Система автоматического управления статическим источников реактивной мощности

Союз Советских Социал истицеских Реслублик(51) М. Кл. Н 02,1 3 рисоединением заявкиосударственнын комитетСовета Министров СССР по делам нзооретеннй(45) Дата опубликования описания 18 53) УДК 621.316723 (088.8) открытиов,А,А,Зп в ковски нергетический институт на Лени(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ РЕАКТИВНОЙ мощностиИзобретение может быть использовано в устройствах электрических систем переменного и постоянного тока, выполняющих функции регулирования режимов и параметров этих систем и содержащих управляемые силовые вентили (тиристоры). Система предназначена для управления статическим источником реактивной мощности, построенным как по принципу искусственной коммутации вентилей, так и по принципу управления конденсаторными батареями с помощью тиристоров, и может быть также использована для управления преобразо. вателями в электропередачах постоянного тока.Известна система автоматического управления несколькими параллельно соединенными секциями конденсаторных батарей, каждая из которых включается в сеть через встречно-па раллельно соединенные тиристоры 1. Система управления такой конденсаторной батареей предназначена для ступенчатого регулирования реактивной мощности. Ее недостаток заключает ся в том, что она не содержит элемента, предназначенного для плавного изменения фазы уп 20 равляющего тиристором импульса, а следовательно, не способна реализовать принцип плавного или непрерывного регулирования реактивной мощности, генерируемой конденсаторной батареей. 25 Известно устроиство для плавного регулирования реактивной мощности в электрических сетях 2. Устройство представляет собой трехфазную конденсаторную батарею, подключенную к сети через главный тиристорный выключатель и соединенную через импульсный трансформатор с источником управляюгцих импульсов тока, образованным своей конденсаторной батареей, управляемым выпрямителем, инвертором и указанными импульсными трансформаторами. Система управления этого устройства содержит датчик режима сети, усилитель и блоки управления главным тиристорным выключателем и тиристорами инвертора. Недостаток такого устройства состоит в том. что его система управления обеспечивает только режим плавного регулирования реактивной мощности,Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к изобретению является источник для плавного регулирования реактивной мощности в электрических сетях (ИРМ) 3.Система управления этим источником выполняет функции регулирования угла включения тиристорного выключателя главной конденсаторной батареи, т. е плавного регулирования реактивной мощности и, кроме того,по специаьцой команде включение или отключение тиристорного выключателя конденсаторной батареи источника управляющих импульсов тока. Такая система управления содержит датчики режима сети и усилитель, образуоцие5 регулятор, блоки управления тиристора и генерируюцие сигналы управления (импульсы), подаваемые ца управляющий электрод тиристора в определсцюй фазе, задаваемой регулятором.Недостатком ИРМ является то, что в режиме оольших углов, когда ИРМ генерирует мцнимальцуо мощность, работа источника становится неэффсктивцо)1, так как амплитуда генерируемой им первой армоцики тока становится соизмеримой с амплитудами высших гармоник. Установка фильтров высших гармоник сопряжена с дополнительными затратами и увеличением потерь активной мощности. Целесообразней в этих режимах, когда мощность, генерируемая ИРМ, незначительна, закрывать его главные и вспомогательные (инвертор) вентили и тем самым отключать все устройство от сети.Другой недостаток ИРМ связан с режимом малы.; углов регулирования, когда ИРМ выдает цаибоьшую в диапазоне плавного регулирования мощность. При малых углах регуи рования суцсствует такой диапазон,при кото)ом работа источника управляющих импульсов тока ) же не приводит к измененио угла прово Имостц главных тиристорных выклк)чатслсй без того, чтобы не ухудшить гармони 30 ческий состав тока ИРМ, в то время, как его первая гармоника тока остается практически неизменной. В этом режиме становится неэффективной работа источника управляоцих импульсов тжы, и он может быть отключен, т. с. СГО тцрист)ры закрыты. Если цос.1 с этОГО оу. 35 ,ет вклочен тирцсторцый выключатель источника управяк)щих импульсов тока, т. с. его конденсаторная батарея, то ИРМ будет генерировать мощность, равную мощности его г,авцой конденсаторной батареи, 1 люс моццость ба 1 ареи источника п 1.авяющцх иИу.1 ь 40 сов тока. Этт режим характеризуется отслствием высшх гармоник тока.Таким образом, целостатком указанных сштем втомытического управления ИРМ является то. что оцц, обеспечивая плавное регуцро вынцс рс)кимы ИРМ в заданном лцацазоне, цскгоцют возможность выбора состава вклк- чеццого оборудования, отвечакнцую как нацбо. се экономичному режиму работы ИРМ в илом, так и наименьшему составу высших гармоник в выходном токе ИРМ.50Целью изобретения является расширение диапазоны регулирования реактивной мощности и улучшение эсктрических и экономических характеристик ИРМ.Это достигается тем, что система автоматического управления статическим ИРМ, состояцим из г,авцОГОцристорного выключйте я и трсхфызцой коцдсчсаторцой батареи, со;дццсцнй чсрсз мпльсцый трансформатор с ис- ТГникм управляюних импульсов тока, образо ц цым к 1 цдецсаторной оатыресй, ес тирк тор цым выключателем и по, крайней мере, двухступенчатым управляемым выпрямителем и ицвсртором, содержащая блоки управления указанными тиристорными выключателями, каждой ступенью выпрямителя и инвертором, а также латчики режима сети и усилитель, содержит формирователь синхронизированных сетью контрольных импульсов, вход которого соединен с выходом усилителя (регулятора) (Фазы контрольного импульса соответствует фазе импульсов блока управления инвертором в процессе плавного регулирования реактивной мощности)ступенчатый дцодный ограничитель на выходе усилителя, с помощью которого устанавливается весь диапазон плавного регулирования и поддиапазоны, на интервале которых вст)пает в работу заданная ступень выпрямитея; функциональные каналы управления, число которых на один больше числа ступеней выпрямителя, например три, в каждом из которых соединены последовательно синхронизированный сетью формирователь опорных импульсов, логический элемент И, вторым входом связанный с формирователем контрольных импульсов. и исполнительный орган; причем блок управления главного тиристорного выключателя конденсаторной батареи соединен с выходом первого исполнительного органа, блоки управления выпрямителем своими входами связаны с блоком выоора, входы которого соединены с выходами остальных исполнительных органов, а блоки управления инвертора соединены с выходами первого и последнего исполнительных органов, кроме того, вход блока управления тиристорцого выключателя конденсаторной батареи источцика управляющих импульсов тока через бок задержки соединен с выходом последнего исполнительного органа, Предлагаемая система управления оборудована блокировкой от многократных срабатываний ца границе сближения контрольного импульса с соответствующим опорным, выход первого исполнительного органа связан со входом своего формирователя опорных импульсов, а выход последнего исполнительного органа - со входом формирователя контрольных импульсов, причем в цепи указанных связей введены элементы расциреция лительности импульсов,На фиг. 1 представлена принцици;ьцыя схема ИРМ, основным генерируощим реактивную мощность элементом которого является конденсаторная батарея. Здесь же показаны олоки системы управсция 1 бсз регулятора), которыми оборудован известный ИРМ: на фиг. 2 - блок-схемы системуправления и регулирования; на фиг. 3 ;иагрымма распоожеция контрольных и опорных импульсов системы управления ц регулирования и соответстюющее этому расположению состояние тиристорцы блоков.1,оцлсцсыторцы 1 батарея 1, включается в сеть через б.Ок главых вентилей (тпристорцый выключатель 2) и связаны с источником упрвяк)п 1 х импульсов тока импульсными трансформаторами 3. Источник управякщих импульсв тока выполнен в виде резоансного контура, управяемого инвертором 4 и образованногоцчпульсными рансформаторами Зи коцлецсатрцой батареей 5. Резонансный контур 3 -4 5 питается от двухсот уленчатого выпрямителя, вклюценцого в сеть, каждая ступень которого собрана ца мостовой схеме так,5 что тпрцсторный мост 6 заряжает конденсаторы 5 до напряжения большеи чем гцристорный мост 7. При закрытых тиристорных блоках 4,6,7 конденсаторная батарея 5 может включаться в сеть через свой тиристорный выкл юч атсл ь 8. (0Каждый из указанных тиристорных блоков оборудован своим блоком управления, имеющим шесть выходов по числу тиристоров в блоке. Блок управления 9 тиристорами 2 имеет лва вхола; синхронизируоший - а, которым задается частота и начальная фаза импульсов15 управления тиристорами, и вход в Закрыть.Блок управления 10 инвертором 4, кроме входов а и в, имеет управляющий вход с. о которому осуществляется регулирование фазы импульсов инвертора, т. е, угла регулирования ИРМ. Блоки управления 11 и 12 выпрямителями 6 и 7 кроме входа а имеют вход г( Открыь, Блок управления 13 тиристорным выключателем 8 имеет два входа а и в. Блок регулирования выполнен в виде усилителя 14 с датчиками 15 ц 16 режима сети на входе и двухступенчатым диолным ограничителем 17 на выходе. Прямоугольные импульсы генерируются в формирователях контрольного 18 и опорц.х 19 - 21 импульсов и сравниваются в блоках сравнения 22 - 24 соответственно, вьшолзо ненных по принципу логических элементов И.При совпадении контролыюго импульса с одним цз опорных срабатывает снтветствуощцй исполнительный орган 25, 26 илп 27.Таким образом формируются три функциональных канала. В общем случае число их 35 на олин оольше числа ступеней выпрямителя.На фиг. 2 первый канал образован элементами 19, 22, и 25, второй - элементами 21, 24 и 27, а третий - элементами 20, 23 и 26. Г 1 рц этом прицятос обозначение каналов соответствует последовательности цх срабатывания по мере увс личения мощности ИРМ в процессе регулирования. Последовательность обозначения каналов соответствует расположецио импульсов (19 21 и 20), показанному ца фиг. 3. Через исполнительный ор а 26 ц олок 28 вьоор ступени выпрямителя подается открываощи сигнал на блоки управлешя 11 и 12 выпрямителями 6 и 7. Г 1 еребрасывание блока вьбора 28 осуществляется исполнительным органом 27.Закрытие блока управ,ения 13 производится через блок задержки 2), 50В таком ИРМ система уцравле;ия (9 и 10) главными 2 и вспомогательными 4 тцрцсторами представлена унифицированными олокамц управления, формируюцими прямоугольные синхронизированные с сетью. импульсы.Количество формирователей импульсов в блоке соответствует числу тирцсторов. Выхол кажлоо формирователя через раз(гцтельныц тр;исформатор соединен с управляюц(ич электролом тиристора. Вход блока управления 0 связан с системой регулирования (14 - -17) всцо могательными тиристорамц так, по с цзчецг ццсм режима сети импульсы изменяют свою ф зу. Диапазон изменения фазы импульсов заластся путем ограничения величины вьхолгого сигила системы регулирования. Прц цсрмощении импульсов вспомогательных тцрцгоров влево реактивная мощность умецыцается. Импульсы управления главными тцрцсторами в процессе регулирования своей фазы не изменяют. Полной аналогией с блоком главных тиристоров 2 является тпрцсторньй выключатель 8 конденсаторной батареи 5 источникаправляюцих импульсов тока. Система регулирования (14 - 17) ИРМ обеспечивает стабилизацию на заданном уровне одного нли нескольких параметров (например, напряжения, реактивного тока цли мощности, коэффициента моцностц). Исполнительным силовым органом ИРМ, на систему управления которого и воздействует регулятор, является источник управляющих им. пульсов тока, образованный вспомогательными тиристорами 4, собранными по схеме резонансного инвертора. Такие инверторы, применяются в качестве тиристорных преобразователе и частоты. Инвертор 4 питается от выпрямителя 6 и 7, вклюценного в сеть на общие с главной конденсаторной батареей 1 шины.Конденсаторная батарея 5 источника управляющих импульсов тока совместно с цчцхльсныз трансформаторами 3 образует рзоцансный контур инвертора. При открытии очередного тиристора ицвертора происходит колебательный разрял в контуре. Ток разряда через импульсный трансформатор 3 ползаряжает главный конденсатор (1) в соответствуюцс фазе тогда, когда этот коцлсцсатор зряатся основным током через главный тирцстор (2).В результате лействця источника управляющих импульсов тока выключается оцередцой главный тиристор. Изсияя момент открьтия тирцсторов 4 ццвертора в укзацном лц,назоне реулировацця, цзчецяот момент выключецця главного тиристора 2. Это в результате црцволит к измецсццо реакгцвной хннцностц, генерируемой ИРМ. Если угол опрежения з;- жиганця инвертора (угол регулирования ИРМ) отсчитывать справа налево (фцг. 3), то г,- шцч углом соответст)ст чсцьшее зцчцц. рактивной мощносп ИРМ. Работа ИРЧ в л;. апазов. релировынпя хс 1 актерцзется и,: ц. ццеч в кривой осцовноп тока высших арчоцик, то приводит к снижению касств цпряжения на шинах ИРЧ,В режиме, прц котором ИРМ вылс по- тояццые значения реактивной 5 оццости, необходимость в источнике управ,яюшпх изну,- сов тока отпалает. В этом сг чае его коц. ленсаторн)о батарею откгпочаот от резонансного контура. включакгг в сеть ИМР, генерируют реактивную чощцость, определяемую - костью всех его конденсаторных батарей, причем высшие гар.;онцки тока в этом режиме отсутствуот. Работе системы управления и ре; у. лцрованця ИРМ прелшествхет оцрелелснцая ц; - стройка ее элементов.5 10 15 20 30 25 35 40 45 50 55 60 Пусть весь диапазон регулирования р р 4 ИМ, в котором возможна его работа, разбит ц дв частично церекрываю 1 цихся поддиапазоц р, - ,р и р, -- р, (фиг. 3). Каждый из поддиацзонов допускает работу только с определенной ступенью выпрямителя: 1, - 4 со ступенью высокого напрякения выпрямителя 6, )- р.со ступенью низкого напряжения выпрямите;ю 7. Так обеспечивается при сохранении работоспосооцостц ИРМ наиболее экономичный режим работы источника управляющих импульсов тока. Опорные импульсы (19 и 20) располагаются соответственно у границ Г и р 4 так, что их передние фронты опережают фазу своей границы, а задние фронты отстают от нее на время не меньшее, чем длительность контрольного импульса (18) .Передние фронты опорных импульсов (19 и 20) могут и совпадать с соответствующими границами, однако указанное ранее расположение импульсов делает систему управления более гибкой в наладке.Опорный импульс (21) располагается практически в поддиапазоне:Г - :р 4 высокого напряжения. Его передний фронт находится между границами Г, и,д вплоть до совпадения с любой из них, а задний фронт отстает от фазы границы,(, не менее, чем на длительность контрольного импульса (18). Для определенности будем считать, что контрольный импульс (18) цо сво 1 м параметрам (длительности и фазе) лубл 1 рует олин из рабочих импульсов инвертора 4, 4 оторью формируются в блоке управления 10.Работа системы управления ц регулиров- ния протекает следующим образом. Пусть все тиристорные блоки ИРМ находятся под напряжением, а дефицит реактивной мощности в сети отсутствует. При этом соответствуюгций сигнал поступает от датчиков 15 и 16 режима сети ца вход усилителя 14. Выход усилителя воздействует на управляющий вход с блока управления 10 инвертором 4 и вход формирователя контрольных импульсов (18) (фиг. 2), определяя угол регулирования аинвертора, близкий к наибольшему знак нию в пределах поддиапазона Г - 4 р (фиг. 3). При этом контрольный импульс (18) совпадает с опорным (19). Признак совпадения фиксируется в логическом блоке И 22, который запускает исполнительный орган 25. Последний по входам в Закрыть блоков управления 9 и 1 О закрывает главный тиристорный блок 2 и инвертор 4. ИРМ закрыт, имощность, генерируемая им, , равна нулю. Одновременно исполнительный орган 25 самоблокируется от многократных сраоатывций путем увеличения длительности опорного импульса 19 (на фиг. 3 показано пунк тиром). Так исключается возможность работы ИРМ в режиме, при котором первая гармоника тока незначительна по сравнению с высшими.При нарастающем дефиците реактивной мощности система регулирования (14 - 17) выдает сигнал ца уменьшение угла регулирования ицвертора а и одновременно контрольного импульса (18). Пусть этот угол станет равным сг. При таком соотношении фаз контрольного и опорных импульсов все блоки сравнения 22 24 закрыты. Следовательно, блоки управления 9 и 10 тиристоров 2 и 4 открыты. ИРМ выд- ет реактивную мощность, определяющуюся углом регулирования а, и работает в соответствии с известным принципом действия в режиме плавного регулирования. Работа ИРМ осуществляется в поддиапазоне Г - Гг. При д- льнейшем уменьшении угла регулирования а вблизи границы р в результате совпадения коц трольного импульса (18) с опорным (21) происходит сначала переключение выпрямителя со ступени (7) на ступень (6), а затем переключение диодного органичителя 17 с поддиапазона 1, - р ца поддиапазон )4 - )4. Эта операция наступает в результате срабатывания исполнительного органа 27. Последний перебрасывает блок выбора 28, снимая сигнал Открыть с входа д блока управления 12 и подавая его на вход с 1 блока 11. Сигнал Окрыть поступает при этом через исполнительный орган 26, когда он находится в отключенном состоянии. Одновременно с перебросом блока выбора 28 перебрасывается и диодный ограничитель 17, при этом изменяется напряжение смещения на диодах, установленных на выходе усилителя 14. Таким образом, в поддиапазонепри угле а з работа ИРМ происходит так же, как и при угле а, но с повышенным напряжением на конденсаторах 5. Переключение поддиапазонов является блокировкой, исключающей возможность работы ИРМ с повышенным напряжением на выпрямителе при больших углах регулирования. Дальнейшее уменьшение угла регулирования, вызванное продолжаюгцимся ростом дефицита реактивной мощности в сети приводит к совпадению контрольного импульса (18) (угол а) с опорным импульсом(20). Передний фронт последнего определяет границу, когда работа источника управляющих импульсов тока становится неэффективной и способствует увеличению потерь при незначительном изменении первой гармоники тока ИРМ. Поэтому здесь целесообразно закрыть инвертор 4. Закрытие инвертора наступает в результате срабатывания исполнительного органа 26, который воздействует на вход в блока управления 10 инвертора. Одновременно с этим снимается сигнал Открыть с блока 28 выбора ступени выпрямителя, что приводит к закрытию обоих его тиристорых блоков 6 и 7. Однако готовность к работе выпрямителя в поддиапазоне сохраняется по каналу 18, 21, 24, 27. Исполнительный орган 26 самоблокируется от многократных срабатываний путем расширения контрольного импульса (18),В результате совпадения импульсов (18) и (20) ИРМ выдает при синусоидальном токе мощность, равную установленной мощности гл а в ной конденсаторнойбата реи 2. Если же дефицит реактивной мощности в сети сохраняется в течение времени большего, чем задано блоком задержки 29, то в сеть дополнительно включается конденсаторная батарея 5 источника управляющих импульсов тока. При этом блок 29 снимает сигнал Закрыть с входав блока уц3 тиристорпым выключателем 8.Таким образом, предлагаемая система автоматического управления статическим ИРМ, сохраняя известные принципы цлав)юго рогу лирования реактивной мощности, генерируемой конденсаторной батареей, приобретают новые качественные признаки. Увеличивается на 20% величина генерируемой ИРМ мощности за счет отключения источника управляющих импульсов тока, т. е. расширяется диапазон регулирования, Ограничивается состав высших гармоник тока (цо амплитуде) в пределах, допустимых ГОСТом без установки дополнительных фильтров, т. е. улучшаются электрические характеристики ИРМ. Такое устройство однс)- временно ведет к снижению потерь активной мощности, основная доля которых приходится на источник уцравляющиимпульсов тока, кс- торЬ)й отключается при крайних значениях лцаназона регулирования реактивной мощности, что положительно отражается ца экономических показателях как самого ИРМ, так и сети в которую оц включен.25Формула изобретения1. Система автоматического управления статическим источником реактивной мощности, сос. тоящим из главного тиристорного выключателя зО и трехфазной конденсаторной батареи, соединенной через импульсный трансформатор с источником управляющих импульсов тока, образованным конденсаторной батареей, ее тиристорным выключателем и, по крайней мере, двухступенчатым управляемым выпрямителем и инвертором, содержащая блоки управления указанными тиристорными выключателями, каждой ступенью выпрямителя и инвертором, датчики режима сети и усилитель, отличающ 1 аяся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования реактивной мощности, оца д оо.)1 с.,1 ьо с. с , с р ж и т с) 0 р хр о В с т ).; ь с )1)с) ) з 1)он ) ) ь сетью кот 1)о. ы)ы )- пульсов, вход которого соединен с выодом указанного усилителя, ступенчатый лиодцый ограничитель на выходе усилителя, функциональные каналы управления, цс;ю которы на один больше числа ступеней вьшрямитсл, например три, в каждом из которых соединены )юследовательно сицроцизцрс)ванный сетьк формирователь опорных цм иг .с с), сигцческцй элемент И, вторым водом связанный с фс,рмирователем контрольных цчцу,)ьсов, ц цспс)г)- тельный орган, причем блок управленц г,)авного тиристорцого выключателя конденсаторной батареи соелицец с выодом первого исполццтелы)ого органа, блоки управления выйр. мителя своими водами связаны с блскоч выбс- бора, входы которого соединены с выходамц остальных исполнительныорганов, а блоки управления ицвертора соединены с выходами первого и последнего исполните,)ьныорганов, кроме того, вход блока управления тиристорного выключателя конденсаторцой батареи источника управляющих импульсов тока )врез блок задержки соединен с выходом последнего исполнительного органа.2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что с целью блокировки исполнительныорга)иц от многократных срабатываний на границе сближения контрольного цмпх,)ьса с сс)освстствукши м опор цы ч, вы од первого ис цсл ц - тельного органа связан со волсч своего формирователя оцорцыимпульсов, и вьол последнего исполццтел)ного ор.аца - со водс)м формирователя контрольных ивл сов, причем в цепи указаццьсвязей введены элементы расширения ллительцости импульсов.Источники ццформапш), црццтыс во ццмание цри экспертизе:1. Патент США 3 Чо 3703680, кл. 323,111, 1972.2. Авторское свидетельство ГССР Ло 275212, кл. Н 02 1 3/18, 1964.3, Авторское свидетельство СССР х 39678 , кл. Н 02 1 3/18, 1973..Фая а Совета Министров СССРи и открытий 3035 нская наб., д. 4 о 1 лиал Г 1 ПП в Гагент, г. Уж род,оектная Редактор В. ФельдмаЗаказ 2464/42 НИИПИ Гос п