ФАЗОПОВОРОТНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к высоковольтным регулируемым электротехническим комплексам для гибких (управляемых) линий электропередач, и может использоваться в высоковольтных электрических сетях с напряжением 110…1150 кВ для регулирования потоков активной и реактивной мощности в сложных замкнутых электрических сетях, повышения пропускной способности существующих линий и повышения динамической устойчивости энергетической системы путем демпфирования колебаний, возникающих во время переходных электромеханических процессов.
Известно фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого включены в рассечку фаз A, B, C высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены по схеме треугольника, трехфазный фазосдвигающий трансформатор (ФСТ) с первичными обмотками, подключенными высоковольтными выводами к фазам линии электропередачи, и низковольтными выводами, соединенными по схеме звезда и заземленными, при этом вторичные обмотки ФСТ выполнены с отпайками, к которым подключены входы трехфазного высоковольтного коммутатора, каждая фаза которого выполнена в виде механического контакторного переключателя, называемого регулятором высокого напряжения под нагрузкой (РПН), высоковольтные выводы которого подключены к узлам соединения первичных обмоток трехфазного сериесного трансформатора, а низковольтные выводы заземлены (E.M.Carlini, G.Manduzio, D.Bonmann.
Power Flow Control on the Italian network by means of phase-shifting transformer. A2-206. Cigre 2006).
К недостаткам рассматриваемого устройства относится то, что реализованный в нем способ поперечного регулирования фазового сдвига ограничивает диапазон углов поворота фазы напряжения до ±20 град. эл. При значениях угла поворота фазы, превышающих ±20 град, эл., модуль выходного напряжения фазоповоротного устройства (ФПУ) начинает существенно превышать допустимые в линии электропередачи значения. Поэтому рассмотренное ФПУ непригодно в случаях глубокого регулирования угла поворота фаз.
Известно фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и включены в рассечку фаз A, B, C высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены в схему треугольника, узлы соединения обмоток которого подключены к высоковольтным выводам трехфазного высоковольтного коммутатора, трехфазный фазосдвигающий трансформатор (ФСТ) с первичными обмотками, подключенными высоковольтными выводами к средним выводам вторичных обмоток сериесного трансформатора, а низковольтными выводами соединенными по схеме звезды и заземленными, при этом вторичные обмотки ФСТ выполнены с отпайками, к которым подключены входы трехфазного высоковольтного коммутатора, каждая фаза которого выполнена в виде механического контакторного переключателя (РПН), низковольтные выводы которых заземлены (Е.V.Larsen, N.W.Miller. Phase-Shifting Transformer System. US Patent. Number: 5,166,597. Date of Patent: Nov. 24, 1992).
Общим недостатком известных фазоповоротных устройств является выполнение трехфазного высоковольтного коммутатора на механических контакторных переключателях (РПН), что связанно с проблемами дугогашения, так как прерывание тока в контакторном переключателе сопровождается возникновением дуги на контактах, что приводит к их износу и эрозии; дуга, возникающая при прерывании тока, загрязняет масло, что делает необходимым регулярные проверки его качества и соответствующую замену. Кроме того, на устройстве должны быть установлены специальные механизмы, предотвращающие нежелательные последствия в случае повреждения приводного вала. Все это снижает надежность и срок службы трехфазного высоковольтного коммутатора, к тому же, переключение РПН с контакта на контакт занимает определенное время (5-6 сек.), т.е. происходит достаточно медленно, что обусловливает его малое быстродействие. И, наконец, выполнение вторичной обмотки ФСТ с отпайками ограничивает диапазон углов регулирования числом этих отпаек и связанным с этим усложнением схемы.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в повышении надежности и срока службы трехфазного высоковольтного коммутатора, снятии ограничений на диапазон углов регулирования фазоповоротного устройства при сохранении модуля фазных напряжений линии электропередачи в заданном диапазоне углов регулирования на входе и на выходе ФПУ, многократное увеличение быстродействия (время перехода с одной ступени регулирования на другую, не превышающее половины периода промышленной частоты), что ведет к повышению динамической устойчивости энергетической системы путем демпфирования колебаний, возникающих во время переходных электромеханических процессов.
Технический результат достигается тем, что полупроводниковое фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и вставлены в рассечку фаз A, B, C высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены по схеме треугольника, узлы соединения обмоток которого подключены к высоковольтным выводам трехфазного высоковольтного коммутатора, при этом низковольтные выводы всех фаз коммутатора соединены по схеме звезды, а входные выводы каждой фазы коммутатора подключены ко вторичной обмотке соответствующей фазы трехфазного шунтового трансформатора, первичные обмотки которого высоковольтными выводами подключены к средним выводам вторичных обмоток сериесного трансформатора, а низковольтными выводами соединены по схеме звезды и заземлены, вторичная обмотка каждой фазы шунтового трансформатора выполнена в виде N гальванически развязанных секций, а каждая фаза трехфазного высоковольтного коммутатора выполнена в виде цепочки, состоящей из N последовательно соединенных статических переключателей, выполненных в виде однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными высоковольтными ключами в каждом плече, причем входы полупроводниковых мостовых преобразователей каждой фазы высоковольтного коммутатора подключены к выводам одноименных секций вторичной обмотки соответствующей фазы шунтового трансформатора, а высоковольтные выводы цепочек статических переключателей каждой фазы трехфазного коммутатора подключены к узлам соединения двух других фаз схемы треугольника, выполненной из первичных обмоток сериесного трансформатора, причем все N секций вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора имеют разные коэффициенты трансформации и, соответственно, имеют разное число витков, однофазные полупроводниковые мостовые преобразователи выполнены на напряжение секции, к которой они подключены, а одноименные секции вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена функциональная схема фазоповоротного устройства, включающая трехфазный сериесный трансформатор, трехфазный шунтовой трансформатор и трехфазный высоковольтный коммутатор;
на фиг.2 приведена функциональная схема цепочки одной фазы трехфазного высоковольтного коммутатора, состоящей из N последовательно соединенных однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными высоковольтными ключами в каждом плече;
на фиг.3 приведена векторная диаграмма, поясняющая принцип формирования опережающего (а) и отстающего (б) продольно-поперечного напряжения, при котором при любом угле регулирования напряжение на выходе ФПУ по модулю равно напряжению на его входе;
на фиг.4 представлена схема одного из вариантов реализации предлагаемой полезной модели, где в качестве двунаправленных высоковольтных ключей в каждом плече используются однооперационные тиристоры;
на фиг.5 показано выполнение в каждом плече однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей двунаправленных высоковольтных ключей в виде последовательно-соединенных пар встречно-параллельно включенных однооперационных тиристоров.
Предлагаемое фазоповоротное устройство содержит трехфазный сериесный трансформатор 1, первичные обмотки 2, 3, 4 которого соединены по схеме треугольника, а вторичные обмотки 5, 6, 7 выполнены со средними выводами 8, 9, 10 и подключены к клеммам 11 рассечки фазы A, 12 рассечки фазы B, 13 рассечки фазы C трехфазной высоковольтной линии 14 электропередачи со стороны входа ФПУ и к клеммам 15 рассечки фазы A, 16 рассечки фазы B, 17 рассечки фазы C трехфазной высоковольтной линии 18 электропередачи со стороны выхода ФПУ; трехфазный шунтовой трансформатор 19, первичные обмотки 20, 21 и 22 которого высоковольтными выводами 23, 24 и 25 подключены к средним выводам 8, 9, 10 вторичных обмоток 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1, а низковольтными выводами 26, 27 и 28 соединены по схеме звезды и заземлены, а вторичные обмотки 29, 30 и 31 каждой фазы выполнены в виде N гальванически развязанных секций 32, 33 и 34, выводы 35 и 36, 37 и 38, 39 и 40 которых подключены к входным клеммам 41 и 42, 43 и 44, 45 и 46 трехфазного высоковольтного коммутатора 47, высоковольтные выводы 48, 49 и 50 каждой фазы которого подключены к узлам 51, 52 и 53 соединения двух других фаз схемы треугольника, выполненной из первичных обмоток 2, 3, 4 трехфазного сериесного трансформатора 1, а низковольтные выводы 54, 55 и 56 соединены по схеме звезды и заземлены; каждая фаза трехфазного высоковольтного коммутатора 47 выполнена в виде цепочки 57, 58, 59, состоящей из N последовательно соединенных однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей 60, 61, 62 (фиг.2) с двунаправленными полупроводниковыми высоковольтными ключами 63, 64, 65, 66 в каждом плече, а входы полупроводниковых мостовых преобразователей 60, 62, 63 являются входами 41-42, 43-44, 45-46 трехфазного высоковольтного коммутатора 47 и подключены к выводам 35-36, 37-38, 39-40 одноименных секций 32, 33, 34 вторичной обмотки 29, 30, 31 соответствующей фазы шунтового трансформатора 19, причем все N секций 32, 33, 34 вторичной обмотки 20, 21, 22 каждой фазы шунтового трансформатора 19 имеют разные коэффициенты трансформации и, соответственно, выполнены с разным числом витков, полупроводниковые мостовые преобразователи 60, 61, 62 выполнены на напряжение соответствующей секции 32, 33, 34, к которой они подключены, а одноименные секции 32, 33, 34 вторичной обмотки 29, 30, 31 каждой фазы шунтового трансформатора 19 выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации.
dA
dB
dC
Фазоповоротное устройство работает следующим образом. В исходном состоянии при нулевом угле регулирования все однофазные полупроводниковые мостовые преобразователи 60, 61, 62 опрокинуты, т.е. в них включены два последовательных ключа 63, 64 или 65, 66; при этом все секции 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 отключены от первичных обмоток 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1, и вольтодобавочные напряжения U, U, U на выходе ФПУ не формируется.
При подаче на систему управления (СУ) трехфазным высоковольтным коммутатором 47 сигнала от автоматической системы управления трансформаторной подстанции (АСУ ТП) или от системного оператора (СО) на работу ФПУ с ненулевым углом регулирования микропроцессор СУ в соответствии с заложенными в нем алгоритмами формирования импульсов управления, подаваемых на соответствующую пару двунаправленных полупроводниковых высоковольтных ключей 63, 66 или 64, 65 в зависимости от знака вектора вольтодобавочного напряжения (фиг.3) тех мостовых преобразователей 60, 61, 62 каждой фазы коммутатора 47, которые должны быть включены для работы ФПУ на заданной ступени регулирования (с заданным углом регулирования)
Принцип работы предлагаемого фазоповоротного устройства поясняется векторной диаграммой на фиг.3, где
A
B
C
U, U, U - напряжение фаз A, B, C линии 14 на входе ФПУ,
A1
B1
C1
U, U, U - напряжение фаз A1, B1, C1 линии 18 на выходе ФПУ,
dA
dB
dC
U, U, U - трехфазное вольтодобавочное напряжение на вторичных обмотках 5, 6, 7 сериесного трансформатора 1,
AX
BY
CZ
U, U, U - питающее трехфазное напряжение шунтового трансформатора 19, снимаемое со средних выводов 8, 9, 10 сериесного трансформатора 1.
экв
Последовательно соединенные m работающих (где m=1, 2…N) полупроводниковых преобразователей 60, 61, 62 каждой фазы в зависимости от величины числа m позволяют получить различные комбинации соединений секций 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 и, тем самым, регулируют эквивалентный коэффициент трансформации К шунтового трансформатора, который можно определить по формуле
,
i
J
J
J
J
где К - коэффициент трансформации i-й секции вторичной обмотки 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19, a M - коэффициент, который определяет режим работы полупроводниковых преобразователей 60, 61, 62 с опережающим вектором напряжения (M=+1, где j=1), с отстающим вектором напряжения (M=-1, где j=2) или с нулевым углом регулирования (M=0, где j=3).
Для получения фазового сдвига α, заданного сигналом от АСУ ТП или от СО, микропроцессор СУ ФПУ согласно формулам:
;
;
dA
dB
dC
формирует вольтодобавочные напряжения U, U, U путем включения m (где m=1, 2…N) полупроводниковых преобразователей 60, 61, 62 каждой фазы ФПУ, осуществляющих переключение соответствующих m секций 32, 33, 34 каждой вторичной обмотки 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 в общую цепь в одно из трех состояний:
для формирования опережающего вектора напряжения путем включения двунаправленных ключей 64, 65 полупроводниковых преобразователей 60, 61, 62 начала 35, 37, 39 обмоток 32, 33, 34 подключаются соответственно к выводам 48, 49, 50 коммутатора 47, а концы обмоток 36, 38, 40 - соответственно к выводам 54, 55, 56 коммутатора 47;
для формирования отстающего вектора напряжения путем включения двунаправленных ключей 63, 66 начало обмоток 35, 37, 39 подключается соответственно к выводам 54, 55, 56 коммутатора 47, а конец обмоток 36, 38, 40 - соответственно к выводам 48, 49, 50 коммутатора 47;
для формирования нулевого угла регулирования выводы 48, 49, 50 коммутатора 47 подключаются соответственно к его выводам 54, 55, 56 путем опрокидывания всех однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей 60, 61, 62 (включением ключей 63, 64 или 65, 66), в результате чего вторичные обмотки 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 отсекаются от первичных обмоток 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1.
Величина фазового сдвига а, полученного из формулы
c
экв
где K - коэффициент трансформации сериесного трансформатора 1, определяется числом m задействованных в каждой фазе ФПУ полупроводниковых преобразователей 60, 61, 62, т.е. числом m секций 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 и их эквивалентным коэффициентом трансформации К, подключаемых через преобразователи 60, 61, 62 к первичным обмоткам 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1.
dA
dB
dC
AX
BY
CZ
A
B
C
A1
B1
C1
Полученное трехфазное напряжение на вторичной стороне шунтового трансформатора 19 поступает на первичные обмотки 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1, соединенные по схеме треугольника, на вторичных обмотках 5, 6, 7 которого получается необходимые вольтодобавочные напряжения U, U, U. Напряжения U, U, U (фиг.3) подаются в качестве питающего напряжения на первичные обмотки 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19, образуя тем самым обратную связь, которая обеспечивает равенство модулей входных U выполняются в виде нескольких (в зависимости от уровня напряжения соответствующего мостового преобразователя 60, 61, 62) последовательно включенных пар встречно-параллельно соединенных тиристоров, U, U и выходных U, U, U напряжениий ФПУ.
i
c
c
Рассмотрим работу одного из вариантов реализации предлагаемой полезной модели, схема которого представлена на фиг.4, в котором двунаправленные полупроводниковые высоковольтные ключи 63, 64, 65, 66 в каждом плече выполняются в виде нескольких (в зависимости от уровня напряжения соответствующего мостового преобразователя 60, 61, 62) последовательно включенных пар встречно-параллельно соединенных тиристоров. Число мостовых преобразователей 60, 61, 62, так же, как и число секций 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 каждой фазы шунтового трансформатора 19 равно четырем (N=4), коэффициенты трансформации K (i=1, 2, 3, 4) в каждой фазе соотносятся между собой как 1:2:4:8, что обеспечивает число ступеней регулирования n фазового сдвига устройства реализации, равное n=1+2+4+8=15 в каждую сторону - для опережающего и отстающего углов поворота фазы α, то есть всего 30, не считая нулевого угла регулирования.
При выбранных параметрах вторичных обмоток 29, 30, 31 каждой фазы шунтового трансформатора 19 устройство реализации позволяет обеспечить диапазон регулирования углов α от -40 до +40 град.эл. с дискретностью (40 град.эл./15)=2,67 град.эл. в каждую сторону, то есть практически плавно регулировать фазовый сдвиг во всем диапазоне изменения углов регулирования. Диапазон ±40 град.эл. обеспечивает возможность применения ФПУ во многих проблемных точках ЕЭС России.
d
C
C
C
Для высоковольтной линии 14 с напряжением 220 кВ диапазон ±40 град.эл., согласно формуле (2), может быть обеспечен формированием трехфазного вольтодобавочного напряжения U=87 кВ на вторичных обмотках 5, 6, 7 сериесного трансформатора 1. Коэффициент трансформации К сериесного трансформатора 1 принят равным К=√3/2. При выборе коэффициента трансформации сериесного трансформатора 1 следует учитывать, что при выбранном К для номинального тока нагрузки линий электропередачи в высоковольтных ключах 63÷66 мостовых преобразователей 60, 61, 62 не потребуется параллельное соединение тиристоров.
с
1
1
2
3
4
c
c
c
c
c
c
d
c
Поэтому при включении тиристорных пар только первой секции коммутатора 47 на первичных обмотках 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1 формируется напряжение U, равное напряжению U первой ступени регулирования. При включении тиристорных пар всех четырех мостовых преобразователей 60, 61, 62 коммутатора 47 в одном направлении на первичных обмотках сериесного трансформатора 1 обеспечивается напряжение, равное сумме напряжений всех четырех секций 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19, равное U+U+U+U=15U. Включение тиристорных пар в различных комбинациях и различных направлениях формирует напряжение на первичной обмотке сериесного трансформатора 1 от ±√3·U до ±√3·15U, где U - напряжение ступени регулирования, равное напряжению тех из секций 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19, которые имеют минимальное число витков. При числе ступеней регулирования n=15, коэффициенте трансформации К=√3/2 сериесного трансформатора 1, максимальной величине вольтдобавочного напряжения U=87 кВ в фазе линии при угле фазового сдвига в 40 эл.град. минимальная величина напряжения U ступени регулирования, равная напряжению первой секции вторичной обмотки шунтового трансформатора 19, будет равна:
Соответственно максимальные напряжения второй, третьей и четвертой секций вторичных обмоток шунтового трансформатора 19 будут равны:
2
U=2×2,9=5,8 кВ,
3
U=4×2,9=11,6 кВ,
4
U=8×2,9=23,2 кВ.
i
При этом коэффициенты трансформации К четырех секций вторичных обмоток 29, 30, 31 каждой фазы шунтового трансформатора 19 получаются равными соответственно:
1
2
3
4
К=0.023, К=0.046, К=0.092, К=0.184.
1
2
3
4
1
2
3
4
Так как все четыре мостовых преобразователя 60, 61, 62 трехфазного коммутатора 47 выполнены на напряжение U, U, U, U соответствующих секций 32, 33, 34, которое превышает рабочее напряжение единичных пар встречно-параллельно соединенных тиристоров, то двунаправленные полупроводниковые высоковольтные ключи 63, 64, 65, 66 выполняются в виде нескольких (в зависимости от уровня напряжения соответствующего мостового преобразователя 60, 61, 62) последовательно включенных пар встречно-параллельно соединенных тиристоров: число последовательно соединенных пар тиристоров в первой секции (U=2,9 кВ) равно 4, во второй секции (U=5,8 кВ) - равно 6, в третьей секции (U=11,6 кВ) - равно 8 и в четвертой секции (U=23,2 кВ) - равно 14.
При нулевом угле регулирования все мостовые преобразователи 60, 61, 62 во всех фазах «опрокинуты», т.е. включены два плеча 63, 64 или 65, 66, шунтирующие первичные обмотки 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1. При этом включенные тиристоры работают непрерывно в течение отрезка времени, задаваемого системным оператором или в соответствии с текущим режимом работы линии электропередачи. СУ ФПУ должна генерировать ток управления тиристорами в течение всего заданного временного интервала, причем ток управления одновременно подается на все последовательные пары встречно-параллельно соединенных тиристоров работающего плеча. Тиристорные ключи 63, 64, 65, 66 всех секций 60, 61, 62 трехфазного высоковольтного коммутатора 47 работают только в ключевом режиме «открыт» - «закрыт» и включаются при нулевом напряжении, то есть при переходе силового напряжения через ноль, поэтому из каждой пары встречно-параллельно соединенных тиристоров включится тот, на котором в это время есть прямое напряжение. Такой режим работы ФПУ с тиристорным коммутатором 47 является щадящим для тиристоров мостовых преобразователей 60, 61, 62, так как при включении и выключении на них воздействуют весьма малые величины скоростей нарастания напряжения dU/dt и тока dI/dt.
Аналогично тиристорные мостовые преобразователи 60, 61, 62 работают и при ненулевых углах регулирования, при этом опережающие углы регулирования формируют включенные тиристорные пары плеч 64, 65, а отстающие углы регулирования - тиристорные пары плеч 63, 66 тех из четырех мостовых преобразователей 60, 61, 62, которые должны работать на данной ступени регулирования.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели технический результат, заключающийся в повышении надежности и срока службы достигается за счет использования в трехфазном высоковольтном коммутаторе 47 тиристорных мостовых преобразователей 60, 61, 62 и схем их подключения к секциям вторичных обмоток 29, 30, 31 каждой фазы шунтового трансформатора 19; повышение пропускной способности высоковольтных линий достигается за счет расширения диапазона углов регулирования, а увеличение быстродействия ФПУ за счет применения в мостовых преобразователях 60, 61, 62 однооперационных тиристоров ведет к повышению устойчивости энергетической системы путем демпфирования колебаний, возникающих во время переходных электромеханических процессов.