Универсальное фазоповоротное устройство для сетей среднего и высокого напряжения

Решение относится к высоковольтным электротехническим комплексам для управляемых линий электропередач.
Известно фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и вставлены в рассечку фаз 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 (патент Российской Федерации на полезную модель RU 106060 U1 кл. Н03Н 7/18, опубл. 27.06.2011 г.).
Недостаток данного фазоповоротного устройства заключается в реализации симметричного регулирования напряжения и отсутствие продольного регулирования. Это делает невозможным изменение а, следовательно, и стабилизацию выходного напряжения по величине.
Известно полупроводниковое фазоповоротное устройство (ПФУ), которое реализует продольно-поперечное регулирование напряжения (патент Российской Федерации на полезную модель RU 2450420 С1 кл. Н03С 3/00, опубл. 10.05.2012 г.). Поперечное регулировании напряжения фазы С обеспечивается группами N1 и N2 (чужих) фаз В и А вторичных обмоток шунтового трансформатора, питающего через тиристорные коммутаторы первичные обмотки сериесного трансформатора. Причем числа витков вторичных обмоток шунтового трансформатора этих групп выбраны в соответствии с геометрической числовой последовательностью при основании равном трем. Продольное регулирование выполняется группой N1 (своей) фазы С. Числа витков вторичных обмоток шунтового трансформатора в пределах этой группы выбраны в соответствии с геометрической числовой последовательностью при основании, равном двум.
Данное ПФУ имеет следующие недостатки. ПФУ может применяться только в линиях электропередач с заземленной нейтралью, необходимой для подключения первичных обмоток шунтового трансформатора. В связи с этим реализация схемного решения невозможна в сетях среднего напряжения (6-20 кВ) из-за отсутствия в них нейтрального провода. В этом ПФУ необходимо разбиение вторичных обмоток шунтового трансформатора на секции, имеющие разное число витков, что значительно усложняет коммутационные процессы. Требуется применение трансформаторов повышенной мощности, т.к. в данном ПФУ регулирование происходит путем геометрического сложения векторов напряжений.
Наиболее близким к техническому решению по технической сущности является ПФУ, которое реализует продольно-поперечное регулирование напряжения (патент Российской Федерации на изобретение RU 2621062 С1 кл. G05F1/30 опубл. 31.05.17 г.)
ПФУ содержит трехфазный вольтодобавочный трансформатор, первичные обмотки которого подключены к клеммам высоковольтной линии электропередачи со стороны входа ФПУ,  вторичные обмотки выполнены в виде четырех гальванически развязанных секций, выводы которых подключены к соответствующим входным клеммам трехфазного коммутатора, выполненного в виде трех цепочек, каждая из которых состоит из группы однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей, причем первые выводы каждой цепочки трехфазного коммутатора подключены к соответствующим клеммам высоковольтной линии электропередачи со стороны выхода ФПУ, первичные обмотки вольтодобавочного трансформатора соединены по схеме «треугольник».
Недостаток данного фазоповоротного устройства заключается в невозможности использования  в сетях высокого напряжения, так как тиристоры находятся под воздействием напряжений линий распределительной сети.
Другим недостатком фазоповоротного устройства является большое количество тиристорных коммутаторов в модулях поперечного регулирования.
Решаемая задача – регулирование потоков активной и реактивной мощности в электрических сетях среднего и высокого напряжения.
Технический результат – расширение области применения, а также уменьшение количества тиристорных коммутаторов модулей поперечного регулирования.
Технический результат достигается тем, что в ФПУ  используется два трансформатора шунтовый и сериесный, при этом сдвиг по фазе выходных линейных напряжений относительно входных реализуется, в основном, модулем поперечного регулирования, а стабилизация величины выходных напряжений осуществляется модулем продольного  регулировании, в последнем используется геометрическое суммирование векторов напряжений секций вторичных обмоток соседних фаз шунтового трансформатора, что позволяет реализовать режимы продольного и поперечного регулирования; соединение первичных обмоток шунтового трансформатора по схеме «треугольник» не требует использования нейтрали для реализации схемного решения; применение  шунтового и сериесного трансформаторов дает возможность использовать устройство как в сетях среднего, так и высокого напряжения, благодаря этому расширяется область применения в сравнении с известными аналогами; при указанном способе соединения первичных обмоток уменьшаются расчетные значения напряжений и мощностей регулировочных секций модуля поперечного регулирования в сравнении с геометрическим суммированием, применяемым в известных аналогах; тиристорные коммутаторы модулей продольного регулирования всех фаз соединены по мостовой схеме; в диагональ каждого моста включены встречно – последовательно соединенные обмотки двух соседних фаз шунтового трансформатора, такое исполнение модуля продольного регулирования  позволяет существенно сократить количество тиристорных коммутаторов модулей продольного регулирования.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена функциональная схема ФПУ. Предлагаемое тиристорное фазоповоротное устройство для сетей среднего и высокого напряжения (ФПУ) содержит сериесный трансформатор групповой конструкции 1, вторичные обмотки которого 2, 3, 4 подключены к клеммам 5 рассечки фазы А, 6 рассечки фазы B, 7 рассечки фазы С трехфазной высоковольтной линии трехфазной высоковольтной линии 8 электропередачи со стороны входа ФПУ и к клеммам 9 рассечки фазы А, 10 рассечки фазы B, 11 рассечки фазы С трехфазной высоковольтной линии электропередачи со стороны выхода ФПУ 12; трехфазный шунтовый трансформатор 13, и  первичные обмотки 14, 15, 16 которого соединены по способу «треугольник» и подключены к соответствующим  клеммам  высоковольтной линии электропередачи 5 фазы А, 6 фазы В и 7 фазы С  стороны входа ФПУ. Вторичные обмотки каждой из трех фаз выполнены в виде трех гальванически развязанных секций 17-25, подключенных к соответствующим входным клеммам 26-38 трехфазного коммутатора, выполненного в виде трех цепочек, каждая из которых состоит из группы однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными ключами 39-62 в каждом плече. При этом первые выводы 63-65 каждой цепочки трехфазного коммутатора подключены к соответствующим выходным первым выводам 66-68 первичных обмоток 60-62 сериесного  трансформатора групповой конструкции 1. Вторые выводы 69-71 трех цепочек трехфазного коммутатора объединены между собой и подключены к общей точке 72 соединения вторых выводов 73-75 первичных обмоток 60-62 сериесного трансформатора 1, при этом первая цепочка трехфазного коммутатора, первый вывод которой 65 подключен к высоковольтной клемме 66 фазы С1 сериесного трансформатора, выполнена из одного преобразователя третьей фазы, одного преобразователя первой фазы и одного преобразователя второй фазы; вторая  цепочка, первый вывод 63 которой подключен  к высоковольтной клемме 68 фазы А1 сериесного трансформатора выполнена из одного преобразователя второй фазы, одного преобразователя первой фазы и одного преобразователя третьей фазы; третья цепочка трехфазного коммутатора, первый вывод которой 64 подключен  к высоковольтной клемме 67 фазы В1 сериесного трансформатора выполнена из одного преобразователя первой фазы, одного преобразователя третьей фазы и одного преобразователя второй фазы.
ФПУ работает следующим образом. При включенных коммутаторах 44, 52, 60, 46, 54, 62 вторичные обмотки 18, 19, 21, 22, 24, 25 шунтового   трансформатора исключаются из цепи питания обмоток 60-62 сериесного трансформатора 1.
A2B2
B2C2
C2A2
А1В1
В1С1
С1А1
При включенных коммутаторах 41-42 49-50 57-58 и выключенных 39-40, 47-48, 55-56 первичные обмотки сериесного трансформатора оказываются закороченными на нейтраль и их напряжения, а также напряжения вторичных обмоток ∆u равны нулю. В результате этого выходные напряжения ФПУ  u, u, uравны соответствующим входным напряжениям u, u, u.
1А
1В
1С
1В
В1С1
1С
1А
С1А1
А1В1
А
В
С
А1
В1
С1
При включенных коммутаторах 40-41, 48-49, 56-57 в цепи питания первичных обмоток последовательного трансформатора вводятся э.д.с. ступеней поперечного регулирования e, e e. Следует отметить, что для поперечного регулирования напряжения фазы А применяется э.д.с. фазы В e, находящаяся в противофазе с линейным напряжением u. Аналогично для поперечного регулирования напряжений фаз В и С используются э.д.с. фаз С e и А e. Указанные э.д.с. находятся в противофазе с входными линейными напряжениями u, u. Соответственно в рассечку линии ФПУ вводятся напряжения вторичных обмоток ∆u, ∆u, ∆u, отличающиеся от напряжений u, u, u пропорционально коэффициенту трансформации сериесного трансформатора 1.
Векторная диаграмма входных и выходных линейных напряжений для рассматриваемого режима приведена на фиг 2.
Из представленной на фиг. 2 диаграммы следует, что введение в линию каждой фазы ступени  поперечного регулирования позволяет получить на выходе ФПУ линейные напряжения, отстающие по фазе относительно входных напряжений на угол α.
Можно показать, что при включенных коммутаторах  39, 42, 47, 50, 55, 58 выходные напряжения ФПУ опережают входные на угол α.
2
2
2А
2В
2С
А1В1
В1С1
С1А1
о
Из векторной диаграммы, представленной на фиг. 2, следует, что при поперечном регулировании увеличиваются линейные напряжения на выходе ФПУ. Стабилизация линейных напряжений по величине выполняется модулями продольного регулирования, которые выполнены на тиристорных коммутаторах 43-46, 51-54, 59-62 и вторичных обмотках шунтового трансформатора 18, 19, 21, 22, 24, 25, рассчитанных на напряжение u=e. Причем э.д.с. вторичных обмоток e, e, e находятся в противофазе со входными линейными напряжениями ФПУ u, u, u, соответственно. Тиристорные коммутаторы модулей продольного регулирования всех фаз соединены по мостовой схеме. В диагональ каждого моста включены встречно – последовательно соединенные обмотки двух соседних фаз шунтового трансформатора. Такое соединение вторичных обмоток позволяет получить систему  напряжений, сдвинутых по фазе относительно входных линейных напряжений ФПУ на 90.
2С
2А
2А
2В
2В
2С
А
В
С
При включенных коммутаторах 44, 61 в цепь питания фазы А первичной обмотки сериесного трансформатора вводится разность э.д.с. ступеней продольного регулирования e- e. Соответственно при включенных коммутаторах 46, 53 и 52, 59 в цепи питания фаз В и С сериесного трансформатора вводятся разности э.д.с. e- e и e- e. Таким образом в рассечку линии ПФУ вводятся напряжения вторичных обмоток ∆u, ∆u, ∆u, отличающиеся от указанной геометрической разности  пропорционально коэффициенту трансформации сериесного трансформатора К. Векторная диаграмма напряжений рассматриваемого режима приведена на фиг 3. Из нее следует, что при описанной комбинации включенных коммутаторов выходные напряжения снижаются в сравнении с входными напряжениями. Следует отметить, что при включенных коммутаторах 43, 62, 51, 60, 45, 54 выходные напряжения увеличиваются по отношению к входным напряжениям. Векторная диаграмма напряжений ФПУ в этом режиме показана на рисунке фиг. 4.
Совместное использование модулей продольного и поперечного регулирования в данном схемотехническом решении позволяет  управлять потоками мощности в сетях среднего и высокого напряжения.