Способ управления мощностью статического компенсатора реактивной мощности, работающего в сети синусоидального переменного напряжения
METHOD FOR CONTROLLING THE POWER OF A STATIC REACTIVE POWER COMPENSATOR OPERATING IN A SINUSOIDAL ALTERNATING VOLTAGE NETWORK

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях в устройствах поперечной компенсации для управления реактивной мощностью в линии электропередачи (ЛЭП) с целью уменьшения потерь электрической энергии и регулирования напряжения в местах установки данных устройств в ЛЭП.
Известен способ управления реактивной мощностью компенсатора емкостного типа, содержащего группу конденсаторов и полупроводниковых управляемых ключей. Управляемые полупроводниковые ключи позволяют обеспечивать различные комбинации последовательно-параллельного включения конденсаторов, что, в конечном итоге, определяет эквивалентную емкость и реактивную мощность компенсатора реактивной мощности (Патент RU 2683964 С1). Способ обеспечивает синусоидальную форму тока компенсатора во всем диапазоне регулирования его реактивной мощности. Недостатками способа является необходимость обнуления остаточного напряжения на конденсаторах, участвующих в формировании новой топологии включения конденсаторов, соответствующей новому уровню реактивной мощности. Это требует усложнения алгоритма работы способа, а также введение дополнительных элементов в схему устройства.
Наиболее близким прототипом предлагаемого способа является способ управления мощностью статического компенсатора реактивной мощности, использующего для регулирования реактивной мощности управляющее устройство, задающее синусоидальное напряжение на емкостном реактивном элементе (Патент RU 2675620 С1). К достоинствам способа относится наличие одного реактивного элемента и синусоидальная форма тока компенсатора реактивной мощности во всем диапазоне регулирования реактивной мощности. К недостатку прототипа следует отнести тот факт, что при смене уровня реактивной мощности компенсатора на емкостном реактивном элементе присутствует остаточное напряжение, соответствующее предыдущему уровню реактивной мощности компенсатора. Наличие остаточного напряжения на конденсаторе усложняет процесс управления уровнями реактивной мощности компенсатора. Для обеспечения надежного переключения уровней реактивной мощности компенсатора в способе прототипа предполагается, что к моменту изменения уровня реактивной мощности компенсатора остаточное напряжение на конденсаторе должно быть равно нулю. Это может быть реализовано двумя способами. В первом случае вводится пауза между изменениями уровней реактивной мощности, при которой остаточное напряжение на конденсаторе спадет к нулю. Это, в свою очередь, сказывается на быстродействии статического компенсатора реактивной мощности и на потерях энергии в нем, так как при каждом изменении уровня реактивной мощности остаточное напряжение на конденсаторе будет рассеиваться на его внутреннем сопротивлении. Во втором случае, в способе прототипа предпринимаются дополнительные меры по выводу остаточной энергии в конденсаторе в источник питания. В этом случае усложняется способ управления и схема компенсатора. При наличии нулевого напряжения на конденсаторе способ прототипа предполагает включение очередного уровня реактивной мощности синхронно с напряжением сети при достижении последним нулевого значения. При этом, ток в конденсаторе будет изменяться скачком до величины, определяемой производной от прикладываемого к нему напряжения и величины емкости конденсатора. Большие скачки тока при регулировании реактивной мощности статического компенсатора отрицательно сказываются на работе элементов силовой схемы статического компенсатора реактивной мощности, снижая надежность устройства в целом.
Технической задачей предлагаемого изобретения является ограничение скачка тока в моменты изменения уровней регулирования реактивной мощности в статическом компенсаторе реактивной мощности емкостного характера за счет использования остаточного напряжения на конденсаторе.
Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение быстродействия, при переключении регулируемых уровней реактивных мощностей, и надежности работы, за счет ограничения бросков тока, при переключении уровней мощности статического компенсатора реактивной мощности, а также повышение КПД за счет использования остаточной энергии в конденсаторе.
Предметом изобретения является способ управления мощностью статического компенсатора реактивной мощности, работающего в сети синусоидального переменного напряжения и содержащего последовательное соединение реактивного элемента и управляющего устройства, использующий задание величины, генерируемой статическим компенсатором реактивной мощности, измерение напряжения на входных зажимах статического компенсатора реактивной мощности, вычисление и задание требуемого действующего значения напряжения, прикладываемого к реактивному элементу, синхронизацию управления изменением напряжения на реактивном элементе с напряжением на входных зажимах статического компенсатора реактивной мощности, при котором управляющее устройство состоит из регулятора переменного синусоидального напряжения, своими выходными зажимами подключенного с помощью двунаправленного тиристорного ключа к выходным зажимам устройства, а, при изменении уровня реактивной мощности статического компенсатора, снимают импульсы управления с двунаправленного тиристорного ключа и ранее заданное управление с управляющего устройства, выдерживают паузу на время восстановления запирающих свойств двунаправленного тиристорного ключа и задают новое управление на двунаправленный тиристорный ключ и регулятор переменного напряжения в момент перехода напряжения на зажимах компенсатора реактивной мощности через ноль с учетом знаков напряжений на зажимах компенсатора реактивной мощности и реактивного элемента.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена упрощенная схема статического компенсатора реактивной мощности емкостного типа. На фиг. 2 приведена схема, поясняющая реализацию управления управляемым устройством при наличии начального значения напряжения на конденсаторе. На фиг. 3 приведены временные диаграммы работы схемы, изображенной на фиг. 2.
Упрощенная схема статического компенсатора реактивной мощности фиг. 1 состоит из управляющего устройства 1, выходные зажимы которого через последовательное соединение с выводами реактивного элемента емкостного типа 2 подключены к питающей сети 3. Входные зажимы управляющего устройства 1 непосредственно подключены к питающей сети 3. Силовая схема управляющего устройства 1 включает в себя регулятор переменного синусоидального напряжения 4, своими выходными зажимами, подключенными с помощью двунаправленного тиристорного ключа 5 к выходным зажимам управляющего устройства 1. Входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения 4 соединены с входными зажимами управляющего устройства 1 и подключены к питающей сети 3. Двунаправленный тиристорный ключ 5 построен на основе встречно-параллельно соединенных тиристорных ключей 6 и 7. Система управления 8 управляющего устройства 1 своими выходами 9 и 10 подключена соответственно к управляющему входу двунаправленного тиристорного ключа 5 и управляющему входу регулятора переменного синусоидального напряжения 4. Входы системы управления 8 управляющего устройства 1 соединены с соответствующими выходами датчика тока статического компенсатора реактивной мощности 11, датчика 12 напряжения сети 3 и датчика напряжения 13 на емкостном реактивном элементе 2.
Заявляемый способ работает следующим образом. При изменении уровня реактивной мощности статического компенсатора снимают импульсы управления с двунаправленного тиристорного ключа 5. При этом после спада тока к нулю, двунаправленный тиристорный ключ 5 разрывает контур, состоящий из конденсатора 2, питающей сети 3 и регулятора переменного синусоидального напряжения 4. После отключения конденсатора 2 от питающей сети и регулятора переменного синусоидального напряжения, на конденсаторе 2 будет присутствовать остаточное напряжение Uc(0). В качестве примера, на фиг. 2 показана полярность остаточного напряжения на конденсаторе 2. После спада тока к нулю в конденсаторе 2, система управления 8 должна обеспечить паузу в формировании импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 5 с целью восстановления его запирающих свойств. Процесс формирования нового уровня реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности синхронизируется с моментом перехода напряжения питающей сети 3 через его нулевое значение. Система управления 8 с помощью датчиков напряжения питающей сети 12 и напряжения на конденсаторе 13 определяет их знаки и подает отпирающий импульс на тот тиристор двунаправленного тиристорного ключа 5, для которого напряжение на текущей полуволне напряжения питающей сети 3 будет отрицательным. В момент достижения напряжением на тиристоре нулевого уровня, он отпирается, и ток начинает протекать через конденсатор 2. Датчик тока 11 статического компенсатора реактивной мощности фиксирует появлении тока в конденсаторе 2 и подает сигнал системе управления 8 на подачу импульса управления на второй тиристор двунаправленного тиристорного ключа 5. После включения двух тиристоров 6 и 7 двунаправленного тиристорного ключа 5 процесс изменения уровня реактивной мощности статического компенсатора завершается. На протяжении всего времени поддержания требуемого уровня мощности двунаправленный тиристорный ключ 5 находится во включенном состоянии. При необходимости очередного изменении уровня реактивной мощности, система управления 8 снимает импульсы управления с двунаправленного тиристорного ключа 5, и после спада тока в конденсаторе 2 к нулю, конденсатор 2 отключается от сети. После короткой паузы, которая минимально может составлять полпериода питающей сети, задание нового значения уровня реактивной мощности статического компенсатора может инициироваться вновь.
На фиг. 2 приведена схема, поясняющая процессы при изменении уровня реактивной мощности статического компенсатора при наличии начального напряжения Uc(0) на конденсаторе 2. При этом суммарное напряжение питающей сети и регулятора переменного синусоидального напряжения отображается эквивалентным генератором синусоидального напряжения 14. Двунаправленный тиристорный ключ 5, указанный на фиг. 1, представлен двумя встречно-параллельно соединенными тиристорами 6 и 7. Система управления начинает процесс смены состояния уровня реактивной мощности при знаках полуволны суммарного эквивалентного генератора и остаточного напряжения на конденсаторе 2, указанных на фиг. 2. Как видно из фиг. 2, напряжение эквивалентного генератора синусоидального напряжения 14 и остаточное напряжение на конденсаторе 2 в рассматриваемом контуре имеют разные знаки, что и определяет синхронизацию процессов управления уровнями реактивной мощности статического компенсатора.
0
1
0
1
На фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс управления двунаправленным ключом 5 в схеме фиг. 2. В момент времени t, при прохождении напряжения эквивалентного генератора синусоидального напряжения 14 через 0, а также противоположных знаках напряжений эквивалентного генератора синусоидального напряжения 14 и остаточного напряжения на конденсаторе 2 относительно двунаправленного тиристорного ключа 5, система управления 8 подает отпирающий импульс на тиристор 6 двунаправленного тиристорного ключа 5 (фиг. 3а). На интервале времени (t-t) напряжение на тиристоре 6 является отрицательным и уменьшается до 0 (фиг. 3д). В момент времени t тиристор 6 отпирается, и ток в нем возрастает скачком (фиг. 3г) до величины
6
1
|t1
I (t)=C dU/dt,
где С - величина емкости конденсатора 2,
|t1
1
dU/dt - производная от напряжения эквивалентного генератора 14 в момент t=t.
1
0
2
2
На интервале времени (t-t) датчик тока 11 обнаруживает начало протекания тока в статическом компенсаторе реактивной мощности и подает сигнал системе управления 8 на формирование отпирающего импульса на тиристор 7 (фиг. 3б). С момента времени t ток конденсатора 2 начинает протекать через тиристор 7. Таким образом, начиная с момента времени t, двунаправленный тиристорный ключ 5 будет находиться в проводящем состоянии (фиг. 3г) в течение всего времени поддержания реактивной мощности статического компенсатора на заданном уровне.
Из фиг. 3 видно, что чем больше остаточное напряжение на конденсаторе 2, тем меньше амплитуда скачка тока через тиристор 6, что и обеспечивает уменьшение броска тока через статический компенсатор реактивной мощности в момент изменения величины реактивной мощности. При этом, как уже отмечалось ранее, пауза между переключениями уровней реактивной мощности может быть сведена к длительности одного периода питающей сети, что существенно увеличивает быстродействие статического компенсатора реактивной мощности. Остаточное напряжение на конденсаторе используется при формировании нового значения реактивной мощности статического компенсатора, что повышает КПД устройства в целом. Таким образом, осуществление совокупности признаков заявляемого способа управления обеспечивает достижение указанного технического результата.