Статический тиристорный компенсатор косвенного действия

Многие из потребителей электрической энергии могут работать, только потребляя, а в некоторых случаях и генерируя реактивную мощность. Это нагрузки с асинхронными и синхронными двигателями, с полупроводниковыми преобразователями и другие. При передаче электроэнергии за счет индуктивных сопротивлений проводов ЛЭП и трансформаторов тоже теряется реактивная мощность. Реактивная мощность, передаваемая по ЛЭП, увеличивает полную передаваемую мощность и тем самым за счет возрастания полного тока, приводит к дополнительным потерям в ЛЭП. Падение напряжения (его продольной составляющей) на индуктивных сопротивлениях ЛЭП и трансформаторов приводит к дополнительным отличиям в напряжениях узлов энергосистемы.

Таким образом, для снижения потерь при передаче электроэнергии, поддержания напряжения в узлах в нормируемых пределах необходимо иметь возможность регулировать потребление или выдачу реактивной мощности в узлах, тем самым изменять балансы реактивной мощности в узлах и регулировать перетоки реактивной мощности по ЛЭП. Для этого необходимы устройства, которые могли бы выдавать или потреблять реактивную мощность, при этом регулируя ее.

Основными регулируемыми источниками реактивной мощности являются синхронные генераторы электрических станций, устанавливаемые на подстанциях синхронные компенсаторы. Также в качестве источников реактивной мощности могут использоваться синхронные двигатели промышленных предприятий. Все эти устройства могут работать как в режиме выдачи, так и потребления реактивной мощности. Быстродействие регулирования у них определяется постоянной времени их контуров возбуждения, которая у синхронных машин разного типа лежит в пределах от нескольких десятых долей секунды до нескольких секунд. Сегодня синхронные компенсаторы эффективно вытесняются статическими компенсаторами разных типов. К ним относятся: СТАТКОМ, статический тиристорный компенсатор (СТК) с регулируемым тиристорами реактором – тиристорно-реакторной группой (ТРГ) или реактором с подмагничиванием, который часто применяется и в роли управляемого шунтирующего реактора на ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения. Преимущества этих устройств в том, что они статические, и поэтому имеют высокую надежность и минимальные затраты при эксплуатации. Их быстродействие обычно составляет от нескольких миллисекунд до периода промышленной частоты.

Нерегулируемыми или регулируемыми дискретно (с одной двумя ступенями емкости) являются конденсаторные батареи. Высокая стоимость высоковольтных выключателей, необходимых для изменения емкости батареи, ограничивает их применение. Также распространены конденсаторные батареи с тиристорными ключами – СТК прямого действия (СТК ПД). Но фазовое управление, обеспечивающее плавное регулирование емкостного тока, в них не применяется, так как оно при включениях тиристоров сопровождается высокочастотными переходными процессами, вызывающими появление больших перенапряжений на тиристорах. И только включение батареи в моменты времени, когда напряжение сети соответствует напряжению на включаемой батарее конденсаторов, не приводит к переходному процессу и появлению перенапряжений. Так как совпадение напряжений наблюдается только один раз в период, то и переключение производится только один раз в период. Поэтому быстродействие регулирования таких СТК составляет 1 период синусоиды напряжения сети. Кроме того СТК ПД позволяют реализовать только ступенчатое регулирование емкости и не могут потреблять реактивную мощность. Также в качестве нерегулируемого источника реактивной мощности рассматриваются ЛЭП сверхвысокого напряжения с большой зарядной мощностью.

Так как прямое регулирование выдачи реактивной мощности конденсаторной батареи (СТК ПД) сопряжено с проблемами, обозначенными выше, то более широкое распространение получили комбинированные СТК, в которых параллельно с конденсаторной батареей включается реактор с регулируемым током. Одним из вариантов такого СТК является СТК косвенного действия (СТК КД), у которого параллельно конденсаторной батарее включается тиристорно-реакторная группа – ТРГ. Т. е. регулирование выдачи реактивной мощности у такого СТК осуществляется не за счет прямого изменения мощности источника, а за счет введения компенсации (потребления на месте) избыточной части выработанной конденсатором энергии. ТРГ это устройство, состоящее из последовательно включенных реактора и регулятора тока, выполненного на встречно-параллельных тиристорах с фазовым управлением. Такой СТК может плавно регулировать реактивную мощность и в режиме потребления и в режиме генерации, его быстродействие составляет несколько миллисекунд. СТК КД применяются в нашей стране с 70-х годов ХХ века. Такие СТК первоначально были разработаны на напряжение 10 кВ для металлургических производств, затем для энергосистем – для нескольких подстанций 110 кВ, а в последние годы и для подстанции «Златоуст 500 кВ» и ряда других. Также в 80- е годы ХХ века выполнен проект для подстанций «Кокчетав 1150 кВ», «Кустанай 1150 кВ» с ТРГ на напряжение 35 кВ.

В СТК КД реализовано фазовое регулирование тока ТРГ. Для управлениями тиристорами применяется СИФУ с симметричным управлением. Коммутация тиристоров (их включение и выключение) осуществляется за счет источников, которые есть в сети. Это определяет то, что электромагнитные процессы в них во многом проходят также как и в преобразователях тока. Поэтому в этой части учебного пособия из всех СТК рассмотрим только СТК КД. Следует заметить, что с точки зрения электромагнитных процессов в энергосистеме, а также с точки зрения искажения напряжений и токов сети работа СТК КД во многом совпадает с СТК на базе реакторов с подмагничиванием, разработанными и достаточно распространенными в нашей стране.

 

 

Электромагнитные процессы

СТК косвенного действия состоит из конденсаторной батареи С и параллельно подключенной тиристорно-реакторной группы ТРГ (рис. 6.1а). Конденсаторная батарея обычно присоединяется к шинам высокого напряжения подстанции, а ТРГ на более низкое напряжение через трансформатор Т. Это связано с тем, что с увеличением номинального напряжения сильно увеличивается стоимость тиристорных блоков. Кроме этого, реактивная мощность конденсаторной батареи прямо пропорциональна квадрату напряжения, а катушки индуктивности – квадрату тока. Тиристорный ключ состоит из двух встречно включенных тиристоров V_i. Это позволяет включать его при любой полярности напряжения.

Схема замещения СТК КД приведена на рис. 6.1б. При ее составлении принимаем следующие допущения: пренебрегаем потерями в сети и трансформаторе, так как в энергосистемах они невелики (активные сопротивления сети, обмоток трансформатора и реактора существенно ниже индуктивных); пренебрегаем зарядными емкостями ЛЭП и принимаем индуктивность намагничивания трансформатора бесконечно большой. Тиристорный ключ заменяем идеальным управляемым ключом с условиями включения и выключения такими же, как и у тиристора. Для определения тока ТРГ рассмотрим схему сначала замещения СТК КД без конденсаторной батареи (рис. 6.1в). В этой схеме последовательно включенные индуктивности сети, трансформатора и ТРГ введены одной эквивалентной индуктивностью:

L Э = L + LS + LT ≈ L

(6.1)

Рис. 6.1. Структурная схема и схемы замещения СТК КД

Рис. 6.2. Диаграммы напряжения сети и тока ТРГ при разных углах управления

На рис. 6.2 показано напряжение сети u_S. В каждый момент времени на одном из тиристоров напряжение положительное. При подаче тока в его цепь управления тиристор (ключ) включится и в контуре сразу или через какое-то время установится ток i_{L ,УСТ}, отстающий от напряжения u_S на 90 град. эл..

В качестве угла регулирования α = 0 примем угол запаздывания включения тиристоров 90 град. эл., т. е. момент, когда установившийся ток i_{L ,УСТ} проходит через ноль. Угол регулирования α отсчитывается от этого момента времени. До включения тиристора ток в контуре был равен нулю. Если в момент включения значение установившегося тока не равно нулю, то в контуре создаются условия для возникновения переходного процесса, и ток контура

iL = iL ,УСТ+ iL, ПЕР.

(6.2)

С ростом угла увеличивается переходная составляющая тока i_{L ,ПЕР} и уменьшается ток ТРГ i_{L 1} (рис. 6.2). Выключается тиристор тогда, когда его ток достигает нуля.

В следующую часть полупериода, когда напряжение сети меняет знак, включается противовключенный тиристор и его ток формируется также как и для тиристора на предыдущем интервале. Заметим, что первая гармоника тока ТРГ i_{L 1} при изменении угла регулирования α не меняет фазу, т. е. всегда отстает от напряжения сети на 90 град. эл., меняется только её величина. Таким образом, изменение угла регулирования приводит к изменению индуктивного тока ТРГ, т. е. к изменению реактивной мощности, которую потребляет ТРГ. С увеличением угла потребление уменьшается и становится равным нулю при α = 90 град. эл. Векторная диаграмма напряжения сети и токов ТРГ, конденсаторной батареи и тока, создаваемого СТК КД в сети, приведены на рис. 6.3.

Рассмотрим диаграммы токов и напряжений трехфазного СТК КД (рис. 6.4). Схема соединений обмоток трансформатора Y/Δ–11, ТРГ собраны в «треугольник».

Первоначально построим векторную диаграмму токов и напряжений ветви ТРГ при α = 0 град. эл. (рис. 6.5). Алгоритм построения векторной диаграммы следующий.

1) Для вторичной обмотки трансформатора строим вектора фазных напряжений U_a, U_b, U_c, а затем линейных напряжений U_ab, U_bc, U_ca.

Рис. 6.4. Принципиальная электрическая схема СТК КД

2) Учитывая группу соединений обмоток трансформатора, строим вектор фазного напряжения U_A на стороне высокого напряжения трансформатора.

3) Строим вектор тока İ _ab, учитывая то, что он отстает от вектора напряжения U_ab на 90 град. эл.

4) Строим – I _са.

5) Затем в соответствии с 1-ым законом Кирхгофа I_a = I_ab – I_ca находим вектор тока I_a.

6) Учитывая, что I _{Т a} = (I_a – I _с)/ 3 сначала строим вектор тока I _с, опережающий ток I_a на 120 град. эл.

Рис. 6.5. Векторная диаграмма СТК КД

7) Затем строим вектор тока (- I _с).

8) Строим вектор тока I _{Т a} по выражению п.6.. С ним совпадает и вектор тока обмотки высокого напряжения фазы А I _ТА. Такой же ток потребляется ветвью с ТРГ из сети. При правильном построении вектор тока İ_ТА отстает на 90 град. эл. от вектора напряжения U_A.

Рис. 6.6. Диаграммы токов и напряжений СТК КД

9) Строим вектор тока фазы конденсаторной батареи I_{C , A} с учетом того, что он опережает вектор фазного напряжения U_A на 90 град. эл..

10) Cтроим вектор фазного тока СТК КД, как I_A = I_{C , A} + I _ТА.

Алгоритм построения диаграмм токов и напряжений аналогичен алгоритму построения векторной диаграммы (рис. 6.5, п.п. 1–10). Строятся только не вектора, а зависимости мгновенных значений соответствующих величин от времени на интервале не менее одного периода напряжения сети. Некоторые диаграммы строятся в одних координатах, а остальные одна под другой так, чтобы на различных диаграммах одинаковые моменты времени были на одной вертикали.

На рис. 6.6 построены подобные диаграммы для СТК КД, выполненного по схеме, приведенной на рис. 6.4. Диаграммы построены при угле регулирования тиристорами ТРГ α = 45 град. эл. Последняя диаграмма соответствует току i _А фазе А сети, создаваемому СТК КД. Этот ток равен сумме тока потребляемого ветвью с ТРГ i _ТА и тока i _С,А фазы А конденсаторной батареи:

i _А = i _{Т a} + i _СА.   (6.3)

Характеристика управления

Характеристика управления СТК КД – зависимость реактивной мощности, которую выдает или потребляет СТК от угла управления α. Если разложить в ряд Фурье кривую тока ТРГ (рис. 6.2), то амплитуда его первой гармоники:

.

(6.4)

Где I_LM – амплитуда тока ТРГ при α=0.

Мощность, потребляемая трехфазной ТРГ от сети с напряжением U_S, равна:

.

(6.5)

Если рассмотреть схему СТК КД, то для нее можно записать баланс  реактивной мощности:

(6.6)

Т. е., при расчете параметров конденсаторной батареи Q _C и ТРГ Q_L учитываются мощности намагничивания Q _Т.ХХ и короткого замыкания Q _T.КЗ трансформатора.