Дипломная работа: Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения с преобразовательными установками

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12