КОМПЕНСИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УДАЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Изобретение относится к системам электроснабжения на основе силовой преобразовательной техники и может быть использовано для питания удаленных потребителей переменного тока, например, в качестве систем электроснабжения буровых установок нефтегазодобывающего комплекса.

Известна некомпенсированная система электроснабжения буровых установок нефтегазодобывающего комплекса (Абрамов Б.И., Коган А.И., Бреслав Б.М. и др. Частотно-регулируемый электропривод буровых установок БУ-4200/250 // Электротехника. - №1, 2009, с.8-13, рис.2). В этой системе использован частотно-регулируемый электропривод главных механизмов буровых установок. Система содержит питающую сеть в виде источника трехфазного переменного напряжения (понижающую подстанцию) и воздушной линии электропередачи (ЛЭП) протяженностью не более трех километров, двенадцатифазный диодный некомпенсированный выпрямитель, распределительное устройство постоянного тока, от которого посредством автономных инверторов напряжения осуществляется питание двигателей буровых насосов, роторного ствола, буровой лебедки, цементировочных насосов и др. В указанной системе электроснабжения используются простые асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Однако такая система имеет ряд существенных недостатков, а именно, значительное потребление из питающей сети реактивной мощности и резко снижающиеся показатели качества электрической энергии, как в питающей сети, так и у потребителя при возрастании длины ЛЭП. Это не позволяет осуществлять электроснабжение удаленных от источника питания потребителей электрической энергии.

Известна компенсированная система электроснабжения потребителей электрической энергии (RU 2400917, МПК H02M 7/68, опубл. 27.09.2010, Бюл. №27 "Компенсированная система электроснабжения разночастотных потребителей электрической энергии", Ю.И. Хохлов, М.Ю. Федорова, С.А. Чупин). Эта система построена на основе двенадцатифазного диодного компенсированного выпрямителя с включенным в его состав компенсирующим устройством, осуществляющим опережающую искусственную коммутацию вентилей с помощью конденсаторов, перезаряжаемых токами пятой и седьмой гармоник. Потребители электрической энергии в данной системе выполнены в виде автономных инверторов и трехфазных электрических двигателей переменного тока.

Данная система, выбранная в качестве ближайшего аналога, имеет малую установленную мощность оборудования, высокую эффективность использования компенсирующего устройства за счет работы его на частотах 250 и 350 Гц, обеспечивает компенсацию потребляемой из питающей сети выпрямителем реактивной мощности и обладает повышенной жесткостью внешней характеристики выпрямителя. Последнее повышает стабильность выпрямленного напряжения на входных выводах автономных инверторов, а следовательно, и на их выходных выводах, т.е. на потребителях электрической энергии при широком диапазоне изменения тока нагрузки. В результате увеличивается возможное расстояние от источника трехфазного переменного напряжения (понижающей подстанции) до потребителей при допустимом уровне снижения напряжения. При питании буровых установок по воздушным ЛЭП это расстояние может составлять 4-5 км. Однако при имеющихся на практике еще больших длинах воздушных ЛЭП (в нефтегазодобывающем комплексе длины ЛЭП могут составлять 10 и более километров) степень компенсации реактивной мощности в системе оказывается недостаточной из-за малой степени компенсации реактивного сопротивления линии. При большой длине ЛЭП значительно возрастает падение напряжения на ее активном сопротивлении. В результате до недопустимых пределов снижается уровень напряжения в конце ЛЭП и, соответственно, на потребителях электрической энергии, повышается несинусоидальность напряжения, что значительно снижает качество электрической энергии в системе электроснабжения. Кроме того, данная система не применима для пока еще широко используемых в эксплуатации буровых установок с потребителями электрической энергии, выполненными в виде электрических двигателей постоянного тока с тиристорным электроприводом.

Изобретение решает задачу создания возможности эффективного электроснабжения по ЛЭП переменного тока с большими величинами активного и индуктивного сопротивлений потребителей электрической энергии как в виде автономных инверторов и трехфазных электрических двигателей переменного тока, так и в виде электрических двигателей постоянного тока, расположенных на большом расстоянии от источника трехфазного переменного напряжения промышленной частоты (удаленных потребителей) с одновременным повышением энергетических показателей и качества электрической энергии в системе электроснабжения.

Для решения этой задачи в системе электроснабжения, содержащей питающую сеть в виде источника трехфазного переменного напряжения промышленной частоты и трехфазную ЛЭП с подключенными в конце линии p-фазными выпрямителями (в частном случае с одним p-фазным выпрямителем), к выходным выводам которых подключены потребители электрической энергии, на входе p-фазных выпрямителей дополнительно включен параллельный пассивный фильтр канонических гармоник. Трехфазная ЛЭП рассечена либо в начале, либо в промежуточной точке, либо в конце, либо в начале и конце линии и в рассечки включены дополнительно введенные трехфазные трансформаторные корректирующие устройства (ТТКУ), содержащие выполненные на самостоятельных магнитопроводах регулировочный и компенсационный трехфазные трансформаторы. Первичная трехфазная обмотка регулировочного трансформатора, содержащая в каждой фазе основную часть и регулировочную часть с отпайками, концами фазных обмоток подключена пофазно к началам цепочек, состоящих из последовательно соединенных первичных фазных обмоток компенсационного трансформатора и фазных конденсаторных батарей и концами подключенных к одной из отпаек регулировочной части фазной обмотки первичной трехфазной обмотки регулировочного трансформатора. Начала фазных обмоток первичной трехфазной обмотки регулировочного трансформатора подключены к ЛЭП пофазно до ее рассечки, а включенные пофазно последовательно трехфазные вторичные обмотки регулировочного и компенсационного трансформаторов подключены к ЛЭП пофазно после ее рассечки. Трехфазные трансформаторные корректирующие устройства включены или в начале, или в промежуточной точке, или в конце, или в начале и в конце трехфазной ЛЭП. Выпрямители выполнены либо на диодах, либо на тиристорах. Потребители электрической энергии при диодном исполнении выпрямителей выполнены в виде автономных инверторов и трехфазных электрических двигателей переменного тока, а при тиристорном исполнении выпрямителей - в виде электрических двигателей постоянного тока.

С целью снижения уровня p-1 гармоники напряжения на входе p-фазных выпрямителей включен параллельный пассивный фильтр p-1 гармоники. С целью снижения уровня p-1 и p+1 гармоник напряжения на входе p-фазных выпрямителей включен параллельный пассивный фильтр p-1 и p+1 гармоник.

Принципиальные схемы одного из вариантов предлагаемой компенсированной системы электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии с одним диодным выпрямителем, потребителями электрической энергии в виде автономных инверторов и трехфазных электрических двигателей переменного тока в однолинейном изображении приведены на фиг.1-4. Трехфазное трансформаторное корректирующее устройство на фиг.1 включено в начале трехфазной ЛЭП, на фиг.2 - в промежуточной точке трехфазной ЛЭП, на фиг.3 - в конце трехфазной ЛЭП, на фиг.4 - в начале и в конце трехфазной ЛЭП. Система электроснабжения содержит источник трехфазного переменного напряжения (понижающую подстанцию) 1, трехфазную ЛЭП 2, p-фазный выпрямитель 3, распределительное устройство постоянного тока 4, n потребителей электрической энергии, выполненных в виде автономных инверторов 5 и асинхронных двигателей переменного тока 6, дополнительно введенные пассивный фильтр 7 и трехфазные трансформаторные корректирующие устройства 8. Схема дополнительно введенного трансформаторного корректирующего устройства (ТТКУ) представлена на фиг.5. ТТКУ 8 содержит трехфазный регулировочный трансформатор 9, трехфазный компенсационный трансформатор 10 и трехфазную конденсаторную батарею 11. Трехфазный регулировочный трансформатор имеет трехфазную первичную обмотку с основной 12 и регулировочной 13 частями, а также трехфазную вторичную обмотку 14. Трехфазный компенсационный трансформатор имеет трехфазные первичную 15 и вторичную 16 обмотки. Трехфазная конденсаторная батарея 11 содержит фазные конденсаторные батареи 17. С целью пояснения работы предлагаемой системы на фиг.6 и 7 представлены результаты моделирования электромагнитных процессов в данном ее варианте с двенадцатифазным (p=12) выпрямителем, соответственно при отсутствии ТТКУ и фильтра (фиг.6), а также при включении ТТКУ в начале ЛЭП и фильтра одиннадцатой (p-1) гармоники на входе выпрямителя. Моделирование выполнено применительно к условиям нефтегазодобывающего комплекса при длине воздушной ЛЭП 18 км.

Работа предлагаемой компенсированной системы электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии осуществляется следующим образом. После подключения системы к источнику напряжения 1 переменное трехфазное напряжение подается на ЛЭП 2, а также на основную 12 и регулировочную 13 части первичной трехфазной обмотки регулировочного трансформатора 9 трехфазного корректирующего устройства 8. С регулировочной части обмотки 13 напряжение подается на конденсаторную батарею 17 и первичную обмотку 15 компенсационного трансформатора 10. Это напряжение трансформируется во вторичную обмотку 16 компенсационного трансформатора. Напряжение на обмотке 16 суммируется с напряжением на вторичной обмотке регулировочного трансформатора 14 и подается на трехфазную ЛЭП 2 и, соответственно, на p-фазный выпрямитель 3. На распределительном устройстве постоянного тока 4 создается постоянное напряжение, которое подается на потребители электрической энергии в варианте по схемам на фиг.1-4 в виде автономных инверторов 5 и трехфазных электрических двигателей переменного тока 6. С помощью автономных инверторов 5 с использованием синусоидальной широтно-импульсной модуляции постоянное напряжение преобразуется в трехфазное переменное напряжение, приводящее в движение исполнительные трехфазные электрические двигатели буровой установки 6. Работа p-фазного выпрямителя сопровождается появлением на его входе высших гармоник тока. Наибольшими по амплитуде являются p-1 и p+1 гармоники. Наличие высших гармоник искажает формы токов и напряжений в системе электроснабжения и особенно напряжения на выходе линии электропередачи 2 (см. диаграмму напряжения на выходе ЛЭП на фиг.6). Улучшение форм токов и напряжений достигается включением на вход выпрямителя 3 дополнительного параллельного пассивного фильтра 7 канонических p-1 или p-1 и p+1 гармоник. Причем в предлагаемой системе электроснабжения фильтр выбирается особым образом, а именно, по минимуму установленной мощности, когда на него возлагается задача лишь по снижению гармонического воздействия выпрямителей 3 на систему электроснабжения, т.е. когда фильтр практически освобождается от функции компенсации реактивной мощности. Включение фильтра 7 исправляет формы токов и напряжений до допустимых пределов (см. диаграммы напряжений на выходе ЛЭП на фиг.6 и 7).

Включение ТТКУ уменьшает угол сдвига фаз между напряжением и током на входе ЛЭП, компенсируя потребляемую из источника переменного напряжения 1 реактивную мощность (см. диаграммы напряжения и тока на входе ЛЭП на фиг.6 и 7). Одновременно повышается до необходимой величины напряжение на выходе выпрямителя 3 (см. диаграммы выпрямленных напряжения и тока на фиг.6 и 7), а следовательно, и на потребителях электрической энергии 5 и 6. Необходимый уровень напряжения на потребителях 5 и 6 обеспечивается выбором регулировочным устройством соответствующей отпайки обмотки 13 трехфазного трансформаторного корректирующего устройства 8. При относительно небольшой длине линии электропередачи ТТКУ включается либо в начале ЛЭП, либо в промежуточной ее точке (фиг.1 и 2). При этом с целью снижения тока в ЛЭП и, соответственно, уменьшения потерь электрической энергии при ее передаче в ТТКУ используется регулировочный трансформатор, повышающий напряжение. При большой длине линии электропередачи повышение напряжения в начале ЛЭП обеспечивается либо силовым трансформатором 1 (фиг.3), либо ТТКУ с повышающим напряжение регулировочным трансформатором (фиг.4). При этом в ТТКУ, включаемых в конце линии (фиг.3 и 4) с целью снижения тока в линии и повышения тока в нагрузке, а также с целью ограничения напряжения на потребителях в режиме их холостого хода, используются регулировочные трансформаторы, понижающие напряжение. Аналогичный результат достигается и при тиристорном исполнении выпрямителей 3 с потребителями электрической энергии в виде электрических двигателей постоянного тока.

В результате применения изобретения создаются условия для нормальной работы удаленных потребителей электрической энергии с одновременным повышением энергетических показателей и качества электрической энергии в системе электроснабжения.

Технико-экономический эффект от применения предлагаемой компенсированной системы электроснабжения определяется значительным увеличением допустимого расстояния от понижающей подстанции до потребителей электрической энергии, таких как буровые установки нефтегазодобывающего комплекса. При этом отпадает необходимость строительства дополнительных понижающих подстанций, поскольку каждая питающая подстанция может обслужить большее число буровых установок, что приводит к значительному снижению капитальных затрат. Кроме того, за счет полной компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения и нормализации качественных показателей электрической энергии обеспечивается существенный как энергосберегающий, так и технологический эффект.