Способ косвенной компенсации реактивной мощности
METHOD FOR INDIRECT REACTIVE POWER COMPENSATION

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности, к электроэнергетическим системам и может быть использовано для косвенной компенсации реактивной мощности без ухудшения синусоидальности тока в сети и с сохранением рабочего уровня напряжения у потребителей при повышенном напряжении в сети.
Известен способ косвенной компенсации реактивной мощности (патент РФ на изобретение №2282912, Бюл. №24, 27.08.2006), который состоит из высоковольтных трехфазных выключателей, трехфазного трансформатора напряжения, системы автоматического управления, трехфазного управляемого реактора и двух одинаковых трехфазных батарей конденсаторов. Батареи конденсаторов и управляемый реактор через высоковольтные выключатели подключены к шинам высокого напряжения и соединены между собой параллельно.
Преимуществом этого способа является простота реализации и высокая надежность. При пониженном напряжении в сети и сравнительно большой нагрузке подключение батареи конденсаторов к зажимам сети повышает напряжение у потребителей, вследствие снижения тока и уменьшения падения и потери напряжения в энергосистеме. При этом управляемый реактор, входящий в состав компенсатора, отключен, а емкость батарей конденсатора выбирается из расчета равенства генерируемой и потребляемой реактивных составляющих мощности соответственно конденсаторами и нагрузкой. При повышении напряжении в сети и (или) снижении реактивной составляющей нагрузки, батареи конденсаторов с фиксированной емкостью и реактор с регулируемой индуктивностью (магнитный ключ) поддерживают баланс между генерируемой реактивной мощностью конденсаторов и суммарной потребляемой реактивной мощностью нагрузкой и управляемым реактором.
К недостаткам известного способа косвенной компенсации реактивной мощности с параллельным соединением конденсаторов и управляемого реактора следует отнести большие искажения тока, потребляемого из сети и возникновение перенапряжения у потребителей при снижении нагрузки и (или) повышении напряжения в сети. Для предотвращения недопустимого превышения напряжения у потребителей при отсутствии дополнительных средств регулирования напряжения на практике производят отключение одной, а затем и второй батареи конденсаторов. В этих ситуациях для обеспечения бесперебойной работы потребителей компенсация реактивной мощности сети не только отсутствует, а напротив сеть загружается дополнительной реактивной мощностью управляемого реактора.
Известен также способ косвенной компенсации реактивной мощности (Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий / Ю.Л. Мукосеев. Учебник для вузов. - М., Энергия, 1973. - стр. 448-449, рис. 12.8), который реализуется нерегулируемой батареей конденсаторов конденсаторной установки и регулируемым реактором с управляемым подмагничиванием магнитопровода.
Суть способа заключается в том, что батарея конденсаторов с фиксированной емкостью и реактор с регулируемой индуктивностью (магнитный ключ) подключаются параллельно к сети и поддерживают баланс между генерируемой конденсаторной батареей реактивной мощностью и суммарной потребляемой реактивной мощностью нагрузкой и регулируемым реактором.
Способ применим как для одноступенчатой конденсаторной установки, так и между ступенями конденсаторной установки с фиксированными емкостями. Его применение улучшает режим напряжения у потребителей при пониженном напряжении в сети, из-за смещения вверх внешней характеристики нагрузки.
Однако и этому известному способу косвенной компенсации реактивной мощности свойственны недостатки. Это большие искажения тока сети, вносимые подмагничиваемым реактором (магнитным ключом), а также возникновение перенапряжения у потребителей при снижении нагрузки и (или) повышения напряжения в сети. Для устранения перенапряжения у потребителей на практике предусмотрена защита на отключение батарей конденсаторов и перевода системы энергоснабжения на режим поддержания рабочего уровня напряжения при помощи подмагничивания реактора с дополнительным потреблением из сети реактивной мощности. Этот недостаток исключает функционирование способа и приводит к снижению энергетической эффективности всей системы энергоснабжения.
Наиболее близким по физической сущности является способ косвенной компенсации реактивной мощности (Солодуха, Я.Ю. Состояние и перспективы внедрения в электропривод статических компенсаторов реактивной мощности (обобщение отечественного и зарубежного опыта). Реактивная мощность в сетях с несинусоидальными токами и статические устройства для ее компенсации // Информэлектро, Москва, 1981. стр. 32, рис. 8), который взят за прототип.
Способ - прототип реализуется нерегулируемой батареей конденсаторов и реактором с последовательно соединенными с ним тиристорными ключами.
Способ производит косвенную компенсацию реактивной мощности, суть которой в том, что батарея конденсаторов с фиксированной емкостью и реактор с тиристорными ключами подключаются параллельно к сети и поддерживают баланс между генерируемой конденсаторной батареей реактивной мощностью и потребляемой реактивной мощностью нагрузкой и реактора с тиристорными ключами.
Способ применим как для одноступенчатой конденсаторной установки, так и между ступенями конденсаторной установки с фиксированными емкостями. Его применение улучшает режим напряжения у потребителей при пониженном напряжении в сети, из-за смещения вверх внешней характеристики нагрузки.
К недостаткам прототипа прежде всего следует отнести большие искажения тока сети, вносимые тиристорными ключами и перенапряжения у потребителей при снижении нагрузки и (или) повышении напряжения в сети. Для устранения перенапряжений у потребителей на практике предусмотрена защита на отключение батареи конденсаторов. После чего система энергоснабжения переводится на режим поддержания рабочего уровня напряжения посредством реакторно-тиристорного регулирования, которое сопряжено с дополнительным потреблением из сети реактивной мощности. Необходимость введение указанных операций в известном способе указывает на его существенный недостаток - снижение энергетической эффективности системы энергоснабжения.
Задачей изобретения является разгрузка электрических сетей от реактивной мощности с сохранением синусоидальной формы тока потребления и рабочего уровня напряжения у потребителей при повышенном напряжении в сети.
В результате решения поставленной задачи будет достигнуто улучшение качества и экономия электроэнергии, продление срока службы электрооборудования.
Решение поставленной задачи достигается тем, что тиристорные ключи с двухсторонней проводимостью тока пофазно шунтируют реактор и включены в цепь нагрузки, при этом, воздействуя сигналом управления на тиристорные ключи, изменяют угол управления тиристорами и, расшунтируя в той или иной степени реактор, вводят в цепь нагрузки активно-индуктивное сопротивление, которое изменяется по модулю и аргументу и, в процессе поддержания баланса между потребляемой и генерируемой реактивной мощностью, одновременно осуществляет выравнивание действующего значения напряжения нагрузки.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется ниже следующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, приведенными на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
Кроме этого, в «Приложении П.» к заявке на фиг. П.1, фиг. П.2 и фиг. П.3 приведены чертежи способа прототипа. Они представлены для удобства сравнения двух способов при рассмотрении заявки, но ссылки на них по тексту не входят в «Описание к изобретению».
На фиг. 1 и фиг. П.1 (см. «Приложении П.» к заявке) в однолинейном исполнении приведены трехфазные схемы реализации заявляемого способа и способа прототипа.
На схемах (фиг. 1 и фиг. П.1) введены следующие обозначения:
1 - сеть; 2 - батарея конденсаторов; 3 - реакторно-тиристорный блок, содержащий реактор 4 и тиристорные ключи 5; 6 - активно-индуктивная нагрузка.
На фиг. 2 и фиг. П.2 (см. «Приложении П.» к заявке) приведены осциллограммы напряжений и токов и в среде MatLab для предлагаемого способа и способа прототипа при пониженном (а) и повышенном (б) напряжении в сети.
На осциллограммах (фиг. 2 и фиг. П.2) введены следующие обозначения фазных токов и напряжений:
c
H
c
к
PT
н
u - мгновенное значение напряжения сети; U - действующее значение напряжения нагрузки; i и i - мгновенные значения тока сети и батареи конденсаторов; i и i - мгновенные значения тока реакторно-тиристорного блока и нагрузки.
p
T
н
РТ
На фиг. 3 и фиг. П.3 (см. «Приложении П.» к заявке) для оценки влияния реакторно-тиристорного блока на искажения тока сети и коэффициент мощности сети по предлагаемому способу и способу прототипу приведены токи для одной фазы реактора (i), тиристорного ключа (i), нагрузки (i) и реакторно-тиристорного блока (i) при разных углах управления тиристорами. На осциллограммах (фиг. 3) показаны токи при углах управления тиристорами α=60 град (а), α=75 град (б) и α=90 град (в), а на фиг. П.3 при углах управления α=135 град (а), α=140 град (б) и α=145 град (в).
Суть предлагаемого способа косвенной компенсации реактивной мощности заключается в одновременном выполнении известной и вновь введенной операций.
Предлагаемый способ одновременно выполняет две операции в процессе изменения проводящего состояния тиристорных ключей 5 при снижении тока нагрузки 6 и (или) повышении напряжения в сети 1. Это, во-первых, обеспечение непрерывной косвенной компенсации реактивной мощности при неизменной емкости батареи конденсатора 2 и, во-вторых, предотвращение перенапряжения у потребителей при снижении тока нагрузки 6 и (или) повышение напряжения в сети 1.
В заявляемом способе эти две операции выполняются посредством батареи конденсаторов 2 и реакторно-тиристорного блока 3 в цепи нагрузки 6 за счет регулирования индуктивного сопротивления реактора и падения напряжения на нем (избыточная, генерируемая энергия, батареи конденсаторов нейтрализуется энергией реактора). Индуктивное сопротивление реактора регулируется при помощи увеличения или уменьшения углов управления тиристорами. Учитывая величины положительных и отрицательных отклонений напряжения в цепи нагрузки необходимо индивидуально выбирать сопротивление реактора. Это способствует достижению высокого качества электроэнергии и надежности системы электроснабжения.
Физическая сущность предлагаемого способа и его новые свойства отражены в принципе действия в виде совокупности известных, вновь введенных операций и последовательности между ними.
Способ косвенной компенсацию реактивной мощности в соответствии со схемой его реализации работает следующим образом.
Косвенная компенсация реактивной мощности сети с одновременным регулированием напряжения у потребителей при снижении нагрузки 6 и (или) повышении напряжения в сети 1 достигается за счет, увеличения углов управления тиристорами 5, которые вместе с реактором 4 вводят в цепь нагрузки комплексное сопротивление.
При повышении напряжения в сети 1 и (или) снижения нагрузки 6 от номинального значения на системы управления тиристорами 5 поступает сигнал с датчика реактивной мощности для изменения проводящего состояния тиристорных ключей. Тиристорные ключи 5 при увеличении угла управления производят расшунтирование реактора 4, через который уменьшенное напряжение подается на нагрузку 6. При этом индуктивное сопротивление реактора 4 одновременно нейтрализует перекомпенсацию от повышенного напряжения на батареях конденсаторов 2, сохраняя синусоидальную форму и близкую к нулю фазу тока сети.
И так, предлагаемый способ косвенной компенсации реактивной мощности отличают два новых свойства. Предлагаемый способ в процессе компенсации реактивной мощности одновременно производит регулирование напряжения у потребителей и не ухудшает форму тока сети.
Областью применения предлагаемого способа косвенной компенсации реактивной мощности является системы электроснабжения с протяженностями линиями электропередачи, у которых благодаря новым свойствам способа будут улучшены внешняя, регулировочная и энергетические характеристики.
Наиболее целесообразной областью применения являются объекты систем энергоснабжения с трех- и многоступенчатыми конденсаторными установками, в сочетании с которыми способ будет выполнять регулирование на каждой ступени с фиксированными емкостями конденсаторов.