Регульований компенсатор реактивної потужності

1. Регульований компенсатор реактивної потужності, який містить у кожній фазі компенсатора послідовне з'єднання дроселя та напівпровідникового ключа, а також конденсаторну батарею, який відрізняється тим, що додатково включений перетворювач кількості фаз, кожен з входів якого приєднаний до певної лінійної фази трифазної C2 2 (19) 1 3 зменшується в бік номінальної напруги. При зменшенні напруги в розподільчій мережі нижче номінального значення, реактивний струм по першій гармоніці дроселя насичення різко зменшується; струм паралельного з'єднання конденсаторної батареї та дроселя насичення стає ємнісним, в результаті чого, враховуючи індуктивний опір розподільчої мережі, її напруга збільшується в бік номінального значення. Недоліки цього компенсатора: - характер і величина компенсації залежить лише від рівня напруги розподільчої мережі, тобто відсутня можливість регулювання генерованої потужності; - побічна генерація небажаних струмів вищих гармонік, які викликають додаткові втрати енергії і порушують якість електричної енергії. Відомий регульований компенсатор реактивної потужності [8-13], який споряджений одним або декількома конденсаторами, які перезаряджаються і перерозряджуються з частотою у сотні і тисячі разів більшою від частоти напруги розподільчої мережі. Це дає можливість у стільки ж разів зменшити ємність, масу і габарити компенсатора. Недолік компенсатора - побічна генерація небажаних струмів вищих гармонік, які викликають додаткові втрати енергії і порушують якість електричної енергії. Відомий регульований компенсатор реактивної потужності [14-19], який складається з нерегульованих конденсаторних батарей, послідовних з'єднань дроселя та ключа. Імпульси струму при включенні конденсаторної батареї подавляються за допомогою додаткових некерованих котушок індуктивності. Недолік компенсатора - генерація вищих гармонік струму, частина яких замикається на конденсаторну батарею, а друга частина цих імпульсів проникає через указані котушки індуктивності в мережу і погіршують якість електричної енергії. Відомий регульований компенсатор реактивної потужності [20] - прототип, який у кожній фазі компенсатора складається з послідовного з'єднання дроселя та ключа, послідовного з'єднання конденсаторної батареї та основної котушки індуктивності, а також додаткової котушки індуктивності. У прототипі конденсаторна батарея захищена від імпульсного струму шляхом послідовного ввімкнення між мережею і конденсаторною батареєю основної та додаткової котушки індуктивності. Недолік прототипу - недостатня швидкодія регульованого компенсатора реактивної потужності, обумовлена перехідними процесами в послідовних з'єднаннях конденсаторної батареї та основної і додаткової котушок індуктивності. Зростання і спадання реактивної потужності залежить від постійної часу C-LL елементів компенсатора і складає 100-300 мс. при необхідних 10-20 мс. Через це при застосуванні прототипу в умовах компенсації флікеру виникають додаткові коливання напруг розподільчої мережі. У зв'язку з цим було поставлене завдання - підвищити швидкодію регульованого компенсатора реактивної потужності. Поставлене завдання вирішене тим, що у регульованому компенсаторі реактивної потужності використані без інерційний фільтр, а саме тим, що: 93597 4 до регульованого компенсатора реактивної потужності, який містить у кожній фазі послідовні з'єднання дроселя та напівпровідникового ключа, а також конденсаторну батарею, додано перетворювач кількості фаз, вхідні затискачі якого приєднані до трифазної мережі, вихідні затискачі приєднані до послідовних з'єднань дроселя та напівпровідникового ключа, а затискачі конденсаторної батареї приєднані до розподільчої мережі. Перетворювач кількості фаз виконано у вигляді автотрансформаторного перетворювача трифазної системи напруг у багатофазну. Перетворювач кількості фаз виконано у вигляді трансформаторного перетворювача трифазної системи напруг у багатофазну. Фазні кути векторів вихідних напруг перетворювача кількості фаз різняться на сталу величину. Перетворювач кількості фаз виконано пофазно-симетричним. Для кращого розуміння суті винаходу розглянемо графічні матеріали, подані на Фіг.1 - Фіг.4. На Фіг.1 показана блок-схема регульованого компенсатора реактивної потужності, у якого послідовні з'єднання дроселя та напівпровідникового ключа ввімкнені між вихідними затискачами лінійної та нульової фаз перетворювача кількості фаз. На Фіг.2 представлена блок - схема регульованого компенсатора реактивної потужності, у якого послідовні з'єднання дроселя та напівпровідникового ключа ввімкнені між вихідними затискачами лінійних фаз перетворювача кількості фаз. На Фіг.3 подано топографічне зображення з'єднання обмоток автотрансформаторного перетворювача кількості фаз, облаштованого нульовою фазою. На Фіг.4 дане топографічне зображення з'єднання обмоток автотрансформаторного перетворювача кількості фаз без нульової фази. На Фіг.1 позначено: А, В, С - лінійні фази трифазної розподільчої мережі; 1 - перетворювач кількості фаз; 2, 3, 4, - вхідні затискачі перетворювача кількості фаз; 11, 12, ..., 1і, ...,1m дроселі(реактори, котушки індуктивності); 21, 22, ..., 2і, ..., 2m - напівпровідникові ключі; 31, 32, 33 конденсаторні батареї компенсатора ввімкнені у трикутник; 41, 42, ..., 4і, ...,4m - вихідні затискачі перетворювача кількості фаз; 0 - затискач нульової фази перетворювача кількості фаз, БК- блок керування. На Фіг.2 позначення співпадають з позначеннями Фіг.1. На Фіг.3 позначено: 51, 54, 60, 64, 68, 70 - середні обмотки перетворювача кількості фаз; 52, 53, 66, 67, 65, 71 - короткі обмотки перетворювача кількості фаз; 55, 57, 69 - довгі обмотки перетворювача кількості фаз; 56, 58, 59, 61, 62, 63 - шість обмоток увімкнених за схемою зиґзаґ; решта позначень співпадають з позначеннями, вказаними на Фіг.1. На Фіг.4 позначення 81, 84, 87, 88, 92, 94, - середні обмотки перетворювача кількості фаз; 82, 83, 89, 90, 91, 95 - короткі обмотки перетворювача кількості фаз; 85, 86, 93, - довгі обмотки перетво 5 рювача кількості фаз; решта позначень співпадають з позначеннями, вказаними на Фіг.1. Склад і будова компенсатора. Регульований компенсатор реактивної потужності містить (Фіг.1): перетворювач кількості фаз 1; блок конденсаторних батарей 31-33, ввімкнених у трикутник; дроселі 11, 12, ..., 1і, .... 1m; напівпровідникові ключі 21, 22, ...,2і, ...2m. Кожен один дросель , наприклад, 11, а також один напівпровідниковий ключ, наприклад, 21, між собою з'єднані послідовно. Кожне послідовне з'єднання дроселя, наприклад, 1і та напівпровідникового ключа, наприклад, 2і одним виводом приєднане до затискача вихідної лінійної фази, перетворювача кількості фаз, а другим виводом приєднане до затискача нульової фази 0, перетворювача кількості фаз. У другому варіанті виконання регульованого компенсатора (Фіг.2) кожне послідовне з'єднання дроселя, наприклад, 13 та напівпровідникового ключа, наприклад, 23 одним виводом приєднане до одного затискача,наприклад, 43, вихідної лінійної фази перетворювача кількості фаз, а другий вивід цього послідовного з'єднання приєднане до іншого затискача вихідної лінійної фази, наприклад, 46, перетворювача кількості фаз. Оскільки перетворювач кількості фаз вперше вводиться в силову схему компенсатора реактивної потужності, то на Фіг.3 та Фіг.4 показані варіанти структури його обмоток. Перетворювач кількості фаз показаний на Фіг.3 містить множину коротких 52, 53, 65, 66, 67, 71, середніх 51, 54, 60, 64, 68, 70 та довгих 55, 57, 69 обмоток, а також обмотки 56, 58, 59, 61, 62, 63, ввімкнені у зиґзаґ. Обмотки ввімкнені між собою у зиґзаґ формують нульовий потенціал на затискачі 0 вихідної системи напруг. Короткі, середні та довгі обмотки ввімкнені між собою так, що на вихідних затискачах 41-49 формується (Фіг.4) система напруг, фазні напруги якої однакові за величиною і зсунуті між собою на певний кут. У другому варіанті виконання перетворювача кількості фаз його обмотки виконані так, що потенціали на затискачах 41 - 49 розташовуються на колі топографічного зображення, формуючи при цьому декілька систем симетричних і пофазно - симетричних лінійних напруг. У всіх варіантах регульований компенсатор реактивної потужності облаштований блоком керування БК (Фіг.1 - Фіг.2). Регульований компенсатор реактивної потужності функціонально складається із двох частин, перша з яких представлена з блоком конденсаторних батарей 31 - 33, а друга частина компенсатора утворена з'єднаннями перетворювача кількості фаз 1 з послідовними з'єднаннями дроселів 1і з напівпровідниковими ключами 2і. Робота регульованого компенсатора реактивної потужності полягає в наступному. Блок конденсаторних батарей 31 - 33 виробляє ємнісну енергію, струми якої прямують до вузлів 2-4. Величина генерованої блоком конденсаторних батарей ємнісної потужності Qc є постійною і залежна лише від величини лінійних напруг. 93597 6 Qc=Qcмaк=3(Uл)2**C =const, (1) де: Uл - лінійна напруга розподільчої мережі; =2f; С - ємність кожної з блоку конденсаторних батарей. З практики експлуатації розподільчих мереж відомо, що ємнісну енергію, яка надходить у мережу, слід регулювати від нуля до максимуму. Роль керуючого органу на себе бере друга частина компенсатора, що складається з перетворювача кількості фаз та послідовних з'єднань дроселя та напівпровідникового ключа, яка виробляє індуктивну реактивну потужність. Величина цієї реактивної потужності за допомогою блоку керування може змінюватись від нуля до максимального значення QLмак. В розподільчу мережу прямує різниця реактивних енергій: ємнісної та індуктивної. Qc= ОСмак - QL, (2) При проектуванні регульованих компенсаторів реактивної потужності досягається умова ОСмак = QLмак, (3) тому Qc при зміні QL від нуля до QLмак змінюється від QCмак до нуля. Отже зміна індуктивної потужності дроселів приводить до зміни ємнісної реактивної потужності, що прямує в розподільчі мережі. Процес регулювання індуктивної реактивної потужності виконується шляхом зміни кута включення  напівпровідникового ключа. При  близькому до  генерована індуктивна потужність рівна нулеві, а реактивна потужність, що прямує до мережі, досягає максимуму. При  близькому до /2 генерована індуктивна потужність рівна QLмак, а реактивна потужність, що прямує до мережі, дорівнює нулю. Зміна кута ввімкнення напівпровідникового ключа призводить до генерування вищих гармонік струмів дроселів. Максимального значення струми вищих гармонік набувають при умові, коли кут включення рівний 3/4. Заявлений регульований компенсатор реактивної потужності містить перетворювач кількості фаз, в обмотках якого відбувається взаємна компенсація вищих гармонік. Тобто перетворювач кількості фаз виконує роль фільтру. Але цей фільтр не містить конденсаторної батареї. Саме введення перетворювача кількості фаз дозволяє збільшити швидкодію регульованого компенсатора реактивної потужності. Взаємна повна компенсація струмів вищих гармонік має місце на вході фільтру за умови I 3  Iik  cos( (i)(k  1))  0 , (5) I1 де: lik - модуль симетричної складової струму k-ої гармоніки;  кут між векторами найближчих фазних напруг; k - порядковий номер симетричної складової струму k-ої гармоніки; знак "+" у виразі (5) обирається для гармонік струму зворотної послідовності; знак "-" у виразі (5) обирається для гармонік струму прямої послідовності. Залежність кратності взаємної компенсації вищих гармонік від кута  показана в таблиці 1. 7 93597 8 Таблиця 1  /12 /9 5 3,00 >20 Кратність взаємної компенсації вищих гармонік струму при дев'ятифазному виході 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 3,00 3,00 3,00 3,00 3,00 1,00 1,00 3,00 3,00 3,00 3,00 3,00 3,00 1,00 >20 >20 >20 1,00 1,00 >20 >20 >20 >20 1,00 1,00 >20 >20 >20 Оцінка швидкодії регульованого компенсатора реактивної потужності. Швидкодія визначається часом зростання або спадання реактивної потужності від нуля до максимального значення і навпаки. Постійна часу зростання і спадання  при періодичному затухаючому перехідному процесі колах RLC визначаються за виразом  = 2L/R, (4) При добротності дроселя (L/R) рівній десяти, постійна часу  не менша 65 мс. Тривалість перехідного процесу оцінюється в 4. Загальна тривалість перехідного процесу оцінюється в 260 мс. Тому застосування RLC фільтрів в компенсаторах реактивної потужності є небажаним, оскільки вносить велику інерційність в перехідні процеси. Взаємна компенсація вищих гармонік в запропонованому регульованому компенсаторі реактивної потужності оцінюється нами в 5 - 7 мс. без врахування часу необхідного для вимірювання БК. Завдяки застосуванню перетворювача кількості фаз, який в даному разі виконує роль фільтру вищих гармонік, час перехідного процесу скорочується принаймі на порядок. Галузь використання Запропонований регульований компенсатор реактивної потужності може бути використаний для компенсації коливань напруг у трифазних мережах, які живлять сталеплавильні дугові печі, печі електрошлакового переплаву, електрозварювальні установки, портові крани, і т.д. За допомогою таких компенсаторів можна усувати флікер - мерехтіння освітлювальних установок, викликане коливанням напруги. Джерела інформації: 1. Hu Y., Tang L., Mathews H.G., Tyner R.E. Harmonic resonance control and protection system for switched power factor control capacitor devices. USA Patent No 6181113, МПК G05F 3/00 Jan. 30.01.2001. 2. Marsh R.N. Filter and power factor compensation network. USA Patent No 5227962, МПК H02M 1/12. 13.07.1993. 3. Bhattacharya S., Divan D.M. Hybrid series active / parallel passive power line conditioner with controlled harmonic injection. USA Patent No 5465203, МПК Н02М 1/12. 7.11.1995. 4. Flots D.C., Vareka W.A., Kehrii A.P., Diaz De Leon J.A. Dynamic reactive compensation system and method. USA Patent No 7091703, МПК G05F 1/70. 15.08.2006. 49 1,00 >20 5. Friedlander E.S. Saturated reactors. USA Patent No 4058761, МПК G05M 3/06. 15.11.1977. 6. Roberge G., Bolduc L. Variable ratio transformer and static balance compensator. USA Patent No 4445082, МПК H01F 29/14. 24.04.1984. 7. Tahanava H.L. Static reactive compensator. USA Patent No 4503380, МПК G05F 1/70. 5.03.1985. 8. Peng F.Z. Lai J.S. Multilevel cascade voltage source inverter with separate DC sources. USA Patent No 5642275, МПК Н02М 7/521. 24.06.1997. 9. Smedley K.M., Zhou L. Unified constantfrequency integration control of active power filters. USA Patent No 6249108, МПК G05F 1/70. 19.06.2001. 10. Wu С.С., Chou H.L., Hsu W.P., Chang Y.J. Hybrid reactive power compensation device. USA Patent No 6982546, МПК G05F 1/70. 3.12.2006. 11. Wu С.С., Chou H.L., Hsu W.P., Chang Y.J. Reactive power compensation device. USA Patent No 7183751, МПК G05F 1/70. 27.02.2007. 12. Wu С.С., Chou H.L., Hsu W.P., Chang Y.J., Feng Y.T. Active power conditioner for AC load characteristics. USA Patent No 7446511, МПК G05F 1/70. 4.11.2008. 13. Шидловский Ф.К., Федий B.C. Частотно регулируемые источники реактивной мощности. Киев: Наук. думка, 1980, - 304 с. 14. Takeda M., Sashida N. Static VAR compensators. USA Patent No 4686447, МПК G05F 1/70. 11.08.1987. 15. Larsen E.V. Vernier enhanced control for shunt connected thyristor - controlled capacitors. USA Patent No 5434497, МПК G05F 1/652. 18.07.1995. 16. Nilsson S.L. Apparatus for controlling the reactive impedance of a transmission line. USA Patent No 4999565, МПК G05F 1/12. 12.03.1991. 17. Thorvaldsson В. Method and a device for control of a capacitor device for a shunt -connected compensator unit. USA Patent No 5969509, МПК G05F 1/70. 19.10.1999. 18. Lai Wai Ma Т., Strattoon B.A. Control system and method for voltage stabilization in electric power system. USA Patent No 6573691, МПК G05F 5/00. 3.6.2003. 19. Wernersson L. Method and devise for compensation of the consumption of reactive power by an industrial load. USA Patent No 6674267, МПК G05F 1/70. 6.01.2004. 20. Fukui Т. Static reactive power compensating equipment. USA Patent No 5672956, МПК G05F 1/70. 30.09.1997. 9 93597 10 11 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 93597 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601