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

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, Uс – напряжение на конденсаторе, Ic – ток конденсатора;

t0 – импульсы для подзарядки конденсаторов; t1 – подключение к сети;

t2 – отключение от сети; t3-t4 – 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.

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

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).

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.

 

Рисунок 17 – Компенсация реактивной мощности устройством косвенной компенсации: а – схема статического компенсирующего устройства; б – принцип действия устройства косвенной компенсации

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.

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).

 

Рисунок 18 – Принципиальная схема статического компенсирующего устройства косвенной компенсации в сети с дуговыми сталеплавильными печами[22]:

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.

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.

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.

Технические характеристики и состав ТКРМ приведены в таблице 2[23].

Таблица 2 – Технические характеристики ТКРМ

UС, кВ	Конденсатор		Стабилизатор		Компенсирующий реактор
	Тип	Q, квар	Тип	Ном.ток, А	Тип	Ном. ток, А	L, мГн
6	ТКРМ-6,3/6 ТКРМ-12,5/6 ТКРМ-20/6	6,3 12,5 20	ПСМ-6,3/6 ПСМ-12,5/6 ПСМ-20/6	335 670 1060	РКОМ-3800/6 РКОМ-7500/6 РКОМ-12000/6	335 670 1060	23,6 11,7 7,5
10	ТКРМ-6,3/10 ТКРМ-12,5/10 ТКРМ-20/10 ТКРМ-40/10	6,3 12,5 20 40	ПСМ-6,3/10 ПСМ-12,5/10 ПСМ-20/10 ПСМ-40/10	200 400 630 1250	РКОМ-4000/10 РКОМ-7800/10 РКОМ-12500/10 РКОЦД-24500/10	200 400 630 1250	67 33,5 21,5 10,6

 

 

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[23].

Развитие СТК идет в нескольких направлениях, определяемых их функциональными особенностями. Функции СТК зависят от места и роли в общей системе передачи и распределения электроэнергии. На рисунке 19 эта система представлена в виде условной схемы, на которой указаны классы напряжений линий и подстанций, протяженность линий, основное оборудование подстанций, мощные потребители электроэнергии с переменной нагрузкой.

Рисунок 19 – Обобщенная схема передачи и распределения электроэнергии[14]: АТ — автотрансформатор; БТ —блочный трансформатор; Т — трансформатор; ВП — вентильный преобразователь; СТК — статический тиристорный компенсатор

 

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.

Функции СТК четырех типов перечислены в таблице 3. Символом (++) отмечены обязательные функции, символом (+) – необязательные, но возможные.

Таблица 3[14]

№ п/п	Выполняемая функция	Тип СТК
		I	II	III	IV
1	Компенсация потребляемой реактивной мощности и ее колебаний	+	+ +	+ +	+ +
2	Компенсация генерируемой ли-ниями реактивной мощности при слабой загрузке электропередачи	+ +	+ +	+	+
3	Симметрирование режима элект-ропередачи при отключении одной фазы участка линии	+ +	+	—	—
4	Симметрирование нагрузки и ослабление фликера напряжения	—	—	+ +	+ +
5	Ограничение внутренних перенапряжений в электропередаче	+ +	+ +	+	+
6	Обеспечение условий гашения дуги сопровождающего тока в паузе АПВ	+ +	+	—	—
7	Стабилизация напряжения на шинах промежуточных и концевых подстанций в переходных режимах	+ +	+ +	+	+
8	Фильтрация высших гармоник тока нагрузки	—	—	+ +	+ +
9	Снижение несинусоидальности тока нагрузки стохастического характера	—	—	+ +	+

 

Функции 1 и 2 известны. До появления СТК они возлагались на конденсаторные батареи, синхронные компенсаторы и шунтирующие реакторы. Эти функции СТК выполняют с меньшими потерями электроэнергии и при меньших приведенных затратах на компенсацию (с учетом потерь в линиях при отсутствии регулируемых компенсирующих устройств).

Функции 3 и 4 могут быть обеспечены быстродействующим пофазным управлением компенсатором, которое реализуется только в схемах СТК. Уравнения симметрирования в квазистационарном режиме относительно просты.

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.