Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОМ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высоковольтным регулируемым электротехническим комплексам, и может использоваться в высоковольтных электрических сетях напряжением 110-750 кВ для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения.

Аналогом предлагаемого изобретения является статический тиристорный компенсатор (СТК), содержащий трехфазную силовую индуктивность, регулируемую последовательными тиристорными ключами, и подключенную параллельно ей конденсаторную батарею [1]. В СТК управляют реактивной мощностью путем регулирования углов зажигания тиристоров и коммутацией (включением и отключением) конденсаторной батареи. Однако СТК имеет ряд недостатков, т.к. он нуждается в охлаждении, закрытом помещении, специальном обслуживании. Средством регулирования в нем являются высоковольтные тиристорные ключи на номинальную мощность, не допускающие неизбежных в эксплуатации кратковременных и аварийных перегрузок. Кроме того, СТК не может быть выполнен на напряжении 110-750 кВ, что требует подключения его к промежуточному трансформатору на полную мощность либо к третичной обмотке существующих автотрансформаторов (что возможно в существующих сетях далеко не всегда). И в первом, и во втором случае существенно снижается эффективность регулирования реактивной мощности на стороне высокого напряжения. Кроме того, в первом случае увеличивается стоимость оборудования, монтажа и эксплуатации.

Наиболее близким способом регулирования реактивной мощности является способ регулирования с использованием источника реактивной мощности (ИРМ), состоящего из регулируемой индуктивности - управляемого подмагничиванием трехфазного реактора, который непосредственно подключают к сети высокого напряжения, секционированной конденсаторной батареи, и фильтров высших гармоник, также подключаемых к сети высокого напряжения с секционированием через выключатели или к обмоткам управления [2]. Управление ИРМ осуществляют подмагничиванием при помощи регулируемого выпрямителя, который питают однофазным напряжением от обмоток управления или от системы собственных нужд подстанции, и коммутацией секций конденсаторной батареи.

Способ управления ИРМ прототипа имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогом, так как он обеспечивает повышение эффективности регулирования реактивной мощности в высоковольтных электрических сетях, снижение стоимости установленного оборудования. Не требуется закрытых помещений и постоянного квалифицированного обслуживания.

Однако он имеет ряд недостатков: увеличенные скачки напряжения в сети и повышенную изношенность коммутационного и другого электрооборудования подстанции, на которой установлен ИРМ. Причина в том, что при коммутации секций конденсаторных батарей возникает режим «хлопаний» - многократное включение - отключение секционных выключателей, из-за параметрического резонанса. Это является длительным переходным процессом, сопровождающимся многократными длительными скачками напряжения в сети, выходящими за пределы, нормируемые стандартом. Возникают многократные броски тока включения секций конденсаторных батарей. Возникают также и многократные перенапряжения - коммутационные и резонансные (индуктивностей сети и реактора с емкостью сети и конденсаторной батареи). Многократные броски тока вызывают большие электродинамические силы, а перенапряжения - многократные воздействия на изоляцию. Это приводит к повышенному износу коммутационного и силового оборудования подстанции. Таким образом, имеет место снижение качества регулирования напряжения сети (основного назначения установки ИРМ в сети) и снижение надежности оборудования подстанции.

Целью изобретения является ликвидация указанных недостатков - повышение качества регулирования напряжения сети и увеличение надежности оборудования подстанции.

Указанная цель достигается тем, что регулирование источника реактивной мощности, при котором трехфазный управляемый подмагничиванием реактор постоянно подключают к сети, а при отклонении напряжения от заданного секционированную трехфазную конденсаторную батарею подключают через выключатели к сети или отключают от сети (то есть коммутируют), подключение каждой секции трехфазной конденсаторной батареи производят при одновременном выполнении условий:

U≤U_зад,

I≤I_min,

t-t_n-1≥Δt.

Отключение каждой секции трехфазной конденсаторной батареи производят при одновременном выполнении условий:

U≥U_зад,

I≥I_min,

t-t_n-1≥Δt.

В формулах условий коммутации введены обозначения:

U - сетевое напряжение в момент, предшествующий коммутации (подключения или отключения) секции конденсаторной батареи;

U_зад - заданное напряжение сети (уставка напряжения реактора);

I - ток реактора в момент, предшествующий коммутации;

I_min - заданный минимальный ток реактора (уставка минимального тока реактора);

I_max - заданный максимальный ток реактора (уставка максимального тока реактора);

t - момент времени коммутации;

t_n-1 - момент времени предыдущей коммутации;

Δt - уставка времени задержки коммутации.

Принципиальная схема ИРМ, на примере которого иллюстрируется предлагаемый способ, изображена на чертеже.

К трехфазной сети А-В-С подключен трехфазный управляемый подмагничиванием реактор 7 через выключатель 2 и конденсаторы двух секций конденсаторной батареи 3 и 4 через секционные выключатели 5 и б. Подмагничивание обмоток управления реактора 1 производится через управляемый выпрямитель 7 - полупроводниковый преобразователь (ПП), который регулируется системой автоматического управления 8 (САУ). Преобразователь 7 питается переменным трехфазным напряжением («≈») от обмоток управления (или третичных обмоток реактора) или от системы собственных нужд подстанции. Система 8 питается переменным и постоянным током («≈» и «=») и получает информацию о величине тока реактора от трансформаторов тока 9 и о напряжении сети от трансформаторов напряжения 10. Выключатель реактора 2 и секционные выключатели 5 и 6 конденсаторной батареи коммутируются по команде от САУ 8.

Реактор 1 может быть трехфазным или в виде трехфазной группы трех однофазных реакторов. Преобразователь может осуществлять как раздельное (пофазное), так и одновременное (сразу трех фаз) подмагничивание.

Предлагаемый способ управления ИРМ осуществляется следующим образом.

Управляемый подмагничиванием реактор 1 выключателями 2 подключают к трехфазной сети А-В-С, имеющей напряжение U. Перед этим включением в системе управления 8 устанавливают заданное для регулирования (стабилизации) напряжение сети U_зад, минимальный ток реактора I_min, максимальный ток реактора I_max и задержку времени Δt между соседними коммутациями секций конденсаторных батарей (включениями или отключениями выключателей 5 и 6).

При малой нагрузке сети или ее отсутствии (в ночное время) в сети имеет место избыток реактивной мощности из-за емкостных токов распределенной емкости высоковольтной сети на землю. В результате напряжение в сети увеличивается выше заданного напряжения U_зад, что фиксируется трансформаторами напряжения 10 и системой 8, которая вырабатывает команду преобразователю 7 на увеличение тока подмагничивания реактора 1. В результате ток реактора 1 увеличивается (вплоть до максимального тока I_max), ИРМ переходит в режим потребления автоматически регулируемой реактивной мощности и автоматической стабилизации напряжения в сети. При этом система 8 отслеживает изменение напряжения из-за колебаний нагрузки в сети, увеличивая или снижая ток подмагничивания реактора 1.

При дальнейшем увеличении нагрузки в сети возникает недостаток реактивной мощности, система 8, реагируя на снижение напряжения U≤U_зад и проверяя условие тока реактора меньше минимального I≤I_min, дает команду на включение секционного выключателя 5 - на подключение к сети одной секции конденсаторной батареи 3, переводя ИРМ в режим выработки реактивной мощности.

При максимальной нагрузке сети снова возникают условия U≤U_зад и I≤I_min. В этом случае, если предыдущее включение выключателя было раньше на время, не меньшее времени Δt, т.е. если соблюдается третье условие t-t_n-1≥Δt, система 8 дает команду на включение секционного выключателя 6 - на подключение к сети второй секции конденсаторной батареи 4, переводя ИРМ в режим выработки реактивной мощности вплоть до максимальной (при минимальном токе реактора). Обычно интервал времени Δt составляет 1-10 минут в зависимости от параметров ИРМ и сети.

При снижении нагрузки (переходу в ночное время) в сети возникает избыток реактивной мощности и возрастание напряжения. От ИРМ требуется переход от режима выдачи реактивной мощности к режиму потребления реактивной мощности. Поэтому САУ 8 вырабатывает команды на увеличение тока реактора и на отключение секций конденсаторной батареи. Отключение производится каждый раз при соблюдении одновременно трех условий: U≥U_зад, I≥I_max и t-t_n-1≥Δt.

Каждое подключение к сети конденсаторов сопровождается броском тока и возникновением скачка напряжения сети из-за существования инерции регулирования тока управляемого подмагничиванием реактора, имеющего определенное быстродействие (при наличии форсировки постоянная времени набора или сброса мощности - доли секунды, при ее отсутствии - несколько секунд). Каждое отключение от сети конденсаторов также сопровождается скачкообразным снижением напряжения сети. Однако при соблюдении одновременно трех условий коммутации это остается в сети практически незаметным. Причина в том, что система 8 сразу же после возникновения скачка напряжения дает команду на изменение тока подмагничивания реактора (а, следовательно, и сетевого тока реактора). В результате этого в течение долей секунды при наличии в реакторе функции форсировки подмагничивания или в течение нескольких секунд в случае отсутствия этой функции ИРМ с регулируемой индуктивностью - реактором 7 - возвращает системе напряжение, близкое к первоначальному.

Не соблюдение одного из трех условий может создать неблагоприятные режимы работы ИРМ. Например, если не соблюдается условие задержки последующей коммутации после предыдущей t-t_n-1≥Δt, то после очередного включения секции конденсаторной батареи возникший кратковременный скачок напряжения система 8 воспримет как команду на отключение этой секции батареи. И если нет задержки времени Δt, то отключение произойдет, а далее система 8 получит сигнал о снижении напряжения, и при отсутствии задержки снова произойдет подключение секции. Возникают условия для режима «хлопанья», которого не было бы при соблюдении задержки времени Δt, за время которой затухают все переходные процессы. Таким образом, предложенный способ регулирования обеспечивает ликвидацию при коммутациях секций конденсаторных батарей режима «хлопаний» - многократного включения - отключения секционных выключателей из-за параметрического резонанса. Это является длительным переходным процессом, сопровождающимся многократными длительными скачками напряжения в сети, выходящими за пределы, нормируемые стандартом на качество электрической энергии. Применение предложенного способа снижает перенапряжения коммутационные и резонансные (индуктивностей сети и реактора с емкостью сети и конденсаторной батареи), возникающие при скачках тока и напряжения. Из-за снижения числа бросков тока снижается уровень воздействия электродинамических сил на элементы конструкции электрооборудования, а из-за снижения числа перенапряжений - снижаются многократные воздействия на изоляцию. Это приводит к снижению износа коммутационного и силового оборудования подстанции. Таким образом, имеет место улучшение качества регулирования напряжения сети (основного назначения установки ИРМ в сети) и увеличение надежности оборудования подстанции.

Предложенный способ имеет ряд преимуществ перед аналогичными способами регулирования ИРМ: снижает скачки напряжения в сети и изношенность коммутационного и другого электрооборудования подстанции, на которой установлен ИРМ.

Работоспособность нового способа регулирования ИРМ и его преимущество перед известными способами подтверждены расчетами, математическим моделированием, результатами испытаний аналогичных устройств, при необходимости результаты этой работы могут быть дополнительно предоставлены. На ближайшее время намечено изготовление опытных образцов ИРМ для серийного производства с применением предложенного способа.

Литература

1. Статические тиристорные компенсаторы для энергосистем и сетей электроснабжения. Бортник И.М. и др. Электричество, 1985, №2.

2. Патент на изобретение РФ №2282912 по заявке №2004121712, приоритет изобретения 16 июля 2004 года. Опубликована с 27.08.2006 в Бюл. №24.