КОМПЕНСАТОР НЕАКТИВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ МОЩНОСТИ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ

Изобретение относится к области электротехники в частности к силовой электроники и может быть использовано для компенсации неактивных составляющих полной мощности тяговых подстанций городского и магистрального электрифицированного транспорта с одновременной стабилизацией напряжения в тяговой сети.
Известен компенсатор неактивных составляющих мощности для тяговой подстанции подвижного состава с силовым трансформатором и выпрямительным агрегатом, который содержит пассивные фильтры пятой и седьмой гармонических составляющих [Г.Н.Горбачев, Е.Е.Чаплыгин «Промышленная электроника», стр.272, рис.7.11] или активный фильтр выполненный в виде транзисторного инвертора напряжения, к входу которого подключен конденсатор, а выход через трехфазный дроссель подключен к входным зажимам выпрямительного агрегата [Энергетическая электроника: Справ. пособие: Перевод с нем. /Под. ред.: В.А.Лобунцова - M.: Энергоатомиздат, 1987 - 464 стр.]. Этот резонансный LC - фильтр устраняет пятую и седьмую гармоники, а на основной частоте компенсирует реактивную мощность. Компенсация реактивной мощности и мощности искажения разгружает силовой трансформатор тяговой подстанции и вызывает повышение напряжения на его входных и выходных зажимах, а это снижает энергетические показатели потребителей и срок их службы. Таким образом основным недостатком такого компенсатора является то, что повышая энергетические показатели силового трансформатора сети он ухудшает условия работы потребителей из-за отсутствия возможности стабилизации напряжения на их зажимах.
Наиболее близким к предложенному является компенсатор неактивных составляющих мощности со стабилизацией напряжения тяговой подстанции [Патент РФ №2159004 - прототип]. Он включается на входе силового трансформатора с выпрямительным агрегатом и содержит вольтодобавочный трансформатор первый и второй инверторы напряжения с системой управления. Первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора включена между сетью и силовым трансформатором, а его вторичная обмотка одними своими выводами подключена к выходу первого инвертора, а другими концами к выходу второго инвертора напряжения. Входы инверторов через LC - фильтра подключен к выходу выпрямительного агрегата, к которому также подключена тяговая сеть. Устройство, снижая напряжение на входе тяговой подстанции, снижает реактивную мощность и активные потери в силовом трансформаторе и у потребителя и за счет этого повышает пропускную способность электрической сети. Вместе с тем это устройство обладает и недостатком заключающемся в том, что в нем
отсутствует функция компенсации мощности искажения создаваемой выпрямительным агрегатом и, поэтому только частично разгружает электрическую сеть от неактивных составляющих полной мощности и не в полной мере улучшая энергетические показатели сети. Задачей предложения является улучшение энергетических показателей как у потребителя, так и в сети.
Технический результат от решения поставленной задачи заключается в одновременной компенсации реактивной составляющей мощности и мощности искажений силового трансформатора. Поскольку мощность искажений тяговой подстанции составляет примерно 30% от полной потребляемой мощности, то ее компенсация указывает на существенную экономию электроэнергии.
Требуемый технический результат обусловлен тем, что компенсатор неактивных составляющих мощности со стабилизацией напряжения для тяговой подстанции, в состав которой входят первый и второй инвертор напряжения, а также силовой и вольтодобавочный и вольтодобавочный трансформаторы с первичными обмотками соединенными последовательно и подключенными к трехфазной сети и вторичной обмоткой вольтодобавочного трансформатора одними своими выводами подключены к выходу первого инвертора напряжения, вход которого через емкостный фильтр подключен к выходу выпрямительного агрегата с выходным реактором.
Сущность технического предложения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемым чертежом, где на фиг.1 представлена функциональная схема компенсатора неактивных составляющих мощности со стабилизацией напряжения. Устройство (фиг.1) содержит силовой 1 и вольтодобавочный 2 трансформаторы, выпрямительный агрегат 3 с реактором 4, первый инвертор напряжения 5 с системой управления 6 и входным С - фильтром 7, датчик отклонений напряжения 8, второй инвертор напряжения 9 с системой управления 10, входным конденсатором 11 и выходным дросселем 12, вычислитель - оценщик искажений трехфазного тока 13, тяговую сеть постоянного тока 14 и трехфазную сеть 15.
Элементы схемы соединены следующим образом, выход выпрямительного агрегата подключен к тяговой сети постоянного тока, другие выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора через дроссель подключен к вторичной обмотки силового трансформатора, а его вход к конденсатору, причем в устройство введены синхронизация с сетью системы управления первым инвертором напряжения, выполненная с возможностью широтно-импульсной модуляции, синхронизация с сетью система управления вторым инвертором выполненная с возможностью с возможностью широтно-импульсной модуляции, а также датчик отклонений напряжения тяговой сети, выход которого подключен к управляющему входу системы управления первым инвертором и вычислитель - оценщик искажений трехфазного тока включенный между вторичной и обмоткой силового трансформатора и входом выпрямительного
1
2
агрегата, а выход вычислителя - оценщика искажений трехфазного тока подключен к управляющему входу системы управления вторым инвертором напряжения при этом частота модуляции f первого инвертора напряжения меньше частоты модуляции f второго инвертора напряжения.
Устройство работает следующим образом. Выпрямительный агрегат 3 потребляет через силовой трансформатор 1 из сети три составляющих полной мощности активную мощность, реактивную мощность и мощность искажений. Активная мощность потребляется для совершения полезной работы нагрузками, в частности электрифицированным транспортом, реактивная мощность нужна силовому трансформатору 1 для создания магнитного потока, а мощность искажения и дополнительная реактивная мощность требуется выпрямительного агрегату 3 для нормального функционирования его вентильной структуры. При помощи второго инвертора 9 с его системой управления 10 генерируется необходимая реактивная мощность трансформаторному оборудованию, а также мощность искажения и дополнительная реактивная мощность выпрямительному агрегату 3. Это делается непосредственно на подстанции на входных зажимах выпрямительного агрегата 3 и поэтому неактивные составляющие мощности не потребляются из трехфазной сети 15. При этом через обмотки силового 1 и вольтодобавочного 2 трансформаторов протекают синусоидальные токи, что уменьшает в них потери, обусловленные высшими гармоническими составляющими тока. Разгрузка от реактивной мощности и мощности искажения трехфазной сети 15, трансформаторного оборудования подстанции от потерь приводит к повышению напряжения на входе и, соответственно, на выходе подстанции, для его уменьшения и стабилизации осуществляется контроль увеличения отклонения напряжения в тяговой сети постоянного тока 14 при помощи датчика 8 и этим сигналом отклонения напряжения увеличивается действующее значение противофазного, по отношению к сети, выходного напряжения первого инвертора 5, которое при помощи вольтодобавочного трансформатора уменьшается до требуемого уровня и вычитается из напряжения сети, обеспечивая на входе и выходе тяговой подстанции заданный уровень напряжения, например номинальный. Второй инвертор напряжения поочередно подключает конденсатор 11 через дроссель 12 к межфазным входным выпрямительного агрегата 3 по заданному алгоритму, сформированному системой управления 10 вторым инвертором и вычислителем оценщиком трехфазного тока 13 на входе выпрямительного агрегата 3. В каждый момент времени работы второго инвертора напряжения 9 создается LC - контур для вторичной сети силового трансформатора 1, который и осуществляет мгновенную генерацию необходимых составляющих мощности тяговой подстанции.
2
2
Численными экспериментами в среде MATLAB установлено, что форма фазных токов на входе второго инвертора напряжения при частоте модуляции f равной 1,5-3 кГц близко согласуется по форме с сигналом управления, который представляет собой разность входного тока выпрямителя и его первой гармоники, а при частоте модуляции f равной 8-20 практически полностью повторяет этот сигнал снимаемый с выхода
вычислителя оценщика трехфазного тока 13. При этом токи, протекающие в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора 1 и в трехфазной сети 15, имеют неискаженную синусоидальную форму. Заряд входного конденсатора 11 второго инвертора напряжения 9 и его дозаряд в процессе работы осуществляется через обратные диоды инвертора напряжения 9, которые при выполнении инвертора на IGBT модулях уже встроены внутри корпуса и подключены встречно-параллельно каждому транзистору. Необходимость предварительного заряда конденсатора требует специальный порядок включения тяговой подстанции. Сначала включается силовой трансформатор 1 на холостом ходу с сигналом управления первым инвертором напряжения 5 равным нулю и работой силового трансформатора 1 на холостом ходу с предвключенным к его выходу второго инвертора напряжения 9, а только затем включается выпрямительный агрегат 3.
1
Численными экспериментами на моделях установлено также, что при частоте модуляции первого инвертора 5 f равной 1 кГц точность стабилизации напряжения составляет ±0,5%.