Способ регулирования реактивной мощности конденсаторной установкой

Изобретение относится к электротехнике и предназначается для статических компенсаторов реактивной мощности в системах электроснабжения. Предлагается способ регулирования реактивной мощности конденсаторной установкой с тремя батареями конденсаторов, каждая из которых подключается к сети двумя тиристорными ключами и сетевым выключателем. Технический результат способа заключается в уменьшении количества коммутационных аппаратов при сохранении точности многоступенчатого регулирования реактивной мощности конденсаторной установкой и в повышении надежность систем электроснабжения. При включении каждой батареи конденсаторов сначала включают две фазы в момент перехода линейного напряжения этих двух фаз через ноль, а затем включают третью фазу в момент перехода фазного напряжения этой фазы через ноль. При отключении каждой батареи конденсаторов сначала отключается естественным путем одна фаза, в которой ток раньше перейдет через ноль, а затем отключаются две фазы, общий ток в которых перейдет через ноль. Отличительная особенность способа в том, что емкость второй батареи конденсаторов в два раза больше, чем у первой, а емкость третьей батареи конденсаторов в два раза больше, чем у второй. Включение первой ступени регулирования реактивной мощности производится подключением к сети первой батареи конденсаторов, включение второй ступени регулирования реактивной мощности производится включением второй батареи конденсаторов при завершении отключения первой батареи конденсаторов, включение третьей ступени производится подключением первой батареи конденсаторов параллельно ко второй батарее конденсаторов, включение четвертой ступени регулирования реактивной мощности производится включением третьей батареи конденсаторов при завершении отключения первой и второй батарей конденсаторов, включение пятой ступени производится подключением первой батареи конденсаторов параллельно к третьей батарее конденсаторов, включение шестой ступени производится подключением второй батареи конденсаторов параллельно к третьей батарее конденсаторов при завершении отключения первой батарей конденсаторов, а включение седьмой ступени регулирования реактивной мощности производится подключением первой батареи конденсаторов параллельно ко второй и третьей батареям конденсаторов. 4 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности, к электроэнергетическим системам и может быть использовано для регулирования реактивной мощности конденсаторной установкой.

Известен способ регулирования реактивной мощности конденсаторной установкой, в состав которой входит сетевой выключатель и три батареи конденсаторов, каждая из которых оснащена трехфазным тиристорным пускателем и разрядным устройством (Кабышев А.В. Компенсация реактивной мощности в электроустановках промышленных предприятий: учебное пособие. / А.В. Кабышев; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во ТПУ, 2012, - с. 185, рис. 5.1), при этом каждый тиристорный пускатель содержит три тиристорных ключа с двухсторонней проводимостью тока (Климаш B.C. Способы включения трехфазного электрооборудования и их реализация /B.C. Климаш, В.И. Тараканов // Электротехнические комплексы и системы управления - Воронеж, 2015, №2, с. 27, рис. 6), заключающейся в том, что число ступеней регулирования реактивной мощности равно количеству батарей конденсаторов в установке и все батареи конденсаторов имеют одинаковые параметры (Солодухо Я.Ю. Состояние и перспективы внедрения в электропривод статических компенсаторов реактивной мощности. Статические компенсаторы реактивной мощности ведущих зарубежных фирм и отечественных предприятий. - М.: Информэлектро. 1982, - с. 29, рис. 29, г).

Включение и выключение конденсаторной установки производится сетевым выключателем, а включение и выключение батарей конденсаторов (ступеней регулирования) соответствующими трехфазными тиристорными пускателями.

Разрядные устройства представляют собой резисторы, которые постоянно подключены параллельно конденсаторам или подключаются через разрядные ключи только при отключении конденсаторных батарей. В качестве разрядных ключей применяют механические контакты электрического аппарата или бесконтактные ключи электронного аппарата.

Отмечая повышение энергетической эффективности от применения в системах электроснабжения промышленных предприятий способа прямой компенсации реактивной мощности, следует указать и основной его недостаток, о котором постоянно говорят производители конденсаторных установок и обслуживающий персонал, работающий на эксплуатации устройств компенсации реактивной мощности со ступенчатым регулированием.

Недостатком известного способа является большое количество коммутационных аппаратов.

Наиболее близким по принципу действия является способ регулирования реактивной мощности конденсаторной установкой, в состав которой входит сетевой выключатель и батареи конденсаторов, каждая из которых оснащена трехфазным тиристорным пускателем и разрядным устройством, при этом число ступеней регулирования реактивной мощности равно количеству батарей конденсаторов и каждый тиристорный пускатель содержит три тиристорных ключа с двухсторонней проводимостью тока (патент РФ на изобретение №2577769, Бюл. №8, 20.03.16), который взят за прототип.

В способе - прототипе включение установки производится общим сетевым выключателем, включение каждой батареи конденсаторов индивидуальным тиристорным пускателем. Выключение батарей конденсаторов производится естественным путем при снятии управляющих импульсов с тиристоров соответствующего пускателя, а выключение конденсаторной установки производится снятием управляющих импульсов со всех тиристорных ключей с последующим отключением обесточенного сетевого выключателя без возникновения дуги на его механических контактах.

Особенностью способа является то, что включение трехфазных батарей конденсаторов выполняется в две операции. Сначала включают две фазы соответствующими тиристорными ключами в момент перехода линейного напряжения этих двух фаз через ноль, а затем включают третью фазу в момент перехода фазного напряжения этой фазы через ноль. При такой последовательности операций способа включение трехфазных батарей конденсаторов происходит практически за полпериода сетевого напряжения без всплеска токов и без превышения напряжений на конденсаторах их установившихся значений. Прототип обладает улучшенной динамикой дискретного регулирования в установках с прямой компенсацией реактивной мощности. Вместе с тем, следует отметить и его недостатки.

Недостатком прототипа является большое количество коммутационных аппаратов.

Задачей изобретения является уменьшение количества коммутационных аппаратов при сохранении точности многоступенчатого регулировании реактивной мощности конденсаторной установкой за счет введения новых операций способа и последовательности между существующими и вновь введенными операциями.

В результате решения поставленной задачи будет уменьшено количество тиристорных пускателей в 2,333 раза (три вместо семи), а тиристоров в 3,5 раза (двенадцать против сорока двух) и, как следствие повышена надежность системы электроснабжения, снижены капитальные затраты на установку и эксплуатационные затраты на ее обслуживание. Следует отметить, что в 2,333 раза уменьшится также количество блоков разряда конденсаторов вместе с коммутационными аппаратами для подключения разрядных резисторов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что емкость второй батареи конденсаторов в два раза больше, чем у первой, а емкость третьей батареи конденсаторов в два раза больше, чем у второй, при этом включение второй ступени регулирования реактивной мощности производится включением второй батареи конденсаторов при завершении отключения первой батареи конденсаторов, включение третьей ступени производится подключением первой батареи конденсаторов параллельно ко второй батарее конденсаторов, включение четвертой ступени регулирования реактивной мощности производится включением третьей батареи конденсаторов при завершении отключения первой и второй батарей конденсаторов, включение пятой ступени производится подключением первой батареи конденсаторов параллельно к третьей батарее конденсаторов, включение шестой ступени производится подключением второй батареи конденсаторов параллельно к третьей батарее конденсаторов при завершении отключения первой батареи конденсаторов, а включение седьмой ступени регулирования реактивной мощности производится подключением первой батареи конденсаторов параллельно ко второй и третьей батареям конденсаторов

Сущность предлагаемого технического решения поясняется ниже следующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на фиг. 1 приведена схема конденсаторной установки, а на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 осциллограммы напряжений и токов, иллюстрирующие имитационную реализацию в среде Matlab операций способа регулирования реактивной мощности конденсаторной установкой.

Схема (фиг. 1), реализующая предлагаемый способ, содержит сетевой выключатель 1, активно-индуктивную нагрузку 2, первую батарею конденсаторов 3 с резистивным блоком 4 разряда конденсаторов первой батареи, первый тиристорный пускатель 5 с тиристорными ключами 6 и 7, вторую батарею конденсаторов 8 с резистивным блоком 9 разряда конденсаторов второй батареи, второй тиристорный пускатель 10 с тиристорными ключами 11 и 12, третью батарею конденсаторов 13 с резистивным блоком 14 разряда конденсаторов третьей батареи, третьей тиристорный пускатель 15 с тиристорными ключами 16 и 17, формирователь импульсов управления 18, на управляющий вход которого подано напряжение управления Uy, а девять его выходов 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 предназначенных для подключения к цепям управления соответствующих тиристорных ключей и к ключам резистивных блоков разряда конденсаторов.

На осциллограммах (фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4) введены следующие обозначения: U*_A и U*_BC - синхронизирующие сигналы, пропорциональные соответственно фазному U_A и линейному U_BC напряжениям сети; U_A - фазное напряжение сети; i_A, i_B и i_C - фазные токи сети; i_кА, i_кB и i_кС - фазные токи батареи конденсаторов; i_A2 - фазное токи нагрузки; Т-1, Т-2, Т-3, Т-4, Т-5, Т-6 и Т-7 - интервалы работы первой, второй, третьей, четвертый, пятый, шестой и седьмой ступеней соответственно. Осциллограммы (фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4) получены при проведении численных экспериментов в среде Matlab. На фиг. 4 приведены осциллограммы действующих значений токов и напряжения.

Суть предлагаемого способа регулирования реактивной мощности конденсаторной установкой заключается в последовательности выполнения известных и вновь введенных операций.

Ниже приведены операции способа, описание которых с прилагаемыми чертежами поясняет его принцип действия.

Первая операция способа. Заключается в подготовке к работе силовой части и микроэлектронной системы управления конденсаторной установки. Для этого в произвольный момент времени сетевым выключателем 1 подают напряжение на тиристорные пускатели 5, 10, 15 и формирователь импульсов управления 18 с непосредственным подключением одной фазы батарей конденсаторов 3, 8 и 13, например фазы «В», к сети.

Вторая операция способа. Заключается во включении первой ступени (интервал времени Т-1). Выполняется подключением к сети первой батареи конденсаторов 3 посредством первого тиристорного пускателя 5 при выключенной второй 8 и третьей 13 батареи конденсаторов. Сначала включают один тиристорный ключ, например, для фазы «С» ключ 7, в момент перехода через ноль линейного напряжения между фазами «В» и «С» сети, а затем включают другой тиристорный ключ 6 в момент перехода через ноль фазного напряжения фазы «А». Включение тиристорных ключей 6 и 7 производится подачей импульсов управления соответственно с выходов 19 и 20 формирователя 18 импульсов управления.

Третья операция способа. Заключается во включении второй ступени (интервал времени Т-2). Выполняется подключением к сети второй батареи конденсаторов 8 вторым тиристорным пускателем 10 и отключением первой батареи конденсаторов 3 первым тиристорным пускателем 5. При этом третья батарея конденсаторов 13 выключена. Отключение первого тиристорного пускателя 5 производится снятием импульсов управления с его тиристорных ключей 6, 7 и соответственно с выходов 19, 20 формирователя 18 этих импульсов. При подключении к сети второй батареи конденсаторов 8 вторым тиристорным пускателем 10 сначала включают один тиристорный ключ, например, для фазы «С» ключ 11, в момент перехода через ноль линейного напряжения между фазами «В» и «С» сети, а затем включают другой тиристорный ключ 12 в момент перехода через ноль фазного напряжения фазы «А». Включение тиристорных ключей 11 и 12 производится подачей импульсов управления соответственно с выходов 24 и 25 формирователя 18 импульсов управления.

Четвертая операция способа. Заключается во включении третьей ступени (интервал времени Т-3). Выполняется подключением к сети первой батареи конденсаторов 3 посредством первого тиристорного пускателя 5 при подключенной к сети второй батареи конденсаторов 8. Третья батарея конденсаторов 13 при этом выключена. Эта операция способа выполняется по алгоритму аналогичному во второй его операции.

Пятая операция способа. Заключается во включении четвертой ступени (интервал времени Т-4). Выполняется подключением к сети третьей батареи конденсаторов 13 третьим тиристорным пускателем 15 и отключением первой 3 и второй 8 батареи конденсаторов первым 5 и вторым 10 тиристорным пускателями. Отключение первого 5 и второго 10 тиристорного пускателя производится снятием импульсов управления с их тиристорных ключей 6, 7, 11, 12 и соответственно с выходов 19, 20, 24, 25 формирователя 18 этих импульсов. При подключении к сети третьей батареи конденсаторов 13 третьим тиристорным пускателем 15 сначала включают один тиристорный ключ, например, для фазы «С» ключ 16, в момент перехода через ноль линейного напряжения между фазами «В» и «С» сети, а затем включают другой тиристорный ключ 17 в момент перехода через ноль фазного напряжения фазы «А». Включение тиристорных ключей 16 и 17 производится подачей импульсов управления соответственно с выходов 26 и 27 формирователя 18 импульсов управления.

Шестая операция способа. Заключается во включении пятой ступени (интервал времени Т-5). Выполняется подключением к сети первой батареи конденсаторов 3 посредством первого тиристорного пускателя 5 при подключенной к сети третьей батареи конденсаторов 13. Вторая батарея конденсаторов 8 при этом выключена. Эта операция способа выполняется по алгоритму аналогичному во второй его операции.

Седьмая операция способа. Заключается во включении шестой ступени (интервал времени Т-6). Выполняется подключением к сети второй батареи конденсаторов 8 посредством второго тиристорного пускателя 10 и отключением первой батареи конденсаторов 3 первым тиристорным пускателем 5 при подключенной к сети третьей батареи конденсаторов 13. Эта операция способа выполняется по алгоритму аналогичному в третьей его операции.

Восьмая операция способа. Заключается во включении седьмой ступени (интервал времени Т-7). Выполняется подключением к сети первой батареи конденсаторов 3 посредством первого тиристорного пускателя 5 при подключенной к сети второй 8 и третьей 13 батареи конденсаторов. Эта операция способа выполняется по алгоритму аналогичному во второй его операции.

Выключение ступеней регулирования реактивной мощности и в целом конденсаторной установки производится также в восемь операций, но в обратной последовательности.

В формуле и в описании принципа действия способа в соответствии с чертежами рассмотрен вариант, когда тиристорные ключи первого и второго пускателей включены в фазу «А» и в фазу «С» и устройство стартует с момента перехода через ноль линейного напряжения между фазами «В» и «С» сети. Это не единственный вариант возможны и другие. Например, при переключении на выходе сетевого выключателя трех вводов устройства по направлению часовой стрелки или против него и сохранении прямого порядка следования фаз, устройство также успешно будет выполнять известные и вновь введенные операции и последовательность операций способа, стартуя соответственно от момента перехода через ноль двух других линейных напряжений трехфазной сети.

Целесообразной областью применения предлагаемого способа являются системы электроснабжения с протяженными линиями электропередач. Предлагаемый способ, как более совершенный, обладающий повышенной надежностью систем электроснабжения и точностью регулирования реактивной мощности, уменьшенными капитальными затратами на установку и эксплуатационными затратами на ее обслуживание, вследствие сокращения количества коммутационной аппаратуры в конденсаторных установках, может заменить известный способ регулирования в устройствах с прямой компенсацией реактивной мощности.

Способ регулирования реактивной мощности конденсаторной установкой, в состав которой входит сетевой выключатель и три батареи конденсаторов, каждая из которых оснащена тиристорным пускателем и разрядным устройством, при этом каждый тиристорный пускатель содержит два тиристорных ключа с двухсторонней проводимостью тока, заключающейся в том, что включение конденсаторной установки производится сетевым выключателем с последующим включением тиристорных пускателей, а выключение путем снятия управляющих импульсов с тиристоров первого и второго тиристорных пускателей и выключением обесточенного сетевого выключателя, включение и отключение первой ступени регулирования реактивной мощности производится включением и отключением первой батареи конденсаторов посредством первого тиристорного пускателя, причем при включении каждой батареи конденсаторов сначала включают один тиристорный ключ соответствующего тиристорного пускателя в момент перехода через ноль линейного напряжения двух подключаемых фаз батареи конденсаторов, затем включают второй тиристорный ключ того же тиристорного пускателя в момент перехода через ноль фазного напряжения третьей подключаемой фазы, отличающийся тем, что емкость второй батареи конденсаторов в два раза больше, чем у первой, а емкость третьей батареи конденсаторов в два раза больше, чем у второй, при этом включение второй ступени регулирования реактивной мощности производится включением второй батареи конденсаторов при завершении отключения первой батареи конденсаторов, включение третьей ступени производится подключением первой батареи конденсаторов параллельно ко второй батарее конденсаторов, включение четвертой ступени регулирования реактивной мощности производится включением третьей батареи конденсаторов при завершении отключения первой и второй батарей конденсаторов, включение пятой ступени производится подключением первой батареи конденсаторов параллельно к третьей батарее конденсаторов, включение шестой ступени производится подключением второй батареи конденсаторов параллельно к третьей батарее конденсаторов при завершении отключения первой батареи конденсаторов, а включение седьмой ступени регулирования реактивной мощности производится подключением первой батареи конденсаторов параллельно ко второй и третьей батареям конденсаторов.