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), симметрированию режимов работы фаз 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. (Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения: учебник для вузов / Ю.П. Рыжов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 488 с.: ил. Стр. 303, рис. 9.6).
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.).
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 мощностей 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, подключаемом 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 второй выход регулятора переменного напряжения подключен ко второму выводу фазы статического компенсатора мощности, а параллельно выводам фаз статического компенсатора мощности подключены датчики напряжения, своими выходами соединенные с входами блока системы управления, осуществляющего управление регуляторами переменных синусоидальных напряжений в фазах статического компенсатора мощности и обеспечивающего формирование требуемых напряжений на их реактивных элементах, а входные зажимы регуляторов переменных синусоидальных напряжений подключены к выводам фаз статического компенсатора мощности, параллельно выводам одной из фаз статического компенсатора мощности подключена дополнительная ветвь, состоящая из последовательного соединения выходных зажимов двух дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения и реактивного элемента, при этом входные зажимы первого дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения подключены к выводам фазы статического компенсатора мощности, параллельно которым подключена дополнительная ветвь, а входные зажимы второго дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения подключены к двум другим фазам статического компенсатора мощности, а управление двумя 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. На фиг. 2 приведена схема дополнительной ветви, подключаемой к одной из фаз статического регулятора мощности, состоящая из последовательного соединения выходных зажимов двух дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения и реактивного элемента.
На фиг. 1 трехфазная сеть синусоидального переменного напряжения образована источниками синусоидального переменного напряжения А, В и С. Источники А, В, С соединены по схеме «звезда» с общей точкой нейтрали О. Трехфазный статический компенсатор мощности 1 построен на основе регуляторов переменного синусоидального напряжений 2, 3, 4, 5, и 6, а также блоков реактивных элементов 7, 8. 9, 10 и содержит датчики напряжения 11, 12, 13, своими выходами, подключенные к входам блока системы управления 14.
Каждая из фаз статического компенсатора мощности содержит одинаковую ветвь, состоящую из последовательного соединения выходных зажимов соответствующего регулятора переменного напряжения и реактивного элемента. В фазе А такая ветвь образована регулятором переменного синусоидального напряжения 3 и реактивным элементом 8. При этом первый вывод реактивного элемента 8 соединен с первым выводом фазы А статического компенсатора мощности 1, соединенным с общей точкой нейтрали О источников А, В и С. Второй вывод реактивного элемента 8 подключен к первому выходному зажиму регулятора переменного синусоидального напряжения 3, второй выходной зажим которого подключен ко второму выводу фазы А статического компенсатора мощности 1, соединенному с фазным выводом источника синусоидального переменного напряжения А. Соответствующие ветви фаз В и С статического компенсатора мощности 1 построены аналогично, при этом в фазе В такая ветвь образована регулятором переменного синусоидального напряжения 4 и реактивным элементом 9, а в фазе С такая ветвь образована регулятором переменного синусоидального напряжения 5 и реактивным элементом 10. Входные зажимы регуляторов переменного синусоидального напряжения каждой фазы подключены параллельно выводам фазы статического компенсатора мощности 1, содержащей данный регулятор переменного напряжения. Так входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения 3 подключены параллельно выводам фазы А, входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения 4 подключены параллельно выводам фазы В, а входные зажимы регулятора переменного синусоидального напряжения 5 подключены параллельно выводам фазы С. Параллельно выводам каждой фазы статического компенсатора мощности 1 подключен датчик переменного синусоидального напряжения, своим выходом подключенный к соответствующему информационному входу блока системы управления 14. Таким образом, датчик переменного синусоидального напряжения 11 своими входными зажимами подключен к выводам фазы А статического компенсатора мощности 1, датчик переменного синусоидального напряжения 12 своими входными зажимами подключен к выводам фазы В статического компенсатора мощности 1, а датчик переменного синусоидального напряжения 13 своими входными зажимами подключен к выводам фазы С статического компенсатора мощности 1. Выходы датчиков переменного синусоидального напряжения 11, 12, 13 подключены к информационным входным блока системы управления 14. Выходы блока системы управления 14 соединены с управляющими входами регуляторов переменного синусоидального напряжения 2, 3, 4, 5, 6 и реактивных элементов 7, 8, 9, и 10.
Дополнительная ветвь, состоящая из последовательного соединения выходных зажимов первого 2 и второго 6 дополнительных регуляторов синусоидального напряжения и реактивного элемента 7, подключена к выводам фазы А статического компенсатора мощности 1. При этом первый вывод реактивного элемента 7 соединен с первым выводом реактивного элемента 8, второй вывод реактивного элемента 7 соединен с первым выходным зажимом второго дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 6, второй выходной зажим которого соединен с первым выходным зажимом первого дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 2. Второй выходной зажим первого дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 2 подключен к второму выходному зажиму регулятора переменного синусоидального напряжения 3. При этом входные зажимы второго дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 6 подключены к выводам фазы А статического компенсатора мощности 1, а входные зажимы первого дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 2 подключены к выводам фаз В и С статического компенсатора мощности 1, не соединенным с общей точкой нейтрали О источников А, В и С. Управляющие входы дополнительных регуляторов переменного напряжения 2 и 6, а также реактивного элемента 7 соединены с соответствующими выходами блока системы управления 14. Таким образом, структурно статический компенсатор мощности 1 может быть представлен тремя блоками 15, 16 и 17 представляющими соответственно фазу А, В и С. В состав блока 15 входят дополнительные регуляторы переменного синусоидального напряжения 2, 6, регулятор переменного синусоидального напряжения 3, два реактивных элемента 7 и 8 и датчик переменного синусоидального напряжения И. В состав блока 16 входит регулятор переменного синусоидального напряжения 4, реактивный элемент 9 и датчик напряжения 12. В состав блока 17 входит регулятор переменного синусоидального напряжения 5, реактивный элемент 10 и датчик переменного синусоидального напряжения 13.
Статический компенсатор мощности 1, изображенный на фиг. 1 работает следующим образом.
Регулирование реактивной мощности в каждой из фаз статического компенсатора мощности 1 осуществляется аналогичным образом, как и в схеме прототипа. Оно осуществляется блоком системы управления 14 в фазах А, В и С за счет управления напряжениями на выходах регуляторов переменного синусоидального напряжения 3, 4 и 5 соответственно. При этом управление напряжениями на каждом из реактивных элементов 8, 9 и 10, приводит к регулированию лишь реактивной мощности в соответствующей фазе. Характер регулируемой реактивной мощности в фазе статического компенсатора мощности 1 зависит от типа реактивного элемента (индуктивного или емкостного). При этом управление реактивными мощностями в каждой из фаз компенсатора мощности 1 происходит независимо по каждой из фаз и не сказывается на величинах реактивных мощностей соседних фаз.
Подключение к фазе А компенсатора мощности 1 дополнительной ветви, изображенной на фиг. 2 А) приводит к тому, что напряжение на реактивном элементе 7 в дополнительной ветви фазы А компенсатора мощности 1 имеет фазовый сдвиг относительно напряжения Uao фазы А.
Это возникает за счет того, что напряжение на реактивном элементе U7 определяется векторной суммой напряжений Uao фазы А и напряжений U6 и U2 на выходах двух дополнительных регуляторов синусоидального напряжения 6 и 2. В зависимости от величин и знаков напряжений U6 и U2, напряжение U7 на реактивном элементе 7 может изменять свое положение на векторной диаграмме фиг. 2 В). В случае применения в качестве реактивного элемента конденсатора, как видно из фиг. 2 В), вектор тока 1а будет опережать вектор напряжения U7 на 90 электрических градусов. Необходимо отметить, что ток 1а, протекающий в фазе А, в рассматриваемом случае, будет опережать напряжение фазы А больше, чем на 90 электрических градусов, что свидетельствует о передаче активной мощности в фазу А. Величина этой активной мощности может регулироваться за счет управления напряжениями U6 и U2 на выходах регуляторов переменного синусоидального напряжения 2 и 6 переменного синусоидального напряжения. Очевидно, что в этом случае, наличие дополнительной, подключаемой в фазу А ветви, обеспечивает обмен активными мощностями между фазами. Анализ электромагнитных процессов в дополнительной ветви позволяет получить выражения, определяющие зависимости полных мощностей каждой из фаз компенсатора мощности 1, в зависимости от выходных напряжений U6 и U2 дополнительных регуляторов переменного синусоидального напряжения 6 и 2 соответственно:
где, Ка=U2/Uao - относительное напряжение на выходе второго дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 2;
Кв=U6/Ucb - относительное напряжение на выходе первого дополнительного регулятора переменного синусоидального напряжения 6;
Uao - напряжение фазы А регулятора мощности 1;
Sa, Sb, Sc - полные мощности в фазах А, В, С регулятора мощности 1;
Sx - полная мощность реактивного элемента X;
X - модуль емкостного сопротивления реактивного элемента 7 дополнительной ветви.
Изменение характера реактивного элемента 7 с емкостного на индуктивный приводит к изменению соотношений для полных мощностей в фазах А, В и С компенсатора мощности 1:
Анализ приведенных соотношений для полных мощностей фаз А, В и С показывает, что за счет управления коэффициентами Ка и Кв, а также характером и величиной реактивного сопротивления можно осуществлять необходимый регулируемый направленный обмен активными мощностями между различными фазами регулятора мощности 1. Так, например, при использовании в качестве реактивного элемента конденсатора и Ка=1 осуществляется передача активной мощности из фазы С в В. При этом величину обмена активными мощностями между фазами С и В будет определять коэффициент Кв. Изменение характера реактивного элемента 7 с емкостного на индуктивный при Ка=1 будет оказывать влияние на направление обмена активной мощности из фазы В в фазу С. При этом фаза А в обоих случаях в обмене активными мощностями меду фазами В и С не участвует.
При использовании в качестве реактивного элемента 7 конденсатора, и Ка=0 и Кв=1 активная мощность из фазы С передается в фазу А, а фаза В в обмене активными мощностями участвовать не будет. При изменении характера реактивного элемента 7 с емкостного на индуктивный и сохранении соотношений Ка=0 и Кв=1, направление обмена активными мощностями между фазами А и С изменяется на противоположный. В этом случае фаза А передает активную мощность в фазу С, а фаза В обмене активными мощностями участвовать опять не будет.
Осуществлять обмен активными мощностями между фазами А и В, исключив при этом фазу С можно задав коэффициенты Ка=0 и Кв=-1. При этом направление обмена активными мощностями между фазами А и В можно также менять, изменяя характер реактивного элемента 7 с емкостного на индуктивный, как и ранее рассмотренном случае.
При Ка отличном от 0 или 1, в обмене активными мощностями участвуют все три фазы. При этом величина Ка определяет уровень обмена активными мощностями между фазами, а характер реактивного элемента 7 определяет направление обмена мощностями между фазами статического компенсатора мощности 1.
Как видно из приведенных соотношений для полных мощностей, изменение коэффициентов Ка и Кв оказывает также синхронное влияние и на обмен реактивными мощностями между фазами статического компенсатора мощности 1.
Приведенная на фиг. 1 схема компенсатора мощности 1 позволяет независимо задавать требуемый обмен активными мощностями между фазами А, В и С компенсатора мощности за счет управления коэффициентами Ка и Кв дополнительных регуляторов синусоидального напряжения 6 и 2 и характером реактивного элемента 7. Поскольку эти коэффициенты задают величины реактивных мощностей в фазах А, В и С и они будут иметь фиксированные значения при определенных значениях Ка, Кв и X, то независимое регулирование суммарных реактивных мощностей по фазам А, В и С реализуется с помощью управления регуляторами переменного напряжения 3, 4, 5 и реактивными элементами 8, 9, 10 в соответствующих фазах компенсатора мощности 1.
Таким образом, использование совокупности признаков заявляемого изобретения позволяет регулировать как реактивную, так и активную мощности в точке подключения статического компенсатора мощности 1 к линии электропередачи.