Устройство для стабилизации напряжения трансформаторной подстанции

 

Предложено устройство для стабилизации трехфазного синусоидального напряжении на высокой стороне главного трансформатора подстанции. Отличительной особенностью устройства является то, что напряжение вольтодобавки, формируемое выпрямителем и инверторами, регулируется в шести поддиапазонах, причем в каждом поддиапазоне амплитудное регулирование производится в функции отклонения напряжения сети, а пофазное широтно-импульсное регулирование в функции отклонения фазных напряжений на первичной обмотке главного трансформатора. Стабилизатор с указанным смешанным регулированием и симметрированием напряжения питания главного трансформатора обеспечивает высокие коэффициенты мощности и полезного действия подстанции и улучшенную форму напряжения нагрузки, что является техническим результатом. 2 ил.

Изобретение относится к энергетической электронике и может быть использовано для стабилизации и симметрирования напряжения на высокой стороне трансформатора понижающей подстанции.

Известен стабилизатор напряжения трансформаторной подстанции [Патент РФ N 2070732, кл. 6 G 05 F 1/30, 20.12.96., Бюл. N 35 - прототип], который предназначен для установки на низкой стороне главного трансформатора подстанции и содержит трехфазный вольтодобавочный агрегат, представляющий собой один трехфазный трансформатор или три однофазных трансформатора с первичными фазными обмотками, включенными в цепь нагрузки, и вторичными фазными обмотками, включенные между выходными зажимами двух трехфазных инверторов напряжения, входные зажимы которых объединены и через фильтр и трехфазный реверсивный выпрямитель подключены к нагрузке. В результате встречного симметричного управления инверторами формируется добавочное напряжение, которое регулируется без искажений фазы по косинусоидальному закону. Добавочное напряжение формируется вычитанием уменьшенных в коэффициент трансформации k_ВТ раз напряжений первого и второго трехфазных инверторов, которые регулируются по фазе соответственно на углы α и β = π-α при изменении α от 0 до π рад в функции отклонения напряжения нагрузки. При этом угол управления трехфазным реверсивным выпрямителем α имеет два фиксированных значения, необходимых для обеспечения однополярного максимально возможного выпрямленного напряжения в выпрямительном и инверторном режимах для потребления дополнительной энергии из сети и рекуперации избыточной энергии нагрузки в сеть соответственно при прибавлении и вычитании добавочного напряжения, сформированного трехфазными инверторами напряжения из выпрямленного стабилизированного напряжения нагрузки.

Замечательным свойством устройства является то, что переключение α для перевода трехфазного реверсивного выпрямителя в инверторный режим производится при отключении трехфазных инверторов напряжения от фильтра, когда в заданной зоне равенства напряжений сети и нагрузки трехфазные инверторы напряжения, работая с равными углами управления (α = β = π/2) закорачивают вторичную обмотку вольтодобавочного агрегата.

Система управления трехфазными инверторами напряжения выполнена трехканальной. Управляющие входы ее фазных каналов объединены и подключены к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а их синхронизирующие входы пофазно подключены к вторичной обмотке главного трансформатора. Каждый фазный канал системы управления трехфазными инверторами напряжения имеет два выхода. Один из этих выходов предназначен для подключения к тиристорам соответствующей фазы первого, а другой для подключения к тиристорам той же фазы второго трехфазного инвертора напряжения.

В системе управления трехфазными инверторами напряжения не предусмотрены ограничения минимального и максимального значений углов управления. Они регулируются на интервале всего полупериода сетевого напряжения.

Известный стабилизатор обладая улучшенными массогабаритными показателями и, благодаря симметричному управлению, регулируется выходное напряжение без сдвига первой гармоники с высоким быстродействием. Однако ему свойственны и недостатки, среди которых можно выделить сравнительно большие искажения выходного напряжения и низкие энергетические показатели главного трансформатора, особенно при несимметричном повышенном напряжении сети.

Эти недостатки вызваны как связями элементов устройства, так и особенностями построения системы управления. Во-первых, устройство предназначено для включения на низкой стороне подстанции мощностью 0.1- 10 МВ·А, и вследствие того, что главный трансформатор этих подстанций имеет схему включения обмоток Y/Y_Н, ему приходится работать на трехфазную нагрузку с нулевым проводом, обеспечивая двухзонное широтно-импульсное регулирование выходного напряжения с частотой модуляции добавочного напряжения, равной частоте коммутации тиристоров трехфазных инверторов напряжения и глубиной модуляции напряжения нагрузки, равной коэффициенту трансформации или диапазону регулирования, что сопряжено с большими искажениями (коэффициент гармоник при 10,15, и 20- процентном регулировании соответственно изменяется в пределах (0,03-0,05), (0,035-0,085) и (0,045-0,12)).

Во-вторых, причиной неудовлетворительного гармонического состава выходного напряжения стабилизатора является отсутствие амплитудного регулирования, компенсирующего отклонения входного напряжения.

В третьих, в стабилизаторе отсутствует ограничение минимального и максимального углов управления α и β = π-α трехфазными инверторами напряжения, и в результате этого создаются неоправданные дополнительные искажения при изменении α в пределах 0-15^o и 165-180^o, когда регулирование действующего значения первой гармоники добавочного напряжения по cos α практически отсутствует, а коэффициент гармоник выходного напряжения имеет наибольшее значение.

Наконец, отсутствие регулирования и симметрирования напряжения на входе главного трансформатора не позволяет ему в условиях нестабильного напряжения сети и изменяющейся нагрузки работать с высокими коэффициентами мощности и полезного действия.

Задачей изобретения является улучшение качества выходного напряжения и энергетических показателей главного трансформатора.

Технический эффект от решения поставленной задачи заключается в разделении каждой из двух зон регулирования на три поддиапазона с возможностью амплитудного и широтно-импульсного регулирования в каждом поддиапазоне. При таком регулировании максимальный коэффициент гармоник выходного напряжения, например при 20-процентных отклонениях входного напряжения, не превышает значения, установленного ГОСТом и равен 4% против 12% в прототипе.

При этом коэффициент энергетической эффективности главного трансформатора подстанции, равный произведению коэффициентов мощности и полезного действия в зависимости от интенсивности изменения нагрузки, а также величины отклонения и степени не симметрии напряжения сети по среднестатистическим оценкам улучшается примерно на 10-20%.

Требуемый технический эффект обусловлен тем, что в устройство введен блок датчиков отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора, датчик модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети и ограничитель нижнего заданного уровня напряжения, при этом система управления трехфазными инверторами напряжения выполнена с ограничением минимальных и максимальных значений углов управления α и β на (10÷15) град и управляющие входы ее фазных каналов подключены к соответствующим фазным выходам блока датчиков отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора, управляющий вход системы управления трехфазным реверсивным выпрямителем через ограничитель нижнего заданного уровня напряжения подключен к выходу датчика модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети и, кроме того, первичные фазные обмотки трехфазного вольтодобавочного агрегата и главного трансформатора подстанции соединены пофазно последовательно.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, а на фиг.2 - диаграмма компенсации нестабильности и несимметрии напряжения на высокой стороне главного трансформатора подстанции.

Устройство (фиг. 1) содержит главный трансформатор 1 с первичными 2 и вторичными 3 фазными обмотками, трехфазный вольтодобавочный агрегат 4, представляющий собой один трехфазный трансформатор или три однофазных трансформатора с первичными 5 и вторичными 6 фазными обмотками, два трехфазных инвертора напряжения 7 и 8 со 180-градусным алгоритмом управления и с общей для них системой управления 9, содержащей три фазных канала 10, 11 и 12 управления, трехфазный реверсивный выпрямитель 13 с системой управления 14, индуктивно-емкостный фильтр 15, блок датчиков 16 отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора, датчик 17 модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети, ограничитель 18 нижнего заданного уровня напряжения, сеть 19 и нагрузку 20.

Элементы схемы соединены следующим образом. Первичные обмотки 2 главного трансформатора 1 соединены в звезду с изолированной нетралью и пофазно подключены к сети 19 через соответствующие фазные первичные обмотки 5 трехфазного вольтодобавочного агрегата 4. Вторичные обмотки 3 главного трансформатора 1 соединены в звезду с нулевым проводом и подключены к нагрузке 20, а начала и концы вторичных фазных обмоток 6 трехфазного вольтодобавочного агрегата 4 пофазно подключены соответственно к выходам первого и второго трехфазных инверторов 7 и 8 напряжения, входы которых объединены и через индуктивно-емкостный фильтр 15 и трехфазный реверсивный выпрямитель 13 подключены к нагрузке 20. Выход датчика 17 модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети 19 через ограничитель 18 нижнего заданного уровня напряжения подключен к управляющему входу системы управления 14 трехфазным реверсивным выпрямителем 13. Выходы блока 16 датчиков отклонения первичных фазных напряжений главного трансформатора пофазно подключены к управляющим входам каналов 10,11 и 12 системы управления 9 трехфазными инверторами напряжения 7 и 8, синхронизирующие входы каналов 10, 11 и 12 подключены к нагрузке 20, первые выходы фазных каналов 10, 11 и 12 с управляющими импульсами, регулируемыми на угол α подключены к фазным тиристорам первого трехфазного инвертора напряжения 7, а вторые выходы фазных каналов 10, 11 и 12 с фазой импульсов β = π-α подключены к фазным тиристорам второго трехфазного инвертора напряжения 8.

Устройство работает следующим образом.

Трехфазный реверсивный выпрямитель 13 выпрямляет стабилизированное напряжение нагрузки 20 и в области больших значений отклонения напряжения сети 19 регулирует выпрямленное напряжение в функции этого отклонения от максимально возможного уровня U_d0 до минимально заданного уровня, составляющего примерно (20-30)% от U_d0.

Первый и второй трехфазные инверторы напряжения 7 и 8 со 180-градусным управлением преобразуют выпрямленное напряжение в регулируемые по фазе переменные напряжения с векторами первых гармоник, например фазы А, соответственно и где U₂ - действующее значение фазного напряжения нагрузки, α_A , β_A = π-α углы управления тиристорами, относящимися к фазе А первого и второго трехфазных инверторов напряжения; E(α_V) - степень регулирования напряжения от угла управления α_V тиристорами трехфазного реверсивного выпрямителя.

Разность напряжений U'_fA и U''_fA прикладывается к соответствующей фазе вторичной обмотки 6 трехфазного вольтодобавочного агрегата 4 и на той же фазе его первичной обмотки 5 наводится увеличенное в k_ВТ раз напряжение U_fA, которое определяется выражением (1) где F(α_V) - коэффициент передачи напряжения, k_ВТ - коэффициент трансформации трехфазного вольтодобавочного агрегата.

Аналогично определяются напряжения фаз В и С: U_fB = aF(α_V)cosα_B; (2)
U_fC = (1-a)F(α_V)cosα_C; (3)
где a = e^(-j2π^/3) - оператор поворота.

Из выражения (1), (2) и (3) видно, что при изменении фазных углов управления α_A , α_B и α_C от 15 до 165 градусов напряжения U_FA, U_FB и U_FC регулируются по величине вверх и вниз без искажения фазы.

Напряжения фазные первичных обмоток 2 главного трансформатора 1 при соединении их в звезду с изолированной нетралью и подключении к двум последовательно соединенным трехфазным источникам питания с результирующими фазными напряжениями
U_A = U_1A+U_FA, U_B = U_1B+U_FB, U_C = U_1C+U_FC,
определяются выражениями:
U'_1A = (2U_A-U_B-U_C)/3;
U'_1B = (2U_B-U_C-U_A)/3, (4)
U'_1C = (2U_C-U_A-U_B)/3.

В соответствии с выражениями (1) - (4) процесс стабилизации и симметрирования напряжения питания главного трансформатора 1 изображен векторными диаграммами, приведенными на фиг.2. Здесь показано суммирование несимметричной трехфазной системы напряжений сети с антинесимметричной системой добавочных напряжений, в результате которого получена симметричная трехфазная система напряжений первичной обмотки 2 главного трансформатора 1.

Из выражений (1)- (4) видно, что регулирование напряжения на первичной стороне главного трансформатора производится с междуфазным обменом энергии. Переходя от векторных величин к мгновенным и учитывая коммутационные процессы, можно наблюдать улучшение формы напряжения как от междуфазного обмена энергией, обеспечивающего шестизонное широтно-импульсное регулирование без сдвига фазы питающих главный трансформатор 1 напряжений, так и от снижения выпрямленного напряжения.

Фазные напряжения на выходе подстанции с учетом падения напряжения на трансформаторах

где k_1Т - коэффициент трансформации главного трансформатора;
- суммарное сопротивление короткого замыкания главного и вольтодобавочного трансформаторов; I_2A, I_2B, I_2C - векторы первых гармоник фазных токов нагрузки.

При отклонении выходных напряжений от заданного уровня, вызванного изменением токов нагрузки или напряжения сети, происходит изменение сигналов на выходах блока 16 датчиков отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора 1. Эти сигналы, поступая на управляющие входы фазных каналов 10, 11 и 12 системы управления 9 трехфазными инверторами напряжения 7 и 8, воздействуют на фазные углы α_A, α_B, α_C управления трехфазными инверторами напряжения и широтно-импульсным способом обеспечивают регулирование взаимно связанных напряжений U'_1A, U'_1B, U'_1C первичной обмотки 2 главного трансформатора 1, устраняя отклонения напряжения на нагрузке 20.

Канал шестизонного широтно-импульсного регулирования трехфазными инверторами напряжения реагирует на отклонения напряжения сети. Поэтому, при совместном действии в устройстве двух каналов, производится быстрая стабилизация напряжения подстанции с последующей коррекцией формы выходного напряжения.

Пофазная стабилизация напряжения требует формирования положительных и отрицательных добавочных фазных напряжений, создавая двухсторонний обмен энергии между сетью и нагрузкой через звено постоянного напряжения. При этом по знаку тока через фильтр трехфазный реверсивный выпрямитель 13 переводится соответственно из выпрямительного в инверторный режим.

При реконструкции существующих подстанций тиристорный преобразователь может быть установлен как в отдельном помещении, так и в непосредственной близости с главным трансформатором. На вновь проектируемых подстанциях вольтодобавочный трансформатор и силовую часть тиристорного преобразователя можно рационально разместить в одном корпусе с главным трансформатором.

Наиболее целесообразной областью применения являются трансформаторные подстанции мощностью до 10 MB·А.

Источники информации
1. Патент РФ N 2070732, кл. 6 G 05 F 1/30, 20.12.96, Бюл. N 35 - прототип.

2. А.С. СССР N 322836, кл. Н 02 М 5/02, 1970 - аналог.

3. А.С. СССР N 1636832, кл. G 05 F 1/30, 1991 - аналог.

Формула изобретения

Устройство для стабилизации напряжения трансформаторной подстанции со схемой соединения первичных и вторичных фазных обмоток главного трансформатора У/Ун и их выводами, предназначенными соответственно для подключения сети и нагрузки, содержащее трехфазный вольтодобавочный агрегат, представляющий собой один трехфазный трансформатор или три однофазных трансформатора с вторичными фазными обмотками, включенными между соответствующими фазными выходами двух трехфазных инверторов напряжения со 180-градусным алгоритмом управления, входы которых соединены параллельно и через фильтр и трехфазный реверсивный выпрямитель подключены к нагрузке, при этом для двух трехфазных инверторов напряжения применена общая система управления, которая выполнена трехканальной с возможностью регулирования фазы выходного напряжения первого трехфазного инвертора напряжения на угол α и второго трехфазного инвертора напряжения на угол β = π-α при изменении α внутри полупериода сетевого напряжения, а ее синхронизирующие входы через блок синхронизации подключены к нагрузке, отличающееся тем, что в устройство введен блок датчиков отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора, датчик модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети и ограничитель нижнего заданного уровня напряжения, при этом система управления трехфазными инверторами напряжения выполнена с ограничением минимальных и максимальных значений углов управления α и β на 10 - 15^o и управляющие входы ее фазных каналов подключены к соответствующим фазным выходам блока датчиков отклонения фазных первичных напряжений главного трансформатора, управляющий вход системы управления трехфазным реверсивным выпрямителем через ограничитель нижнего заданного уровня напряжения подключен к выходу датчика модуля среднего отклонения трехфазного напряжения сети и, кроме того, первичные фазные обмотки трехфазного вольтодобавочного агрегата и главного трансформатора подстанции соединены пофазно последовательно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2