Способ управления ёмкостью управляемой конденсаторной группы
CONTROL METHOD OF CAPACITANCE OF CONTROLLED CAPACITOR GROUP

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано для управления емкостью управляемой конденсаторной группы с целью обеспечения управления реактивной мощностью в точке ее подключения. Такая технология реализуется в различных устройствах силовой электротехники, применяемых в электроэнергетике, электроприводе, электротермии, электролизе, преобразовательной технике, для компенсации реактивной мощности нагрузки.
Известен способ управления емкостью управляемой конденсаторной группы, основанный на дискретном регулировании емкости конденсаторной группы, с синхронизацией управления относительно приложенного к конденсаторной группе синусоидального напряжения. Способ предполагает изменение состояния двунаправленных тиристорных ключей в момент максимума приложенного к управляемой конденсаторной группе синусоидального напряжения, при наличии начального напряжения на подключаемых конденсаторах управляемой конденсаторной группы, равного максимальному значению приложенного напряжения. Это обеспечивает отсутствие скачка тока в управляемой конденсаторной группе в момент изменения состояния двунаправленных тиристорных ключей (Энергосбережение в системах промышленного электроснабжения: Справочно-методическое издание / Под редакцией Э.А. Киреевой. - М.: «Интехэнерго-Издат», «Теплоэнергетик», 2014. - 304 с. Стр. 137).
Недостатком способа является отсутствие возможности последовательного соединения конденсаторных групп. Кроме этого, существует необходимость заряда конденсаторов управляемой конденсаторной группы до максимального напряжения, прикладываемого к управляемой конденсаторной группе к моменту переключения двунаправленных управляемых ключей. Это приводит к усложнению схемы построения устройства и увеличению его массогабаритных показателей за счет введения в устройство дополнительных элементов, например, токоограничивающих реакторов. Также, при выключении двунаправленных тиристорных ключей, на конденсаторах управляемой конденсаторной группы будут оставаться остаточные напряжения, которые необходимо устранять, что требует введения дополнительных элементов в устройство, и также приводит к его усложнению, увеличению массогабаритных показателей, снижению надежности и уменьшению к.п.д.
Известен способ управления емкостью управляемой конденсаторной группы, состоящей из конденсаторных батарей, двунаправленных тиристорных ключей и токоограничивающего реактора и работающей от сети переменного синусоидального напряжения, использующий систему управления для синхронизации управления двунаправленными тиристорными ключами по отношению к приложенному к управляемой конденсаторной группе синусоидальному напряжению; использующий измерение напряжения, приложенного к управляемой конденсаторной группе; синхронизацию управления двунаправленными тиристорными ключами, осуществляемую в момент достижения напряжением на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня. При наличии запроса на изменение величины емкости управляемой конденсаторной группы, согласно способу, снимают импульсы управления со всех тиристоров двунаправленных тиристорных ключей при достижении напряжением на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня, в течение следующего одного периода синусоидального напряжения импульсы управления на двунаправленные тиристорные ключи не подают; в начале следующего периода при достижении напряжением на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня обеспечивают возврат остаточной энергии, накопленной в конденсаторах, в сеть переменного синусоидального напряжения путем включения соответствующих тиристоров, входящих в состав управляемых тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы; после прекращения процесса рекуперации и запирания всех тиристоров двунаправленных тиристорных ключей, при достижении напряжением на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня осуществляют переключение двунаправленных тиристорных ключей в новое состояние, соответствующее новому значению эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы. (Патент на изобретение №2683964 «Способ управления емкостью управляемой конденсаторной группы и устройство для его осуществления», опубликовано 03.04.2019 г.).
К недостаткам данного способа можно отнести пониженное к.п.д. устройства, реализующее данный способ, а также завышенные массогабаритные показатели такого устройства, так как способ управления предполагает, что через токоограничивающий реактор должен протекать ток конденсаторной группы не только на интервалах рекуперации энергии, но и на каждой из ступеней регулирования, в том числе и максимально возможный ток конденсаторной группы. При этом способ управления предполагает рекуперацию энергии, запасенной в конденсаторах, при каждом изменении емкости управляемой конденсаторной группы, что приводит к ухудшению быстродействия способа управления.
Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является уменьшение массогабаритных показателей, стоимости и увеличение к.п.д. устройств управления емкостью управляемых конденсаторных групп, реализующих способ за счет уменьшения токовой загрузки токоограничивающего реактора, а также увеличение быстродействия способа за счет отказа от рекуперации энергии, запасенной в конденсаторных батареях, в случае параллельного подключения конденсаторных батарей к выходу управляемой конденсаторной группы.
Технический результат достигается тем, что способ управления емкостью управляемой конденсаторной группы, работающей от сети переменного синусоидального напряжения, образованной параллельно включенными ветвями, подключенными к ее выводам и состоящими из последовательного соединения конденсаторной батареи и двух двунаправленных тиристорных ключей, причем одни из выводов конденсаторных батарей каждой из параллельных ветвей являются разноименными выводами управляемой конденсаторной группы, подключенным между общими точками последовательного соединения двунаправленных тиристорных ключей каждой из параллельных ветвей дополнительным двунаправленным тиристорным ключом, токоограничивающим реактором, использующий систему управления для синхронизации управления двунаправленными тиристорными ключами по отношению к приложенному к управляемой конденсаторной группе синусоидальному напряжению; осуществляющий измерение приложенного к управляемой конденсаторной группе напряжения, синхронизацию управления двунаправленными тиристорными ключами в момент достижения напряжением на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня, рекуперацию энергии, накопленной в конденсаторных батареях к моменту окончания формирования текущего значения емкости, в сеть переменного синусоидального напряжения, реализован так, что фиксируют моменты времени изменения знака полярности напряжения на управляемой конденсаторной группе и, при поступлении запроса на изменение величины емкости управляемой конденсаторной группы, снимают импульсы управления со всех двунаправленных тиристорных ключей в момент изменения знака полярности напряжения на управляемой конденсаторной группе, в течение следующего полупериода синусоидального напряжения импульсы управления на двунаправленные тиристорные ключи не подают, а на последующем полупериоде осуществляют передачу накопленной в конденсаторных батареях остаточной энергии в токоограничивающий реактор путем включения соответствующих двунаправленных, дополнительного и вспомогательных двунаправленных тиристорных ключей, после чего на следующем полупериоде осуществляют возврат накопленной в токоограничивающем реакторе энергии в сеть переменного синусоидального напряжения путем включения соответствующих двунаправленных, дополнительного и вспомогательных тиристорных ключей, при этом процесс рекуперации энергии, накопленной в конденсаторных батареях к моменту окончания формирования текущего значения емкости, в сеть переменного синусоидального напряжения поэтапно повторяют для всех конденсаторных батарей, входящих в состав управляемой конденсаторной группы, после чего, при достижении напряжением на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня, осуществляют переключение двунаправленных тиристорных ключей и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа в новое состояние, соответствующее новому значению эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы. При этом увеличение быстродействия способа управления, а также устранение процесса рекуперации энергии, накопленной в конденсаторных батареях к моменту окончания текущего значения емкости, может быть достигнуто тем, что при получении запроса на изменение величины емкости управляемой конденсаторной группы, определяют новую схему подключения конденсаторных батарей в управляемой конденсаторной группе, и в том случае, если при формировании новой величины емкости управляемой конденсаторной группы конденсаторные батареи подключаются параллельно ее выходу, процесс рекуперации энергии, оставшейся на конденсаторных батареях к моменту окончания формирования текущего значения емкости управляемой конденсаторной группы, не осуществляют.
Сущность предлагаемого способа управления емкостью управляемой конденсаторной группы поясняется чертежам фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1 приведена блок схема одного из вариантов устройства, реализующего заявляемый способ управления, а на фиг. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие реализацию заявляемого способа управления на примере работы устройства фиг. 1.
Устройство управления емкостью управляемой конденсаторной группы, фиг. 1 содержит две ветви, образованные последовательным соединением конденсаторной батареи и двунаправленных тиристорных ключей. Первая ветвь содержит в своем составе последовательное соединение конденсаторной батареи 1 и двунаправленного тиристорного ключа 2. Вторая ветвь содержит в своем составе последовательное соединение конденсаторной батареи 3 и двунаправленного тиристорного ключа 4. К выводу двунаправленного тиристорного ключа 2, не соединенному с конденсаторной батареей 1, подключен первый вывод двунаправленного тиристорного ключа 5. К выводу двунаправленного тиристорного ключа 4, не соединенному с конденсаторной батареей 3, подключен первый вывод двунаправленного тиристорного ключа 6. Второй вывод двунаправленного тиристорного ключа 6 и вывод конденсаторной батареи 1, не соединенный с двунаправленным тиристорным ключом 2, подключены к одному из выходов управляемой конденсаторной группы. Второй вывод двунаправленного тиристорного ключа 5 и вывод конденсаторной батареи 3, не соединенный с двунаправленным тиристорным ключом 4, подключены к другому выходу управляемой конденсаторной группы. К общей точке соединения двунаправленного тиристорного ключа 4 и двунаправленного тиристорного ключа 6 подключен первый вывод токоограничивающего реактора 7, второй вывод которого подключен к первому выводу дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8. При этом второй вывод дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 подключен к общей точке соединения двунаправленного тиристорного ключа 2 и двунаправленного тиристорного ключа 5. Управляемая конденсаторная группа содержит также вспомогательные двунаправленные тиристорные ключи 9 и 10. Вспомогательный двунаправленный тиристорный ключ 9 подключен первым выводом к выводу двунаправленного тиристорного ключа 2, не соединенному с конденсаторной батареей 1, а вторым выводом к выводу конденсаторной батареи 1, не соединенному с тиристорным ключом 2. Вспомогательный двунаправленный тиристорный ключ 10 подключен первым выводом к выводу двунаправленного тиристорного ключа 4, не соединенному с конденсаторной батареей 3, а вторым выводом к выводу конденсаторной батареи 3, не соединенному с двунаправленным тиристорным ключом 4.
Управление состоянием тиристорных ключей, входящих в состав управляемой конденсаторной группы, осуществляется системой управления 11, которая использует информацию о входном напряжении, поступающую на один из ее входов от датчика напряжения 12. На второй вход системы управления 11 поступает информация с блока 13 - задания требуемой емкости управляемой конденсаторной группы, используемая системой управления 11 для определения необходимой комбинации включенных в данный момент тиристорных ключей.
Способ управления управляемой конденсаторной группой и устройство для его осуществления работают следующим образом.
Способ использует измерение с помощью датчика напряжения 12 синусоидального напряжения, приложенного к управляемой конденсаторной группе, синхронизацию процессов изменения импульсов управления тиристоров двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы в моменты времени достижения напряжением на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня. При этом по заданию требуемой величины емкости управляемой конденсаторной группы с выхода блока 13 задания требуемой емкости управляемой конденсаторной группы, система управления 11 определяет состояние тиристоров управляемой конденсаторной группы, соответствующее новому заданному значению емкости управляемой конденсаторной группы. Система управления 11 синхронизирует формирование импульсов управления для тиристоров в моменты достижения нулевого уровня напряжения на управляемой конденсаторной группе, при этом импульсы управления могут подаваться на тиристоры с задержкой относительно момента синхронизации.
Процесс изменения емкости управляемой конденсаторной группы всегда синхронизируется с моментом времени достижения синусоидальным напряжением на конденсаторной группе нулевого уровня, при этом все изменения емкости управляемой конденсаторной группы всегда инициируются при одинаковом изменении знака полярности напряжения на управляемой конденсаторной группе. Это позволяет зафиксировать полярность остаточного напряжения на всех учувствовавших в формировании эквивалентной емкости конденсаторных батарей, что в свою очередь позволит увеличить быстродействие способа благодаря одновременному разряду нескольких конденсаторных батарей.
При появлении запроса на изменение величины емкости управляемой конденсаторной группы от блока 13 задания требуемой емкости конденсаторной группы, система управления 11 анализирует появление запросов на изменение состояния тиристоров двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы и инициирует процесс изменения состояния тиристоров, для чего определяет новое состояние тиристоров двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы, соответствующее обеспечению требуемой величины емкости управляемой конденсаторной группы.
Временные диаграммы, поясняющие работу схемы фиг. 1 при изменении емкости управляемой конденсаторной группы приведены на фиг. 2. При достижении напряжением на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня (момент времени t1 на фиг. 2) система управления 11 снимает импульсы управления со всех тиристоров двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы. Токи в проводивших ранее тиристорах будут продолжать протекать до тех пор, пока ток не спадет к 0 (момент времени t2), после чего тиристоры выключаются, при этом напряжение на конденсаторных батареях, участвующих в формировании эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы достигнет максимального значения. В течение одного полупериода синусоидального напряжения после снятия импульсов управления с тиристоров (с момента времени t1) система управления 11 не подает импульсы управления на тиристоры двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы и напряжение на конденсаторных батареях управляемой конденсаторной группы держится на уровне остаточного напряжения. С момента времени t3 система управления 11, за счет включения соответствующих двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы, обеспечивает передачу остаточной энергии, накопленной в конденсаторных батареях, в токоограничивающий реактор 7. Этот процесс можно пояснить на примере передачи остаточной энергии, накопленной в конденсаторной батарее 3, в токоограничивающий реактор 7. Полярность напряжения на конденсаторной батарее 3 указана на фиг. 1. В момент времени t3 система управления 11 подает импульсы управления на правые тиристоры, входящие в состав двунаправленного тиристорного ключа 4 и вспомогательного двунаправленного тиристорного ключа 10, и на левые тиристоры, входящие в состав двунаправленного тиристорного ключа 5 и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8. На интервале времени t3-t4 происходит колебательный процесс разряда конденсаторной батареи 3 по контуру: правое плечо двунаправленного тиристорного ключа 4, токоограничивающий реактор 7, левое плечо дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8, левое плечо двунаправленного тиристорного ключа 5, конденсаторная батарея 3. При этом левый тиристор двунаправленного тиристорного ключа 4 заперт отрицательным для него напряжением на конденсаторной батарее 3. В момент времени t4, когда напряжение на конденсаторной батарее 3 достигает нулевого уровня, начинает проводить ток тиристор правого плеча вспомогательного двунаправленного тиристорного ключа 10, фиксируя при этом напряжение на конденсаторной батарее 3 на нулевом уровне (при этом на конденсаторной батарее 1 все еще имеется остаточное напряжение). На интервале времени t4-15 запасенная в токоограничивающем реакторе 7 энергия будет циркулировать по контуру: токоограничивающий реактор 7, левое плечо дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8, левое плечо двунаправленного тиристорного ключа 5, правое плечо вспомогательного двунаправленного тиристорного ключа 10.
В момент времени t5, на этом же полупериоде, система управления 11 снимает импульсы управления с двунаправленного тиристорного ключа 5 и подает импульс управления на правое плечо вспомогательного двунаправленного тиристорного ключа 9 с целью инициации рекуперации энергии с токоограничивающего реактора 7 в сеть переменного синусоидального напряжения. После подачи импульса управления на правое плечо вспомогательного двунаправленного тиристорного ключа 9 контур протекания тока будет следующий: токоограничивающий реактор 7, левое плечо дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8, правое плечо вспомогательного двунаправленного тиристорного ключа 9, сеть переменного синусоидального напряжения, правое плечо вспомогательного двунаправленного тиристорного ключа 10. При этом ток в контуре возрастет вследствие совпадения направления протекания тока в реакторе 7 и в сети переменного синусоидального напряжения, принимая максимальное значение в момент времени t6, при достижении напряжением на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня. Непосредственно рекуперация энергии начинается после смены полярности напряжения (момент времени t6), когда ток в токоограничивающем реакторе 7 начинает спадать под воздействием напряжения противоположной полярности (фиг. 2), и в момент времени t7 достигает нулевого значения. После момента времени t1, тиристоры, проводившие ранее ток, окажутся запертыми, а приложенная полярность напряжения способствует поддержанию их в таком состоянии. Стоит отметить, что момент времени t5 нужно выбирать таким образом, чтобы за промежуток времени t5 - t6 тиристоры двунаправленного тиристорного ключа 5 успели восстановить свои запирающие свойства. При этом в промежутке времени t4 - t5 циркулирующий ток создает падение напряжения в проводящих тиристорах и токоограничивающем реакторе 7, поэтому следует сокращать длительность данного промежутка времени.
С момента времени t8 по момент времени t12 описанный выше двухэтапный процесс рекуперации запасенной в конденсаторных батареях энергии аналогичным образом повторяется для конденсаторной батареи 1. В этом случае, колебательный процесс разряда конденсаторной батареи 1 осуществляется по контуру: конденсаторная батарея 1, левое плечо двунаправленного тиристорного ключа 6, токоограничивающий реактор 7, верхнее плечо дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8, правое плечо двунаправленного тиристорного ключа 2. Циркуляция тока осуществляется по контуру: токоограничивающий реактор 7, верхнее плечо дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8, правое плечо вспомогательного двунаправленного тиристорного ключа 9, левое плечо двунаправленного тиристорного ключа 6. Рекуперация энергии осуществляется по контуру: токоограничивающий реактор 7, верхнее плечо дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8, левое плечо двунаправленного тиристорного ключа 5, сеть переменного синусоидального напряжения, левое плечо двунаправленного тиристорного ключа 6.
С момента времени t12 управляемая конденсаторная группа готова к переключению тиристоров в новое состояние, соответствующее новому требуемому значению эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы.
В момент времени t13, когда напряжение на управляемой конденсаторной группе достигает нулевого уровня, система управления 11 осуществляет изменение состояния тиристоров управляемой конденсаторной группы. При этом все конденсаторные батареи управляемой конденсаторной группы, участвующие в формировании эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы, будут иметь нулевое начальное напряжение.
Заявляемый способ управления позволяет также сократить время, отводимое на смену эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы. Увеличить быстродействие способа и устранить процесс рекуперации остаточной энергии на конденсаторных батареях в сеть переменного синусоидального напряжения можно в тех случаях, когда при формировании новой величины емкости управляемой конденсаторной группы конденсаторные батареи подключаются параллельно ее выходу. Так, например, в случае необходимости подключения одной заряженной конденсаторной батареи 3 к сети переменного синусоидального напряжения, процесс рекуперации не осуществляют, а в момент t6 (фиг. 2) система управления 11 фиксирует смену полярности питающего напряжения и через четверть периода подает импульсы управления на правые плечи двунаправленных тиристорных ключей 4 и 6, которые формируют новое значение эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы. При этом не возникает броска тока, так как подключение конденсаторной батареи 3 осуществляется в момент равенства напряжений сети переменного синусоидального напряжения и напряжения на конденсаторной батарее 3.
Подводя итог вышесказанному, следует подчеркнуть, что процесс изменения емкости управляемой конденсаторной группы инициируются в фиксированные моменты изменения знака полярности напряжения на управляемой конденсаторной группе, синхронизируется в моменты времени достижения напряжением на конденсаторной группе нулевого уровня и состоит из трех этапов. На первом этапе происходит подготовка управляемой конденсаторной группы к изменению эквивалентной емкости и осуществляется передача запасенной энергии в конденсаторных батареях в токоограничивающий реактор 7. На втором этапе осуществляется рекуперация энергии из токоограничивающего реактора 7 в сеть переменного синусоидального напряжения. На третьем этапе осуществляется переключение двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы в новое состояние, соответствующее новому значению эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы, при отсутствии начальных напряжений на конденсаторных батареях управляемой конденсаторной группы.
Таким образом, двухэтапный процесс сброса запасенной в конденсаторных батареях энергии позволяет обеспечить достижение технического результата, направленного на уменьшение массогабаритных показателей реактора, уменьшение его стоимости и повышение к.п.д. управляемой конденсаторной группы в целом. Это связано с тем, что при таком способе управления токоограничивающий реактор работает при существенных меньших действующих значениях токов, протекающих через него. А отказ от рекуперации энергии при формировании новой величины емкости управляемой конденсаторной группы в случае параллельного подключения конденсаторных батарей к выходу управляемой конденсаторной группы, позволяет увеличить быстродействие способа управления емкостью управляемой конденсаторной группы и устранить процесс рекуперации энергии в сеть переменного синусоидального напряжения.