Компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности

 

Изобретение относится к энергетической электронике и может быть использовано для стабилизации выходного напряжения и выходной реактивной мощности трансформаторной подстанции. Компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности выполнен со звеном повышенной частоты для улучшения массогабаритных показателей дополнительного трансформатора подстанции. Понижающий высокочастотный трансформатор имеет схему соединения обмоток Д/У или Д/У_н и включен между двумя преобразователями частоты. Один преобразователь повышает частоту и выполнен со звеном постоянного напряжения на основе рекуперативного выпрямителя и инвертора напряжения со 180^o управлением, а другой понижает частоту до частоты сети и представляет собой нулевой циклоконвертор с естественной коммутацией. К выходным зажимам выпрямителя подключены фильтрокомпенсирующие цепи, и по необходимости к первичной или вторичной цепи главного трансформатора подстанции подключаются косинусные конденсаторы. Управление амплитудой добавочного напряжения производится рекуперативным выпрямителем от вновь введенного датчика реактивной составляющей мощности или тока (угла ϕ или tgϕ тока) на входе или выходе подстанции, а управление фазой - от датчика отклонения напряжения нагрузки при одновременном воздействии на системы управления инвертором и конвертором. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности, что обеспечивается улучшением формы входного тока и выходного напряжения, а также расширением диапазона компенсации реактивной мощности при обеспечении стабильности выходного напряжения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к энергетической электронике и предназначено для стабилизации выходного напряжения и входной реактивной мощности трансформаторной подстанции.

За прототип взят компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности (патент РФ 2071633, 10.01.97, 6 G 05 F 1/30), который содержит два преобразователя частоты и включенный между ними высокочастотный понижающий трансформатор. Первый преобразователь повышает частоту и выполнен со звеном постоянного напряжения на базе рекуперативного выпрямителя, фильтра и инвертора напряжения, а второй - понижает частоту до частоты сети и представляет собой нулевой циклоконвертор с естественной коммутацией.

Напряжение нагрузки в прототипе складывается из выходного напряжения главного трансформатора подстанции и добавочного напряжения, которое регулируется по амплитуде при помощи рекуперативного выпрямителя и по фазе при помощи инвертора напряжения и нулевого циклоконвертора. В процессе стабилизации напряжения нагрузки достигается компенсация входной реактивной мощности за счет опережающего формирования добавочного напряжения по отношению к напряжению сети.

К недостаткам прототипа следует отнести неполную компенсацию реактивной мощности подстанции и большие искажения как выходного напряжения, так и входного тока, характеризующих низкую его энергетическую эффективность.

Высшие гармонические составляющие в кривой напряжения обусловлены несогласованностью схемы включения обмоток понижающего высокочастотного трансформатора и алгоритмов управления инвертором напряжения и нулевым циклоконвертором, а в кривой тока - наличием во вторичной цепи подстанции рекуперативного выпрямителя.

В прототипе отсутствуют батареи косинусных конденсаторов на входе и выходе подстанции, а также фильтрокомпенсирующие цепи гармоник тока рекуперативного выпрямителя, дополняющие компенсацию реактивной составляющей основной гармоники тока, а в трансформаторно-тиристорном устройстве не предусмотрен режим потребления реактивной мощности из-за регулирования фазы вектора вольтодобавки только в сторону опережения.

Эти обстоятельства ограничивают диапазон регулирования статического источника реактивной мощности и, следовательно, его возможности по энергосбережению.

Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности устройства.

В результате решения поставленной задачи устраняется несинусоидальность токов в цепях устройства, кроме этого из кривой добавочного напряжения исключается высшая гармоника с трехкратной частотой звена повышенной частоты и, наконец, в 2 раза расширяется диапазон регулирования генерируемой реактивной мощности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что первичная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора соединена в треугольник, а инвертор напряжения выполнен со 180-градусным управлением, к входу рекуперативного выпрямителя подключены фильтрокомпенсирующие цепи и введен датчик реактивной составляющей мощности или тока первичной или вторичной цепи подстанции, выход которого подключен к управляющему входу системы управления рекуперативным выпрямителем, выполненной с ограничением минимального уровня выпрямленного напряжения, а системы управления инвертором напряжения и нулевым циклоконвертором выполнены с возможностью регулирования фазы на 360^o (см. п. 1 формулы) и, кроме того, при необходимости вводится батарея косинусных конденсаторов, которая подключена к первичной или вторичной цепи трансформаторной подстанции (см. п.2 формулы).

Кроме этого, при снижении амплитуды вектора вольтодобавки понижающий высокочастотный трансформатор начинает недоиспользоваться. Для повышения КПД целесообразным является (см. п.3 формулы) одновременно со снижением амплитуды - снижать частоту выходного напряжения инвертора, что также относится к повышению энергетической эффективности компенсатора.

На фиг.1 приведена схема компенсатора до уровня известных функциональных элементов, а на фиг.2 - его векторные диаграммы режимов работы, поясняющие процесс компенсации отклонений напряжения нагрузки и реактивной мощности во вторичной цепи главного трансформатора подстанции. На фиг.3 показано то же устройство, но только обеспечивающее компенсацию реактивной мощности в первичной цепи главного трансформатора подстанции. На фиг.1 и 3 пунктирной линией объединены управляющий вход реверсивного выпрямителя и дополнительный управляющий вход инвертора напряжения. Эта связь показывает одновременное регулирование напряжения и частоты инвертора напряжения по одному и тому же сигналу управления.

Компенсатор содержит главный 1 (низкочастотный понижающий) и дополнительный 2 (высокочастотный понижающий) трансформаторы, рекуперативный выпрямитель 3 с системой управления 4, инвертор напряжения 5 с системой управления 6, фильтр 7, нулевой циклоконвертор 8 с системой управления 9, измерительно-синхронизирующий блок 10, датчик 11 реактивной составляющей мощности или тока в первичной (фиг.3) или вторичной (фиг.1) цепи подстанции, датчик 12 отклонения напряжения нагрузки, сеть 13, нагрузку 14, фильтрокомпенсирующие цепи 15, батарею косинусных конденсаторов 16, включенных также как и датчик 11 в первичную (фиг.3) или во вторичную (фиг.1) цепь подстанции.

На фиг.2: U₂, I₂ и U_H, I_H - напряжения и токи вторичной цепи и нагрузки подстанции; U_НПЧ - регулируемое по амплитуде и фазе добавочное напряжение подстанции; I_f - входной ток рекуперативного выпрямителя; I_с - ток батареи косинусных конденсаторов и(или) фильтрокомпенсирующих цепей; ϕ_н - фаза тока нагрузки; ±ΔU₁ - положительное и отрицательное отклонения напряжения в сети.

Вектор добавочного напряжения U_НПЧ подстанции, формируемый из напряжения нагрузки U_Н рекуперативным выпрямителем 3, фильтром 7, инвертором напряжения 5, высокочастотным понижающим трансформатором 2 и нулевым циклоконвертором 8, определяется выражением Добавочное напряжение, суммируясь при помощи главного трансформатора 1 с напряжением его вторичной обмотки U₂, обуславливает напряжение нагрузки U_H= U₂+U_НПЧ, которое с учетом выражения (1) и уравнения U₁=k_ТГU₂ имеет вид или с учетом отклонений напряжения сети ±ΔU₁ и падения напряжения на трансформаторах вызывающих отклонения напряжения на нагрузке окончательно получим где k_ТГ и k_ТП - коэффициенты трансформации главного (высокочастотного понижающего) 1 и дополнительного (высокочастотного понижающего) 2 трансформаторов; α_в и α_и - углы импульсно-фазового управления рекуперативным выпрямителем 3 и инвертором напряжения 5.

Из выражения (2) и векторных диаграмм (фиг.2) видно, что модуль и аргумент вектора напряжения нагрузки U_h можно регулировать изменением углов управления рекуперативным выпрямителем α_в и инвертором напряжения α_и. В компенсаторе изменение угла α_в осуществляется в функции отклонения реактивной составляющей мощности или тока первичной или вторичной цепи подстанции от нулевого уровня, а изменение α_и - в функции отклонения напряжения нагрузки от заданного, например номинального, уровня. При общем активно-индуктивном характере всех потребителей вторичной цепи подстанции, включая фильтрокомпенсирующие цепи и потреблении (генерации) компенсатором реактивной мощности сигнал с выхода датчика 11 реактивной составляющей мощности или тока первичной или вторичной цепи подстанции поступает на управляющий вход системы 4 управления рекуперативным выпрямителем 3 и, уменьшая (увеличивая) угол управления рекуперативным выпрямителем α_в, осуществляет увеличение (уменьшение) действующего значения выходного напряжения U_НПЧ нулевого циклоконвертора 8 и соответственно увеличивается (уменьшается) фаза вектора напряжения нагрузки U_h, опережающего вектор напряжения вторичной обмотки U₂ главного трансформатора 1. При этом датчик 12 отклонения напряжения нагрузки 14 подает сигнал на управляющие входы систем управления 6 и 9. Эти системы, одновременно изменяя фазу выходного напряжения инвертора напряжения 5 и нулевого циклоконвертора 8 на угол α_и, осуществляют регулирование действующего значения напряжения нагрузки U_H.

В результате такого амплитудно-фазового воздействия на выходное напряжение нулевого циклоконвертора 8 вектор этого напряжения U_НПЧ так формирует свой модуль и аргумент, что вектор напряжения нагрузки U_h является радиусом заданной кружности.

При общем активно-емкостном характере всех потребителей вторичной цепи подстанции, что может иметь место при малоиндуктивных и активных нагрузках, компенсатор работает аналогично, но при этом формирование выходного напряжения нулевого циклоконвертора 8 осуществляется в области отставания относительно напряжения на вторичной обмотке главного трансформатора 1. В этой области тиристоры инвертора напряжения 3 работают с естественной коммутацией.

В процессе стабилизации выходного напряжения подстанции при пониженном (повышенном) значении напряжения сети 13, рекуперативный выпрямитель 3 работает в выпрямительном (инверторном) режиме, обеспечивая устройству работу в режиме вольтодобавки (вольтовычета) с потреблением дополнительной энергии из вторичной цепи главного трансформатора 1 (рекуперацией избыточной энергии в сеть).

Нулевой циклоконвертор 8 с естественной коммутацией обладает свободным обменом энергии благодаря изменению длительности работы катодных и анодных фазных тиристорных групп в выпрямительном и инверторном режимах при помощи синхронизированной с сетью системы управления 9. В процессе регулирования фазы добавочного напряжения происходит автоматическое перераспределение длительностей выпрямительного и инверторного режимов по знаку тока нагрузки 14.

Использование компенсатора позволяет осуществлять прямую полную компенсацию реактивной мощности в первичной или во вторичной цепи подстанции с обеспечением стабильности действующего значения выходного напряжения независимо от жесткости внешней характеристики сети, а также от величины и характера нагрузки.

Формула изобретения

1. Компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, включенный на низкой стороне главного трансформатора подстанции и содержащий два преобразователя частоты и включенный между ними высокочастотный понижающий трансформатор, первый преобразователь частоты повышает частоту по отношению к частоте сети и выполнен со звеном постоянного напряжения на базе рекуперативного выпрямителя, фильтра и инвертора напряжения, а второй преобразователь частоты понижает частоту до частоты сети и представляет собой нулевой циклоконвертор с естественной коммутацией, вход первого преобразователя частоты подключен к нагрузке, к которой также через вторичную обмотку главного трансформатора подключен выход нулевого циклоконвертора, вход нулевого циклоконвертора подключен к соединенной в звезду с изолированной или заземленной нейтралью вторичной обмотке высокочастотного понижающего трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу инвертора напряжения, системы управления инвертором напряжения и нулевым циклоконвертором синхронизированы с сетью и выполнены с возможностью одновременного регулирования фазы по отношению к напряжению сети, для чего их синхронизирующие входы объединены и через измерительно-синхронизирующий блок подключены к вторичной обмотке главного трансформатора, а их управляющие входы также объединены и подключены к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, отличающийся тем, что первичная обмотка высокочастотного понижающего трансформатора соединена в треугольник, а инвертор напряжения выполнен со 180^o управлением, к входу рекуперативного выпрямителя подключены фильтрокомпенсирующие цепи и введен датчик реактивной составляющей мощности или тока первичной или вторичной цепи подстанции, выход которого подключен к управляющему входу системы управления рекуперативным выпрямителем, выполненной с ограничением минимального уровня выпрямленного напряжения, а системы управления инвертором напряжения и нулевым циклоконвертором выполнены с возможностью регулирования фазы на 360^o, и вводится батарея косинусных конденсаторов, которая так же, как и датчик реактивной составляющей или тока соответственно подключена к первичной или вторичной цепи трансформаторной подстанции.

2. Компенсатор по п. 1, отличающийся тем, что при снижении выходного напряжения рекуперативного выпрямителя дискретно кратно частоте сети снижают выходную частоту инвертора напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3