Устройство централизованной компенсации реактивной мощности в n-фазной высоковольтной сети
Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам, обеспечивающим энергосбережение путем централизованной компенсации реактивной мощности в условиях переменных нагрузок, и может быть использовано в высоковольтных электрических сетях напряжением от 3 кВ и выше. Технический результат заключается в улучшении энергосбережения в сетях с переменной нагрузкой. Для этого заявленное устройство содержит регулятор реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, трансформатор напряжения, n батарей косинусных конденсаторов, каждая из которых включает m косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине, n блоков контакторов, каждый из которых включает m контакторов, также введены n батарей подстроечных косинусных конденсаторов, каждая из которых включает k подстроечных косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине, n блоков коммутаторов, каждый из которых включает k коммутаторов, контроллер, n анализаторов гармонического состава сигнала, при этом суммарную емкость CΣбп в каждой из n батарей подстроечных конденсаторов выбирают из соотношения CΣбп=Ск, где Ск - емкость единичного конденсатора в каждой из n батарей косинусных конденсаторов, где n, m, k>/=1. 1 ил.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам, обеспечивающим энергосбережение путем централизованной компенсации реактивной мощности в условиях переменных нагрузок, и может быть использовано в высоковольтных электрических сетях напряжением от 3 кВ и выше.
Централизованная компенсация применяется на предприятиях с большим количеством потребителей, имеющих большой разброс коэффициента мощности в течение суток, то есть для переменной нагрузки. В энергосистемах таких предприятий индивидуальная компенсация неприемлема, так как, во-первых, становится слишком дорогостоящей из-за большого числа потребителей и, во-вторых, возрастает вероятность перекомпенсации.
Из уровня техники известны способы и устройства компенсации реактивной мощности в высоковольтных сетях, которые выполняются в основном с использованием следующих средств:
шунтирующих реакторов;
статических тиристорных компенсаторов;
косинусных конденсаторов.
Известны [Александров Г.Н., Передача электрической энергии. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2007. - 412 с. (Энергетика в политехническом университете). Стр.173] компенсаторы реактивной мощности в высоковольтной сети, выполненные на базе не перестраиваемых шунтирующих реакторов, подключенных непосредственно к линейным проводам высоковольтной линии. Недостатком таких компенсаторов является возможность возникновения перекомпенсации и паразитных резонансов при изменении нагрузки в линии, а также низкая надежность и высокая стоимость вследствие того, что реакторы должны быть выполнены с учетом возможности функционирования в условиях высоких напряжений.
Известен [Патент РФ №2280934, МПК H02J 3/18, опубликовано 27.07.2006] компенсатор реактивной мощности, в котором в качестве средства компенсации используют подключаемые через понижающий трансформатор к высоковольтной сети тиристорно-реакторная группа, фильтры высших гармоник и статический компенсатор реактивной мощности на полностью управляемых вентилях (СТАТКОМ), в котором частично устранены указанные выше недостатки. Однако недостатком такого компенсатора реактивной мощности является высокая стоимость, значительное потребление активной мощности и высокий уровень гармоник, источником которых является СТАТКОМ. Это обусловлено тем обстоятельством, что СТАТКОМ фактически представляет собой инвертор, выполненный на мощных полевых транзисторах, который из напряжения источника постоянного тока формирует синусоидальное напряжение, изменяемое по фазе за счет использования широтно-импульсной модуляции. Использование в качестве компенсирующих устройств СТАТКОМ может привести к отрицательному эффекту - затраты активной энергии на компенсацию могут превысить экономию от снижения затрат на реактивную энергию.
Известно [Патент РФ №2337424, МПК H01F 29/14, опубликовано 27.10.2008] устройство централизованной компенсации реактивной мощности в n-фазной высоковольтной сети, содержащее регулятор реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, выход которого подключен к управляющему входу регулятора реактивной мощности, трансформатор напряжения, выводы первичной обмотки которого подключены к соответствующим линейным проводам n-фазной высоковольтной сети, а выводы вторичной обмотки которого подключены к общей шине и соответствующим входам измерителя реактивной мощности, n батарей косинусных конденсаторов, каждая из которых включает m косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине, n блоков контакторов, каждый из которых включает m контакторов, первые силовые выводы которых подключены к вторым выводам соответствующих косинусных конденсаторов из n батарей косинусных конденсаторов, вторые выводы которых объединены, а управляющие входы которых подключены к соответствующим управляющим выходам регулятора реактивной мощности. Положительной отличительной особенностью известного устройства централизованной компенсации реактивной мощности, принятого за прототип, является то, что в нем в качестве средства компенсации реактивной мощности используются автоматически коммутируемые батареи косинусных конденсаторов.
Основными преимуществами использования батарей косинусных конденсаторов для компенсации реактивной мощности являются:
- небольшие, практически постоянные в зоне номинальной температуры окружающей среды, удельные потери активной мощности косинусных конденсаторов, не превышающие 0,5 Вт на 1 квар компенсационной мощности, т.е. не более 0,5%.
- отсутствие механически перемещаемых частей в процессе эксплуатации;
- простота монтажа и эксплуатации;
- относительно невысокие капиталовложения;
- большой диапазон подбора требуемой мощности;
- относительная простота схемы регулирования реактивной мощности;
- возможность установки в любых точках электросети, бесшумность работы.
Однако в известном устройстве батареи косинусных конденсаторов подключены непосредственно к линейным проводам высоковольтной сети и в нем отсутствуют средства защиты косинусных конденсаторов от перенапряжений, обусловленных как наличием высших гармоник, так и скачков напряжения в моменты резкого изменения реактивной составляющей нагрузки потребителей. Указанные обстоятельства приводят к следующим недостаткам:
- снижение надежности функционирования устройства вследствие отказов косинусных конденсаторов и силовых контакторов из-за перенапряжений;
- использование дорогостоящего управляемого магнитного реактора для повышения точности регулирования по причине нецелесообразности наращивания батарей косинусных конденсаторов вследствие их больших габаритов (из-за большого рабочего напряжения) и высокой стоимости;
- низкое быстродействие из-за инерционности управляемого магнитного реактора;
- наличие коммутационных бросков напряжения в сети из-за возникновения высоковольтных разрядов между контактами в момент срабатывания контакторов.
Задачей настоящего изобретения является улучшение энергосбережения в сетях с переменной нагрузкой.
Технический результат, получаемый в результате осуществления и использования заявленного изобретения, заключается в повышении надежности и быстродействии устройства централизованной компенсации реактивной мощности, улучшении качества тока в сети, а также снижении габаритов и стоимости устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство централизованной компенсации реактивной мощности в n-фазной высоковольтной сети, содержащее регулятор реактивной мощности 1, измеритель реактивной мощности 2, выход которого подключен к управляющему входу регулятора реактивной мощности 1, трансформатор напряжения 3, выводы первичной обмотки которого подключены к соответствующим линейным проводам n-фазной высоковольтной сети, а выводы вторичной обмотки которого подключены к общей шине и соответствующим входам измерителя реактивной мощности 2, n батарей косинусных конденсаторов 4, каждая из которых включает m косинусных конденсаторов 5, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине, n блоков контакторов 6, каждый из которых включает m контакторов 7, первые силовые выводы которых подключены к вторым выводам соответствующих косинусных конденсаторов 5 из n батарей косинусных конденсаторов 4, вторые силовые выводы которых объединены, а управляющие входы которых подключены к соответствующим управляющим выходам регулятора реактивной мощности 1, дополнительно содержит: n батарей подстроечных косинусных конденсаторов 11, каждая из которых включает k подстроечных косинусных конденсаторов 12, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине; n блоков коммутаторов 13, каждый из которых включает k коммутаторов 14, первые силовые выводы которых подключены ко вторым выводам соответствующих подстроечных косинусных конденсаторов 12 из n батарей подстроечных косинусных конденсаторов 11, вторые силовые выводы которых соединены с объединенными вторыми силовыми выводами контакторов 7 из соответствующего n блока контакторов 6; контроллер 10, информационные выходы которого подключены к информационным входам регулятора реактивной мощности 1, управляющий вход - к управляющему выходу регулятора реактивной мощности 1, а управляющие выходы - к управляющим входам коммутаторов 14 соответствующего n блока коммутаторов 13; n анализаторов 9 гармонического состава сигнала, первые входы которых подключены к соответствующим выводам вторичной обмотки трансформатора напряжений 3, вторые входы - к объединенным вторым силовым выводам контакторов 7 соответствующего n блока контакторов 6, а выходы - к соответствующим входам контроллера 10; понижающий трансформатор 8, выводы первичной обмотки которого подключены к соответствующим линейным проводам n-фазной высоковольтной сети, а соответствующие выводы вторичной обмотки - к общей шине и объединенным вторым силовым выводам контакторов 7 соответствующего n блока контакторов 6; при этом суммарную емкость CΣбп в каждой из n батарей подстроечных конденсаторов 11 выбирают из соотношения CΣбп=Ск, где Ск - емкость единичного конденсатора в каждой из n батарей косинусных конденсаторов 4, где n, m, k>/=1.
При этом «n» определяется фактическим значением числа фаз питающей сети, в составе которой используется данное устройство и не может быть меньше единицы. Наиболее вероятные значения «n» от 1 до 3-х, но может быть и значительно больше для многофазных промышленных нагрузок. Конкретные значения «m» и «k» определяются, прежде всего, требуемой точностью компенсации реактивной мощности и могут принимать целые значения большие или равные единице 1: m>/=, k>/=1.
Увеличение надежности функционирования устройства централизованной компенсации реактивной мощности в n-фазной высоковольтной сети происходит за счет исключения перегрузок косинусных кондесаторов, вследствие снижения их рабочего напряжения, а также отстройкой от паразитных резонансов за счет функционирования дополнительного контура автоматического регулирования, включающего анализаторы гармонического состава сигнала, контроллер и батареи подстроечных конденсаторов.
Качество тока в сети устройства улучшается вследствие исключения дуговых разрядов за счет снижения напряжения на силовых контактах устройства в момент срабатывания контакторов, а также исключения управляемого магнитного реактора, являющегося источником высших гармоник.
Повышение быстродействия устройства происходит за счет снижения рабочего напряжения исполнительных устройств контура автоматического регулирования (контакторов, коммутаторов, обеспечивающих автоматическую коммутацию косинусных конденсаторов, которые могут быть реализованы, например, на базе быстродействующих полупроводниковых ключей) и исключения инерционного контура регулирования выполненного с использованием управляемого магнитного реактора.
В предложенном устройстве в отличие от устройства, использованного в качестве прототипа, могут быть использованы современные малогабаритные низковольтные косинусные конденсаторы, имеющие преимущественно металлопленочную структуру обкладок - напыление слоя металлизации толщиной около десяти нанометров, на одну из сторон полимерной пленки или двойное - двухсторонняя металлизация конденсаторной бумаги, с последующей пропиткой минеральным маслом и прокладкой из полимерной пленки. Подобное исполнение диэлектрической системы позволяет уменьшить габариты, вес косинусного конденсатора и добиться эффекта самовосстановления его работоспособности при локальных пробоях диэлектрика. В связи со значительным уменьшением габаритов косинусных конденсаторов может быть увеличено их количество в батареях для обеспечения требуемой точности компенсации реактивной мощности.
Таким образом, в случае замены высоковольтных косинусных конденсаторов на малогабаритные низковольтные (что обусловлено изменением схемы их подключения), а также за счет исключение из контура регулирования управляемого магнитного реактора происходит снижение габаритов и стоимости устройства.
В предложенном устройстве для коммутации косинусных конденсаторов могут быть использованы надежные низковольтные быстродействующие малогабаритные контакторы как механические, так и выполненные на полупроводниковых элементах, а коммутация подстроечных косинусных конденсаторов, емкость которых на порядок меньше емкости косинусных конденсаторов, может осуществляться полупроводниковыми ключами.
Анализаторы гармонического состава сигнала могут быть выполнены в виде гребенок полосовых фильтров, частоты настроек каждой из которых сосредоточены в районе частот 3-й - 7-й гармоник.
Контроллер и регулятор реактивной мощности могут быть выполнены на базе современных программирумых процессоров. Измеритель реактивной мощности может быть выполнен на базе серийно выпускаемых устройств, например, электросчетчиков, обеспечивающих измерение cos ϕ.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема заявленного устройства в частном случае его выполнения: для n (число фаз в сети)=3. «А», «В», «С» - обозначения проводов соответствующих фаз 3-х фазной сети. Одинарные линии обозначают электрическую связь, а двойные (шины) - многоканальную связь (аналог - одножильные и многожильные провода).
Связи, указанные между отдельными частями устройства, изображенными в виде функциональных блоков, в общем случае являются многоканальными для обеспечения отраженного в формуле и описании изобретения алгоритма функционирования устройства. Питание функциональных блоков может осуществляться от внешнего источника бесперебойного питания, который на чертеже не показан.
Устройство централизованной компенсации реактивной мощности в 3-х фазной высоковольтной сети содержит регулятор реактивной мощности 1, измеритель реактивной мощности 2, трансформатор напряжения 3, три батареи косинусных конденсаторов 4, каждая из которых включает три косинусных конденсатора 5, три блока контакторов 6, каждый из которых включает три контактора 7, понижающий трансформатор 8, три анализатора 9 гармонического состава сигнала, контроллер 10, три батареи подстроечных косинусных конденсаторов 11, каждая из которых включает три подстроечных косинусных конденсатора 12, три блока коммутаторов 13, каждый из которых включает три коммутатора 14.
Устройство централизованной компенсации реактивной мощности в 3-х фазной высоковольтной сети работает следующим образом.
При изменении нагрузки в сети и связанных с этим изменениями характера и уровня реактивной мощности по сигналу с измерителя реактивной мощности 2 регулятором реактивной мощности 1 формируются соответствующие управляющие команды, поступающие на контакторы 7 блоков контакторов 6, в соответствии с которыми (управляющими командами) к совокупности контакторов 7 подключается соответствующая совокупность косинусных конденсаторов 5 из батарей косинусных конденсаторов 4. Суммарное реактивное сопротивление подключенных к соответствующей вторичной обмотке трансформатора 3 косинусных конденсаторов 5 по каждой из фаз трансформируется понижающим трансформатором 8 в высоковольтную сеть, обеспечивая необходимую компенсацию реактивной мощности. При этом, как по причине изменения характера нагрузки у потребителей, так и при изменении суммарной емкости косинусных конденсаторов 5, подключенных к соответствующим обмоткам понижающего трансформатора 8 и образующих с ними последовательный контур, может возникнуть резонанс напряжений. В связи с тем, что активные потери в указанном последовательном контуре незначительны и его добротность Q≥10, это может привести к резкому возрастанию напряжения на косинусных конденсаторах 5 и выходу их из строя. Для исключения последовательного резонанса и перегрузки косинусных конденсаторов 5, анализаторами 9 производится постоянный анализ гармонического состава сигнала на совокупности косинусных конденсаторов 5, подключенных к соответствующим обмоткам понижающего трансформатора 8. По результатам анализа определяется частота паразитного резонанса и его мощность. Контроллером 10 производится оценка поступающего с анализаторов 9 сигнала и при выявлении по результатам этой оценки необходимости отстройки от частоты паразитного резонанса формируется с учетом информации, получаемой с регулятора 1 о суммарной емкости косинусных конденсаторов 5, подключенных к каждой из фаз, управляющая команда, поступающая на коммутаторы 14 соответствующих блоков коммутаторов 13 для подключения к уже подключенным соответствующим косинусным конденсаторам 5 соответствующей совокупности подстроечных косинусных конденсаторов 12 блоков подстроечных косинусных конденсаторов 11.
С информационных выходов контроллера 10 на соответствующие информационные входы регулятора 1 передается информация о завершении процесса отстройки последовательного контура, образованного вторичной обмоткой трансформатора 8 и соответствующей совокупностью косинусных конденсаторов 5, от паразитного резонанса и информация о величине суммарной емкости подстроечных косинусных конденсаторов 12, использованных для этой цели по каждой из фаз.
Анализаторы 9 в простейшем виде могут быть выполнены в виде гребенки полосовых фильтров с включенными на их выходе измерителями амплитуды. Напряжение, поступающее с соответствующих вторичных обмоток трансформатора напряжения 3 на вторые входы анализаторов 9, используется для исключения (компенсации) влияния напряжения в высоковольтной сети на значение амплитуд напряжений паразитных резонансов на выходе анализаторов 9.
Информация о последующем изменении уровня реактивной мощности в сети, требующем компенсации, поступает от измерителя реактивной мощности 2 на регулятор реактивной мощности 1, который формирует управляющие сигналы, поступающие на управляющий вход контроллера 10, которые (управляющие сигналы) обеспечивают отключение соответствующих косинусных конденсаторов 5 всех подстроечных косинусных конденсаторов 12 в фазе, требующей компенсации реактивной мощности, а также последующее бланкирование выдачи управляющих команд с контроллера 10 на коммутаторы 14 до завершения процессов коммутации контакторов 7 по команде регулятора реактивной мощности 1. При этом регулятором реактивной мощности 1 при выработке команды на подключение косинусных конденсаторов 5 учитывается значение суммарной емкости подстроечных конденсаторов 12, отключенных контроллером 10 по управляющей команде регулятора реактивной мощности 1. Для повышения точности компенсации реактивной мощности может быть организован и иной, отличный от описанного выше, алгоритм взаимодействия между регулятором реактивной мощности 1 и контроллером 10, обеспечивающий использование свободных подстроечных косинусных конденсаторов 12 для компенсации небольших отклонений реактивной мощности.
Емкость Ci подстроечных косинусных конденсаторов 12 в батареях подстроечных косинусных конденсаторов 11 может выбираться из соотношения Ci=Ci+1, или Ci=2Ci+1, где 1≤i≤k, где: i - текущее значение номера подстроенного косинусного конденсатора 12, k - число подстроечных косинусных конденсаторов 12 в батареях подстроечных косинусных конденсаторов 11.
Устройство централизованной компенсации реактивной мощности в n-фазной высоковольтной сети, содержащее регулятор реактивной мощности 1, измеритель реактивной мощности 2, выход которого подключен к управляющему входу регулятора реактивной мощности 1, трансформатор напряжения 3, выводы первичной обмотки которого подключены к соответствующим линейным проводам n-фазной высоковольтной сети, а выводы вторичной обмотки которого подключены к общей шине и соответствующим входам измерителя реактивной мощности 2, n батарей косинусных конденсаторов 4, каждая из которых включает m косинусных конденсаторов 5, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине, n блоков контакторов 6, каждый из которых включает m контакторов 7, первые силовые выводы которых подключены к вторым выводам соответствующих косинусных конденсаторов 5 из n батарей косинусных конденсаторов 4, вторые силовые выводы которых объединены, а управляющие входы которых подключены к соответствующим управляющим выходам регулятора реактивной мощности 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит: n батарей подстроечных косинусных конденсаторов 11, каждая из которых включает k подстроечных косинусных конденсаторов 12, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине; n блоков коммутаторов 13, каждый из которых включает k коммутаторов 14, первые силовые выводы которых подключены ко вторым выводам соответствующих подстроечных косинусных конденсаторов 12 из n батарей подстроечных косинусных конденсаторов 11, вторые силовые выводы которых соединены с объединенными вторыми силовыми выводами контакторов 7 из соответствующего n блока контакторов 6; контроллер 10, информационные выходы которого подключены к информационным входам регулятора реактивной мощности 1, управляющий вход - к управляющему выходу регулятора реактивной мощности 1, а управляющие выходы - к управляющим входам коммутаторов 14 соответствующего n блока коммутаторов 13; n анализаторов 9 гармонического состава сигнала, первые входы которых подключены к соответствующим выводам вторичной обмотки трансформатора напряжений 3, вторые входы - к объединенным вторым силовым выводам контакторов 7 соответствующего n блока контакторов 6, а выходы - к соответствующим входам контроллера 10; понижающий трансформатор 8, выводы первичной обмотки которого подключены к соответствующим линейным проводам n-фазной высоковольтной сети, а соответствующие выводы вторичной обмотки - к общей шине и объединенным вторым силовым выводам контакторов 7 соответствующего n блока контакторов 6; при этом суммарную емкость СΣбп в каждой из n батарей подстроечных конденсаторов 11 выбирают из соотношения CΣбп=Ск, где Ск - емкость единичного конденсатора в каждой из n батарей косинусных конденсаторов 4, где n, m, k>/=1.
