ТРЕХФАЗНЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР МОЩНОСТИ
THREE-PHASE STATIC POWER COMPENSATOR

Изобретение относится к области электрических сетей и может быть использовано в устройствах поперечной компенсации с целью управления мощностью, передаваемой по ЛЭП, уменьшения потерь электрической энергии и регулирования напряжения в местах установки данных устройств в линию электропередачи (ЛЭП).
Известен статический компенсатор реактивной мощности, фазы которого образованы параллельным соединением ветвей, содержащих последовательное соединение конденсатора и управляемого ключа, и одной или нескольких тиристорно-реакторных групп, образованных последовательным соединением реактора и двунаправленного тиристорного ключа. Система управления статического компенсатора управляет состоянием управляемых ключей в параллельных ветвях, содержащих конденсаторы, и реализует фазовое управление двунаправленными тиристорными ключами в тиристорно-реакторных группах, регулируя действующее значение протекающего через них тока, что обеспечивает плавное регулирование реактивной мощности статического компенсатора. (Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности электроэнергетических систем: учебное пособие / А.П. Бурман, Ю.К. розанов, Ю.Г. Шакарян. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - 336 с.: ил. Стр. 28, рис. 1.2.).
К недостаткам такого устройства относятся: несинусоидальность генерируемого устройством тока в полном диапазоне регулирования реактивной мощности, негативно отражающаяся на показателях качества электрической энергии и требующая применения в составе компенсатора дополнительных фильтров высших гармоник; невозможность генерации таким компенсатором вместе с реактивной мощностью активной мощности в его фазах.
Известен статический компенсатор реактивной мощности, каждая фаза которого представляет собой ветвь, содержащую реактивный элемент и регулятор переменного синусоидального напряжения, имеющий два входных и два выходных зажима, при этом первый вывод реактивного элемента подключен к первому выводу фазы статического компенсатора реактивной мощности, а второй вывод реактивного элемента подключен к первому выходному зажиму регулятора переменного синусоидального напряжения, второй выходной зажим которого подключен к второму выводу фазы статического компенсатора реактивной мощности. Параллельно выводам фазы подключен датчик напряжения, выход которого соединен с блоком системы управления. Входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения подключены к выводам фаз статического компенсатора реактивной мощности. Блок системы управления осуществляет управление регуляторами переменного синусоидального напряжения в фазах статического компенсатора реактивной мощности и обеспечивает формирование требуемых напряжений на реактивных элементах, соответствующих генерации заданного уровня реактивной мощности в каждой фазе (Патент RU на изобретение №2711537 опубл. 17.01.2020 г. - фиг. 1).
Преимуществом данного статического компенсатора реактивной мощности является отсутствие высших гармонических составляющих в кривой генерируемого тока во всем диапазоне регулирования мощности статического компенсатора, что исключает необходимость применения фильтров высших гармоник для их подавления.
Общий недостаток известных технических решений (аналога и прототипа) состоит в том, что они позволяют формировать и регулировать только реактивные мощности и, соответственно, компенсировать только реактивные составляющие мощностей в фазах электрической сети, и не имеют возможности формирования и компенсации активных составляющих мощности в фазах сети.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей регуляторов мощности для управления не только реактивной, но и активной мощностью в фазах электрической сети.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей статического компенсатора мощности, позволяющее устройству формировать и управлять как реактивной, так и активной мощностями в фазах линии электропередачи и, соответственно, более гибко управлять режимами работы линии электропередачи.
Технический результат достигается тем, что в трехфазном статическом компенсаторе мощности, подключенном к выводам фаз трехфазной сети переменного синусоидального напряжения, одна или несколько фаз которого представляют собой ветвь, содержащую последовательное соединение реактивного элемента и выходных зажимов регулятора переменного синусоидального напряжения, при этом первый вывод реактивного элемента подключен к первому выводу фазы статического компенсатора мощности, а второй вывод реактивного элемента подключен к первому выходному зажиму регулятора переменного синусоидального напряжения, а параллельно выводам фаз статического компенсатора подключены датчики напряжения, своими выходами соединенные с блоком системы управления, осуществляющим управление регуляторами переменных синусоидальных напряжений в фазах статического компенсатора мощности и обеспечивающим формирование требуемых напряжений на их реактивных элементах, а входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения подключены к выводам фаз статического компенсатора мощности в одну или несколько фаз статического компенсатора мощности включены по дополнительному регулятору переменного синусоидального напряжения таким образом, что первый его выходной зажим соединен с вторым выходным зажимом регулятора переменного синусоидального напряжения, а второй выходной зажим дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения соединен со вторым выводом фазы статического компенсатора мощности, при этом входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения и дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения фазы статического компенсатора мощности подключены к различным выводам фаз статического компенсатора мощности, а управление дополнительными регуляторами переменного синусоидального напряжения осуществляется блоком системы управления.
Изобретение имеет развитие, которое состоит в том, что реактивные элементы одной или нескольких фаз статического компенсатора мощности выполнены управляемыми с возможностью регулирования их реактивного сопротивления и изменения его характера, при этом управление управляемыми реактивными элементами осуществляется блоком системы управления.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема заявляемого статического компенсатора мощности, все три фазы которого снабжены дополнительными регуляторами переменного синусоидального напряжения, на входы которых подаются линейные напряжения фаз сети. На фиг. 2 приведена схема статического компенсатора мощности фиг. 1 с управляемыми реактивными элементами. На фиг. 3 приведен пример реализации регулятора переменного синусоидального напряжения. На фиг. 4 приведена схема одной фазы статического компенсатора мощности фиг. 1 и векторные диаграммы напряжений и токов в основных точках схемы данной фазы. На фиг. 5 представлена схема одной фазы статического компенсатора мощности фиг. 1 и векторные диаграммы напряжений и токов элементов схемы в случае, когда на входные зажимы дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения подано фазное напряжение одной из фаз сети. На фиг. 6 приведены примеры реализации управляемого реактивного элемента. На фиг. 7 приведена векторная диаграмма напряжений и токов одной вазы статического компенсатора мощности фиг. 2 при изменении сопротивления реактивного элемента.
На фиг. 1 трехфазная сеть синусоидального переменного напряжения образована источниками синусоидального переменного напряжения 1, 2 и 3, фаз А, В и С соответственно. Источники 1, 2, 3 соединены по схеме «звезда» с общей точкой нейтрали N. Трехфазный статический компенсатор мощности 4 содержит три блока 5, 6, и 7, образующие соответственно фазу А, фазу В и фазу С трехфазного статического компенсатора мощности 4. Блок 5 подключен параллельно источнику синусоидального переменного напряжения 1, блок 6 подключен параллельно источнику синусоидального переменного напряжения 2, блок 7 подключен параллельно источнику синусоидального переменного напряжения 3. Блок 5 содержит реактивный элемент 8, регулятор переменного синусоидального напряжения 9 и дополнительный регулятор переменного синусоидального напряжения 10. Первый вывод реактивного элемента 8 соединен с первым выводом 11 блока 5. При этом вывод 11 блока 5 соединен с общей точкой N соединения источников переменного синусоидального напряжения 1, 2, 3. Второй вывод реактивного элемента 8 соединен с первым выходным зажимом регулятора переменного синусоидального напряжения 9, второй выходной зажим которого соединен с первым выходным зажимом дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 10. Второй выходной зажим дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 10 соединен с вторым выводом 12 блока 5. При этом вывод 12 блока 5 подключен к выводу источника 1, не соединенному с источниками 2 и 3. Первый и второй входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения 9 подключены соответственно к выводам 11 и 12 блока 5, параллельно которым подключен также датчик напряжения 13, выход которого соединен с первым входом блока системы управления 14. Первый и второй входные зажимы дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 10 соединены с выводами 15 и 16 блока 6 и блока 7 трехфазного статического компенсатора мощности 4 соответственно. При этом вывод 15 блока 6 подключен к выводу источника 2, не соединенному с источниками 1 и 3, а вывод 16 блока 7 подключен к выводу источника 3, не соединенному с источниками 1 и 2. Блок 6 и блок 7 трехфазного статического компенсатора мощности 4 построены аналогично блоку 5. Блок 6 содержит реактивный элемент 17, регулятор переменного синусоидального напряжения 18, дополнительный регулятор переменного синусоидального напряжения 19 и датчик напряжения 20. Вывод 21 блока 6, соединенный с выводом реактивного элемента 17, подключен к общей точке N соединения источников 1, 2 и 3. Первый и второй входные зажимы дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 19 соединены с выводами 16 и 12 блока 7 и блока 5 трехфазного статического компенсатора мощности 4 соответственно.
Блок 7 содержит реактивный элемент 22, регулятор переменного синусоидального напряжения 23, дополнительный регулятор переменного синусоидального напряжения 24 и датчик напряжения 25. Вывод 26 блока 7, соединенный с выводом реактивного элемента 22, подключен к общей точке N соединения источников 1, 2 и 3. Первый и второй входные зажимы дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 24 соединены с выводами 12 и 15 блока 5 и блока 6 трехфазного статического компенсатора мощности 4 соответственно.
Второй и третий входы блока системы управления 14 соединены с выходами датчиков напряжения 20 и 25 соответственно. На четвертый вход блока системы управления 14 поступает информация от блока 26 о задаваемых уровнях мощности, формируемых фазами А, В и С трехфазного статического компенсатора мощности 4. Выходные сигналы блока системы управления 14 поступают на управляющие входы регуляторов переменного синусоидального напряжения 9, 18 и 23 и на управляющие входы дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения 10, 19 и 24.
На схеме фиг. 2 представлен трехфазный статический компенсатор мощности 4 фиг. 1, в составе фаз которого реактивные элементы 8, 17 и 22 выполнены управляемыми. При этом входы управления управляемых реактивных элементов 8, 17 и 22 соединены с выходами блока системы управления 14.
Трехфазный статический компенсатор мощности 4 фиг. 1 функционирует следующим образом.
В блок системы управления 14 трехфазного статического компенсатора мощности 4 от блока 26 поступает информация о требуемых значениях активных и реактивных мощностей, формирование которых должно быть обеспечено блоками 5, 6 и 7 трехфазного статического компенсатора мощности 4. Для реализации возможности формирования блоками 5, 6 и 7 как реактивной, так и активной составляющих мощности, а также регулирования данных мощностей должна быть обеспечена возможность регулирования приложенных к реактивным элементам 8, 17 и 22 напряжений как по модулю, так и по фазе относительно напряжений соответствующих фаз электрической сети, образованных источниками переменного синусоидального напряжения 1, 2 и 3. В случае варианта реализации трехфазного статического компенсатора мощности 4 по схеме фиг. 1 возможность такого регулирования напряжений на реактивных элементах 8, 17 и 22 каждого из блоков 5, 6 и 7 обеспечивается использованием в составе каждого из блоков 5, 6 и 7 двух регуляторов переменного синусоидального напряжения. На основе информации о величинах сопротивлений реактивных элементов 8, 17 и 22, а также информации о текущих значениях напряжений электрической сети, измеряемых блоками 13, 20 и 25, блок системы управления 14 вычисляет требуемые напряжения на реактивных элементах 8, 17, 22, соответствующие заданным уровням формируемой активной и реактивной мощности, и формирует управляющие воздействия на управляющие входы регуляторов переменного синусоидального напряжения 9, 18 и 23 и на управляющие входы дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения 10, 19 и 24.
Один из возможных вариантов реализации регуляторов переменного синусоидального напряжения 9, 18 и 23 и дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения 10, 19 и 24 приведен на фиг. 3. Регулятор фиг. 3 представляет собой однофазный трансформатор с дискретно-изменяемым коэффициентом трансформации, что достигается за счет секционирования одной из его обмоток и переключения секций секционированной обмотки посредством ключевого коммутатора. В зависимости от количества секций секционированной обмотки трансформатора и топологии построения ключевого коммутатора можно обеспечить любую заданную дискретность изменения коэффициента трансформации. Регулятор переменного синусоидального напряжения такого типа может формировать на своих выходных зажимах регулируемое переменное синусоидальное напряжение в фазе или противофазе по отношению к напряжению на его входных зажимах.
Рассмотрим на примере блока 5 (фазы А) трехфазного статического компенсатора мощности 4 реализацию управления напряжением на реактивном элементе 8 с использованием в составе блока 5 регуляторов переменного синусоидального напряжения 9 и 10 на основе топологии фиг. 3. На фиг. 4 представлена схема блока 5 и векторные диаграммы напряжений и токов элементов блока 5.
12-11
9
10
Мгновенное значение синусоидального напряжения, приложенного к реактивному элементу 8, определяется алгебраической суммой мгновенных значений напряжения U на выводах блока 5, напряжения U, формируемого регулятором переменного синусоидального напряжения 9 между своими выходными зажимами и напряжения U, формируемого дополнительным регулятором переменного синусоидального напряжения 10 между своими выходными зажимами. При этом выходное напряжение регулятора переменного синусоидального напряжения 9 формируется в фазе или противофазе по отношению к напряжению источника синусоидального переменного напряжения 1, поскольку на входные зажимы регулятора 9 подается напряжение источника синусоидального переменного напряжения 1 - фазы А сети. Выходное напряжение дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 10 формируется сдвинутым на 90 или 270 электрических градусов по отношению к напряжению источника синусоидального переменного напряжения 1, поскольку входные зажимы регулятора 10 подключены к не объединенным выводам источников 2 и 3, т.е. на входные зажимы регулятора 10 подается линейное напряжение фаз В и С сети, которое сдвинуто относительно напряжения фазы А на 90 электрических градусов.
5
8
9
10
5
11-12
9
10
5
11-12
5
11-12
Если в качестве реактивного элемента 8 блока 5 используется конденсатор, то вектор тока I, протекающего через элементы блока 5, будет опережать вектор напряжения U на реактивном элементе 8, на 90 электрических градусов. На векторной диаграмме А) фиг. 4 показан случай, когда сформированы такие напряжения U и U, что угол сдвига фаз φ между током I и напряжением U превышает 90 электрических градусов, что говорит о формировании блоком 5 одновременно активной и реактивной составляющих мощности в фазе А сети. На векторной диаграмме Б) фиг. 2 показан случай, когда сформированы такие напряжения U и U, что угол сдвига фаз φ между током I и напряжением U равен 180 электрических градусов, что говорит о формировании блоком 5 только активной составляющей мощности (генерация активной мощности) в фазе А сети. При использовании в качестве реактивного элемента 8 индуктивного реактора ток I будет находиться в фазе с напряжением U (потребление активной мощности).
8
12-11
В общем случае, напряжение U, сформированное блоками 9 и 10 на реактивном элементе 8, может иметь произвольный угол сдвига фазы относительно напряжения U и регулироваться по модулю в широких пределах в зависимости от величин и дискретности изменения коэффициентов трансформации регуляторов переменного синусоидального напряжения 9 и 10.
Блоки 6 и 7 статического компенсатора мощности 4 функционируют аналогично.
Также необходимо отметить, что входные зажимы дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения 10, 19 и 24 могут подключаться к любым напряжениям фаз трехфазной электрической сети (фазным и линейным) в зависимости от реализуемого метода управления мощностью трехфазного статического компенсатора мощности 4. На фиг. 5 представлена схема блока 5 и векторные диаграммы напряжений и токов элементов блока 5 в случае, когда на входные зажимы дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 10 подано напряжение фазы В сети.
При получении от блока 26 нового заданного значения требуемой от фаз А, В и С статического компенсатора 4 мощности, блок системы управления 14 определяет (вычисляет), требуемые величины (действующие значения) напряжений, формируемых на выходах регуляторов переменного синусоидального напряжения 9, 18 и 23 и дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения 10, 19 и 24 и их фазовые сдвиги (0 и 180 эл. град для блоков 9, 18 и 23; 90 и 270 эл. град для блоков 10, 19 и 24) и передает на управляющие входы блоков 9, 18, 23, 10, 19, 24 соответствующее управляющие воздействия.
В общем случае, в зависимости от конкретных условий функционирования трехфазного статического компенсатора мощности 4 некоторые его фазы А, В и С могут не содержать в своем составе регуляторов переменного синусоидального напряжения, дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения, а также реактивных элементов.
В схеме трехфазного статического компенсатора мощности фиг. 2 реактивные элементы 8, 17 и 22 выполнены управляемыми с возможностью регулирования их реактивного сопротивления и изменения его характера. Управляемые реактивные элементы в данном случае могут быть реализованы различными способами, например на основе переключаемых батарей статических конденсаторов, тиристорного-реакторных групп, тиристорно-переключаемых конденсаторных и реакторных групп и т.д. На фиг. 6 приведен один из возможных примеров реализации управляемого реактивного элемента на основе тиристорно-переключаемых конденсаторной и реакторной групп, с возможностью регулирования реактивного сопротивления и изменения его характера (индуктивный или емкостной).
Изменение реактивных сопротивлений реактивных элементов 8, 17 и 22 позволит при фиксированных напряжениях на выходных зажимах блоков 9, 18, 23, 10, 19, 24 дополнительно управлять величинами токов реактивных элементов и их фазовыми сдвигами и, тем самым, дополнительно регулировать активные и реактивные мощности фаз А, В, С трехфазного статического компенсатора мощности 4.
5
8
8-1
8-2
На фиг. 7 для фазы А (блока 5) трехфазного статического компенсатора мощности 4, реализованного по схеме фиг. 2, приведена векторная диаграмма, иллюстрирующая изменение тока фазы А (блока 5) - I трехфазного статического компенсатора мощности 4 в зависимости от изменения величины сопротивления реактивного элемента емкостного типа - X (X>Х).
Введение возможности управления сопротивлением реактивных элементов 8, 17 и 22 позволяет расширить возможности управления трехфазного статического компенсатора мощности 4 и увеличить дискретность регулирования активной и реактивной мощности.
Также следует отметить, что в общем случае не все реактивные элементы 8, 17 и 22 трехфазного статического компенсатора 4 должны быть выполнены управляемыми.
Таким образом, использование совокупности признаков заявляемого изобретения позволяет регулировать как реактивную, так и активную мощности в точке подключения статического компенсатора мощности 4 к линии электропередачи.