компенсатор реактивной мощности

Формула изобретения

КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, содержащий два трехфазных моста с запираемыми вентилями, сглаживающие реакторы, трехфазный фильтр и блоки управления вентилями, причем на стороне постоянного тока мосты и реакторы включены последовательно в замкнутый контур, на стороне переменного тока мосты подключены параллельно к общему трехфазному входу, углы регулирования у первого и второго мостов имеют различные значения, отличающийся тем, что, с целью уменьшения стоимости и повышения надежности путем ограничения аварийных токов и перенапряжений, между шинами трехфазного напряжения и общим трехфазным входом двух мостов в каждой фазе включена вентильно-реакторная группа, в которой по схеме однофазного моста соединены два тиристорных вентиля, входящих в противоположные плечи моста, два диодных вентиля и в ветви выпрямленного тока токоограничивающий реактор, трехфазный фильтр подключен к общему трехфазному входу двух мостов, при работе компенсатора с потреблением реактивной мощности угол регулирования у первого моста близок к 75 эл. град. , а у второго моста - к к (105-) эл. град. , а при работе компенсатора с выдачей реактивной мощности угол регулирования у первого моста близок к -75 эл. град. , а у второго моста -к-(105-) эл. град. , при этом угол = 2arctg(P / | Q | ) , где P - потери активной мощности в компенсаторе, а | Q | - абсолютное значение реактивной мощности, потребляемой или выдаваемой компенсатором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано на электрических подстанциях трехфазного напряжения для компенсации и регулирования реактивной мощности.

Известны компенсаторы реактивной мощности, содержащие конденсаторные батареи и потребители реактивной мощности (реакторы, преобразователи), управляемые тиристорами. Основной недостаток таких компенсаторов - необходимость для выдачи реактивной мощности сооружения конденсаторной батареи.

Известны также компенсаторы реактивной мощности на базе преобразователей с запираемыми вентилями. В частности, такой компенсатор содержит трансформатор, трехфазный мост с запираемыми тиристорами, сглаживающий реактор и устройства управления тиристорами. В компенсаторе на базе преобразователя с запираемыми вентилями осуществляются принудительные коммутации тока при положительных и отрицательных углах регулирования. В результате компенсатор работает как в режиме потребления реактивной мощности (при положительных углах регулирования), так и в режиме выдачи реактивной мощности (при отрицательных углах регулирования). Для такого компенсатора не требуется конденсаторная батарея, как источник выдаваемой реактивной мощности.

Из известных компенсаторов реактивной мощности наиболее близким к предлагаемому является компенсатор в случае, если входящие в его состав два трехфазных моста укомплектовать запираемыми вентилями. Принимаем этот компенсатор за прототип.

Два трехфазных моста и два сглаживающих реактора прототипа на стороне постоянного тока включены последовательно в замкнутый контур. На стороне переменного тока два моста подключены к общему трехфазному входу, соединенному непосредственно с шинами трехфазного напряжения. Для уменьшения содержания высших гармоник в суммарном переменном токе двух мостов углы регулирования у первого и второго моста имеют различные значения.

Недостаток компенсатора-прототипа состоит в непосредственном соединении общего трехфазного входа двух мостов с шинами трехфазного напряжения. Из-за этого при пробое одного из вентилей и в случае нарушения нормальных коммутаций тока вентилями возникает аварийный ток короткого замыкания большой величины, так как он ограничен лишь малым внутренним сопротивлением системы переменного тока, с которой соединены шины трехфазного напряжения. В связи с этим для того, чтобы в этих случаях не выходили из строя вентили мостов, необходимо значительно увеличивать мощность вентилей - выбирать их не по рабочему току, а по большому аварийному току. Таким образом, указанный технический недостаток приводит к повышению стоимости вентилей, а следовательно, и компенсатора-прототипа.

Для ограничения аварийного тока можно между шинами трехфазного напряжения и общим трехфазным входом двух мостов включить в каждой фазе токоограничивающий реактор. Такое известное техническое решение имеет существенный недостаток, так как в контур коммутации тока вентилями вводится индуктивное сопротивление и в результате этого при коммутациях тока увеличиваются перенапряжения, воздействующие на вентили. Особенно большие перенапряжения возникают из-за введенных индуктивных сопротивлений при принудительных коммутациях тока, осуществляемых запираемыми вентилями практически мгновенно. Из-за больших перенапряжений возрастает необходимая мощность и стоимость вентилей, снижается надежность компенсатора.

Целью изобретения является уменьшение стоимости и повышение надежности компенсатора путем ограничения аварийных токов и перенапряжений, а также путем выбора оптимального значения углов регулирования у первого и второго моста и места включения трехфазного фильтра.

Это достигается тем, что в компенсаторе реактивной мощности, содержащем два трехфазные моста с запираемыми вентилями, сглаживающие реакторы, трехфазный фильтр и устройства управления вентилями, причем на стороне постоянного тока мосты и реакторы включены последовательно в замкнутый контур, на стороне переменного тока мосты подключены параллельно к общему трехфазному входу, углы регулирования у первого и второго моста имеют различные значения, осуществлены следующие технические решения:

между шинами трехфазного напряжения и общим трехфазным входом двух мостов в каждой фазе включена вентильно-реакторная группа, в которой по схеме однофазного моста соединены два тиристорных вентиля, входящих в противоположные плечи моста, два диодных вентиля, а в ветви выпрямленного тока моста - токоограничивающий реактор;

трехфазный фильтр подключен к общему трехфазному входу двух мостов;

при работе компенсатора с потреблением реактивной мощности угол регулирования у первого моста близок к 75^о, а у второго моста - к (105^о- ), при работе компенсатора с выдачей реактивной мощности угол регулирования у первого моста близок к (-75^о), а у второго моста - к -(105^о - ), причем угол равен 2arctg(P/|Q|), где Р - потери активной мощности в компенсаторе, а |Q| - абсолютное значение реактивной мощности, потребляемой или выдаваемой компенсатором.

Предлагаемое введение в состав компенсатора трех вентильно-реакторных групп и трехфазного фильтра с указанным местом его включения обеспечивает

ограничение аварийных токов до величины, допустимой по кратковременной перегрузке запираемых вентилей, выбранных по рабочему току;

ограничение перенапряжений на запираемых вентилях до уровня 1,2-1,3 от амплитуды линейного напряжения на шинах трехфазного напряжения;

повышение эффективности фильтрации высших гармоник, входящих в суммарный переменный ток двух мостов.

Указанные положительные изобретения связаны с известными особенностями функционирования вентильно-реакторной группы.

В нормальных рабочих режимах работы устройств, подключенных к сети за вентильно-реакторными группами, через токоограничивающие реакторы этих групп проходит постоянный ток и поэтому их индуктивности не оказывают влияния на работу устройств, в рассматриваемом случае не вызывают перенапряжений на вентилях компенсатора.

При коротком замыкании и других возмущениях, сопровождающихся броском аварийного тока (в рассматриваемом случае - при пробое вентиля компенсатора и нарушениях нормальной коммутации тока вентилями), происходит соответствующее нарастание тока в токоограничивающих реакторах. В результате этого их индуктивности ограничивают первую волну аварийного тока, а ее возникновение приводит к снятию импульсов управления, и, следовательно, к запиранию тиристорных вентилей вентильно-реакторных групп. Происходит не только ограничение величины аварийного тока, но и быстрое отключение аварийного устройства (за время, равное одному полупериоду, примерно за 0,01 с).

Предлагаемые значения углов регулирования у первого и второго мостов дают оптимальное улучшение формы суммарного переменного тока двух трехфазных мостов; при этих углах регулирования достигается наименьшее значение коэффициента искажения синусоидальности этого тока. В результате при заданной малоискаженной, близкой к синусоиде, форме входного тока компенсатора стоимость трехфазного фильтра уменьшается.

Таким образом, технические решения, составляющие отличительные признаки изобретения, обеспечивают выполнение цели изобретения.

В информационных материалах не обнаружены предлагаемые технические решения в их совокупности.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого компенсатора; на фиг. 2 - векторные диаграммы токов; на фиг. 3 - кривые токов компенсатора.

Компенсатор (фиг. 1) содержит два трехфазных моста 1 и 2, сглаживающие реакторы 3, трехфазный фильтр 4 и три вентильно-реакторные группы 5. Компенсатор подключен к шинам 6 трехфазного напряжения. Каждый трехфазный мост укомплектован шестью запираемыми вентилями 7. В вентильно-реакторную группу 5 входят токоограничивающий реактор 8, два тиристорные вентиля 9 и два диодных вентиля 10. Вентили 9 и 10 и реактор 8 соединены по схеме однофазного моста, причем два тиристорных вентиля 9 включены в противоположные плечи моста, а реактор 8 включен в ветвь выпрямленного тока. Мосты 1 и 2 и сглаживающие реакторы 3 включены последовательно в замкнутый контур. На стороне переменного тока мосты 1 и 2 подключены параллельно к общему трехфазному входу 11.

Между шинами трехфазного напряжения 6 и общим трехфазным входом двух мостов 11 включены пофазно три вентильно-реакторные группы 5. Трехфазный фильтр 4 подключен к входу двух мостов 11.

При работе компенсатора в режиме потребления реактивной мощности угол регулирования у моста 1 устанавливается близким к 75^о, а у моста 2 - к (105^о - ). При работе компенсатора в режиме выдачи реактивной мощности угол регулирования у моста 1 устанавливается близким к (-75)^о, а у моста 2 - к -(105^о - ). Величина угла зависит, как это показано ниже, от относительного значения потерь мощности в компенсаторе.

Работа компенсатора в режимах потребления и выдачи реактивной мощности поясняется (см. фиг. 2) векторными диаграммами 12 и 13. На диаграммах U-фазное напряжение на шинах, к которым подключен компенсатор, I₁₍₁₎ и I₂₍₁₎ -первые гармоники переменных токов мостов 1 и 2, I₍₁₎ - первая гармоника входного тока компенсатора. Токи и напряжение относятся к одной и той же фазе. В соответствии с указанными выше значениями углов регулирования у мостов 1 и 2 токи I₁₍₁₎ и I₂₍₁₎ в режиме потребления реактивной мощности отстают от напряжения U, а в режиме выдачи реактивной мощности опережают напряжение U. По векторным диаграммам 12 и 13 нетрудно определить, что первая гармоника входного тока компенсатора I₍₁₎ в режиме потребления реактивной мощности отстает от своего фазного напряжения на угол (90^о - ), а в режиме выдачи реактивной мощности опережает свое фазное напряжение на такой же угол. Поэтому величина Q реактивной мощности в режиме ее потребления и в режиме выдачи соответственно равна

Q= 3UI₍₁₎sin90- = 3UI₍₁₎cos

и

Q= 3UI₍₁₎sin -90- = -3UI₍₁₎cos . .

Величина Р активной мощности, потребляемой компенсатором в обоих режимах,

P= 3UI₍₁₎sin . .

Активная мощность Р, потребляемая компенсатором, целиком расходуется на потери мощности в элементах компенсатора Р и поэтому

P= 3UI₍₁₎sin . .

Исходя из выражений для Q и Р, следует, что угол

= 2arctg, , где |Q|- абсолютное значение реактивной мощности компенсатора;

P/|Q|- относительное значение потерь мощности в компенсаторе.

Относительные потери мощности составляют около 0,01 и поэтому

2 arctg (0,01) = 1,1^о

Таким образом, угол , зависящий от относительных потерь мощности в компенсаторе, имеет малые значения (около 1^о).

Регулирование величины реактивной мощности производится небольшим изменением угла регулирования у моста 2, что равносильно с изменением угла . При уменьшении происходит снижение активной мощности Р, потребляемой компенсатором. Из-за этого уменьшаются токи компенсатора настолько, чтобы снова восстановить равенство Р = Р. Меньшему значению тока I₍₁₎ соответствует уменьшенная абсолютная величина реактивной мощности | Q| . Соответственно небольшим увеличением абсолютного значения угла регулирования у моста 2 (увеличением ) достигается увеличение | Q| , т. е. в одном режиме происходит увеличение потребляемой реактивной мощности, а в другом режиме - увеличение выдаваемой реактивной мощности.

Таким образом, путем небольшого изменения угла регулирования моста 2 производится плавное регулирование величины реактивной мощности, потребляемой или выдаваемой, во всем диапазоне от нуля до максимально допустимой. Регулирование может осуществляться автоматически, например регулятором напряжения для обеспечения стабилизации напряжения на шинах, к которым подключен компенсатор. При необходимости автоматическое регулирование может иметь высокое быстродействие, так как для изменения реактивной мощности от нуля до максимальной величины требуется небольшое изменение угла регулирования у моста 2, что можно осуществить у всех вентилей этого моста за один период - за 0,02 с.

Переход от режима потребления реактивной мощности к режиму выдачи реактивной мощности и обратно производится путем одновременного изменения углов регулирования обоих мостов так, чтобы соблюдалось условие

₂ = 180^o - ₁ -

при 0 ₁ 75^о;

₂ = - (180^o - | ₁| - )

при -75^о ₁ 0, где ₁ и ₂ - угол регулирования соответственно у моста 1 и моста 2; - угол, зависящий от относительных потерь мощности в компенсаторе.

Значения угла регулирования у моста 1 в режимах потребления (75^о) и выдачи (-75^о) реактивной мощности и соответствующие им значения угла регулирования у моста 2 предложены с целью оптимального улучшения формы кривой суммарного переменного тока двух мостов и как результат этого для уменьшения необходимой мощности и стоимости трехфазного фильтра 4 (фиг. 1). Это поясняется кривыми токов, построенными на фиг. 3 для режима выдачи реактивной мощности.

На оси 14 (см. фиг. 3) одно из фазных напряжений u на шинах 6, к которым подключен компенсатор, на оси 15 - переменный ток i₁ моста 1, на оси 16 - переменный ток i₂ моста 2, на оси 17 - суммарный переменный ток двух мостов (i₁ + i₂) и его первая гармоника i₍₁₎. Все токи и напряжение относятся к одной и той же фазе. Углы регулирования у мостов 1 и 2 отсчитываются от момента пересечения двух фазных напряжений - момент Q_oна фиг. 3. В режиме выдачи реактивной мощности они имеют отрицательные значения. Углы регулирования (-75)^о и -(105^о - ) определяют моменты включения вентилей, через которые проходят положительные блоки переменных токов i₁, i₂ мостов 1 и 2 соответственно. Вентили - запираемые и поэтому спадание тока при отключении вентиля происходит за несколько микросекунд, практически мгновенно. Соответственно этому и нарастание тока при включении вентиля также мгновенное.

Суммарный переменный ток двух мостов i₁ + i₂ имеет улучшенную форму кривой по сравнению с формой кривых токов i₁ и i₂; в суммарном токе i₁ + i₂ меньше относительные значения высших гармоник, чем в токах i₁ и i₂. Суммарный ток по своей форме ближе к синусоиде первой гармоники.

Известно, что переменные токи мостов i₁ и i₂, кроме первой гармоники, содержат гармоники порядка n = 6 K 1, где К = 1, 2, 3, . . . , причем

I_1(n) = I₁₍₁₎, I_2(n) = I_1(n) , где I_1(n) и I₁₍₁₎ - действующее значение соответственно n-й и первой гармоники тока i₁; в токах i₂ и i₁ действующие значения всех одноименных гармоник одинаковы. Пренебрегаем в расчете углом , имеющим малую величину (около 1^о), тогда токи i₁ и i₂ сдвинуты между собой по фазе на 30^о (в частоте первой гармоники). Поэтому гармоники порядка n в этих токах сдвинуты между собой по фазе на угол n 30^o (в частоте n-й гармоники). Учитывая это, получаем выражения для расчета первой и высших гармоник в суммарном токе двух мостов

I₍₁₎ = 2I₁₍₁₎ cos 15^o, I_(n) = 2I_1(n) cos (n15^o), где I₍₁₎ и I_(n) - действующее значение соответственно первой и n-й гармоник суммарного тока i₁ + i₂. Для первой гармоники тока это непосредственно следует из векторных диаграмм фиг. 2; для n-й гармоники - из аналогичных диаграмм.

Используя формулы для I_1(n), I_(n) и I₍₁₎, получаем, что

=

Рассчитанные по этой формуле относительные значения основных высших гармоник в суммарном переменном токе двух мостов помещены в таблице. Там же для сравнения приведены относительные значения тех же гармоник в переменном токе моста 1 (или моста 2). Как видно из данных таблицы, в суммарном переменном токе двух мостов относительные значения 5-й, 7-й, 17-й и 19-й гармоник в 3,7 раза меньше относительных значений этих гармоник в переменном токе одного моста.

Улучшение формы кривой суммарного тока двух мостов можно в целом оценить по уменьшению искажения синусоидальности. Коэффициент искажения синусоидальности тока одного моста 29% , а коэффициент искажения суммарного тока двух мостов - 15% , т. е. примерно в два раза меньше.

Предлагаемые значения угла ₁ и₂ регулирования у первого моста и соответственно у второго моста дают оптимальное улучшение формы кривой суммарного переменного тока двух мостов. Проведенные расчеты показали, что коэффициент искажения синусоидальности суммарного переменного тока двух мостов при ₁ = 70, 75 и 80^o имеет соответственно следующие значения K_n = 17, 15 и 17% . При больших отклонениях ₁ от оптимальной величины, равной 75^о, значения К_и > 17% . Таким образом, предлагаемые значения углов регулирования у первого моста и соответственно у второго моста дают оптимальный результат в отношении улучшения формы кривой суммарного переменного тока двух мостов.

Оптимальное улучшение формы суммарного переменного тока двух мостов по сравнению с переменным током одного моста приводит к тому, что заданное требование по небольшому содержанию высших гармоник во входном токе компенсатора можно выполнить при меньшей мощности и стоимости трехфазного фильтра 4 (по сравнению с трехфазным фильтром компенсатора-прототипа). Трехфазный фильтр 4 может быть выполнен по одной из известных схем. В частности, он может содержать в каждой фазе LC-ветви, настроенные на основные высшие гармоники тока (на 5-ую, 7-ую, 11-ую, 13-ую гармоники) и конденсаторную ветвь для фильтрации остальных высших гармоник, имеющих более высокие частоты. Мощность конденсаторов в трехфазном фильтре 4, как показали расчеты, не превосходит 20% от номинальной мощности компенсатора.

Рассмотрим функции вентильно-реакторных групп 5 (фиг. 2).

При работе компенсатора тиристорные вентили 9 отпираются импульсами управления без запаздывания и поэтому однофазный мост вентильно-реакторной группы 5, состоящий из двух тиристорных вентилей 9 и двух диодных вентилей 10, работает как неуправляемый выпрямитель. Благодаря включению трехфазного фильтра 4 к общему входу двух мостов 11, через вентильно-реакторную группу проходит малоискаженный переменный ток, близкий к первой гармонике i₍₁₎ суммарного тока двух мостов (см. i₍₁₎ на оси 17 фиг. 3). Однофазный мост вентильно-реакторной группы 5 на стороне выпрямленного тока закорочен через токоограничивающий реактор 8 и поэтому его вентили 9 и 10 работают с большим углом коммутации, близким к 180^о, а выпрямленный ток реактора 8 хорошо сглажен. Через токоограничивающие реакторы 8 проходит постоянный ток, и поэтому их индуктивности не влияют на процессы, возникающие при мгновенных коммутациях тока запираемыми вентилями 7 трехфазных мостов 1 и 2. Из-за индуктивностей реакторов 8 не происходит увеличения перенапряжений на вентилях. Перенапряжения связаны только с малой индуктивностью сети, к которой подключен компенсатор, и с незначительной собственной индуктивностью цепей (монтажных проводов) компенсатора. В результате перенапряжения на запираемых вентилях 7 не превосходят 1,2-1,3 от амплитуды линейного напряжения на шинах 6. Этот положительный эффект достигается за счет включения токоограничивающего реактора 8 в цепь выпрямленного (постоянного) тока однофазного вентильного моста 5. При непосредственном включении реакторов 8 в фазы цепи питания мостов 1 и 2 (без вентилей 9 и 10) перенапряжения на запираемых вентилях 7 компенсатора возрастут в 2-3 раза.

При нарушении нормальной работы трехфазных мостов 1 и 2, которое сопровождается резким возрастанием тока (пробой вентиля 7, короткое замыкание между фазами и др. ), токоограничивающие реакторы 8 выполняют свою функцию - они ограничивают первую полуволну аварийного тока до заданной величины, равной допустимой кратковременной перегрузке запираемого вентиля 7 (из этого условия выбирается индуктивное сопротивление реакторов 8). Возникновение первой полуволны аварийного тока приводит к срабатыванию устройства защиты, которое прекращает подачу импульсов управления на все тиристорные вентили 9 трех вентильно-реакторных групп 5. В результате этого после спадания первой полуволны аварийного тока до нуля протекание тока через вентильно-реакторные группы 5 прекращается. Происходит отключение компенсатора.

Оперативные включение и отключение компенсатора производятся соответственно путем подачи или снятия импульсов управления тиристорных вентилей 9. Таким образом, вентильно-реакторные группы 5, кроме ограничения аварийных токов, выполняют функцию выключателя компенсатора.

Уменьшение стоимости предлагаемого компенсатора по сравнению с компенсатором-прототипом связано главным образом с введением в схему вентильно-реакторных групп 5. В компенсаторе-прототипе при непосредственном подключении трехфазных мостов к шинам трехфазного напряжения значительно завышается стоимость вентилей из-за большой величины аварийных токов и необходимости выбирать вентили не по рабочему току, а по допустимому току кратковременной перегрузки. При этом получается очень низкое использование вентилей по рабочему току. В предлагаемом компенсаторе добавляется стоимость вентильно-реакторных групп 5, однако, как видно из прилагаемого расчета она значительно меньше удорожания вентилей в прототипе.

Предложенные технические решения, кроме уменьшения стоимости, приводят к повышению надежности компенсатора, во-первых, за счет уменьшения числа запираемых тиристоров в составе запираемых вентилей 7 благодаря ограничению аварийных токов и перенапряжений и, во-вторых, за счет уменьшения числа конденсаторов в трехфазном фильтре 4 благодаря выбору оптимальных значений углов регулирования у первого и второго мостов.

(56) Автоpское свидетельство СССР N 136453, кл. H 02 J 3/18, 1961.

Патент Великобритании N 1367571, кл. H 02 J 3/18, H 02 M 1/12, 1974.