ФАЗОПОВОРОТНОЕ УСТРОЙСТВО С ТИРИСТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к высоковольтным регулируемым электротехническим комплексам для гибких (управляемых) линий электропередач, и может использоваться в высоковольтных электрических сетях с напряжением 110…1150 кВ для регулирования потоков активной и реактивной мощности в сложных замкнутых электрических сетях, повышения пропускной способности существующих линий и повышения динамической устойчивости энергетической системы путем демпфирования колебаний, возникающих во время переходных электромеханических процессов.
Известно фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и включены в рассечку фаз A, B, C высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены в схему треугольника, узлы соединения обмоток которого подключены к высоковольтным выводам трехфазного высоковольтного коммутатора, трехфазный фазосдвигающий трансформатор (ФСТ) с первичными обмотками, подключенными высоковольтными выводами к средним выводам вторичных обмоток сериесного трансформатора, а низковольтными выводами соединенными по схеме звезды и заземленными, при этом вторичные обмотки ФСТ выполнены с отпайками, к которым подключены входы трехфазного высоковольтного коммутатора, каждая фаза которого выполнена в виде механического контакторного переключателя (РПН), низковольтные выводы которых заземлены (E.V. Larsen, N.W. Miller. Phase-Shifting Transformer System. US Patent. Number: 5,166,597. Date of Patent: Nov. 24, 1992).
Недостатком такого фазоповоротного устройства является выполнение трехфазного высоковольтного коммутатора на механических контакторных переключателях (РПН), что связанно с проблемами дугогашения, так как прерывание тока в контакторном переключателе сопровождается возникновением дуги на контактах, что приводит к их износу и эрозии; дуга, возникающая при прерывании тока, загрязняет масло, что делает необходимым регулярные проверки его качества и соответствующую замену. Кроме того, на устройстве должны быть установлены специальные механизмы, предотвращающие нежелательные последствия в случае повреждения приводного вала. Все это снижает надежность и срок службы трехфазного высоковольтного коммутатора, к тому же, переключение РПН с контакта на контакт занимает определенное время (5-6 сек.), т.е. происходит достаточно медленно, что обусловливает его малое быстродействие.
Известно фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и вставлены в рассечку фаз высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены по схеме треугольника, узлы соединения обмоток которого подключены к высоковольтным выводам трехфазного высоковольтного коммутатора, при этом низковольтные выводы всех фаз коммутатора соединены по схеме звезды, а входные выводы каждой фазы коммутатора подключены ко вторичной обмотке соответствующей фазы трехфазного шунтового трансформатора, первичные обмотки которого высоковольтными выводами подключены к средним выводам вторичных обмоток сериесного трансформатора, а низковольтными выводами соединены по схеме звезды и заземлены, при этом вторичная обмотка каждой фазы шунтового трансформатора выполнена в виде N гальванически развязанных секций, а каждая фаза трехфазного высоковольтного коммутатора выполнена в виде цепочки, состоящей из N последовательно соединенных однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными высоковольтными ключами в каждом плече, причем входы полупроводниковых мостовых преобразователей каждой фазы высоковольтного коммутатора подключены к выводам одноименных секций вторичной обмотки соответствующей фазы шунтового трансформатора, а высоковольтные выводы цепочек однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей каждой фазы трехфазного коммутатора подключены к узлам соединения схемы треугольника, выполненной из первичных обмоток сериесного трансформатора, причем все N секций вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора имеют разные коэффициенты трансформации и, соответственно, имеют разное число витков, полупроводниковые мостовые преобразователи выполнены на напряжение соответствующей секции, к которой они подключены, а одноименные секции вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации (Патент на полезную модель №106060).
Недостатком такого фазоповоротного устройства является недостаточная стойкость к воздействию токов короткого замыкания, возникающих при коротких замыканиях в линиях электропередач, и ударных токов, возникающих при нарушениях коммутации в полупроводниковых мостовых преобразователях, что может привести, прежде всего, к повреждению высоковольтного полупроводникового коммутатора фазоповоротного устройства, что снижает надежность и срок службы фазоповоротного устройства в целом.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в повышении надежности и срока службы тиристорного коммутатора, шунтового и сериесного трансформаторов путем ограничения токов короткого замыкания, воздействующих на оборудование фазоповоротного устройства в аварийных режимах, снижении стоимости и массо-габаритных показателей фазоповоротного устройства путем оптимизации числа витков секций вторичной обмотки шунтового трансформатора и числа мостовых тиристорных преобразователей тиристорного коммутатора, увеличении быстродействия при плавном дискретно-непрерывном регулировании угла фазового сдвига (время перехода с одной ступени регулирования на другую не превышает половины периода промышленной частоты), что ведет к повышению динамической устойчивости энергетической системы путем демпфирования колебаний, возникающих во время переходных электромеханических процессов.
1
2
3
N
N-1
N-1
Технический результат достигается тем, что тиристорное фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и вставлены в рассечку фаз A, B, C высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены по схеме треугольника; трехфазный шунтовой трансформатор, первичные обмотки которого высоковольтными выводами подключены к средним выводам вторичных обмоток сериесного трансформатора, а низковольтными выводами соединены по схеме звезды и заземлены, вторичная обмотка каждой фазы шунтового трансформатора выполнена в виде N гальванически развязанных секций; трехфазный высоковольтный тиристорный коммутатор, каждая фаза которого выполнена в виде цепочки, состоящей из N последовательно соединенных тиристорных переключателей, выполненных в виде однофазных мостовых тиристорных преобразователей с двунаправленными высоковольтными тиристорными ключами в каждом плече; секционные токоограничивающие реакторы, выводы которых с одной стороны подключены к соответствующим входам мостовых тиристорных преобразователей каждой фазы высоковольтного коммутатора, выводы реакторов с другой стороны подключены к определенным выводам секций вторичной обмотки соответствующей фазы шунтового трансформатора, при этом другие входы мостовых тиристорных преобразователей коммутатора подключены к соответствующим выводам секций вторичной обмотки шунтового трансформатора; линейные токоограничивающие реакторы, выводы которых с одной стороны подключены к высоковольтным выводам цепочек тиристорных переключателей соответствующих фаз трехфазного тиристорного коммутатора, при этом выводы реакторов с другой стороны подключены к узлам соединения схемы треугольника, выполненной из первичных обмоток сериесного трансформатора; все N секций вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора имеют разные коэффициенты трансформации и, соответственно, имеют разное число витков, при этом отношение числа витков w:w:w:…w секций каждой фазы вторичной обмотки шунтового трансформатора определяется согласно выражению 2 или 3, где N - порядковый номер секции, однофазные мостовые тиристорные преобразователи выполнены на напряжение секции, к которой они подключены, а одноименные секции вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена функциональная схема фазоповоротного устройства с тиристорным управлением, включающая трехфазный сериесный трансформатор, трехфазный шунтовой трансформатор и трехфазный высоковольтный коммутатор;
на фиг. 2 приведена функциональная схема цепочки одной фазы трехфазного высоковольтного коммутатора, состоящей из N последовательно соединенных однофазных мостовых тиристорных преобразователей с двунаправленными высоковольтными тиристорными ключами в каждом плече;
на фиг. 3 приведены векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования отстающего угла фазового сдвига в фазе A линии электропередачи;
на фиг. 4 приведены векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования опережающего угла фазового сдвига в фазе A линии электропередачи.
1
2
3
N
N-1
N-1
Предлагаемое фазоповоротное устройство содержит трехфазный сериесный трансформатор 1, первичные обмотки 2, 3, 4 которого соединены по схеме треугольника, а вторичные обмотки 5, 6, 7 выполнены со средними выводами 8, 9, 10 и подключены к клеммам 11 рассечки фазы A, 12 рассечки фазы B, 13 рассечки фазы C трехфазной высоковольтной линии 14 электропередачи со стороны входа ФПУ и к клеммам 15 рассечки фазы A, 16 рассечки фазы B, 17 рассечки фазы С трехфазной высоковольтной линии 18 электропередачи со стороны выхода ФПУ; трехфазный шунтовой трансформатор 19, первичные обмотки 20, 21 и 22 которого высоковольтными выводами 23, 24 и 25 подключены к клеммам 8, 9, 10 вторичных обмоток 5, 6, 7 сериесного трансформатора 1, а низковольтными выводами 26, 27 и 28 соединены по схеме звезды и заземлены, при этом вторичные обмотки 29, 30 и 31 каждой фазы шунтового трансформатора 19 выполнены в виде N гальванически развязанных секций 32, 33 и 34, выводы 35, 36, 37 которых подключены к входным выводам 38, 39, 40 секционных токоограничивающих реакторов 41, 42, 43, а выводы 44, 45, 46 секций 32, 33, 34 подсоединены к входным клеммам 47, 48, 49 трехфазного высоковольтного коммутатора 50; выводы 51, 52, 53 токоограничивающих реакторов 41, 42, 43 подключены к входным клеммам 54, 55, 56 тиристорного коммутатора 50, высоковольтные выводы 57, 58 и 59 каждой фазы которого подключены к выводам соответствующих фаз 60, 61, 62 линейных токоограничивающих реакторов 63, 64, 65, при этом выводы 66, 67, 68 реакторов 63, 64, 65 подключены к узлам 69, 70, 71 схемы треугольника, выполненной из первичных обмоток 2, 3, 4 трехфазного сериесного трансформатора 1; низковольтные выводы 72, 73, 74 тиристорного коммутатора 50 соединены по схеме звезды и заземлены; каждая фаза трехфазного высоковольтного тиристорного коммутатора 50 выполнена в виде цепочки 75, 76, 77, состоящей из N последовательно соединенных однофазных мостовых тиристорных преобразователей 78, 79, 80 (фиг. 2) с двунаправленными высоковольтными тиристорными ключами 81, 82, 83, 84 в каждом плече, при этом входы мостовых тиристорных преобразователей 78, 79, 80 являются входами 47 и 56, 48 и 55, 49 и 54 трехфазного высоковольтного тиристорного коммутатора 50; все N секций 32, 33, 34 вторичной обмотки 29, 30, 31 каждой фазы шунтового трансформатора 19 имеют разные коэффициенты трансформации и, соответственно, выполнены с разным числом витков, при этом отношение числа витков w:w:w:…w секций каждой фазы вторичной обмотки 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 определяется согласно выражению 2 или 3, где N - порядковый номер секции; мостовые тиристорные преобразователи 78, 79, 80 выполнены на напряжение соответствующих секций 32, 33, 34, к которой они подключены, а одноименные секции 32, 33, 34 вторичной обмотки 29, 30, 31 каждой фазы шунтового трансформатора 19 выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации.
dA
dB
dC
Фазоповоротное устройство работает следующим образом. В исходном состоянии при нулевом угле регулирования первичные обмотки 20, 21, 22 шунтового трансформатора 19 высоковольтными выводами 23, 24, 25 подключены к клеммам 8, 9, 10 вторичных обмоток 5, 6, 7 сериесного трансформатора 1, низковольтные выводы 26, 27, 28 соединены по схеме звезды и заземлены, при этом все однофазные мостовые тиристорные преобразователи 78, 79, 80 опрокинуты, т.е. в них включены два последовательных ключа 81, 82 или 83, 84 (фиг. 2); в результате все секции 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 отключены от первичных обмоток 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1, и вольтодобавочные напряжения U, U, U на выходе ФПУ не формируются (фиг. 3 и 4).
При подаче на систему управления (СУ) трехфазным высоковольтным тиристорным коммутатором 50 сигнала от автоматической системы управления трансформаторной подстанции (АСУ ТП) или от системного оператора (СО) на работу ФПУ с ненулевым углом регулирования 5 микропроцессор СУ в соответствии с заложенными в нем алгоритмами формирования импульсов управления подает на соответствующую пару двунаправленных высоковольтных тиристорных ключей 81, 84 или 82, 83 в зависимости от необходимого знака вектора вольтодобавочного напряжения мостовых преобразователей 78, 79, 80 каждой фазы тиристорного коммутатора 50, которые должны быть включены для работы ФПУ на заданной ступени регулирования (с заданным углом регулирования δ).
Принцип работы предлагаемого фазоповоротного устройства поясняется векторной диаграммой для фазы A на фиг. 3 и 4, где
A
U - напряжение фазы A линии 14 на входе ФПУ,
A1
U - напряжение фазы A линии 18 на выходе ФПУ,
dA
U - вольтодобавочное напряжение на вторичной обмотке 5 сериесного трансформатора 1,
T1
U - напряжение на входе шунтового трансформатора ФПУ,
L
U - напряжение фазы линии 18 на приемном конце электропередачи,
L1
I - ток линии 14 на входе ФПУ,
L2
I - ток линии 18 на выходе ФПУ,
ΔI - входной ток ФПУ,
2TS
I - ток вторичной обмотки сериесного трансформатора,
L
X - индуктивное сопротивление линии 18.
N-1
N-1
Последовательно соединенные m работающих (где m=1, 2…N) тиристорных преобразователей 78, 79, 80 каждой фазы в зависимости от величины числа т позволяют получить различные комбинации соединений секций 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19, имеющих определенное отношение числа витков согласно выражению 2 или 3, и, тем самым, осуществляется плавное дискретно-непрерывное регулирование выходного напряжения на выходе тиристорного коммутатора 50 и угла фазового сдвига ФПУ.
dA
dB
dC
Для получения угла фазового сдвига δ, заданного сигналом от АСУ ТП или от СО, микропроцессор СУ ФПУ формирует вольтодобавочные напряжения U, U, U путем включения определенного числа m (где m=1, 2…N) тиристорных преобразователей 78, 79, 80 каждой фазы ФПУ, осуществляющих переключение соответствующих m секций 32, 33, 34 каждой вторичной обмотки 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 в общую цепь в одно из трех состояний:
- для формирования опережающего вектора напряжения путем включения двунаправленных тиристорных ключей 81, 84 мостовых тиристорных преобразователей 78, 79, 80 начала 35, 36, 37 обмоток 32, 33, 34 через секционные токоограничивающие реакторы 41, 42, 43 подключаются соответственно к выводам 57, 58, 59 коммутатора 50, а концы обмоток 44, 45, 46 - соответственно к выводам 72, 73, 74 коммутатора 50;
- для формирования отстающего вектора напряжения путем включения двунаправленных ключей 82, 83 мостовых тиристорных преобразователей начало обмоток 35, 36, 37 через секционные токоограничивающие реакторы 41, 42, 43 подключаются соответственно к выводам 72, 73, 74 коммутатора 50, а концы обмоток 44, 45, 46 - соответственно к выводам 57, 58, 59 коммутатора 50;
- для формирования нулевого угла регулирования выводы 57, 58, 59 коммутатора 50 подключаются соответственно к его выводам 72, 73, 74 путем опрокидывания всех однофазных мостовых тиристорных преобразователей 78, 79, 80 (включением ключей 81, 82 или 83, 84), в результате чего вторичные обмотки 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 отсекаются от первичных обмоток 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1.
dA
dB
dC
A1
A
Полученное трехфазное напряжение на вторичной стороне шунтового трансформатора 19 поступает на первичные обмотки 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1, соединенные по схеме треугольника, на вторичных обмотках 5, 6, 7 которого получаются необходимые вольтодобавочные напряжения U, U, U. Вторичные обмотки 5, 6, 7 сериесного трансформатора 1, выполненные со средними выводами, подключены к клеммам рассечек соответствующих фаз линии электропередачи. Выполнение сериесного трансформатора 1 со средними выводами вторичных обмоток 5, 6, 7 позволяет получить выходное напряжение фазоповоротного устройства U, равное входному напряжению U при любых углах регулирования 5, как показано на векторной диаграмме фиг. 3 и 4.
N-1
n-1
Таким образом, в предлагаемом изобретении технический результат, заключающийся в повышении надежности и срока службы оборудования фазоповоротного устройства и снижении стоимости и массо-габаритных показателей, достигается за счет использования секционных токоограничивающих реакторов 41, 42, 43, включаемых между выводами 35, 36, 37 секций 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 и входными клеммами 54, 55, 56 тиристорного коммутатора 50, что ограничивает аварийные токи при нарушениях коммутации в мостовых тиристорных преобразователях, и линейных реакторов 63, 64, 65, включаемых между выводами 57, 58, 59 трехфазного тиристорного коммутатора 50 и узлами соединения 69, 70, 71 первичных обмоток 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1, что снижает аварийные токи, воздействующие на высоковольтные тиристорные ключи коммутатора при коротких замыканиях в электрической сети, а также за счет оптимального выбора числа витков секций 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 согласно отношению 2 или 3, где N - порядковый номер секций 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19, что обеспечивает снижение стоимости и массо-габаритных показателей и плавное дискретно-непрерывное регулирование угла фазового сдвига ФПУ.