КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
REACTIVE POWER COMPENSATOR

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам электроснабжения, и может быть использовано при создании трансформаторных подстанций с высокой эффективностью потребления и использования электроэнергии и стабильным напряжением у потребителей.
6
Известен трансформаторно-тиристорный компенсатор реактивной мощности (авторское свидетельство 1793514, МПКН02J 3/18. Трансформаторно-тиристорный компенсатор реактивной мощности / Климаш B.C., Оверчук Т.Α.; Комсомольский-на-Амуре политехнический институт. - №4843265; заявлено 24.04.1990; опубл. 07.02.1993, Бюл. №5. - 8 с: 3 ил.), который содержит два трехфазных трансформатора, два инвертора с системами управления и выпрямитель. Первичные обмотки обоих трансформаторов включены последовательно в цепь нагрузки, а вторичные соединены в звезду и подключены соответственно к первому и второму инверторам, входы которых объединены и через выпрямитель подключены к сети или к нагрузке. Синхронизирующие входы систем управления первым и вторым инверторами подключены к сети, а их управляющие входы соответственно к выходу датчика реактивной мощности сети и к выходу вычитателя. Входы вычитателя соответственно подключены к блоку задающего сигнала и выходу датчика напряжения.
Устройство обеспечивает полную компенсацию входной реактивной мощности и стабилизацию действующего значения выходного напряжения независимо от внешней характеристики сети, а также от величины и характера нагрузки.
Однако оно имеет недостатки, к которым, прежде всего, следует отнести необходимость применения специальных трансформаторов, требующих опытно-конструкторской проработки, а также большой вес, габариты и установленная мощность трансформаторов, что удорожает как разработку, так и производство таких устройств. Указанные недостатки вызваны двумя обстоятельствами. Во-первых, эти трансформаторы при быстром регулировании реактивной мощности и действующего значения выходного напряжения склонны к одностороннему подмагничиванию вследствие большого размаха фазы выходного напряжения первого и второго инверторов и для исключения насыщения при требуемом быстродействии требуют применения магнитопроводов с расчетной индукцией, заниженной примерно на 20-25%, т.е. следующего габарита из стандартного ряда. Во-вторых, в устройстве применены два трансформатора.
6
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является компенсатор реактивной мощности (патент РФ 2056692, МПКН02J 3/18. Трансформаторно-тиристорный компенсатор реактивной мощности / Климаш B.C. (РФ); Климаш Владимир Степанович (РФ). - №93048663/07; заявлено 21.10.1993; опубл. 20.03.1996, Бюл. №12. - 9 с.: 3  ил.).
Компенсатор содержит реверсивный выпрямитель, в состав которого входит вентильный блок с синхронизированной с напряжением на входных зажимах выпрямителя системой импульсно-фазового управления, инвертор напряжения с синхронизированной с сетью системой управления, вольтодобавочный трансформатор (трансформатор с последовательным включением по трехфазной схеме вольтодобавочного трансформатора) с первичной обмоткой, подключенной одними выводами к нагрузке, другими выводами к сети и вторичной обмоткой соединенной в звезду и подключенной к выходу инвертора, вычитатель, датчик реактивной составляющей тока или мощности сети, в состав которого входят два однофазных трансформатора тока с первичными обмотками, включенными в разрыв двух фаз сети, датчик напряжения нагрузки, выход которого подключен к первому входу вычитания, характеризующему уменьшаемое, а его второй вход, характеризующий вычитаемое, подключен к задающему сигналу, выход, характеризующий разность, - к управляющему входу системы управления инвертором, индуктивно-емкостный фильтр, включенный между выходом выпрямителя и входом инвертора, причем управляющий вход системы импульсно-фазового управления реверсивным выпрямителем подключен к выходу датчика реактивной мощности сети.
Трансформаторно-тиристорный компенсатор реактивной мощности работает следующим образом.
При активно-индуктивной нагрузке и потреблении (генерации) компенсатором реактивной мощности сигнал с выхода датчика реактивной мощности (тока) сети поступает на управляющий вход системы импульсно-фазового управления реверсивным выпрямителем и, уменьшая (увеличивая) угол управления реверсивного выпрямителя, осуществляет увеличение (уменьшение) действующего значения выходного напряжения инвертора, соответственно увеличивая (уменьшая) фазу вектора выходного напряжения, опережающего вектор напряжения сети. При этом датчик напряжения, осуществляя контроль за изменением напряжения нагрузки, подает сигнал обратной связи на первый вход вычитателя, характеризующего уменьшаемое, на второй вход которого, характеризующего вычитаемое, подается сигнал, пропорциональный заданному значению напряжения нагрузки, например соответствующему номинальному напряжению сети. Разность этих сигналов с выхода вычитателя подается на управляющий вход системы управления инвертором, которая, изменяя угол управления тиристорами инвертора и осуществляет регулирование фазы выходного напряжения инвертора и действующего значения выходного напряжения. В результате такого амплитудно-фазового воздействия на выходное напряжение инвертора вектор этого напряжения так формирует свой модуль и аргумент, что вектор напряжения нагрузки является радиусом заданной окружности.
При активно-емкостной нагрузке компенсатор работает аналогично, но при этом формирование выходного напряжения инвертора осуществляется в области отставания этого напряжения от напряжения сети.
В процессе стабилизации выходного напряжения при пониженном (повышенном) значении напряжения сети относительно заданного, например номинального значения, реверсивный выпрямитель работает в выпрямительном (инверторном) режиме, обеспечивая трансформатору и всему устройству работу в режиме вольтодобавки (вольтовычета) с потреблением дополнительной энергии из сети (с рекуперацией энергии в сеть).
На время процесса перехода реверсивного выпрямителя из выпрямительного режима в инверторный режим и наоборот энергия, поступающая в звено постоянного тока, накапливается в фильтре и далее в режиме вольтодобавки разряжается через инвертор и трансформатор на нагрузку, в режиме вольтовычета через реверсивный выпрямитель возвращается в сеть.
Компенсатор осуществляет регулирование напряжения вольтодобавки по амплитуде и фазе. Этим достигается стабилизация напряжения у потребителей и разгрузка трансформаторной подстанции от реактивной мощности с вторичной стороны силового трансформатора.
К недостаткам известного компенсатора, прежде всего, следует отнести низкие энергетические показатели (коэффициенты мощности и полезного действия) силового трансформатора подстанции при повышенном напряжении в сети, большая установленная мощность дополнительного оборудования на подстанции (вольтодобавочного трансформатора, реверсивного выпрямителя, инвертора напряжения), которая составляет часть от мощности лилового трансформатора подстанции и пропорциональна диапазону регулирования напряжения вольтодобавки.
При включении вольтодобавочного трансформатора в цепь с большими токами нагрузки требуются соединительные шины и кабели большого сечения, что также можно отнести к недостаткам устройства при оценке его материалоемкости и массогабаритных показателей.
Задачей предлагаемого технического решения является создание компенсатора реактивной мощности позволяющего повысить энергетическую эффективность системы электроснабжения за счет комплексного подхода при передаче, распределении и потреблении электроэнергии и улучшить массогабаритные показатели.
Для решения поставленной задачи в компенсаторе реактивной мощности, содержащем вольтодобавочный трансформатор, инвертор напряжения с системой управления, LC-фильтр, выпрямитель, датчик реактивной мощности сети и датчик отклонений напряжения нагрузки, при этом вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора через инвертор напряжения и LC-фильтр подключена к выходу выпрямителя, а управляющий вход системы управления инвертором напряжения подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, дополнительно введен дроссель, батарея косинусных конденсаторов, компаратор, блок синхронизации и четырехквадрантного формирования вектора добавочного напряжения, синхронизирующий вход которого подключен к сети, блок синхронизации и вычисления реактивного тока нагрузки, синхронизирующий вход которого подключен к нагрузке, а в качестве выпрямителя использован активный выпрямитель, вход которого через дроссель подключен к нагрузке, система управления инвертором напряжения выполнена с каналом широтно-импульсной модуляции выходного напряжения инвертора и каналом регулирования фазы выходного напряжения инвертора, причем первичная обмотка вольтодобавочного трансформатор параллельно подключена к первичной обмотки силового трансформатора подстанции, который первичной обмоткой подключен к входным зажимам подстанции, предназначенным для подключения к сети, а вторичной обмоткой подключен к нагрузке, батарея косинусных конденсаторов подключена к сети после токового входа датчика реактивной мощности сети, управляющий вход канала регулирования фазы системы управления инвертором напряжения через блок синхронизации и четырехквадрантного формирования вектора добавочного напряжения подключен к выходу датчика реактивной мощности сети, а управляющий вход канала широтно-импульсной модуляции выходного напряжения инвертора подключен к выходу датчика отклонений напряжения нагрузки, который также через компаратор подключен к управляющему входу блока синхронизации и четырехквадрантного формирования вектора добавочного напряжения, система управления активным выпрямителем выполнена с широтно-импульсной модуляцией и ее управляющий вход подключен к выходу блока синхронизации и вычисления реактивного тока нагрузки.
Признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, являются снабжение компенсатора дросселем, батареей косинусных конденсаторов, компаратором, блоком синхронизации и четырехквадрантного формирования лектора добавочного напряжения, блоком синхронизации и вычисления реактивного тока нагрузки, использование в качестве выпрямителя активного выпрямителя, выполнение системы управления инвертором напряжения с каналом широтно-импульсной модуляции выходного напряжения инвертора и каналом регулирования фазы выходного напряжения инвертора и новые взаимосвязи.
Наличие существенных отличительных признаков в совокупности существенных признаков заявляемого решения свидетельствуют о соответствии заявляемого решения критерию охраноспособности «новизна».
Благодаря отличительным признакам происходит комплексное повышение энергетической эффективности системы электроснабжения за счет компенсации реактивной мощности и на выходе силового трансформатора подстанции и на его входе, а также стабилизация напряжения на входе подстанции и у потребителей, обеспечивая силовому трансформатору высокие коэффициенты мощности и полезного действия, упрощение устройства, улучшение массогабаритных показателей.
Это обусловлено тем, что введение дискретной ступени компенсации реактивной мощности в виде батареи косинусных конденсаторов и возможность вольтодобавочного устройства дополнять действия конденсатора при недокомпенсации или нейтрализовать его действие при перекомпенсации позволило снизить в два раза установленную мощность дополнительного трансформаторного оборудования и устройств силовой электроники.
Кроме того, при монтаже предлагаемого устройства на высокой стороне подстанции существенно снижается трудоемкость монтажных работ и материалоемкость монтажного оборудования, что приводит к улучшению массогабаритных показателей и упрощению устройства.
Таким образом, в результате решения поставленной задачи меняется ситуация для силового трансформатора подстанции. Но одновременно с этим достигается полезность и для потребителей, и для электрических сетей. У потребителей поддерживается напряжение на заданном уровне и, следовательно, достигнуто рациональное энергопотребление, а в сетях снижается величина потребляемого тока и, следовательно, уменьшены потери при передаче электроэнергии.
Предлагаемый компенсатор иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 представлена функциональная схема компенсатора реактивной мощности, а на фиг. 2 представлены введенные обозначения.
Компенсатор (фиг. 1) содержит вольтодобавочный трансформатор 1, инвертор напряжения 2 с системой управления 3, активный выпрямитель 4 с системой управления 5, LC-фильтр 6, дроссель 7, блок синхронизации и вычисления реактивного тока нагрузки 8, синхронизации и четырехквадрантного формирования вектора добавочного напряжения 9, компаратор 10, датчик реактивной мощности сети 11, датчик отклонений напряжения нагрузки 12, блок косинусных конденсаторов 13. На фиг. 1 обозначены под номером 14 силовой трансформатор подстанции и 15 нагрузка.
Элементы схемы соединены следующим образом.
Первичные обмотки вольтодобавочного трансформатора 1 и силового трансформатора подстанции 14 соединены последовательно и подключены к сети. Вторичная обмотка силового трансформатора 14 непосредственно подключена к нагрузке 15, а вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 1 через инвертор напряжения 2 с входным LC-фильтром 6, активный выпрямитель 4 с входным дросселем 7 подключена к вторичной обмотке ситового трансформатора 14. Выход датчика реактивной мощности сети 11 через блок синхронизации и четырехквадрантного формирования вектора добавочного напряжения 9 подключен к каналу регулирования фазы системы управления 3 инвертором напряжения 2, выполненной с возможностью широтно-импульсной модуляции, инвертором напряжения 2. Выход блока синхронизации и вычисления реактивного тока нагрузки 8 подключен к управляющему входу системы управления 5, выполненной с возможностью широтно-импульсной модуляции активного выпрямителя 4. Выход датчика 12 отклонения напряжения нагрузки подключен к управляющему входу канала широтно-импульсной модуляции с регулированием выходного напряжения системы управления 3 инвертором напряжения 2, а также через компаратор 10 к управляющему входу блока синхронизации и четырехквадрантного формирования вектора добавочного напряжения 9. Батарея косинусных конденсаторов 13 подключена к сети после токового входа датчика 11 реактивной мощности сети.
На фиг. 2 введены следующие обозначения:
c
ƒ
U, U - напряжение сети и напряжение вольтодобавки;
1
2
U, U - напряжения на первичной и вторичной обмотках силового трансформатора подстанции;
Δ - степень отклонения напряжения сети от номинального уровня;
1
2
I, I - токи первичной и вторичной обмоток силового трансформатора;
с
н
I, I - ток сети и ток нагрузки;
в
к
I, I - ток активного выпрямителя и ток батареи косинусных конденсаторов;
с
н
ϕ, ϕ - фаза тока сети и фаза тока нагрузки;
θ - фазовый угол между напряжением сети и током нагрузки;
и
β - фазовый угол напряжения вольтодобавки относительно напряжения сети.
2
вт
ГТ
Компенсатор работает следующим образом. Преобразователь величины и фазы напряжения, в состав которого входит активный выпрямитель 4 с входным дросселем 7 и инвертор напряжения 2 с входным LC-фильтром 6, полупроводниковая часть которых выполнена на силовых интеллектуальных модулях, из напряжения нагрузки U формирует регулируемое напряжение , которое вольтодобавочным трансформатором 1 увеличивается в k раз и прибавляется к напряжению сети Uc, образуя напряжение питания  силового трансформатора 14 и уменьшенное в k раз напряжение нагрузки
ГТ
ВТ
и
в
и
в
Здесь k и k - коэффициенты трансформации силового и вольтодобавочного трансформаторов; ε(δ) и ε(δ) - степени регулирования добавочного напряжения соответственно инвертором напряжения и активным выпрямителем; δ, δ - скважности при широтно-импульсной модуляции напряжения соответственно инвертора напряжения и активного выпрямителя.
c
c
С учетом отклонений напряжения в сети ΔU=Δ⋅U и падения напряжения на трансформаторах  выражение (1) запишется в виде
где Δ - степень отклонения напряжения сети от номинального уровня;  - вектор относительного падения напряжения на трансформаторах.
Из выражения (2) и векторной диаграммы (фиг. 2) видно, что вектор напряжения нагрузки  регулируется по величине и фазе. Регулированием действующего значения напряжения  создается стабильное напряжение на подстанции и у потребителей, а регулированием фазы вектора  достигается компенсация реактивной мощности в сети.
Блок 8 синхронизации и вычисления реактивного тока нагрузки выявляет синхронизированный с выходным напряжением подстанции сигнал управления для активного выпрямителя 4.
в
ƒ
2
2
Посредством активного выпрямителя 4 совместно с конденсатором LC-фильтра 6 и дросселем 7 отображается реактивная составляющая тока нагрузки, который в узле подключения активного выпрямителя 4 через дроссель 7 к нагрузке 15 суммируется по первому закону Кирхгофа с током нагрузки, обеспечивая во вторичной обмотке силового трансформатора ток, максимально приближающийся по фазе к выходному напряжению подстанции. При выполнении этой функции происходит изменение δ, влияющее на величину входного напряжения инвертора и регулируемого напряжения U и величину выходного напряжения U. Стабилизация напряжения U обеспечивается воздействием на канал широтно-импульсной модуляции системы управления 3 инвертора напряжения 2 сигналом обратной связи, снимаемого с датчика 12 отклонений напряжения нагрузки.
Регулирование фазы вектора  в сторону опережения при недокомпенсации и в сторону отставания при перекомпенсации (фиг. 2) позволяет совместно с батареей косинусных конденсаторов 13 обеспечить прямую полную компенсацию реактивной мощности на входных зажимах подстанции.
и
и
Эту функцию выполняет система двухконтурного управления, построенная по принципу подчиненного регулирования. Системой управления 3 инвертором напряжения 2 регулирование δ производится по отклонению напряжения нагрузки, а регулирование величины и смена знака β - по отклонению и направлению реактивной мощности сети.
и
и
и
и
и
Блок 9 синхронизации и четырехквадрантного формирования вектора добавочного напряжения в процессе регулирования обеспечивает плавный переход из любого квадранта в смежные ему квадранты. В компенсаторе четырехквадрантного формирование вектора добавочного напряжения производится специальным способом, в соответствии с которым регулирование величины и смена знака β производится по отклонению и направлению реактивной мощности сети, причем при смене знака отклонения напряжения нагрузки производится переключение функции с β на π-β, а при смене направлению реактивной мощности сети производится смена знака как у β, так и у π-β.
ВТ
и
При таком способе регулирования и соответствующем коэффициенте трансформации k вольтодобавочного трансформатора векторы токов и напряжений соответствующих фаз питающей сети совпадают по фазе и это условие полной компенсации реактивной мощности трансформаторной подстанции практически сохраняется, вследствие того, что θ≈const (фиг. 2) три четырехквадрантном формировании вектора добавочного напряжения, в соответствии со способом изменения β по знакам и величине сигналов, снимаемых с датчиков отклонения напряжения нагрузки и реактивной мощности сети.
Целесообразной областью применения предлагаемого устройства являются трансформаторные подстанции предприятий всех отраслей промышленности. Наиболее целесообразной областью применения являются машиностроительные и металлургические предприятия, работающие в условиях изменения напряжения в сети и резкопеременного характера нагрузки.