Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения с преобразовательными установками

От фликкер-эффекта, вызванного быстроменяющейся нагрузкой, можно избавиться с помощью индуктивных стабилизаторов, подключаемых через тиристорную схему управления.

Несбалансированные нагрузки могут быть уравновешены путем селективного подключения, через тиристорную управляющую схему, индуктивных стабилизаторов и конденсаторов.

Быстрые флуктуации в реактивных нагрузках, таких как искровые плавильные печи, могут быть скомпенсированы аналогичным способом.

При использовании системы БСК на сталелитейном заводе было достигнуто улучшение следующих показателей:

- флуктуации напряжения были снижены на 80%;

- уровень напряжения повысился;

- при повышении уровня напряжения увеличилась производительность за счет уменьшения времени плавки в искровых печах;

- удалось избежать штрафов компании-поставщика электроэнергии за низкий коэффициент мощности;

- мощность, выделяемая в искре плавильных печей, была стабилизирована, что привело к снижению износа графитовых электродов;

- уровень гармоник в сети подачи электроэнергии, благодаря использованию фильтров, снизился до приемлемого значения.

Статические компенсаторы проектируются индивидуально, таким образом, чтобы каждый компенсатор соответствовал своему конкретному назначению и приносил положительный экономический эффект.

Для проектирования необходима следующая информация: принципиальная схема той системы, к которой компенсатор будет подсоединен; номинальное напряжение и частота сети; мощность, выделяемая при коротком замыкании в точке общего подсоединения, и диапазон любых возможных изменений; информация относительно изменений реактивной мощности и/или информация о связанной с этим нагрузке; данные по имеющемуся уровню и характеру гармоник или данные о нагрузке, вызывающей наличие гармоник; конструкторские требования, например, допустимое изменение напряжения и содержания гармоник, требования по реактивной составляющей мощности и быстродействие системы компенсации; любые дополнительные или особые требования, которые предъявляются к компенсатору; окружающие условия[26].

1.4.4 Разработанные устройства для компенсации реактивной мощности

Разработано устройство компенсации реактивной мощности с помощью переключаемых ступенями фильтрокомпенсирующих цепей и плавно регулируемых линейных реакторов.

На рисунке 26 показана принципиальная схема устройства.

Рисунок 26 - Устройство для компенсации реактивной мощности

Устройство содержит тиристорно-реакторную группу, состоящую из компенсирующих реакторов 1, подключенных встречно-параллельно соединенными тиристорами 2 к сети, питающейся от вторичной обмотки 3 понижающего трансформатора 4, соединенной, например, в звезду с выведенной нейтралью 5. В устройство входят фильтрокомпенсирующие цепи, фазы которых состоят из последовательно включенных коммутационных элементов 6, конденсаторов 7 и реакторов 8. Ветви разноименных фаз фильтрокомпенсирующих цепей соединены в звезду с изолированной нейтралью 9. Устройство содержит общую шину 10, между которой и нейтралями 9 каждой трехфазной фильтрокомпенсирующей цепи включены дополнительные коммутационные элементы 11, например разъединители. При наличии выведенной нейтрали 5 вторичной обмотки трансформатора 4 с нейтралью 5 соединена общая шина 10.

Устройство работает следующим образом.

В случае соединения обмотки 3 в звезду с выведенной нейтралью при оперативном отключении одной из фильтрокомпенсирующих цепей, например, для ступенчатого регулирования уровня компенсации реактивной мощности предварительно включается дополнительный коммутационный элемент 11 отключаемой фильтрокомпенсирующей цепи, затем эта цепь отключается от сети коммутационным элементом 6, после этого отключается включенный дополнительный коммутационный элемент 11. В результате подключения нейтрали 9 отключаемой фильтрокомпенсирующей цепи к нейтрали 5 вторичной обмотки трансформатора 4 предотвращается смещение потенциала нейтрали 9 при неполнофазном режиме, возникающем из-за неодновременного обрыва дуги в фазах коммутационным элементом 6. При этом амплитуда напряжения, восстанавливающегося на первой отключаемой фазе коммутационного элемента 6, снижается в 1,5 раза, что приводит к повышению надежности его работы.

При соединении обмотки 3 трансформатора 4 в треугольник или звезду с изолированной нейтралью до отключения фильтрокомпенсирующей цепи ее нейтраль 9 коммутационным элементом 11 подключается к шине 10. Одновременно включается необходимое количество коммутационных элементов 11 остальных фильтрокомпенсирующих цепей. Затем отключается коммутационный элемент 6 отключаемой фильтрокомпенсирующей цепи, после чего отключаются все включенные дополнительные коммутационные элементы 11. Исследования показывают, что подсоединение к отключаемой еще четырех-пяти фильтрокомпенсирующих цепей примерно одинаковой мощности дает практически тот же эффект, что и подсоединение к нейтрали трансформатора, т.е. снижает амплитуду восстанавливающегося напряжения на первой отключаемой фазе почти в 1,5 раза. Подключение нейтрали лишь одной фильтрокомпенсирующей цепи обеспечивает снижение восстанавливающегося напряжения более чем в 1,3 раза, что в ряде случаев может оказаться достаточным для надежной работы коммутационных элементов[27].

Для автоматической компенсации реактивной мощности в электрических сетях предназначен статический тиристорный источник реактивной мощности.

Рисунок 27 - Схема статического источника реактивной мощности

Источник состоит из конденсаторных батарей 1, соединенных в треугольник и включенных на линейное напряжение электрической сети. Каждая сторона треугольника содержит по две последовательно соединенные конденсаторные батареи 1. Средние точки треугольника конденсаторных батарей соединены регулируемыми дросселями 2, образующими также треугольное соединение. Каждый регулируемый дроссель 2 состоит из трехстержневой магнитной системы 3 с немагнитными зазорами в среднем стержне и двух обмоток 4 и 5, расположенных на крайних стержнях и соединенных параллельно через последовательно включенные с обмотками 4 и 5 встречно-параллельно соединенные управляемый и неуправляемый вентили 6.

Источник работает следующим образом.

При полностью открытых тиристорах блоков 6 индуктивное сопротивление дросселей 2 максимальное и к ним приложена половина линейного напряжения. Обмотки 4 и 5 дросселей 2 включены параллельно. Суммарный магнитный поток замыкается через средние стержни магнитной системы. Наличие немагнитных зазоров препятствует насыщению электротехнической стали магнитной системы. Содержание высших гармоник в токе устройства незначительное. Кроме того, соединение дросселей в треугольник обеспечивает циркуляцию гармоник тока, кратных трем, по замкнутому контуру.

При полностью закрытых тиристорах блока 6 происходит подмагничивание стали магнитной системы, так как по обмоткам 4 и 5 протекает импульсный выпрямленный ток, обеспечивающий создание постоянного магнитного потока, замыкающегося через крайние стержни. Напряжение на дросселях 2 близко к нулю. Напряжение на конденсаторных батареях 1 возрастает с половины линейного до фазного напряжения.

Содержание высших гармоник в электрической сети минимально, так как напряжение на дросселях близко к нулю.

При текущем значении угла управления тиристоров блоков 6 режим работы устройства находится между двумя предельными режимами, рассмотренными выше. Наличие двух треугольных соединений конденсаторных батарей 1 и дросселей 2 способствуют более эффективному снижению высших гармоник, кратных трем.

Это устройство может найти применение в электрических сетях энергосистем и в системах электроснабжения промышленных предприятий для повышения коэффициента мощности, снижения потерь активной мощности от протекания реактивной мощности и регулирования напряжения[28].

Отдельная задача в электроэнергетике - проблема быстрого пофазного регулирования величины и направления потока реактивной мощности в трехфазных линиях электропередач высокого и сверхвысокого напряжения.

Для линий электропередач требуются такие СТК, которые, во-первых, обладают высоким быстродействием, позволяющим оказывать благоприятное влияние на протекание электромагнитных процессов, и, во-вторых, позволяют осуществлять пофазное регулирование реактивной мощности. В определенных ситуациях требуется, например, быстро (за один период промышленной частоты) перевести СТК из симметричного трехфазного режима в режим, при котором по двум фазам производится выдача, а по одной фазе потребление реактивной мощности[30].

Разработан статический тиристорный компенсатор, содержащий соединенные последовательно конденсаторную батарею и реакторы, а также два трехфазных трансформатора и блок регулирования реактивной мощности. К вторичным обмоткам трансформаторов подключены два управляемых тиристорных моста, полюса постоянного тока которых соединены через реакторы. Расширение функциональных возможностей путем пофазного управления компенсатором достигается тем, что первичные обмотки трансформаторов соединены по схеме согласной звезды с заземленной нейтралью, а вторичные обмотки - по схеме встречной звезды, и их нейтрали соединены перемычкой, а блок регулирования реактивной мощности выполнен пофазным.

Наличие перемычки между нейтралями вторичных обмоток трансформаторов при их соединении в две взаимно-обратные звезды дает возможность оставить в работе вентили, относящиеся к одной фазе устройства, и получить режим, при котором реактивная мощность потребляется только в этой фазе. Оставшиеся в работе вентили получают отдельные импульсы управления, остальные вентили - заперты (на их управляющие электроды не подаются импульсы управления). Предусмотрено автоматическое регулирование величины реактивной мощности путем изменения фазы управляющих импульсов.

На рисунке 29 представлена принципиальная схема СТК.

В СТК входят конденсаторы 1, служащие для выдачи реактивной мощности и образующие вместе с реакторами 2 фильтр высших гармоник тока, два трехфазных силовых трансформатора с первичными обмотками 3 и 4, соединенными по схеме "звезда" с заземленной нейтралью, и вторичными обмотками 5 и 6, соединенными в две взаимно-обратные звезды, нейтрали 7 и 8 которых соединены перемычкой, два тиристорных моста, один из которых с тиристорными вентилями 9-14 присоединены к вторичным обмоткам 5 одного трансформатора, а другой с тиристорными вентилями 15-20 - к вторичным обмоткам 6 другого трансформатора.

Рисунок 29 - Статический тиристорный компенсатор

Тиристорные мосты соединены последовательно через силовые реакторы 21 и 22. Для пофазного автоматического регулирования реактивной мощности используются трансформаторы тока 23, первичные обмотки которых включены на входе СТК, трехфазный трансформатор напряжения 24, первичные преобразователи 25, измеряющие пофазно величину реактивной мощности, суммирующие устройства 26 (на рисунке 29 показана структурная схема автоматического регулирования для одной фазы А, для фаз В и С структурные схемы регулирования такие же), устройства уставки 27, регуляторы 28 и устройства формирования импульсов управления 29.

Каждое устройство 29 создает и посылает импульсы управления на вентили двух мостов, относящиеся к соответствующим фазам, например на вентили 9 и 10 фазы А₁ одного трансформатора и на вентили 15 и 16 фазы А₂ другого трансформатора. Устройство уставки 27 может вырабатывать величину уставки реактивной мощности данной фазы СТК либо под действием ручного задания (по каналу 30), либо под действием внешних систем автоматики (по каналу 31).

В симметричном трехфазном режиме СТК один преобразователь, например, с вентилями 9-14 работает в выпрямительном режиме, а другой - в инверторном режиме. При необходимости СТК может работать с одинаковым потреблением реактивной мощности в двух фазах. Для этого в работе остаются вентили, относящиеся к двум фазам СТК, например вентили 9-12 и 15-18, а другие вентили запираются (на них не подаются импульсы управления).

Наличие перемычки между нейтралями вторичных обмоток в предлагаемом СТК позволяет в трехфазном режиме получать значительную неравномерность потребления реактивной мощности по фазам. В разработанном СТК возможно за счет несимметричного управления вентилями создать разное потребление реактивной мощности по фазам, при этом разность токов двух фаз будет проходить через перемычку между нейтралями 7 и 8 вторичных обмоток трансформаторов.

Основное отличие и главное преимущество СТК состоит в том, что он может работать с потреблением реактивной мощности только в одной фазе. Это возможно, если СТК присоединен к трехфазной системе (к трехфазной ЛЭП) с заземленной нейтралью, что характерно для систем высокого и сверхвысокого напряжения. Однофазный режим работы двухмостового преобразователя может быть получен для любой фазы. Вентили, относящиеся в выбранной фазе, остаются в работе, а остальные запираются.

Разработанный СТК обладает широкими функциональными возможностями в отношении пофазного регулирования реактивной мощности, в том числе возможностью регулирования реактивной мощности в одной из трех фаз[31].

Известно, что регулирование напряжения дросселя посредством изменения угла управления тиристорами его быстродействующего выключателя приводит к появлению в токе дросселя, а следовательно, и генератора, высших гармонических. Это, в свою очередь, вызывает искажение формы кривой напряжения электрической сети, что является причиной циркуляции высших гармонических тока в электрической сети и ее нагрузке.

Токи высших гармонических вызывают дополнительные потери электроэнергии и создают опасность перегрузки конденсаторной батареи, сопротивление которой обратно пропорционально номеру высшей гармонической. Поэтому для устранения негативных явлений, сопутствующих фазовому регулированию напряжения дросселя в состав компенсирующего устройства вводят фильтры высших гармонических путем включения последовательно с конденсаторами каждой ступени конденсаторной батареи индуктивных сопротивлений реакторов. Это приводит к увеличению габаритов и веса компенсирующего устройства и дополнительных затрат электроэнергии.

Предлагается способ компенсации статической и резкопеременной реактивной нагрузки. Способ, при сохранении в установившихся режимах номинального напряжения дросселя вследствие применения ступенчато-регулируемого принципа компенсации реактивных нагрузок электрической сети, позволяет устранить отмеченные негативные явления, т.е. искажение формы кривой напряжения электрической сети и дополнительные потери от токов высших гармонических, и отказаться от использования реактивов.

Компенсация резкопеременных реактивных нагрузок электрической сети путем фазового регулирования напряжения дросселя характеризуется большим быстродействием и более точным отслеживанием всплеска реактивного тока нагрузки электрической сети по сравнению с подключением группы ступеней конденсаторной батареи, так как известно, что с целью исключения бросков зарядных токов при включении конденсаторов следует дождаться момента, когда мгновенное значение напряжения сети равно остаточному напряжению на конденсаторах с обратным знаком для каждой фазы в отдельности.

Согласно предлагаемому способу путем увеличения скорости реакции компенсирующего устройства на включение реактивной нагрузки электрической сети фазовым регулированием напряжения дросселя вместо подключения ступеней конденсаторной батареи одновременно с повышением точности отслеживания резких изменений реактивной нагрузки электрической сети достигают исключения колебаний напряжения в электрической сети и нагрузки источника питания. Кроме того, предлагаемый способ компенсации резкопеременных нагрузок электрической сети, превышающих по величине мощность дросселя, путем комбинации фазового регулирования напряжения дросселя с подключением резервных ступеней конденсаторной батареи и последующим возвращением этих ступеней и дросселя в исходный режим позволяет уменьшить установленную мощность дросселя и ступень конденсаторной батареи, токи которых уравновешивают друг друга в установившемся режиме.

На рисунке 30 изображена принципиальная схема компенсирующего устройства, реализующего предлагаемый способ.

Компенсирующее устройство состоит из дросселя 1 и конденсаторной батареи, разделенной на ступени 2-5, мощности которых находятся в отношении 1:2:4:4, причем единичная мощность наибольших ступеней 4 и 5 равна мощности дросселя. Дроссель 1 и первые три ступени 2-4 конденсаторной батареи подключены через быстродействующие тиристорные коммутаторы 6 и 7 и электрическую сеть 8 к источнику 9 питания, например к синхронному генератору. Одна из наибольших ступеней 5 конденсаторной батареи подключена к электрической сети непосредственно.

В состав смешанной нагрузки электрической сети входят реактивные нагрузки 10.1 и 10.2, например асинхронные электродвигатели. Эти нагрузки подключаются к электрической сети посредством коммутационных аппаратов 11, например магнитных пускателей.

Рисунок 30 - Схема устройства, реализующего предлагаемый способ компенсации реактивной нагрузки

Изменения реактивной нагрузки электрической сети регистрируются датчиком 12 реактивного тока, содержащим два выхода 13 и 14, на одном (13) из которых формируется быстродействующий сигнал изменения реактивной нагрузки сети в переходной период, а на другой (14) - задержанный сигнал изменения реактивной нагрузки сети в установившихся режимах. Сигналы, пропорциональные изменениям реактивной нагрузки электрической сети, направляются в блок 15 управления, снабженный выходами 16-18, через которые эти сигналы передаются в блок 19 фазового регулирования напряжения дросселя и блок 20 формирования импульсов управления тиристорами быстродействующих коммутаторов 7, включающих ступени конденсаторной батареи.

Величина нагрузки источника питания контролируется датчиком 21 тока. В зависимости от соотношения мощностей дросселя и реактивных нагрузок последние разделяются на две группы. Первую группу образуют реактивные нагрузки 10.1, пусковые мощности которых меньше мощности дросселя. Вторая группа формируется из реактивных нагрузок 10.2 с пусковыми мощностями, превышающими мощность дросселя.

Способ компенсации статической и резкопеременной реактивной нагрузки заключается в том, что изменяют напряжение дросселя путем фазового регулирования его быстродействующего тиристорного коммутатора и переключают ступени конденсаторной батареи.

С целью повышения качества напряжения электрической сети предварительно подключают дроссель и наибольшую ступень конденсаторной батареи, равную по величине мощности дросселя, на номинальное напряжение электрической сети. Затем уменьшают напряжение дросселя в момент включения реактивной нагрузки электрической сети на величину приращения этой нагрузки, восстанавливают номинальное напряжение дросселя по окончании переходного процесса в реактивной нагрузке электрической сети и формируют сигнал приращения реактивной нагрузки электрической сети в установившемся режиме, подключая этим сигналом резервные ступени конденсаторной батареи.

При увеличении тока нагрузки источника питания выше установленного значения, вызванном переводом части подключенных ступеней конденсаторной батареи в резерв, формируют сигнал перегрузки источника питания, блокируют этим сигналом включение реактивной нагрузки электрической сети и резервных ступеней конденсаторной батареи и одновременно вводят в работу резервный источник питания[32,33].

Следующее устройство может быть использовано в системе автоматического регулирования статического компенсатора, предназначенного для компенсации реактивной мощности мощных несимметричных, быстроизменяющихся нагрузок промышленных предприятий.

В регулятор статического компенсатора, состоящего из конденсаторной батареи и реактора, управляемого тиристорами, содержащий датчики тока нагрузки, датчики напряжения питающей сети, сумматоры, через функциональные преобразователи, подключенные к току управления тиристорами, введены датчики тока конденсаторной батареи, шесть датчиков мгновенного активного тока и три датчика мгновенного реактивного тока.

На рисунке 31 показана функциональная схема регулятора

Рисунок 31 - Функциональная схема регулятора статического компенсатора

Регулятор содержит шесть датчиков 1 мгновенного активного тока, которые подключены к соответствующим выходам датчиков тока 2 нагрузки 3 и напряжения 4 питающей сети 5, три датчика 6 мгновенного реактивного тока, на входы которых включены выходы датчиков 7 тока конденсаторных батарей 8. Выходы датчиков мгновенного активного тока и мгновенного реактивного тока подключаются соответствующим образом к входам трех сумматоров 9, выходы которых включены на входы трех функциональных преобразователей 10. С выходов функциональных преобразователей сигналы подаются на вход блока 11 управления тиристорами тиристорного блока 12, который управляет током реактора 13[34].

Разработано устройство для регулирования реактивной мощности, которое может быть использовано при построении систем электроснабжения для поддержания заданного баланса реактивной мощности.

На рисунке 33 показана схема разработанного устройства.

Рисунок 33 - Схема устройства для регулирования реактивной мощности

Устройство для регулирования реактивной мощности в системе электроснабжения содержит n секций 1 конденсаторной батареи, подключаемых к шинам посредством блоков 2 коммутации, и вентильно-реакторное компенсирующее устройство 3.

В состав устройства входит также включенный в цепь вентильно-реакторного компенсирующего устройства датчик 4 тока, состоящий из трехфазной группы трансформаторов 5 тока и выпрямителя 6, два компаратора (7 и 8) и два источника опорного напряжения (9, 10). Устройство содержит также цифровую пересчетную схему, в состав которой входят шесть логических элементов 2И 11-16, два логических элемента НЕ 17 и 18, логический элемент ИЛИ 19, два счетчика на К 20 и 21 (где К - число коммутаций вентилей вентильно-реакторного компенсирующего устройства за период напряжения системы электропитания), RS-триггер 22, синхронизатор 23, элемент 24 задержки и n-разрядный реверсивный регистр 25 сдвига.

Цепь управления вентильно-реакторным компенсирующим устройством 3 образует контур, содержащий датчик 26 обратной связи, схему 27 сравнения, блок 28 управления вентильно-реакторным компенсирующим устройством 3 и датчик 29 тока нагрузки.

Устройство работает следующим образом.

Поддержание заданного баланса реактивной мощности в системе электроснабжения осуществляется путем плавного изменения реактивной мощности вентильно-реакторного компенсирующего устройства в функции отклонения величины угла сдвига фаз между напряжениями системы и током нагрузки и ступенчатого изменения реактивной мощности за счет подключения (отключения) определенного количества секций 1, peгулируемого при помощи блоков 2 коммутации батареи конденсаторов. Сигнал, пропорциональный углу сдвига фаз, вырабатывается датчиком 26 обратной связи, этот сигнал на схеме 27 сравнения сравнивается с опорным сигналом U₀ и разница подается на информационный вход блока 28 управления вентильно-реакторным компенсирующим устройством. Последний осуществляет сдвиг последовательности вырабатываемых им импульсов управления вентилями компенсатора 3 на временной интервал, пропорциональный величине отклонения угла от заданного значения. Следствием этого является изменение величины потребляемого компенсатором 3 реактивного тока (и, соответственно, величины реактивной энергии), что в конечном итоге приводит к компенсации возмущающего воздействия нагрузки на величину стабилизируемого параметра.

При глубоком изменении нагрузки компенсация возмущающего воздействия осуществляется путем переключения секций конденсаторной батареи. Переключение секций 1 производится на основании информации о величине реактивной мощности компенсирующего устройства 3 посредством контроля за величиной тока последнего.

Подключение очередной секции 1 происходит сразу после того, как на одном из интервалов работы компенсатора 3 амплитуда тока последнего станет меньше заданного значения. Следующее подключение будет происходить при тех же условиях, но по истечении времени, равного периоду напряжения системы и необходимого для затухания переходного процесса подключения секций 1 регулируемой части конденсаторной батареи.

Отключение очередной секции 1 конденсаторной батареи будет происходить после того, как на всех шести (если схема компенсатора 3 трехфазная мостовая) интервалах работы амплитуда тока вентильно-реакторного компенсирующего устройства 3 превысит наперед заданное значение.

Выделение сигнала, пропорционального току компенсирующего устройства 3, производит датчик 4 тока, содержащий трехфазную группу трансформаторов 5 тока и выпрямитель 6. Этот сигнал поступает на инвертирующий вход первого компаратора 7, на неинвертирующий вход которого поступает опорное напряжение источника 9, величина которого определяет минимально допустимую амплитуду тока компенсирующего устройства 3. На выходе компаратора 7 будет присутствовать сигнал, равный уровню логической единицы, когда напряжение источника 9 превышает напряжение датчика 4, и равный уровню логического нуля в обратном случае. Этот сигнал поступает на один из входов первого элемента 2И 11, на другой вход которого с выхода синхронизатора 23 поступают импульсы, сформированные в момент перехода напряжения системы через нуль. Этот момент будет совмещен с амплитудой тока вентильно-реакторного компенсирующего устройства 3.

Если амплитуда тока компенсирующего устройства 3 в каждый интервал времени превышает эталонный уровень, на выходе первого элемента 2И 11 постоянно присутствует нулевой уровень. Стоит хотя бы на одном интервале току компенсатора 3 упасть ниже эталонного значения, как ввиду присутствия на выходе компаратора 7 в синхронизирующий момент единичного уровня на выходе элемента 2И 11 появится импульс, который поступает на один из входов шестого элемента 2И 16. На другой вход элемента 16 с выхода первого счетчика 20 поступает сигнал логического нуля, если в течение предыдущего периода уже происходила процедура подключения секции 1, и сигнал логической единицы, если указанная процедура места не имела.

Слежение за числом истекших интервалов после подключения очередной секции 1 осуществляется счетчиком на К (для трехфазной мостовой схемы К = 6), который после сброса в нулевое состояние шестым по счету прошедшим импульсом с выхода синхронизатора на вход С1 устанавливает на выходе Q₄ уровень логической единицы. Таким образом, поступивший на один из входов элемента 2И 16 импульс при наличии на втором входе уровня логической единицы появляется на S-входе RS-триггера. На выходе последнего устанавливается уровень логической единицы, который подается на первый управляющий S_o и первый записывающий D_R входы регистра 25 сдвига.

После прихода задержанного на элементе 24 импульса на синхронизирующий С-вход регистра 25 реализуется процедура записи логической единицы в младший разряд регистра 25 и сдвиг выходной последовательности влево. Элемент 24 задержки обеспечивает сдвиг синхронизирующего момента записи на время, необходимое для установления требуемых уровней на управляющих S₀, S₁, и записывающих D_R, D_L входах регистра 25.

Запись очередной единицы в регистр приводит к срабатыванию соответствующего блока 2 коммутации и подключению очередной секции 1 к шинам системы. Появившийся на выходе Q триггера уровень логической единицы поступает также на один из входов четвертого логического элемента 2И 14, на другой вход которого поступает задержанный на элементе 24 импульс синхронизации. Появившийся на элементе 14 импульс подается на входы сброса R первого счетчика 20 и триггера 22, устанавливая на выходных выводах последних нулевые уровни прежде, чем появится следующий импульс синхронизации. Тем самым исключается последовательное подключение нескольких секций 1 конденсаторной батареи к выходным шинам системы.

Таким образом, устройство для регулирования реактивной мощности в системе электроснабжения позволяет с высоким быстродействием осуществлять дискретно-непрерывное регулирование реактивной мощности. При этом устройство позволяет обеспечить высокую устойчивость работы коммутационной аппаратуры секций КБ в переходных режимах. Это достигается исключением ложного срабатывания каналов формирования управляющих импульсов устройствами коммутации секций конденсаторных батарей[36].

Было разработано еще одно устройство для автоматического регулирования реактивной мощности, которое предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, имеющих в своем составе многозонные тиристорные выпрямительно-инверторные преобразователи.

На рисунке 34 изображена функциональная схема устройства.

Рисунок 34 - Схема устройства автоматического регулирования реактивной мощности

Устройство содержит датчик 1 режима сети, источник реактивной мощности 5, блок 10 импульсно-фазового управления, блок 13 управления и блок 14 синхронизации.

Датчик 1 режима сети включает в себя трансформатор 2 напряжения, подключенный к питающей сети, и трансформатор 3 тока нагрузки, включенный в цепь нагрузки 4, в качестве которой используется многозвенные тиристорные выпрямительно-инверторные преобразователи.

Источник реактивной мощности 5, подключенный параллельно питающей сети, состоит из последовательно соединенных индуктивности 6, емкости 7 и двух встречно-параллельно включенных тиристоров 8 и 9, управляющие электроды которых соединены с выходом блока 10 импульсно-фазового управления.

Блок 10 импульсно-фазового управления включает в себя соединенные последовательно фазосдвигающий узел 11 и формирователь-распределитель 12 импульсов; входы блока подсоединены к выходу блока 13 управления и к выходу блока 14 синхронизации.

Блок 13 управления, вход которого подключен к выходу трансформатора тока 3, содержит регулятор 15 сдвига фаз, задатчик 16 сдвига фаз, логические элементы ИЛИ 17, И-НЕ 18 и 19, НЕ 22, триггер 20, нуль-орган 21, фильтр 23 первой гармоники тока.

Блок 14 синхронизации содержит фильтр 24 первой гармоники питающего напряжения, первый нуль-орган 25, управляемый элемент 26 задержки, формирователь 27 синхронизирующих сигналов; второй нуль-орган 28, логические элементы И 29 и 35, ИЛИ 30, НЕ 33 и 34, дифференциальный усилитель 31, интегратор 32.

Устройство работает следующим образом.

При регулировании тока нагрузки 4 появляется сдвиг по фазе между выходными напряжениями трансформаторов 3 тока и напряжения 2, который характеризует меру потребления реактивной мощности нагрузкой 4.

Для автоматической компенсации реактивной мощности, потребляемой нагрузкой 4, устройство обеспечивает регулирование угла открытия тиристоров 8, 9 источника 5 реактивной мощности в зависимости от величины указанного сдвига фаз.

Блок 14 синхронизации, на вход которого поступают сигналы с трансформатора 2, обеспечивает получение сигналов точно в момент перехода через нуль питающего напряжения независимо от степени фазовых и амплитудных искажений последнего, которые используются для синхронизации блока 10 импульсно-фазового управления и для фиксации момента начала измерения фазового сдвига тока нагрузки относительно питающего напряжения в канале 13 управления.

В блоке 13 управления производится замер фазы первой гармоники тока относительно синхронизирующих сигналов и сигнал, пропорциональный фазе, поступает на вход регулятора 15 фазового сдвига в качестве обратной связи. В качестве уставки регулятора 15 используется сигнал с задатчика 16, обеспечивающий при нулевом сигнале обратной связи сдвиг фазы открытия тиристоров 8 и 9 в . Соответственно сигналу обратной связи на выходе регулятора 15 появляется напряжение, уровень которого обеспечивает сдвиг фазы импульсов управления тиристорами 8 и 9 от конца полупериода к началу на такую величину, которая обеспечивает компенсацию реактивной мощности в каждый конкретный момент времени работы нагрузки.

Получение стабильного сигнала, соответствующего моменту перехода через ноль питающего напряжения, исключает сбои в работе тиристоров источника реактивной мощности, что повышает надежность устройства и позволяет произвести точный отсчет сдвига по фазе тока нагрузки относительно питающего напряжения и с помощью регулятора сдвига фаз выработать управляющее воздействие, соответствующее истинному сдвигу, повышая тем самым точность регулирования. Кроме того, регулятор сдвига фаз исключает колебательные процессы в системе "сеть - источник реактивной мощность - нагрузки", и тем самым предотвращает перенапряжение на элементах нагрузки и источника реактивной мощности, что также повышает надежность устройства[37].

1.4.5 Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности, выпускаемые отечественной промышленностью

В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускаются статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (ТКРМ) [19].

Они предназначены для повышения качества электрической энергии при электроснабжении промышленных предприятий и обеспечивают:

- быстродействующую компенсацию реактивной мощности;

- симметрирование токов и напряжений в сети;

- стабилизацию напряжений на шинах потребителей;

- фильтрацию высших гармоник;

- ограничение перенапряжении в узле подключения ТКРМ.

ТКРМ выполнен по схеме косвенной компенсации, источником опережающей реактивной мощности в которой являются силовые фильтры высших гармоник; стабилизирующим, симметрирующим элементом - полупроводниковый стабилизатор мощности (ПСМ), встречно-параллельно включенные тиристоры которого вместе с компенсирующим реактором собраны в треугольник.

Для снижения установленной мощности компенсирующих реакторов его индуктивное сопротивление уменьшено в 2,5 раза за счет ограничения минимального угла управления тиристорами до 30. Компенсирующие реакторы изготавливаются в однофазном исполнении для наружной установки с масляным охлаждением. Охлаждение тиристоров - принудительное, воздушное от встроенного в шкаф ПСМ вентилятора или от централизованной системы охлаждения. Охлаждение составных частей фильтров - воздушное естественное. ТКРМ эксплуатируются на высоте не более 1000м над уровнем моря.

Тиристорные компенсаторы реактивной мощности для промышленных сетей 6 и 10 кВ обеспечивают быстродействующую компенсацию реактивной мощности в сетях с симметричным и несимметричным потреблением реактивной мощности, стабилизацию напряжения на шинах потребителя, фильтрацию высших гармоник; подключаются к сети без трансформатора.

Параметры предлагаемых ТКРМ приведены в таблице 6.

Таблица 6[19]

Номинальная Мощность, Мвар	Номинальное Напряжение, кВ	Габариты (высота, длина, ширина), мм	Масса, кг
от 6,3 до 40	6 - 6,3; 10 - 10,5	2465 х 1800 х 1200 2470 х 6600 х 3200	1660 - 4200

Внедрение ТКРМ позволяет повысить пропускную способность промышленных сетей, уменьшает потери и повышает качество электроэнергии.

Технические характеристики: мощность - 6,3; 12,5; 20 и 40 МВАр; напряжение сети - 6,3; 10,5 кВ; фильтры 3, 5, 7, 11 и 13 гармоник мощностью 2,7; 4,5; 6,3; 9,9 МВАр каждая; управление - микропроцессорное; габариты определяются требуемым составом ТКРМ.

Система регулирования реактивной мощности узла нагрузки (СРМУН) позволяет регулирование возбуждения групп СД по условиям: минимума потерь активной мощности в узле нагрузки, в распределительных сетях и т.п.; минимума потерь в синхронном двигателе; стабилизации соs; стабилизации напряжения узла нагрузки, что особенно важно в режимах работы АРВ, АПВ и самозапуска электродвигателей ответственных механизмов; выдачи реактивной мощности в сеть. СРМУН воздействует на входы необходимого количества тиристорных возбудителей В-ТПЕ8.

СРМУН может быть выполнена как с аналоговыми, так и микропроцессорными средствами управления. В аналоговом варианте система имеет семь входов замера реактивной мощности и пять выходов для индивидуального задания уставки реактивной мощности. В микропроцессорном варианте число входов и выходов может быть расширено за счет использования стандартных интерфейсов типа RS-232 или RS-485.

Тиристорные компенсаторы реактивной мощности для линий электропередач переменного тока до 110 кВ предназначены для компенсации реактивной мощности в ЛЭП переменного тока.

ТКРМ 80/20 к предназначен для генерирования индуктивной мощности, подключаемого к ЛЭП через трансформаторную обмотку 20 кВ.

ТКРМ 55/110 к генерирует мощность как индуктивную, так и емкостную. Конденсаторная батарея подключается к сети 110 кВ, а регулятор индуктивной мощности - к обмотке трансформатора 11 кВ.

ТКРМ 50/11 к генерирует мощность как индуктивную, так и емкостную и подключается к обмотке или сети 10-11 кВт с фильтрацией высших гармоник. Внедрение ТКРМ позволяет повысить пропускную способность ЛЭП, уменьшает потери и повышает качество электроэнергии.

Технические характеристики: номинальная мощность - 80, 55, 50 тыс. кВАр; пределы регулирования мощности от 0 до 100%; установка наружного исполнения с масляной системой охлаждения в части компенсирующих реакторов и тиристорного регулятора, конденсаторная батарея 110 кВ - наружного исполнения. Фильтры 10-11 кВ - внутренней установки. Шкаф управления - внутренней установки. Габариты определяются требуемым составом ТКРМ[19].

2. УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

2.1 Разработка и обоснование алгоритма функционирования и структурной схемы проектируемого устройства

На основе проведенного исследования методов и устройств компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения преобразовательных установок поставим задачу проектирования.

Необходимо синтезировать устройство компенсации реактивной мощности для систем электроснабжения преобразовательных установок на основе трехфазной группы индуктивных сопротивлений - реакторов - с тиристорными регуляторами тока и конденсаторной установки.

В разрабатываемом тиристорном компенсаторе реактивной мощности к шинам нагрузки параллельно подключены компенсирующие реакторы и силовые фильтры высших гармоник.

Тиристорный регулятор реактивного тока выполнен в виде тиристорно-реакторных групп, соединенных в треугольник. Каждая тиристорно-реакторная группа состоит из последовательно соединенных реактора и тиристорного ключа в виде встречно-параллельно включенных тиристорных вентилей.

Источником реактивной мощности в данном устройстве является конденсаторная установка силовых фильтров высших гармоник.

Конденсаторная установка состоит из конденсаторных батарей, соединенных в треугольник и включенных на линейное напряжение электрической сети.

Это устройство должно обеспечивать быстродействующую компенсацию реактивной мощности; осуществлять фильтрацию высших гармоник токов и напряжений, генерируемых приемником электроэнергии - преобразовательной установкой, компенсацию изменений напряжения, а также симметрирование напряжения сети; обладать достаточным диапазоном регулирования реактивной мощности.

Разработаем алгоритм функционирования проектируемого устройства, на основании которого обеспечивалось бы выполнение всех функций устройства, указанных в задании на проектирование.

Проектируемое устройство должно иметь структуру, которая обеспечила бы, прежде всего, проверку правильности работы всей системы и отключение устройства в случае сбоя. Устройство должно содержать узлы для контроля параметров сети электроснабжения, а также блоки для измерения значения коэффициента мощности в сети и коррекции величины генерируемой устройством реактивной мощности в случае, когда величина ее фактического значения выходит за заданные пределы.

После подачи питания на проектируемое устройство производится проверка напряжения в системе. Если величина напряжения не находится в пределах, заданных как норма, то выполняется диагностика функционирования системы. Если U_пит = 0, то осуществляется повторная подача питания в систему, а если же U_пит 0, то после вывода результатов диагностики устройство отключается от сети для проверки исправности функционирования блоков системы.

Если напряжение в системе не выходит за рамки нормируемой величины, то проводится контрольное тестирование элементов системы регулирования реактивной мощности, и в случае удовлетворительных результатов тестирования выполняется контроль параметров сети электроснабжения.

Если результаты тестирования окажутся неудовлетворительными, или же в сети обнаружится короткое замыкание, то после вывода результатов тестирования устройство отключается от сети.

После того, как тестирование системы и контроль параметров сети дадут удовлетворительные результаты (т.е. покажут, что устройство компенсации реактивной мощности работает не в аварийном режиме), производится ввод задающих воздействий на систему. Вводятся предельное значение напряжения и требуемое значение коэффициента мощности в системе электроснабжения.

Теперь устройство готово для выполнения своей основной задачи - компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения.

Регулирование реактивной мощности, генерируемой в сеть, производится за счет изменения угла управления тиристоров . При этом изменяется величина и длительность протекания тока через компенсирующие реакторы, т.е. потребление компенсирующими реакторами реактивной мощности при постоянстве реактивной мощности, генерируемой конденсаторными установками фильтров.

Работа устройства происходит следующим образом.

Измеряются мгновенные значения тока и напряжения в сети, и вычисляется фактическое значение коэффициента мощности в сети, которое сравнивается с заданным ранее требуемым значением.

Если фактическое значение коэффициента мощности равно (с учетом зоны нечувствительности) заданному значению cos , то устройство не изменяет величину генерируемой в сеть реактивной мощности, а возвращается к контролю параметров сети для обнаружения возможного аварийного режима работы устройства или изменения величины потребляемой в сети реактивной мощности.

Когда же окажется, что фактическое значение cos отлично от заданного, вырабатывается напряжение управления U_упр для блока управления системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами. В СИФУ происходит формирование опорных напряжений и сравнение U_упр и U_оп. И, наконец, моменты переключения компараторов СИФУ преобразуются в импульсы управления тиристорами. Импульсы, подаваемые на тиристоры, смещены относительно моментов естественного отпирания тиристоров на угол , значение которого зависит от величины U_упр.

Если значение угла управления находится в разрешенных пределах, то формируемые СИФУ импульсы управления тиристорами изменяют интервал проводимости тиристоров и, соответственно, величину генерируемой в сеть реактивной мощности проектируемым устройством.

Если в результате регулирования реактивной мощности фактическое значение напряжения в сети превысит заданное граничное, то формируется управляющий сигнал нелинейного регулятора реактивной мощности. Приводится в действие нелинейный регулятор, чем снижается величина напряжения в сети до допустимого значения (не допускается перенапряжение в системе электроснабжения), даже если это достигается ценой уменьшения фактического значения коэффициента мощности в сети.

Разрабатываемый алгоритм должен позволять отключать устройство от сети не только в случае возникновения сбоев, перегрузок, аварийных режимов, но и по требованию потребителя. Для этого производится проверка наличия оснований для отключения устройства по требованию пользователя. Если с пульта управления компенсатором реактивной мощности поступила команда на отключение, то система производит тестирование устройства, выводит результаты тестирования в виде, удобном для пользователя, и отключает устройство от сети.

В том случае, когда команда на отключение не поступает, устройство продолжает циклически функционировать по описанному выше алгоритму.

На основании этих требований составляем алгоритм функционирования проектируемого устройства, блок-схема которого приведена на рисунке 35.

По составленному алгоритму функционирования синтезируем структурную схему проектируемого устройства, реализующую алгоритм.

Устройство содержит пульт оператора, позволяющий задавать значения напряжения, реактивной мощности и коэффициента мощности в сети в ручном или автоматическом режиме. Это осуществляется через соответствующие блоки задания.

Устройство содержит также блок дистанционного задания, с помощью которого можно установить требуемые значения контролируемых параметров сети электроснабжения предприятия, на котором устанавливается разрабатываемое устройство, используя ЭВМ.

Эти структурные элементы устройства на схеме объединены в блок задания предельного напряжения и cos в электросети.

В разработанном устройстве для управления тиристорами, входящими в тиристорно-реакторную группу, применяется система импульсно-фазового управления. СИФУ осуществляется генерация отпирающих импульсов для тиристоров, смещение их по фазе относительно питающего напряжения силовой схемы.

Она позволяет преобразовать выходное напряжение блока управления U_упр в последовательность подаваемых на тиристоры отпирающих импульсов, момент формирования которых смещен относительно моментов естественного отпирания тиристоров на угол , зависящий от значения U_упр.

В систему импульсно-фазового управления вводится опорное напряжение, взятое от источника, питающего силовую схему. Генерация отпирающего импульса для тиристора происходит на одном из фронтов соответствующего опорного напряжения в момент совпадения опорного с управляющим напряжением. При изменении управляющего напряжения импульс сдвигается относительно опорного и, следовательно, относительно напряжения силовой схемы.

При смещении отпирающих импульсов изменяется интервал времени, в течение которого через реактор, входящий в тиристорно-реакторную группу, протекает ток, изменяется среднее значение напряжения на реакторе. Следовательно, изменяется значение потребляемой реактором реактивной мощности.

Таким образом осуществляется регулирование коэффициента мощности и компенсация реактивной мощности в системе электроснабжения.

В работе используется синхронная многоканальная система импульсно-фазового управления, т.е. СИФУ, в которой выполняется отсчет угла от моментов естественного отпирания для встречно-параллельно включенных тиристоров каждой фазы.

Система импульсно-фазового управления состоит из узла формирования опорных напряжений, компараторов, сравнивающих напряжение управления U_упр и опорные напряжения U_оп, узлов, преобразующих моменты переключения компараторов в импульсы управления тиристорами, узлов ограничения диапазона изменения угла и выходных усилителей.

Под действием изменения времени проводимости тиристоров устройства изменяется генерируемая в сеть реактивная мощность, изменяются также значения напряжений и токов в сети.

Устройство содержит блоки измерения мгновенных значений тока и напряжения сети и узел определения фактического значения коэффициента мощности.

Эти блоки необходимы для определения фактического значения реактивной мощности в сети с целью подачи информационно-управляющих импульсов в блок управления компенсатора реактивной мощности.

В составе устройства предусмотрен блок формирования нелинейного закона регулирования реактивной мощности, который в случае появления в сети перенапряжений посылает в блок управления информационные импульсы, призванные исключить работу сети в аварийном режиме.

На основании изложенного составляем структурную схему. Структурная схема проектируемого устройства приведена на рисунке 36.

2.2 Обоснование функциональной и принципиальной схем блока проектируемого устройства

В данном разделе разработаем функциональную схему части проектируемого устройства компенсации реактивной мощности - системы импульсно-фазового управления встречно-параллельно включенными тиристорами, входящими в тиристорно-реакторную группу компенсатора реактивной мощности.

Система импульсно-фазового управления имеет следующие технические данные:

максимальное входное напряжение, В, - 10

входной ток, мА, не более

напряжение синхронизации с питающей сетью трехфазное, В80

температурный дрейф характеристики при изменении

температуры от 1 до 40 °С, %, не более

диапазон изменения угла , град - 170

асимметрия импульсов отдельных каналов, град,±3

Система импульсно-фазового управления гальванически отделена от силовой части проектируемого устройства.

Применяемая в данной работе система импульсно-фазового управления имеет следующие особенности: косинусоидальное опорное напряжение, шестиканальное устройство фазосмещения.

Работа системы импульсно-фазового управления происходит следующим образом.

Трехфазная система напряжений из сети поступает на фильтр, который обеспечивает формирование опорных напряжений A_F, B_F, C_F, сдвинутых на 60. Эти напряжения используются в формирователях, обеспечивающих получение сигналов А₀, В₀, С₀, служащих для ограничения угла _min, и сигналов А_m, В_m, С_m, служащих для ограничения угла _max.

Блок сравнения, на вход которого поступают напряжение управления U_упр, напряжение смещения U_o и опорные напряжения A_F, B_F, C_F, выдает напряжения A_S, -A_S, B_S, -B_S, C_S, -C_S. Эти напряжения положительны, когда напряжение управления меньше опорного напряжения.

Напряжения ограничения угла _max (А_m, В_m, С_m), _min (А₀, В₀, С₀), выходные напряжения блока сравнения (A_S, -A_S, B_S, -B_S, C_S, -C_S) поступают на формирователи, с выходов которых снимаются сигналы A', -A', B', -B', C', -C'. Моменты появления этих сигналов совпадают с моментами равенства U_упр и U_oп для каждой из фаз (при условии, что _min<<_max).

Из этих сигналов преобразователем кодов формируются сигналы A, B, C, -A, -B, -C, моменты появления которых соответствуют углу . С выхода кодопреобразователя сигналы поступают на выходные усилители, которые формируют последовательность импульсов, подаваемых на тиристоры.

На рисунке 37 приведены диаграммы напряжений в СИФУ.

Функциональная схема системы импульсно-фазового управления показана на рисунке 38.

Система импульсно-фазового управления выполнена с широким использованием операционных усилителей серии К544УД2, логических интегральных микросхем серии КР1533.