Способ регулирования синусоидального напряжения в высоковольтной электрической сети

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электроснабжения для регулирования или стабилизации трехфазного синусоидального напряжения. Техническим результатом является уменьшение токов, протекающих в транзисторных блоках инверторов, коэффициентов трансформации трехфазных вольтодобавочных трансформаторов и мощности однотипных вольтодобавочных ячеек по отношению к мощности сети. Суть технического решения заключается в формировании и поочередном суммировании с напряжением сети N-го числа добавочных напряжений шестиступенчатой формы, каждое из которых регулируется в двенадцати поддиапазонах. Шесть из поддиапазонов с синфазным и шесть с противофазным формированием по отношению к напряжению сети. При регулировании напряжения сети в сторону увеличения поочередно с ним суммируются N синфазных добавочных напряжений, а при регулировании в сторону уменьшения поочередно суммируются N противофазных добавочных напряжений. Изменение знака добавочного напряжения производится по знаку сигнала обратной связи в области заданного, например номинального, значения напряжения сети при N=1. Дополнительным техническим результатом является улучшение синусоидальности и точности при регулировании трехфазного напряжения. 1 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетике, и может быть использовано в системах электроснабжения для регулирования или стабилизации трехфазного синусоидального напряжения.

Известны способ регулирования синусоидального напряжения в высоковольтной электрической сети (Патент RU №2236078, опубл. 10.09.2004 г.). Это техническое решение (см. вариант 2 с источником постоянного напряжения) выбрано наиболее близким аналогом.

В основе технического решения, выбранного за аналог, лежит формирование регулируемого по модулю вектора добавочного напряжения и суммирование его с вектором напряжения сети. Для этого применяют вольтодобавочное устройство, в котором в качестве силового сумматора применен трехфазный вольтодобавочный трансформатор, а в качестве формирователя регулируемого добавочного напряжения используется блок инверторов напряжения, состоящий из трех однофазных мостовых или двух трехфазных мостовых инверторов напряжения, выполненных на IGBT модулях. Первичные обмотки трехфазного вольтодобавочного трансформатора пофазно включены в высоковольтную сеть, а вторичные фазные обмотки началами и концами через блок инверторов напряжения подключены к источнику постоянного напряжения. Транзисторы инверторов напряжения управляются широкими импульсами с длительностью, равной π и применен принцип совместного согласованного управления, при котором импульсы с углами управления α и β = (π - α) подают на транзисторы, соответственно подключенные к началам и концам вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора и производят встречное симметричное регулирование добавочного напряжения внутри каждого полупериода напряжения сети на интервале от π/12 до (π-π/12).

Установлено, что регулирование напряжения известным способом-аналогом производится в шести поддиапазонах. При α ≤ π/2 регулирование производится в трех положительных поддиапазонах, а при α ≥ π/2 в трех отрицательных поддиапазонах с частотой модуляции в 3 раза выше частоты коммутации транзисторов блока инверторов напряжения (см. в кн. Климаш B.C. «Вольтодобавочные устройства для компенсации отклонений напряжения и реактивной энергии с амплитудным, импульсным и фазовым регулированием»: Монография. - Владивосток: Дальнаука, 2002. - стр. 53-56, рис. 2.13, а). Кроме этого, используя метод наложения (см. там же - стр.24, рис.1.12) и метод комплексно-сопряженных векторов с преобразованиями Эйлера (см. там же - стр. 25, рис. 1.13) установлено также, что модуль вектора добавочное напряжение регулируется в функции cos(α). Учитывая это регулировочное свойство способа-аналога, применяют арккосинусное построение системы управления блоком инверторов, при котором добавочное напряжение регулируется по линейному закону без сдвига относительно напряжения сети и меняет знак по знаку напряжения управления при U_y = 0 и α = arccos(kU_y) = π/2.

К недостаткам известного способа следует отнести его применение в электрических сетях ограниченной мощности с низким классом напряжения (6-10 кВ).

С увеличением мощности и напряжения электрической сети такой принцип регулирования напряжения требует применения в блоке инверторов параллельных и последовательных соединений транзисторных IGBT модулей, что усложняет реализацию и, как следствие, снижает надежность устройства и системы электроснабжения в целом.

Наиболее близким по физической сущности являются способ и устройство для регулирования синусоидального напряжения в высоковольтной электрической сети, которые взяты за прототип (Патент RU 2717833, 26.03.2020).

Суть способа-прототипа заключается в формировании регулируемого по модулю и направлению вектора добавочного напряжения и суммировании его с вектором напряжения сети. При регулировании модуля вектора добавочного напряжения его направление может совпадать с направлением вектора напряжения сети или быть противоположным. Модуль вектора добавочного напряжения регулируется пропорционально сигналу управления, а его направления меняется по знаку этого сигнала.

Для реализации способа-прототипа применяют вольтодобавочную ячейку, которая состоит из двух последовательно соединенных вольтодобавочных устройств, описанных в способе-аналоге. Отличительной особенностью способа-прототипа является то, что для транзисторных блоков инверторов первого и второго вольтодобавочных устройств управляющие импульсы сдвинуты относительно напряжения сети в разные стороны на постоянный угол, равный π/24. Это позволило по сравнению со способом-аналогом улучшить качество регулирования напряжения электрической сети за счет увеличения в 2 раза уровней ступенчатого формирования и поддиапазонов регулирования добавочного напряжения, кратных числу m фаз сети (4m у прототипа против 2m у аналога), уменьшить коммутационные потери за счет возможности снижения в 2 раза частоты коммутации транзисторов при сохранении той же частоты модуляции добавочного напряжения, а также, используя тех же сравнительно маломощные IGBT модули в блоках инверторов, увеличить мощность регулятора (стабилизатора) напряжения электрической сети в 2cos(π/24) раза.

Способ-прототип обладает теми же регулировочными свойствами, которые подробно раскрыты при описании способа-аналога. Вместе с тем, он имеет улучшенные энергетические показатели.

К недостаткам прототипа следует отнести его применение в электрических сетях ограниченной мощности с низким классом напряжения (6-20) кВ.

С увеличением мощности и напряжения электрической сети такой принцип регулирования напряжения требует применения в блоках инверторов напряжения вольтодобавочной ячейки параллельных и последовательных соединений транзисторных IGBT модулей, что усложняет реализацию силовой части и систему управления и, как следствие, снижает надежность устройства и системы транспортировки электроэнергии в целом.

Задачей изобретения является создание способа регулирования напряжения для высоковольтной электрической сети большой мощности на основе сравнительно маломощных транзисторных модулей.

В результате решения поставленной задачи будут уменьшены токи транзисторных блоков инверторов, коэффициенты трансформации трехфазных вольтодобавочных трансформаторов и мощность однотипных вольтодобавочных ячеек по отношению к мощности сети. При составлении регуляторов из таких унифицированных ячеек станет возможным построение мощных регуляторов (стабилизаторов) синусоидального напряжения для высоковольтной электрической сети на основе сравнительно маломощных IGBT-транзисторов.

К дополнительным полезностям от решения поставленной задачи следует отнести улучшение синусоидальности и точности при регулировании трехфазного напряжения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что производят каскадное регулирование напряжения при помощи N последовательно соединенных в каскад вольтодобавочных ячеек, при котором последующая вольтодобавочная ячейка вступает в процесс регулирования добавочного напряжения после завершения регулирования добавочного напряжения предыдущей вольтодобавочной ячейкой, как при регулировании напряжения сети на повышение в 6N положительных поддиапазонах, так и на понижение в 6N отрицательных поддиапазонах, причем смена знака добавочного напряжения каждой ячейки производится по знаку напряжения управления в процессе регулировании напряжения первой ячейкой (N = 1).

Суть технического решения заключается в формировании и поочередном суммировании с напряжением сети N-го числа добавочных напряжений шестиступенчатой формы, каждое из которых регулируется в двенадцати поддиапазонах, шесть из которых с синфазным и шесть с противофазным формированием по отношению к напряжению сети. При регулировании напряжения сети в сторону увеличения поочередно с ним суммируются n положительных (синфазных) добавочных напряжений, а при регулировании в сторону уменьшения поочередно суммируются N отрицательных (противофазных) добавочных напряжений. Изменение знака добавочного напряжения производится по знаку напряжения управления, в качестве которого может быть использован сигнал обратной связи в области заданного, например номинального, значения напряжения сети при Ν = 1.

Техническим результатом от применения предлагаемого способа является возможность построения мощных регуляторов синусоидального напряжения в высоковольтных электрических сетях на основе сравнительно маломощных IGBT-транзисторов.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется нижеследующим описанием с прилагаемым чертежом, где на фиг. 1 приведена схема вольтодобавочного каскада, реализующая способ регулирования синусоидального напряжения в высоковольтной электрической сети.

Схема вольтодобавочного каскада (фиг.), реализующая предлагаемый способ содержит следующие элементы. Ν = 1…n - вольтодобавочные ячейки, 2 и 3 - вольтодобавочные устройства, 4 и 5 - трехфазные вольтодобавочные трансформаторы, 6 и 7 - транзисторные блоки инверторов напряжения, 8 - система управления инверторами напряжения, 9 - блок синхронизации, 10 - датчик отклонения напряжения, 11 - система управления вольтодобавочным каскадом, 12 и 13 - входные и выходные зажимы вольтодобавочного каскада, предназначенные для включения в высоковольтную электрическую сеть; Uз - напряжение задание, Uy1 - напряжение управление на первую ячейку, Uyn - напряжение управление на n ячейку.

Элементы вольтодобавочного каскада соединены следующим образом.

Вольтодобавочные ячейки каскада Ν = 1, 2…n соединены последовательно и включены между входными и выходными зажимами 12 и 13, предназначенные для вставки в электрическую сеть. Ячейки соединяются между собой первичными обмотками первого и второго 4 и 5 вольтодобавочных трансформаторов. Вторичные обмотки вольтодобавочных трансформаторов 4 и 5 через транзисторные блоки инверторов напряжения 6 и 7 подключены к источнику постоянного напряжения. Системы управления инверторами напряжения 8 каждой ячейки синхронизированы с сетью через блок 9, а их управляющие входы подключены к соответствующим выходам системы управления вольтодобавочным каскадом 11. Вход системы управления вольтодобавочным каскадом 11 подключен к выходу датчика отклонения напряжения 10.

Суть предлагаемого способа и его принцип действия заключаются в выполнения последовательности известных и вновь введенных операций.

Способ работают следующим образом.

При изменении напряжения управления, снимаемого с датчика отклонения напряжения 10, ячейки вольтодобавочного каскада поочередно вступают в процесс широтно-импульсного регулирования добавочного напряжения, причем в каждый момент времени в этом процессе участвует только одна ячейка, которая в зависимости от знака напряжения управления производит регулирование в шести положительных или в шести отрицательных поддиапазонах. После прохождения предыдущей ячейкой шести поддиапазонов и дальнейшем увеличении напряжения управления в процесс шестиподдиапазоного широтно-импульсного регулирования вступает последующая ячейка.

При реализации режима «стабилизатора» изменение напряжения управления и работа способа производится за счет отклонений напряжения в сети при фиксированном сигнале задания, а при реализации режима «регулятора» за счет регулирования сигнала задания.

При общем 10% диапазоне регулирования каскадом добавочное напряжение от каждой предыдущей отработанной ячейки равно (0,1/N) Uc и имеет шестиступенчатую форму (вторичные обмотки вольтодобавочных трансформаторов через модули инверторов подключены к источнику постоянного напряжения), а у всех последующих ячеек добавочные напряжения равны нулю (вторичные обмотки вольтодобавочных трансформаторов транзисторами модулей инверторов отключены от источника постоянного напряжения и зашунтированы). При работе каждой из N ячеек вольтодобавочного каскада в 12-ти поддиапазонах вольтодобавочный каскад регулирует напряжения в 12N поддиапазонах, практически сохраняя синусоидальную форму напряжения сети.

В основе способа формирования и регулирования переменного напряжения сети лежит суммирование напряжения сети и добавочного напряжения ВДК. Формирование добавочного напряжения основано на 180-градусном управлении с ограничением пределов изменения углов управления α и β на 15 градусов, совместном согласованном управлении каскадом и межфазном взаимодействии напряжений в цепи первичной обмотки силового трансформатора с изолированной нейтралью. В результате этих особенностей регулирования напряжения вольтодобавочным каскадом производится без сдвига первой гармонической составляющей относительно напряжения сети.

Управление транзисторами инверторов напряжения производится широкими импульсами с длительностью, равной π и применен принцип совместного согласованного управления, при котором импульсы с углами управления α и β = (π - α) подают на транзисторы, подключенные соответственно к началам и концам вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора.

В результате напряжение на вторичной обмотке определится как векторная разность потенциалов U_d k_и e^jα и U_d k_и e^jβ

U_f = U_d k_И e^jα - U_d k_И e^j(π-α)

или имея в виду, что e^j(π-α)=- e^j(-α) напряжение U_f можно выразить суммой комплексно сопряженных векторов

U_f = U_d k_И (e^+jα + e^-jα,

которое, с учетом преобразований Эйлера является скалярной величиной, регулируемой в функции cos(α)

U_f =2 U_d k_И cos(α).

Здесь U_d - напряжение источника на входе инверторов, k_И - коэффициент передачи напряжения инвертором напряжения, α - угол регулирования напряжения.

Добавочное напряжение ячейки с двумя вольтодобавочными устройствами, у которых напряжения сдвинуты относительно напряжения сети в разные стороны на угол γ = π/24

U_Д = k_BT Uf(e^+jγ + e^-jγ) = 2 k_BT U_f cos(γ) = 4 U_d k_И k_BT cos(π/24) cos(α),

где: k_BT - коэффициент трансформации первого и второго вольтодобавочных трансформаторов.

При регулировании добавочного напряжения первой ячейкой (N = 1)

U_Д1 = 4 U_d k_И k_BT cos(π/24) cos(α₁)

в сторону повышения напряжения сети α₁ изменяется от π/2 до π/12 и в сторону понижения от π/2 до 11π/12. При α₁ = π/2 добавочное напряжение меняет направление регулирования от значения U_Д1 = 0.

Напряжение на выходных зажимах каскада при повышении напряжения сети первой ячейкой (Ν = 1) до его предельно возможного значения (α₁ = π/12) и регулировании напряжения сети второй ячейкой (n = 2) с изменением α₂ от π/2 до π/12

U₂ = U₁ + (U_Д1 + U_Д2) = U₁ + 4 U_d k_И k_BT cos(π/24) [cos(π/12) + cos(α₂)].

Напряжение на выходных зажимах каскада при регулировании напряжения сети последней ячейкой (Ν = n) с изменением α_N от π/2 до π/12

U_ДN = 4 U_d k_И k_BT cos(π/24) [(n - 1) cos(π/12) + cos(α_N)],

где Ν - количество ячеек; n - номер ячейки.

Областью применения способа являются электрические сети напряжением (35-110) кВ, мощностью (25-100) MB А.

Предлагаемый способ, как более совершенный по эксплуатационной надежности применительно к высоковольтным электрическим сетям, может заменить известные способы регулирования или стабилизации трехфазного синусоидального напряжения.

Способ регулирования синусоидального напряжения в высоковольтной электрической сети при помощи вольтодобавочной ячейки, выполненной из двух вольтодобавочных устройств, каждое из которых содержит трехфазный вольтодобавочный трансформатор и блок инверторов напряжения, выполненный на транзисторных IGBT модулях, причем первичные обмотки первого и второго вольтодобавочных трансформаторов соединены пофазно последовательно и включены в трехфазную электрическую сеть, а вторичные обмотки первого и второго вольтодобавочных трансформаторов соответственно через первый и второй блоки инверторов напряжения подключены к источнику постоянного напряжения, при этом каждый блок инверторов напряжения содержит три однофазных мостовых или два трехфазных мостовых инвертора напряжения с общей для них системой совместного согласованного управления, которая сначала формирует широкие импульсы длительностью равной π, с углами управления α и β = (π - α) для транзисторов, подключенных соответственно к началам и концам вторичных обмоток как первого, так и второго вольтодобавочных трансформаторов, а затем на каждом полупериоде напряжения сети регулирование углов управления α и β производит на ограниченном интервале от π/12 до π - π/12 и производит сдвиг углов управления первым и вторым блоками инверторов напряжения относительно напряжения сети в противоположные стороны на постоянный угол π/24, формируя их соответственно равными α1 = (α - π/24) и β1 = (β - π/24), α2 = (α + π/24) и β2 = (β + π/24), при которых вольтодобавочная ячейка производит регулирование добавочного напряжения в двенадцати поддиапазонах со сменой знака добавочного напряжения при α = π/2, причем при α ≤ π/2 регулирование производит в шести положительных, а при α ≥ π/2 в шести отрицательных поддиапазонах, отличающийся тем, что производят каскадное регулирование напряжения при помощи N последовательно соединенных в каскад вольтодобавочных ячеек, при котором последующая вольтодобавочная ячейка вступает в процесс регулирования добавочного напряжения после завершения регулирования добавочного напряжения предыдущей вольтодобавочной ячейкой, как при регулировании напряжения сети на повышение в 6N положительных поддиапазонах, так и на понижение в 6N отрицательных поддиапазонах, причем смена знака добавочного напряжения каждой ячейки производится по знаку напряжения управления в процессе регулирования напряжения первой ячейкой (N = 1).