С появлением мощных высоковольтных полностью управляемых приборов типа IGCT и IGBT началось внедрение нового типа устройств, называемых СТАТКОМ (статический синхронный компенсатор), задачей которых является улучшение качества электроэнергии и повышение эффективности систем ее передачи и распределения за счет компенсации реактивной мощности , регулирования напряжения и повышения устойчивости работы энергосистем. По сравнению с СТК и другими традиционными устройствами компенсации реактивной мощности СТАТКОМ имеет ряд преимуществ, приведенных ниже:
. Лучшие динамические характеристики;
. Возможность поддержания номинального емкостного выходного тока при низком напряжении системы, что, в свою очередь, обеспечивает более высокую динамическую устойчивость передачи по сравнению с СТК;
. Благодаря высокой частоте переключения приборов, СТАТКОМ может осуществлять активную фильтрацию гармонических токов нагрузки;
. Требует меньше места для установки (приблизительно в два раза по сравнению с СТК);
. Меньший уровень активных потерь.
1 Теория СТАТКОМа
СТАТКОМ представляет собой управляемый источник напряжения (УИН) с внутренним сопротивлением, практически равным нулю. Его подключение к сети производится через линейный реактор, обеспечивающий преобразование разности напряжений сети и УИН в выходной ток СТАТКОМа, т.е. превращения источника напряжения в источник тока (рис.1).
Рис. 1. Однолинейная схема подключения СТАТКОМа к сети
Векторная диаграмма напряжений, иллюстрирующая режимы работы СТАТКОМа, показана на рисунке 2. В режиме потребления реактивной мощности выходное напряжение преобразователя меньше напряжения линии и находится с ним в фазе. В режиме генерации - выходное напряжение преобразователя больше напряжения на линии и так же в фазе с ним.
Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений в различных режимах работы СТАТКОМа
Наша компания производит два типа СТАТКОМа:
. Одноуровневые типа D-СТАТКОМ с подключением к шинам 6-10 кВ через понижающий трансформатор. Такие устройства используются в распределительных сетях промышленных предприятий и энергосистем для решения локальных задач улучшения показателей качества электроэнергии, симметрирования нагрузки и компенсации реактивной мощности.
. Многоуровневые бестрансформаторные СТАТКОМы, подключаемые непосредственно на шины среднего напряжения от 6 до 35 кВ. Многоуровневые СТАТКОМы применяются для снижения вредного воздействия на сеть мощных быстропеременных нагрузок типа дуговых сталеплавильных печей и повышения динамической устойчивости в сетях высокого напряжения. .
Пример однолинейной схемы D-СТАТКОМа представлен на рис 1. Схема включает в себя трехфазный инвертор напряжения с номинальным напряжением 550 - 600 В, понижающий трансформатор, сетевой фильтр и коммутационную аппаратуру. 
Рис.1. Однолинейная схема СТАТКОМа
Перечень основного оборудования, входящего в объем поставки комплекта СТАТКОМ, приведен в таблице 1.
| Наименование | Кол-во | Стандарт | |
| 1.1 | Трехфазный инвертор напряжения на основе полностью управляемых вентилей с использованием широтно-импульсной модуляции с жидкостным охлаждением для быстрого контроля реактивной мощности | 1 | IEC 146-2 IEC61800-3 EN 50178 |
| 1.2 | Трехфазный реактор со стальным сердечником. | 1 | IEC289 |
| 1.3 | Трехфазный сетевой фильтр. | 1 | EN60831 |
| 1.4 | Трехфазный разъединитель между трансформатором и инвертором | 1 | EN62271 |
| 1.5 | Система управления и защиты для симметрирования напряжения, защиты, контроля и т.д. | 1 | EN 60439-1 EN60529 |
| 1.6 | Шкаф для размещения оборудования позиций 1.1-1.5 с двухсторонним доступом, освещением и цепями питания (4000х1000х2300мм, общий вес поз.1.1-1.6: 5500 кг) | 1 | IEC 439-1 |
| 1.7 | Шкаф системы жидкостного охлаждения с двумя насосами и теплообменным агрегатом типа «вода-вода» (2100х950х1800 мм, вес 1200 кг) | 1 | |
| 2 | Трехфазный силовой трансформатор сухой с естественным воздушным охлаждением внутренней установки | 1 | IEC 76 |
В комплект поставки оборудования СТАТКОМ также входят
Система управления СТАТКОМа
Система управления СТАТКОМа осуществляет непрерывный контроль сетевого напряжения и тока нагрузки, осуществляет симметрирование активной мощности, компенсацию реактивной мощности нагрузки и стабилизацию напряжения на шинах среднего напряжения, а также мониторинг состояния оборудования СТАТКОМа и его защиту в аварийных ситуациях.
Система управления поставляется в шкафном исполнении.
Класс защиты шкафа от попадания твердых предметов и воды - IP 31 по ГОСТ 14254-96.
Цвет шкафа - RAL 7035.
Примерный вид шкафов тиристорного преобразователя (инвертора) с системой управления представлен на рис. 2.
Рис.2. Внешний вид шкафов тиристорного преобразователя (инвертора) и системы управления СТАТКОМ.
Система водяного охлаждения
Система водяного охлаждения СТАТКОМ оборудована двумя насосами, один из которых является резервным, фильтрами грубой и тонкой механической очистки деионизированной воды, а также средствами измерения и контроля основных параметров теплоносителя.
Основными параметрами, контролируемыми автоматикой системы охлаждения, являются:
- температура теплоносителя,
- проводимость теплоносителя,
- расход теплоносителя,
- давление в контуре охлаждения тиристорного преобразователя (инвертора).
Класс защиты шкафа системы охлаждения от попадания твердых предметов и воды - IP 31 по ГОСТ 14254-96.
Предварительные габаритные размеры шкафа:
Условия эксплуатации:
Высота над уровнем моря: не более 1000 м
Климат: континентальный
Мин/Макс. температура окружающей среды:
для оборудования внутренней установки: +20°С/+30°C
Уровень загрязнения: средний
Уровень влажности: 30-100%, без конденсата
В случае прямого (бестрансформаторного) подключения СТАТКОМа к сетям среднего класса напряжения применяются многоуровневые преобразователи. Одним из таких преобразователей является преобразователь на основе Н-мостов. Важнейшим достоинством данной конфигурации является её модульность, что позволяет легко производить масштабирование СТАТКОМа при переходе к различным уровням напряжения и облегчает условия эксплуатации и обслуживания электроустановки.
На рисунке 1 в качестве примера показана фаза 7-ми уровневого преобразователя на базе Н-моста и форма его выходного напряжения в режиме генерации реактивной мощности. Для каскадного многоуровневого инвертора полное выходное напряжение является суммой выходных напряжений отдельных модулей H-мостов. Каждое отдельное выходное напряжение получается с использованием ШИМ модуляции со сдвигом фазы коммутации для каждого моста. Особенностью данной конфигурации преобразователя является то, что при увеличении класса напряжения, а, следовательно, и числа последовательно включенных Н-мостов, форма выходного напряжения все более приближается к идеальной синусоиде.
Рис. 1. Фаза 7-ми уровневого преобразователя на базе Н-моста и форма выходного напряжения в режиме генерации реактивной мощности.
Пилотный проект многоуровневого СТАТКОМа был реализован в 2011 г. в энергосистеме China Southern Power Grid. Установка, содержащая 2 СТАТКОМа, была смонтирована на ПС 500 кВ энергосистемы China Southern Power Grid (Китай).
В таблице 1 представлены основные характеристики установки.
Каждая фаза преобразователя содержит 26 последовательно соединенных модулей HBMU, два из которых являются избыточными. Предусмотрено автоматическое шунтирование поврежденного модуля при его отказе. На рис.2-а приведена топология СТАТКОМА. Принцип смещенной ШИМ-модуляции обеспечивает эквивалентную частоту коммутации 10 кГц при частоте коммутации одного моста 400 Гц, что минимизирует содержание высших гармоник в выходном напряжении и токе, форма которых приведена на рис.2-б.
 |
 |
Рис. 2. Топология СТАТКОМа (а) и форма выходного тока и напряжения (б)
Фаза преобразователя, состоящая из 26 модулей HBMU (фото на рис. 3) монтируется в виде одной конструкции и помещается внутри одного контейнера. Там же размещается система жидкостного охлаждения. Общая система управления установлена в отдельном контейнере. Два преобразователя с фазными реакторами подключаются к сети 500 кВ через специальный трансформатор 500/35 кВ.
Рис. 3. Фото одной фазы преобразователя
Рис. 4. Общий вид установки
Функциональные испытания пилотного образца, включающего два СТАТКОМа на напряжение 35 кВ и номинальную мощность ±100 Мвар, дали следующие результаты:
Аналитика - Электрические сети
Член семьи FACTS
По мнению экспертов, актуальность применения устройств компенсации реактивной мощности в энергетике очевидна, а высокая роль этих установок неоднократно доказывалась. Все устройства компенсации реактивной мощности можно классифицировать на статические и динамические: к статическим относятся одиночные конденсаторы, батареи статических конденсаторов (БСК), фильтры гармоник; к динамическим — управляемые, регулируемые устройства, входящие в понятие FACTS (Flexible AC Transmission System) — системы гибкого регулирования передачи электроэнергии переменного тока.
«FACTS позволяют отслеживать мгновенные характеристики энергообмена и создавать тот или иной режим компенсации, — рассказывает Александр Ильин, территориальный менеджер группы высоковольтных коммутационных аппаратов компании АББ. — К ним относятся асинхронные компенсаторы (АК), устройства управляемой продольной компенсации (УПК), статические тиристорные компенсаторы (СТК) и устройства типа СТАТКОМ, которые отличаются от классического СТК тем, что управляются IGBT, то есть биполярными транзисторами с изолированным затвором, а не IGCT - управляемыми тиристорами. Применение IGBT позволяет сократить установленную реактивную мощность установки примерно в два раза, и время реагирования системы, что в свою очередь, позволяет такой установке бороться с так называемым «фликер - эффектом» (ненормативные отклонения и колебания частоты сети и напряжения — Прим. ред.)».
На сегодняшний день интерес к системам FACTS и, в частности к СТАТКОМ, связан с постепенной интеллектуализацией энергосистем. В активно-адаптивных, или «умных», сетях такие характеристики FACTS, как широкие рабочие диапазоны регулирования и высокое быстродействие, становятся особенно востребованными. Специалисты отрасли полагают, что использование динамических устройств компенсации реактивной мощности может помочь в решении таких актуальных проблем, как недостаточная пропускная способность линий, слабая управляемость сетей, неоптимальное распределение потоков мощности по параллельным линиям и т.д.
СТК АББ в Магнитогорске на ММК, 35 кВ, 0/180 Мвар (фото предоставлено АББ)
«Требования к эффективности эксплуатации сетей сегодня растут, при этом увеличение мощности уже ограничено, а дистанционная передача реактивной мощности нереальна — требуется локальная компенсация, — отмечает Шэнь Фэй, д.т.н., директор центра разработок СТАТКОМ, Sieyuan Electric Co. (Китай). — Зачастую источники генерации находятся далеко от центра нагрузки, дистанционная передача электроэнергии требует решений, которые гарантируют стабильность и контроль напряжения с помощью компенсации реактивной мощности.
В распределительных сетях существует большой объем индуктивной нагрузки, которая потребляет огромную реактивную мощность и влечет за собой увеличение потерь в распределительных системах; потребители распределительных сетей часто сталкиваются с нелинейной нагрузкой и волновой нагрузкой, которая не только ведет к недостаточной компенсации или перекомпенсации реактивной мощности и последующему повышению потери из-за тока реактивной мощности, но и создает соответствующие колебания напряжения, влияющее на безопасность всех потребителей, подключенных к данной сети. Технология динамической компенсации реактивной мощности на основе IGBT призвана удовлетворить растущие требования потребителей к качеству электроэнергии, не смотря на существующие проблемы».
Однако СТАТКОМ интересен с точки зрения систем не только переменного, но и постоянного тока. На сегодняшний день в Единой энергосистеме России СТАТКОМ внедряется в первую очередь именно для создания вставок постоянного тока. Далее мы подробнее поговорим об этом.
СТАТКОМ или СТК?
В ряде публикаций отмечается, что на сегодняшний день СТАТКОМ — наиболее совершенное устройство компенсации реактивной мощности, своего рода вершина эволюции. К его преимуществам относят многофункциональность, высокое быстродействие, малое содержание высших гармоник, малые размеры, позволяющие до двух раз сократить занимаемую площадь по сравнению с СТК.
СТАТКОМ показывает куда меньшую вероятность появления резонансных явлений, а при снижении напряжения переходит в режим постоянного источника тока, обеспечивая постоянное выходное напряжение, в отличие от систем СТК. Также к плюсам СТАТКОМ относят возможность поддержания номинального емкостного выходного тока при низком напряжении системы, что, в свою очередь, обеспечивает более высокую динамическую устойчивость передачи по сравнению с СТК.
Несмотря на многочисленные преимущества, первые сообщения о которых появились еще в конце 1990-х гг., пока рано говорить о том, что СТАТКОМ стал широко распространенным явлением. По всей вероятности, причиной тому высокая стоимость устройства. Более того, для ряда применений в нем просто нет острой необходимости. Существует мнение, что применение СТАТКОМ вместо СТК в электрических сетях не так актуально, как его внедрение в сетях резко переменных нагрузок промышленных предприятий, к примеру, металлургических.
«Для большинства потребностей энергосистемы России не требуется применения СТАТКОМ, ведь время реакции установки СТК вполне достаточно для решения задач энергетики, — считает Александр Ильин. — Качественные СТК способны обеспечить баланс мощности между двумя энергосистемами, контроль уровня напряжения и его стабилизацию, повышение качества электроэнергии, увеличение надежности системы, сокращение потерь и др. Подобное оборудование применимо практически в любой отрасли энергетики: будь то железнодорожный электрифицированный транспорт, заводы с резкопеременной нагрузкой или нефтедобыча. СТАТКОМ — более дорогое исполнение, и по-настоящему он необходим, когда стоит задача бороться с выраженным фликер-эффектом, однако такое требование в конкурсах встречается крайне редко. Также СТАТКОМ актуален, если необходимо сократить площадь установки».
СТАТКОМ на российском рынке
Сложность оборудования и отсутствие широкого рынка сбыта сказывается на количестве игроков рынка, и все же несколько компаний занимается темой СТАТКОМ в России. Это крупные международные производители — АББ, Сименс, Альстом. Азиатские, в частности китайские компании предпринимают попытки выхода на российский рынок, из наиболее известных можно назвать Hitachi. К счастью, есть и российские компании, предлагающие СТАТКОМ. В некоторых случаях отечественные производители используют оборудование зарубежных поставщиков, дополняя его своим программным обеспечением.
Первый пилотный образец отечественного устройства мощностью 50 Мвар был разработан ОАО «НТЦ электроэнергетики» ФСК ЕЭС совместно с ООО «НПЦ Энерком-Сервис». Устройство было задумано как базовый элемент для создания инновационных систем компенсации реактивной мощности и управления потоками электроэнергии, включая современные линии электропередачи и вставки постоянного тока. По словам разработчиков, отечественный СТАТКОМ отличается от зарубежных аналогов тем, что в нем использованы только транзисторные вентили. Такой подход создает возможность более гибкого управления и дополнительного снижения потерь.
СТК в Нефтедобыче, Греция, 135кВ, -8/+36Мвар (фото предоставлено АББ)
Пилотный образец устройства был предназначен для установки на ПС 330/400 кВ «Выборгская» для повышения надежности работы вставки постоянного тока, предназначенной для экспорта электроэнергии в Финляндию.
Другая вставка постоянного тока создается в Забайкальском крае на ПС 220 кВ «Могоча» для несинхронной связи энергосистем Сибири и Востока, на сегодняшний день работающих изолировано. СТАТКОМ сюда поставляет ООО «НПЦ Энерком-Сервис». Оборудование данного производителя закладывалось и на других объектах, в частности при проектировании ВЛ 500 кВ Усть Кут — Нижнеангарская с ПС 500 кВ Нижнеангарская.
«При выполнении расчетов электрических режимов и устойчивости энергосистем мы неоднократно учитывали вставки постоянного тока, в том числе вставки постоянного тока мощностью 200 МВт для создания несинхронной связи энергосистем Сибири и Востока, выполненные на базе СТАТКОМ, разработанном ООО «НПЦ Энерком-Сервис», — сообщает Алексей Жидков, главный инженер Сибирского института проектирования энергетических систем Департамента электрических сетей ЗАО «Сибирский ЭНТЦ»
Другой российский производитель — ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ» предлагает два типа СТАТКОМ. Первый — одноуровневые D-СТАТКОМ с подключением к шинам 6-10 кВ через понижающий трансформатор. Они предназначены для улучшения качества электроэнергии, симметрирования нагрузки и компенсации реактивной мощности в распределительных сетях промышленных предприятий. Второй тип — многоуровневые бестрансформаторные СТАТКОМ, подключаемые непосредственно на шины среднего напряжения 6-35 кВ. Такие устройства применяются для снижения воздействия на сеть мощных быстропеременных нагрузок и повышения динамической устойчивости в сетях высокого напряжения.
В предложении Hitachi также фигурирует D-STATCOM. Устройство позиционируется как компактный источник или приемник реактивной мощности, контролирующий напряжение в сети.
СТАТКОМ производства АББ носит товарное имя SVC Light. Компания активно занимается производством устройств с использованием технологии FACTS с 1972 г., за это время ввела более 500 установок по всему миру. АББ обладает собственными заводами по производству силовой полупроводниковой электроники (IGBT, IGCT), конденсаторов и т.д. и поставляет оборудование вместе с программным обеспечением собственной разработки.
СТАТКОМ на ПС 220 кВ Могоча в Забайкальском крае (фото ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»)
В поисках своего места
В завершении краткие комментарии наших экспертов, относительно роли СТАТКОМ в развитии современных, в том числе интеллектуальных, энергосистем.
По мнению Шэнь Фэя, статические устройства динамической компенсации реактивной мощности (СТАТКОМ) в настоящее время — важнейший элемент в составе системы гибкой передачи переменного тока, которая уже успешно эксплуатируется в США, Германии, Японии и Китае.
«Не только СТАТКОМ, но и полноценная установка СТК представляет собой «умную сеть», позволяющая в реальном времени следить за состоянием сети, вовремя реагировать и влиять на протекающие в ней процессы, исключая негативные последствия влияния резкопеременной нелинейной нагрузки», — убежден Александр Ильин.
«Как и в отношении любого инновационного оборудования, позволяющего поддерживать в сложных режимных условиях требуемый уровень и качество напряжения и мощности, повышать пропускную способность электропередач, регулировать перетоки мощности, перспективы СТАТКОМ видятся в возможности решения задач электросетевого комплекса на качественно новом уровне», — считает Алексей Жидков.
Сейчас сложно говорить о том, какое место займут СТАТКОМ в российских электросетях в будущем. На сегодняшний день оборудование применяется точечно — на участках с «особыми потребностями», и пока нет никаких свидетельств в пользу того, что устройство существенно подешевеет и станет повсеместно применяемым. Будет ли данное высокотехнологичное решение и дальше использоваться только в узкоспециализированных нишах, покажет время.
Иван Благодатский
На заставке: СТК Light® (СТАТКОМ) в металлургии (фото предоставлено АББ)
От редакции: По мнению некоторых экспертов, сотрудничающих с сайт, подходы и терминология, использованные в статье, являются спорными. Кроме того, специалисты ряда российских компаний не смогли дать свои комментарии по теме на момент опубликования. Если вы хотите выразить свое мнение или поспорить с автором, обращайтесь в редакцию, которая будет рада предоставить вам возможность публично высказать свою точку зрения.
Размер: px
Начинать показ со страницы:
1 На правах рукописи Пешков Максим Валерьевич Разработка и исследование системы управления статическим компенсатором реактивной мощности типа СТАТКОМ для электроэнергетических систем Специальности: «Электростанции и электроэнергетические системы» «Силовая электроника» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2009 г.
2 Работа выполнена в филиале ОАО «НТЦ электроэнергетики» - «ВНИИЭ», г. Москва. Научный руководитель: Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник Кочкин Валерий Иванович. доктор технических наук, старший научный сотрудник Челазнов Александр Алексеевич доктор технических наук, профессор Розанов Юрий Константинович Ведущая организация: ОАО НИИПТ «Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения» Защита диссертации состоится 28 апреля 2009 г. в на заседании диссертационного совета Д при Открытом акционерном обществе «Научно-технический центр электроэнергетики» (ОАО «НТЦ электроэнергетики») по адресу: , г. Москва, Каширское шоссе, д. 22 корп. 3. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д по адресу: , г. Москва, Каширское шоссе, 22 корп. 3, ОАО «НТЦ электроэнергетики». С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке филиала ОАО «НТЦ электроэнергетики» - «ВНИИЭ» Автореферат разослан марта 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д д.т.н. Новиков Н.Л. 2
3 Общая характеристика работы Актуальность. Научно-технический прогресс в области систем передачи электроэнергии развивается в направлении повышения их управляемости, устойчивости и надежности при обеспечении высокого качества энергоснабжения потребителей. Наиболее оптимально и комплексно указанные цели могут быть достигнуты путем применения технологии гибких (управляемых) линий электропередачи переменного тока (FACTS), содержащих современные многофункциональные устройства и, в частности, устройства регулирования реактивной мощности - СТАТКОМ. СТАТКОМ представляет собой управляемое статическое устройство, выполненное по схеме преобразователя напряжения (ПН), включенное в электрическую сеть параллельно. На базе СТАТКОМ могут быть реализованы другие устройства FACTS: вставка постоянного тока (ВПТ), управляемая продольная компенсация (УПК), объединенный регулятор потоков мощности (ОРПМ), компенсаторы активно- реактивной мощности (КАРМ). Вопросу разработки алгоритмов управления СТАТКОМ посвящено много работ отечественных и зарубежных авторов: Казачков Ю.А., Иванов А.В., Климов В.И., Крутяков Е.А., Левин В.Н., Зиновьев Г.С., Попов В. И., Кобзев А.В., N.G. Hingorani, A. Nabae, I. Takahashi, H. Akagi и других авторов. Между тем, в опубликованных работах указанных авторов не раскрыты все аспекты функционирования преобразователя напряжения, подключенного к электроэнергетической сети по схеме СТАТКОМ. Алгоритмы управления таким преобразователем должны, с одной стороны, обеспечивать высокие показатели качества работы преобразователя в установившихся режимах (низкие потери, удовлетворяющий требованиям ГОСТ гармонический состав напряжения), а, с другой стороны, обеспечивать работоспособность и высокое быстродействие СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах сети. Кроме того, актуальной является задача разработки алгоритмов симметрирования напряжения в электрической сети средствами СТАТКОМ. Целью работы является разработка и исследование алгоритмов системы управления СТАТКОМ, предназначенного для регулирования напряжения на подстанциях электроэнергетических систем в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах сети и симметрирования напряжения в точке подключения. Алгоритмы системы управления должны обеспечивать СТАТКОМ соответствие предъявляемым к нему со стороны электроэнергетических систем требованиям по быстродействию, уровню высших гармоник тока, генерируемых в электрическую сеть, и уровню потерь в собственном оборудовании СТАТКОМ. 3
4 Достижение цели предполагает решение следующих основных задач: - разработка алгоритмов независимого регулирования активной и реактивной мощности и алгоритмов симметрирования сетевого напряжения средствами СТАТКОМ; - разработка алгоритмов быстродействующего управления преобразователем напряжения; - разработка алгоритмов уменьшения потерь в преобразователе напряжения СТАТКОМ; - разработка цифровой модели преобразователя напряжения, подключенного к сети по схеме СТАТКОМ, и модели системы управления для исследования разработанных алгоритмов управления СТАТКОМ в электроэнергетических системах; - исследование работы СТАТКОМ в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах электроэнергетической системы; - исследование влияния основных параметров алгоритмов управления СТАТКОМ на гармонический состав напряжения и на уровень электрических потерь в преобразователе напряжения. Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории электроэнергетических систем, электрических цепей, линейной алгебры, элементы дифференциального и интегрального исчисления, методы математического моделирования. Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем: - разработан алгоритм быстродействующего управления СТАТКОМ, выполненного на базе преобразователя напряжения нового типа; - разработаны алгоритмы снижения потерь в вентилях преобразователя; - разработан алгоритм симметрирования напряжения в точке подключения средствами СТАТКОМ; - разработана цифровая модель «Узел», включающая модель электрической сети и модель СТАТКОМ, для исследования работы СТАТКОМ. Разработана цифровая модель «Тепло» системы IGBT-модуль/охладитель для расчета потерь в вентилях и тепловых процессов протекающих в них; - проведены исследования работы СТАТКОМ с разработанной системой управления в нормальных и аварийных режимах электроэнергетической системы, которые подтвердили эффективность СТАТКОМ при регулировании и симметрировании напряжения в точке подключения, а так же показали высокое 4
5 быстродействие СТАТКОМ, достаточное для устойчивой работы СТАТКОМ в аварийных режимах энергосистемы; - разработана методика расчета тепловых процессов в вентилях преобразователя с определением пиковых значений температур кристаллов полупроводниковых приборов. - проведена оптимизация параметров алгоритмов системы управления СТАТКОМ с целью получения баланса между качеством гармонического состава генерируемого в сеть тока и уровнем потерь в преобразователе. Конкретное личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Основные результаты диссертационной работы получены лично автором. Достоверность полученных результатов подтверждается: - использованием классических положений теоретической электротехники и математики; - корректностью выполнения теоретических построений; - совпадением результатов с экспериментальными данными. Практическая значимость основных результатов диссертационной работы. Разработанные алгоритмы управления преобразователем напряжения используются в системе управления преобразователем напряжения в составе быстродействующих компенсаторов реактивной мощности типа СТАТКОМ 50Мвар, 15,75кВ, а так же могут использоваться для управления и другими устройствами FACTS. Материалы отдельных глав использовались в научно-исследовательских работах, проводимых по договорам ВНИИЭ с ОАО «ФСК ЕЭС»: «Разработка ТЗ на СТАТКОМ мощностью 50 Мвар напряжением 15,75 кв и основные виды его силового оборудования. Разработка, изготовление и испытание узлов силовой части СТАТКОМ. Разработка технических решений на устройства силового оборудования.», «Разработка, изготовление и испытание макетов СУРЗА. Разработка технических решений на узлы микропроцессорной системы управления(сурза). Разработка рабочей документации на силовое оборудование СТАТКОМ.» Разработанная цифровая модель преобразователя напряжения может найти применение при проектировании устройств FACTS на базе преобразователя напряжения для выбора и уточнения параметров основного оборудования, при отладке алгоритмов управления и защитных комплексов, а также при настройке их параметров и уставок в процессе пусконаладочных работ в СТАТКОМ в электроэнергетических системах. 5
6 Разработанная методика расчета тепловых процессов и потерь в вентилях преобразователя позволяет определять параметры системы охлаждения для них. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: - конференция молодых специалистов электроэнергетики РАО ЕЭС (г. Москва, 2003 г.); - всероссийской конференции по итогам конкурса молодых специалистов организаций НПК ОАО РАО «ЕЭС России» (с. Дивноморское, 2005 г.); - конференция «Разработки молодых специалистов в области электроэнергетики 2008» (г. Москва сентябрь 2008). Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, содержащего 50 наименований. Текстовая часть изложена на 159 страницах содержательной части (рисунков 78,таблиц 4) Краткое содержание работы Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируются задачи, решению которых посвящена диссертация, формулируется цель диссертации, излагаются подход и методы исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы. В первой главе проведен обзор существующих средств компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в электрических сетях: традиционные устройства и устройства на основе новых технологий гибких линий электропередачи переменного тока. Приведена общая классификация устройств компенсации и отмечено особое место в ней СТАТКОМ, поскольку он может использоваться в качестве базового блока при создании целого ряда современных многофункциональных устройств FACTS. Произведен выбор структуры преобразователя напряжения для СТАТКОМ, сформулированы требования к СТАТКОМ и к его системе управления. Поставлена задача исследований по разработке системы управления СТАТКОМ. СТАТКОМ как источник реактивной мощности осуществляет: повышение пропускной способности электрических сетей разного класса напряжения; поддержание напряжения на подстанциях в протяженных и сильно загруженных сетях в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах; ограничение коммутационных перенапряжений; симметрирование напряжений; 6
7 Работа СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах сети предъявляет к его системе управления (СУ) жесткие требования по быстродействию регулирования реактивной мощности и реакции СТАТКОМ на возмущения, возникающие в сети (к.з. и коммутации линий). Система управления должна обеспечивать в данных режимах работу СТАТКОМ без аварийных отключений. Поскольку предполагается использование СТАТКОМ как в качестве самостоятельного устройства, так и в качестве базового элемента при создании других устройств FACTS, то целесообразно иметь универсальное решение по схеме СТАТКОМ, которое позволит использовать его для указанных устройств FACTS без значительных переработок. На рис.1 изображена усовершенствованная схема мостового трех уровневого 18ти вентильного преобразователя напряжения СТАТКОМ, предложенная специалистами ВНИИЭ отдела 5, которая отвечает поставленному требованию универсальности и обеспечивает максимальную единичную мощность СТАТКОМ в сравнении с другими известными мостовыми схемами. Рис. 1 Схема инновационного мостового трехуровневого 18ти вентильного преобразователя для СТАТКОМ 7
8 Выбор новой схемы преобразователя СТАТКОМ подразумевает и разработку новых алгоритмов управления для него. СТАТКОМ как источник реактивной мощности, имея лучшие статические и динамические характеристики по сравнению с традиционным СТК, должен иметь сопоставимый с ним уровень гармоник тока и потерь. Удовлетворительный гармонический состав напряжения на выходе выбранного преобразователя можно получить, применяя алгоритмы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой коммутации много большей частоты сети. Более высокая частоты коммутации позволяет улучшить гармонический состав напряжения на выходе преобразователя и дает возможность применять менее мощный фильтр для подавления высших гармоник в области частоты коммутации. Однако увеличение частоты коммутации вентилей приводит к росту потерь в них, что должно учитываться при выборе ее оптимальной величины. Примерно 80% электрических потерь в СТАТКОМ составляют потери, выделяемые в вентильной части преобразователя. Они определяют один из важнейших эксплуатационных показателей СТАТКОМ его КПД, а также перегрузочную способность СТАТКОМ. Возможность форсировки реактивной мощности как в СК является важным свойством СТАТКОМ при решении задач поддержания напряжения на подстанциях в аварийных и послеаварийных режимах сети. Уровень потерь в вентилях для выбранной схемы преобразователя напряжения во многом определяется применяемым алгоритмом ШИМ и его параметрами. В связи с чем, актуальной является разработка алгоритмических средств снижения потерь в вентилях преобразователя и оптимизация параметров алгоритма ШИМ с целью поиска компромисса между уровнем электрических потерь и уровнем генерируемых в сеть высших гармоник тока. Другой задачей СТАТКОМ в части улучшения показателей качества электроэнергии является симметрирование сетевого напряжения. Система управления СТАТКОМ должна включать в себя соответствующие алгоритмы. СТАТКОМ позволяет обеспечить раздельное управление активной и реактивной мощностями, что имеет принципиальное значение для устройств КАРМ, ОРПМ, ВПТ, выполненных на базе СТАТКОМ. В случае использования СТАТКОМ в качестве компенсатора реактивной мощности, канал управления активной мощностью используется в СТАТКОМ для регулирования напряжения стороны постоянного тока преобразователя. Суммируя вышесказанное можно сформулировать требования к системе управления СТАТКОМ, которая должна: - осуществлять независимое регулирование активной и реактивной мощности и включать в себя алгоритмы симметрирования сетевого напряжения; 8
9 - обеспечивать высокое быстродействие СТАТКОМ в переходных режимах и его работоспособность в аварийных и послеаварийных режимах электроэнергетической системы; - обладать средствами снижения электрических потерь в преобразователе СТАТКОМ; - обеспечивать приемлемое качество гармонического состава тока на выходе СТАТКОМ. Анализ существующих систем управления показал их несоответствие поставленным требованиям, из-за отсутствия единого решения, сочетающего высокое быстродействие в динамике с хорошими показателями качества в установившихся режимах. Во второй главе рассмотрены разработанные принципы управления СТАТКОМ, включающие алгоритмы широтно-импульсной модуляции и алгоритмы уменьшения числа коммутаций вентилей преобразователя. Получены следующие аналитические выражения для активной и реактивной мощности СТАТКОМ:, (1) (2) где U 1 и U 2 амплитуды прямой и обратной последовательности напряжения в точке подключения СТАТКОМ, I 1 и I 2 - амплитуды прямой и обратной последовательности фазного тока СТАТКОМ, γ - угол между напряжением сети и фазным током СТАТКОМ по прямой последовательности, β-угол между напряжением сети и фазным током СТАТКОМ по обратной последовательности. Из (1) и (2) следует, что управление активной и реактивной мощностью может проводиться ортогональными векторами фазного тока, независимо друг от друга. Работа СТАТКОМ поясняется на векторной диаграмме, изображенной на рис.2. В сети в общем случае присутствует прямая и обратная последовательность напряжения. Поддержание уровня напряжения в точке подключения осуществляется путем генерации/потребления в сеть реактивного тока прямой последовательности и создания регулируемого вектора напряжения, а уменьшение амплитуды обратной последовательности напряжения сети осуществляется за счет потребления реактивного тока обратной последовательности, и создания вектора. Реализация алгоритмов управления показана на приведенной на рис.3 блок схеме системы управления СТАТКОМ. 9
10 Рис. 2 Векторная диаграмма работы СТАТКОМ Рис.3 Блок схема алгоритмов управления СТАТКОМ 10
11 Блок «вычислитель параметров напряжения сети» определяет значения амплитуд прямой U 1 и обратной последовательности U 2 напряжения сети и их фазы α и β относительно эталонного вектора. Блоки Г1 и Г2 являются генераторами эталонных единичных синусоид и косинусоид прямой последовательности, которые используются в abc\dq преобразовании фазных напряжений сети по формулам: где a,b,c мгновенные значения фазных напряжений сети, а, (3) Значения d и q фильтруются интегральным фильтром второй гармоники Ф2. Блок Б1 вычисляет амплитуду и фазу прямой последовательности напряжения по усредненным значениям d и q. Блок Б2 определяет проекции вектора обратной последовательности на эталонные вектора синуса и косинуса. Блок Б3 вычисляет амплитуду и фазу обратной последовательности напряжения. Блок «регулятор напряжения сети на шинах ПС» осуществляет регулирование амплитуды прямой последовательности напряжения. Уставка реактивной мощности СТАТКОМ задается пропорциональным регулятором по закону: (U U) рад. Qmax Q = уст 1 U, (4) где U уст уставка напряжения прямой последовательности;u 1 напряжение прямой последовательности сети; Q max = 3 U уст I max - максимальная мощность, выдаваемая преобразователем, I max максимально допустимый фазный ток преобразователя. Статизм регулятора определяется максимальным отклонением напряжения U от напряжения уставки. Блок «регулятор несимметрии напряжения сети» представляет собой пропорциональный регулятор, на выходе которого формируется уставка тока симметрирования I 2. Блок «регулятор напряжения стороны постоянного тока преобразователя U d» состоит из блока вычисления уставки напряжения Ud (ВУН КБ) и регулятора активной мощности (ПИ). Регулирование напряжения стороны постоянного тока преобразователя СТАТКОМ позволяет уменьшить уровень потерь и частоту выходов из строя полупроводниковых приборов высоковольтных вентилей. 11
12 Уставка напряжения на стороне постоянного тока преобразователя в блоке ВУН КБ вычисляется по формуле Ud = U Л / k M, где k M коэффициент модуляции преобразователя напряжения, а U Л максимальное из линейных напряжений преобразователя, рассчитанных по формулам:. (5), (6), (7) где U i1 и U i2 амплитуды прямой и обратной последовательности первой гармоники напряжения на выходе преобразователя в установившемся режиме: U i1 =U 1 +I q ωl, (8) U i2 =U 2 +I 2 ωl, (9) где L индуктивность фазных реакторов СТАТКОМ. По разности реального напряжения на КБ и уставки, регулятор активной мощности формирует уставку активной мощности СТАТКОМ P. Регулятор активной мощности представляет собой ПИ регулятор. Блок «генератор уставок фазных токов» по уставкам активной, реактивной мощности и по уставке симметрирующего тока формирует мгновенные значения ожидаемого фазного тока уставки фазных токов, по уравнениям:, где Iq - модуль реактивной составляющей фазного тока прямой последовательности, Ip - модуль активной составляющей фазного тока прямой последовательности, I 2 -модуль симметрирующего тока. Вычисленные уставки фазных токов далее подаются в блок алгоритмов ШИМ и алгоритмы уменьшения числа коммутаций вентилей преобразователя (АУЧК). В разработанных алгоритмах применяется новый подход к управлению СТАТКОМ, при котором он работает в режиме квази источника тока. Такое управление обеспечивает СТАТКОМ высокое быстродействие и устойчивость по току, что позволяет ему успешно функционировать в переходных режимах, включая и режимы внешних коротких замыканий. Режим квази источника тока, 12
13 обеспечивается алгоритмом токовой широтно-импульсной модуляции. В данном алгоритме ШИМ импульсы управления рассчитываются таким образом, чтобы формируемое на фазных реакторах L преобразователя напряжение создавало на расчетном такте заданную производную фазных токов i (рис.4). Тем самым, обеспечивается равенство реального фазного тока i Ф и уставки фазного тока i УСТ на границах расчетного такта. Такое управление преобразователем приближает СТАТКОМ к управляемому источнику тока, что исключает работу защиты СТАТКОМ от превышения допустимого уровня коммутируемого вентилем тока с выводом СТАТКОМ из работы при возникновении в энергосистеме значительных возмущений (коммутации, К.З.). Расчетный такт τ X S UA L ia X ПН X S UB L ib Y Ν X S UC L i C Z Рис. 4 Алгоритм широтно-импульсной модуляции по приращениям тока Важной характеристикой преобразователя является его перегрузочная способность, определяемая текущим температурным режимом полупроводниковых приборов, и уровнем электрических потерь в транзисторных модулях. Кроме того, уровень потерь в модулях определяет общий КПД СТАТКОМ. Поэтому задача снижения потерь имеет большое значение. Возможным способом уменьшения потерь в вентилях без уменьшения амплитуды фазных токов является снижение коммутационной составляющей потерь за счет уменьшения числа коммутаций вентилей. В главе рассмотрены разработанные алгоритмы уменьшения числа коммутаций вентилей. Для сравнения, на рис. 5 приведены кривые токов полюсных вентилей полученных по алгоритму токовой ШИМ без алгоритмов 13
14 уменьшения числа коммутаций и с ними. По кривой тока полюсного вентиля можно судить о количестве коммутаций во всем преобразователе. Видно, что алгоритмы уменьшения числа коммутаций исключили 16 коммутаций в фазе на периоде основной частоты Рис. 5 Кривые токов, протекающих через полюсные модули ПН Верхний рисунок: моменты коммутаций рассчитаны по алгоритму токовой ШИМ без алгоритмами уменьшения числа коммутаций.; Нижний рисунок: моменты коммутаций рассчитаны по алгоритму токовой ШИМ с алгоритмами уменьшения числа коммутаций. В третьей главе проводятся исследования работы СТАТКОМ в простой электроэнергетической системе (рис. 6) в нормальных и аварийных режимах энергосистемы. Исследования проводились на разработанной цифровой модели «Узел» (рис.7), представляющей собой 3-х фазную модель сети и модель подключенного к ней компенсатора реактивной мощности типа СТАТКОМ с повентильным представлением преобразователя напряжения и детализированной моделью системы управления. Рис. 6 Однолинейная схема подключения СТАТКОМ к электроэнергетической системе 14
15 Рис 7 Математическая модель «Узел» PS модель электроэнергетической системы; CS- система управления; M1 и М2- измерители токов и напряжений. Проверялись следующие характерные режимы работы СТАТКОМ в электроэнергетической системе: - генерация\потребление номинальной реактивной мощности СТАТКОМ; - работа СТАТКОМ на сеть в несимметричном режиме; - режим реверса мощности СТАТКОМ; - глубокая посадка напряжения в точке подключения СТАТКОМ до уровня 50%; - междуфазное короткое замыкание в точке подключение СТАТКОМ. Исследования работы СТАТКОМ в данных режимах подтвердили эффективность алгоритмов регулирования напряжения сети, симметрирования напряжения, а так же показали высокое быстродействие СУ, достаточное для работы СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах сети. В качестве примера на рис. 8 показаны кривые токов и напряжений при работе СТАТКОМ в несимметричном режиме сети. В начальный момент времени СТАТКОМ работал в режиме холостого хода, регулятор напряжения сети и регулятор несимметрии напряжения сети были отключены. В момент времени t 1 регуляторы были включены. Амплитуда прямой последовательности напряжения сети возросла, а амплитуда обратной последовательности уменьшилось в соответствии с текущими уставками регуляторов. 15
16 U M1, кв 12,88 кв 10,27 кв 0,495 кв U M2, кв 0,25 кв i f, А 3,1 ка t 1 Рис. 8 Работа СТАТКОМ на сеть в несимметричном режиме U M1 амплитуда прямой последовательности напряжения сети, U M2 амплитуда обратной последовательности напряжения сети, i f фазные токи СТАТКОМ. Для оценки быстродействия системы управления в части регулирования реактивной мощности проведен опыт реверса мощности СТАТКОМ из режима потребления в режим генерации номинальной реактивной мощности (рис. 9). Изменение величины напряжения на КБ отражает переход СТАТКОМ в режим генерации. На диаграмме токов видно характерное изменение фазы, связанное с изменением режима мощности. Время переходного процесса tp=0,03c. Такого быстродействия достаточно для успешного решения системных задач, стоящих перед СТАТКОМ. На рис. 10 изображена осциллограмма опыта мгновенной посадки напряжения до уровня 50%. Посадка напряжения происходит в момент времени t=0,2c. Опыт проводился с целью исследования способности разработанной системы управления управлять СТАТКОМ в режиме квази источника тока в переходных процессах с быстрой динамикой. Регулятор напряжения сети для проведения данного опыта был отключен. Система управления формировала постоянную уставку реактивного тока. Процесс глубокой посадки напряжения не повлиял на форму фазных токов преобразователя. Преобразователь 16
17 функционировал как управляемый источник тока, что исключает работу защиты СТАТКОМ от превышения допустимого уровня коммутируемого вентилем тока с выводом СТАТКОМ из работы x x в) а) б) Рис. 9 Режим реверса мощности (из режима потребления в режим генерации) а фазные токи; б и в напряжения на плечах конденсаторной батареи x Рис 10 Опыт мгновенной посадки напряжения сети до уровня 50% На верхней диаграмме изображены фазные токи преобразователя, на нижней диаграмме изображены линейное напряжение в точке подключения и линейное напряжение на выходе преобразователя. 17
18 На рис. 11 изображен опыт междуфазного короткого замыкания сети в точке подключения СТАТКОМ. Режимы внешних близких КЗ требуют от СУ СТАТКОМ максимального быстродействия в части скорости ее реакции на возмущения, возникающие в сети. Система управления должна обеспечивать в данных режимах устойчивою работу СТАТКОМ с максимальной реактивной мощностью без аварийных отключений. До момента возникновения КЗ СТАТКОМ находился в режиме генерации номинальной реактивной мощности. Короткое замыкание не привело к броскам фазных токов и аварийному отключению СТАТКОМ. После возникновения короткого замыкания СТАТКОМ стремиться поддержать уровень прямой последовательности сети, которая в данном режиме уменьшается. Регулятор реактивной мощности вышел на максимальный допустимый уровень амплитуды фазного тока (3100 А). СТАТКОМ в данном режиме может длительно оставаться в работе. Рис 11 Опыт междуфазного короткого замыкания в точке подключения СТАТКОМ верхняя диаграмма - линейные напряжений сети в точке подключения ПН; нижняя диаграмма - фазные токи преобразователя. В четвертой главе проведено исследование влияния параметров системы управления на гармонический состав напряжения в точке подключения СТАТКОМ. Для расчета гармонического состава напряжения ПН использовалась математическая модель «Узел». Кривые напряжений в процессе расчета записывались и затем подвергалась гармоническому анализу. 18
19 Расчет гармонического состава напряжений проводился с допущением, что преобразователь напряжения является единственным источником высших гармоник, а сеть - источник синусоидального напряжения с частотой 50 Гц. Анализ зависимостей гармонического состава напряжения ПН от параметров алгоритма управления вентилями позволил сделать вывод о предпочтительности более высокой частоты коммутации, поскольку при этом первый максимум в спектре напряжения ПН отодвигается в область частот с большей кратностью. Это дает возможность использовать более легкий фильтр для подавления высших гармоник в точке подключения преобразователя к сети. Однако увеличение частоты коммутации приводит к росту потерь в вентилях преобразователя. Предварительный подсчет потерь в вентилях показал, что число коммутаций в полюсном вентиле в режиме генерации реактивной мощности не должно превышать 5-ти. При таком количестве коммутаций суммарные потери СТАТКОМ не превысят 1 % от его номинальной мощности. Поставленному требованию обеспечить не более 5 коммутаций полюсного вентиля на максимуме тока удовлетворяют частоты: 1650Гц, 1350Гц, 1050Гц. Наилучший гармонический состав напряжения ПН имеет место при частоте коммутации f k =1650Гц. Использование алгоритма уменьшения числа коммутаций благоприятно сказывается на гармоническом составе напряжения, а также позволяет добиваться минимально-возможного количества коммутаций в вентилях при меньшем коэффициенте модуляции k M. Это в свою очередь позволяет получить лучший гармонический состав напряжения ПН при меньшем уровне потерь. В пятой главе разработаны методика и модель «Тепло» для расчета потерь, выделяемых в вентилях, и анализа тепловых процессов в них. Исследуется влияние параметров системы управления на потери в вентилях преобразователя. Модель «Тепло» включает в себя два основных блока: вычислитель потерь и тепловую модель IGBT транзистора. Вычислитель потерь выполняет расчет мгновенных значений потерь в диодном и транзистором чипе IGBT-модуля. Блок «тепловая модель IGBT транзистора» является тепловой моделью системы IGBTмодуль/охладитель и предназначен для определения температур p/n переходов кристаллов диодных и транзисторных чипов модуля. Потери открытого состояния и коммутационные потери рассчитываются по разработанной методике определения потерь в вентилях, на основе экспериментальных данных, полученных от завода изготовителя полупроводниковых приборов. На рис. 12 изображена эквивалентная электрическая схема тепловой модели модуля с двухсторонним охлаждением. Источники тока P IGBT и P DIODE моделируют 19
20 мощности потерь, выделяемые в структурах модуля. Источник напряжения Tinlet воспроизводит температуру охлаждающей жидкости. Параметры RC цепочек рассчитываются по экспериментальным данным. С помощью созданной модели были получены зависимости уровня мощности потерь, выделяемых в вентилях, а так же пиковых значений температур p/n переходов модулей от параметров алгоритма управления. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными, полученными на реальном образце СТАТКОМ, показало, что погрешность вычислений на модели «Тепло» не превышает 1%. Исследования показали, что применение алгоритма уменьшения числа коммутаций приводит к снижению уровня потерь, выделяемых в вентилях преобразователя в среднем на 100кВт, и, как следствие, к уменьшению пиковых значений температуры кристаллов полупроводниковых приборов преобразователя. TIGBT TDiode Ri1 Ci1 Cd1 Rd1 Ri2 Ci2 Cd2 Rd2 PIGBT PDiode Ri3 Ci3 Ri4 Ri4 Cd3 Rd3 Rvlet Ci4 Cd4 Tinlet Рис. 12 Эквивалентная электрическая схема тепловой модели модуля с двухсторонним охлаждением Кроме меньшего уровня потерь в вентилях, алгоритм уменьшения числа коммутаций дает возможность распределять потери по вентилям различных групп. Величиной, характеризующей текущий режим алгоритма распределения коммутаций, является коэффициент деления kd. Если kd=0, то коммутации исключаются из транзисторной части полюсного вентиля, если kd=1, то коммутации исключаются из транзисторной части нулевого вентиля. В случае, 20
21 когда kd=0,5, коммутации делятся поровну между полюсными и нулевыми вентилями. При изменении коэффициента деления kd от 0 до 1-цы уровень потерь в транзисторах полюсного и нулевого модуля меняется на 12х900Вт. Алгоритм позволяет временно переносить потери из перегруженного вентиля в вентиль другой группы, который загружен в меньшей степени. Исследования зависимости уровня потерь от частоты коммутации показали правильность произведенного в главе 3 выбора частоты коммутации f k =1650Гц. Суммарные потери в оборудовании СТАТКОМ на данной частоте коммутации ШИМ алгоритма составляют ~480кВт, т.е. 0,96% от номинальной мощности СТАТКОМ. По данному показателю СТАТКОМ с разработанной СУ занимает промежуточное место между синхронными компенсаторами, потери у которых составляют ~1,5%, и статическими тиристорными компенсаторами, потери которых ~0,7%. Надо отметить, что заявленные потери в производимых компаниями SIEMENS и ABB устройствах СТАТКОМ составляют ~2%. Таким образом, использование новой схемы преобразователя в совокупности с разработанным алгоритмом уменьшения числа коммутаций вентилей позволило снизить потери в оборудовании СТАТКОМ в 2 раза по сравнению с известными аналогами. Расчет пиковых значений температур p/n кристаллов вентилей, для режимов генерации/потребления выше номинальной мощности показал, что СТАТКОМ допускает 1,5 кратную перегрузку по мощности. Возможность форсировки реактивной мощности является важным свойством СТАТКОМ при решении им задач поддержания напряжения на подстанциях в аварийных и послеаварийных режимах сети. Основные результаты работы Главный итог работы разработаны, исследованы и оптимизированы алгоритмы системы управления статическим компенсатором реактивной мощности типа СТАТКОМ для электроэнергетических сетей. При этом получены следующие результаты: 1 Проведен обзор существующих устройств компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в электроэнергетических системах. 2 Сформулированы требования к СТАТКОМ и его системе управления для работы в электроэнергетической системе. Проведен обзор известных систем управления СТАТКОМ, выявлены их недостатки и поставлена задача разработки новых алгоритмов управления. 3 Разработан быстродействующий алгоритм управления СТАТКОМ для электроэнергетических систем, который обеспечивает работоспособность 21
22 СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах энергосистемы и при коммутациях в энергосистеме. 4 Разработаны алгоритмы снижения потерь в преобразователе напряжения СТАТКОМ, которые снизили суммарные электрические потери в оборудовании СТАТКОМ до 0,96% от его номинальной мощности, что в два раза меньше заявляемых потерь в известных зарубежных аналогах, и занимает промежуточное место между уровнем потерь в СК (~1,5%), и потерями в СТК (~0,7%). Низкий уровень потерь в преобразователе позволяет СТАТКОМ с разработанными алгоритмами управления кратковременно работать с 1,5 перегрузкой по реактивной мощности, что является важным свойством СТАТКОМ при решении задач поддержания напряжения на шинах подстанции в аварийных и послеаварийных режимах электроэнергетической системы. 5 Разработан алгоритм раздельного управления активной и реактивной мощности СТАТКОМ в зависимости от напряжений и токов прямой и обратной последовательности, который позволяет с помощью СТАТКОМ осуществлять симметрирование напряжения на шинах подстанции в несимметричных режимах электроэнергетической системы. 6 Разработана цифровая модель «Узел» включающая в себя модель электроэнергетической системы, модель СТАТКОМ с повентильным представлением преобразователя напряжения и детализированной моделью системы управления, и тепловую модель системы IGBT-модуль/охладитель «Тепло». Модель может найти применение при проектировании устройств FACTS на базе СТАТКОМ для выбора и уточнения параметров основного оборудования, при отладке алгоритмов управления и защитных комплексов, а также при настройке их параметров и уставок в процессе пусконаладочных работ СТАТКОМ в электроэнергетических системах. 7 Произведены исследования работы СТАТКОМ в электроэнергетической системе в нормальных и аварийных режимах сети. Показано успешное решение задач регулирования напряжения сети и симметрирования сетевого напряжения с помощью СТАТКОМ. Исследования подтвердили высокое быстродействие СТАТКОМ с разработанной системой управления, что позволяет ему работать в аварийных и послеаварийных режимах энергосистемы. 8 Разработана методика расчета потерь в IGBT модулях преобразователя на основе экспериментальных данных, предоставленных заводом изготовителем полупроводниковых приборов, погрешность которой не превышает 1%, что позволяет на этапе проектирования с высокой точностью 22
23 определять один из важнейших показателей СТАТКОМ, работающего в электроэнергетической системе его КПД. 9 Проведены исследования влияния параметров алгоритма управления на гармонический состав напряжения на выходе СТАТКОМ и на потери в вентилях преобразователя. На основе исследований была проведена оптимизация алгоритма управления СТАТКОМ. 10 В системе управления компенсатора реактивной мощности типа СТАТКОМ мощностью 50 Мвар напряжением 15,75 кв, изготовленного отделом 5 ОАО «ВНИИЭ» для подстанции 400/330 кв Выборгская использованы разработанные автором алгоритмы управления. Основное содержание диссертации опубликовано в следующих публикациях. 1. М.В. Пешков. Технические средства регулирования напряжения и потоков активной и реактивной мощности в линиях электропередач. Вторая научнотехническая конференция молодых специалистов электроэнергетики. Сборник докладов. г. Москва 2003 г. 2. В.И. Кочкин, М.В. Пешков, Д.В. Романенко. Линии электропередачи с параллельной и последовательной компенсацией реактивной мощности Вестник ВНИИЭ 2004 г. Москва 3. В.И. Кочкин, М.В. Пешков, Д.В. Романенко. Преобразователь напряжения как управляемый элемент электрических сетей. НИИ Постоянного тока г. Санкт Петербург. 4. М.В. Пешков. Разработка и исследование модели 3-х уровневого преобразователя напряжения с алгоритмом токового ШИМ модулятора. Вторая научно-техническая конференция молодых специалистов электроэнергетики. Сборник докладов. п. Дивноморское 2005 г. 5. К.С.Кошелев, М.В Пешков. Выбор параметров статического компенсатора реактивной мощности типа СТАТКОМ. Электротехника, 7,2008 г. 6. М.В. Пешков. Алгоритм управления высоковольтным преобразователем напряжения ПОЛИШИМ: оптимальный для статики и быстродействующий в динамике. Конференция «разработки молодых специалистов в области электроэнергетики 2008». Сборник докладов. г. Москва, сентябрь 2008 г. 7. С.В. Еньков, В.И. Кочкин, М.В. Пешков. Оценочный и точный расчет потерь вентильной части преобразователя напряжения при проектировании. Электротехника, 10, 2008 г. 23
АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ С СИММЕТРИРОВАНИЕМ ТОКА СЕТИ И НОВЫМ ПРИНЦИПОМ УПРАВЛЕНИЯ Климаш В.С., докт. техн. наук, Светлаков Д.П. КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре Для
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический
Лабораторная работа 3 Статический компенсатор на базе преобразователя напряжения Цель работы: исследование режимов работы трехфазного статического преобразователя напряжения как элемента статического компенсатора
СТАТИЧЕСКИЕ КОМПЕНСАТОРЫ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТАТИЧЕСКИХ КОМПЕНСАТОРОВ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ Статические тиристорные компенсаторы реактивной
Безтрансформаторный СТАТКОМ 35 кв 100 МВА на базе многоуровневого инвертора напряжения для электросетей / Tranformerless STATCOM 35 kv 100 MVA based on multilevel voltage source converter for grid application
УДК 621.314 МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Лепанов М.Г., Киселев М.Г. Национальный исследовательский университет «МЭИ» В трехфазных системах электроснабжения основными параметрами,
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ НГТУ. 2007. 4(50). 81 86 УДК 621.314.527 МНОГОУРОВНЕВЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЧЕТВЕРТОЙ СТОЙКОЙ В СОСТАВЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА А.В. ГЕЙСТ
Управление режимами ЭЭС на базе силовой электроники Лабораторная работа 1 Исследование тиристорно-управляемого реактора Цель работы: Исследование однофазного тиристорно-управляемого реактора как элемента
Основные технические решения по моделированию преобразователей напряжения в расчетной модели электрической сети, используемой для расчета уставок устройств РЗА Инженер отдела электроэнергетических систем
70 УДК 62.33.3.025. Современные технологии транспорту С. В. Кузьмин ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Известные
5 Лекция 2 ИНВЕРТОРЫ План. Введение 2. Двухтактный инвертор 3. Мостовой инвертор 4. Способы формирования напряжения синусоидальной формы 5. Трехфазные инверторы 6. Выводы. Введение Инверторы устройства,
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ ПЕРЕЧЕНЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ (МОДУЛЕЙ) ДИСЦИПЛИНЫ п/п Модуль дисциплины Лекции, ч\заочн 1 Введение 0.25 2 Линейные электрические цепи постоянного тока 0.5 3 Линейные электрические
ОТЧЕТ о вводе в эксплуатацию двух статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности типа СТК-5/40-11 для ПС 220 кв «Горелое» МЭС Востока (г. Дальнегорск) 1. Введение В октябре 2013 г. ЗАО «Нидек
Влияние режимов работы энергосистем на несинусоидальность и несимметрию напряжений в магистральных электрических сетях М. А. Силаев, В. Н. Тульский, Р. Г. Шамонов Инструментальное исследование качества
Тема 3. Статическая устойчивость генераторов возобновляемых источников энергии (2 часа) Основные понятия и определения статической устойчивости Деление режимов электрической системы на установившиеся и
Научно-практическая конференция «Опыт и перспективы применения силовой электроники и электропередач постоянным током для повышения надежности электрических сетей и реализации международных проектов». Моделирование
ОТЗЫВ официального оппонента Лебедева Владимира Дмитриевича на диссертационную работу ОНИСОВОЙ Ольги Александровны на тему «Совершенствование релейной защиты электроэнергетических систем с малыми распределёнными
Лекция 4. Постановка задач математического моделирования физических процессов в устройствах высокого напряжения на основе анализа электрических полей и регулирования полей при проектировании энергетического
ОТЗЫВ официального оппонента, д.т.н. профессора, заведующего кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВО «СКГМИ (ГТУ)» Клюева Романа Владимировича на диссертационную работу Махмадджонова
РОСАТОМ ФГУП «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина» Состояние и перспективы применения передач постоянного тока Преимущества ЛЭП/вставок постоянного тока (ППТ ВН) Сокращение затрат
На правах рукописи Матинян Александр Маратович ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ СОВРЕМЕННЫМИ КОМПЕНСИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ Специальность 05.14.02 Электрические станции и электроэнергетические
Работа линейного УШРТ конструкции АО «НТЦ ФСК ЕЭС» в цикле ОАПВ линии 5 кв АО «НТЦ ФСК ЕЭС» Матинян А.М., Пешков М.В., Карпов В.Н., Алексеев Н.А. Москва - 216 год Общие сведения об УШРТ конструкции АО
Предисловие... 3 Глава 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ... 4 1.1. Общие сведения... 4 1.2. Электрические параметры электроэнергетических систем... 7 1.3. Напряжения электрических
УДК 621.314.6+ 621.314.228 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В НЕКОМПЕНСИРОВАННЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЯХ С ПОВЫШЕНИЕМ ФАЗНОСТИ ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Ю.И. Хохлов, В.И. Сафонов, П.В. Лонзингер Рассмотрены две схемы 24-фазных
Круглый стол «Умные сети умная энергетика умная экономика» г. Санкт-Петербург Высоковольтное электротехническое оборудование для развития «интеллектуальной» Единой энергосистемы России Макаревич Л.В. генеральный
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРЕКТОРОВ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ Игнатенко В.В. ПрЭ-1106. гр.361-3 Проблема коррекции коэффициента мощности Неэффективное использование электроэнергии, помехи в электросети, вызванные подключенными
1 УДК 621.314.6 НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ С КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ Карасев А. В., Смирнов В. М. ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»,
ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип. 15 УДК 621.311.004 УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЬНЫМИ КОМПЕНСАТОРАМИ НЕАКТИВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОЛНОЙ МОЩНОСТИ Колб А.А.* Предложен релейно-векторный
Научно-практическая конференция «Опыт и перспективы применения силовой электроники и электропередач постоянным током для повышения надежности электрических сетей и реализации международных проектов». Стратегии
РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ Технологии управляемой компенсации Для электрической сети в целом требуется равенство генерации и потребления активной и реактивной мощности. Основным нормативным
ОТЗЫВ официального оппонента на диссертационную работу Литвинова Артема Валерьевича «Совершенствование технологии испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов», по специальности 05.22.07 «Подвижной
Климова Галина Николаевна к.т.н., доцент кафедры ЭПП ТПУ Томский политехнический университет На примере продукции Минского трансформаторного завода им. Козлова http://www.metz.by Трансформаторы серии ТМГСУ
Управляемый подмагничиванием трансформатор С.С. Смирнов, А.Б. Осак В качестве управляемого источника реактивной мощности предлагается использовать 3-х фазную группу однофазных управляемых подмагничиванием
ОТЗЫВ ОФИЦИАЛЬНОГО ОППОНЕНТА на диссертационную работу Рыбина Ю.К. на тему: Аналоговые генераторы измерительных сигналов произвольной формы, представленную на соискание ученой степени доктора технических
Отзыв официального оппонента Львова Юрия Николаевича на диссертацию МЕЛЬНИКОВОЙ Ольги Сергеевны «Диагностика главной изоляции силовых маслонаполненных электроэнергетических трансформаторов по статистическому
Э л е к т р о э н е р г е т и к а УДК 61.315 ПРИМЕНЕНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ГИБКИХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ЭНЕРГОСИСТЕМ Засл. деятель науки и техн. РБ, докт. техн. наук, проф. ПОСПЕЛОВ Г. Е.,
Современные высоковольтные преобразователи частоты переменного тока - мощные комплектные регулируемые электроприводы VCH ООО "ЭЛПРО-М" совместно с ЗАО «Восток-Электро» предлагает поставку современных высоковольтных
Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е.
ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ (ОНМА) На правах рукописи ДАО МИНЬ КУАН УДК 629.5.064.5:621.313.332 СОВЕРШЕСТВОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СУДОВОГО АСИНХРОННОГО ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА 05.05.03 двигатели и энергетические
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 3 Глава 1. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ОСНОВНОЙ СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 1.1. Предмет преобразовательной техники... 5 1.2.
Выбор устройств компенсации реактивной мощности Выбор и разработка системы компенсации реактивной мощности сводится к следующим этапам определения: 1. Общих исходных параметров - оптимальное место включения,
1 Качество электрической энергии В. В. Суднова, к.т.н., ст. научн. сотр. «НИЦ Тест-Электро» Электрическая энергия как товар используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью
УДК 621.11 УПРАВЛЕНИЕ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТЬЮ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Канд. техн. наук, доц. КАЛЕНТИОНОК Е. В., асп. ФИЛИПЧИК Ю. Д. Белорусский национальный
УДК 61.311 СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ А.С. Енин., К.Б. Корнеев, Т.И. Узикова Новая редакция Федерального закона 61-ФЗ от 3 ноября 009 года «Об энергосбережении и о повышении
Лекция 1. Динамическая устойчивость простейшей системы Переходные режимы разделяют на нормальные (эксплуатационные) и аварийные. В любых переходных процессах происходят закономерные последовательные изменения
На многих промышленных предприятиях для улучшения гармонического состава сети устанавливаются Они не только улучшают гармонический состав сети, но и компенсируют реактивную энергию, улучшая тем самым коэффициент мощности сети cosφ.
На предприятиях с резко-переменной нагрузкой при отключении какого-либо из потребителей могут возникать проблемы с тем, что cosφ может становиться больше единицы. Для того чтобы не отдавать реактивную мощность обратно в сеть необходимо отключить фильтр от цепи, как делается при секционном регулировании в . Но если отключить фильтр от цепи, он перестанет сглаживать гармоники, то есть теряется смысл его установки. Разбивать ФКУ на секции и вводить посекционно — дорого, требует огромных площадей и большого числа коммутационной аппаратуры. Для решения этой задачи был создан статический компенсатор реактивной мощности или декомпенсатор.
Он состоит из тиристорного регулятора напряжения (ТРН) и реактора, подключенного через вентильный ключ к цепи. Мощности реактора и ФКУ равны. При изменении cosφ>1 тиристорный регулятор увеличивает ток реактора, чем увеличивает реактивную составляющую потребляемую этими реакторами, тем самым выравнивая баланс мощности в заданном диапазоне. На рис.1 приведена схема этого устройства
Рис.1 Схема включения статического компенсатора
Главным достоинством статического компенсатора является быстрое и плавное изменение реактивной составляющей цепи. При его применении можно регулировать cosφ в заданных пределах в автоматическом режиме.
Статический тиристорный компенсатор со шкафом управления не может быть расположен на улице, они всегда располагаются в помещении. ФКУ может быть расположено как в помещении, так и снаружи. Фильтры и реакторы могут соединяться шинами или кабелями в зависимости от токов и напряжений установок. На рис.2 показан пример размещения оборудования
Как видно из рис.2 в помещении находится система управления статическим компенсатором и вентильный ключ. Через шины он соединяется с реакторами и фильтрами высших гармоник, которые находятся на улице.
Система охлаждения тиристорного регулятора, как правило воздушная. Она дешевле жидкостной, легче в эксплуатации, не требует дополнительных узлов электроники, механики, вращающихся компонентов. Также, воздух, проходящий через вентиляционные шахты, преобразователя охлаждает не только силовые модули, но и R-C цепи (служащие для защиты тиристоров от перенапряжений) и другие элементы. Если токи слишком большие, а размеры аппаратуры ограничены, применяют жидкостное охлаждение.
Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности автоматизированы. Управление осуществляется как в автоматическом режиме, так и в ручном с панели оператора. Данные о работе устройства могут записываться в память статического тиристорного компенсатора и таким образом вести учет компенсируемой энергии за промежуток времени, а также хранится данные о всех неисправностях, методах их устранения. Это очень удобно для анализа потребляемой энергии, статистических данных по электроснабжению, а также проводить качественный анализ сети в различных режимах работы.
Вывод: статический тиристорный компенсатор очень удобен для предприятий с наличием высших гармоник и резко-переменной нагрузкой. Он позволяет плавно регулировать реактивную энергию в цепи, а также фильтровать высшие гармоники, улучшая тем самым качество сети.
При наличии быстрых и резкопеременных нагрузок становится перспективным применение статических компенсаторов реактивной мощности, обеспечивающих возможность безынерционного регулирования реактивной мощности. При этом улучшаются условия статической устойчивости энергосистемы в целом, что обеспечивает дополнительную экономию за счет повышения технико-экономических показателей работы электроустановок.
Статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ) являются перспективным средством рациональной компенсации реактивной мощности в силу присущих им положительных свойств, таких, как быстродействующее регулирование, подавление колебаний напряжения, симметрирование нагрузок, отсутствие вращающихся частей, плавность регулирования реактивной мощности, выдаваемой в сеть. Кроме того, эти устройства могут осуществлять плавное и оптимальное распределение напряжений, обеспечивая тем самым снижение их потерь в распределительных электросетях.
На рисунке 11 приведены основные варианты статических компенсирующих устройств. Они содержат фильтры высших гармоник и регулируемый дроссель в различных исполнениях.
Рисунок 11 - Схемы статических компенсирующих устройств
В настоящее время известно большое количество вариантов схем, которые разделяют на три группы:
СКРМ обеспечивают одновременно компенсацию реактивной мощности основной частоты, фильтрацию высших гармонических, компенсацию изменений напряжения, а также симметрирование напряжения сети. Они состоят из управляемой части, обеспечивающей регулирование реактивной мощности, и энергетических фильтров, обеспечивающих фильтрацию высших гармоник тока нелинейной нагрузки.
Статические компенсирующие устройства обладают следующими преимуществами:
Основными элементами статических компенсирующих устройств являются конденсатор и дроссель - накопители электромагнитной энергии - и вентили (тиристоры), обеспечивающие ее быстрое преобразование.
Принцип работы статических источников реактивной мощности состоит в том, что выпрямленным током преобразователя индуктивность (реактор или дроссель с железом) заряжается магнитной энергией, которая инвертируется в сеть переменного тока с опережающим коэффициентом мощности.
В СКРМ при полном открывании вентилей реактивная мощность установки определяется разностью между мощностью, генерируемой фильтрами, и мощностью, потребляемой реакторами. По мере закрытия вентилей мощность, потребляемая реакторами, уменьшается, и при их полном закрытии мощность, генерируемая ИРМ, становится равной мощности фильтров.
Рисунок 12 - Принципиальная схема присоединения СКРМ к системе электроснабжения (а) и расчетная схема замещения (б)
В ряде случаев помимо резонансных цепей фильтров, настраиваемых на частоты доминирующих высших гармоник тока нагрузки, в состав ТКРМ вводят параллельно присоединяемые конденсаторные батареи для фильтрации гармоник, порядок которых выше частоты настройки резонансных фильтров.
Быстрое развитие мирового производства статических тиристорных компенсаторов (СТК) определяется их преимуществами по отношению к традиционным средствам компенсации реактивной мощности в решении ряда актуальных задач электроэнергетики. К числу таких задач относится необходимость компенсации реактивной мощности в местах потребления электроэнергии и на промежуточных подстанциях длинных линий с целью повышения стабильности напряжения у потребителей, снижения потерь в линиях электропередач и сетях электроснабжения потребителей, повышения пропускной способности электропередач.
Рост протяженности, мощности и класса напряжения дальних электропередач выдвигает в число важнейших задач обеспечение средствами компенсации ограничения внутренних перенапряжений, статической и динамической устойчивости, эффективности автоматических повторных включений (АВК).
В отечественной практике для уменьшения колебаний напряжения применяются быстродействующие синхронные компенсаторы типа СК-10000-8 мощностью 7,7 Мвар на напряжение 10 кВ и мощностью 10 Мвар на напряжение 6 кВ. Максимальная скорость изменения реактивной мощности, выдаваемой в сеть, по данным завода составляет 130 Мвар/с, возможна кратковременная работа с 2-кратной перегрузкой. Компенсаторы успешно работают на некоторых металлургических заводах, в частности в системе электроснабжения станов горячего проката.
Установленная мощность синхронного компенсатора при одном и том же графике реактивной нагрузки будет меньше, чем установленная мощность статического компенсирующего устройства. Синхронные компенсаторы обладают всеми недостатками вращающихся машин и имеют меньшее быстродействие по сравнению со статическими компенсаторами. Кроме того, в статических компенсирующих устройствах возможно пофазное управление.
На зарубежных металлургических заводах для снижения влияния на питающую сеть резкопеременных нагрузок применяются синхронные компенсаторы с высокой кратностью форсировки напряжения возбуждения и быстродействующей системой регулирования.
Фирма Simens (ФРГ) выпускает синхронные компенсаторы мощностью 10MBА с ударной мощностью 30 MBА. Обмотка возбуждения компенсатора питается от нереверсивного тиристорного преобразователя с кратностью форсировки возбуждения по напряжению 13,2.
Фирма Fuji Electric Co совместно с Nisshin Electric Co (Япония) выпускает синхронные компенсаторы мощностью 8 MBА с ударной мощностью 16 MBА. Компенсатор имеет бесщеточную систему возбуждения с кратностью форсировки по напряжению, равной 2.
Фирма ASEA (Швеция) выпускает синхронные компенсаторы номинальной мощностью 7,5 Мвар с ударной мощностью 30 Мвар.
Статические компенсирующие устройства обладают рядом преимуществ по сравнению с быстродействующими синхронными компенсаторами. Основным преимуществом является их большее быстродействие. Существенна и возможность осуществления пофазного управления, что необходимо в сетях с быстроизменяющейся несимметричной нагрузкой.
В настоящее время разработано много типов статических компенсирующих устройств на базе управляемых реакторов и конденсаторов в основном с применением управляемых вентилей (тиристоров). Наибольшее распространение в зарубежной и отечественной практике получили устройства прямой и косвенной компенсации.
Статические компенсирующие устройства прямой компенсации осуществляют ступенчатое регулирование реактивной мощности с помощью включения и отключения батарей конденсаторов или фильтров высших гармоник при изменении реактивной мощности электроприемников (рис. 13 и 14).
Рисунок 13 - Принципиальная схема компенсирующего устройства прямой компенсации: На рисунке: 1 - тиристорные ключи; 2 - реактор; 3 - конденсаторная батарея; 4 - устройство для управления тиристорными ключами, 5 - нагрузка (тиристорный преобразователь).
Для обеспечения быстродействия в качестве контакторов или выключателей на каждой ступени применяются тиристорные ключи. Для исключения переходных процессов при включении, которые будут приводить только к увеличению колебаний напряжения, включение конденсаторов тиристорными ключами осуществляется в тот момент, когда напряжение сети и конденсаторов равны как по величине, так и по полярности.
Рисунок 14 - Компенсация реактивной мощности устройством прямой компенсации: а - схема устройства прямой компенсации; б - принцип работы статического компенсирующего устройства прямой компенсации; 1-5 - ступени компенсации
Быстродействие устройства прямой компенсации в основном определяется запаздыванием включения или отключения секций батарей конденсаторов на период питающего напряжения (0,02 с) при условии непрерывного изменения реактивной мощности. Одним из преимуществ устройств прямой компенсации является то, что они не генерируют в сеть высшие гармоники.
Схемы прямой компенсации разработаны в СССР в 50-х годах. За рубежом такие устройства изготовляются в Швеции и в Японии.
Фирма ASEA (Швеция) выпускает конденсаторные установки с тиристорным управлением для компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения с вентильными преобразователями и дуговыми печами. Система регулирования обеспечивает выбор момента подачи управляющего импульса на каждый тиристор, причем импульс управления подается с упреждением перед моментом прохождения емкостного тока через нуль. Когда конденсаторы не присоединены к сети, они остаются заряженными до амплитуды положительного или отрицательного напряжения сети. На рисунке 15 показано, что коммутация осуществляется в момент, когда напряжение сети соответствует по значению и полярности напряжению на конденсаторе. Тиристор прекращает пропускать ток при переходе его через нуль после снятия импульса с управляющего электрода. Конденсатор остается заряженным до амплитудного значения напряжения и готов к следующей коммутации.
Рисунок 15 - Диаграмма работы статического компенсирующего устройства прямой компенсации: U - напряжение сети, U с - напряжение на конденсаторе, I c - ток конденсатора; t 0 - импульсы для подзарядки конденсаторов; t 1 - подключение к сети; t 2 - отключение от сети; t 3 -t 4 - интервал перезарядки
Статические компенсирующие устройства косвенной компенсации (рис. 16) состоят из двух частей: плавно регулирующего индуктивного элемента (реактора) для компенсации колебаний напряжения и нерегулируемой части - батарей конденсаторов или фильтров высших гармоник.
Принцип косвенной компенсации для уменьшения колебаний напряжения заключается в том, что управляемый реактор потребляет реактивную мощность тогда, когда ее не потребляет резкопеременная нагрузка, и наоборот (рис. 17).
Рисунок 16 - Принципиальная схема статического компенсирующего устройства косвенной компенсации: На рисунке 16: 1 - нагрузка; 2 - управляемые реакторы; 3 - тиристорные ключи; 4 - фильтры высших гармоник токов; 5 - батареи конденсаторов; 6, 7 - трансформаторы тока и напряжения; 8 - система фазоимпульсного управления тиристорами
Регуляторы реактивной мощности должны обеспечивать такое регулирование, чтобы осуществлялось слежение за фронтом наброса и сброса реактивной мощности. Следовательно, от устройства компенсации требуется большое быстродействие, соответствующее фронту наброса и сброса реактивной мощности наиболее характерных резкопеременных нагрузок.
Регулирование тока в реакторе может осуществляться различными способами. Например, некоторые зарубежные фирмы применяют управляемый насыщающийся реактор. Однако быстродействие таких устройств можно оценить временем задержки более 0,06 с (три периода питающего напряжения), что недостаточно для эффективной работы компенсатора. Поэтому в настоящее время применяется регулирование тока в реакторе с помощью встречно-параллельно включенных тиристоров. Такая схема обеспечивает плавное регулирование реактивной мощности с временем задержки 0,01 с.
Рисунок 17 - Компенсация реактивной мощности устройством косвенной компенсации: а - схема статического компенсирующего устройства; б - принцип действия устройства косвенной компенсации
На рисунке 18 приведена схема компенсирующего устройства с управляемыми реакторами с помощью встречно-параллельных тиристоров и нерегулируемой емкости фильтров высших гармоник, используемого для компенсации реактивной мощности при работе дуговых печей (Япония).
В настоящее время в распределительных сетях 6-10 кВ промышленных предприятий с резкопеременной нагрузкой широко применяются ТКРМ.
В ТКРМ к шинам 6-10 кВ нагрузки параллельно подключены компенсирующие реакторы и силовые фильтры высших гармоник.
Рисунок 18 - Принципиальная схема статического компенсирующего устройства косвенной компенсации в сети с дуговыми сталеплавильными печами: На этом рисунке обозначено: 1, 2 - трансформаторы; 3 - тиристорные ключи; 4 - управляемые реакторы; 5, 6 - фильтры высших гармоник; 7, 8 - трансформаторы напряжения и тока; 9 - устройство управления тиристорными ключами; 10 - дуговые сталеплавильные печи.
Компенсирующие реакторы соединяются в треугольник вместе со встречно-параллельно включенными тиристорами и образуют регулирующий, стабилизирующий и симметрирующий элементы. Источником реактивной мощности является конденсаторная установка силовых фильтров высших гармоник.
Тиристорные компенсаторы стабилизируют потребляемую из сети реактивную мощность с погрешностью не более 2 % номинальной мощности как в сетях с симметричными нагрузками, так и при наличии несимметричных нагрузок, обеспечивая несимметрию потребляемых из фаз сети токов не более 10%, при этом быстродействие регулирования - не более 20 мс. В состав ТКРМ, представляющих собой комплекс оборудования, компонуемого свободно и электрически соединяемого на месте монтажа, входят полупроводниковый стабилизатор мощности (ПСМ), компенсирующие реакторы, фильтры, содержащие фильтровый реактор и конденсаторную установку. Компенсирующие реакторы имеют однофазное исполнение, магнитопровод с воздушным зазором и масляное охлаждение.
Фильтровые реакторы имеют однофазную и трехфазные конструкции. Они выполняются в виде цилиндрических катушек с воздушным охлаждением и вертикальной установкой трех фаз, за исключением фильтровых реакторов третьей и пятой гармоник, предназначенных для горизонтальной установки фаз в линию или установки по вершинам равностороннего треугольника. Фильтровые реакторы имеют регулировочные отпайки для изменения номинальной индуктивности.
Конденсаторные установки выполнены трехфазными, соединенными по схеме "две звезды", нейтрали которых соединяются через трансформатор тока, являющийся датчиком сигнала при разбалансе емкостей в лучах звезды.
Конструктивно конденсаторные установки силовых фильтров выполнены в виде двухъярусных стеллажей с вертикальной установкой силовых конденсаторов типа КЭКФ напряжением 4,4; 6,6; 7,3 кВ, соединенных параллельно и защищенных предохранителями типа ПКК-411.
Управляющие сигналы в систему регулирования ПСМ поступают с трансформаторов тока ПСМ, трансформаторов тока и напряжения питающей сети. 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.
Развитие СТК идет в нескольких направлениях, определяемых их функциональными особенностями. Функции СТК зависят от места и роли в общей системе передачи и распределения электроэнергии.
Системообразующие линии электропередачи напряжением до 1150 кВ передают энергию от генерирующих станций к межрайонным и районным подстанциям. На линиях устанавливаются компенсаторы типа СТК1.
Электрические сети межрайонного значения имеют напряжение 220-500кВ. На районных подстанциях используются СТК типа II. В сетях электроснабжения потребителей, обычно выполняемых на напряжение от 6 до 110 кВ, применяются СТК третьего и четвертого типов.
Пофазное управление СТК выполняется по алгоритму, при котором компенсация колебаний реактивной мощности нагрузки типа дуговой сталеплавильной печи (ДСП) и симметрирование нагрузки выполняется одновременно. Этим обеспечивается ослабление вызванных флуктуирующей дугой ДСП колебаний напряжения в каждой фазе и в совокупности по всем трем фазам сети. Анализ требований к быстродействию автоматического управления СТК показал, что эквивалентное запаздывание в пофазных контурах компенсации колебаний реактивной мощности не должно превышать 5 мс.
Симметрирование линии электропередачи особенно актуально для длинных одноцепных линий. Оно улучшает режим электропередачи при повреждении одного из участков линий, при котором поврежденный участок работает в двухфазном режиме. Дополнительный симметрирующий эффект создается включением в треугольник обмотки трансформатора СТК.
Ограничение перенапряжений с помощью СТК (функция 5) особенно актуально в передачах сверхвысокого напряжения (1 МВ и более). В этих передачах более опасны внутренние перенапряжения, и именно они определяют уровень изоляции.
Быстродействующее регулирование СТК в режиме стабилизации напряжения само по себе является эффективным средством ограничения квазиустановившихся перенапряжений.
Для ограничения импульсных перенапряжений используются специальные элементы, обеспечивающие включение вентилей с запаздыванием порядка 10-20мкс. Эти элементы входят как в состав тиристорных ячеек высоковольтных тиристорных вентилей, так и в состав электронной системы управления СТК.
В момент включения вентиля напряжение прикладывается к реактору СТК, чем и достигается снижение перенапряжений. Однако при этом, как правило, возникает неравенство положительных и отрицательных полуволн тока через реактор, иными словами, в токе появляется квазипостоянная составляющая. Для ее устранения в состав системы управления СТК должно входить специальное устройство быстрого симметрирования полуволн тока фазы.
Реакторы и вентили СТК должны быть рассчитаны на вызванные перенапряжениями перегрузки. Реакторы со сталью должны быть рассчитаны на большие перегрузки, значения которых определяются нелинейностью вольт-амперной характеристики реакторов при напряжении выше номинального. Соответствующие токовые перегрузки должны выдерживать и тиристорные вентили СТК.
Свойство СТК ограничивать внутренние перенапряжения реализуется в полной мере при условии их подключения непосредственно к линии, минуя подстанционные трансформаторы.
Функция 6 должна быть рассмотрена применительно к двум видам АПВ - трехфазному и однофазному (ОАПВ).
Для освоения электропередач переменного тока класса 750 кВ и выше решающее значение имеет проблема обеспечения успешного АПВ. Напряжение в месте к.з. во время бестоковой паузы АПВ возрастает пропорционально номинальному напряжению линии и ее длине. Поэтому на линиях класса 1150кВ, компенсируемых обычными шунтирующими реакторами, восстановление электрической прочности канала дуги за ограниченное время бестоковой паузы может не произойти.
Увеличение бестоковой паузы АПВ для тяжелонагруженных электропередач может привести к нарушению устойчивости параллельной работы. Поэтому трехфазное АПВ должно быть быстродействующим (БАПВ) с паузой до 0,4 с. Однако при длинах участков линии 1150 кВ порядка 400-500 км вследствие относительно малых потерь в линии и шунтирующих реакторах в паузе АПВ будут возникать слабозатухающие колебательные процессы в контурах "емкость линии -- шунтирующие реакторы". Вследствие колебательных процессов в паузе АПВ возможны повторные возникновения дуги в месте к.з. В результате БАПВ будет неуспешным.
Подключение СТК к поврежденному участку линии усиливает затухание колебаний благодаря действию обмоток трансформатора СТК, включенных в треугольник. Обмотки образуют короткозамкнутый контур для синфазных волн напряжения. Специальное управление моментами включения вентилей в паузу АПВ также будет способствовать затуханию колебаний и, следовательно, сокращению времени паузы БАПВ.
Еще более важную роль должен выполнять СТК в обеспечении успешного протекания однофазного АПВ.
Уровень перенапряжений в момент ОАПВ ниже, чем при трехфазном АПВ. Учитывая, что из всех видов к.з. на ультравысоковольтных линиях однофазные к.з. составляют 80-85 %, можно сделать вывод, что обеспечение успешного протекания ОАПВ имеет исключительное значение для надежности этих линий.
Однако с ростом класса напряжений линий проблема ОАПВ усложняется в еще большей степени, чем проблема БАПВ. Причиной этого является ток подпитки дуги в паузу ОАПВ, который при длинах линии 300-500 км может достигать 150-200 А. Быстрое погасание дуги возможно при условии, что ее ток не превышает 10-20 А.
Компенсация тока подпитки дуги при ОАПВ обеспечивается тиристорно-реакторной группой (ТРГ), подключенной к обмоткам трансформатора, соединенным в звезду. Задавая нужный режим ТРГ (углы управления вентилей), можно полностью скомпенсировать емкостную составляющую тока подпитки.
Если линия в момент ОАПВ передает энергию по неповрежденным фазам, возникает дополнительная составляющая тока подпитки дуги за счет взаимоиндуктивностей поврежденной и здоровых фаз. Анализ, проведенный применительно к параметрам линии 1150 кВ длиной до 500 км, показывает, что указанная ТРГ при надлежащем управлении углами включения вентилей может скомпенсировать и эту составляющую тока дуги.
Таким образом, использование СТК для гашения дуги в паузу ОАПВ позволяет снизить ток подпитки дуги до малых значений, при которых дуга гаснет за 0,1-0,3 с, что дает возможность уменьшить время цикла ОАПВ до 0,3-0,4 с и тем самым практически исключить опасность нарушения устойчивости электропередачи при однофазных к.з. на линии.
Стабилизация напряжения в условиях быстрого изменения потока энергии по линии (функция 7) обеспечивает устойчивость длинных линий электропередачи. Для поддержания устойчивости регулятор напряжения должен иметь высокое быстродействие, требуемая величина которого зависит от параметров электропередачи и длины линии.
Фильтрация гармоник тока нагрузки (функция 8) достаточно проста, если спектр тока линейчатый и быстрозатухающий с ростом частоты. Такой спектр имеют токи тиристорных преобразователей с нагрузкой на стороне постоянного тока, выпрямители и инверторы передач постоянного тока, мощные выпрямители электролизных установок и др. Амплитуды гармоник тока шестипульсного тиристорного преобразователя даны на рисунке 19 (точки ТП).
Рисунок 19 - Спектры тока различных потребителей
Тиристорно-реакторная группа СТК имеет аналогичный спектр, но значения гармоник значительно меньше (рис. 20, точки ТРГ). Для фильтрации токов с линейчатым спектром используются цепочки узкополосных фильтров, настроенные на частоты наибольших гармоник.
Значительно сложнее обеспечить эффективную фильтрацию несинусоидальной составляющей тока нагрузки типа дуговых сталеплавильных печей (функция 9), т.к. спектр тока ДСП - сплошной (рис. 20).
Таким образом, функции СТК всех четырех типов далеко не исчерпываются компенсацией реактивной мощности. Поэтому можно сказать, что принятое для СТК название "Статические компенсаторы реактивной мощности" в неполной мере соответствует действительности и может неправильно ориентировать специалистов по энергосистемам и электрическим сетям.
В одном из первых применений вентильного преобразователя для быстродействующего управления реактивной мощностью выпрямитель и инвертор включены последовательно с общим реактором и используются как регулируемый потребитель реактивной мощности в качестве единой, выпрямительно-инверторной подстанции (ВИП). Более перспективной оказалась схема с тиристорно управляемыми реакторами на переменном токе (ТУР) в сочетании с фильтрокомпенсирующими цепями (ФКЦ). В разработках фирмы АСЕА используется СТК по схеме тиристорно переключаемых секций конденсаторов (ТПК) или сочетание схем ТПК и ТУР. В последние годы ведутся разработки СТК на базе многофазных инверторов с принудительной коммутацией или тиристорных преобразователей частоты (КТПЧ).
При оценке показателя 1 мощность тиристорной части учитывалась исходя из равенства диапазонов бесконтактного (тиристорного) регулирования сравниваемых схем. Потери (показатель 2) также были отнесены к диапазону бесконтактного регулирования. Величины потерь взяты с учетом данных зарубежных и отечественных СТК.
Оценка допустимых перенапряжений (показатель 3) призведена с учетом того, что в схеме ТУР вентили полностью открываются при напряжениях выше заданного уровня, что не только защищает их от повреждений, но и снижает уровень перенапряжений в питающей сети. Остальные схемы критичны к перенапряжениям, проектируются в расчете на заданную (максимально допустимую) кратность повышения напряжения и по этой причине должны снабжаться специальными сильноточными ограничителями перенапряжений (ОПН). При вынужденном включении от перенапряжений вентили этих схем оказываются в аварийном режиме.
Наличие импульсного управления в схемах СТК позволяет рассматривать их при малых возмущениях стационарного режима как импульсные системы, интервал съема (показатель 4) при этом определяется так называемой пульсностью преобразователя
где Т - интервал съема импульсной системы; Т с - период частоты сети; m - число вентилей, поочередно коммутируемых за период.
На основании приведенной оценки характеристик различных схем СТК можно сделать вывод о том, что по совокупности показателей (мощность тиристорной части, удельные потери, быстродействие, устойчивость к перенапряжениям) схема с тиристорно управляемым реактором превосходит другие схемы. Поэтому для всех вышеуказанных четырех типов СТК при современном уровне силовой преобразовательной техники целесообразно использовать схему ТУР в сочетании с ФКЦ.
Тиристорные преобразователи с нагрузкой на стороне постоянного тока имеют линейчатый спектр несинусоидальности тока (рис. 21, точки ТП). В составе СТК необходимо иметь ФКЦ с частотами n = 5,7 и широкополосную ФКЦ с частотой n = 11.
Приведенные выше схемы СТК легли в основу разработки серий СТК на напряжение 6; 10; 35 и 110 кВ, выполненной институтами и заводами электротехнической промышленности.
На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что статические тиристорные компенсаторы открывают новые возможности по повышению надежности и качества электрических систем, обеспечивая помимо компенсации реактивной мощности ограничение коммутационных перенапряжений и соответствующее облегчение координации изоляции оборудования ультравысоковольтных передач, повышение вероятности успешных БАПВ и ОАПВ, повышение предела мощности по длинным линиям, симметрирование режима, снижение потерь в линиях, компенсацию влияния резкопеременной нагрузки, фильтрацию высших гармоник.
При современном уровне развития высоковольтной преобразовательной техники предпочтительной схемой СТК является шести- или двенадцатипульсная тиристорно-реакторная схема с необходимым набором фильтрокомпенсирующих цепей.
Регулирование индуктивности осуществляется тиристорными группами VS, управляющие электроды которых подсоединены к схеме управления.
Реактивная мощность Q, выдаваемая такой установкой в сеть, регулируется переменной реактивной мощностью индуктивности Q L , т. е.
где Q C - мощность БК.
В настоящее время промышленностью выпускаются тиристорные компенсаторы реактивной мощности для сети 0,4 кВ, на номинальный ток 190 А, мощностью 125 квар типа ТК-125-380. Диапазон регулирования мощности 25-125 квар, скорость изменения реактивной мощности 500 квар/с.
Силовая часть такого компенсатора представляет собой два параллельно включенных трехфазных управляемых моста, нагрузками которых являются изолированные обмотки дросселя, размещенные на крайних стержнях Ш-образного сердечника.
При эксплуатации СКРМ типа ТК-125-380 выявилось их главное преимущество - плавное автоматическое регулирование ими реактивной мощности и стабилизация напряжения сети системой управления тиристорами. Тиристорный компенсатор может работать в режимах регулирования соsj или регулирования напряжения.
Несмотря на то, что данный компенсатор требует некоторой доработки, целесообразность его применения в распределительных электросетях 380 В, особенно с резкопеременным потреблением реактивной мощности, не вызывает сомнения.
Управляющее устройство генерирует в соответствующие моменты токовые импульсы, которые, проходя через БК, изменяют напряжение на ее зажимах. Таким образом, бросков тока при коммутации вентилей в цепи этой БК не возникает. Длительность протекания тока в течение каждого полупериода может регулироваться моментом подачи импульса тока от управляющего устройства.
Устройство состоит из двух симметричных блоков. В каждом блоке трехфазные группы соединяются в треугольник. Последовательно с конденсаторами включаются два встречно-параллельно соединенных вентиля 3 и 4. Батареи конденсаторов БК 1 и 2 и вентили включаются в сеть через трехфазный трансформатор. Обмотки трансформаторов 5 и 6 соединяются таким образом, чтобы суммарный ток блоков не содержал гармоник, кратных трем, которые, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, являются самыми значительными в токе ИРМ. Это можно получить, если для одного трансформатора предусмотреть схему соединения обмоток "звезда-звезда", а другого - "звезда-треугольник". При соединении конденсаторов в треугольник компенсируются третья и кратная ей гармоники тока.
Для практически возможных случаев рассматриваемая схема имеет следующие параметры: постоянная времени 0,02 - 0,03 с; диапазон регулирования мощности (в долях от номинальной) 0,3 - 1; диапазон изменения угла управления вентилями - около 50°.
Данные его эксплуатации показали, что фильтр снизил содержание тока 5-й гармоники в 5 раз. В фильтре использован реактор, допускающий регулировку индуктивности в диапазоне от +25 до -20% номинального значения. При наличии фильтров возможно подключение БК к тем же шинам без защитных реакторов.
Опыт разработки и промышленная эксплуатация фильтров высших гармоник имеется за рубежом (США, Япония, Германия и др.). Обычно это простые режекторные фильтры, состоящие из последовательно включенных нерегулируемых конденсаторов и реакторов. Реакторы фильтров зарубежных фирм, как правило, изготовляют без железного сердечника. Это обеспечивает лучшую добротность, но приводит к увеличению габаритов.
Измерительные трансформаторы тока и напряжения передают показания мгновенных значений токов I A , I B , I C и напряжений U A , U B , U C , а также реактивной Q A , Q B , Q C и активной P A , P B , P C мощности в систему регулирования. Тиристорно-реакторная группа, содержащая тиристорные ключи VD1, VD2, VD3 и реакторы LR, управляется системами автоматического регулирования САР-1, 2, 3. Фильтрокомпенсирующие устройства ФКУ-1 и ФКУ-2 представляют собой комбинированные многополюсные трехфазные фильтры 3, 5 и 7-й гармоник, включающие реакторы и батареи конденсаторов с вакуумными выключателями QW1 и QW2. Система управления регулирует величину реактивной мощности отдельно в каждой фазе компенсатора путем изменения углов открытия вентилей VD1-VD3, причем регулируется не емкость, а индуктивность. Фильтрокомпенсирующие устройства настроены на определенную постоянную мощность, а регулируемые реакторы снижают эту постоянную емкостную мощность до того уровня, который необходим для регулирования заданного напряжения.
В настоящее время фирма Nokian Capacitors Ltd. (Финляндия) производит и устанавливает статические компенсаторы возмущений для линий передачи электроэнергии и промышленных предприятий.
Возмущения при обычной работе линий передачи электроэнергии и промышленных распределительных систем могут быть вызваны подключением линий, авариями на линиях, нелинейными компонентами, такими как тиристорные регуляторы, и быстро изменяющимися активными или реактивными нагрузками.
Проблемы, которые при этом возникают, включают в себя: наличие гармоник; потребность в дополнительной реактивной мощности; флуктуации напряжения; фликкер-эффект (мерцание); несбалансированные нагрузки; быстрые изменения в реактивной мощности. Эти проблемы можно решить с помощью быстродействующего статического компенсатора (БСК).
Устройства БСК проектируются индивидуально, используя стандартные компоненты, для решения конкретных проблем каждого заказчика. Несколько из приведенных выше проблем могут возникать одновременно. Оптимальное решение диктуется техническими и экономическими соображениями.
Возмущения, вызванные наличием гармоник, могут быть устранены с помощью фильтров. Реактивная мощность может быть обеспечена применением конденсаторов, которые, если их использовать как фильтры, могут обеспечить как коррекцию коэффициента мощности, так и снизить уровень гармоник.
Флуктуации напряжения могут быть устранены путем использования индуктивных стабилизаторов с конденсаторами, подключаемых через тиристорную схему управления.
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:
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.
