Статический компенсатор реактивной мощности с функцией бесперебойного питания

Область техники
Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть применена в статических компенсаторах реактивной мощности, выполненных на основе модульных многоуровневых преобразователей постоянного напряжения в переменное и снабженных накопителями энергии. При использовании соответствующих алгоритмов управления такие компенсаторы, помимо компенсации реактивной мощности, могут применяться для уменьшения несимметрии фазных напряжений и несинусоидальности сетевого напряжения. При оснащении таких компенсаторов суперконденсаторными накопителями энергии они могут дополнительно выполнять функцию источника бесперебойного питания, устраняющего кратковременные провалы или перерывы электроснабжения (например, на время бестоковой паузы АПВ линии электропередачи).
Уровень техники
Известен выбранный в качестве прототпа статический компенсатор реактивной мощности, содержащий два соединенных по схемам «звезда» трехфазных модульных многоуровневых преобразователя, фазы которых выполнены в виде группы последовательно соединенных преобразовательных модулей и токоограничивающего реактора, а каждый модуль выполнен в виде преобразователя постоянного напряжения в переменное, снабженного буферным конденсатором на стороне постоянного напряжения [RU 157189].
В прототипе каждый преобразовательный модуль выполнен по полумостовой схеме и снабжен суперконденсаторным накопителем энергии, подключенным параллельно буферному конденсатору.
Недостаток прототипа - большое общее количество единичных суперконденсаторов (серийно выпускаемых суперконденсаторных элементов, из которых составляют накопители энергии), используемых для получения требуемой накопительной энергоемкости компенсатора.
Сущность полезной модели
Технический результат полезной модели - уменьшение общего количества единичных суперконденсаторов, используемых для получения требуемой накопительной энергоемкости компенсатора.
Предметом полезной модели является статический компенсатор реактивной мощности, содержащий два соединенных по схемам «звезда» трехфазных модульных многоуровневых преобразователя, фазы которых выполнены в виде группы последовательно соединенных преобразовательных модулей и токоограничивающего реактора, а каждый модуль выполнен в виде преобразователя постоянного напряжения в переменное, снабженного буферным конденсатором на стороне постоянного напряжения, отличающийся тем, что преобразовательные модули выполнены по полномостовой схеме, а между нейтралями схем «звезда» трехфазных многоуровневых преобразователей включен суперконденсаторный накопитель энергии.
Это позволяет получить указанный технический результат.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 показана структура заявляемого статического компенсатора, на фиг. 2 - схема одного из его преобразовательных модулей.
Статический компенсатор (фиг. 1) содержит два трехфазных модульных многоуровневых преобразователя. Фазы преобразователей выполнены из групп 1 и 2 преобразовательных модулей 3, соединенных последовательно с токоограничивающими реакторами 4. Фазы преобразователей соединены по схемам «звезда». Между нейтралями схем «звезда» двух трехфазных многоуровневых преобразователей включен суперконденсаторный накопитель 5 энергии. На фиг. 1 также показана система 6 управления компенсатором.
Каждый модуль 3 (фиг. 2) представляет собой преобразователь постоянного напряжения в переменное, выполненный по полномостовой схеме на четырех транзисторных ключах 7, 8, 9, и 10 с обратными диодами. В диагональ моста включен буферный конденсатор 11. Каждый модуль 3 оснащен собственным блоком управления (на фиг. 2 не показан). Выводами 12 модули 3 соединяются в группы 1 и 2.
Устройство работает следующим образом.
Модули 3 преобразовывают постоянные напряжения на буферных конденсаторах 11 в переменное.
Напряжение на выводах 12 каждого модуля 3 определяется состоянием транзисторных ключей 7, 8, 9, и 10, которыми управляет блок управления модуля. Когда ключи 7 и 10 включены, а ключи 8 и 9 выключены, буферный конденсатор 11 подсоединяется к выводам 12 модуля 3 в прямой (условно) полярности. В случае, когда ключи 7 и 10 выключены, а ключи 8 и 9 включены, буферный конденсатор 11 подсоединяется к выводам 12 модуля 3 в обратной (условно) полярности.
Мгновенные напряжения на фазных выводах (а, b, с) компенсатора определяются суммами напряжений модулей 3, последовательно включенных в фазах компенсатора, и напряжением между нейтралями (полюсами компенсатора), поддерживаемым накопителем 5.
Блоки управления модулей 3 получают управляющие воздействия от системы 6, обеспечивающие осуществление с помощью модулей 3 широтной или амплитудной импульсной модуляции для формирования на фазных выводах (а, b, с) трехфазного напряжения в соответствии с требуемым режимом работы компенсатора.
Устройство подключается фазными выводами (а, b, с) к электросети параллельно потребителю. Формируя посредством импульсной модуляции вектор прямой последовательности напряжения в фазе с сетевым напряжением и изменяя амплитуду выходного напряжения, устройство регулирует реактивную мощность, выдаваемую в сеть. При формировании вектора напряжения, отстающего или опережающего по фазе напряжение сети, устройство потребляет активную мощность или выдает ее в сеть соответственно. Потребление активной мощности сопровождается зарядом накопителя 5 энергии. Формируя вектор обратной последовательности напряжения, находящийся в противофазе с обратной последовательности напряжения сети, устройство компенсирует несимметрию сетевого напряжения. Компенсация искажений синусоидальности напряжения сети происходит за счет генерации в противофазе соответствующих высших гармоник напряжения на выводах (а, b, с) компенсатора.
При отключении потребителя от сетевого питания устройство переходит в режим поддержания напряжения, в котором на выводах (а, b, с) компенсатора формируется трехфазное синусоидальное напряжение с номинальной амплитудой и частотой. При этом электроснабжение потребителя осуществляется за счет расхода энергии, запасенной на накопителе 5.
Были проведены сопоставительные расчеты для компенсаторов, выполненных по схеме прототипа и заявляемого устройства, при одинаковых для обоих случаев исходных данных:
- мощность компенсатора 6 Мвар;
- номинальное напряжение сети 6 кВ;
- время питания автономной нагрузки 3 сек. с выдачей активной мощности 3 МВт;
- напряжение на одном преобразовательном модуле 1200 В;
- емкость единичного суперконденсатора 0,5 Ф, а его максимальное рабочее напряжение 700 В.
Проведенные расчеты дали следующие результаты. В прототипе необходимо 156 полумостовых преобразовательных модулей (312 транзисторов) и 312 единичных суперконденсаторов. В предлагаемом устройстве достаточно 54 полномостовых преобразовательных модулей (216 транзисторов) и 98 единичных суперконденсаторов.
Полученные результаты обусловлены тем, что в схеме заявляемого устройства, использующего полномостовые схемы преобразовательных модулей, снимается имеющееся в прототипе ограничение на минимальное напряжение между нейтралями схем «звезда» трехфазных многоуровневых преобразователей и, тем самым, становится допустимым более глубокий (теоретически до нуля) разряд накопителя, включенного в заявляемом устройстве между указанными нейтралями.
Кроме того, заявляемый статический компенсатор обеспечивает удобство масштабирования накопительной энергоемкости компенсатора, поскольку для этого достаточно варьировать емкость одного, общего (для всего компенсатора) накопителя 5, в то время как в прототипе требуется изменять емкости множества накопителей, подключенных параллельно буферным конденсаторам преобразовательных модулей.