Способ управления статическим тиристорным компенсатором реактивной мощности

 

Изобретение относится к средствам для компенсации или стабилизации реактивной мощности трехфазных резкопеременных нагрузок промышленных предприятий, например, дуговых сталеплавильных печей, с помощью статических тиристорных компенсаторов, содержащих три независимых линейных реактора, подключенных к трехфазной сети треугольником, каждый - через пару встречно -параллельно соединенных тиристоров с соответствующей системой импульсно-фазового управления (СИФУ). Сущность изобретения: фазовое положение импульса управления тиристором соответствующей фазы треугольника тиристорно-реакторной группы определяется не только требуемой в данный момент от этой фазы реактивной мощностью, но мощностью фазы треугольника, опережающей данную фазу на 60 эл. град. Это позволяет с большой точностью, и следовательно, быстродействием отреагировать на изменение реактивной мощности нагрузки в линейных проводах питающей сети. Схемотехнически учесть мощность опережающей фазы можно, установив между независимыми вычислителями текущих значений требуемых реактивных мощностей и СИФУ сумматоры требуемого значения мощности "своей" фазы треугольника реакторов и приращение мощности опережающей фазы за время от момента ее включения до момента формирования импульсов управления "своей" фазы. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к средствам для компенсации или стабилизации реактивной мощности трехфазных резкопеременных нагрузок промышленных предприятий, например дуговых сталеплавильных печей, с помощью статистических тиристорных компенсаторов, содержащих три независимых линейных реактора, подключенных к трехфазной сети треугольника, каждый через пару встречно-параллельно соединенных тиристоров с соответствующей системой импульсно-фазового управления (СИФУ).

Известны устройства управления таким компенсатором, содержащие три независимых вычислителя текущих значений реактивных мощностей. Этим устройствам соответствует известный способ управления СТК-вычисления по определенному алгоритму, преобразуя напряжения сети и линейные токи нагрузки, текущих значений реактивных мощностей указанных линейных реакторов и постановка им в соответствие углов управления тиристорами соответствующих реакторов [1] Известны также устройства управления СТК, содержащие между каждым вычислителем текущих значений требуемой реактивной мощности реакторов и соответствующей системой импульсно-фазового управления (СИФУ), устройство коррекции текущего значения требуемой реактивной мощности, включающее в себя сумматор и две схемы "выборки-хранения", запоминающие требуемые значения реактивной мощности реакторов, вычисленные для предыдущих двух открытий тиристоров данного реактора, что определяет и способ управления СТК, заключающийся в прогнозировании требуемой величины реактивной мощности соответствующего реактора по сумме текущего значения требуемой реактивной мощности и двух фиксированных значений этого же сигнала, полученных на предыдущих двух тактах включения тиристора (в абсолютном времени два полупериода сетевого линейного напряжения, прикладываемого к тиристорам), и взятых с определенными коэффициентами, найденными в результате статистической обработки процесса изменения реактивной мощности нагрузки [2] Недостатком известных устройств и способов управления СТК является невысокое быстродействие, т. е. низкая динамическая точность формирования трех выходных токов исполнительного органа СТК, получающихся в результате суммирования соответствующих фазных токов тиристорно-реакторного "треугольника". Т. е. каждый выходной ток СТК формируется из токов двух соседних фаз тиристорно-реакторного "треугольника", сдвинутых по начальной фазе относительно вектора линейного реактивного тока данной фазы (A, или B, или C) сети либо на тридцать электрических градусов с опережением, либо на тридцать электрических градусов с отставанием. Отсюда следует, что реактор, вектор тока которого идет с опережением, сформирует свою неизменяющуюся полпериода фазного напряжения долю реактивного линейного тока сети раньше, чем допускает соответствующее фазное напряжение сети. А соседний реактор, вектор тока которого идет с опозданием, сформирует свою неизменяющуюся полпериода фазного напряжения долю реактивного линейного тока сети, более соответствующую требуемому значению линейного тока в этот момент. Но поскольку при этом реактивный ток предыдущей фазы "треугольника" неизменен (в смысле амплитудного значения), выходной линейный ток СТК будет отличаться от расчетного, в чем и заключается основная причина невысокого быстродействия известных способов и устройств управления. Что же касается предложения о прогнозировании сигналов управления тиристорами СТК, т.е. предсказания "требуемых в будущем" текущих значений реактивных мощностей линейных реакторов с помощью статистических регрессионных моделей нагрузки, то можно только усомниться в такой возможности в принципе, так как хорошо известно, что резкопеременные нагрузки, такие как дуговые сталеплавильные печи, обладают нестационарными характеристиками и математического ожидания, и дисперсии, и начальной фазы токов прямой и обратной последовательностей, резко меняющихся в течение 1.2 периодов сетевого напряжения, да к тому же зависящими от множества различных технологических особенностей: времени процесса плавки, сырья, динамики электропривода электродов печи и т.п.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство управления СТК, содержащее три независимых вычислителя текущих значений требуемых реактивных мощностей трех независимых линейных реакторов, подключенных к трехфазной сети треугольником, каждый через пару встречно-параллельно соединенных тиристоров с соответствующей системой импульсно-фазового управления, что структурно определяет способ управления СТК независимое вычисление по определенному алгоритму, преобразуя напряжения сети и линейные токи нагрузки, текущих значений требуемых реактивных мощностей каждого реактора с последующим их преобразованием с помощью СИФУ в углы управления соответствующими тиристорами [3] Однако данному устройству и способу управления СТК присущи указанные выше недостатки, заключающиеся в дискретизации отклика тиристорно-реакторной цепи, что приводит к отличию амплитуды реактивного выходного линейного тока СТК от расчетного значения в динамическом режиме из-за преждевременной фиксации на весь полупериод амплитуды реактивного тока реактора той фазы, вектор напряжения которой опережает по начальному углу вектор напряжения прилегающей фазы сети. (Например, вектор напряжения AB опережает на 30 эл. град. вектор напряжения фазы А).

Цель предлагаемого изобретения повышение быстродействия СТК.

Указанная цель достигается тем, что фазовое положение импульсов управления тиристоров фаз, определенное требуемой в данный момент времени величиной реактивной мощности соответствующей фазы, корректируется в зависимости от реактивной мощности фазы, опережающей данную фазу на 60 эл. град. что позволяет с большей точностью и, следовательно, быстродействием отреагировать на изменение реактивной мощности нагрузки в линейных проводах питающей сети. Для этого к каждому текущему значению требуемой реактивной мощности реактора прибавляют приращение соответствующего знака текущего вычисленного значения мощности реактора той фазы, начальный угол вектора напряжения которой опережает на 60 эл. град. начальный угол вектора напряжения фазы указанного реактора, причем указанное приращение определяют как разность между текущим вычисленным значением требуемой мощности реактора и ее значением, зафиксированным в момент последнего открытия тиристора соответствующего реактора.

Для пояснения существа предлагаемого способа управления статическим тиристорным компенсатором на фиг. 1 приведена схема реализующего его устройства управления СТК; на фиг. 2 и фиг. 3 временные диаграммы фазных и выходного линейного тока СТК, поясняющие принцип работы устройства и способ управления.

Устройство управления СТК состоит из трех независимых вычислителей 1, 2, 3 текущих значений требуемых расчетных мощностей линейных реакторов 4, 5, 6, подключенных к питающей сети треугольником, каждый через пару встречно-параллельно соединенных тиристоров 7, 8, 9, имеющих соответственно СИФУ 10, 11, 12, выполненные по любой известной схеме, ко входам, которых подключаются выходы соответствующих сумматоров 13, 14, 15, к инвертирующим входам которых подключены выходы соответствующих блоков фиксации 16, 17, 18, каждый из которых выполняет роль схемы выборки и хранения в течение полупериода сетевого напряжения того значения вычисленной реактивной мощности реактора соответствующей фазы, которое было зафиксировано в момент последнего открытия тиристора в цепи соответствующего линейного реактора. Блоки фиксации могут быть выполнены в виде устройства выборки и хранения аналоговых сигналов, например, по книге Ванина В.К. Павлова Г.М. Релейная защита на элементах вычислительной техники. Л. Энергоиздат, 1991, с. 56. Стробирующие сигналы для блоков фиксации 16, 17, 18 подаются соответственно с импульсных входов СИФУ 12, 10, 11. На первый инвертируемый вход сумматоров 13, 14, 15 заводятся сигналы с выходов соответствующих вычислителей 1, 2, 3, а на второй неинвертируемый вход сумматоров 13, 14, 15 заводятся сигналы с выходов вычислителей 3, 1, 2 соответственно, что обеспечивает получение на выходе каждого из сумматоров 13, 14, 15, кроме сигнала текущего вычислительного значения требуемой реактивной мощности реакторов, соответственно 7, 8, 9, дополнительного сигнала-приращения вычисленного значения реактивной мощности реактора той фазы, начальный угол вектора напряжения которой в системе декартовых координат трехфазной сети опережает на 60 эл. градусов начальный угол вектора напряжения фазы реактора одноименной вычислителю. Входными сигналами вычислителей 1, 2, 3 являются выходные сигналы трансформаторов напряжения сети 19 и тока 20. Измеряется ток резкопеременной нагрузки 21 и обычно включаемой батареи конденсаторов 22 (или силовых фильтров СТК).

Принцип работы устройства управления СТК достаточно рассмотреть на примере формирования одного выходного линейного тока СТК, например фазы А сети. Рассмотрим для этого фиг. 2. Пусть с выходов вычислителей 1, 2, 3 поступают одинаковые непрерывно нарастающие во времени сигналы i_y1, i_y2, i_y3 отвечающие по значению требуемой величине реактивной мощности реакторов AB, BC, CA. (реально это означает процесс сброса реактивной мощности нагрузки). В первый момент, когда блоки фиксации обнулены, на вход СИФУ 2-го тиристора фазы CA поступит сигнал i^*_y2= i_y2+Δi_y1 где Δi_y1 приращение текущего значения требуемой мощности реактора AB, определяемое как разность между текущим выходным сигналом вычислителя фазы AB и этим же сигналом, но зафиксированным в момент последнего открытия тиристора 1 фазы AB, начальный угол вектора напряжения которой на 60 эл. град. опережает начальный угол вектора напряжения фазы AC, синхронизирующего работу тиристора 2. Сигнал i^*_y2 сравнивается с импульсным сигналом, имеющим огибающей функцию времени f(α), линеаризирующую статическую характеристику тиристорно-реакторной цепи по 1-й (основной) гармонике. В момент совпадения i^*_y2 и f(α) выдается импульс управления на тиристорную пару 2,5 с необходимым углом управления α_AC(α_CA угол управления тиристора 5). В результате в реакторе фазы AC будет сформирован блок тока в форме вершины синусоиды с углом отсечки 2 ( ) рад. Импульс управления α_AC используется также для стробирования блока фиксации 18, на выходе которого фиксируется значение сигнала i_y2φ в момент последнего открытия тиристора 2. Следующим вступает в работу тиристор 3 фазы BC, на вход СИФУ 12 которого поступит сигнал i^*_y3= i_y3+Δi_y2, где Δi_y2= i_y2-i_y2φ Этот тиристор также откроется раньше, чем было бы в устройстве прототипе, что хорошо видно из диаграммы тока i_BC сплошной линией обозначен график тока устройства-прототипа, а штриховой предлагаемого устройства.

На фиг. 3 представлены рассчитанные токи фаз AB и BC и выходной линейный ток СТК i_B при условии, что выходные сигналы вычислителей требуемых реактивных мощностей реакторов фаз AB и BC изменяются по гармоническому закону где Ω = 2πf f 20 Гц парциальная частота изменения огибающей реактивной мощности нагрузки. Сплошной линией построены кривые, относящиеся к устройству-прототипу, штриховой к предлагаемому устройству. Видно, что как при нарастании управляющего сигнала i_yB, так и при его спаде выходной линейный ток СТК i_B предлагаемого устройства в синусоидальной форме почти на 30 эл. град. (в абсолютном времени примерно 1,5 мс) опережает аналогичный отклик устройства-прототипа. Для частоты 20 Гц опережение будет составлять 12 эл. град. или 0,2 рад. Что будет означать увеличение коэффициента подавления колебания реактивной мощности нагрузки частотой 20 Гц на 20% Для частоты огибающей реактивной мощности 10 Гц (чисто используемой для сравнения различных СТК по коэффициенту подавления фликкера напряжений) этот коэффициент будет на 10% выше у предлагаемого устройства по сравнению с прототипом. Это ощутимый результат, так как обычно требуется от СТК пропускать в сеть только 20.40% реактивной мощности резкопеременной нагрузки, изменяющейся с частотой 10 Гц.

Таким образом, положительный эффект предлагаемого способа управления СТК, заключающийся в увеличении быстродействия, реализующего его устройства, достигается за счет новых конструктивных (схемных) признаков последнего - введение трех блоков фиксации вычисленного требуемого значения реактивной мощности соответствующих реакторов на каждом такте открытия (включения) тиристоров, использование трехвходовых сумматоров, включенных между каждой СИФУ и соответствующими вычислителями требуемых текущих значений реактивной мощности реакторов, таким образом, что на выходе каждого сумматора формируется сигнал управления СИФУ данной фазы СТК, равный сумме выходного текущего сигнала соответствующего вычислителя, выходного текущего сигнала вычислителя мощности реактора той фазы СТК, начальный угол напряжения которой опережает на 60 эл. град. начальный угол напряжения данной фазы СТК и отрицательного значения этого же сигнала, зафиксированного на выходе блока фиксации в момент последнего открывания тиристора этой же фазы СТК.

Формула изобретения

Способ управления статическим тиристорным компенсатором реактивной мощности, содержащим три линейных реактора, каждый из которых подключен к соответствующим фазам питающей сети через пару встречно-параллельно соединенных тиристоров с системой импульсно-фазового управления, путем измерения напряжений сети и линейных токов нагрузки, вычисления на их основе требуемых значений реактивных мощностей реакторов и последующего преобразования их в углы управления соответствующими тиристорами, отличающийся тем, что в момент включения тиристора очередной фазы запоминают соответствующую величину требуемой реактивной мощности данной фазы и в момент формирования сигнала управления тиристора следующей фазы к вычисленному требуемому значению ее реактивной мощности добавляют разность между запомненным и текущим значением реактивной мощности предыдущей фазы и полученное значение реактивной мощности преобразуют в углы управления соответствующими тиристорами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3