СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОЭТАПНЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ОБМОТОК ШУНТОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ФАЗОПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА

Область техники
Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, и в частности к управлению тиристорными фазоповоротными устройствами (ФПУ). ФПУ представляют высоковольтный электротехнический комплекс для изменения фазы напряжения, включаемый последовательно в линию электропередачи. ФПУ могут использоваться в электрических сетях с напряжением 110…1150 кВ для гибкого регулирования потоков активной и реактивной мощности, повышения пропускной способности существующих линий и повышения динамической устойчивости энергетической системы за счет регулирования напряжения на выходе ФПУ.
Уровень техники
Тиристорные ФПУ известны и имеют в своем составе два трансформатора: сериесный и шунтовой, а также тиристорный коммутатор, включенный между шунтовым и сериесным трансформатором [см., например, пат. RU 106060]. Каждая фаза тиристорного коммутатора содержит ряд последовательно соединенных тиристорных мостов. Тиристорный мост состоит из четырех двунаправленных тиристорных ключей, осуществляющих коммутацию (подключение в прямой либо обратной полярности или отключение) вторичной обмотки шунтового трансформатора, которая включена в диагональ моста (далее - шунтовая обмотка). Вторичные обмотки сериесного трансформатора включаются в рассечку фаз линии электропередачи. Вносимые ими напряжение и фазовый сдвиг могут принимать конечное число значений, называемых ступенями регулирования, в зависимости от количества и полярности шунтовых обмоток, введенных в первичную цепь сериесного трансформатора. Каждой ступени регулирования соответствует определенное подключение шунтовых обмоток и определенный набор состояний ключей мостов тиристорного коммутатора. Переход от ранее заданной начальной ступени регулирования к вновь задаваемой (конечной) ступени может осуществляться как сразу (за один этап) так и через промежуточные ступени (за несколько этапов). В общем случае такой переход является поэтапным с числом этапов 1 и более и обеспечивается соответствующей поэтапной коммутацией шунтовых обмоток тиристорными мостами. Последовательность переключений между ступенями, которую проходит ФПУ при переходе от начальной ступени к конечной, принято называть маршрутом переключения. Каждый маршрут переключения характеризуется начальным состоянием ключей мостов тиристорного коммутатора, конечным состоянием и некоторым количеством промежуточных состояний.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели принята известная «Система управления поэтапным переключением обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства и фазоповоротное устройство с такой системой управления» [патент РФ на полезную модель 122814, МПК H03M 7/18, опубликовано 10.12.2012, бюл. №34]. Прототип содержит тиристорный коммутатор, формирователь разрешенных интервалов коммутации, блок определения набора допустимых переключений, датчики напряжения на коммутируемых обмотках шунтового трансформатора и датчики тока тиристорных мостов, входящие в тиристорный многомостовой коммутатор, блок управления тиристорным коммутатором, блок выбора маршрута переключения, блок задания требуемого состояния фазоповоротного устройства, блок задания характеристик выбираемого маршрута переключения, блок данных о параметрах силовых компонентов схемы ФПУ, при этом первые и вторые входы формирователя разрешенных интервалов коммутации и блока определения набора допустимых переключений предназначены для подключения к датчикам напряжений на обмотках шунтового трансформатора и, по меньшей мере, к одному датчику тока через мосты тиристорного коммутатора соответственно, а выходы к - первому входу блока управления тиристорным коммутатором и к первому входу блока выбора маршрута переключения соответственно, к второму и третьему входам блока выбора маршрута переключения подключены выходы блока задания требуемого состояния фазоповоротного устройства и блока задания характеристик выбираемого маршрута переключения соответственно, при этом блок управления тиристорным коммутатором снабжен выходом, подключенным к четвертому входу блока выбора маршрута переключения, а формирователь разрешенных интервалов коммутации снабжен третьим входом, к которому подключен блок данных о параметрах силовых компонентов схемы фазоповоротного устройства.
Недостаток прототипа - неполная управляемость ФПУ в различных режимах работы энергосистемы. Управление ФПУ от системы-прототипа не позволяет сразу переключить ФПУ в требуемое конечное состояние при малых значениях фазового сдвига между током и напряжением в тиристорном коммутаторе, который определяется значениями активной и реактивной мощности, протекающей в линии энергосистемы с установленным ФПУ.
Более того, управляемость ФПУ при некоторых режимах работы энергосистемы может быть вообще потеряна, а именно в случаях, если при нахождении ФПУ в крайних ступенях регулирования будут отсутствовать разрешенные временные интервалы, необходимые для выхода из текущей крайней ступени регулирования.
Сущность полезной модели
Технический результат полезной модели - повышение эффективности регулирования потоков мощности фазоповоротным устройством за счет обеспечения полной управляемости ФПУ вне зависимости от режима работы энергосистемы.
Предметом полезной модели является система управления поэтапным переключением обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства с помощью тиристорного коммутатора, содержащая блок выбора маршрута переключения, первый вход которого подключен к выходу блока задания требуемого состояния фазоповоротного устройства, второй вход - к выходу блока задания характеристик выбираемого маршрута переключения, третий вход - к первому выходу блока управления тиристорным коммутатором, а выход - к первому входу блока управления тиристорным коммутатором, при этом второй выход блока управления подключен к тиристорному коммутатору, датчик тока фазы тиристорного коммутатора, блок данных о параметрах силовых компонентов фазоповоротного устройства и блок слежения за током, первый вход которого подключен к датчику фазного тока тиристорного коммутатора, второй вход - к выходу блока данных о параметрах силовых компонентов фазоповоротного устройства, третий вход - к третьему выходу блока управления тиристорным коммутатором, при этом выход блока слежения за током подключен к второму входу блока управления тиристорным коммутатором.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 приведена функциональная схема системы управления тиристорным коммутатором ФПУ. На фиг. 2 показана схема одного из тиристорных мостов в составе тиристорного коммутатора ФПУ с подключенной вторичной обмоткой шунтового трансформатора и с датчиком тока фазы. На фиг. 3 приведены диаграммы тока и сигналы, генерируемые системой управления в процессе переключения одной фазы тиристорного коммутатора ФПУ из произвольного начального состояния в требуемое конечное состояние.
Осуществление полезной модели На фиг. 1 показан тиристорный коммутатор 1, с помощью которого осуществляется поэтапное переключение обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства под управлением системы управления, которая содержит функциональные блоки 2-8.
Блок 2 выбора маршрута переключения своим первым входом подключен к выходу блока 3 задания требуемого состояния фазоповоротного устройства, вторым входом - к выходу блока 4 задания характеристик выбираемого маршрута переключения, третьим входом - к первому выходу блока 5 управления тиристорным коммутатором. Выход блока 2 подключен к первому входу блока управления тиристорным коммутатором 5, при этом второй выход блока 5 подключен к тиристорному коммутатору. Выход блока 6 датчика тока фазы тиристорного коммутатора подключен к первому входу блока 7 слежения за током, второй вход которого подключен к выходу блока 8 данных о параметрах силовых компонентов фазоповоротного устройства, а третий вход - к третьему выходу блока управления тиристорным коммутатором 5. Выход блока 7 слежения за током подключен ко второму входу блока 5 управления тиристорным коммутатором.
Система управления работает следующим образом.
В исходном положении блок 5 вырабатывает импульсы управления коммутатором 1, поддерживающие ранее заданное блоком 3 состояние тиристорных мостов ФПУ. При этом блок 2 постоянно следит за входом, на который поступает сигнал о задаваемом (с выхода блока 3) состоянии ФПУ и в случае его отличия от предыдущего значения, начинается очередной процесс переключения.
В ходе этого процесса блок 2 выбирает конкретный маршрут переключения тиристорных мостов коммутатора 1, обеспечивающий переход из начального состояния во вновь заданное конечное, а блок 5 обеспечивает последующую реализацию выбранного маршрута в реальном времени.
Блок 2 может быть выполнен, например, на основе запоминающего устройства, в ячейках которого хранится множество всех возможных для данного ФПУ маршрутов переключения, а в соответствующие поля адресного регистра заносятся данные, поступающие от блоков 3 и 4.
Управление ФПУ обеспечивает переходы ФПУ из состояния, называемого начальным, с одними фазовым сдвигом, в другое, задаваемое блоком 3 состояние, называемое конечным, с другим значением фазового сдвига, вносимого ФПУ. Изменение фазового сдвига ФПУ обеспечивается изменением состава и полярности последовательного включения вторичных обмоток шунтового трансформатора в каждой фазе тиристорного коммутатора 1 за счет соответствующих переключений тиристорных мостов коммутатора 1.
Переключение тиристорных мостов с целью изменения подключения каждой вторичной обмотки шунтового трансформатора осуществляется включением одних и выключением других плеч определенного тиристорного моста. Каждый тиристорный мост имеет три рабочих состояния, различающихся подключением коммутируемой им обмотки шунтового трансформатора (см. фиг. 2):
- обмотка выведена из работы и не оказывает воздействия на выходное напряжение ФПУ (включены тиристоры VS1, VS2 или VS3, VS4);
- обмотка включена согласно (включены тиристоры VS 1, VS4);
- обмотка включена встречно (включены тиристоры VS2, VS3).
Любые другие комбинации включения тиристоров моста являются нерабочими, т.е. никогда не используются в исправном устройстве.
Переключение тиристорных мостов возможно посредством отключения тиристоров в составе всех мостов, принадлежащих одной фазе коммутатора ФПУ, и последующего включения тиристорных мостов этой фазы в требуемое состояние, согласно маршруту переключения, который выбрал блок 2.
Временные диаграммы фиг. 3 иллюстрируют процесс переключения мостов одной фазы тиристорного коммутатора 1. Для организации переключения блок 5 управления тиристорным коммутатором снимает импульсы управления с мостов одной фазы коммутатора 1 и формирует в блок 7 слежения за током сигнал о выключении импульсов управления этой фазы.
Блок 7 слежения за током по сигналу от блока 5 снимает со своего выхода сигнал разрешения включения тиристоров, который поступает в блок 5, принимает сигнал о мгновенном значении тока в переключаемой фазе тиристорного коммутатора с выхода датчика тока 6 и определяет момент времени, когда ток, протекающий через тиристорные мосты фазы коммутатора ФПУ становится равным нулю.
Для обеспечения надежного выключения тиристоров необходимо введение временных задержек, рассчитанных исходя из параметров силовой схемы ФПУ, которые поступают на вход блока 7 с выхода блока 8 - блока данных о параметрах силовых компонентов схемы фазоповоротного устройства. Такими параметрами являются:
- время выключения тиристоров в составе коммутатора 1;
- погрешности реальных приборов, находящихся в цепи передачи информации о мгновенном значении тока в тиристорном коммутаторе (фазовом сдвиге, создаваемым датчиком тока 6, возможно устройства аналого-цифрового преобразования и т.д.).
Введение указанных задержек необходимо из-за того, что в случае, когда коммутация тиристоров осуществляется в момент, близкий к переходу тока через нулевое значение, возможно возникновение коротких замыканий вторичной обмотки шунтового трансформатора. Это объясняется тем, что в данном случае тиристоры, обесточенные, но не успевшие восстановить свою способность удерживать напряжение, оказываются под положительным (прямым) напряжением, что приводит к их самопроизвольному включению. В случае недоучета погрешности измерительного оборудования силовой схемы, возможна преждевременная подача импульсов управления на силовые приборы, что может также привести к формированию контура короткого замыкания вторичной обмотки шунтового трансформатора.
Для обеспечения безаварийной коммутации мостов переключаемой фазы коммутатора 1 блок 7 слежения за током фиксирует наличие нулевого тока в переключаемой фазе тиристорного коммутатора в течение временного интервала tз (см. фиг. 3), равного сумме времени восстановления тиристоров и времени задержки, вносимой за счет инструментальной погрешности датчиков тока 6 и контура обработки информации о мгновенном значении тока. По истечении времени tз блок 7 формирует в блок 5 сигнал разрешения включения тиристоров, и блок 5 подает импульсы управления на другие тиристоры мостов этой же фазы коммутатора 1 в соответствии с требуемой ступенью регулирования ФПУ.
После переключения одной фазы блок 5 управления тиристорным коммутатором снимает импульсы управления с тиристоров следующей фазы коммутатора 1 и повторяет рассмотренную последовательность действий, пока все фазы тиристорного коммутатора не будут переведены в следующее промежуточное или конечное состояние, согласно маршруту переключения. После совершения каждого этапа переключения выбранного маршрута, т.е. после последовательного переключения трех фаз коммутатора 1, блок 5 выдает на блок 2 сигнал завершения переключения, позволяющий начинать следующий этап переключения в соответствии с выбранным маршрутом, пока не будет достигнута требуемая ступень регулирования ФПУ.
В отличие от прототипа рассматриваемая система управления будет производить переключение вторичных обмоток шунтового трансформатора при любом фазовом соотношении токов и напряжений в линии, поскольку успешное завершение переключения не зависит от фазового сдвига между током и напряжением в мостах тиристорного коммутатора 1.
Выбранная допустимая последовательность поэтапной коммутации шунтовых обмоток (маршрут переключения, выбранный блоком 2) должна удовлетворять заданным сигналом с выхода блока 4 ограничениям, по меньшей мере, на величину выходного напряжения ФПУ в процессе поэтапной коммутации.
Выбор маршрута с требуемыми свойствами осуществляется благодаря размещению возможных маршрутов, хранимых в ячейках памяти блока 2, по адресам в соответствии с предварительно рассчитанным значением ограничиваемого параметра. Блок 2, используя информацию, поступающую с блоков 3 и 4 в соответствующее адресное поле, выбирает маршрут, удовлетворяющий заданным ограничениям, в число которых входит ограничение величины выходных напряжений ФПУ в процессе поэтапной коммутации обмоток. Кроме того, блок 4 может задавать блоку 2 другие ограничения, например, на число переключений обмоток шунтового трансформатора, на последовательность переключений, на скорость изменения выходного фазового сдвига.
Блок 2 выбора маршрута переключения целесообразно выполнять таким образом, чтобы в результате учета всех задаваемых требований он однозначно выбрал из множества заложенных в его память маршрутов переключения единственный (конкретный) маршрут переключения, предназначенный для отработки блоками 5 и 7.