УПРАВЛЯЕМЫЙ ШУНТИРУЮЩИЙ РЕАКТОР-АВТОТРАНСФОРМАТОР
ADJUSTABLE AUTOTRANSFORMATION REACTOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к управляемым шунтирующим реакторам-автотрансформаторам (УШРАТ), и может быть использовано для компенсации избыточной реактивной мощности высоковольтной линии электропередачи и изменения в ней в широких пределах общего уровня напряжения.
Известен управляемый реактор-трансформатор (УРТ), имеющий трехфазные первичную и вторичную обмотки, причем последняя совмещена с обмоткой подмагничивания постоянным током (Авторское свидетельство СССР №1541681, класс H01F 29/14 [1]).
УРТ предназначен для использования на понижающих подстанциях распределительных сетей в качестве трансформатора и одновременно регулируемой индуктивности компенсатора реактивной мощности. При полной нагрузке подстанции УРТ работает как трансформатор, если нагрузка мала - в реакторном режиме. При промежуточной нагрузке УРТ выполняет функцию и управляемого реактора и силового трансформатора с соответствующей степенью загрузки активной и реактивной мощностями. Изменяя величину постоянного тока подмагничивания, можно за счет изменения магнитного состояния стали магнитопровода регулировать индуктивное сопротивление первичной обмотки и, как следствие, величину потребляемой реактивной мощности и уровень напряжения на вторичной обмотке.
Аналогичные функции выполняет трехфазный управляемый реактор, имеющий дополнительную и вторичную обмотки, первая из которых используется для подмагничивания стержней магнитопровода постоянным током, а вторая предназначается для питания нагрузки (Авторское свидетельство СССР №1658224, класс H01F 29/14 [2]).
Известен также трехфазный управляемый реактор-автотрансформатор (УРАТ), используемый для улучшения режимов работы дальних электропередач и подключаемый непосредственно к высоковольтной линии (Авторское свидетельство СССР №1781711, класс H01F 29/14 [3]). Изменение реактивной мощности, потребляемой УРАТ, осуществляется путем изменения тока обмотки управления. Величина тока регулируется встречно-параллельно включенными в ее цепь тиристорами. Изменение угла открытия тиристоров приводит к снижению (увеличению) указанного тока, но при этом генерируются высшие гармоники в токе основной обмотки УРАТ. Для устранения нечетных гармоник УРАТ снабжен компенсационными обмотками, что усложняет его конструкцию. Основная обмотка, выполненная по автотрансформаторной схеме, состоит из двух частей, между которыми включается дополнительный автотрансформатор (ДАТ) небольшой мощности, который имеет отдельный от УРАТ магнитопровод, который подмагничивается постоянным током. Если подмагничивание отсутствует, то напряжение на обмотке ДАТ, включенной последовательно в основную обмотку, возрастает, а при определенном уровне подмагничивания - снижается. Таким образом может регулироваться напряжение на среднем выводе основной обмотки УРАТ, подключенном, например, к линии электропередачи (ЛЭП). Однако изменение напряжения лежит в пределах (8÷14) %, что недостаточно для осуществления глубокого регулирования напряжения на линии, требуемого для оптимизации режима электропередачи при изменяющейся передаваемой мощности.
Все управляемые шунтирующие реакторы (УШР) с подмагничиванием сердечника постоянным током, в том числе и реакторы-трансформаторы типа [1], [2], [3], имеют серьезные недостатки:
- повышенное содержание гармоник в токе основной обмотки, вызываемое насыщением сердечника и работой тиристоров при неполных углах открытия;
- большая электрическая инерционность, связанная с наличием постоянной составляющей в магнитном потоке;
- сложная схема управления, включающая дополнительные, фазосдвигающие и компенсационные обмотки;
- недостаточный диапазон регулирования напряжения, что исключает их использование для оптимизации режимов дальних ЛЭП.
Ряд недостатков реакторов в значительной степени устранен в УШР трансформаторного типа (ТТ) (Патент РФ №2221297, класс H01F 38/02 [4]). УШР ТТ содержит замкнутый магнитопровод без зазоров, на основном стержне которого размещаются обмотки: сетевая, управляющая и компенсационная. Сетевая обмотка подключается непосредственно к ЛЭП, управляющая обмотка замыкается на автоматически управляемый тиристорный блок, к компенсационной обмотке подключаются фильтры высших гармоник.
Увеличение тока обмотки управления приводит к вытеснению магнитного потока из основного стержня, что приводит к увеличению сопротивления этому потоку и росту тока намагничивания.
Управляемые шунтирующие реакторы всех типов предназначаются в основном для поддержания напряжения в контролируемых узлах высоковольтных сетей на заданном уровне. Вместе с тем известно, что для оптимизации режима дальней ЛЭП по потерям активной мощности необходимо согласованное с ее нагрузкой регулирование общего уровня напряжения на этой ЛЭП (Веников В.А., Сиуда И.П. Расчеты режимов дальних электропередач переменного тока. «Высшая школа», 1966 [5]). Для оптимизации необходимо с увеличением передаваемой по ЛЭП активной мощности по определенному закону увеличивать общий уровень напряжения на этой ЛЭП. В какой-то мере такой режим может обеспечиваться описанными выше УРТ и УРАТ. Однако в силу технического несовершенства и недостаточного диапазона регулирования напряжения использование их для оптимального управления режимами протяженных ЛЭП весьма проблематично.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является УРАТ по [3], предназначаемый для регулирования реактивной мощности и напряжения на одном из выводов основной (сетевой) обмотки, к которой может быть подключена ЛЭП.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства, позволяющего регулировать реактивную мощность и в широком диапазоне напряжение на ЛЭП.
Поставленная цель достигается тем, что управляемый шунтирующий реактор-автотрансформатор содержит магнитопровод с основным стержнем, ярмами, двумя боковыми ярмами, размещенные на основном стержне сетевую обмотку, включенную по автотрансформаторной схеме с выводами присоединения дополнительного регулирующего устройства, компенсационную обмотку, обмотку управления, управляющий током сетевой обмотки блок. При этом к выводам сетевой обмотки через блок регулирования возбуждения подключена первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно в линию электропередачи для изменения на ней общего уровня напряжения, производимого в функции величины передаваемой мощности. Причем блок регулирования возбуждения вольтодобавочного трансформатора выполнен на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах. Обмотка управления охватывает основной стержень и замкнута на управляющий током сетевой обмотки блок, а компенсационная обмотка расположена в пространстве между обмоткой управления и сетевой обмоткой, причем к компенсационной обмотке подключены фильтры подавления высших гармонических составляющих. Вольтодобавочный трансформатор содержит компенсационную обмотку, расположенную в пространстве между первичной и вторичной обмотками, причем к компенсационной обмотке подключены фильтры подавления высших гармонических составляющих.
Конструкция УШРАТ состоит из замкнутого магнитопровода, имеющего основной стержень 1, торцевые ярма 2, боковые ярма 3, верхний 4 и нижний 5 кольцевые шунты с радиальными разрезами, обмотки управления 6, сетевой обмотки 7 и компенсационной обмотки 8 (фиг.1).
Конструкция вольтодобавочного трансформатора (ВДТ) аналогична конструкции УШРАТ и имеет основной стержень 9, торцевые ярма 10, боковые ярма 11, верхний 12 и нижний 13 шунты с радиальными разрезами, первичную обмотку 14, вторичную обмотку 15 и компенсационную обмотку 16 (фиг.2).
На фиг.3 показана принципиальная однолинейная схема УШРАТ, на которой сетевая обмотка 7, имеющая выводы 17, включена на фазное напряжение, а компенсационная обмотка 8, соединенная в треугольник в трехфазном исполнении для подавления 3-й гармонической, имеет фильтры высших гармонических 18, состоящих из последовательно соединенных конденсатора и дросселя, настроенных в резонанс на частоте подавляемой высшей гармоники (3-й, 5-й, 7-й). Обмотка управления 6 подключена к управляющему током сетевой обмотки блоку 19, который формируется на основе использования полностью управляемых полупроводниковых силовых приборов. Первичная обмотка 14 ВДТ подключена к выводам блока 20 регулирования возбуждения ВДТ, выполненного на полностью управляемых полупроводниковых силовых приборах. Вход блока 20 соединен с выводами 17 сетевой обмотки 7. Компенсационная обмотка 16 ВДТ, соединенная в треугольник в трехфазном исполнении для подавления 3-й гармонической, имеет фильтры высших гармонических 21, состоящих из последовательно соединенных конденсатора и дросселя, настроенных в резонанс на частоте подавляемой высшей гармоники (3-й, 5-й, 7-й). Вторичная обмотка 15 ВДТ включается последовательно в линию электропередачи 22.
*
На фиг.4 приведена схема включения УШРАТ и входящего в его состав ВДТ в дальнюю электропередачу сверхвысокого напряжения 22, подключенную к шинам передающей 24 и приемной 25 энергосистем посредством выключателей 23. Напряжение изменяется (увеличивается) на линии электропередачи 22 и остается неизменным на шинах энергосистем. ВДТ передающей энергосистемы работает в режиме повышения напряжения, приемной - в режиме понижения напряжения. УШРАТ и ВДТ в конечных узлах подключаются непосредственно к линии через разъединители, т.к. коммутация нагрузочных и аварийных токов производится выключателями 23. Напряжение на УШРАТ и выключателях 23 равно напряжению шин энергосистем. Изменение (повышение) напряжения - при увеличении передаваемой мощности производится только на участке ЛЭП между точками подключения ВДТ к линии. Процесс оптимизации режима электропередачи разделяется на две стадии. При нагрузках линии, составляющих 30÷50% пропускной способности электропередачи, производится автоматическое регулирование напряжения в точках подключения УШРАТ к линии. Для поддержания напряжения на неизменном уровне реактивная мощность УШРАТ Q должна изменяться в функции передаваемой активной мощности P по закону
*
*
где Q, Р - мощности УШРАТ и линии, выраженные в относительных единицах натуральной мощности линии; λ - волновая длина линии [5].
*
Регулирование напряжения может производиться регулятором, воздействующим на изменение реактивной мощности УШРАТ, не в функции величины передаваемой мощности P, а по факту отклонения напряжения от заданного значения. При положительном отклонении напряжения мощность УШРАТ должна увеличиваться, при отрицательном - уменьшаться. Для устойчивости режима могут использоваться стабилизирующие сигналы по параметрам переходного процесса.
В диапазоне изменения мощности ЛЭП в пределах 50-100% ее пропускной способности производится изменение напряжения на линии по закону
C
где Z - волновое сопротивление линии (Ом); Р - активная мощность линии (МВт) [5].
Если напряжение на линии регулируется по закону (2), то режим передачи натуральной мощности будет сохраняться при любом значении мощности Р, что благоприятно сказывается на распределении напряжения вдоль линии и на уровень потерь активной мощности.
Изменение реактивной мощности УШРАТ на первой стадии процесса регулирования осуществляется путем изменения сопротивления основному магнитному потоку, замыкающемуся в пределах его магнитопровода. Увеличение тока обмотки управления 6, производимого регулированием угла управления полностью управляемых полупроводниковых приборов (тиристоров) блока 19, вызывает вымещение основного магнитного потока из стержня 1, на котором размещены все обмотки, в пространство зазора между обмотками 6 и 7. Последнее ведет к увеличению намагничивающего тока (потребляемой реактивной мощности) УШРАТ.
Для повышения пропускной способности электропередачи (при увеличении передаваемой мощности) производится регулирование общего уровня напряжения линии по закону (2). Регулятор вырабатывает управляющее воздействие, поступающее на оконечный каскад (драйвер), который формирует сигналы управления на включение (выключение) полностью управляемых полупроводниковых приборов блока 20 в цепи регулирования возбуждения ВДТ. Вход блока 20 подключен к выводам 17 сетевой обмотки 7, а выход - к первичной обмотке ВДТ. На отправном конце электропередачи ВДТ повышает напряжение на ЛЭП от уровня напряжения шин 24 до значения, определяемого по закону (2); на приемном конце ВДТ снижает напряжение до уровня шин 25 (см. фиг.4).
Номинальная мощность ВДТ определяется величиной его регулировочного диапазона и максимальным значением рабочего тока ЛЭП. Мощность УШРАТ в реакторном режиме определяется величиной емкостной мощности, которая генерируется ЛЭП в режиме холостого хода. При работе в режиме автотрансформатора УШРАТ нагружен мощностью, передаваемой через ВДТ.
Работа полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, относящихся к блоку 19, вызывает высшие гармонические в токе обмотки 6. Последнее создает условия для появления высших гармонических в магнитном потоке УШРАТ, которые индуцируют высшие гармонические в токе основной (сетевой) обмотки 7. Подключение фильтров высших гармонических (3-й, 5-й, 7-й) к компенсационной обмотке 8, расположенной в пространстве между 6 и 7 обмотками, обеспечивает должный уровень подавления гармонических (Александров Г.Н. Подавление высших гармонических в управляемых шунтирующих реакторах трансформаторного типа. Изв. РАН Энергетика, 1999, №3 [6]). При соединении в треугольник компенсационных обмоток трех фаз УШРАТ суммарная мощность фильтров не превышает 10% от его мощности [6].
Работа блока 20 регулирования возбуждения ВДТ, содержащего полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы, вызывает появление высших гармонических не только в магнитном потоке УШРАТ, но и в магнитном потоке ВДТ. Для подавления высших гармонических в токе основной обмотки 7 УШРАТ в этом режиме используются фильтры 18, подключенные к обмотке 8. В ВДТ в пространстве между первичной 14 и вторичной 15 обмотками установлена соединенная в треугольник (трех фаз ВДТ) компенсационная обмотка 16 с подключенными к ней фильтрами 21 высших гармонических (3-й, 5-й, 7-й). При соответствующей настройке этих фильтров уровень высших гармонических в токе вторичной обмотки 15 снижается до требуемого уровня. Суммарная мощность фильтров не превышает 10% мощности ВДТ.
Управляющий током сетевой обмотки блок 19 и блок 20 регулирования возбуждения ВДТ выполнены на базе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов (тиристоров) с искусственной коммутацией. Используется фазовое регулирование действующего значения тока при встречно-параллельном включении силовых приборов. Величина угла управления на открытие (закрытие) силовых приборов вырабатывается регулятором, реализующим закон управления (1) или (2). С увеличением угла управления снижается действующее значение тока в обмотках управления 6 или 14, но при этом возрастает уровень высших гармонических и соответственно загрузка фильтров для их подавления.
При изменении угла управления силовых полупроводниковых приборов блока 19 новый режим (повышенная проводимость сетевой обмотки 7) наступает практически через один период, что позволяет рассматривать УШРАТ как быстродействующее устройство (Александров Г.Н., Шакиров М.А. Анализ установившихся и переходных процессов в управляемых шунтирующих реакторах трансформаторного типа на основе магнитоэлектрических схем замещения. Изв. РАН. Энергетика, 2005. №4 [7]). Такое высокое быстродействие делает возможным эффективное ограничение вынужденной составляющей перенапряжения в ЛЭП. Ограничение перенапряжений можно обеспечить и в режиме работы УШРАТ на повышение напряжения ЛЭП. Для этого требуется экстренное воздействие на углы управления силовых полупроводниковых приборов блоков 19 и 20 на увеличение проводимости сетевой обмотки 7 и снижение общего уровня напряжения на ЛЭП. Последнее можно производить путем закорачивания первичной обмотки ВДТ.
За счет регулирования возбуждения ВДТ изменяется (повышается) напряжение на линии, оставаясь неизменным на шинах 24 и 25 концевых подстанций. Поэтому на них не требуются распределительное устройство и выключатели на номинальное напряжение линии. УШРАТ с относящимся к нему ВДТ подключаются непосредственно к линии без выключателей, а линия соединяется с шинами концевых подстанций через выключатели с номинальным напряжением шин (см. фиг.4). Такое техническое решение может значительно снизить стоимость электропередачи. Сама линия, например с номинальным напряжением 750 кВ, может быть просто "встроена" в сеть с напряжением 500 кВ за счет использования УШРАТ с ВДТ, обеспечивающим добавочное напряжение ΔU=250 кВ. Кроме того, возможно поэтапное изменение пропускной способности электропередачи. На первом этапе линия работает на напряжение 500 кВ, и УШРАТ по ее концам выполняют функции управляемого реактора (закон регулирования (1)). При необходимости повышения пропускной способности УШРАТ по концам линии дополняются ВДТ с диапазоном регулирования ΔU=250 кВ. Линия при такой поэтапной стратегии должна выполняться в габаритах 750 кВ при напряжениях концевых подстанций 500 кВ.
Предлагаемое устройство позволяет осуществить оптимальное управление сверхдальней ЛЭП на основе новой технологии, которая предусматривает в зависимости от нагрузки электропередачи вести режим с поддержанием постоянства напряжения на линии либо его изменение в функции передаваемой мощности. Последнее обеспечивает передачу по линии натуральной мощности при любой нагрузке.
Такая технология управления при включении предлагаемого УШРАТ по концам линии позволяет:
- передачу энергии по сверхдальней линии без промежуточных устройств компенсации реактивной мощности и с минимальными потерями;
- "встраивать" в существующую системообразующую сеть линии повышенного напряжения (пропускной способности) без сооружения на подстанциях распредустройств на это напряжение;
- осуществить более гибкое управление нормальными и послеаварийными режимами электропередач благодаря высокому быстродействию и расширенному диапазону регулирования.