Из-за неравномерного потребления реактивной мощности по фазам необходимо и пофазное управление компенсирующими устройствами

3.  Из-за неравномерного потребления реактивной мощности по фазам необходимо и пофазное управление компенсирующими устройствами.

4.  Ограничивается применение батарей конденсаторов для компенсации постоянной составляющей реактивной мощности в сети с резкопеременной вентильной нагрузкой. Это обусловлено наличием в сети высших гармоник тока и напряжения при работе нелинейных нагрузок. Высшие гармоники приводят к значительным перегрузкам батарей конденсаторов по току[12].

Вообще говоря, положение, сложившееся в стране с компенсацией реактивной мощности в электрических сетях, в том числе и в сетях, питающих преобразовательную технику, остается весьма напряженным. Компенсированность наших электрических сетей в 2–3 раза ниже, чем в развитых странах мира. Следует заметить, что решение этой задачи не является простым. С одной стороны это связано с большой потребностью и острым дефицитом конденсаторных батарей, а с другой стороны – с тем, что в условиях преобразовательных подстанций традиционный способ компенсации путем непосредственного включения конденсаторов в сеть сопровождается массовым выходом их из строя из-за перегрузки токами высших гармоник при возникновении резонансных явлений.

Не лучше дело обстоит и с гармоническим воздействием преобразовательных подстанций на питающие сети. На подавляющем числе предприятий указанных выше производств коэффициенты несинусоидальности напряжений и токов существенно превышают требования ГОСТ.

Основными техническими средствами компенсации реактивной мощности и улучшения спектров токов и напряжений на преобразовательных подстанциях являются:

а) синхронные компенсаторы;

б) тиристорные компенсаторы реактивной мощности;

в) пассивные фильтрокомпенсирующие устройства;

г) активные фильтры;

д) параметрические источники тока;

е) выпрямительные агрегаты с повышенными энергетическими показателями.

Несмотря на применение на ряде предприятий синхронных компенсаторов, интерес к этому способу компенсации в условиях преобразовательной нагрузки заметно упал.

Наоборот, во всем мире проводятся исследования и разработка статических (в основном тиристорных) компенсаторов реактивной мощности. Зачастую на эти же устройства дополнительно возлагаются функции фильтрации высших гармоник и снижения степени несимметрии питающих напряжений.

Повышенное внимание в настоящее время уделяется также совершенствованию схемных решений, методам расчета и вопросам практического применения фильтрокомпенсирующих устройств.

Новым направлением повышения качества напряжения в электрических сетях является использование активных силовых фильтров. Такие фильтры могут быть построены на базе схем типа инвертор тока с импульсной модуляцией интервалов проводимости вентилей; управляемых с помощью высокочастотной импульсной модуляции индуктивностей и емкостей; обращенного инвертора напряжения и др. В результате могут быть реализованы фильтры с перестраиваемыми параметрами и адаптивные фильтры, при необходимости и соответствующей установленной мощности решающие и проблему компенсации реактивной мощности.

Существенную роль в решении указанной выше проблемы способны сыграть индуктивно-емкостные преобразователи, в частности, параметрические источники тока. При преобразовании потребляемой из питающей сети энергии переменного тока в энергию стабилизированного постоянного тока в условиях изменения напряжения на нагрузке в широких пределах, когда в обычных преобразователях наблюдаются набросы реактивной мощности и заметные искажения сетевого тока, параметрический источник тока резко снижает указанный отрицательный эффект[16].

1.4.3 Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности

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[9].

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[6]

В настоящее время известно большое количество вариантов схем, которые разделяют на три группы:

1)  мостовые источники реактивной мощности с индуктивным накопителем на стороне постоянного тока (рис. 11,а);

2)  реакторы насыщения с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис.11,б);

3)  реакторы с линейной вольт-амперной характеристикой и последовательно включенными встречно-параллельными управляемыми вентилями (рис. 11,в).

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:

1)  высокое быстродействие изменения реактивной мощности;

2)  достаточный диапазон регулирования реактивной мощности;

3)  возможность регулирования и потребления реактивной мощности;

4)  минимальные искажения питающего напряжения.

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[8].

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.

На рисунке 12,а показана однолинейная схема включения статического компенсирующего устройства с преобразовательной нагрузкой, а на рис. 12,б – ее расчетная схема замещения.

Рисунок 12 – Принципиальная схема присоединения СКРМ к системе электроснабжения (а) и расчетная схема замещения (б)[1]

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)[14].

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.

В таблице 1 представлено качественное сравнение быстродействующих синхронных компенсаторов со статическими компенсирующими устройствами прямой и косвенной компенсации.

Таблица 1 – Сравнение параметров компенсирующих устройств

Параметры сравнения	Специальный синхронный компенсатор	Статические компенсирующие устройства
		прямой компенсации	косвенной компенсации
Скорость регулирования, с	Более 0,06	Менее 0,02	Менее 0,01
Регулирование	Плавное	Ступенчатое	Плавное
Строительная часть	Массивные фундаменты	Фундаменты не требуются, большая гибкость монтажа
Обслуживание	Смазка, охлаждение и т. д.	Обслуживания практически не требуется
Отношение Qуст к Qmax, отн. ед.	0,5–0,7, имеется возможность перегрузки до 2-х кратной	1,0; перегрузка не допускается	2,0; регулируемая индуктивная часть 1,0; емкостная нерегулируемая часть 1,0
Работа на несимметричную нагрузку	Показное управление практически невозможно	Осуществляется пофазное управление практически без дополнительных затрат
Потери от номинальной мощности, %	2,5 – 4,0	0,5 – 1,0	1,0 – 2,0
Искажение питающего напряжения	Нет	Нет	Управляемый тиристорами ре-актор является источником высших гармоник

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;

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.

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.

Анализ показал, что СТК по схеме на рисунке 20 может обеспечить это условие, т.е. снизить ток подпитки дуги до требуемого уровня.

Рисунок 20 – Схема статического тиристорного компенсатора для электропередачи 1150 кВ[14]

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.

табилизация 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 21 (точки ТП).

Рисунок 21 – Спектры тока различных потребителей[14]

Тиристорно-реакторная группа СТК имеет аналогичный спектр, но значения гармоник значительно меньше (рис. 21, 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. 21).

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).

Сопоставление показателей, выполненных по перечисленным схемам СТК, дано в таблице 4. 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[14].

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

Т = Т_с/m,

где Т – интервал съема импульсной системы; Т_с – период частоты сети; m – число вентилей, поочередно коммутируемых за период.

Оценка запаздывания (показатель 5) произведена по материалам исследований зарубежных авторов[14]. Оценка показателя 6 дана с учетом анализа специальных режимов СТК.

Таблица 4[14]

Показатель	Характеристики схем СТК
	ТУР	ТПК	ТПК—ТУР	ВИП	КТПЧ
1. Относительная мощность тиристорной части	1	2,5	1,8	2,2	3
2. Коэффициент потерь, %	0,4–0,5	0,6-0,8	0,5–0,7	2-2,5	1–1,5
3. Кратность допустимых пере-напряжений	2 и более	1,5	1,5	1,5	1,5
4. Интервал съема при частоте сети 50 Гц, мс	1,7; 3,3	3,3	3,3	3,3	0,5
5. Запаздывание реакции на скачок, мс	0	0–10	0–10	30–50	20–30
6. Способность ограничения пе-ренапряжений в точке подклю-чения	есть	нет	нет	нет	нет

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. Основные данные СТК приведены в таблице 5.

Таблица 5[14]

Напряжение, кВ	Мощность ТРГ, МВ*А	Порядок гармоник ФКЦ	Мощность трехфазной конденсаторной батареи одной ФКЦ, МВ*А	Мощность одной ФКЦ, Мвар
6,3	6,3—20	3, 5, 7, 11, 13	3	2,6
10,5	12—38		2,4–10	2,08–7,8
35	110—240	2,3, 4, 5, 7, 11	9,6 – 34	6,2 – 23
110	550	5	130	95
		7	86	62

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.

Принципиальная схема одного из типов ИРМ, где используют БК с регулирующим звеном в виде индуктивности с полупроводниковыми вентилями, показана на рисунке 22.

Рисунок 22 – Принципиальная схема ИРМ, применяемого для компенсации реактивной мощности электроприемников с ударными нагрузками:

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. Q = Q_C – Q_L, 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[9].

В МЭИ разработана схема ИРМ, в которой основным рабочим элементом является батарея статических конденсаторов, оснащенная устройством плавного изменения ее мощности. Принципиальная схема ИРМ показана на рисунке 23.

Рисунок 23 – Принципиальная схема ИРМ[10]

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°.

На рисунке 24 показана схема применяемого в промышленности фильтрокомпенсирующего устройства (ФКУ).

Рисунок 24 – Схема ФКУ для сети 0,4 кВ[10]:

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.

На рисунке 25 приведена схема многофункционального устойства, построенного на основе статических тиристорных компенсаторов, тиристорных ключей, линейных реакторов и регулируемых БК. Предполагается его широкое применение, так как обеспечивается высокое, защищенность от высших гармоник, и при этом отсутствуют вращающиеся части. В этом отношении это устройство более совершенно, чем быстродействующие синхронные компенсаторы и нерегулируемые батареи конденсаторов.

Рисунок 25 – Схема многофункционального быстродействующего статического компенсирующего и симметрирующего устройства

Принцип действия устройства показан на рисунке. 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[22].

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:

-  флуктуации напряжения были снижены на 80%;

-  уровень напряжения повысился;

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

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

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

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

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

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

1.4.4 Разработанные устройства для компенсации реактивной мощности

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

На рисунке 26 показана принципиальная схема устройства.

Рисунок 26 – Устройство для компенсации реактивной мощности

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

Устройство работает следующим образом.

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

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

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

Рисунок 27 – Схема статического источника реактивной мощности

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

Источник работает следующим образом.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

На рисунке 29 представлена принципиальная схема СТК.

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

Рисунок 29 – Статический тиристорный компенсатор

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

На рисунке 31 показана функциональная схема регулятора

Рисунок 31 – Функциональная схема регулятора статического компенсатора

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

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

На рисунке 33 показана схема разработанного устройства.

Рисунок 33 – Схема устройства для регулирования реактивной мощности

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

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

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

Устройство работает следующим образом.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

На рисунке 34 изображена функциональная схема устройства.

Рисунок 34 – Схема устройства автоматического регулирования реактивной мощности

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

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

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

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

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

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

Устройство работает следующим образом.

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

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

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

В блоке 13 управления производится замер фазы первой гармоники тока относительно синхронизирующих сигналов и сигнал, пропорциональный фазе, поступает на вход регулятора 15 фазового сдвига в качестве обратной связи. В качестве уставки регулятора 15 используется сигнал с задатчика 16, обеспечивающий при нулевом сигнале обратной связи сдвиг фазы открытия тиристоров 8 и 9 в 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.

После подачи питания на проектируемое устройство производится проверка напряжения в системе. Если величина напряжения не находится в пределах, заданных как норма, то выполняется диагностика функционирования системы. Если U_пит = 0, то осуществляется повторная подача питания в систему, а если же U_пит ¹ 0, то после вывода результатов диагностики устройство отключается от сети для проверки исправности функционирования блоков системы.

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

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

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

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

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

Работа устройства происходит следующим образом.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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