реактивной мощности не может быть применена в управляемых компенсаторах, реализующих непосредственное управление реактивной мощностью емкостного характера.
Существует способ управления реактивной мощностью в статических компенсаторах реактивной мощности, использующий применение управляемых регуляторов напряжения, включаемых последовательно с реактивным элементом и осуществляющий регулирование действующего значения синусоидального напряжения на реактивном элементе (Патент №2675620 от 21.12.2018, опубл. 21.12.2018 в бюлл. №36).
Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, реализующее указанный выше способ, является устранение высших гармоник в кривой тока компенсатора при его управлении, повышение качества электрической энергии в месте подключения компенсатора реактивной мощности к линии электропередачи за счет устранения высших гармоник тока в линии электропередачи, расширение его функциональных возможностей за счет использования технического решения, применимого для построения компенсаторов реактивной мощности как индуктивного, так и емкостного характера, а также увеличения дискретных уровней регулирования реактивной мощности.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом статическом компенсаторе реактивной мощности, работающем от источника синусоидального переменного напряжения и содержащем последовательное соединение реактивного элемента и регулятора переменного синусоидального напряжения, блок измерения напряжения на источнике синусоидального переменного напряжения, блок системы управления, задающей управляющие воздействия на регулятор переменного синусоидального напряжения, обеспечивающий формирование напряжения на реактивном элементе с требуемым его действующим значением, регулятор переменного синусоидального напряжения содержит трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с реактивным элементом, а его вторичная обмотка выполнена в виде изолированных секций, подключенных к коммутатору, состоящему из двух параллельно включенных ветвей, каждая из которых состоит из последовательного соединения управляемых ключей, при этом выводы каждой секции вторичной обмотки трансформатора включены между различными симметричными точками соединения управляемых ключей параллельных ветвей коммутатора так, чтобы разноименные их выводы были равномерно распределены по противоположным ветвям коммутатора, а одна из общих точек соединения параллельных ветвей коммутатора соединена с общей точкой соединения реактивного элемента и источника синусоидального переменного напряжения, при этом другая общая точка соединения параллельных ветвей коммутатора подключена к одному из выводов первичной обмотки трансформатора, а одноименные выводы различных секций вторичной обмотки трансформатора, расположенные на разноименных ветвях коммутатора, соединены дополнительными управляемыми ключами.
На фиг. 1 приведена схема компенсатора реактивной мощности, в которой одна из общих точек соединения параллельных ветвей коммутатора соединена с общей точкой соединения реактивного элемента и источника синусоидального переменного напряжения, при этом другая общая точка соединения параллельных ветвей коммутатора подключена к общей точке соединения одного из выводов первичной обмотки трансформатора и источника синусоидального напряжения.
На фиг. 2 приведена таблица состояний управляемых ключей коммутатора, изображенного на фиг. 1, обеспечивающих реализацию различных уровней регулируемого выходного напряжения регулятора переменного напряжения и, соответственно, управление реактивной мощностью статического компенсатора реактивной мощности.
На фиг. 3 приведена схема компенсатора реактивной мощности, в которой одна из общих точек соединения параллельных ветвей коммутатора соединена с общей точкой соединения реактивного элемента и источника синусоидального переменного напряжения, при этом другая общая точка соединения параллельных ветвей коммутатора подключена к выводу первичной обмотки трансформатора, соединенного с реактивным элементом.
На фиг. 4 приведена таблица состояний ключей коммутатора, обеспечивающих реализацию различных уровней регулируемого выходного напряжения регулятора переменного синусоидального напряжения и, соответственно, управление реактивной мощностью статического компенсатора реактивной мощности, изображенного на фиг. 3.
На фиг. 5 приведена схема компенсатора реактивной мощности с дополнительными управляемыми ключами в схеме коммутатора, обеспечивающими реализацию большего количества различных уровней регулируемого выходного напряжения регулятора переменного синусоидального напряжения.
На фиг. 6 приведена таблица состояний ключей коммутатора, обеспечивающих реализацию различных уровней регулируемого выходного напряжения регулятора переменного синусоидального напряжения для статического компенсатора реактивной мощности, изображенного на фиг. 3.
На фиг. 1 изображен компенсатор реактивной мощности, подключенный своими входами к источнику синусоидального переменного напряжения 1 и содержащий трансформатор 2 с первичной обмоткой 3, первый вывод которой подключен к первому входу статического компенсатора реактивной мощности, изолированные секции 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2, реактивный элемент 7, подключенный своим первым выводом к второму входу статического компенсатора реактивной мощности, а вторым выводом к второму выводу первичной обмотки 3 трансформатора 2, коммутатор 8, систему управления 9. Коммутатор 8 своим выходным зажимом Вых. 1 подключен к первому входу статического компенсатора реактивной мощности, а выходным зажимом Вых. 2 подключен к второму входу статического компенсатора реактивной мощности. К входным зажимам Вх. 1, Вх. 2, Вх. 3, Вх. 4, Вх. 5, Вх. 6 коммутатора 8 подключены соответственно выводы изолированных секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2, а к входу Вх. 7 коммутатора 8 подключен выход системы управления 9, обеспечивающей управление входящими в состав коммутатора 8 управляемыми ключами 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17. При этом коммутатор 8 состоит из двух параллельно включенных ветвей, каждая из которых, в свою очередь, состоит из последовательно включенных управляемых ключей 10, 11, 12, 13 и 14, 15, 16, 17 соответственно. Общая точка соединения управляемых ключей 10 и 14 параллельных ветвей коммутатора 8 подключена к выходному зажиму Вых. 1 коммутатора 8, а общая точка соединения управляемых ключей 13 и 17 параллельных ветвей коммутатора 8 подключена к выходному зажиму Вых. 2 коммутатора 8. Входные зажимы Вх. 1, Вх. 3, Вх. 5 коммутатора 8 соединены соответственно с общими точками соединения управляемых ключей 13 и 12, 12 и 11, 11 и 10 одной из параллельных ветвей коммутатора 8, а входные зажимы Вх. 2, Вх. 4 и Вх. 6 соединены соответственно с общими точками соединения управляемых ключей 17 и 16, 16 и 15, 15 и 14 другой параллельной ветви управляемого коммутатора 8. Начала обмоток изолированных секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2 подключены соответственно к входным зажимам Вх. 1, Вх. 4, Вх. 5 коммутатора 8, а концы обмоток изолированных секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2 подключены соответственно к входным зажимам Вх. 2, Вх. 3, Вх. 6 коммутатора 8. Блок измерения напряжения 18 своим первым выводом подключен к первому входу статического компенсатора реактивной мощности, а своим вторым выводом к второму входу статического компенсатора реактивной мощности, при этом выход блока измерения напряжения 18 соединен с входом блока системы управления 9.
Компенсатор реактивной мощности, изображенный на фиг. 3, своими входами подключен к источнику синусоидального переменного напряжения 1 и содержит трансформатор 2 с первичной обмоткой 3 и изолированными секциями 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2, реактивный элемент 7, коммутатор 8, систему управления 9. Первый вывод первичной обмотки 3 трансформатора 2 подключен к первому входу статического компенсатора реактивной мощности, а второй вывод первичной обмотки 3 трансформатора 2 подключен к второму выводу реактивного элемента 7, первый вывод которого подключен к второму входу статического компенсатора реактивной мощности. Коммутатор 8 своим выходным зажимом Вых. 1 подключен к точке соединения второго вывода первичной обмотки 3 трансформатора 2 и второго вывода реактивного элемента, а выходным зажимом Вых. 2 подключен к второму входу статического компенсатора реактивной мощности. Коммутатор 8 состоит из двух параллельно включенных ветвей, каждая из которых, в свою очередь, состоит из последовательно включенных управляемых ключей 10, 11, 12, 13 и 14, 15, 16, 17 соответственно. Общая точка соединения управляемых ключей 10 и 14 параллельных ветвей коммутатора 8 подключена к выходному зажиму Вых. 1 коммутатора 8, а общая точка соединения управляемых ключей 13 и 17 параллельных ветвей коммутатора 8 подключена к выходному зажиму Вых. 2 коммутатора 8. Входные зажимы Вх. 1, Вх. 3, Вх. 5 коммутатора 8 соединены соответственно с общими точками соединения управляемых ключей 13 и 12, 12 и 11, 11 и 10 одной из параллельных ветвей коммутатора 8, а входные зажимы Вх. 2, Вх. 4 и Вх. 6 соединены соответственно с общими точками соединения управляемых ключей 17 и 16, 16 и 15, 15 и 14 другой параллельной ветви управляемого коммутатора 8. Начала обмоток изолированных секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2 подключены соответственно к входным зажимам Вх. 1, Вх. 4, Вх. 5 коммутатора 8, а концы обмоток изолированных секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2 подключены соответственно к входным зажимам Вх. 2, Вх. 3, Вх. 6 коммутатора 8. Блок измерения напряжения 18 своим первым выводом подключен к первому входу статического компенсатора реактивной мощности, а своим вторым выводом к второму входу статического компенсатора реактивной мощности, при этом выход блока измерения напряжения 18 соединен с входом блока системы управления 9. Выход блока системы управления 9 подключен к входу Вх. 7 коммутатора 8 и обеспечивает управление входящими в состав коммутатора 8 управляемыми ключами 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17.
На фиг. 5 приведена схема статического компенсатора реактивной мощности фиг. 3, коммутатор 8 которого снабжен дополнительными управляемыми ключами 19, 20, 21 и 22. При этом дополнительный управляемый ключ 19 своим первым выводом соединен с входом Вх. 1 коммутатора 8, а своим вторым выводом с входом Вх. 4 коммутатора 8. Дополнительный управляемый ключ 20 своим первым выводом соединен с входом Вх. 3 коммутатора 8, а своим вторым выводом с входом Вх. 6 коммутатора 8. Дополнительный управляемый ключ 21 своим первым выводом соединен с входом Вх. 2 коммутатора 8, а своим вторым выводом с входом Вх. 3 коммутатора 8. Дополнительный управляемый ключ 22 своим первым выводом соединен с входом Вх. 4 коммутатора 8, а своим вторым выводом с входом Вх. 5 коммутатора 8.
Принцип действия статических компенсаторов реактивной мощности, изображенных на фиг. 1 и фиг. 3, одинаков и может быть более подробно пояснен на примере схемы статического компенсатора реактивной мощности, изображенной на фиг. 1.
э
э
э
В указанных схемах коммутатор 8, под управлением системы управления 9, обеспечивает реализацию различных комбинаций последовательного включения изолированных секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2. При этом, в каждом из вариантов последовательного включения изолированных секций 4, 5 и 6, секции 4, 5 и 6 по отношению к друг другу могут быть включены согласно или встречно. При согласном включении секций 4, 5 и 6, их числа витков складываются, образуя одну эквивалентную вторичную обмотку трансформатора 2 с числом витков, равным сумме чисел витков обмоток, участвующих в таком соединении. В общем случае число витков эквивалентной обмотки будет определяться алгебраической суммой чисел витков изолированных секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2, участвующих в соединении. При этом, знак «плюс», в сумме чисел витков последовательного соединения изолированных секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2 будет в том случае, если соответствующая секция 4, 5 или 6 секционированной вторичной обмотки трансформатора 2 подключена с помощью управляемых ключей 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 17 коммутатора 8 к источнику синусоидального переменного напряжения 1 также, как к нему подключена первичная обмотка 3 трансформатора 2. Это будет соответствовать согласному включению первичной обмотки 3 трансформатора 2 и соответствующей секции 4, 5 или 6 вторичной обмотки трансформатора 2 к источнику синусоидального переменного напряжения 1. В противном случае число витков соответствующей секции вторичной обмотки трансформатора 2 будет входить в алгебраическую сумму чисел витков изолированных секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2, участвующих в соединении, со знаком «минус». Таким образом, с помощью управления управляемыми ключами 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 коммутатора 8 можно осуществлять реализацию различных комбинаций последовательно включенных секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2, подключаемых к выходным зажимам Вых. 1 и Вых. 2 коммутатора 8. Обозначим число витков эквивалентной вторичной обмотки трансформатора 2 как В общем виде, при различных числах витков секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2, каждой комбинации из последовательного включения секций 4, 5 и 6 будет соответствовать свое значение W. Поэтому каждую комбинацию из последовательного соединения секций 4, 5 и 6 можно представлять как эквивалентную вторичную обмотку W трансформатора 2, в зависимости от знака, включенную согласно или встречно с первичной обмоткой 3 трансформатора 2. При знаке «плюс» у W эквивалентная вторичная обмотка 3 трансформатора подключена к источнику синусоидального переменного напряжения 1 согласно с подключением к нему первичной обмотки трансформатора 2. При знаке «минус» одноименные концы первичной обмотки 3 трансформатора 2 и эквивалентной вторичной обмотки трансформатора 2 подключены к разным входам источника синусоидального переменного напряжения 1, и такое подключение обмоток будем называть встречным.
x
Для согласного подключения обмоток трансформатора 2 к источнику синусоидального переменного напряжения 1, зависимость реактивной мощности Q статического компенсатора реактивной мощности от эквивалентного коэффициента трансформации трансформатора 2 определяется выражением:
x
э
э
2
2
2
Q=U/X*(K-1)/K,
где U - действующее значение напряжение источника питания,
X - модуль сопротивления реактивного элемента,
э
3
э
K=W/W - эквивалентный коэффициент трансформации трансформатора 2,
3
W - число витков первичной обмотки 3 трансформатора 2.
Для встречного подключения обмоток трансформатора 2 к источнику синусоидального переменного напряжения 1, зависимость реактивной мощности от эквивалентного коэффициента трансформации трансформатора 2 определяется соотношением:
x
э
э
2
2
2
Q=U/X*(K+1)/K
э
Таким образом, изменяя эквивалентное число витков эквивалентной вторичной обмотки трансформатора 2 и, соответственно, изменяя значение эквивалентного коэффициента трансформации K, в статическом компенсаторе реактивной мощности изменяется и величина его реактивной мощности.
Очевидно, что за счет подбора значений числа витков секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2, возможно обеспечить относительно равномерное изменение реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности в зависимости от изменения состояния управляемых ключей 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 коммутатора 8.
э
В качестве примера, на фиг. 2 приведена таблица эквивалентных значений коэффициентов трансформации K и соответствующих им значений относительных реактивных мощностей статического компенсатора реактивной мощности в зависимости от состояний управляемых ключей 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 управляемого коммутатора 8. При этом, в этой и последующих таблицах включенному состоянию управляемого ключа соответствует обозначение «ON», выключенному состоянию управляемого ключа - обозначение «OFF». В приведенном примере значения коэффициентов трансформации секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2, определены величинами:
4
3
4
K=W/W=5,0
5
3
5
K=W/W=2,5
6
3
6
K=W/W=2,0
2
Относительная величина реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности нормирована к величине U/X.
Как видно из таблицы фиг. 2, при трех секциях 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2 приведенное техническое решение позволило получить 14 различных уровней регулирования реактивной мощности.
Схема статического компенсатора реактивной мощности, приведенная на фиг. 3, отличается от схемы статического компенсатора реактивной мощности фиг. 1 лишь тем, что выходные зажимы Вых. 1 и Вых. 2 управляемого коммутатора 8 вместо подключения их к входам статического компенсатора реактивной мощности и, соответственно, к входам источника синусоидального переменного напряжения 1 подключены параллельно реактивному элементу 7. Коммутатор 8 в такой схеме также реализует различные комбинации последовательного включения секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2 к своим выходным зажима Вых. 1 и Вых. 2. Для такой схемы построения зависимость реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности от значения эквивалентного коэффициента трансформации К, трансформатора 2 при согласном подключении обмоток трансформатора 2 к источнику синусоидального переменного напряжения 1 определяется выражением:
x
э
э
2
2
2
Q=U/X*K/(K+1),
а при встречном подключении обмоток трансформатора 2 к источнику синусоидального переменного напряжения 1 - выражением:
x
э
э
2
2
2
Q=U/X*K/(K-1)
э
В качестве примера, на фиг. 4 приведена таблица эквивалентных значений коэффициентов трансформации K, и соответствующих им значений относительных реактивных мощностей статического компенсатора реактивной мощности, в зависимости от состояний управляемых ключей 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 коммутатора 8. В приведенном примере значения коэффициентов трансформации секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2, определены величинами:
4
3
4
K=W/W=5,0
5
3
5
K=W/W=2,5
6
3
6
K=W/W=2,0
2
Относительная величина реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности нормирована к величине U/X.
Как видно из таблицы фиг. 4, такое построение схемы статического компенсатора реактивной мощности также позволяет реализовать 14 различных уровней реактивной мощности компенсатора реактивной мощности. За счет обеспечения режима короткого замыкания первичной обмотки 3 трансформатора 2, с помощью управляемого коммутатора 8, можно реализовать также и относительную реактивную мощность статического компенсатора реактивной мощности равную 1. Это может быть осуществлено, например, путем включения управляемых ключей 11 и 15 при выключенных остальных управляемых ключах управляемого коммутатора 8. Таким образом общее число регулируемых уровней мощностей в рассматриваемой схеме компенсатора реактивной мощности равно 15.
На фиг. 5 приведена схема компенсатора реактивной мощности, в которой регулятор переменного напряжения имеет коммутатор 8 с дополнительными управляемыми ключами 19, 20, 21, 22, позволяющими увеличить количество уровней регулирования реактивной мощности за счет реализации дополнительных комбинаций последовательного соединения секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2.
На фиг. 6 приведена таблица комбинаций последовательного включения секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2, их эквивалентных коэффициентов трансформации и состояний управляемых ключей 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 22 коммутатора 8 для согласного и встречного включения первичной 3 и эквивалентной вторичной обмотки трансформатора 2.
Как видно из таблицы фиг. 6 количество различных значений эквивалентных коэффициентов трансформации трансформатора 2 для каждого из включений эквивалентной обмотки трансформатора, как встречного, так и согласного, по отношению к первичной обмотке 3 трансформатора 2 увеличилось до 11. За счет обеспечения режима короткого замыкания первичной обмотки 3 трансформатора 2, с помощью коммутатора 8, можно реализовать также и относительную реактивную мощность статического компенсатора реактивной мощности равную 1. Это может быть осуществлено, например, путем включения управляемых ключей 15 и 20 при выключенных остальных управляемых ключах управляемого коммутатора 8. Таким образом, общее число уровней регулирования реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности за счет введения дополнительных управляемых ключей 19, 20, 21, 22 в схему коммутатора 8 увеличивается с 15 до 23.
Очевидно, что схема построения коммутатора 8 с дополнительными управляемыми ключами 19, 20, 21, 22, приведенная на фиг. 5, может быть применена и в схеме статического компенсатора реактивной мощности, приведенной на фиг. 1. В этом случае количество уровней регулирования реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности по схеме фиг. 3 также возрастает до 23.
Все рассмотренные схемы компенсаторов реактивной мощности имеют синусоидальные токи во всем диапазоне регулирования реактивной мощности, что улучшает качество реактивной мощности, генерируемой такими компенсаторами.
При необходимости получения еще большего количества уровней регулируемых реактивных мощностей в статическом компенсаторе реактивной мощности, количество секций вторичной обмотки трансформатора 2 можно увеличивать, сохраняя при этом в силе заявляемые технические решения.
Необходимо отметить, что рассмотренные схемы построения статических компенсаторов реактивной мощности могут быть применены для получения реактивной мощности как емкостного, так и индуктивного характера. При этом характер реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности будет определяться типом реактивного элемента, применяемого в нем для генерации реактивной мощности. Таким образом, предложенные технические решения расширяют функциональные возможности статических компенсаторов реактивной мощности.