ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к статическим компенсаторам напряжения высоковольтных линий электропередач (ЛЭП) переменного тока.
Известно устройство униполярного статического компенсатора на основе высоковольтных транзисторов или тиристоров с высоковольтным разделительным трансформатором (Патент № ЕР 0192553, МПК Н02М 3/337, дата публикации 27.08.1986). Устройство содержит силовой высоковольтный трансформатор; сетевой мостовой выпрямитель; Г-образный L-C фильтр сетевой частоты; мостовой транзисторный инвертор, выходной резонансный колебательный контур; повышающий трансформатор; две вторичные обмотки, подсоединенные к своим диодным мостам; параллельно мостам подключены накопительные конденсаторы, которые подключены параллельно (при малом напряжении) или последовательно-параллельно (при высоком напряжении); нагрузка подключена к выходным концам высоковольтного силового трансформатора.
Известно устройство наиболее близкого к заявленной полезной модели инвертора статического компенсатора реактивной мощности в сети переменного тока «Статический компенсатор реактивной мощности» (Патент № RU 2282912, МПК Н01А 29/14, дата публикации 27.08.2006). Устройство содержит статический компенсатор реактивной мощности (СТАТКОМ), состоящий из блока компенсации, выполненного в виде регулируемой индуктивности, конденсаторной батареи, фильтров сетевой частоты (высших гармоник) и высоковольтного трансформатора.
Недостатком этих устройств является то, что сетевое напряжение ЛЭП высокого напряжения подается на высоковольтный трансформатор, что приводит к снижению электрического КПД. Кроме того, имеет место высокая инерционность, большие массогабаритные показатели, большой коэффициент нелинейного искажения. Управление транзисторами в режиме выпрямителя или инвертора осуществляется в режиме больших токов, а энергия, запасенная в конденсаторах основного электрического емкостного накопителя энергии пропорциональна квадрату напряжения, поэтому емкость для обеспечения того же времени поддержания работы устройства при малом напряжении должна быть значительно больше, чем при большом напряжении. Если исключить трансформатор, то для повышения напряжения транзисторы приходится собирать последовательно, что приводит к существенному снижению надежности системы управления.
Технической задачей полезной модели является создание высоковольтного статического компенсатора напряжения в сети переменного тока, обеспечивающего повышение качества электроэнергии при высоком электрическом КПД и минимально возможной себестоимости.
Технический результат, достигаемый в полезной модели, заключается в обеспечении существенного увеличения мощности передаваемой по ЛЭП переменного тока при отсутствии возможности возникновения (при нестабильной нагрузке) паразитной низкочастотной девиации частоты.
Технический результат достигается благодаря тому, что устройство, содержащее блок компенсации, конденсаторную батарею, систему управления и фильтр сетевой частоты высших гармоник с конденсаторами и фазными дросселями, снабжено подмодуляторами с оптическими драйверами управления, источником собственных нужд, при этом блок компенсации выполнен в виде высокочастотного инвертора с ШИМ и установленными в нем коммутаторами, причем коммутаторы выполнены в виде электронно-лучевых вентилей, а система управления снабжена преобразователем вектора, блоком вычисления фазных напряжений, блоком фазовой автоподстройки частоты, синхронизатором напряжения сети, пропорционально-интегральным регулятором, обратным преобразователем, вычислителем тока фазы, сумматором и блоком развязки.
Для повышения напряжения компенсации электроннолучевые вентили подключены последовательно. Для повышения тока компенсации электроннолучевые вентили подключены параллельно.
Высокочастотный инвертор (далее - инвертор) подобен конденсаторному компенсатору реактивной мощности, но использует преобразователь напряжения, выполненный по схеме преобразователя переменного/постоянного тока. Генерирование тока, отстающего или опережающего по фазе напряжение сети, эквивалентно потреблению или генерированию реактивной мощности инвертором, в результате чего достигается активная, управляемая компенсация реактивной мощности сети. Режим ШИМ позволяет получить максимально возможный электрический КПД и быстродействие.
Инвертор на основе ЭЛВ, управляемый в режиме ШИМ обеспечивает фазовую и амплитудную компенсацию напряжения сети при искажениях, вызванных нестабильностью нагрузки. Для пассивного подавления высокочастотной составляющей используется L-C фильтр сетевой частоты высших гармоник.
Применение ЭЛВ, обеспечивает автоматическое ограничение тока, сохраняя высокие электротехнические свойства, что позволяет создать инвертор, не боящийся пробоев, перенапряжений, перегрузок по току, короткого замыкания, радиации. Размеры и потребляемая мощность подмодуляторов с оптическими драйверами управления ЭЛВ небольшие, за счет чего подмодуляторы легко поддаются защитной экранировке. Кроме того, применение ЭЛВ позволяет путем упрощения конструкции инвертора существенно уменьшить его себестоимость.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами и иллюстрациями, где
на фиг.1 показана структурная схема высоковольтного статического компенсатора напряжения на основе ЭЛВ;
на фиг.2 Блок-схема устройства управления подмодуляторами с оптическими драйверами управления ЭЛВ.
Устройство содержит (фиг.1): 1, 2, 3 - фазы сети переменного тока основного напряжения частотой 50 Гц; 4, 5 - датчики напряжения сети, 6, 7 - входные сигналы линейных напряжений сети; 8, 9, 10 - фильтровые индуктивные реакторы фильтра сетевой частоты высших гармоник; 11, 12, 13 - датчики тока в реакторах; 14, 15, 16 - фазы сети инвертора; 17, 18, 19 - канал несущий информацию о величине и форме тока в дросселях фильтров инвертора; 20 - инвертор с ШИМ; 21, 22, 23 - конденсаторы фильтра сетевой частоты высших гармоник; 24 - фильтр сетевой частоты высших гармоник, состоит из элементов 8, 9, 10, 21, 22, 23; 25, 26, 27 - датчики тока в фазах инвертора; 28, 29, 30 - информация о параметрах тока в фазах инвертора; 31 - система управления инвертором; 32 - основной электрический емкостной накопитель энергии инвертора на стороне постоянного тока; 33 - датчик напряжения основного электрического емкостного накопителя энергии; 34 - канал информации величины напряжения основного электрического емкостного накопителя энергии; 35 - каналы фазных напряжений управления подмодуляторами с оптическими драйверами управления; 36 - подмодуляторы с оптическими драйверами управления; 37 - каналы фазных напряжений управления ЭЛВ; 38 - датчик напряжения собственных нужд; 39 - канал информации о величине напряжения источника собственных нужд; 40 - источник собственных нужд инвертора; 41 - канал передачи выходного напряжения инвертора собственных нужд; 42, 43, 44 - линии силового ток внешнего задания; 45, 46, 47 - линии силового тока в фазах после компенсации инвертором.
Устройство содержит (фиг.2): 48 - преобразователь вычисления фазных напряжений; 49 - канал передачи фазных напряжений сети; 50 - сетевой синхронизатор с образцовой внешней сетью; 51 - канал передачи управляющего токового сигнала; 52 - вычислитель тока фазы сети; 53, 54 - каналы передачи сигналов пропорциональных току задания; 55 - устройство преобразования фазы вектора; 56, 57 - канал передачи тока, пропорционального току реактора; 58, 59 - пропорционально-интегральные регуляторы; 60, 61 - составляющие тока фазы; 62, 63 - пропорционально-интегральные регуляторы; 64, 65 - канал передачи информации пропорциональной составляющим напряжения фазы; 66 - вычислитель тока фазы прямого преобразования; 67 - канал передачи информации пропорциональной скорректированному фазному напряжению; 68 - сумматор; 69 - канал передачи информации пропорциональной напряжению управления четырехквадрантным преобразователем; 70 - блок гальванической развязки; 71 - канал передачи информации пропорциональной составляющей напряжения емкостного накопителя; 72 - четырехквадрантный преобразователь.
Устройство работает следующим образом: датчики напряжения сети (4, 5) генерируют входные сигналы (6, 7) линейных напряжений сети пропорциональные фазам (1, 2, 3) сети переменного тока основного напряжения частотой 50 Гц.
Фильтр сетевой частоты высших гармоник (24), состоящий из фильтровых индуктивных реакторов (8, 9, 10) и электрических конденсаторов (21, 22, 23) обеспечивает подавление высокочастотной составляющей ШИМ в сети, применяемой в инверторе с ШИМ. Силовые токи с ШИМ (14, 15, 16) инвертора (20) определяются датчиками (11, 12, 13) и подаются сигналами (17, 18, 19) на вычислитель тока фазы сети (52) осуществляя фазовую автоподстройку частоты системы управления (31) инвертора (20).
Система управления (31) инвертора (20) обеспечивает формирование компенсационного ШИМ сигнала управления (35) четырехквадрантного преобразователя (72) заключающееся в генерации сигналов управления подмодуляторами (36) с оптическими драйверами управления для создания тока в фазах преобразователя (45, 46, 47) в соответствии с током внешнего задания (42, 43, 44). Система управления (31) выполняется на основе микроконтроллера, на входы которого поступают сигналы с датчиков напряжения сети (4, 5) и датчиков тока (11, 12, 13) инвертора по каналам (17, 18, 19) в дросселях фильтра сетевой частоты высших гармоник, включенных на стороне переменного тока инвертора (20); канал (35) обеспечивает связь системы управления (31) с подмодуляторами (36). Драйверы обеспечивают гальваническую развязку подмодулятора и инвертора (20). От системы управления (31) задается алгоритм работы инвертора. Источник собственных нужд (40) обеспечивает питание всех вспомогательных элементов инвертора (20), осуществляя автоматически отслеживание своего исходного питания (39) от датчика (38). Блок управления источником собственных нужд (40) с помощью собственной системы управления с ШИМ, изменяет свое выходное напряжение (41), обеспечивая оптимальный электрический режим работы ЭЛВ. Емкостной накопитель электрической энергии (32) инвертора на стороне постоянного тока обеспечивает основной компенсационный потенциал питания при отборе энергии от сети - опережение фазы (в режиме скачкообразного холостого хода нагрузки) или выдачу энергии в сеть - отставание фазы (в режиме скачкообразного увеличения нагрузки).
В вычислителе тока фазы (52) осуществляется фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ), т.е. обратное преобразование выходных токов (17, 18, 19) инвертора, ФАПЧ является следящей системой автоматического регулирования, частота настройки которой определяется частотой управляющего токового сигнала (51) и сигналом рассогласования обратной связи (17, 18, 19) от датчиков тока (11, 12, 13). В ФАПЧ измеряется и корректируется фаза путем воздействия на частоту. В результате в контуре регулирования появляется фазовый сдвиг на 90°. Далее по сигналам выше указанных токов, осуществляется вычисление составляющих сигналов тока задания (53, 54).
Слежение за токами задания осуществляется с помощью двух пропорционально-интегральных регуляторов (58, 59), на вход которых подаются значения токов преобразователя (56, 57) и токов задания (53, 54). Поскольку сигнал рассогласования обратной связи (17, 18, 19) в дросселе фильтра сетевой частоты высших гармоник (8, 9, 10) сдвинут на 90° относительно напряжения на дросселях (8, 9, 10), то канал управления передает взаимно определяющую составляющую тока (60, 61). На выходе пропорционально-интегральных регуляторов (62, 63) образуются составляющие напряжения (64, 65).
Вычислитель тока фазы прямого преобразования (66) осуществляет вычисление фазы прямого преобразования на основе составляющих напряжения фазы (64, 65). В результате получаем скорректированные фазные напряжения (67), которые в сумматоре (68) складываются с фазными напряжениями сети (49). В результате получаются напряжения (69) управляющие четырехквадрантным преобразователем (72), который формирует фазные напряжения (35) управления подмодуляторами с оптическими драйверами управления ЭЛВ инвертора (20), которые являются сигналами задания для обеспечения ШИМ. Формирование сигналов управления подмодуляторами с оптическими драйверами управления ЭЛВ при реализации ШИМ основано на сравнении опорных сигналов напряжения с пилообразным сигналом на несущей высокой частоте инвертора (20). Регистрируемое напряжение (34) при достижении номинального значения, после блока гальванической развязки (70), обеспечивает разрешение на работу четырехквадрантного преобразователя (72).
Технический результат предлагаемого устройства определяется частотными характеристиками ЭЛВ инвертора, максимальной величиной тока и напряжения, минимальной величиной падения напряжения на открытом коммутаторе в виде ЭЛВ, надежностью и долговечностью комплектующих подмодуляторов с оптическими драйверами управления и всех других вспомогательных устройств, помехоустойчивостью и помехозащищенностью системы управления.
Предлагаемая полезная модель позволяет: обеспечить повышение качества электроэнергии при высоком электрическом КПД; обеспечить существенное увеличение мощности передаваемой по ЛЭП переменного тока благодаря практически безинерционному подавлению возможности возникновения паразитной низкочастотной девиации частоты; создать устройства на основе ЭЛВ, которые не боятся пробоев, перенапряжений, перегрузок по току, короткого замыкания, радиации; упростить силовую электрическую схему, существенно уменьшить массогабариты и себестоимость.
Исходя из вышеизложенного, задача создания устройства, позволяющего обеспечить повышение качества электроэнергии для особо ответственного потребителя при существенном увеличении мощности пропускаемого по ЛЭП переменного тока, при высокой помехоустойчивости, возможности ограничения тока короткого замыкания, не боящегося пробоев, обеспечивающего практически безинерционное подавление возможности возникновения низкочастотной девиации частоты сети, решена.
Пример расчета коммутируемой мощности, потерь и КПД инвертора на ЭЛВ представлен в табл.1.
Таблица 1
Параметры линии
Режим работы ЭЛВ
Режим ключа
Вид ЭЛВ
Коммутируемая мощность, МВт
Комму тируемый ток, А
Коммутируемое напряжение, кВ
Мощность потерь по управлению. кВт
Мощность потерь на аноде, кВт
Полная мощность потерь, кВт
Относительные потери мощности %
КПД, %
Перспективный
5,5
50
110
5,79
28,9
43,74
0,795
99,2
современный
1,05
30
35
2,47
12,4
23,83
2,269
97,7
Основным узлом инвертора является коммутатор на основе ЭЛВ 4/40, который при сетевом напряжении 35 кВ способен обеспечить работу инвертора мощностью 250÷300 кВт, а современный коммутатор на основе ЭЛВ 50/100 на напряжение 80÷110 кВ и ток 50 А обеспечивает работоспособность инвертора мощностью 1 МВт.