СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОЭТАПНЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ОБМОТОК ШУНТОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ФАЗОПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА

Область техники
Полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к управлению тиристорными фазоповоротными устройствами (ФПУ). ФПУ представляет собой высоковольтный электротехнический комплекс для изменения фазы напряжения, включаемый последовательно в линию электропередачи. ФПУ могут использоваться в электрических сетях с напряжением 110…1150 кВ для гибкого регулирования потоков активной и реактивной мощности, повышения пропускной способности существующих линий и повышения динамической устойчивости энергетической системы за счет ступенчатого регулирования модуля и фазы напряжения на выходе ФПУ.
Уровень техники
Тиристорные ФПУ известны и имеют в своем составе два трансформатора: сериесный и шунтовой, а также тиристорный коммутатор, включенный между шунтовым и сериесным трансформатором [см., например, пат. RU 106060]. Каждая фаза тиристорного коммутатора содержит ряд последовательно соединенных тиристорных мостов. Тиристорный мост состоит из четырех двунаправленных тиристорных ключей, осуществляющих коммутацию (подключение в прямой либо обратной полярности или отключение) вторичной обмотки шунтового трансформатора, которая включена в диагональ моста (далее - шунтовая обмотка). Вторичные обмотки сериесного трансформатора включаются в рассечку фаз линии электропередачи и вносимые ими напряжение и фазовый сдвиг могут принимать конечное число значений, называемых ступенями регулирования, в зависимости от количества и полярности шунтовых обмоток, введенных в первичную цепь сериесного трансформатора. Каждой ступени регулирования соответствует определенное подключение шунтовых обмоток и определенный набор состояний ключей мостов тиристорного коммутатора. Переход от ранее заданной исходной ступени регулирования к вновь задаваемой (конечной) ступени может осуществляться как сразу (за один этап), так и через промежуточные ступени (за несколько этапов). В общем случае такой переход является поэтапным с числом этапов 1 и более и обеспечивается соответствующей поэтапной коммутацией шунтовых обмоток тиристорными мостами. Последовательность переключений между ступенями, которую проходит ФПУ при переходе от исходной ступени к конечной, принято называть маршрутом переключения.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели принята известная «Система управления с поэтапным переключением обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства и фазоповоротное устройство с такой системой управления» [номер заявки 2012123855/08 (036474), номер патента 122814]. Прототип содержит многомостовой тиристорный коммутатор, формирователь разрешенных интервалов коммутации, блок определения набора допустимых переключений, датчики напряжения на коммутируемых обмотках шунтового трансформатора и датчики тока тиристорных мостов, входящие в тиристорный многомостовой коммутатор, блок управления тиристорным многомостовым коммутатором, блок выбора маршрута переключения, блок задания требуемого состояния фазоповоротного устройства, блок задания характеристик выбираемого маршрута переключения, блок данных о параметрах силовых компонентов схемы ФПУ, при этом первые и вторые входы формирователя разрешенных интервалов коммутации и блока определения набора допустимых переключений предназначены для подключения к датчикам напряжений на обмотках шунтового трансформатора и, по меньшей мере, к одному датчику тока через мосты тиристорного коммутатора соответственно, а выходы к - первому входу блока управления тиристорным многомостовым коммутатором и к первому входу блока выбора маршрута переключения соответственно, к второму и третьему входам блока выбора маршрута переключения подключены выходы блока задания требуемого состояния фазоповоротного устройства и блока задания характеристик выбираемого маршрута переключения соответственно, при этом блок управления тиристорным многомостовым коммутатором снабжен выходом, подключенным к четвертому входу блока выбора маршрута переключения, а формирователь разрешенных интервалов коммутации снабжен третьим входом, к которому подключен блок данных о параметрах силовых компонентов схемы фазоповоротного устройства.
2
x
q
Недостаток прототипа - наличие зоны неуправляемости тиристорного моста. Известная система управления не предотвращает аварийные ситуации, которые могут возникать из-за коротких замыканий вторичных обмоток шунтового трансформатора при смене ступени регулирования в диапазоне фазовых сдвигов, при которых длительность укороченного интервала (Δt-t-2t, фиг. 4) меньше необходимой длительности включения тиристоров
Сущность полезной модели
Технический результат полезной модели - повышение надежности и управляемости тиристорного моста, за счет уменьшения зоны неуправляемости тиристорного моста, вплоть до полного ее исключения.
Предметом полезной модели является система управления поэтапным переключением обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства с помощью тиристорного многомостового коммутатора, содержащая формирователь разрешенных интервалов коммутации и блок определения набора допустимых переключений, первые и вторые входы которых предназначены для подключения к датчикам напряжений на обмотках шунтового трансформатора и, по меньшей мере, к одному датчику тока через мосты тиристорного коммутатора соответственно, а второй выход формирователя разрешенных интервалов коммутации и выход блока определения набора допустимых переключений к - второму входу блока управления тиристорным многомостовым коммутатором и к второму входу блока выбора маршрута переключения соответственно, к третьему и четвертому входам блока выбора маршрута переключения подключены выходы блока задания требуемого состояния фазоповоротного устройства и блока задания характеристик выбираемого маршрута переключения соответственно, при этом блок управления тиристорным многомостовым коммутатором снабжен выходом, подключенным к пятому входу блока выбора маршрута переключения, выход которого подключен к третьему входу блока управления тиристорным многомостовым коммутатором, а формирователь разрешенных интервалов коммутации снабжен третьим входом, к которому подключен блок данных о параметрах силовых компонентов схемы фазоповоротного устройства, система управления снабжена блоком мониторинга процесса коммутации и дополнительным датчиком тока, размещенным в диагонали моста тиристорного коммутатора, при этом первый вход блока мониторинга процесса коммутации соединяется с дополнительным датчиком тока через вторичную обмотку шунтового трансформатора, а второй вход с дополнительным выходом формирователя разрешенных интервалов коммутации, при этом первый выход блока мониторинга процесса коммутации соединен с блоком задания требуемого состояния фазоповоротного устройства, а второй выход с первым входом блока выбора маршрута переключения и с пятым входом формирователя разрешенных интервалов коммутации, формирователь разрешенных интервалов коммутации снабжен четвертым входом, к которому подключен выход блока задания требуемого состояния фазоповоротного устройства, а блок управления тиристорным многомостовым коммутатором снабжен входом, к которому подключается датчик тока через мосты тиристорного коммутатора.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 приведена функциональная схема системы управления тиристорным ФПУ. На фиг. 2 показана схема одного из тиристорных мостов, коммутирующих шунтовую обмотку ФПУ, с датчиками тока и напряжения, а на фиг. 3 и фиг. 4 приведены временные диаграммы тока и напряжения, получаемые от датчиков. На фиг. 5 показано самоустранение тока короткого замыкания вторичной обмотки шунтового трансформатора. На фиг. 6 показаны направления тока во вторичной обмотке шунтового трансформатора при различных полярностях коммутируемых токов и напряжений (1 - условно положительная полярность, 0 - условно отрицательная полярность) для всевозможных смен состояний моста. На фиг. 7 показаны моменты подачи импульсов управления на тиристоры в случае возникновения срыва коммутации.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 показан многомостовой тиристорный коммутатор 1, с помощью которого осуществляется поэтапное переключение обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства под управлением заявляемой системы, которая содержит функциональные блоки 2-12.
Формирователь 2 разрешенных интервалов коммутации и блок 3 определения набора допустимых переключений, первые и вторые входы которых предназначены для подключения к датчикам напряжений 4 на обмотках шунтового трансформатора и, по меньшей мере, к одному датчику 5 тока через мосты тиристорного коммутатора соответственно, а второй выход формирователя 2 разрешенных интервалов коммутации и выход блока 3 к - второму входу блока 6 управления тиристорным многомостовым коммутатором и к второму входу блока 7 выбора маршрута переключения соответственно, к третьему и четвертому входам блока 7 подключены выходы блока 8 задания требуемого состояния фазоповоротного устройства и блока 9 задания характеристик выбираемого маршрута переключения соответственно, при этом блок 6 снабжен выходом, подключенным к пятому входу блока выбора 7, выход которого подключен к третьему входу блока 6, а формирователь 2 разрешенных интервалов коммутации снабжен третьим входом, к которому подключен блок 10 данных о параметрах силовых компонентов схемы фазоповоротного устройства, отличающаяся тем, что система управления снабжена блоком 11 мониторинга процесса коммутации и дополнительным датчиком 12 тока, размещенным в диагонали моста тиристорного коммутатора, при этом первый вход блока 11 мониторинга процесса коммутации соединяется с дополнительным датчиком 12 тока через вторичную обмотку шунтового трансформатора, а второй вход с дополнительным выходом формирователя 2 разрешенных интервалов коммутации, при этом первый выход блока 11 соединен с блоком 8, а второй выход с первым входом блока 7 и с пятым входом формирователя 2 разрешенных интервалов коммутации, кроме того формирователь 2 разрешенных интервалов коммутации снабжен четвертым входом, к которому подключен выход блока 8, а блок 6 снабжен входом, к которому подключается датчик тока 5 через мосты тиристорного коммутатора. Система управления работает следующим образом.
В исходном положении блок 6 вырабатывает импульсы управления коммутатором 1, поддерживающие ранее заданное блоком 8 требуемое состояние вентелей тиристорных мостов ФПУ. При этом блок 7 и 2 постоянно следят за входом, на который поступает сигнал о задаваемом (с выхода блока 8) состоянии ФПУ и в случае его отличия от предыдущего значения, начинается очередной процесс переключения.
В ходе этого процесса блок 7 выбирает конкретный маршрут переключения тиристорных мостов коммутатора 1, обеспечивающий переход из исходного состояния во вновь заданное конечное за счет изменения состояний ключей мостов тиристорного коммутатора, а блок 6 обеспечивает последующую реализацию выбранного маршрута в реальном времени.
Блок 7 выполняется на основе запоминающего устройства, в ячейках которого хранится множество всех возможных для данного ФПУ маршрутов переключения, а в соответствующие поля адресного регистра заносятся данные, поступающие от блоков 3, 8 и 9.
Управление ФПУ обеспечивает переходы ФПУ из состояния, называемого исходным, с одними фазовым сдвигом, в другое, задаваемое блоком 8 состояние, называемое конечным, с другим значением фазового сдвига, вносимого ФПУ. Изменение фазового сдвига ФПУ обеспечивается изменением состава и полярности последовательного включения шунтовых обмоток за счет соответствующих переключений тиристорных мостов коммутатора 1.
Включение каждого тиристора может быть произведено только в случае наличия положительного напряжения между его анодом и катодом и появления прямого тока во включаемом тиристоре. Из этого следует, что требуемые переключения тиристоров в составе моста могут быть произведены на определенных интервалах, временное положение которых зависит от текущего фазового сдвига между током, измеряемым датчиком 5, и напряжением, измеряемым датчиком 4.
1
2
С учетом этого, блок 3 разделяет все интервалы, пригодные для тех или иных переключений шунтовой обмотки, на интервалы первого вида Δtначинающиеся со смены полярности напряжения и заканчивающиеся сменой направления тока, и интервалы второго вида Δt, начинающиеся со смены направления тока и заканчивающиеся сменой полярности напряжения (см. фиг. 4).
Такое разделение необходимо из-за того, что в случае, когда коммутация тиристоров осуществляется в момент, близкий к началу или к концу интервалов второго вида, возможно возникновение коротких замыканий вторичной обмотки шунтового трансформатора внутри соответствующего тиристорного моста. Это объясняется тем, что в данном случае тиристоры, обесточенные, но не успевшие восстановить свою способность удерживать напряжение, оказываются под положительным (прямым) напряжением, что приводит к их самопроизвольному включению. При этом для исключения коротких замыканий коммутируемой шунтовой обмотки необходимо учесть, что на концах интервалов второго вида время коммутации тока между тиристорами моста увеличивается за счет влияния на процесс коммутации индуктивности рассеяния вторичной обмотки шунтового трансформатора. Интервалы первого вида не имеют этой особенности.
q
q
x
x
Следовательно, для безаварийной коммутации тиристоров мостов на интервалах второго вида необходимо задерживать начало процесса коммутации на время восстановления тиристорами своих управляющих свойств t - от начала интервала и заканчивать процесс коммутации тиристоров до окончания интервала за время, равное сумме t+t, где t - время коммутации между тиристорами моста тока вторичной обмотки шунтового трансформатора, обусловленное индуктивностью рассеяния этой обмотки (см. фиг. 4).
2
x
q
В тех случаях, когда длительность укороченного интервала (Δt-t-2t) меньше необходимой длительности включения тиристоров коммутация тиристоров без возникновения коротких замыканий вторичной обмотки шунтового трансформатора на данном интервале второго вида невозможна (или, по крайней мере, не гарантирована). Однако, несмотря на это, в подобных ситуациях можно успешно завершить коммутацию, применив иной способ инициации смены состояния тиристорного моста, нежели в прототипе. В целях максимального уменьшения зоны неуправляемости следует изменить и способ управления тиристорами. Следует применять такой способ управления, который подразумевает раздельное управление каждым тиристором двунаправленного ключа тиристорного многомостового коммутатора и подачу кратковременных импульсов управления как при смене полярности протекающего через ключ тока, так и при смене состояние тиристорных мостов ФПУ
2
x
q
q
2
кр
кр
кр
Осуществление успешной коммутации на укороченных интервалах второго типа (при длительности интервала, меньшей, чем Δt-t-2t) становится возможным благодаря переносу момента инициации смены состояния тиристорных мостов на участок начального ограничения tинтервала Δt (фиг. 4). Возникший при этом ток короткого замыкания вторичной обмотки шунтового трансформатора самоустранится после ближайшей смены полярности напряжения (фиг. 5). Осуществлять коммутацию в самом начале интервала можно лишь до тех пор, пока токи замыкания не превышают заданных предельных значений. Граница предельных значений I устанавливаются исходя из паспортных данных ключей коммутатора. Предельное значение критического тока I, достигается при угле φ.
2
2
В целях исключения критических значений токов замыканий, при фазовых сдвигах, при которых длительность интервала Δt становится больше длительности конечных ограничений tq+tx, инициировать смену режима работы следует перед конечными ограничениями. При подобном способе инициации смены режима максимальная величина тока замыкания не будет зависеть от длительности интервала Δt.
∗
∗∗
q
x
Чтобы вовсе исключить короткие замыкания, следует сразу, как это становится возможным, перенести момент инициации смены режима на ту часть интервала, которая не попадает под ограничения, при этом момент инициации смены режима следует располагать ближе к началу интервала. В этом случае длительность коммутации будет минимальна, так как в начале интервала меньше значение коммутируемого тока. Поэтому при появлении участка интервала, не попадающего под ограничения, в целях конкретизации момента смены режима, уменьшения времени коммутации, а также для упрощения логики работы системы управления, следует инициировать смену режима сразу после начального ограничения tq, с учетом некоторого технологического запаса. Длительности интервала , при которой появляется участок, не попадающий под ограничения, соответствует определенный фазовый сдвиг φ, а интервалу , длительность которого равна длительности конечных ограничений t+t, соответствует фазовый сдвиг φ.
кр min
∗
∗
∗
Таким образом, если выполняется условие , то тиристорный коммутатор переменного тока будет полностью управляемым при любых фазовых соотношениях. Если выполняется условие , то у тиристорного коммутатора будет присутствовать зона неуправляемости. Коммутатор будет неуправляемым в диапазоне от φ до φ, при этом φ меняется в пределах Δφ из за непостоянной величины эквивалентной индуктивности вторичной обмотки шунтового трансформатора.
2
В соответствии с вышеизложенным, блок 2 формирования разрешенных интервалов коммутации производит постоянный мониторинг длительности интервала второго типа Δt и в зависимости от его длительности инициирует смену состояния в разные моменты времени.
A текущ
Если выполняется условие , то формирователь 2 работает по следующему алгоритму. При такой длительности текущего интервала, что  (T - текущая длительность интервала), то смену режима работы следует инициировать в самом начале интервала. Если выполняется условие , то смену режима работы следует инициировать перед конечным ограничением. Если же выполняется условие  то смену режима работы следует инициировать после начального ограничения Щ с учетом технологического запаса.
A текущ
A кр min
A кр min
кр min
Если выполняется условие , то формирователь 2 работает по следующему алгоритму. При такой длительности текущего интервала, что T<T (T - длительность интервала, соответствующая критическому углу φ), то смену режима работы следует инициировать в самом начале интервала. При длительности интервала , то тиристорный коммутатор будет неуправляем до тех пор, пока текущая длительность интервала не превысит значения . При длительности интервала  то смену режима работы следует инициировать после начального ограничения tq с учетом технологического запаса
2
Мониторинг срыва коммутации происходит в блоке 11. Для его функционирования необходима информация о моменте инициации коммутации, а также информация о величине и направлении коммутируемого тока. Информация о моменте инициации коммутации передается с блока 2. Этот сигнал информирует о необходимости запуска процесса мониторинга. Отметим, что данный сигнал посылается только при инициации смене режима на интервале второго типа Δt при выполнении условия наличия зоны неуправляемости тиристорного моста. Информация о токе вторичной обмотки шунтового трансформатора в данный блок поступает с датчика 12 тока, расположенного диагонали коммутатора (фиг. 2). Срыв коммутации будет зафиксирован, если полярность тока после коммутации останется такой же, как и в момент ее инициации (фиг. 6).
x
x
x
q
x
При управлении тиристорами описанным способом, посредством блока 11 мониторинга процесса коммутации зона неуправляемости может быть еще сокращена на длительность Δt, где Δt - интервал времени, в пределах которых меняется длительность коммутации из-за изменения эквивалентной индуктивности. Если t в процессе работы коммутатора уменьшается до такой величины, что будет выполнятся условие , то коммутатор становится полностью управляемым при данных параметрах режима работы. В противном случае при попадании момента инициации смены состояния в зону конечных ограничений t+t произойдет срыв коммутации, означающее, что тиристорный мост возвратится в то состояние, в котором он находился до момента инициации смены состояния (t1 фиг. 7). В целях дальнейшего исключения режима внутреннего короткого замыкания, блок 11, обнаружив срыв коммутации, подаст сигнал на блок 7 и формирователь 2 разрешенных интервалов. Сигналы о срыве коммутации информируют блоки 2 и 7 о том, что нужно подавать импульсы управления на те тиристоры, которые осуществили бы работу того состояния тиристорного моста, которое предшествовало срыву (фиг. 7). Далее блок 11 сообщит блоку 8 задания требуемого состояния фазоповоротного устройства о срыве коммутации, а блок 2 посредством блока 11 установит на входе блока 7, а следовательно и на входе блока 2, сигнал о зоне неуправляемости, после чего блоки 2 и 7 продолжат свою работу, игнорируя сигналы с блока 8 задания требуемого состояния фазоповоротного устройства. При выходе из зоны неуправляемости блок 2 также посредством блока 11 автоматически снимет данный сигнал, после чего можно будет осуществить новую попутку смены состояния моста. Далее, если не требуется смены состояния, то также как на интервале первого типа, в моменты смены полярности тока вторичной обмотки шунтового трансформатора, блок 2 будет формировать сигналы на блок 6, информирующие последний о необходимости подачи импульсов управления на тиристоры.
Для организации описанного способа управления блок 6 снабжается информацией о полярности тока через мосты коммутатора. Данная информация поступает на блок 6 от датчика тока 5. Так, при смене на условно положительную полярность тока, импульсы управления должны подаваться на левые группы встречно-параллельно включенных тиристоров VSn1 (где n=1, 2, 3, 4) (фиг. 2), а при смене на отрицательную полярность тока на правые группы VSn1 (где n=1, 2, 3, 4) (фиг. 2). Аналогичной логики блок 6 бует придерживаться и при смене состояния тиристорных мостов.
q
x;
кр min
Величины t, t, , φ заранее определяются и хранятся в блоке 10. Последовательность поэтапной коммутации обмоток, выбираемая из памяти блока 7 должна быть допустима, т.е. выполнима (без создания аварийной ситуации) при имеющемся фазовом сдвиге между током и напряжением, измеряемыми датчиками 4 и 5.
Для этого блок 3 в исходном состоянии ФПУ выявляет интервалы совпадения или антисовпадения знаков измеряемых величин (см. фиг. 3) и выдает соответствующие данные на вход блока 7 для занесения в соответствующее адресное поле.
Благодаря этой информации блок 7 выбирает маршрут переключения с учетом того, какие переключения обмоток могут быть осуществлены в данном (исходном) состоянии ФПУ, а какие не могут, и, следовательно, должны отсутствовать в выбранном маршруте переключений.
Для выбранного таким образом допустимого маршрута переключений все интервалы первого вида и укороченные интервалы второго вида являются разрешенными временными интервалами для переключений тиристоров моста, включаемых блоком 7 в состав выбранного маршрута.
Выбранная допустимая последовательность поэтапной коммутация обмоток (маршрут переключения, выбранный блоком 7) должна удовлетворять заданным (например, внешним сигналом) ограничениям выходных напряжений ФПУ в процессе переключения. Для этого блок 7, используя информацию, поступающую с блока 9, для заполнения соответствующего адресного поля, выбирает маршрут, удовлетворяющий заданным ограничениям, в число которых входит ограничение величины выходных напряжений ФПУ в процессе поэтапной коммутации обмоток. Кроме того, блок 9 может задавать блоку 7 другие требования, например, ограничивающие число переключений обмоток, число переключаемых тиристоров, фазовый сдвиг, суммарно накапливаемый при поэтапной коммутации.
Выбор маршрута с требуемыми свойствами осуществляется благодаря размещению возможных маршрутов, хранимых в ячейках памяти блока 7, по адресам в соответствии с предварительно рассчитанным значением ограничиваемого параметра.
Блок 7 выполняется таким образом, чтобы в результате учета всех задаваемых требований он однозначно выбрал из множества заложенных в его память маршрутов переключения единственный (конкретный) маршрут переключения, предназначенный для отработки блоком 6.
Реализуя выбранный маршрут переключений, блок 6 подает соответствующие сигналы на управляющие цепи многомостового тиристорного коммутатора 1. Последовательность сигналов о разрешенных интервалах, сформированная блоком 2, поступает на вход блока 6, который обеспечивает подачу импульсов включения на тиристоры только в пределах разрешенных интервалов.
После совершения последнего этапа переключения выбранного маршрута блок 6 выдает на блок 7 сигнал завершения маршрута, позволяющий начинать следующий процесс управления сменой фазового сдвига ФПУ при появлении на выходе блока 8 другого значения конечного состояния, несовпадающего с установленным текущим.