Система автоматической компенсации реактивной мощности и отклонения напряжения с широтно-импульсной модуляцией на высокой стороне трансформаторной подстанции

Авторы патента:

Реутов Борис Федорович (RU)

Дударев Степан Юрьевич (RU)

Парабин Виктор Александрович (RU)

Климаш Владимир Степанович (RU)

Гнедин Павел Александрович (RU)

H02J3/18 - устройства для регулирования, устранения или компенсации реактивной мощности в сетях (для регулирования напряжения H02J 3/12; использование катушек Петерсена H02H 9/08)

Владельцы патента RU 2475917:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении качества напряжения и улучшении энергетических и массогабаритных показателей подстанций. Устройство содержит вольтодобавочный трансформатор, который включен на высокой стороне подстанции и управляется от преобразователя амплитуды и фазы напряжения с промежуточным звеном постоянного тока. Преобразователь получает питание от нагрузки. Дискретной ступенью компенсации реактивной мощности является батарея косинусных конденсаторов сети. При большой индуктивности RL-нагрузки инвертор работает с опережающей фазой, дополняя действие конденсаторов, а при малой индуктивности - с отстающей фазой, нейтрализуя действие дискретной ступенью. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам электроснабжения, и может быть использовано при создании трансформаторных подстанций с высокой эффективностью потребления и использования электроэнергии и стабильным напряжением у потребителей.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является система автоматической компенсации реактивной мощности и отклонения напряжения трансформаторной подстанции (Патент РФ №2056692, ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, Кл.6 H02J 3/18, 20.03.96), которая взята за прототип.

Известная система автоматической компенсации реактивной мощности и отклонения напряжения трансформаторной подстанции включена на низкой стороне силового трансформатора подстанции и содержит датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, вольтодобавочный трансформатор и синхронизированный с сетью преобразователь амплитуды и фазы напряжения с промежуточным звеном постоянного тока и двухсторонним обменом энергии. В состав преобразователя входит реверсивный выпрямитель, индуктивно-емкостный фильтр и инвертор напряжения. Регулирование амплитуды напряжения вольтодобавки производится реверсивным выпрямителем, а регулирование фазы инвертором.

К недостаткам прототипа следует отнести низкие коэффициенты мощности и полезного действия силового трансформатора подстанции при повышенном напряжении в сети, большие искажения тока, потребляемого реверсивным выпрямителем из вторичной цепи подстанции, вызывающие дополнительные потери в силовом и вольтодобавочном трансформаторах и снижающие коэффициент мощности в первичной цепи подстанции, а также большой вес и габаритные размеры вольтодобавочного устройства, обусловленные тем, что для компенсации среднестатистической фазы тока нагрузки, примерно равной 30 градусов, мощностью вольтодобавочного трансформатора и преобразователя со звеном постоянного тока только в раз меньше мощности силового трансформатора подстанции. При включении вольтодобавочного трансформатора в цепь с большими токами нагрузки требуются соединительные шины и кабели большого сечения, что также можно отнести к недостаткам устройства при оценке его материалоемкости и массогабаритных показателей.

Задачей изобретения является улучшение энергетических и массогабаритных показателей подстанции и качества напряжения у потребителей. В результате решения поставленной задачи массогабаритные показатели устройства улучшаются более чем в 2 раза. Энергетические показатели подстанции повышаются на 25-30%.

Решение поставленной задачи достигается тем, что предложена система автоматической компенсации реактивной мощности и отклонения напряжения с широтно-импульсной модуляцией на высокой стороне трансформаторной подстанции, в состав которой входит силовой трансформатор со вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке и входные зажимы с батареей косинусных конденсаторов, предназначенные для подключения к сети, содержащей вольтодобавочный трансформатор и преобразователь со звеном постоянного тока, в состав которого входит рекуперативный выпрямитель с системой управления, индуктивно-емкостный фильтр и инвертор напряжения с синхронизированной с сетью системой управления, а также датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, при этом вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора через тиристорный преобразователь со звеном постоянного тока подключена к нагрузке, при этом первичные обмотки силового и вольтодобавочного трансформаторов соединены последовательно и подключены к сети, выход датчика реактивной мощности сети подключен к управляющему входу системы управления инвертором, выполненной с широтно-импульсной модуляцией и возможностью изменения направления регулирования фазы выходного напряжения инвертора по знаку управляющего сигнала, выход датчика отклонения напряжения нагрузки подключен к управляющему входу системы управления активным выпрямителем, выполненной с широтно-импульсной модуляцией и ограничением минимального уровня выпрямленного напряжения, в звено постоянного тока включен датчик тока, выход которого подключен к дополнительному управляющему входу системы управления активным выпрямителем, кроме этого активный выпрямитель выполнен с регулированием фазы его входного тока в функции выпрямленного тока, при этом система управления активным выпрямителем выполнена с возможностью опережающего регулирования фазы его входного тока в выпрямительном режиме и отстающего регулирования в инверторном режиме.

Преимуществом предлагаемого устройства является прежде всего то, что достигается полная компенсация реактивной мощности на входе трансформаторной подстанции. Кроме этого достигнуто повышение коэффициентов мощности и полезного действия силового трансформатора и коэффициента искажения входного тока подстанции.

В устройстве два источника реактивной мощности - нерегулируемый (батарея 11 косинусных конденсаторов) и регулируемый (вольтодобавочный трансформатор 2 с вентильным преобразователем для четырехквадрантного регулирования величины и фазы добавочного напряжения). Такое сочетание в устройстве дискретной и плавной ступеней компенсации позволяет при сохранении диапазона полной компенсации реактивной мощности уменьшить мощность вольтодобавочного трансформатора и тиристорного преобразователя в 2 раза.

Монтаж вольтодобавочного устройства не на низкой, а на высокой стороне трансформаторной подстанции также можно отнести к снижению затрат и улучшению массогабаритных показателей. В этом случае сокращение расхода электротехнических материалов (соединительных шин и кабелей) и снижение трудоемкости монтажных работ значительно перекрывает дополнительные капитальные вложения, связанные с введением в устройство дискретной ступени компенсации реактивной мощности.

Что касается массогабаритных показателей элементов собственно дискретной ступени (батареи косинусных конденсаторов), то они могут быть улучшены применением активного выпрямителя с опережающим (отстающим) регулированием входного тока активного выпрямителя в режиме вольтодобавки (вольтовычета). Этот способ регулирования амплитуды добавочного напряжения наиболее органично сочетается с предложенной силовой схемой предлагаемой системы автоматической компенсации реактивной мощности и отклонения напряжения трансформаторной подстанции.

Сущность предлагаемого устройства поясняется нижеследующим описанием с прилагаемым к нему чертежами, где на фиг.1 приведена схема вольтодобавочного устройства с амплитудно-фазовым и широтно-импульсным регулированием для компенсации реактивной мощности трансформаторной подстанции, а на фиг.2 - векторная диаграмма напряжений и токов предлагаемого устройства.

Устройство (фиг.1) содержит следующие элементы: 1 и 2 - силовой и вольтодобавочный трансформаторы; 3 - инвертор напряжения с системой управления 4; 5 - реверсивный выпрямитель с системой управления 6, 7 - индуктивно-емкостный фильтр; 8 - датчиком тока; 9 - датчики отклонения напряжения нагрузки; 10 - датчик реактивной мощности сети; 11 - батарею косинусных конденсаторов; 12 - нагрузку.

Элементы вольтодобавочного устройства согласно схеме (фиг.1) соединены следующим образом. Первичные обмотки силового 1 и вольтодобавочного 2 трансформаторов соединены последовательно и подключены к сети. Вторичная обмотка силового трансформатора 1 подключена к нагрузке 12, к которой также через реверсивный выпрямитель 5, индуктивно-емкостный фильтр 7 и инвертор напряжения 3 подключена вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 2. Управляющий вход системы 6 управления реверсивным выпрямителем 5 подключен к выходу датчика 9 отклонения напряжения нагрузки 12, а управляющий вход системы 4 управления инвертором напряжения 3 к выходу датчика 10 реактивной мощности сети. Батарея 11 косинусных конденсаторов по необходимости подключается к зажимам сети.

Устройство работает следующим образом. Преобразователь величины и фазы напряжения, выполненный на силовых интеллектуальных модулях, из напряжения нагрузки U₂ формирует регулируемое напряжение , которое вольтодобавочным трансформатором 2 увеличивается в k_BT раз и прибавляется к напряжению сети U₁, образуя напряжение питания U₁+k_BT· силового трансформатора 1 и уменьшенное в k_ГТ раз напряжение нагрузки

Здесь k_ГТ и k_BT - коэффициенты трансформации силового и вольтодобавочного трансформаторов; ε(α_B) - степень регулирования напряжения; α_B, α_и - углы управления реверсивным выпрямителем и инвертором напряжения.

С учетом отклонений напряжения в сети ΔU₁=δ·U₁ и падение напряжения на трансформаторах

выражение (1)

запишется в виде

где δ - степень отклонения напряжения сети от номинального уровня; δ_К - относительное падение напряжения на трансформаторах.

Из выражения (2) и векторной диаграммы (фиг.2) видно, что вектор напряжения нагрузки регулируется по величине и фазе.

Регулирование амплитуды обеспечивает стабилизацию выходного напряжения подстанции.

Регулирование фазы вектора в сторону опережения при большой индуктивности RL - нагрузки и в сторону отставания при малых ее значениях в предположении для R-нагрузки (фиг.2) позволяет совместно батареей косинусных конденсаторов 11 обеспечить прямую полную компенсацию реактивной мощности на входных зажимах подстанции.

Эти действия производятся системой двухконтурного управления, построенной по принципу подчиненного регулирования. В устройстве регулирование α_В производится по отклонению напряжения на нагрузке, а регулирование величины и знака α_И по отклонению и направлению реактивной мощности сети. Причем при смене знака отклонение напряжения на нагрузке производится переключение α_и на п-α_и, а при смене направления реактивной мощности сети производится смена знака как у α_И, так и у п-α_И.

Наиболее целесообразной областью применения предлагаемого технического решения являются системы энергоснабжения промышленных предприятий, городских микрорайонов, предприятий агропромышленного и оборонного комплексов, тяговые подстанции электрофицированного транспорта.

Система автоматической компенсации реактивной мощности и отклонения напряжения с широтно-импульсной модуляцией на высокой стороне трансформаторной подстанции, в состав которой входит силовой трансформатор с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке, и входные зажимы с батареей косинусных конденсаторов, предназначенные для подключения к сети, содержащая вольтодобавочный трансформатор и преобразователь со звеном постоянного тока, в состав которого входит рекуперативный выпрямитель с системой управления, индуктивно-емкостный фильтр и инвертор напряжения с синхронизированной с сетью системой управления, а также датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, при этом вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора через тиристорный преобразователь со звеном постоянного тока подключена к нагрузке, отличающаяся тем, что первичные обмотки силового и вольтодобавочного трансформаторов соединены последовательно и подключены к сети, выход датчика реактивной мощности сети подключен к управляющему входу системы управления инвертором, выполненной с широтно-импульсной модуляцией и возможностью изменения направления регулирования фазы выходного напряжения инвертора по знаку управляющего сигнала, выход датчика отклонения напряжения нагрузки подключен к управляющему входу системы управления активным выпрямителем, выполненной с широтно-импульсной модуляцией и ограничением минимального уровня выпрямленного напряжения, в звено постоянного тока включен датчик тока, выход которого подключен к дополнительному управляющему входу системы управления активным выпрямителем, кроме этого активный выпрямитель выполнен с регулированием фазы его входного тока в функции выпрямленного тока, при этом система управления активным выпрямителем выполнена с возможностью опережающего регулирования фазы его входного тока в выпрямительном режиме и отстающего регулирования в инверторном режиме.

Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к устройствам компенсации реактивной мощности в сетях переменного тока. .

Способ настройки компенсации емкостных токов замыкания на землю в электрических сетях // 2475915

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для автоматической компенсации емкостных токов замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ путем воздействия на индуктивность дугогасящего реактора.

Конденсаторная установка для автоматической компенсации реактивной мощности // 2467448

Устройство и способ управления для передачи электроэнергии // 2465704

Однофазный активный электрический фильтр // 2458381

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в автономных трехфазных электроэнергетических сетях. .

Компенсатор реактивной мощности // 2453964

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для компенсации реактивной мощности в автономных трехфазных электроэнергетических сетях.

Активный фильтр с многоуровневой топологией // 2453963

Изобретение относится к устройству для оказания влияния на передачу электроэнергии к имеющей несколько фаз линии переменного тока с фазовыми модулями, которые содержат, соответственно, контактный вывод переменного напряжения для соединения с одной фазой линии переменного тока и два соединительных вывода, причем между каждым соединительным выводом и каждым контактным выводом переменного напряжения проходит ветвь фазового модуля, состоящая из последовательного соединения подмодулей, которые содержат, соответственно, схему на силовых полупроводниковых приборах и накопитель энергии, параллельно подключенный к схеме на силовых полупроводниковых приборах, причем соединительные выводы соединены друг с другом.

Устройство статического компенсатора реактивной мощности // 2448401

Способ повышения коэффициента мощности асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при работе параллельно с сетью // 2448357

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в серийно выпускаемых асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, используемых в качестве генераторов энергетических установок для преобразования механической энергии в электрическую.

Способ управления компенсатором реактивной мощности // 2447564

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, в частности электроподвижного состава переменного тока с полупроводниковыми преобразователями.

Фильтрокомпенсирующее устройство // 2479088

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для компенсации реактивной мощности трехфазных потребителей, преимущественно промышленных предприятий

Способ работы преобразователя и устройство для осуществления способа // 2479099

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано и может быть использовано в силовой электронике

Устройство компенсации реактивной мощности // 2479907

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам компенсации реактивной мощности в сетях переменного тока высокого напряжения, и может быть использовано на подстанциях воздушных линий передач с установленными на них шунтирующими реакторами и батареями статических конденсаторов

Датчик реактивной мощности резкопеременной нагрузки для управления статическим компенсатором реактивной мощности // 2488204

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для регулирования реактивной мощности резкопеременных нагрузок (РПН)

Способ управления устройством компенсации реактивной мощности в питающей сети // 2498475

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении качества электрической энергии за счет исключения в сетевом токе гармонических составляющих, генерируемых нелинейной нагрузкой без применения дополнительных силовых фильтрующих LC-цепей. Согласно способу измеряют мгновенные значения трехфазного тока сети, выделяют выбранные гармонические составляющие этого тока, производят пофазное сложение данных гармонических составляющих, формируют токи коррекции для каждой фазы сетевого тока, содержащие выделенные гармонические составляющие и имеющие фазовый сдвиг 180 электрических градусов, и, выдавая в каждую фазу соответствующие токи, добиваются компенсации гармонических составляющих сетевого тока. 1 ил.

Устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока // 2499341

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к устройствам фильтрации и компенсации (УФК) в тяговой сети переменного тока системы 25 кВ и 2×25 кВ. Устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения содержит последовательно соединенные главный выключатель с замыкающим блок-контактом и пультом управления на его включение, первый реактор и первую секцию конденсаторов, вторую секцию конденсаторов с параллельно включенным вторым реактором, и третью секцию конденсаторов с третьим реактором и демпфирующим резистором, подключенным между точкой соединения второй и третьей секцией конденсаторов и рельсом. В схему устройства введен контактор с приводом, включенный между третьим реактором и рельсом, а цепь включения контактора соединяет пульт управления с его приводом через замыкающий блок-контакт главного выключателя. Технический результат - повышение эффективности снижения бросков тока и напряжения при одновременном упрощении устройства. 1 ил.

Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект (варианты) // 2502170

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам с использованием полупроводниковых приборов для передачи по кабелю на подводный объект электрической энергии, которая, в частности, применяется для зарядки электрической аккумуляторной батареи, установленной на этом подводном объекте. Технический результат заключается в улучшении технико-экономических показателей, увеличении коэффициента связи между обмотками трансформатора повышенной частоты, улучшении электромагнитной совместимости трансформатора повышенной частоты и других элементов устройства, снижении пульсации выходного напряжения устройства до допустимого уровня, а также повышении качества электроэнергии, получаемой от устройства потребителями электроэнергии подводного объекта. Для этого заявленное устройство (варианты) содержит следующие основные элементы, установленные на судне-носителе в блоке инвертора: однофазный автономный инвертор напряжения повышенной частоты, блок управления этим инвертором, входной конденсатор и первичную обмотку трансформатора повышенной частоты, а также расположенные на подводном объекте в блоке выпрямителя вторичную обмотку трансформатора, однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель, сглаживающий реактор и выходной конденсатор, при этом обмотки трансформатора повышенной частоты снабжены в первом варианте плоскими магнитными экранами, а во втором - чашечными сердечниками и центральными стержнями. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Мачтовая электростанция-компенсатор реактивной мощности воздушной линии электропередачи // 2503115

Изобретение относится к электрическим сетям и предназначено для повышения коэффициента полезного действия воздушной линии электропередачи, а также качества электроэнергии, отпускаемой сельскохозяйственным потребителям. Технический результат заключается в снижении потерь активной мощности, электроэнергии и потерь напряжения в воздушной электрической сети, что повысит коэффициент полезного действия воздушной линии электропередачи, а также качество электроэнергии, отпускаемой сельскохозяйственным потребителям. Мачтовая электростанция-компенсатор содержит синхронный генератор, присоединяемый к воздушной линии электропередач через управляемый разъединитель, и газовый двигатель внутреннего сгорания, установленные на АП-образной опоре виброустойчивого исполнения. Разъединитель выполнен с индивидуальным ручным приводом. Электростанция снабжена устройствами управления и контроля параметров воздушной линии электропередачи, а также выключателем синхронного генератора, клапаном подачи газа и фрикционной муфтой сцепления, имеющими индивидуальные электромагнитные приводы, активизируемые устройством управления. Фрикционная муфта сцепления связывает или разъединяет валы синхронного генератора и газового двигателя внутреннего сгорания. 1 ил.

Установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололеда // 2505898

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение на электрических подстанциях, требующих компенсации реактивной энергии и плавки гололеда на воздушных линиях электропередачи. Техническим эффектом изобретения является минимизация количества выключателей, необходимых для перехода из режима компенсации в режим управляемой плавки гололеда и обратно. Устройство содержит двунаправленные высоковольтные тиристорные вентили (1, 2, 3), последовательно с которыми соединены реактивные элементы (дроссели или конденсаторы) (4, 5, 6). Переключение с режима компенсации реактивной мощности на режим плавки гололеда производится с помощью двух выключателей (7, 8). Для этого точки соединения реактивных элементов (4, 5, 6) и тиристорных вентилей (1, 2, 3) подсоединены к трехфазной питающей сети А, В, С, свободные выводы указанных вентилей (1, 2, 3) через контакты первого выключателя (7) соединены по схеме «треугольник» со свободными выводами реактивных элементов (4, 5, 6), а через контакты второго выключателя (8) - с проводами воздушной линии для плавки гололеда. 2 ил.

Комбинированная установка для плавки гололеда и компенсации реактивной мощности // 2505899

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение на электрических подстанциях, требующих плавки гололеда на воздушных линиях электропередачи и компенсации реактивной мощности. Техническим эффектом изобретения является упрощение организации и сокращение продолжительности процесса плавки с одновременным уменьшением количества дополнительного коммутационного оборудования. Комбинированная установка содержит два трехфазных мостовых преобразователя на полностью управляемых полупроводниковых вентилях, шунтированных встречно включенными диодами, конденсаторную батарею на стороне постоянного тока преобразователей, первый трехполюсный выключатель и два последовательно соединенных трехфазных дросселя, параллельно одному из которых подсоединен второй трехполюсный выключатель - на стороне переменного тока. При плавке гололеда первый преобразователь работает в режиме управляемого выпрямителя, а второй в режиме автономного инвертора напряжения, к выходу которого через третий трехполюсный выключатель подсоединены провода воздушной линии, замкнутые на противоположном конце, для одновременной плавки гололеда на них переменным током низкой частоты, при которой индуктивная составляющая сопротивления проводов практически не оказывает влияния на эффективную величину тока плавки. 1 ил.