Конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами
CAPACITOR GROUP SWITCHED BY THYRISTORS

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано для управления источниками реактивной мощности, построенными на основе тиристорных преобразователей. Подобные устройства широко применяются в электроэнергетике, электроприводе, электротермии, электролизе, преобразовательной технике, для плавного регулирования реактивной мощности в электрической сети, как в режиме ее потребления, так и генерации, в том числе и в составе комбинированных статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности.
Известна конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами, включающая параллельно соединенные ветви, каждая из которых содержит конденсатор с последовательно подключенным к нему двунаправленным тиристорным ключом. Изменение емкости конденсаторной группы осуществляется за счет управления двунаправленными тиристорными ключами каждой из ветвей и подключением различного количества конденсаторов параллельно. При этом за счет выбора различных реактивных сопротивлений каждой ветви конденсаторной группы, например, 1:2:3:5 и включением каждой секции или комбинации нескольких из них с помощью двунаправленных тиристорных ключей достигается требуемая дискретность уровней регулирования емкости конденсаторной группы. Система управления устройством синхронизирует моменты отпирания встречно-параллельно соединенных тиристоров в каждой из параллельных ветвей относительно приложенного к ним напряжения и обеспечивает требуемое значение результирующей емкости конденсаторной группы. («Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения» Ю.П. Рыжов, М., Издательский дом МЭИ, 2007 г., 486 с, стр. 313, рис. 9.11 а).
Недостатком данной схемы построения конденсаторной группы является небольшая дискретность изменения емкости конденсаторной группы, вытекающая из ограниченного числа комбинаций параллельно включаемых ветвей с разными величинами емкостей конденсаторов каждой из них. Этот недостаток сказывается на плавности регулирования реактивной мощности, обеспечиваемой такой схемой построения конденсаторной группы. Кроме этого, схема отличается пониженной надежностью работы, связанной с отсутствием элементов, ограничивающих токи при переключении тиристорных ключей при различающихся начальных напряжениях на конденсаторах в момент их переключения.
Известна конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами, которая подключается к источнику питания через токоограничивающий реактор. При этом токоограничивающий реактор используется для рекуперации остаточной энергии, накопленной в конденсаторах к моменту изменения емкости конденсаторной группы (Патент №2684307 от 06.04.2018 «Конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами»).
Недостатком данного прототипа является наличие токоограничивающего реактора, включенного последовательно с конденсаторной группой. Это приводит к тому, что рабочий ток конденсаторной группы при любом значении ее емкости протекает через токоограничивающий реактор, что снижает к.п.д. устройства за счет наличия потерь энергии в токоограничивающем реакторе. Кроме этого, в подобных схемах реактор характеризуется повышенными массогабаритными показателями ввиду того, что он должен быть рассчитан на максимальное значение действующего тока конденсаторной группы.
Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является увеличение к.п.д. устройства за счет отсутствия потерь в токоограничивающем реакторе в установившемся режиме работы устройства, а также уменьшение его массогабаритных показателей за счет снижения массогабаритных показателей токоограничивающего реактора по сравнению с прототипом.
Технический результат достигается тем, что конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами, содержащая токоограничивающий реактор и две ветви, каждая из которых состоит из последовательно соединенных двунаправленного тиристорного ключа, конденсатора и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа, при этом ветви подключены параллельно таким образом, что одни из выводов дополнительных двунаправленных тиристорных ключей подключены к разноименным выводам параллельных ветвей, а между другими выводами дополнительных двунаправленных тиристорных ключей ветвей включен вспомогательный двунаправленный тиристорный ключ, при этом параллельные ветви подключены к выводам конденсаторной группы и параллельно выводам конденсаторной группы подключена ветвь, состоящая из двух последовательно включенных разрядных двунаправленных тиристорных ключей, а токоограничивающий реактор включен между общей точкой соединения разрядных двунаправленных тиристорных ключей и одного из выводов вспомогательного тиристорного ключа, при этом к ветвям, содержащим последовательное соединение двунаправленного тиристорного ключа и конденсатора, параллельно подключено любое количество дополнительных ветвей, содержащих последовательное соединение двунаправленного тиристорного ключа и конденсатора.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена схема построения конденсаторной группы, коммутируемой тиристорами, состоящая из двух ветвей с конденсаторами и токоограничивающего реактора.
На фиг. 2 приведена схема построения конденсаторной группы, коммутируемой тиристорами, состоящая из четырех ветвей с конденсаторами и токоограничивающего реактора.
Конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами (фиг. 1), включает две ветви, образованные последовательным соединением конденсатора и двунаправленного тиристорного ключа. Первая ветвь содержит последовательное соединение конденсатора 1 и двунаправленного тиристорного ключа 2. Вторая ветвь содержит последовательное соединение конденсатора 3 и двунаправленного тиристорного ключа 4. К выводу двунаправленного тиристорного ключа 2, не соединенному с конденсатором 1, подключен первый вывод дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 5. К выводу двунаправленного тиристорного ключа 4, не соединенному с конденсатором 3, подключен первый вывод дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 6. Второй вывод дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 6 и вывод конденсатора 1, не соединенный с двунаправленным тиристорным ключом 2, соединены вместе и образуют первый вывод конденсаторной группы. Второй вывод дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 5 и вывод конденсатора 3, не соединенный с двунаправленным тиристорным ключом 4, соединены вместе и образуют второй вывод конденсаторной группы. К общей точке соединения двунаправленного тиристорного ключа 2 и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 5 подключен первый вывод вспомогательного тиристорного ключа 7, второй вывод которого подключен к общей точке соединения двунаправленного тиристорного ключа 4 и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 6. Управление состоянием тиристорных ключей 2, 4, 5, 6, 7 осуществляет система управления 8, используя информацию о входном напряжении, поступающую на один из ее входов от датчика напряжения 9. На второй вход системы управления 8 поступает информация с блока 10 -задания требуемой емкости конденсаторной группы, используемая системой управления 8 для определения необходимой комбинации включенных в данный момент тиристорных ключей 2, 4, 5, 6, 7. Параллельно выводам конденсаторной группы подключена ветвь, состоящая из последовательного соединения разрядных двунаправленных ключей 11 и 12. Между общей точкой соединения разрядных двунаправленных ключей 11 и 12 и одним из выводов дополнительного двунаправленного ключа 7 включен токоограничивающий реактор 13. Разрядные двунаправленные ключи 11 и 12 также управляются от системы управления 8.
На фиг. 2 изображена схема фиг. 1, дополненная в целях увеличения количества ступеней регулирования реактивной мощности двумя дополнительными ветвями, состоящими из последовательного соединения конденсатора и двунаправленного тиристорного ключа. Первая дополнительная ветвь содержит конденсатор 14, первый вывод которого подключен к общей точке соединения конденсатора 1 и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 6, а второй вывод конденсатора 14 подключен к первому выводу двунаправленного тиристорного ключа 15. Второй вывод двунаправленного тиристорного ключа 15 подключен к первому выводу вспомогательного тиристорного ключа 7. Вторая дополнительная ветвь содержит конденсатор 16, первый вывод которого подключен к общей точке соединения конденсатора 3 и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 5, а второй вывод конденсатора 16 подключен к первому выводу двунаправленного тиристорного ключа 17. Второй вывод двунаправленного тиристорного ключа 17 подключен к второму выводу вспомогательного тиристорного ключа 7. Управление двунаправленными тиристорными ключами 15 и 17 осуществляет система управления 8.
Конденсаторная группа, коммутируемая тиристорами, изображенная на фиг. 1, работает следующим образом. Управление двунаправленными тиристорными ключами 2, 4, 5, 6, 7 осуществляется системой управления 8 в определенные моменты времени относительно синусоидального напряжения, приложенного к выходам конденсаторной группы. В целях синхронизации моментов переключения указанных ключей, посредством датчика напряжения 9, в систему управления 8 подается информация о приложенном к выходам конденсаторной группы напряжении. При этом в зависимости от набора одновременно включенных двунаправленных тиристорных ключей, определяемого блоком 10 - задания требуемой емкости конденсаторной группы, обеспечивается подключение к выходам конденсаторной группы различной комбинации конденсаторов 1 и 3. При включенных двунаправленных тиристорных ключах 2 и 5 и выключенных двунаправленных тиристорных ключах 4, 6, 7, 11, 12 к выходам конденсаторной группы подключен конденсатор 1. При включенных двунаправленных тиристорных ключах 4 и 6 и выключенных двунаправленных тиристорных ключах 2, 5, 7, 11, 12 к выходам конденсаторной группы подключается конденсатор 3. При включенных двунаправленных тиристорных ключах 2, 4, 7 и выключенных двунаправленных тиристорных ключах 5, 6, 11, 12 к выходам конденсаторной группы подключаются два конденсатора 3 и 1, соединенные последовательно. При включенных двунаправленных тиристорных ключах 2, 4, 5, 6 и выключенных двунаправленных тиристорных ключах 7, 11, 12 к выходам конденсаторной группы подключаются два конденсатора 1 и 3, соединенные параллельно. Таким образом, схема, изображенная на фиг. 1, при наличии двух конденсаторов 1 и 3, в зависимости от управления двунаправленными тиристорными ключами 2, 4, 5, 6, 7, 11, 12 позволяет обеспечить четыре различных значения емкости на выходах конденсаторной группы. Перед началом очередного изменения комбинации подключенных к выходам конденсаторной группы конденсаторов 1 и 3 система управления обеспечивает рекуперацию энергии, оставшуюся в конденсаторах на момент завершения предыдущего состояния схемы, в источник питания и фиксацию напряжения на всех конденсаторах на нулевом уровне к моменту начала очередного изменения состояния конденсаторной группы. Рекуперация энергии, накопленной в конденсаторах к моменту начала изменения емкости конденсаторной группы, осуществляется в два этапа. Поясним это на примере рекуперации энергии конденсатора 1 в источник питания. Предположим, что после окончания текущего значения емкости конденсаторной группы и выключении всех двунаправленных тиристорных ключей, конденсатор 1 имел остаточный заряд на своих зажимах и, соответственно, напряжение на его зажимах. На первом этапе рекуперации энергии, накопленной в конденсаторе 1, система управления 8 обеспечивает сброс энергии, накопленной в конденсаторе 1, в токоограничивающий реактор 13. Это осуществляется путем подачи импульсов управления на двунаправленные тиристорные ключи 2, 7 и 12. При этом, происходит колебательный разряд конденсатора 1 через токоограничивающий реактор 13 по контуру: конденсатор 1, двунаправленный тиристорный ключ 12, токоограничивающий реактор 13, дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 7 и двунаправленный тиристорный ключ 2. В момент достижения напряжения на конденсаторе 1 нулевого уровня, что соответствует максимуму тока в токоограничивающем реакторе 13, система управления 8 подает импульсы управления на двунаправленный тиристорный ключ 6 и ток, протекающий в токоограничивающем реакторе 13 замыкается в контуре: токоограничивающий реактор 13, двунаправленный тиристорный ключ 6 и разрядный двунаправленный ключ 12. Двунаправленный тиристорный ключ 2 и дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 7 выключаются в виду того, что ток в них спадает до нуля. На этом первый этап сброса энергии, накопленной в конденсаторе 1, завершается, и вся энергия, накопленная к моменту окончания формирования текущего значения емкости конденсаторной группы, передается в токоограничивающий реактор 13. На втором этапе энергия, накопленная в токоограничивающем реакторе 13, передается в источник питания. Это обеспечивается тем, что в зависимости от направления протекания тока в токоограничивающем реакторе 13 и полярности напряжения источника питания система управления 8 включает в определенные моменты времени синусоидального напряжения источника питания двунаправленный разрядный тиристорный ключ 11 или двунаправленный тиристорный ключ 5 и дополнительный двунаправленный ключ 7. Отпирание указанных выше ключей приводит к запиранию одного из двунаправленных тиристорных ключей 6 или 12 и, в конечном счете, сбросу энергии, накопленной в токоограничивающем реакторе 13 в источник питания. На этом процесс рекуперации энергии, накопленной в конденсаторе 1, заканчивается. При этом конденсатор 1 имеет нулевое напряжения на своих выводах. Аналогично будет осуществляться и рекуперация энергии, накопленной в конденсаторе 3. Важно отметить, что процессы рекуперации энергии в источник питания для каждого конденсатора должны быть разнесены во времени для того, чтобы при сбросе энергии от конденсатора в токоограничивающий реактор 13, конденсаторная группа была бы отключена от источника питания.
Как видно из принципа работы рассматриваемой схемы конденсаторной группы, токоограничивающий реактор 13 используется в схеме только на интервале рекуперации энергии конденсаторов перед их очередным переключением. При этом на интервале протекания рабочего тока конденсаторной группы в токоограничивающем реакторе 13 ток не течет. Это позволяет существенно уменьшить сечение провода токоограничивающего реактора 13, и, следовательно, его вес и габариты.
Увеличить дискретность значений емкостей конденсаторов, получаемых на выходах конденсаторной группы, можно за счет подключения дополнительных ветвей, состоящих из последовательного соединения конденсатора и двунаправленного тиристорного ключа, параллельно первой или второй ветвям конденсаторной группы, изображенной на фиг. 1. При этом подключение дополнительных ветвей можно осуществлять как независимо к первой или второй ветвям, так и одновременно к двум ветвям.
На фиг. 2 представлена схема с подключением двух дополнительных ветвей к каждой из исходных ветвей конденсаторной группы. За счет управления двунаправленными тиристорными ключами 2, 4, 5, 6, 7, 15, 17 и подбора величин емкостей четырех конденсаторов 1, 3, 14, 16 в такой схеме можно получить 25 различных величин емкостей на выходах конденсаторной группы. Таким образом, повышение дискретности регулирования величин емкостей конденсаторной группы при ограниченном количестве конденсаторов в схеме достигается за счет увеличения количества комбинаций различных подключений конденсаторов с помощью двунаправленных тиристорных ключей. При этом перед началом формирования новой комбинации включения конденсаторов система управления обеспечивает поэтапную рекуперацию энергии, накопленной в каждом из конденсаторов, в источник питания. В этой схеме токоограничивающий реактор также используется только на этапах рекуперации энергии в источник питания. В установившемся режиме работы конденсаторной группы ее рабочий ток через токоограничивающий реактор не течет, что обеспечивает отсутствие дополнительных потерь энергии в токоограничивающем реакторе и, следовательно, повышение общего к.п.д. устройства.