Компенсатор реактивной мощности

 

Область использования: на подстанциях трехфазного напряжения (промышленных, тяговых и входящих в состав энергосистем) для компенсации и регулирования реактивной мощности. Сущность изобретения: компенсатор содержит трехфазный мост с запираемыми вентилями, включенный на реактор, два преобразовательных блока и конденсаторы для ограничения перенапряжений. Каждый преобразовательный блок содержит две группы из трех запираемых вентилей и реактор между ними в ветви постоянного тока. Одна группа вентилей имеет угол регулирования α₂= α₁+Ψ , а другая α₃= α₁-Ψ, где α₁ - угол регулирования вентилей трехфазного моста, значение угла Ψ и соотношение между постоянными токами трехфазного моста и преобразовательных блоков выбираются так, чтобы уменьшить содержание высших гармоник во входном токе компенсатора. 3 ил, 1 табл.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано на подстанциях трехфазного напряжения (промышленных, тяговых и входящих в состав энергосистем) для компенсации и регулирования реактивной мощности.

Известны новые компенсаторы реактивной мощности, представляющие собой преобразователи с запираемыми вентилями [1]. Основное их преимущество по сравнению с традиционными тиристорными компенсаторами [2] состоит в том, что они выдают реактивную мощность за счет принудительной коммутации тока в области отрицательных углов регулирования. В результате для выдачи в электрическую сеть реактивной мощности не требуется сооружения конденсаторной батареи соответствующей мощности.

В известных компенсаторах для повышения качества входного тока (для уменьшения содержания в нем высших гармоник) используются преобразователи повышенной фазности 12,18 и 24-фазные [1].

Их недостаток в необходимости применения одного многообмоточного или нескольких двухобмоточных трансформаторов, в невозможности непосредственного подключения преобразователя к шинам трехфазного напряжения.

Наиболее близким к изобретению является компенсатор с одним двухобмоточным трансформатором, трехфазным мостом с запираемыми вентилями и конденсаторами для ограничения перенапряжений, возникающих при принудительных, практически мгновенных коммутациях тока запираемыми вентилями [3].

Недостаток этого компенсатора в низком качестве его входного тока, который содержит высшие гармоники порядка n = =6k ± 1, где k = 1,2,3..., имеет высокий коэффициент искажения синусоидальности (около 30%).

Целью изобретения является повышение качества входного тока компенсатора при сохранении возможности подключения компенсатора непосредственно к шинам без применения трансформатора.

Сущность изобретения состоит в том, что у предлагаемого компенсатора к его входу кроме трехфазного моста присоединены два преобразовательных блока с разнонаправленными запираемыми вентилями. Каждый блок содержит две группы вентилей и реактор между ними в ветви постоянного тока. Одна группа из трех вентилей имеет угол регулирования α₂ = α₁ + ϑ, а другая группа α ₃ = α ₁ - ϑ, где α ₁ - угол регулирования вентилей трехфазного моста.

Значение угла ϑ и соотношение между постоянным током I_d1трехфазного моста и постоянным током I_d первого и второго блока выбираются так, чтобы уменьшить содержание высших гармоник во входном токе компенсатора. Хорошие результаты получаются при ϑ = 24^о и I_d1 = I_dили при ϑ = 30^о и I_d1 = I_d.

Добавление двух указанных преобразовательных блоков улучшает качество входного тока компенсатора за счет формирования его из трех сдвинутых по фазе токов моста и обоих блоков и получения в результате трехступенчатого тока, близкого по своей форме к синусоиде. Отметим, что добавление двух преобразовательных блоков приводит к соответствующему увеличению мощности компенсатора и поэтому обеспечивается высокое использование мощности всех запираемых вентилей компенсатора.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого компенсатора; на фиг.2 и 3 - графики, показывающие форму токов компенсатора.

К трехфазному входу компенсатора 1 (фиг.1) подключены конденсаторы 2, трехфазный мост 3 с запираемыми вентилями 4 и реактором 5, первый преобразовательный блок 6 с запираемыми вентилями 7 и 8 и реактором 9, а также второй преобразовательный блок 10, отличающийся от блока 6 только обратным направлением вентилей.

Конденсаторы 2 обеспечивают ограничение перенапряжений, возникающих из-за практически мгновенных коммутаций тока запираемыми вентилями. Мощность конденсаторов 2 не превышает 15% от номинальной мощности компенсатора. Конденсаторы 2 могут быть соединены по схеме "звезда" (фиг.1) или по схеме "треугольник".

При работе компенсатора с потреблением реактивной мощности вентили 4 трехфазного моста 3 имеют угол регулирования α₁ = 90^о - δ, где угол δ зависит от потерь мощности в компенсаторе, его значение лежит в пределах 1^о. При работе компенсатора с выдачей реактивной мощности угол α ₁= -90^о + δ.

Группы из трех запираемых вентилей 7 преобразовательных блоков 6 и 10 имеют угол регулирования α₂ = α₁ - ϑ , а группы из трех запираемых вентилей 8 этих блоков - угол регулирования α₃ = α₁ + ϑ . Величина угла ϑ и соотношение между постоянным током I_d трехфазного моста и постоянным током I_d первого и второго преобразовательного блока выбираются такими, чтобы уменьшить содержание высших гармоник в суммарном токе моста и обоих блоков и, как следствие этого, во входном токе компенсатора.

Хорошие результаты в отношении уменьшения высших гармоник во входном токе получаются в двух вариантах: ϑ = 24^о, I_d1 = I_d; ϑ = 30^о, I_d1 = I_d.

Графики токов компенсатора для первого варианта построены на фиг.2 в предположении, что постоянные токи моста 3 и блоков 6 и 10 полностью сглажены реакторами 5 и 9. Относительно оси времени 11 показан фазный ток i₁ на входе моста 3, относительно осей времени 12 и 13 - соответственно фазные токи i₂ и i₃ вентилей 7 и 8 двух преобразовательных блоков 6 и 10. Построенные временные графики фазных токов i₁, i₂ и i₃ относятся к одной и той же фазе. В соответствии с углом регулирования α ₂ ток i₂ опережает ток i₁ на угол ϑ = 24^о.

Аналогично в соответствии с углом регулирования α ₃ ток i₃ отстает от тока i₁ на тот же угол ϑ = 24^о. Относительно оси времени 14 построен график фазного тока i, представляющего собой сумму фазных токов моста и обоих блоков: i = i₁ + i₂ + i₃. Форма тока i значительно ближе к синусоиде, чем форма тока i₁ трехфазного моста.

Входной ток компенсатора содержит две составляющие: ток преобразователей i и сравнительно малый ток конденсатора 2, поэтому о качестве входного тока можно судить по качеству тока преобразователей i.

Ток преобразователей i содержит первую гармонику i₍₁₎ и высшие гармоники i_(n). Первая гармоника i₍₁₎ показана на фиг.2, ее действующее значение I₍₁₎= (1+2cos24°)I_d= 2,20 I_d.

При работе компенсатора с углом регулирования трехфазного моста -90^о первая гармоника i₍₁₎ тока преобразователей опережает соответствующее фазное напряжение сети U на угол ϕ 90^о, как это показано на фиг.2. Компенсатор при этом выдает в электрическую сеть, к которой он присоединен, реактивную мощность. При α ₁ 90^о первая гармоника i₁ тока преобразователей отстает на такой же угол от напряжения и компенсатор потребляет реактивную мощность, величина которой (выдаваемой и потребляемой) регулируется малым изменением углов регулирования вентилей, что приводит к изменению токов I_d1 и I_d.

Относительное значение каждой высшей гармоники порядка n в токе преобразователей i в рассматриваемом варианте, когда I_d1 = I_d и ϑ = 24^о(фиг.2), определяется по формуле I^*_(n) = = .

Результаты расчета I_(n)^* для первых восьми высших гармоник, содержащихся в токах i₁, i₂ и i₃, приведены в таблице. Для сравнения в ней же указаны известные значения I_(n)^* для тока i₁ трехфазного моста.

Данные таблицы характеризуют уменьшение содержания высших гармоник во входном токе предлагаемого компенсатора. При I_d1 = I_d и ϑ = 24^о во входном токе предлагаемого компенсатора отсутствуют 5-ая и 25-ая гармоники, остальные высшие гармоники уменьшены. Для улучшения качества входного тока особенно существенно исключение 5-ой гармоники и значительное уменьшение величины 7-ой и 11-ой гармоник. Коэффициент искажения синусоидальности тока i около 10%, примерно в 3 раза меньше, чем для тока i₁.

График тока преобразователей i для второго варианта его формирования, когда I_d1 = I_d и ϑ = 30^о, построен на фиг.3. Получилась известная классическая форма входного тока 12-фазного преобразователя. Этот ток i содержит первую гармонику и высшие гармоники порядка n = 12k ± 1, где k = 1,2,3, . .. В нем отсутствуют гармоники, для которых n = 5, 7,17, 19... Относительные значения оставшихся высших гармоник (n =11,13,23,25...) такие же, как в токе i₁ трехфазного моста (см.таблицу). Коэффициент искажения синусоидальности тока i около 13%.

Таким образом, оба варианта дают хорошие результаты по уменьшению во входном токе компенсатора высших гармоник и, как следствие этого, по повышению его качества.

Могут быть применены и другие варианты формирования трехступенчатого тока преобразователей i. Так, например, для исключения в нем 7-ой гармоники следует при I_d1 = I_d установить угол ϑ = 17,1^о. В этом варианте относительные значения 5-ой и 11-ой гармоник равны соответственно 7,9% и 3,1%, коэффициент искажения синусоидальности тока около 13%.

Выбор того или другого варианта формирования трехступенчатого тока (соотношения между I_d1 и I_d и величины угла ϑ ) зависит от конкретных параметров электрической сети, к которой подключается компенсатор (прежде всего от частотной характеристики ее реактивного сопротивления) и от требований к качеству входного тока компенсатора.

Формула изобретения

КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, содержащий трехфазный мост с запираемыми вентилями, реактор, включенный между полюсами моста, и конденсаторы, подключенные к трехфазному входу компенсатора по схеме "звезда" или "треугольник", отличающийся тем, что к входу компенсатора дополнительно присоединены два преобразовательных блока с разнонаправленными запираемыми вентилями, каждый блок содержит две группы из трех запираемых вентилей и реактор между ними в ветви постоянного тока, первая и вторая группы вентилей имеют углы регулирования α₂ = α₁ + Ψ и α₃ = α₁ - Ψ , где α₁ - угол регулирования вентилей трехфазного моста, а угол Ψ выбирается в пределах 17,1^o ≅ Ψ ≅ 30^o при условии соотношения 1 ≅ ≅ , где I - постоянный ток трехфазного моста;
I_d - постоянный ток преобразовательных блоков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4