Электронно-управляемый силовой трансформатор (ЭУСТ) для линии электропередачи к потребителю с переменной нагрузкой

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в многосвязных системах автоматического регулирования перераспределением потоков электроэнергии в многозвенных линиях электропередачи.

Известен управляемый шунтирующий реактор-трансформатор (УШРТ) [1-3], выполняющий функции магнитного шунта и подключаемый к линии электропередачи. С его помощью можно регулировать напряжение на входе линии электропередачи от трансформаторной подстанции (ТП), что необходимо для поддержания постоянной величины переменного напряжения у потребителя в конце линии электропередачи при изменяющемся во времени характере нагрузки, компенсируя возникающие в линии транспортные потери. В случае использования нескольких потребителей, снабжаемых энергией по раздельным линиям электропередачи от одной ТП, возникает задача по перераспределению потоков энергии этим потребителям в зависимости от действующих в них изменяющихся нагрузок. И в этом случае важно устранить влияние изменяющихся нагрузок у одних потребителей на величину действующего напряжения у других потребителей.

К недостаткам систем с использованием УШРТ относится существенное искажение формы синусоидального напряжения сети, приводящее к возникновению гармоник, и существенные потери энергии как от возникновения гармоник, так и от постоянно действующих коротких замыканий тиристорными парами обмотки управления трансформатора УШРТ в соответствующих фазах переменного напряжения.

Указанные недостатки устранены в заявляемом устройстве.

Целями изобретения являются автоматическое поддержание неизменным напряжения у всех потребителей, связанных с трансформаторной подстанцией раздельными линиями электропередачи, независимо от вариации величин нагрузок у потребителей, а также снижение потерь энергии и обеспечение неискаженной формы синусоидального напряжения сети, поставляемого потребителю.

Указанная цель достигается в заявляемом электронно-управляемом силовом трансформаторе для линий электропередачи к потребителю с переменной нагрузкой, содержащем коммутирующие пары встречно-параллельно соединенных тиристоров, включенных к вторичной обмотке силового трансформатора, отличающемся тем, что вторичная обмотка выполнена многоотводной, те или иные отводы которой через указанные пары тиристоров коммутируются по отдельности к линии электропередачи через блок измерения тока в последней, изменяющегося с изменением нагрузки у потребителя, выход блока измерения тока в линии электропередачи и вывод от начала линии подключены к системе автоматического регулирования, управляющей работой электронного переключателя блоков включения соответствующей пары тиристоров, число которых равно числу выводов вторичной обмотки силового трансформатора, причем выбор коммутации того или иного вывода вторичной обмотки силового трансформатора к линии электропередачи осуществляется в системе автоматического управления путем сравнения опорного напряжения U_O=rI, где r - известное сопротивление линии электропередачи, соответствующего среднестатистическому току I нагрузки R_H потребителя, с текущим значением падающего в линии электропередачи напряжения rI(α), где I(α)=I/α - текущее значение тока нагрузки R_H(α)=αR_H потребителя при коэффициенте α текущего разброса величины нагрузки, большего или меньшего единицы; при этом стабилизируемое напряжение в конце линии электропередачи U₂ и напряжение в ее начале U₁(α) связаны соотношением U₂=U₁(α)-rI(α), и напряжение U₂=αR_HI/α=R_HI у потребителя поддерживается неизменным с абсолютной погрешностью, не превышающей шага ΔU между напряжениями в смежных эквидистантно распределенных по напряжению выводах вторичной обмотки силового трансформатора.

Система автоматического управления ЭУСТ включает два независимых контура управления, выходные сигналы которых суммируются и результирующий сигнал управления подается на вход аналого-цифрового преобразователя, связанного с дешифратором, N выходов которого из общего числа 2^m>N его выходов подключены соответственно к N блокам включения соответствующих пар силовых тиристоров, причем первый контур управления содержит последовательно соединенные формирователь сигнала rI(α), схему вычитания на первом операционном усилителе между сигналами - опорным 2U_O и текущим rI(α), а второй контур управления включает последовательно соединенные вычитатель, на два входа которого подаются сигналы, пропорциональные значениям U₁(α) и rI(α), интегратор на втором операционном усилителе, на входы которого подаются сигналы, пропорциональные разности U₁(α)-rI(α) и U₂, и двуполярное пороговое устройство - ограничитель по минимуму с порогами ограничения U_ПОР≈(+/-)1,5ΔU, где ΔU - различие напряжений между соседними выводами вторичной обмотки силового трансформатора.

Каждый из N входящих в систему автоматического управления блок включения тиристорной пары содержит пару оптронов, светодиоды которых включены последовательно с транзистором управления к источнику питания, база транзистора соединена с соответствующим выходом дешифратора, а оптотиристоры оптронов подключены к управляющим электродам силовых тиристоров и двум отдельным источникам питания, используемым для всех N пар оптронов.

Достижение поставленных целей объясняется коммутацией соответствующих выводов вторичной обмотки силового трансформатора к линии электропередачи через электронно-управляемые пары силовых тиристоров с малой мощностью рассеяния в открытом состоянии, при котором отсутствуют искажения формы синусоиды (что в известных системах с УШРТ вызывает появление гармоник, увеличивающих потери электроэнергии). По сигналу ошибки r[I-I(α)] того или иного знака и величины выбирается включением тиристорной пары тот или иной вывод вторичной обмотки силового трансформатора, с помощью чего напряжение в конце линии электропередачи U₂ поддерживается неизменным с достаточной точностью независимо от изменения нагрузки у потребителя в широких пределах, определяемых значением коэффициента α.

Блок-схема заявляемого устройства приведена на рис. 1 и содержит следующие элементы, узлы и блоки:

1 - силовой трансформатор с N выводами вторичной обмотки,

2 - силовая тиристорная пара (число таких пар равно N в каждой фазе),

3, 4, 5 - блоки включения соответствующей тиристорной пары,

6 - электронный переключатель блоков включения силовых тиристорных пар,

7 - система автоматического регулирования,

8 - измеритель тока I(α) нагрузки в линии электропередачи с ее сопротивлением r,

9 - изменяемое сопротивление нагрузки R_H(α) у потребителя.

Силовой трансформатор 1 подключается к высоковольтной воздушной линии ВЛ-10 кВ и передает энергию к потребителю, например, по воздушной линии ВЛ-0,4 кВ или по подземной кабельной линии с известным сопротивлением r.

На рис. 2 дан график изменения напряжения U₁(α) в начале линии электропередачи в функции управляющего напряжения (сигнала ошибки для системы автоматического регулирования) 2U_O-rI(α), где коэффициент α изменяется в пределах α_MIN≤α≤α_MAX.

На рис. 3 показана блок-схема системы автоматического регулирования 7 с электронным переключателем 6 блоков включения 3, 4…5 тиристорных пар 2, которая содержит следующие элементы:

10 - выпрямитель переменного напряжения, вырабатываемого в измерителе тока 8 с фильтром нижних частот, и умножитель по параметру r - формирователь сигнала rI(α),

11 - формирователь текущего сигнала, пропорционального напряжению U₁(α)-rI(α),

12 - интегратор на втором операционном усилителе,

13 - формирователь опорного сигнала, пропорционального напряжению U₂,

14 - двуполярное пороговое устройство по минимуму, порог U_ПОР≈(+/-)1,5ΔU,

15 - вычитающее устройство на первом операционном усилителе,

16 - стабилизируемый источник опорного напряжения 2U_O регулируемый,

17 - двоичный многоразрядный (с числом разрядов m) аналого-цифровой преобразователь, при этом 2^m>N, где N - число выводов от вторичной обмотки силового трансформатора 1,

18 - двоичный дешифратор с 2^m выходами, часть которых связана с N блоками 3, 4, 5 включения тиристорных пар 2.

На рис. 4 дана схема включения s-й тиристорной парой 2 (где 1≤s≤N) по логическому сигналу «1» от дешифратора 18, содержащая:

19 - пару оптронов включения тиристорной пары 2,

20 и 21 - развязанные между собой и от общей шины источники постоянного напряжения для открывания тиристороной пары, общие для всех N тиристорных пар 2,

22 - транзистор управления включением последовательно включенных оптронов 19.

Рассмотрим работу заявляемого устройства.

Промышленный потребитель электроэнергии, как правило, использует для транспортировки электроэнергии трехфазную ВЛ-0,4 кВ с междуфазным напряжением 380 В и напряжением между фазой и нулевым проводником (как правило, заземленным) в 220 В. Поскольку к фазам сети у потребителя подключаются различные нагрузки (как трехфазные, так и однофазные), то по фазным проводникам ВЛ-0,4 кВ протекают различные токи I(α)=U₂/R_H(α), где U₂ - стабилизируемое системой напряжение однофазной сети у потребителя (U₂=220 В). Поэтому в трансформаторной подстанции (ТП), то есть на входе ВЛ-0,4 кВ, необходимо использовать соответственно три таких одинаковых системы автоматического управления раздельно по трем фазам, работающими независимо друг от друга. При этом правильное перераспределение потоков энергии в трехфазной ВЛ-0,4 кВ имеет целью стабилизацию напряжений U₂ у потребителя по всем его трем фазам в условиях изменения нагрузок R_H(α) в них.

Ток I(α) зависит как от изменения нагрузки R_H(α), так и от изменения напряжения U₂, приложенного к ней, поэтому можно записать два независимых уравнения:

что означает необходимость построения двух независимых контуров в системе автоматического регулирования 7 (рис. 1), представленных на рис. 3. Подставляя значение тока в первое уравнение системы (1), получим связь между стабилизируемым напряжением U₂ в конце ВЛ-0,4 кВ и напряжением в ее начале:

Информация о величине тока I(α) в линии электропередачи представляется в измерителе 8 (рис. 1 и 3) в форме постоянного напряжения-эквивалента, полученного выпрямлением и фильтрацией пульсирующего напряжения с выхода вторичной обмотки трансформатора тока, включенного по его первичной одновитковой обмотке последовательно с линией. Это напряжение в формирователе 10 (рис. 3) сигнала rI(α) подбирается потенциометрически с учетом известного сопротивления r линии электропередачи. Далее в формирователе 11 напряжения U₃=k[U₁(α)-rI(α)], где k<<1, осуществляется вычитание указанных напряжений и деление результата для необходимого понижения напряжения для работы интегратора на втором операционном усилителе 12 с постоянной интегрирования RC, к неинвертирующему входу которого подается с формирователя опорного напряжения 13 постоянное напряжение kU₂ - эквивалент стабилизируемого напряжения у потребителя. Напряжение u(t) на выходе интегратора 12 записывается, как известно, в виде:

имея в виду, что переменная во времени величина U₃(t) объясняется временной зависимостью коэффициента α=α(t), указывающего на временное изменение нагрузки R_H(α).

В процессе автоматического регулирования выходной сигнал интегратора стремится к минимуму, теоретически к нулю, чего, однако, не происходит, поскольку напряжение U₁(α) в процессе регулирования изменяется не плавно, а скачкообразно с шагом ΔU. Поэтому для получения в конце процесса регулирования этим (вторым) контуром нулевой ошибки управления в этом контуре использован двуполярный ограничитель по минимуму 14 выходного сигнала интегратора u(t) с порогом ограничения U_ПОР≈(+/-)1,5ΔU. Поскольку за время регулирования Δt_УПР≈2,2 RC сигнал u(Δt_УПР)→(+/-)ΔU, то с целью исключения самовозбуждения системы авторегулирования по второму контуру регулирования применен указанный ограничитель 14. При этом стабилизируемое напряжение поддерживается с точностью, определяемой шагом напряжения ΔU между любыми смежными выводами вторичной обмотки силового трансформатора 1.

По первому контуру регулирования осуществляется режим коммутации соответствующего вывода, например s-го вывода (рис. 3), вторичной обмотки силового трансформатора 1 к линии электропередачи соответствующей тиристорной парой 2. В этом контуре сигнал rI(α), полученный в формирователе 10, сравнивается первым операционным усилителем 15 с опорным напряжением 2U_O регулируемого источника 16, а результирующий сигнал на выходе складывается с сигналом управления второго управляющего контура в последовательно соединенных резисторах R₁ и R₂, совокупный сигнал с которых прикладывается ко входу двоичного m-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 17.

Отметим, что для нормальной работы первого операционного усилителя 15 напряжения, подаваемые на его входы, не должны превышать допустимых паспортных пределов. Если эти напряжения превосходят такие пределы, то они должны быть уменьшены в одинаковое число раз (что не указано на рис. 3, но имеется в виду в случае необходимости). Кроме того, следует указать, что напряжение на резисторе R₂ действует лишь на начальном периоде регулирования, а по истечении времени Δt_УСТ обнуляется за счет действия двуполярного ограничителя по минимуму 14, исключающего неустойчивую работу системы авторегулирования из-за скачкообразной коммутации выводов вторичной обмотки силового трансформатора 1 к ВЛ-0,4 кВ.

Таким образом, управляющий аналоговый сигнал положительной полярности в пределах от нуля до 2U_O, на действие которого рассчитан АЦП 17, преобразуется в m-разрядный двоичный код. Разрядность АЦП выбрана по условию, что 2^m>N, исходя из необходимости ограничения пределов изменения коэффициента α, значения которого не могут быть нулевыми и очень большими. Так, при α=0 - это не допустимый режим короткого замыкания (КЗ) у потребителя, при котором срабатывают автоматические выключатели по всем трем фазам, а при α→∞ потребление энергии вообще отсутствует, что не представляет интереса.

Двоичный код с выхода АЦП 17 подается на дешифратор 18, на одном из 2^m выходов которого возникает логический сигнал «1», а на всех остальных его выходах действуют логические сигналы «0». При использовании дешифраторов ТТЛ-логики (например, дешифраторов К155ИД3) логическая единица соответствует напряжению ≥2,4 В (но не более 5 В), а логический ноль соответствует напряжению ≤0,4 В.

По сигналу логической единицы на s-м выходе дешифратора 18 (рис. 3 и 4) становится проводящим переход «коллектор-эмиттер» транзистора T_s 22 за счет подачи на его базу отпирающего напряжения логической единицы. При этом ток через этот транзистор зажигает последовательно соединенные светодиоды оптопар 19, что, в свою очередь, приводит к отпиранию оптотиристоров этих оптопар и отпирает силовые тиристоры 2, что и приводит к соединению s-го вывода силового трансформатора 1 к ВЛ-0,4 кВ в соответствующей фазе сети. Транзистор 22 работает как эмиттерный повторитель, так что к последовательно включенным светодиодам оптопар 19 (например, типа АОУ103Б) приложено достаточное для их зажигания напряжение. Важно указать, что источники питания 20 и 21 обслуживают все N тиристорных пар 19 системы, но являются не связанными ни между собой, ни с общей шиной, относительно которой включены элементы системы управления и, в частности, дешифратор 18. Отрицательные полярности этих источников для включения силовых тиристоров 2 соответственно подключены к одному из N выводов (например, s-му) вторичной обмотки силового трансформатора 1 и к входу ВЛ-0,4 кВ. Положительные полярности источников 20 и 21 через открытые оптотиристоры оптопар 19 соединяются с управляющими электродами силовых тиристоров 2, открывая эти тиристоры постоянно во времени, что способствует передаче неискаженной формы синусоидального напряжения в линию электропередачи.

Рассмотрим пример реализации заявляемого устройства.

Пусть потребитель потребляет по трехфазной сети от энергоснабжающей организации среднестатистическую мощность Р*=100 кВт. При этом пусть по каждой его фазе он потребляет среднестатистическую мощность Р=Р*/3=33,3 кВт. Это означает, что однофазная его нагрузка R_H=U₂²/Р=1,45 Ом. Пусть ВЛ-0,4 кВ по одной ее фазе имеет известное постоянное сопротивление, например r=0,3 Ом - для однокилометровой линии из алюминиевого проводника сечением около 100 мм². При этом ток в соответствующем проводнике линии будет равным I=220/1,45=151.7 А. Падение напряжения в этом проводнике линии будет равно U_O=rI=0,3*151,7=45,5 В. Если размах напряжения, прикладываемого к АЦП 17, установить равным 10 В, то это означает, что для нормальной работы этого АЦП, вместо напряжения U_O=45,5 В, следует брать его эквивалент с напряжением 5 В, то есть разделить напряжение U_O в 45,5/5=9,1 раза. Этот же коэффициент деления следует применить и к опорному напряжению в блоке 16. Тогда в системе будет к линии подключен средний по положению вывод вторичной обмотки силового трансформатора 1.

Зададим возможный разброс по потребляемой мощности от 0,25Р до 1,75Р, что отвечает изменению нагрузки потребителя по фазе соответственно в пределах от 4R_H=5,8 до 0,57R_H=0.83 Ом, тогда значение коэффициента α лежит в пределах 4≥α≥0,57, а возможные токи в проводнике линии изменяются в диапазоне 37,9≤I(α)≤266,1 А. При этом напряжение U₁(α) на входе линии электропередачи должно регулироваться автоматически в диапазоне 231,4≤U₁(α)<299,8 В с перепадом напряжения в 299,8-231,4=68,4 В. На рис. 2 приведен график линейной зависимости напряжения U₁(α) от управляющего сигнала на входе АЦП 17 с учетом принятого изменения коэффициента α. Из этого следует, что число выводов N=48 и при этом шаг напряжения ΔU=68,4/48=1,425 В будет определять абсолютную погрешность стабилизации напряжения сети U₂ у потребителя того или иного знака. В результате регулирования с учетом заданных пределов изменения потребляемой мощности от 25 кВт до 175 кВт напряжение на нагрузках потребителя может варьировать от 218,6 В до 221,4 В, что вполне удовлетворительно.

АЦП 17 при этом выполняется 6-разрядным, а 64 выхода дешифратора 18 при этом следует образовать с помощью соответствующего включения четырех дешифраторов типа К155ИД3 по известной схеме. Напряжение U₁(α_MAX)=231,4 В соответствует двоичному коду 000111, а напряжение U₁(α_MIN)=299,8 В - коду 111000 на выходе АЦП 17. При среднестатистическом потреблении (Р*=100 кВт) код на выходе АЦП 17 будет 011111.

Рассмотренная система авторегулирования может успешно использоваться при построении сети потребителей от одной ТП с перераспределением потоков энергии разным потребителям с варьируемыми нагрузками у них при сохранении стабильными сетевых напряжений. При этом следует лишь использовать силовой трансформатор с мощностью, обеспечивающей всех потребителей. Например, при четырех потребителях с параметрами потребления, рассмотренными выше, силовой трансформатор, общий для всех четырех потребителей, должен быть рассчитан на предельную мощность в 700 кВт и иметь 48 выводов от вторичной обмотки, каждый из которых может быть использован для всех четырех потребителей. Однако, едва ли все эти потребители будут работать в режиме потребления максимально допустимой мощности в 175 кВт, что позволяет снизить расчетную мощность силового трансформатора до значений порядка 500 кВт, что отвечает задаче автоматического перераспределения потоков энергии различным потребителям по раздельным линиям электропередачи с различными их параметрами по значению сопротивлений r.

В заключение следует отметить, что борьба с возникающими у потребителя реактивными токами при использовании индуктивных нагрузок от работы электродвигателей переменного тока (обычно их Cosϕ=0,85) обеспечивается просто соответствующим подбором параллельно к сети подключенным конденсатором, и этот процесс легко автоматизировать. А возникающие периодически перепады токов от работы различных приборов, сопровождающиеся появлением, как правило, нечетных гармоник, которые сравнительно просто устраняются с помощью подключения у потребителя режекторных фильтров, настроенных на эти гармоники, хотя при этом бесполезно теряется мощность от сети переменного тока, рассеиваемая в активной составляющей этих фильтров, но сохраняется форма его синусоидальности, что может быть необходимо для работы соответствующих приборов, составляющих нагрузку потребителя.

Патентный поиск

SU 1781711 А1, 15.12.1992. RU 2297062 С2, 10.04.2007.

RU 2221297 С1, 10.01.2004. SU 1658224 А1, 23.06.1991.

ЕР 0443342, 28.08.1991.

Литература

1. Г.Н. Александров, Управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа, Труды ЛПИ им. М.И. Калинина, Л., 1990.

2. Александров Г.Н., Лунин В.П., Управляемые реакторы, изд. 3-е Центра подготовки кадров энергетики, СПб., 2005.

3. Каленик В.А., Управляемый шунтирующий реактор-трансформатор, Заявка на изобретение №2007128284/09 от 23.07.2007.