Исследование методов и устройств компенсации реактивной мощности при электроснабжении нелинейных и резкопеременных нагрузок

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

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

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

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

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

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

На рисунке 34 изображена функциональная схема устройства.

Рисунок 34 – Схема устройства автоматического регулирования реактивной мощности

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

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

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

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

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

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

Устройство работает следующим образом.

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

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

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

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

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

 

1.4.5 Статические тиристорные  компенсаторы реактивной мощности, выпускаемые отечественной промышленностью

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

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

-  быстродействующую компенсацию реактивной мощности;

-  симметрирование токов и напряжений в сети;

-  стабилизацию напряжений на шинах потребителей;

-  фильтрацию высших гармоник;

-  ограничение перенапряжении в узле подключения ТКРМ.

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

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

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

Параметры предлагаемых ТКРМ приведены в таблице 6.

Таблица 6[19]

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

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

2. УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ  РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

2.1 Разработка и обоснование  алгоритма функционирования и  структурной схемы проектируемого  устройства

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

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

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

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

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

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

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

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

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