Способ управления режимом работы компенсатора реактивной мощности, построенного на основе тиристорно-переключаемой конденсаторной группы
CONTROL METHOD OF REACTIVE POWER COMPENSATOR OPERATION MODE, WHICH IS BUILT ON THE BASIS OF THYRISTOR-SWITCHED CAPACITOR GROUP

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано для управления компенсатором реактивной мощности на основе тиристорно-переключаемой конденсаторной группы для реализации различных режимов работы электрической сети. Такая технология реализуется в различных устройствах силовой электротехники, применяемых в электроэнергетике, электроприводе, электротермии, электролизе, преобразовательной технике, и основана на управлении реактивной мощностью компенсатора.
Известен способ управления реактивным сопротивлением устройства компенсации реактивной мощности, основанный на дискретном регулировании сопротивления реактивного элемента, использующий синхронизацию управления относительно приложенного к нему синусоидального напряжения в моменты достижения напряжением на устройстве компенсации реактивной мощности максимального и минимального значений. Способ применим к управлению сопротивлением индуктивного характера управляемого шунтирующего реактора. (Патент на изобретение №2641643 «Способ управления управляемым шунтирующим реактором и устройство для его осуществления», МПК H01F 29/02, опубл. 19.01.2018).
Недостатком способа является ограниченная область применения вследствие того, что он применим только для управления устройствами компенсации реактивной мощности индуктивного характера.
Известен способ управления тиристорно-переключаемой конденсаторной группой, основанный на дискретном регулировании емкости конденсаторной группы, также использующий синхронизацию управления относительно приложенного к конденсаторной группе синусоидального напряжения. Способ реализует изменение состояния тиристоров в момент максимума, приложенного к тиристорно-переключаемой конденсаторной группе синусоидального напряжения, при этом начальное напряжение на конденсаторной группе должно быть равно максимальному напряжению питающей сети. Это обеспечивает отсутствие скачка тока в тиристорно-переключаемой конденсаторной группе в момент изменения состояния тиристоров. (Энергосбережение в системах промышленного электроснабжения: Справочно-методическое издание / Под редакцией Э.А. Киреевой. - М: «Интехэнерго-Издат», «Теплоэнергетик», 2014, 304 с. Стр. 137).
Основным недостатком такого способа управления емкостью тиристорно-переключаемой группы является сложность обеспечения начального напряжения на всех конденсаторах, участвующих в формировании новой величины емкости, на уровне максимального значения напряжения питающей сети.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ управления тиристорно-переключаемой конденсаторной группой, состоящей из токоограничивающего реактора, тиристоров, конденсаторов и устройства управления, при котором осуществляют переключение конденсаторов с помощью тиристоров синхронизировано с синусоидальным напряжением питающей сети, и реализуют управление тиристорами в моменты времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня, при этом при поступлении запроса на изменение емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы прекращают формирование текущего значения емкости путем снятия импульсов управления с тиристоров, осуществляют рекуперацию накопленной в конденсаторах энергии в питающую сеть с помощью управления тиристорами и затем обеспечивают формирование требуемого значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы путем переключения тиристоров в новое состояние (Патент на изобретение №2677862 «Способ управления тиристорно-переключаемой конденсаторной группой и устройство для его реализации», МПК H02J 3/18, опубл. 22.01.2019).
Основным недостатком прототипа является рассогласование режима работы компенсатора реактивной мощности и режима работы питающей сети вследствие отсутствия взаимосвязи задания режима работы компенсатора реактивной мощности с реализацией необходимого режима работы питающей сети.
Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является расширение функциональных возможностей способа управления реактивной мощностью компенсатора реактивной мощности, предназначенного для управления режимами работы питающей сети.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в способе управления режимом работы компенсатора реактивной мощности, построенного на основе тиристорно-переключаемой конденсаторной группы, состоящей из токоограничивающего реактора, тиристоров, конденсаторов и устройства управления, заключающемся в переключении конденсаторов с помощью тиристоров синхронизировано с синусоидальным напряжением питающей сети в моменты времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня, включающем прекращение формирования текущего значения емкости при поступлении запроса на изменение емкости тиристорно-переключаемой группы путем снятия импульсов управления с тиристоров, рекуперацию накопленной в конденсаторах энергии в питающую сеть с помощью управления тиристорами, формирование требуемого значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы путем переключения тиристоров, требуемое значение емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы формируют с учетом задаваемого режима работы компенсатора реактивной мощности, а именно, при поступлении запроса на изменение режима работы компенсатора реактивной мощности измеряют напряжения в узлах подключения тиристорно-переключаемой конденсаторной группы к фазам питающей сети и токи в фазах питающей сети до и после точек подключения тиристорно-переключаемой конденсаторной группы к соответствующей фазе и, в соответствии с задаваемым режимом работы компенсатора реактивной мощности в питающей сети, вычисляют требуемое значение емкости тиристорно-переключаемой группы и формируют запрос на изменение емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы.
Сущность предлагаемого способа управления режимом работы компенсатора реактивной мощности, построенного на основе тиристорно-переключаемой конденсаторной группы поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема, поясняющая заявляемый способ, и устройство, реализующее подобный способ управления режимом работы компенсатора реактивной мощности, построенного на основе тиристорно-переключаемой конденсаторной группы, а на фиг.2 приведена одна из возможных схем построения тиристорно-переключаемой конденсаторной группы, построенная на основе четырех конденсаторов, одного токоограничивающего реактора и пяти пар встречно-параллельно включенных тиристоров, и устройство ее управления, реализующее предлагаемый способ.
Схема по фиг. 1 содержит тиристорно-переключаемую конденсаторную группу 1, построенную на основе токоограничивающих реакторов 2, конденсаторов 3 и встречно-параллельно включенных тиристоров 4, и устройство ее управления. Устройство управления тиристорно-переключаемой конденсаторной группой построено следующим образом. Параллельно тиристорно-переключаемой конденсаторной группе 1 подключен блок 5 измерения синусоидального напряжения питающей сети, выход которого соединен с входом блока синхронизации 6, выход которого, в свою очередь, соединен с первым входом блока 7 управления тиристорами. Первый выход блока 8 вычисления и задания величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы соединен с первым входом блока 9 задания набора включаемых тиристоров, выход которого, в свою очередь, соединен с вторым входом блока 7 управления тиристорами. С первым и вторым входами блока 10 завершения формирования текущего значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы соединены соответственно выход блока синхронизации 6 и второй выход блока 8 вычисления и задания величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы. С первым входом блока 11 управления рекуперативным разрядом конденсаторов, соединен выход блока 12 определения полярности напряжения питающей сети, вход которого соединен с выходом блока 5 измерения синусоидального напряжения питающей сети, при этом выход блока 12 определения полярности напряжения питающей сети соединен также с вторым входом блока 9 задания набора включаемых тиристоров. Выход блока 10 завершения формирования текущего значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы соединен с третьим входом блока 11 управления рекуперативным разрядом конденсаторов и четвертым входом блока 7 управления тиристорами, а второй вход блока 11 соединен с выходом блока синхронизации 6, при этом выход блока 11 управления рекуперативным разрядом конденсаторов соединен с третьим входом блока 7 управления тиристорами. Устройство управления содержит также блоки 13 и 14 измерения синусоидальных токов после и до места подключения компенсатора реактивной мощности к питающей сети соответственно, выходы которых подключены к второму и третьему входам блока 8 вычисления и задания величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы соответственно, а первый вход блока 8 соединен с выходом блока 5 измерения синусоидального напряжения питающей сети. Четвертый вход блока 8 вычисления и задания величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы соединен с выходом блока 15 задания режима работы компенсатора реактивной мощности в питающей сети.
Предлагаемый способ управления режимом работы компенсатора реактивной мощности, построенного на основе тиристорно-переключаемой конденсаторной группы, работает следующим образом.
Режим работы компенсатора реактивной мощности задается блоком 15 - задания режима работы компенсатора реактивной мощности в питающей сети. Компенсатору реактивной мощности могут быть заданы различные режимы работы, позволяющие установить требуемые параметры режима работы питающей сети, в которой установлен компенсатор реактивной мощности, построенный на основе тиристорно-переключаемой конденсаторной группы 1.
В зависимости от места установки компенсатора реактивной мощности в питающей сети, его управление может быть направлено на реализацию различных функций. В сетях с двухсторонним питанием компенсаторы реактивной мощности могут быть использованы для повышения качества электроэнергии за счет регулирования напряжения в питающей сети в месте их установки. В этом случае, в блоке 15 задания режима работы компенсатора реактивной мощности в питающей сети может быть задан режим регулирования напряжения сети в точке подключения компенсатора к питающей сети. Тогда, согласно заявляемому способу, измеряют напряжение, приложенное к тиристорно-переключаемой конденсаторной группе 1 с помощью блока 5 измерения синусоидального напряжения питающей сети, после чего, в блоке 8 вычисления и задания величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы, на основе информации от блока 5 измерения синусоидального напряжения питающей сети, осуществляется расчет и выдача на блоки 9 задания набора включаемых тиристоров и 10 завершения формирования текущего значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы требуемого значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы, которую необходимо установить в данный момент для достижения требуемого режима работы питающей сети. Также измеряют первые гармоники токов в фазах питающей сети до (с помощью блока 14) и после (с помощью блока 13) точек подключения тиристорно-переключаемой конденсаторной группы 1 к соответствующей фазе питающей сети. На основе информации от блоков 13 и 14 измерения синусоидальных токов после и до места подключения компенсатора реактивной мощности к питающей сети соответственно, осуществляется принятие решения о продолжении работы в режиме регулирования напряжения или о смене режима.
Организация рекуперации накопленной в конденсаторах энергии в питающую сеть осуществляется перед каждым изменением величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы 1 с помощью управления тиристорами из состава группы пар встречно-параллельно включенных тиристоров 4. При поступлении сигнала с блока 8 задания величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы на блок 10 завершения формирования текущего значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы о необходимости изменения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы 1, блок 10 завершения формирования текущего значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы инициирует процесс завершения текущего значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы 1 путем подачи сигнала на четвертый вход блока 7 управления тиристорами и третий вход блока 11 управления рекуперативным разрядом конденсаторов. После чего, по сигналу синхронизации с блока синхронизации 6, блок 7 управления тиристорами снимает импульсы управления со всех тиристоров, завершая формирование текущего значения емкости. Блок 11 управления рекуперативным разрядом конденсаторов, по сигналу от блока 10 завершения формирования текущего значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы, а также по сигналу синхронизации блока синхронизации 6, задает необходимые наборы тиристоров, включаемых при рекуперации накопленной в конденсаторах энергии в питающую сеть, причем необходимые наборы тиристоров задаются сигналом с выхода блока 12 определения полярности напряжения питающей сети. В процессе рекуперации блок 7 управления тиристорами осуществляет изменение состояния тиристоров из состава группы пар встречно-параллельно включенных тиристоров 4 синхронизировано с приложенным к тиристорно-переключаемой конденсаторной группе 1 синусоидальным напряжением питающей сети в моменты времени достижения напряжением питающей сети нулевого уровня по сигналу с выхода блока синхронизации 6, а также в соответствии с необходимыми наборами тиристоров, информация о которых поступает в блок 7 управления тиристорами с выхода блока 11 управления рекуперативным разрядом конденсаторов. После рекуперации энергии со всех конденсаторов в питающую сеть, на следующем этапе в очередной момент синхронизации управления тиристорами происходит формирование требуемого нового значения емкости тиристорно-переключаемой группы 1.
Далее, в блоке 9 задания набора включаемых тиристоров с помощью таблицы соответствия выбирается набор тиристоров, которые требуется включить для обеспечения значения емкости, заданной блоком 8 задания величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы. Сигнал, содержащий информацию о включаемых тиристорах подается на блок 7 управления тиристорами, который при поступлении на него сигнала синхронизации с блока синхронизации 6 о достижении напряжением питающей сети, измеренным с помощью блока 5 измерения синусоидального напряжения питающей сети, амплитудного значения, подает импульсы управления на тиристоры, выбранные в блоке 9 задания набора включаемых тиристоров, тем самым обеспечивая формирование требуемого значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы 1, заданное в блоке 8 задания величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы. Для обеспечения нового значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы блок 8 задания величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы вырабатывает новый сигнал, соответствующий новому значению емкости. При этом сигнал поступает на блок 10 завершения формирования текущего значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы, запуская ранее описанный процесс рекуперации накопленной в конденсаторах энергии в питающую сеть. С помощью блока 9 задания набора включаемых тиристоров выбирается новый набор включаемых тиристоров, на которые будут поданы импульсы управления с блока 7 управления тиристорами при поступлении на него сигнала с блока синхронизации 6 о достижении напряжением питающей сети амплитудного значения.
Установка компенсатора параллельно нагрузке в сетях с односторонним питанием позволяет решить задачу компенсации реактивной мощности, генерируемой нагрузкой, и тем самым снизить потери электроэнергии в сетях за счет устранении реактивной составляющей тока питающей сети. В этом случае, в блоке 15 задания режима работы компенсатора реактивной мощности в питающей сети может быть также задан режим компенсации реактивного тока нагрузки. Тогда, согласно заявляемому способу, измеряют напряжение, приложенное к тиристорно-переключаемой конденсаторной группе 1, с помощью блока 5 измерения синусоидального напряжения питающей сети и первые гармоники токов в фазах питающей сети до (с помощью блока 14) и после (с помощью блока 13) точек подключения тиристорно-переключаемой конденсаторной группы 1 к соответствующей фазе питающей сети. После чего, в блоке 8 вычисления и задания величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы на основе информации от блока 5 измерения синусоидального напряжения питающей сети, а также на основе информации от блоков 13 и 14 измерения синусоидальных токов после и до места подключения компенсатора реактивной мощности к питающей сети соответственно, осуществляется расчет реактивной мощности, потребляемой нагрузкой (на основе информации, поступающей от блока 13) и потребляемой от питающей сети (на основе информации, поступающей от блока 14). На основе вычисленных в блоке 8 реактивных мощностей определяется и выдается на блоки 9 задания набора включаемых тиристоров и 10 завершения формирования текущего значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы требуемое значение емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы, которое позволит скомпенсировать потребляемую в данный момент реактивную мощность нагрузки.
Далее формирование нового значения емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы осуществляется согласно описанному выше способу рекуперации с последующим формированием сигналов управления на тиристоры, включение которых обеспечивает формирование требуемой емкости.
Стоит отметить, что во всех случаях установки компенсатора эффект регулирования режимов работы питающей сети достигается за счет управления реактивной мощностью компенсатора, который определяет режим его работы. Вычисление емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы в блоке 8 может осуществляться, например, на основе регулировочной характеристики компенсатора реактивной мощности, которая каждому из наборов состояний пар встречно-параллельно включенных тиристоров 4 ставит в соответствие значение емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы.
Предлагаемый способ управления может быть использован, например, при управлении тиристорно-переключаемой конденсаторной группой, схема построения которой приведена на фиг. 2, где тиристорно-переключаемая конденсаторная группа 1 состоит из реактора 2, последовательно включенного с параллельными ветвями, состоящими из последовательного соединения конденсатора из группы конденсаторов 3 и пары встречно-параллельно включенных тиристоров из группы пар встречно-параллельно включенных тиристоров 4, а также одной ветви, включающей в себя только пару встречно-параллельно включенных тиристоров. Устройство управления тиристорно-переключаемой конденсаторной группой на фиг. 2 по своему составу и назначению аналогично устройству управления тиристорно-переключаемой конденсаторной группой, приведенному на фиг. 1, при этом текущий режим работы компенсатора реактивной мощности на основе тиристорно-переключаемой конденсаторной группы определяется состоянием пар встречно-параллельно включенных тиристоров 4, управление которыми осуществляется с выхода блока 7 управления тиристорами.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является возможность выбора и задания режима работы компенсатора реактивной мощности. Таким образом, благодаря измерению токов в фазах питающей сети до и после точек подключения тиристорно-переключаемой конденсаторной группы к соответствующей фазе, измерению напряжения в узлах подключения тиристорно-переключаемой конденсаторной группы к фазам питающей сети, а также вычислению емкости с учетом задаваемого режима работы, с помощью блока 8 вычисления и задания величины емкости тиристорно-переключаемой конденсаторной группы, совместно с блоком 15 задания режима работы компенсатора реактивной мощности в питающей сети, блоком 5 измерения синусоидального напряжения питающей сети и блоками 13 и 14 - измерения синусоидальных токов после и до места подключения компенсатора реактивной мощности к питающей сети соответственно, обеспечивается достижение технического результата, направленного на расширение функциональных возможностей способа управления режимом работы компенсатора реактивной мощности, предназначенного для управления режимами работы питающей сети за счет реализации функции управления режимами работы питающей сети непосредственно в составе системы управления компенсатора реактивной мощности.