УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Область техники
Полезная модель относится к области электротехники и, в частности, к электротехническим устройствам, предназначенным для управления режимами линий электропередачи переменного тока (ЛЭП) Она может быть применена для продольной или поперечной компенсации реактивной мощности. Преимущественная область применения полезной модели - продольная компенсация ЛЭП с функцией управления величиной и направлением перетока активной мощности.
Уровень техники
Для компенсации реактивной мощности (продольной и поперечной) применяются различные устройства [1], включая выполненные на базе электромеханических синхронных компенсаторов (СК), которые способны обеспечить высокую надежность, устойчивость к импульсным возмущениям в ЛЭП, высокое качество формируемого напряжения. В настоящее время такие устройства целесообразно использовать для мощностей компенсации в диапазоне 100-1000 МВА.
Известно устройство компенсации реактивной мощности ЛЭП, содержащее синхронный компенсатор, его возбудитель, блок автоматического регулирования возбуждения, оснащенный датчиками режимных параметров (напряжения, активной и реактивной мощности цепи статора) синхронного компенсатора, выходы которых подключены к информационным входам регулятора, и асинхронный электродвигатель, кинематически связанный с валом синхронного компенсатора и снабженный управляющей обмоткой, подключенной через коммутатор к пусковому реостату [2].
Возбудитель СК совместно с блоком автоматического регулирования возбуждения выполнен с возможностью поддержания заданной реактивной мощности или напряжения в точке подключения СК (поперечная компенсация) или с возможностью управления перетоком мощности ЛЭП (продольная компенсация).
Асинхронный двигатель в устройстве [2] имеет мощность 5-10% от мощности СК и используется для его разгона. Совместно с пусковым реостатом он обеспечивает благоприятный для энергосистемы (и СК) пуск агрегата до подсинхронной частоты вращения с последующим включением компенсатора в сеть методом самосинхронизации и отключением электродвигателя от сети.
Схема устройства [2] проста, достаточно надежна, обладает высоким КПД и электромагнитной совместимостью, высокой перегрузочной способностью.
Недостаток устройства [2] состоит в том, что оно не обеспечивает устойчивости работы СК при изменяющемся в широких пределах напряжении на статорной обмотке СК. Пределы потребляемой синхронным компенсатором реактивной мощности ограничены его номинальными параметрами, однако в условиях, когда напряжение сети меняется в широких (до нуля) пределах, диапазон потребляемой реактивной мощности, в котором обеспечивается устойчивая работа синхронного компенсатора, существенно сужается. Этот недостаток устройства [2] особенно проявляется при использовании устройства для продольной компенсации, когда процесс регулирования перетока активной мощности по ЛЭП сопровождается изменением в широких пределах напряжения на статорной обмотке СК. При пониженном напряжении электромагнитный момент компенсатора становится недостаточным для поддержания его во вращающемся состоянии и обеспечения его статической и динамической устойчивости.
Асинхронный электродвигатель в устройстве [2] не способен за счет своей естественной моментной характеристики компенсировать колебания
вала агрегата, обусловленные нарушениями устойчивости СК в упомянутых режимах даже, если его не отключать от сети после пуска СК.
Кроме того, при изменении угла сдвига между вектором тока в ЛЭП и продольной осью компенсатора от 90 эл.град. будет изменяться угол в вала компенсатора (и электродвигателя) и по цепочке сеть - электродвигатель - компенсатор - сеть будет передаваться активная мощность в ту или другую сторону, нагружая электродвигатель и компенсатор активными токами. Это ведет к дополнительным потерям в обеих машинах и к перегрузке разгонного электродвигателя, поскольку его мощность существенно меньше мощности СК.
Сущность полезной модели
Задача полезной модели обеспечить регулирование реактивной мощности и устойчивую работу СК в широком диапазоне изменения напряжения на статорной обмотке СК.
Устройство компенсации реактивной мощности линии электропередачи (ЛЭП) содержит синхронный компенсатор, возбудитель синхронного компенсатора, блок автоматического регулирования возбуждения синхронного компенсатора, датчик режимных параметров статорной цепи синхронного компенсатора, подключенный своими выходами к информационным входам блока автоматического регулирования возбуждения синхронного компенсатора, асинхронный электродвигатель, кинематически связанный с валом синхронного компенсатора и снабженный управляющей обмоткой, подключенной через коммутатор к пусковому реостату. В устройство введены возбудитель асинхронного электродвигателя, питающий его управляющую обмотку, блок автоматического регулирования возбуждения асинхронного электродвигателя и датчики углового положения ротора и режимных параметров статорной цепи асинхронного электродвигателя, выходы которых подключены к информационным входам блока автоматического регулирования возбуждения асинхронного электродвигателя.
Это решает поставленную задачу за счет создания асинхронным электродвигателем автоматически регулируемого дополнительного момента на валу СК.
Предусмотрены следующие развития полезной модели.
Устройство может быть снабжено датчиком перетока активной мощности ЛЭП, выход которого подключен к дополнительному информационному входу блока автоматического регулирования возбуждения синхронного компенсатора.
Это позволяет регулировать переток активной мощности при продольной компенсации ЛЭП.
Блок автоматического регулирования возбуждения асинхронного электродвигателя может быть выполнен в виде двухканального регулятора по активной и по реактивной мощности, при этом канал регулирования по активной мощности выполнен с возможностью демпфирования колебаний ротора и корректирования углового положения вектора поля ротора в установившемся режиме, а канал регулирования по реактивной мощности - с возможностью поддержания заданной реактивной мощности статорной обмотки асинхронного электродвигателя, и введен датчик токов по продольной и поперечной осям управляющей обмотки асинхронного электродвигателя, подключенный своими выходами к дополнительному информационному входу блока автоматического регулирования возбуждения асинхронного электродвигателя.
Это позволяет минимизировать потери электроэнергии в устройстве.
Асинхронный электродвигатель может быть выполнен в виде бесщеточного каскада электрических машин, снабженного симметричной двухфазной продольно-поперечной управляющей обмоткой.
Это позволяет упростить эксплуатацию устройства, особенно в сочетании с бесщеточным выполнением возбудителя синхронного компенсатора.
Пусковой реостат может быть выполнен в виде индукционного токоограничивающего элемента, сопротивление которого изменяется автоматически в функции частоты и величины протекающего через него тока.
Это позволяет повысить надежность и упростить процесс пуска устройства.
Краткое описание фигур
На фиг.1 представлена функциональная схема полезной модели с учетом ее развития, подключенная к ЛЭП для продольной компенсации с функцией управления перетоком активной мощности.
На фиг.2 представлена функциональная схема блока регулирования возбуждения асинхронного электродвигателя, используемого в составе предлагаемого устройства.
Осуществление полезной модели
На фиг.1 показаны:
- синхронный компенсатор 1;
- возбудитель 2 компенсатора 1;
- блок 3 автоматического регулирования возбуждения компенсатора 1;
- асинхронный электродвигатель 4, кинематически связанный валом 5 с компенсатором 1;
- датчик 6 углового положения ротора электродвигателя 4;
- возбудитель 7 электродвигателя 4;
- блок 8 автоматического регулирования возбуждения электродвигателя 4, питающий его управляющую обмотку 9, которая через коммутатор 10 подключена к пусковому реостату 11;
- датчики 12 и 13 режимных параметров статорных цепей компенсатора 1 и электродвигателя 4, подключенные к информационным входам блоков 3 и 8 соответственно.
На фиг.1 также показаны установочные входы блоков 3 и 8, предназначенные для ввода соответствующих уставок.
0
При использовании устройства для продольной компенсации его функцией является поддержание заданного перетока активной мощности через ЛЭП. На фиг.1 показан используемый в этом случае датчик 14 перетока активной мощности ЛЭП. На установочный вход блока 3 в этом случае подается уставка Р по перетоку активной мощности в линии, а на дополнительный информационный вход блока 3 - сигнал с датчика 14.
0
0
При использовании устройства для поперечной компенсации ЛЭП оно подключается параллельно ей (статорные цепи компенсатора 1 и двигателя 4 через выключатели подключаются к линии 15). В этом случае функцией устройства является поддержание заданной реактивной мощности на выходе компенсатора 1 или заданного напряжения в точке подключения к линии. При этом на установочный вход блока 3 подается соответствующая уставка Q по реактивной мощности или уставка U по напряжению.
0
0
На установочные входы блока 8 в обоих случаях подаются уставки р и q, задающие желаемый рабочий режим двигателя 4 (подробнее см. ниже).
Кроме того, на фиг.1 показаны элементы оборудования подстанции, обеспечивающие соответствующее соединение устройства компенсации с линией 15: выключатели 16 и 17, а также согласующие трансформаторы 18 и 19. К обмоткам низкого напряжения трансформаторов 19 и 18 подключены статорные обмотки компенсатора 1 и двигателя 4. На подстанции предусмотрен выключатель 20 для шунтирования обмотки низкого напряжения трансформатора 19, включенного в рассечку линии 15.
К одному из информационных входов блока 8 подключен выход датчика 21 токов по продольной и поперечной осям управляющей обмотки 9 асинхронного электродвигателя.
0
0
сети
В функциональной схеме блока 8 (фиг.2) используются два канала регулирования: по активной и по реактивной мощности. Входными сигналами блока 8 являются сигналы задания р и q, текущее значение р и q статора электродвигателя 4, сигнал Uδ с датчика 6 и сигнал Uнапряжения сети. Входные сигналы подаются на регулятор 22 активной
сети
δ
fq
fd
fd
fq
мощности и регулятор 23 реактивной мощности. В канале регулирования по активной мощности за регулятором 22 включен регулятор 24 угла δ, сдвига между сигналом U, несущем информацию о фазе напряжения сети, и сигналом U с датчика 6. На входы преобразователя 25 координат поступают выходные сигналы регуляторов 24 и 23, а также сигналы Sinδ и Cosδ преобразования, сформированные в функциональном узле 26. Выходные сигналы преобразователя 25, совместно с сигналами отрицательной обратной связи i и i по токам в продольной и поперечной осях управляющей обмотки электродвигателя 4, поступающими с датчика 21 (см. фиг.1), подаются на выходные регуляторы 27 и 28. Сформированные регуляторами 27 и 28 управляющие напряжения U и U служат для управления возбудителем 7, питающим управляющую обмотку электродвигателя 4.
Электродвигатель 4 может иметь многофазную, например трехфазную, управляющую обмотку или быть выполненным в виде бесщеточного каскада электрических машин, снабженного симметричной двухфазной продольно-поперечной управляющей обмоткой. Последний вариант выполнения электродвигателя 4 позволяет упростить систему его возбуждения, состоящую из блоков 7 и 8, и повысить ее надежность.
При трехфазной управляющей обмотке на электродвигателе 4 блоки 3 и 8 могут быть выполнены в виде трехфазного циклоконвертора по нулевой схеме, а при симметричной двухфазной продольно-поперечной управляющей обмотке - в виде двух реверсивных управляемых мостовых выпрямителей.
Возбудитель 2 компенсатора 1 может быть выполнен, например, в виде тиристорного управляемого мостового выпрямителя или в виде бесщеточной электромашины.
Устройство может быть применено для продольной или поперечной компенсации.
В режиме продольной компенсации устройство работает следующим образом (см. фиг.1).
В исходном состоянии выключатели 16 и 17 разомкнуты, а трансформатор 19, включенный в рассечку линии 15, зашунтирован на стороне низкого напряжения выключателем 20.
Пусть в линии 15 существует какой-то переток Р активной мощности, который, в частности, может быть равен нулю.
Пуск компенсатора 1 осуществляется электродвигателем 4 при неработающих возбудителях 2 и 7 после включения выключателей 16, 17 и отключения выключателя 20. Пуск асинхронного двигателя 4 производится с помощью реостата 11 при замкнутом коммутаторе 10. Пусковой момент должен быть достаточным для преодоления момента трогания и необходимого ускорения маховых масс агрегата компенсатор 1 - двигатель 4. На подсинхронной скорости, контролируемой блоком 8, по сигналам датчика 6 углового положения автоматически формируются команды на включение в работу блока 8, возбудителя 7, формирующего напряжения на управляющей обмотке 9 электродвигателя 4 по ее продольной и поперечной осям, и на отключение выключателя 10.
Блок 8 выполнен по двухканальной схеме регулирования (см. фиг.2) и работает следующим образом.
0
0
Регуляторы 22 и 23 вырабатывают сигналы, пропорциональные отклонениям измеренных датчиком 13 текущих значений р и q от заданных у ставок ри q соответственно.
0
Регулятор 24 угла δ осуществляет подгонку скорости агрегата до синхронной. После этого включается выключатель 17, отключается выключатель 20 и вводится в работу возбудитель 2 компенсатора 1. В блоке 3 осуществляется формирование сигнала управления возбуждением компенсатора в функции текущего значения перетока мощности Р в линии 15 и уставки Р.
В зависимости от угла сдвига между вектором эдс компенсатора 1 и вектором тока в линии 15 в данный момент, на валу 5 может возникнуть момент тормозящий или ускоряющий, что приведет к появлению перетока
0
активной мощности по цепи сеть - электродвигатель - компенсатор - сеть. В этом случае блок 8 с помощью регулятора 22 (см. фиг.2), установленного в канале регулирования возбуждения по активной мощности, воздействует на возбудитель 7 и смещает вектор электромагнитного поля, создаваемого обмоткой ротора электродвигателя 4, относительно самого ротора и таким образом снижает переток мощности в линии 15 до значения уставки р в установившемся режиме.
При этом функция демпфирования колебаний ротора и корректирования углового положения вектора поля ротора в установившемся режиме осуществляется следующим образом.
В динамических режимах, обусловленных возмущениями в линии 15, возникает электромагнитный момент, воздействующий на вал 5. В демпфировании отклонений его углового положения одновременно участвуют возбудители 2 и 7, стремясь уменьшить эти отклонения до нуля. Поскольку такие возмущения, как правило, кратковременны, то электродвигатель 4, даже существенно меньшей мощности по сравнению с мощностью компенсатора 1, за счет перегрузочной способности по моменту способен эффективно демпфировать эти возмущения.
0
К новому установившемуся режиму компенсатора 1 с изменившимся значением угла положения ротора блок регулирования 8 корректирует по интегральному закону угол сдвига вектора поля ротора до тех пор, пока активная мощность статора двигателя не достигнет уставки р.
0
Уставка р может выбираться исходя из активных потерь только в электродвигателе 4 или с учетом компенсации полных потерь агрегата. В этом случае активные потери в компенсаторе 1 покрываются полностью электродвигателем 4.
В канале регулирования возбуждения по реактивной мощности блок 8 с помощью регулятора 23 (см. фиг.2) воздействует на возбудитель 7, обеспечивая поддержание заданной реактивной мощности статорной обмотки асинхронного электродвигателя 4.
0
Уставка q no реактивной мощности может выбираться исходя из условия минимизации потерь в меди электродвигателя 4 (cosφ=1).
Работа компенсатора 1 в режиме с отрицательным возбуждением, а также при низких значениях напряжения на обмотке статора сопряжена с резким снижением запаса статической и динамической устойчивости. В этих режимах устойчивость работы практически обеспечивается только соответствующим управлением в блоке 8 электромагнитным моментом электродвигателя 4, что позволяет обеспечить работоспособность компенсатора 1 в устройстве продольной компенсации при глубоком регулировании перетока мощности в ЛЭП.
При подключении предлагаемого устройства компенсации к ЛЭП по схеме поперечной компенсации асинхронный двигатель 4 управляется возбудителем 7 и блоком 8 аналогично, а блок 3 обеспечивает стабилизацию реактивной мощности или напряжения в точке подключения к линии 15 на уровне соответствующей уставки, подаваемой на его установочный вход (см. выше). При этом все упомянутые положительные свойства устройства компенсации сохраняются, а синхронный компенсатор 1 приобретает свойства асинхронизированного компенсатора с поперечной обмоткой, только размещенной за пределами компенсатора 1 в корпусе электродвигателя 4.
Фактически электродвигатель 4 с возбудителем 7 и блоком 8 регулирования осуществляет разгон и удержание компенсатора 1 при понижении напряжения и функционирует как активный маховик, демпфирующий колебания активной мощности (угла θ) при динамических возмущениях в системе.
Электродвигатель 4 может быть выполнен в виде бесщеточной асинхронной машины или в виде бесщеточного каскада электрических машин, снабженного симметричной двухфазной продольно-поперечной управляющей обмоткой. Это позволит упростить эксплуатацию устройства, особенно в сочетании с бесщеточным выполнением блока 2.
Реостат 10 может быть выполнен в виде индукционного токоограничивающего элемента, сопротивление которого изменяется автоматически в функции частоты и величины протекающего через него тока [3]. Это позволяет повысить надежность и упростить процесс пуска устройства.
Источники информации
1. Кочкин В.И., Нечаев О.П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятиях. Москва, ЭНАС, 2000.
2. Е.Я.Гуревич. Синхронные компенсаторы. ГЭИ., М.-Л., 1958 г.(стр.137).
3. Заявка Великобритании №2075271 по кл. МПК H 01 F 27/24,1981 г.