УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЕТИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ASSEMBLY FOR COMPENSATING REACTIVE POWER AND ACTIVE POWER IN A HIGH-VOLTAGE NETWORK

Изобретение относится к устройству для компенсации реактивной мощности и активной мощности в сети высокого напряжения.
Фиг. 1 показывает обычное устройство 1 для компенсации реактивной мощности и активной мощности. Конденсатор 2 соединен параллельно с батареей 3, эти компоненты соединены через преобразователь 4 с тремя фазами сети переменного тока. Конденсатор 2 и батарея 3 подсоединены на стороне постоянного напряжения преобразователя 4. Конденсатор 2 используется для компенсации реактивной мощности, батарея 3 – для компенсации активной мощности. Преобразователь 4 содержит для каждой фазы несколько последовательно соединенных подмодулей 5, чтобы обеспечить электрическую прочность, требуемую в сети высокого напряжения. С помощью переключателей 7, 8, батарея 3 может отделяться от остальных компонентов устройства 1.
Фиг. 2 показывает пример такого подмодуля 5, который состоит из транзистора и диода.
Фиг. 3 показывает альтернативный подмодуль 6, который состоит из полумоста из полупроводниковых компонентов и конденсатора.
Этому обычному, поясненному со ссылками на фиг. 1-3 устройству для компенсации реактивной мощности и активной мощности свойственны некоторые проблемы. Если компенсация реактивной мощности выполняется в непрерывном режиме, в конденсаторе 2 и 3 батарее непрерывно протекает ток, который приводит к нагреву и, следовательно, к снижению срока службы чувствительных компонентов.
Если напряжение на батарее 3 меньше, чем напряжение сети, ток заряда протекает неконтролируемым образом через диоды подмодулей, показанных на фиг. 2 и 3. Из-за большой емкости накопителя энергии, при включении устройства при разряженном накопителе энергии может протекать очень большой ток, что приводит к негативным последствиям для сети высокого напряжения и преобразователя 4.
Еще одна проблема возникает, когда вместо батареи 3 предусмотрены конденсаторы с двойным электрическим слоем в качестве накопителя энергии. При восстановлении накопленной энергии, напряжение на конденсаторе уменьшается согласно квадратному корню напряжения. Так как напряжение на накопителе энергии не может быть меньше, чем напряжение в сети высокого напряжения, должно приниматься во внимание большое ограничение выхода энергии. Подобные проблемы также возникают, когда батарея используется в качестве накопителя энергии.
В публикации WO 2010/124706 А1 предложен модульный, многоступенчатый преобразователь, в котором модули накопителя энергии встроены непосредственно в отдельные подмодули преобразователя. Силовой электронный блок в форме "прерывателя" или преобразователя напряжения применяется для того, чтобы накопитель энергии связать с подмодулем. Однако требуемый силовой электронный блок и связанный дроссель обуславливают значительные затраты на конструирование.
Поэтому в основе изобретения лежит задача создать устройство для компенсации реактивной мощности и активной мощности в сети высокого напряжения, которое проще по конструкции.
Для решения этой задачи в соответствии с изобретением предусмотрено устройство вышеуказанного типа, которое содержит первый преобразователь, который предназначен для компенсации активной мощности, и второй последовательно включенный преобразователь, который предназначен для компенсации реактивной мощности, причем поставляемое или выдаваемое устройством напряжение соответствует сумме напряжений первого преобразователя и второго преобразователя.
Существующие в предшествующем уровне техники проблемы устраняются в соответствии с изобретением устройством с двумя последовательно соединенными преобразователями, причем первый преобразователь выполнен с возможностью компенсации активной мощности, а второй предусмотрен для компенсации реактивной мощности. В соответствующем изобретению устройстве существенным является то, что напряжение преобразовательного устройства соответствует сумме напряжений обоих преобразователей.
В соответствии с изобретением, предпочтительно, что устройство содержит блок управления, который выполнен с возможностью измерения напряжений и токов, существующих в сети высокого напряжения, и который таким образом устанавливает выдаваемые первым и вторым преобразователями напряжения, что требуемая активная мощность Р и реактивная мощность Q отбирается из сети высокого напряжения или вводится в сеть высокого напряжения.
В соответствии с изобретением, предпочтительно, что блок управления управляет обоими преобразователями таким образом, что первый преобразователь компенсирует только активную мощность, а второй преобразователь - только реактивную мощность.
В объем настоящего изобретения также входит то, что первый преобразователь, который предусмотрен для компенсации активной мощности, содержит по меньшей мере один элемент накопителя энергии или связан с накопителем энергии. Предпочтительным образом, элемент накопителя энергии может быть выполнен как конденсатор, или конденсатор с двойным электрическим слоем, или как батарея.
Предпочтительно, что первый преобразователь и/или второй преобразователь содержит(ат) дроссель.
В соответствующем изобретению устройстве блок управления может быть выполнен с возможностью регулирования напряжения, выдаваемого первым преобразователем, таким образом, что оно находится в фазе или в противофазе с током, протекающим через преобразователь. Предпочтительно может быть предусмотрено, что блок управления управляет преобразователем, предусмотренным для компенсации реактивной мощности, таким образом, что ток, протекающий через конденсатор, ограничивается.
Также в объем настоящего изобретения входит то, что оба преобразователя, соответственно, имеют Н-мост, который предпочтительно выполнен из силовых полупроводниковых переключателей. Предпочтительно, оба преобразователя являются, соответственно, трехфазными. Преобразователи могут быть включены по схеме соединения звездой или по схеме соединения треугольником.
Изобретение поясняется с помощью примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи. Чертежи являются схематичными представлениями и показывают следующее:
Фиг. 1 – обычное устройство для компенсации реактивной мощности и активной мощности;
Фиг. 2 и 3 – подмодули обычного устройства по фиг. 1;
Фиг. 4 – соответствующее изобретению устройство для компенсации реактивной мощности и активной мощности;
Фиг. 5 - эквивалентная схема соответствующего изобретению устройства;
Фиг. 6-11 - векторные диаграммы напряжений и токов, возникающих в устройстве;
Фиг. 12 - другой пример выполнения соответствующего изобретению устройства для компенсации реактивной мощности и активной мощности;
Фиг. 13 - другой пример выполнения соответствующего изобретению устройства для компенсации реактивной мощности и активной мощности;
Фиг. 14 - другой пример выполнения соответствующего изобретению устройства для компенсации реактивной мощности и активной мощности;
Фиг. 15 - другой пример выполнения соответствующего изобретению устройства;
Фиг. 16-18 - другие примеры выполнения соответствующих изобретению устройств для компенсации реактивной мощности и активной мощности; и
Фиг. 19-22 – применения устройств, показанных на фиг. 16-18.
Фиг. 4 показывает устройство для компенсации реактивной мощности и активной мощности в сети высокого напряжения, содержащее первый преобразователь CW, который предназначен для компенсации активной мощности, и второй, включенный последовательно с ним преобразователь CVAR, который предназначен для компенсации реактивной мощности. Оба преобразователя CW, CVAR соединены с блоком 9 управления. Устройство 10, показанное на фиг. 4, с обоими преобразователями CW, CVAR может быть соединено с фазами сети. Альтернативно, могут быть предусмотрены ветви, так что возникает схема соединения треугольником или схема соединения звездой со связанной нулевой точкой (нейтралью).
В устройстве 10 является существенным, что напряжение (общее напряжение) образуется суммой напряжений обоих преобразователей CW, CVAR, при этом речь может идти как об отдельных фазных напряжениях, так и о многофазном напряжении. Преобразователь CVAR состоит из отдельных подмодулей, как устройство, показанное на фиг. 1, однако, так как он необходим только для компенсации реактивной мощности, не требуются ни батарея, ни переключатели.
CVAR
CW
На блок 9 управления подаются сигналы, соответствующие электрическим параметрам, которые измеряются в сети высокого напряжения. Блок 9 управления имеет для этой цели регулятор 12, который является составной частью блока 9 управления и определяет реактивную мощность и активную мощность, которые либо потребляются сетью высокого напряжения, либо вводятся в сеть. Посредством вычислительного блока 11 вычисляются напряжения U и U для преобразователей CVAR и CW, так что реактивная мощность и активная мощность, которые определяются посредством регулятора 12, преобразуются, соответственно, посредством преобразователей CVAR, CW. Для обоих преобразователей CW, CVAR предусмотрен, соответственно, блок 13, 14 управления преобразователя, чтобы управлять силовыми полупроводниковыми переключателями.
CW
CVAR
SUM
CW
CVAR
NET
L
L
Принцип работы устройства 10 поясняется с помощью эквивалентной схемы, показанной на фиг. 5. Оба преобразователя CW, CVAR и индуктивность L преобразователя в эквивалентной схеме учитываются посредством двух источников напряжения U и U, а также индуктивности L. Индуктивность L реализована в виде дросселя в одном из преобразователей, альтернативно, она может также быть распределенной. Полное напряжение преобразовательного устройства, т.е. напряжение U, получается как сумма напряжений обоих источников напряжения U и U. Сетевое напряжение, т.е. напряжение на клеммах устройства, изображено посредством источника напряжения U. Напряжение U является напряжением, которое формируется на индуктивности L. I представляет собой ток, который возникает в результате напряжений и индуктивности в эквивалентной схеме 15.
При объяснении функции и принципа управления пренебрегают сопротивлением и получаемой на этой основе мощностью потерь на индуктивности L и в преобразователях CW и CVAR, так как эти значения сравнительно малы.
L
L
NET
CW
CVAR
L
L
Из эквивалентной схемы 15, показанной на фиг. 5, получаются следующие уравнения, причем Р обозначает активную мощность и Q -реактивную мощность, которые подаются из сети в устройство. Сокращение Xобозначает реактивное сопротивление индуктивности L. Помимо X, все величины в следующих уравнениях являются комплексными, то есть они имеют действительную и мнимую часть. Как должно быть понятно специалисту, U, U, U, U, I являются переменными напряжениями и переменным током, эффективное значение которых используется в следующих уравнениях. Для эквивалентной схемы 15 на фиг. 5 справедливы следующие уравнения:
CW
L
L
CW
CW
SUМ
Для того чтобы преобразователь CW брал на себя всю активную мощность и работал исключительно с активной мощностью, напряжение U должно быть в фазе с током I, так как I также является током, протекающим через преобразователь U. С другой стороны, напряжение U является компонентом U. Отсюда получается следующее уравнение:
Отсюда получается напряжение
CVAR
L
CVAR
Отсюда следует, что разность фаз между U и I составляет 90 градусов, так что преобразователь CVAR работает исключительно с реактивной мощностью. Таким образом, U может вычисляться в качестве альтернативы следующим образом:
NET
L
L
NET
SUM
L
L
L
NEТ
NEТ
Способ работы устройства для компенсации реактивной мощности и активной мощности далее поясняется со ссылкой на фиг. 6-11, при этом речь идет о векторных диаграммах возникающих напряжений. Для этих диаграмм были приняты типичные значения, такие как, например, U=100 кВ и Х=100 Ом. Очевидно, что напряжение U равно разности между U и U. Кроме того, на векторных диаграммах также представлен ток I. Как известно, ток I отстает от напряжения U всегда на 90 градусов. Сетевое напряжение U обеспечивает в примерах, показанных на фиг. 6-11, соответственно, опорную фазу, поэтому его фаза всегда равна 0, поэтому сетевое напряжение U представлено посредством горизонтального вектора.
CVAR
Из фиг. 6-9 следует, что напряжение Uпреобразователя CVAR, который несет ответственность за компенсацию реактивной мощности, не в фазе с сетевым напряжением.
L
L
CW
L
CVAR
L
Фиг. 6 показывает ситуацию, в которой устройство потребляет 10 МВт положительной активной мощности и 10 Мвар реактивной мощности. Устройство, таким образом, рассматривается сетью как сопротивление и дроссель. Как упоминалось ранее, Iзапаздывает относительно напряжения U на 90 градусов. Напряжение U находится в фазе с I, так как активная мощность положительна. Напряжение Uопережает Iна 90 градусов, так как реактивная мощность положительна.
CW
L
CVAR
L
Фиг. 7 показывает ситуацию, в которой устройство поставляет 10 МВт отрицательной активной мощности и 10 Мвар положительной реактивной мощности. Соответственно, устройство работает как генератор и конденсатор. Напряжение U является противофазным относительно I, и напряжение U запаздывает относительно I на 90 градусов.
CW
L
CVAR
L
На фиг. 8 показана ситуация, в которой устройство потребляет 10 МВт положительной активной мощности и поставляет 10 Мвар реактивной мощности, поэтому устройство рассматривается сетью как сопротивление и конденсатор. Напряжение U является синфазным с I, и напряжение U запаздывает относительно I на 90 градусов.
CW
L
CVAR
L
Фиг. 9 показывает ситуацию, в которой устройство 10 поставляет 10 МВт (отрицательной активной мощности) и потребляет около 10 Mвар, как генератор и дроссель. Напряжение U является противофазным относительно I, и напряжение U опережает Iна 90 градусов.
NET
CW
L
NET
CW
CVAR
Фиг. 10 показывает особую ситуацию, в которой устройство потребляет чисто активную мощность. Поэтому напряжения U, Uи ток I являются синфазными друг с другом. Кроме того, U и U имеют одинаковую величину. Преобразователь CVAR компенсирует реактивную мощность на дросселе L своим напряжением U и регулирует активную мощность устройства.
CW
CVAR
NET
L
Фиг. 11 показывает особую ситуацию, в которой напряжение Uна преобразователе CW равно нулю. Таким образом, устройство не имеет активной мощности, при этом U и U являются синфазными и запаздывают относительно I. В этом примере реактивная мощность отрицательна, и устройство рассматривается сетью как конденсатор.
CW
Первая из упомянутых проблем, а именно длительная нагрузка накопителей энергии реактивной мощностью, решается устройством за счет того, что преобразователь CW, с которым соединен накопитель энергии, вносит вклад только в долю активной мощности, так что его напряжение U может поддерживаться на низком значении или даже на нулевом уровне, в то время как преобразователь CVAR компенсирует реактивную мощность. Соответственно, накопитель энергии в преобразователе CW в продолжительном режиме работы нагружается соответственно незначительно или вообще не нагружается, так что его срок службы значительно увеличивается. Одновременно осуществляется компенсация реактивной мощности посредством преобразователя CVAR, как показано на фиг. 11. При этом является выгодным, что накопитель энергии не должен отключаться с помощью других средств, например механических переключателей, так что он может срабатывать без задержки.
При необходимости, например, для зарядки накопителя энергии или для стабилизации сети высокого напряжения после неисправности, активная мощность регулируется преобразователем, так что поглощение энергии из сети высокого напряжения или ввод энергии из накопителя энергии в сеть может регулироваться блоком 9 управления. При этом реактивная мощность обеспечивается преобразователем CVAR в соответствии с потребностями или она равна нулю. Фиг. 6-10 показывают ситуации, когда реактивная мощность обеспечивается преобразователем CVAR. Фиг. 11 показывает ситуацию, когда реактивная мощность равна нулю.
Вторая из вышеупомянутых проблем, а именно неконтролируемо высокий ток заряда при включении, решается устройством 10 за счет того, что ток ограничивается посредством преобразователя CVAR, даже если напряжение на преобразователе CW меньше сетевого напряжения или даже равно нулю, как показано в примере выполнения на фиг. 11. Преобразователь CVAR должен рассчитываться только на реактивную мощность, так что его конденсаторы имеют согласованную с этим соразмерную емкость. Таким образом, конденсаторы могут заряжаться при запуске быстро и без тока перегрузки, не требуя для этого каких-либо дорогостоящих средств. Соответственно, устройство 10 готово к работе сразу после включения.
Поскольку преобразователь CVAR может эффективно ограничивать ток, возникает большая свобода в отношении напряжения на преобразователе CW и на элементах накопителя энергии, которые соотнесены с этим преобразователем. Соответственно, зарядка и разрядка накопителей энергии может быть выполнена независимо от напряжения в любой момент, что обеспечивает максимальный выход энергии. Таким образом, устраняется третья из вышеупомянутых проблем, а именно зависимость накопителей энергии от состояния заряда. Кроме того, подмодули преобразователя могут иметь относительно простую конструкцию, так как не требуется никакой "прерыватель" и т.п., как в предшествующем уровне техники.
Фиг. 12 иллюстрирует пример выполнения устройства 18 для компенсации реактивной мощности и активной мощности, в котором преобразователь CW выполнен как модульный, многоступенчатый преобразователь с подмодулями 16 из Н-мостов (полных мостов). Подобные H-мосты отличаются тем, что они или их напряжение на клеммах может принимать три состояния (нуль, плюс, минус). На фиг. 12 можно видеть, что вместо обычного DC-конденсатора предусмотрен элемент 17 накопителя энергии, который выполнен в показанном примере выполнения как ионно-литиевая батарея. В качестве альтернативы, элемент накопителя энергии может также быть конденсатором с двойным электрическим слоем. Соответственно с помощью показанного на фиг. 12 устройства 18 также осуществляется принцип последовательного соединения двух преобразователей, из которых один предусмотрен для компенсации реактивной мощности, а другой - для активной мощности.
Фиг. 13 показан еще один пример выполнения с устройством 19, в котором оба преобразователя CW и CVAR выполнены трехфазными, в виде модульных, многоступенчатых преобразователей, причем все устройство 19 имеет шесть клемм (X11, X12, X13, X41, X42, X43). Поэтому устройство 19 может быть включено как по схеме соединения звездой, так и по схеме соединения треугольником. На фиг. 13 между обоими преобразователями CW, CVAR показаны индуктивности 20, но они в общем случае опциональны и не являются обязательно требуемыми. На фиг. 13 можно видеть, что подмодуль 16 преобразователя CW имеет элемент 17 накопителя энергии в соответствии с примером выполнения по фиг. 12. С другой стороны, подмодуль 21 преобразователя CVAR имеет DC-конденсатор 22.
Фиг. 14 показывает еще один пример выполнения, в котором оба преобразователя CW, CVAR выполнены как модульные, многоступенчатые преобразователи, причем CW включен по схеме соединения звездой, а CVAR включен по схеме соединения треугольником. Индуктивности 23 устройства 24 подключены внутри треугольника.
Фиг. 15 показывает устройство 25, состоящее из преобразователя 26 для компенсации реактивной мощности и преобразователя 27 для компенсации активной мощности. Преобразователи 26, 27 соответствуют по своей конструкции примеру выполнения, показанному на фиг. 13. Силовые полупроводниковые переключатели преобразователей 26, 27 могут быть выполнены как IGBT, IGCT или GTO.
На фиг. 15 можно видеть, что параллельно преобразователю 27 для компенсации активной мощности включен комплекс из антипараллельно включенных тиристоров 28. Во время отдачи реактивной мощности тиристоры 28 постоянно поджигаются, так что элементы накопителя энергии (преобразователь 27) не управляются. В этом состоянии тиристоры 28 шунтируют преобразователь 27, тем самым избегая более высоких потерь, которые возникали бы, если бы ток протекал через преобразователь 27, потому что тогда путь тока всегда проходил бы через IGBT и диод. Как только должна отдаваться активная мощность, тиристоры 28 блокируются, и приводятся в действие элементы накопителя энергии (преобразователь 27).
Фиг. 16 показывает фазный модуль 29, который выполнен в виде последовательного соединения индуктивности 30, нескольких преобразователей для компенсации реактивной мощности 26 и нескольких преобразователей для компенсации активной мощности 27.
Устройство по фиг. 17 аналогично показанному на фиг. 16 и дополнительно включает в себя анти-параллельно включенные тиристоры 28, которые соединены последовательно с коммутационной индуктивностью 32. Тиристоры 28 и коммутационная индуктивность 32 соединены параллельно с преобразователем 27 для компенсации активной мощности. На фиг. 17 можно видеть, что тиристоры 28 включены так, что они могут шунтировать несколько накопителей энергии или несколько преобразователей 27. Это возможно потому, что тиристоры 28 имеют более высокое запирающее напряжение, чем IGBT преобразователи 27.
Фиг. 18 показывает, наконец, фазный модуль 33, в котором вместо индуктивности 30 и коммутационной индуктивности 32 предусмотрен дуплексный дроссель 34, который соединен как с тиристорами 28 комплекса, так и с преобразователями 27 для компенсации активной мощности, которые соединены последовательно с преобразователями 26 для компенсации реактивной мощности. В соответствии со схемой на фиг. 17, и здесь тиристоры 28 расположены и включены таким образом, что они шунтируют несколько преобразователей 27, в результате чего, например, потери шести IGBT и шести диодов могут быть заменены потерями единственного тиристора.
Различные, показанные на фиг. 16, 17 и 18 фазные модули 29, 31 и 33 могут быть соединены между собой по схеме соединения звездой или по схеме соединения треугольником.
Фиг. 19-22 показывают соответствующие применения, причем фиг. 19 показывает схему, в которой несколько фазных модулей 29 соединены по схеме соединения треугольником. Фиг. 20 показывает компоновку нескольких фазных модулей 31 в форме схемы соединения звездой. Фиг. 21 показывает другую компоновку нескольких фазных модулей 33. Фиг. 22 показывает компоновку схемы с несколькими фазными модулями 29, которые могут быть использованы в HVDC (передаче постоянным током высокого напряжения).
Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано с помощью предпочтительного примера выполнения, настоящее изобретение не ограничено раскрытыми примерами, и другие варианты могут быть получены специалистом на этой основе, не отступая от объема защиты настоящего изобретения.