CC BY
54
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
удк 621314 с. в. власьевский
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-157-23-27
с. в. климаш
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск
способ и устройство подключения конденсаторов
на ТРАНСФОРМАТОРНЫХ
подстанциях_
В разработанной системе для разгрузки электрической сети от реактивной мощности, содержащей конденсаторы и регулируемую часть на основе воль-тодобавочного трансформатора и транзисторного преобразователя, исследованы динамические режимы при включении и отключении конденсаторов. Предложено рассматриваемую систему дополнить электронно-электрическим аппаратом, позволяющим с высоким быстродействием, без бросков тока и без влияния на напряжение потребителей производить подключения и отключения конденсаторов.
Ключевые слова: конденсаторы, вольтодобавочное устройство, компенсация реактивной мощности, электронно-электрический аппарат, трансформаторная подстанция, имитационное моделирование.
Конденсаторные установки применяют в компенсаторах реактивной мощности (КРМ), которые наиболее эффективны при подключении их вблизи потребителей. Различают прямую и косвенную компенсацию реактивной мощности [1].
При прямой компенсации производят дискретное переключение конденсаторов для генерации необходимой реактивной мощности. Переключение ступеней производят тиристорными ключами со специальным управлением.
К недостатку принципа прямой компенсации относят большое количество тиристорных ключей. Также для достижения требуемой точности регулирования необходимо частое переключение конденсаторов, что крайне нежелательно с точки зрения надежности.
При косвенной компенсации с помощью батареи косинусных конденсаторов генерируется постоянная реактивная мощность из расчета на максимально возможную реактивную мощность подстанции с силовым трансформатором СТ и нагрузкой Н (на 100 % ОСТ + ОН). При изменении величины и характера нагрузки и возникновении перекомпенсации избыточную часть реактивной мощности нейтрализуют с помощью регулируемого реактора, который рассчитан на потребление также максимально возможной реактивной мощности
подстанции (т.е. также на 100 % ОСТ + ОН). Регулирование индуктивного тока реактора производят подмагничиванием или при помощи тиристоров [1].
Недостатком принципа косвенной компенсации является большая установленная мощность нерегулируемого и регулируемого электрооборудования (100 % от ОСТ + ОН). Кроме этого, установки, построенные по этому принципу, могут работать или в режиме поддержания напряжения, или в режиме поддержания реактивной мощности. Принцип косвенной компенсации не позволяет одновременно компенсировать отклонения напряжения у потребителей и реактивную мощность в сети.
Снизить в 2 раза установленную мощность (до 50 % от ОСТ + ОН) и, соответственно, массу, габариты и стоимость конденсаторов и регулирующего устройства можно за счет изменения принципа регулирования.
Такой совмещенный принцип компенсации реактивной мощности и отклонений напряжения стал возможным благодаря построению и применению специального управляемого вольтодобавочного устройства ВДУ с четырехквадрантным непрерывным регулированием величины и фазы добавочного к сети напряжения и добавочного к цепи нагрузки тока [2]. ВДУ обладает свойствами генерации и потребления реактивной мощности, а также
а) б)
Рис. 1. Регулируемые и нерегулируемые составляющие реактивной мощности
поддержания напряжения у потребителей подстанции на заданном уровне независимо от положительных или отрицательных отклонений напряжения в сети от номинального уровня [3].
Принципы компенсации на высокой стороне трансформаторной подстанции (ТП) можно охарактеризовать балансом реактивной мощности в соответствии с выражениями:
для конденсаторов с регулируемым реактором
ост + он + 0РВГ - ок = о,
для конденсаторов с ВДУ
1 1
Ост + Зн± 2 °РЕГ - 11 Ок =
(1)
(2)
Здесь ОСТ — реактивная мощность СТ, ОН — реактивная мощность ТП с потребителями, ОрЕГ — регулируемая реактивная мощность, ОК — нерегулируемая реактивная мощность конденсаторов.
Регулируемые и нерегулируемые составляющие реактивной мощности для сравнения двух принципов показаны векторами на рис. 1
На рис. 1а представлены вектора реактивной мощности для принципа косвенной компенсации, а на рис. 1б — для совмещенного принципа компенсации, которые показывают, что регулируемая ОрЕГ и нерегулируемая ОК составляющие реактивной мощности при применении ВДУ уменьшились в 2 раза.
Преимуществом компенсатора на основе конденсаторов с ВДУ является то, что собственно ВДУ может обеспечить и прямую, и косвенную компенсацию, обладая свойством как генерировать, так и потреблять реактивную мощность. Благодаря этому при недокомпенсации ВДУ дополняет действие конденсаторов, а при перекомпенсации нейтрализует их действие. Кроме этого, в процессе компенсации реактивной мощности ВДУ может с высокой точностью и быстродействием регулировать вверх и вниз напряжение на входе ТП относительно напряжения сети, поддерживая его у потребителей на заданном уровне.
Функциональная схема трансформаторной подстанции с батареей конденсаторов и вольто-добавочным устройством представлена на рис. 2. Подстанция с такой комплектацией, работая в условиях изменений напряжения в сети, величины и характера нагрузки, позволяет быстро и точно разгружать электропередачу от реактивной мощности и снабжать потребителей стабильным напряжением [4].
ВДУ состоит из вольтодобавочного трансформатора ВТ и транзисторного преобразователя со звеном постоянного тока и четырехквадрантным ШИМ-регулированием выходного напряжения
Рис. 2. Функциональная силовая схема ВДУ в составе трансформаторной подстанции (6-10) / 0,4 кВ: СТ и ВТ — силовой и вольтодобавочный трансформаторы; УВ — управляемый выпрямитель с Ь-фильтром; ИН — инвертор напряжения с С-фильтром;
7н — нагрузка; БКК — батарея косинусных конденсаторов; ПА — пусковой аппарат конденсаторов
и входного тока, в состав которого входит управляемый выпрямитель УВ с входным Ь-фильтром и инвертор напряжения ИН с входным С-фильтром.
Батарея косинусных конденсаторов в системе генерирует постоянную реактивную мощность, а недостающую или избыточную ее часть генерирует или потребляет ВДУ.
Помимо снижения размера и мощности батареи косинусных конденсаторов при применении совмещенного принципа компенсации, предлагается также решить проблему ее подключения и отключения от сети.
Модель трансформаторной подстанции с ВДУ более подробно описана в [2].
Для мягкого пуска батареи косинусных конденсаторов предлагается применить сравнительно простой и надежный гибридный электронно-электрический аппарат. В отличие от широко применяемого реостатного пуска конденсаторов [5], предлагаемый способ и аппарат для его реализации не создают бросков тока и перенапряжений.
Сочетание электронных и электрических аппаратов имеет особое значение в электротехнике и является перспективным направлением [6, 7].
Функциональная схема аппарата для подключения батареи косинусных конденсаторов к сети приведена на рис. 3.
Диодный выпрямитель с реактором в цепи постоянного тока обладает замечательным свойством. Независимо от момента подключения к сети он плавно увеличивает выпрямленный ток по экспоненциальному закону и из него формирует плавно нарастающую амплитуду входного тока. У трехфазного мостового выпрямителя с ИЬ-нагрузкой в процессе пуска происходит плавное равномерное и симметричное нарастание входных токов во всех фазах. Это свойство предлагается использовать
для мягкого подключения к сети трехфазного электрооборудования, включая его между сетевым автоматом и диодным выпрямителем. После завершения пускового переходного процесса диодный выпрямитель шунтируется контактором и через его диодные ветви производится гашение электромагнитной энергии, накопленной в реакторе.
Таким образом, предлагается гибридный электронно-электрический аппарат для безударного пуска электрооборудования переменного тока. Наиболее целесообразной областью применения предлагаемого пускателя могут стать системы электроснабжения с высоковольтным электрооборудованием (конденсаторные батареи и фильтро-компенсирующие устройства, реакторы и силовые трансформаторы).
Для исследования динамических свойств гибридного пускателя рассмотрим процессы подключения
Рис. 3. Функциональная схема аппарата для подключения конденсаторов
Рис. 4. Имитационная модель для исследования процессов подключения конденсаторов к модулю трансформаторной подстанции с ВДУ
Рис. 5. Осциллограммы трехфазных напряжений (сверху) и токов (снизу) конденсаторов при пуске
и, I и,1
Рис. 7. Фрагменты осциллограмм напряжений сети, на входе ТП и тока сети в начальный момент и на завершающей стадии подключения конденсаторов
конденсаторов к трехфазной сети, полученные на имитационной модели в среде МаНаЪ [8, 9].
Блочно-модульная модель пускателя, подключающего конденсаторы на высокой стороне трансформаторной подстанции, приведена на рис. 4.
Переходные процессы в электронно-электрическом аппарате на конденсаторах и в сети иллюстрируют рис. 5 и 6.
Из осциллограмм на рис. 5 видно, что после момента включения конденсаторов выключателем в 0,02 секунды напряжения и токи всех трех фаз плавно и быстро возрастают до номинальных значений по экспоненциальному закону. Для удобства сопоставления результатов численного эксперимента осциллограммы представлены в относительных единицах.
На осциллограммах (рис. 6) введены следующие обозначения: 1 — напряжение на входе силового трансформатора подстанции, 2 и 3 — напряжение и ток сети, 4 и 5 — ток и напряжение конденсатора, 6 и 7 — напряжение и ток реактора.
В момент времени, равный 0,08 секунды, конденсаторы во всех фазах (рис. 5, 6) полностью зарядились и в 0,12 секунды электронная часть гибридного пускового аппарата, как выполнившая свою функцию, была зашунтирована короткозамы-кателем и таким образом отключена от заряженных конденсаторов.
Численным экспериментом показано (рис. 6) изменение тока, потребляемого одной фазой ТП из сети в процессе заряда конденсатора этой же фазы по закону изменения тока реактора в цепи выпрямленного тока диодного выпрямителя. Увеличенные фрагменты осциллограммы, представленной сверху на рис. 6, отдельно иллюстрированы на рис. 7.
Из численного эксперимента видно, что после завершения процесса подключения конденсаторов ток в сети уменьшился и стал совпадать по фазе с напряжением сети. Уменьшение тока произошло пропорционально повышению коэффициента мощности.
Следует отметить, что переходные процессы в пусковом аппарате не повлияли на напряжение питания подстанции и потребителей. Это обусловлено тем, что мощность источника в модели выбрана значительно больше, чем у нагрузки.
Выводы
1. Неотъемлемой частью компенсатора реактивной мощности со стабилизацией напряжения является батарея косинусных конденсаторов с электронно-электрическим аппаратом для ее подключения на входе ТП.
2. Вольтодобавочное устройство обладает свойством одновременного регулирования напряжения на входе ТП вверх и вниз относительно напряжения
сети, и генерировать или потреблять реактивную мощность относительно нерегулируемой реактивной мощности конденсаторов.
3. Применение совмещенного принципа построения компенсатора с возможностями обеспечения регулируемой генерации и потребления реактивной мощности позволяет дополнять или нейтрализовать действие нерегулируемых конденсаторов. Этим достигается снижение установленной мощности регулируемой и нерегулируемой части устройства в два раза.
4. Предлагаемый пусковой аппарат позволяет с высоким быстродействием производить пуск конденсаторов электронным аппаратом с плавным нарастанием напряжения и тока заряда. По завершению процесса пуска электронный аппарат, выполнивший свою функцию, шунтируется электрическим аппаратом, не нарушая надежность системы электроснабжения.
5. Розанов Ю. К. Электрические и электронные аппараты / под ред. Ю. К. Розанова. 2-е изд., испр. и доп. М.: Информ-электро, 2001. 420 с.
6. Розанов Ю. К. Основные этапы развития и современное состояние силовой электроники: статья // Электричество. 2005. № 7. С. 52-61.
7. Власьевский С. В., Климаш С. В. Программный комплекс в среде MatLab для исследования систем тягового и промышленного электроснабжения с применением устройств силовой электроники на трансформаторных подстанциях: свидетельство на прогр. для ЭВМ № 2016616629; опубл. 20.07.16. Бюл. № 7.
8. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystem и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с. ISBN 5-94074-395-1, 978-5-38800020-0.
9. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Matlab 6.0. СПб.: Корона Принт, 2001. 320 с. ISBN 5-79310-158-6.
Библиографический список
1. Солодухо Я. Ю. Состояние и перспективы внедрения в электропривод статических компенсаторов реактивной мощности (обобщение отечественного и зарубежного опыта). Реактивная мощность в сетях с несинусоидальными токами и статические устройства для ее компенсации. М.: Информ-электро. 1981. 88 с.
2. Власьевский С. В., Климаш С. В. Принципы построения электронных устройств для повышения качества и экономии электроэнергии в системах электроснабжения // Вестник института тяги и подвижного состава. 2016. № 12. С. 9 — 12.
3. Иньков Ю. М., Климаш В. С., Климаш С. В., Жемчужина Е. А. Исследование электротехнического комплекса в среде МаНаЬ с применением специализированных модулей // Электротехника. 2017. № 9. С. 13-18.
4. Герман Л. А., Серебряков А. С., Дулепов Д. Е. Двухступенчатая установка поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока // Электроника и электрооборудование транспорта. 2011. № 1. С. 16-21.
ВЛАСЬЕВСКИЙ Станислав Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Электротехника, электроника, электромеханика».
КЛИМАШ Степан Владимирович, аспирант кафедры «Электротехника, электроника, электромеханика».
Адрес для переписки: Klimash907@mail.ru
Для цитирования
Власьевский С. В., Климаш С. В. Способ и устройство подключения конденсаторов на трансформаторных подстанциях // Омский научный вестник. 2018. № 1 (157). С. 23-27. Б01: 10.25206/1813-8225-2018-157-23-27.
Статья поступила в редакцию 17.11.2017 г. © С. В. Власьевский, С. В. Климаш
р
о
