КОМПЕНСИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УДАЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
COMPENSATED SYSTEM OF POWER SUPPLY FOR ELECTRIC ENERGY CONSUMERS

Изобретение относится к системам электроснабжения на основе силовой преобразовательной техники и может быть использовано для питания удаленных потребителей переменного тока, например, в качестве систем электроснабжения буровых установок нефтегазодобывающего комплекса со значительной величиной нагрузки вспомогательных потребителей.
Известна некомпенсированная система электроснабжения буровых установок нефтегазодобывающего комплекса (Абрамов Б.И., Коган А.И., Бреслав Б.М. и др. Частотно-регулируемый электропривод буровых установок БУ-4200/250 // Электротехника. - №1, 2009, с.8-13, рис.2). В этой системе использован частотно-регулируемый электропривод главных механизмов буровых установок. Система содержит питающую сеть в виде источника трехфазного переменного напряжения (понижающую подстанцию) и воздушной линии электропередачи (ЛЭП) протяженностью до трех километров, двенадцатифазный диодный некомпенсированный выпрямитель, распределительное устройство постоянного тока, от которого посредством автономных инверторов напряжения осуществляется питание двигателей буровых насосов, роторного ствола, буровой лебедки, цементировочных насосов и др. Достоинством указанной системы электроснабжения является то, что в ней используются простые асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Однако такая система имеет ряд существенных недостатков, а именно значительное потребление из питающей сети реактивной мощности и резко снижающиеся показатели качества электрической энергии как в питающей сети, так и у потребителя при возрастании длины ЛЭП. Особенно это проявляется при наличии значительной величины, всегда имеющей место дополнительной нагрузки вспомогательных потребителей электрической энергии (вспомогательный электропривод, электроосвещение, объекты социальной сферы и др.). В результате электроснабжение удаленных от источника питания потребителей электрической энергии (более трех километров) становится невозможным.
<mrow><mfrac><mi>ρ</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mi>s</mi><mfrac><mi>ρ</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>±</mo><mn>1</mn></mrow>
Известна компенсированная система электроснабжения потребителей электрической энергии (RU 2400917, МПК Н02М 7/68, опубл. 27.09.2010, Бюл. №27, "Компенсированная система электроснабжения разночастотных потребителей электрической энергии", Ю.И. Хохлов, М.Ю.Федорова, С.А.Чупин). Эта система построена на основе двенадцатифазного (ρ=12) диодного компенсированного выпрямителя, состоящего из двух
-фазных преобразовательных блоков. Входные токи каждого из блоков содержат гармоники порядка
, где s=0, 1, 2, 3, 4, 5, …. Нечетнократные (s=1, 3, 5, …) гармоники токов обоих блоков в этом выпрямителе направлены в конденсаторы компенсирующего устройства (Монография «Компенсированные выпрямители с фильтрацией в коммутирующие конденсаторы нечетнократных гармоник токов преобразовательных блоков», Челябинск, ЧГТУ, 1995, с.30). При ρ=12 - это преимущественно пятая и седьмая гармоники. Перезаряжаемые токами, преимущественно пятой и седьмой гармоник, конденсаторы компенсирующего устройства осуществляют опережающую искусственную коммутацию вентилей. Потребители электрической энергии в данной системе также выполнены в виде автономных инверторов и трехфазных электрических двигателей переменного тока.
Данная система, выбранная в качестве ближайшего аналога, имеет малую установленную мощность и высокую эффективность использования компенсирующего устройства за счет работы его на частотах 250 и 350 Гц, обеспечивает компенсацию потребляемой самим выпрямителем из питающей сети реактивной мощности. В результате увеличивается возможное расстояние от источника трехфазного переменного напряжения (понижающей подстанции) до потребителей при допустимом уровне снижения напряжения. При питании буровых установок по воздушным ЛЭП это расстояние может составлять порядка 4-6 км.
Однако при имеющихся на практике еще больших длинах воздушных ЛЭП (в нефтегазодобывающем комплексе длины ЛЭП могут составлять 10 и более километров) компенсации реактивной мощности, потребляемой только выпрямителем, в этих условиях недостаточно. Степень компенсации реактивной мощности всей системы электроснабжения оказывается низкой из-за большой величины индуктивного сопротивления линии. При большой длине ЛЭП значительно возрастают падения напряжения как на индуктивном, так и на активном сопротивлениях. Особенно это проявляется при наличии большой дополнительной нагрузки вспомогательных потребителей электрической энергии. С учетом того, что в данной системе протекающий в ЛЭП суммарный ток нагрузки основных и вспомогательных потребителей большой, в линии электропередачи такой длины имеют место большие потери электрической энергии, до недопустимых пределов снижается уровень напряжения в конце ЛЭП и соответственно - на потребителях, повышается несинусоидальность напряжения, что значительно снижает качество электрической энергии в системе электроснабжения. Кроме того, в такой системе электроснабжения при большой длине ЛЭП на ее выходе при холостом ходе буровой установки возникают перенапряжения, опасные для основных и вспомогательных потребителей.
Изобретение решает задачу создания возможности эффективного и безопасного электроснабжения по ЛЭП переменного тока с большими величинами активного и индуктивного сопротивлений расположенных на большом расстоянии от источника трехфазного переменного напряжения промышленной частоты как основных потребителей электрической энергии буровых установок в виде автономных инверторов и трехфазных электрических двигателей переменного тока, так и вспомогательных потребителей с одновременным повышением энергетических показателей и качества электрической энергии в системе электроснабжения.
1
2
n
Для решения этой задачи в компенсированной системе электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии, содержащей питающую сеть в виде источника трехфазного переменного напряжения промышленной частоты f и трехфазной линии электропередачи с подключенным в конце линии ρ-фазным выпрямителем, к выходным выводам которого через распределительное устройство постоянного тока входными выводами подключены n автономных инверторов с частотами выходных напряжений на питаемых ими потребителях переменного тока f, f,…f, нa входе ρ-фазного выпрямителя дополнительно включен параллельный пассивный фильтр канонических гармоник, на входе трехфазной линии электропередачи включен дополнительно введенный трехфазный повышающий регулировочный трансформатор, а на выходе линии включено дополнительно введенное трехфазное трансформаторное компенсирующее устройство (ТТКУ), содержащее выполненные на самостоятельных магнитопроводах трехфазный регулировочный понижающий трансформатор, трехфазный компенсационный трансформатор и трехфазную конденсаторную батарею, первичная трехфазная обмотка трехфазного компенсационного трансформатора соединена последовательно с одной из трехфазных обмоток регулировочного трехфазного понижающего трансформатора, причем включенные последовательно трехфазная вторичная обмотка компенсационного трансформатора и трехфазная конденсаторная батарея соединены по схеме, связанной трехфазной электрической цепи.
С целью снижения тока в первичной трехфазной обмотке трехфазного компенсационного трансформатора последняя соединена последовательно с первичной трехфазной обмоткой регулировочного понижающего трансформатора.
С целью разгрузки трехфазного регулировочного понижающего трансформатора трехфазного компенсирующего устройства от реактивной мощности первичная трехфазная обмотка трехфазного компенсационного трансформатора соединена последовательно с его вторичной трехфазной обмоткой.
С целью снижения уровня ρ-1 гармоники напряжения на входе ρ-фазного выпрямителя включен параллельный пассивный фильтр ρ-1 гармоники.
С целью снижения уровня ρ-1 и ρ+1 гармоник напряжения на входе ρ-фазного выпрямителя включен параллельный пассивный фильтр ρ-1 и ρ+1 гармоник.
Принципиальная схема предлагаемой компенсированной системы электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии в однолинейном изображении приведена на фиг.1. Принципиальная схема одного из вариантов трехфазного трансформаторного компенсирующего устройства с включением первичной трехфазной обмотки трехфазного компенсационного трансформатора последовательно с первичной трехфазной обмоткой регулировочного понижающего трансформатора представлена на фиг.2. Принципиальная схема одного из вариантов трехфазного трансформаторного компенсирующего устройства с включением первичной трехфазной обмотки трехфазного компенсационного трансформатора последовательно с вторичной трехфазной обмоткой регулировочного понижающего трансформатора представлена на фиг.3. Другие варианты трехфазного трансформаторного компенсирующего устройства отличаются лишь схемами соединения обмоток регулировочного понижающего трансформатора. На фиг.4 представлены результаты моделирования электромагнитных процессов в предлагаемой компенсированной системе электроснабжения по схеме на фиг.1 с трехфазным трансформаторным компенсирующим устройством по схеме на фиг.2 и пассивным фильтром ρ-1 гармоники. Моделирование выполнено применительно к условиям нефтегазодобывающего комплекса при длине воздушной ЛЭП 15 км.
Предлагаемая система электроснабжения содержит источник трехфазного переменного напряжения (понижающую подстанцию) 1, трехфазную ЛЭП 2, ρ-фазный выпрямитель 3, распределительное устройство постоянного тока 4, n потребителей электрической энергии, выполненных в виде автономных инверторов 5 и асинхронных двигателей переменного тока 6, дополнительно введенные трехфазный повышающий регулировочный трансформатор 7, трехфазное трансформаторное компенсирующее устройство 8 и пассивный фильтр 9. Трехфазное трансформаторное компенсирующее устройство 8 содержит трехфазный регулировочный понижающий трансформатор 10, трехфазный компенсационный трансформатор 11 и трехфазную конденсаторную батарею 12.
<mrow><mi>s</mi><mfrac><mi>ρ</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>±</mo><mn>1</mn></mrow>
Работа предлагаемой компенсированной системы электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии осуществляется следующим образом. После подачи напряжения от подстанции 1 на регулировочный трансформатор 7 напряжение на входе линии электропередачи 2 повышается до необходимой величины, определяемой длиной ЛЭП и величиной нагрузки вспомогательных потребителей электрической энергии. Одновременно напряжение подается на трехфазный регулировочный понижающий трансформатор 10 трехфазного трансформаторного компенсирующего устройства 8. Ток ЛЭП протекает по первичной обмотке трехфазного компенсационного трансформатора 11. Этот ток создается гармониками порядка
где s=0, 2, 4, 6, …, т.е. суммой четнократных гармоник входных токов преобразовательных блоков выпрямителя 3. Эти же гармоники трансформируются во вторичную трехфазную обмотку трехфазного компенсационного трансформатора 11 и создают напряжения аналогичных гармоник на трехфазной конденсаторной батарее 12. Таким образом, в отличие от прототипа, напряжения на трехфазной конденсаторной батарее 12 определяются преимущественно первой, одиннадцатой и тринадцатой гармониками (см. диаграммы напряжения и тока конденсаторной батареи ТТКУ на фиг.4). Такие напряжения исключают возможность характерного для прототипа режима с повторной проводимостью вентилей выпрямителя, ограничивающего компенсирующие возможности компенсирующего устройства (см. диаграммы напряжения и тока вентилей, где напряжение на вентиле в непроводящую часть периода остается все время отрицательным). С помощью напряжений на конденсаторной батарее 12 осуществляется полная компенсация реактивного сопротивления и реактивной мощности ЛЭП и всех потребителей электрической энергии (см. диаграммы напряжения и тока на входе и выходе ЛЭП на фиг.4). В результате подъема напряжения на входе ЛЭП с помощью трансформатора 7, компенсации реактивного сопротивления и реактивной мощности с помощью компенсационного трансформатора 11 и конденсаторной батареи 12, а также снижения напряжения в конце ЛЭП с помощью трансформатора 10, уменьшается передаваемый по ЛЭП ток и обеспечивается необходимый уровень напряжения в конце ЛЭП. Тем самым обеспечивается номинальный режим работы распределительного устройства 4 (см. диаграммы напряжения и тока на выходе выпрямителя с требуемыми, например, для буровой установки БУ-4200/250 ЭК-БМ номинальными параметрами 825 В, 3280 А), автономных инверторов 5, основных 6 и вспомогательных потребителей электрической энергии в рабочем режиме буровой установки. Кроме того, трансформатором 10 обеспечивается не превышение допустимого уровня напряжения на всех потребителях в режиме холостого хода буровой установки. С помощью пассивного фильтра ρ-1 гармоники или ρ-1 и φ+1 гармоник снижается несинусоидальность и повышается качество электрической энергии в системе электроснабжения (см. диаграммы напряжения и тока на входе и выходе ЛЭП на фиг.4).
Технико-экономический эффект от применения предлагаемой компенсированной системы электроснабжения определяется значительным увеличением допустимого расстояния от понижающей подстанции до потребителей электрической энергии, таких как буровые установки нефтегазодобывающего комплекса. При этом отпадает необходимость строительства дополнительных понижающих подстанций, поскольку каждая питающая подстанция может обслужить большее число буровых установок, что приводит к значительному снижению капитальных затрат. За счет снижения тока в ЛЭП, полной компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения и нормализации качественных показателей электрической энергии обеспечивается существенный энергосберегающий эффект. Кроме того, исключением перенапряжения в конце ЛЭП в режиме холостого хода буровой установки создаются условия для безопасносной работы всех потребителей электрической энергии.