PL175444B1 - Sterownik przepływu mocy - Google Patents

Abstract

1. Sterownik przeplywu mocy do sterowania przeplywem mocy elektrycznej w systemie p rz e sylowym pradu przemiennego, zawierajacym linie przesylowa majaca dwa konce i przesylajaca prad przemienny przy wybranym napieciu linii prze- sylowej i czestotliwosci podstawowej pomiedzy jej dwoma koncami, zawierajacy przelaczajace obwody przetwornikowe mocy wytwarzajace napiecie prze- mienne przy czestotliwosci podstawowej pradu prze- miennego oraz obwody sprzegajace napiecie przemienne wytwarzane przez przelaczajace obwody przetwornikowe mocy szeregowo z napieciem linii przesylowej, znamienny tym, ze zawiera dolaczony do przelaczajacych obwodów przetwornikowych mocy (1, 2) uklad sterowania (18) napieciem prze- miennym wytwarzanym przez przelaczajace obwody przetwornikowe mocy (1 , 2) przy czestotliwosci pod- stawowej do wartosci i kata fazowego napiecia linii przesylowej (6), dla selektywnego nastawiania, indy- widualnie i wspólzaleznie, impedancji skutecznej linii przesylowej (6), skutecznego kata fazowego pomie- dzy napieciami na dwóch koncach linii przesylowej (6) oraz wartosci napiecia linii przesylowej (6). FIG. 1 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sterownik przepływu mocy przeznaczony do sterowania przepływem mocy elektrycznej w systemie przesyłowym prądu przemiennego.

Warunki przepływu mocy elektrycznej przez linię przesyłową prądu przemiennego zależą od impedancji linii, wielkości nadawczych i odbieranych napięć końcowych i kąta fazowego pomiędzy tymi napięciami. Znane systemy przesyłania energii elektrycznej były projektowane przy założeniu, że te trzy parametry określające przepływ mocy nie mogą być sterowane wystarczająco szybko dla obsługi dynamicznych warunków systemu. Ponadto dostępne elementy sterujące zwykle kompensowały lub sterowały tylko jedną z trzech zmiennych, to jest impedancję, napięcie lub kąt fazowy. Oznacza to, że systemy przesyłowe zaprojektowane ze stałymi lub przełączanymi mechanicznie, szeregowymi i bocznikującymi, biernymi elementami kompensacyjnymi, wraz z regulującymi napięcie i przesuwającymi fazę zmieniaczami odczepu transformatora, dla optymalizacji impedancji linii, zmniejszają do minimum zmiany napięcia i sterują przepływem mocy w warunkach stałych lub powoli zmieniających się stanów obciążenia. Problemy występujące w warunkach dynamicznych systemu były zwykle pokonywane przez projektowanie ich z dużą rezerwą. Systemy przesyłania mocy były zatem projektowane z dużymi marginesami stabilności dla powrotu ze stanów odpowiadających najgorszym przypadkom wynikającym z zakłóceń, wyjść linii i generatora oraz uszkodzeń sprzętu.

Występujące w ostatnich latach problemy z energią, środowiskiem, terenem i zwiększonymi kosztami opóźniały konstrukcję zarówno urządzeń generacyjnych jak i nowych linii prze4

175 444 syłowych. To powoduje potrzebę zmiany koncepcji tradycyjnego systemu elektroenergetycznego oraz stało się konieczne lepsze wykorzystanie istniejących systemów elektroenergetycznych.

Lepsze wykorzystanie systemów przesyłowych mocy, bez znacznego pogarszania niezawodności zasilania mocą elektryczną, jest możliwe tylko wtedy, gdy przepływ mocy może być sterowany gwałtownie podczas dynamicznych zakłóceń systemu. Elektryczny system przesyłowy podlega często zakłóceniom o różnej wielkości. Dla przykładu pewne generatory mocy lub pewne równoległe linie przesyłowe mogą być wyłączane w celu konserwacji. Duże obciążenia mogą być włączane i wyłączane. Mogą występować również zwarcia między liniąi masą lub zwarcia międzyliniowe w wyniku przebić izolacji lub uszkodzeń sprzętu. Te zakłócenia mogą powodować nagły i ostry wzrost lub spadek przesyłanej mocy elektrycznej. Moc elektryczna jest wytwarzana przez generatory obrotowe napędzane przez turbiny. Wyjściowa moc mechaniczna turbin nie może być szybko zmieniana dla wprowadzenia równowagi mocy mechanicznej z wymaganą nową i szybko zmieniającą się mocą elektryczną. W wyniku tego generatory przyspieszają lub opóźniają się. Zmiana prędkości obrotowej w niektórych generatorach powoduje zmianę położenia kątowego względem stałego położenia kątowego utrzymywanego na drugim końcu linii przez inne generatory. Zmiana położenia kątowego pomiędzy końcowymi generatorami nadawczym i odbiorczym powoduje zmianę ilości przesyłanej mocy. Po ustąpieniu zakłócenia, to jest po wyeliminowaniu uszkodzenia, ustaleniu nowej konfiguracji systemu przesyłowego, nowego poziomu wytwarzania mocy lub nowego wymaganego obciążenia, zakłócone generatory próbują przyjąć nowe położenie kątowe, właściwe dla nowego warunku stanu ustalonego układu elektroenergetycznego. Jednak generatory wraz z turbinami mają znaczną bezwładność obrotową i z tego powodu nowe położenie kątowe jest zwykle osiągane tylko po “przeregulowaniu” lub drganiu. Te przejściowe zmiany kątowe i drgania ujawniają się oczywiście jako przejściowe zmiany mocy elektrycznej i drgania. W skrajnym przypadku tych zmian przejściowych nie można stabilizować, to znaczy nie można ponownie ustalić równowagi pomiędzy dostępnąmocąmechanicznąi przesyłanąmocąelektryczną, a “przeregulowanie” kątowe nadal wzrasta. Znaczy to, że urządzenie nadal przyspiesza, aż generator wyłączy się. Może się również zdarzyć, że drgania kątowe pozostają bez zmian lub nawet wzrastają, w związku z niewystarczającym tłumieniem systemu elektroenergetycznego. W końcu to również powodowałoby wyłączenie systemu elektroenergetycznego .

Zdolność systemu elektroenergetycznego do dostarczania mocy elektrycznej dla spełnienia wymagań co do obciążenia jest określona przez termin “stabilność”. Termin “stabilność” oznacza, że generatory systemu elektroenergetycznego dążą do działania w synchronizmie. Termin “stabilność przejściowa” oznacza, że system elektroenergetyczny może powrócić do normalnej pracy po dużym zakłóceniu, to jest po uszkodzeniu, utracie generacji itd. Termin “stabilność dynamiczna” oznacza, że system elektroenergetyczny może powrócić do normalnej pracy po małym zakłóceniu, które początkuje drgania energii. Innymi słowy, stabilny dynamicznie system elektroenergetyczny ma dodatnie tłumienie.

W ostatnich piętnastu latach dokonano znacznego postępu przy opracowywaniu szybkiego, sterowanego tyrystorowo sprzętu do dynamicznej kompensacji i sterowania systemami przesyłania mocy elektrycznej przemiennoprądowej. Tego typu sprzęt zapewniał kompensację jednego z trzech parametrów systemu elektroenergetycznego, które określająprzepływ mocy, to jest napięcia, impedancji i kąta fazowego. Sterowane tyrystorowo, statyczne kompensatory zmienne, sterowane tyrystorowo kompensatory szeregowe i sterowane tyrystorowo transformatory przesuwające fazę były lub są wykorzystywane do sterowania napięciem linii przesyłowej, uzyskiwanym przez sterowanie przepływem mocy biernej, impedancją linii i kątem fazowym.

Sterowane tyrystorowo, statyczne kompensatory zmienne są stosowane do sterowania pośrednio napięciem linii przesyłowej i skutkiem tego przesyłaną mocą elektryczną, przez wytwarzanie mocy biernej dla systemu przesyłowego lub pochłanianie jej z niego. Te statyczne kompensatory zmienne mają szybką odpowiedź (jednąna dwa cykle) na zmiany dynamiczne oddziałujące na przepływ mocy i przy wystarczającej wartości woltoamperów (VA), mogą znacznie zwiększać stabilność zarówno przejściowąjak i dynamiczną systemu elektroenergetycznego.

175 444

Znane statyczne kompensatory zmienne wykorzystują stałe i/lub przełączane tyrystorowo kondensatory wraz z przełączanymi tyrystorowo dławikami. W zakresie wyjścia pojemnościowego stałe i przełączane tyrystorowo kondensatory przybliżają, z dodatnią wariancją, wymaganą generację zmienną (dla wymaganego poziomu przesyłanego napięcia) w sposób stopniowy i sterowane tyrystorowo dławiki pochłaniająnadmterne zmiany pojemnościowe. W zakresie wyjścia indukcyjnego sterowane tyrystorowo dławiki działają przy właściwym kącie przewodzenia dla zapewnienia wymaganego pochłaniania zmiennego. Przy właściwym związku przełączania kondensatora i sterowania dławika, zmienne wyjście może zmieniać się w sposób ciągły i nagły pomiędzy pojemnościowymi i indukcyjnymi wielkościami znamionowymi urządzenia. Statyczny kompensator zmienny ma zwykle za zadanie regulować napięcie systemu przesyłowego, czasami ewentualnie zapewniać właściwą modulację napięcia dla tłumienia drgań mocy.

Znany jest także statyczny kompensator wykorzystujący półprzewodnikowy przetwornik przełączający połączony bocznikująco z liniąprzesyłowąprzez transformator sprzęgający. Przetwornik przełączający jest zwykle inwerterem ze źródłem napięciowym, wykorzystującym tyrystory wyłączane bramką i sterowane przez kondensator magazynujący prąd stały dla wytwarzania napięcia wyjściowego, które jest w fazie z napięciem przemiennym V systemu. Amplituda napięcia wyjściowego Vo inwertera jest sterowana natychmiast względem amplitudy napięcia przemiennego V systemu. Przy Vo = V, ignorując stosunek zwojów transformatora sprzęgającego, inwerter nie pobiera żadnego prądu. Jednak, gdy Vo > V, prąd pobierany przez inwerter poprzez indukcyjność rozproszenia transformatorajest czysto pojemnościowy. Podobnie, gdy Vo < V, prąd pobierany przez inwerter staje się indukcyjny. Tak więc przez sterowanie napięciem wyjściowym inwertera pomiędzy znamionowymi wartościami Vomax i Vomin, wyjściowy prąd bierny może zmieniać się w sposób ciągły od maksymalnego pojemnościowego do maksymalnego indukcyjnego.

Jak stwierdzono powyżej, moc elektryczna w linii przesyłowej może być także zmieniana przez sterowanie impedancjącałej linii. To można zrealizować przez zapewnienie sterowanej kompensacji szeregowej linii, która w wyniku powoduje zmniejszenie lub zwiększenie impedancji biernej linii. Sterowany tyrystorowo kompensator szeregowy linii, podobnie do zbocznikowanego statycznego kompensatora zmiennego, może być zrealizowany przez przełączane tyiystorowo kondensatory albo przez stały kondensator szeregowy zb.ocznikowany przez sterowany tyrystorowo dławik.

Znany półprzewodnikowy układ kompensujący szeregowo, wykorzystujący przełączający przetwornik mocy, jest przedstawiony w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5198 746. W tym układzie inwerter ze źródłem napięciowymjest stosowany do wprowadzania napięcia Vc o podstawowej częstotliwości prądu przemiennego w sposób szeregowy do linii. Napięcie Vc, wytwarzane przez inwerter, jest zależne kwadraturowo (opóźnienie) od prądu linii. Przez realizację amplitudy Vc proporcjonalnej do amplitudy prądu linii, wynik kompensacji szeregowej (pojemnościowej) może być odtwarzany w sposób skuteczny.

Znane szybko sterowane układy przesuwające fazę nie były jeszcze stosowane. Układy, które wykorzystują sterowane tyrystorowo transformatory o zmiennym odczepie, przystosowujące techniki podobne do wykorzystywanych w konwencjonalnych, przełączanych mechanicznie transformatorach o zmiennym odczepie, zostały zaproponowane i ocenione w modelach laboratoryjnych. W zasadzie przełączany tyrystorowo układ transformatora ze zmiennym odczepem może zmieniać wielkość napięcia dodawanego kwadraturowo do napięcia linii przez transformator wprowadzony dla sterowania kątem fazowym pomiędzy końcowymi napięciami nadawania i odbioru linii przesyłowej. Transformator o zmiennym odczepie typu układu przesuwającego fazę zapewnia sterowanie etapowe, chociaż długość etapu może być zmniejszona do minimum przez rozsądny dobór wybranych stosunków zwojów. Dla przykładu, przy zastosowaniu trzech nieidentycznych uzwojeń transformatorowych, w proporcji 1:3:9 i układu przełączania, który może bocznikować uzwojenie lub zmieniać jego polaryzację, można zrealizować całkowitą liczbę 27 etapów. Przełączany tyrystorowo układ transformatora o zmiennym odczepie ma także główną wadę polegającą na tym, że nie może on wytwarzać lub pochłaniać mocy

175 444 biernej. Moc bierna dostarczana do linii lub pochłaniana z niej, gdy wprowadza on napięcie kwadraturowe, musi być z niej pochłaniana lub dostarczana do niej przez system elektroenergetyczny prądu przemiennego. Duże spadki napięcia, związane zwykle z przesyłaniem mocy biernej, miałyby tendencję do negowania skuteczności układu przesuwającego fazę o zmiennym odczepie dla sterowania przepływem mocy w wielu zastosowaniach.

Istotą sterownika przepływu mocy według wynalazku do sterowania przepływem mocy elektrycznej w systemie przesyłowym prądu przemiennego, zawierającym linię przesyłową mającą dwa końce i przesyłającą prąd przemienny przy wybranym napięciu linii przesyłowej i częstotliwości podstawowej pomiędzyjej dwoma końcami, zawierającego przełączające obwody przetwornikowe mocy wytwarzające napięcie przemienne przy częstotliwości podstawowej prądu przemiennego oraz obwody sprzęgające napięcie przemienne wytwarzane przez przełączające obwody przetwornikowe mocy szeregowo z napięciem linii przesyłowej, jest to, że zawiera dołączony do przełączających obwodów przetwornikowych mocy układ sterowania napięciem przemiennym, wytwarzanym przez przełączające obwody przetwornikowe mocy przy częstotliwości podstawowej do wartości i kąta fazowego napięcia linii przesyłowej, dla selektywnego nastawiania, indywidualnie i współzależnie, impedancji skutecznej linii przesyłowej, skutecznego kąta fazowego pomiędzy napięciami na dwóch końcach linii przesyłowej oraz wartości napięcia linii przesyłowej.

Korzystnie przełączające obwody przetwornikowe mocy są zbudowane z inwertera prądu stałego w prąd przemienny i obwodów dostarczających moc prądu stałego do inwertera prądu stałego na prąd przemienny, przy czym obwody dostarczające moc prądu stałego do inwertera prądu stałego na prąd przemienny są zbudowane z dodatkowego inwertera prądu stałego na prąd przemienny oraz obwodów łączących zaciski prądu stałego dodatkowego inwertera prądu stałego na prąd przemienny z zaciskami prądu stałego inwertera prądu stałego na prąd przemienny i obwodów sprzęgaj ących zaciski prądu przemiennego i dodatkowego inwertera prądu stałego na prąd przemienny ze źródłem mocy prądu przemiennego, w którym korzystnie jest linia przesyłowa.

Korzystnie przełączające obwody przetwornikowe mocy są zbudowane z obwodów przetwornikowych prądu przemiennego na prąd przemienny, wytwarzających napięcie przemienne na zaciskach wyjściowych, i obwodów dostarczających moc prądu przemiennego do zacisków wejściowych obwodów przetwornikowych prądu przemiennego na prąd przemienny, przy czym obwody dostarczające moc prądu przemiennego do zacisków wejściowych obwodów przetwornikowych prądu przemiennego na prąd przemienny zawierają obwody sprzęgające te zaciski wejściowe z linią przesyłową.

Korzystnie układ sterowaniajest obwodem selektywnego nastawiania skutecznej, czynnej i biernej, impedancji szeregowej linii przesyłowej oraz zawiera pierwszy obwód dostarczania wartości i kąta fazowego napięcia przemiennego doprowadzanego szeregowo do linii przesyłowej dla ustalania wybranej impedancji linii przesyłowej, wybranego kąta fazowego i wybranego napięcia linii przesyłowej dla ustalania wybranego przepływu mocy w linii przesyłowej oraz dołączony do pierwszego obwodu drugi obwód do sterowania przełączającymi obwodami przetwornikowymi mocy dla wytwarzania napięcia przemiennego.

Korzystnie przełączające obwody przetwornikowe mocy są zbudowane z pierwszego inwertera prądu stałego na prąd przemienny z zaciskami prądu przemiennego zbocznikowanymi względem linii przesyłowej i zaciskami prądu stałego, drugiego inwertera prądu stałego na prąd przemienny z zaciskami prądu przemiennego do wprowadzania napięcia przemiennego szeregowo do linii przesyłowej i zaciskami prądu stałego oraz obwodów łączy prądu stałego łączących zaciski prądu stałego inwerterów pierwszego i drugiego, przy czym układ sterowania jest obwodem sterującym wymianą mocy czynnej i biernej, pomiędzy liniąprzesyłową i pierwszym inwerterem prądu stałego na prąd przemienny do dostarczania mocy czynnej do drugiego inwertera prądu stałego na prąd przemienny, przy wybranym współczynniku mocy, oraz obwodem sterującym drugim inwerterem prądu stałego na prąd przemienny do wytwarzania napięcia przemiennego o wybranej wartości i wybranym kącie fazowym pomiędzy 0 i 360° dla ustalenia

175 444 wybranej impedancji linii przesyłowej, wybranego kąta przesyłowego i wybranego napięcia linii przesyłowej.

Korzystnie układ sterowania jest sterownikiem wektorów dostarczającym sygnały bramkujące dla inwerterów pierwszego i drugiego, zbudowanym z układu pętli synchronizacji fazowej, dołączonego do układu obliczającego wartość wektora i układu transformacji współrzędnych obrotowych osi, które z kolei są dołączone poprzez obwody sterujące napięciem stałym do układu sterowania bramką pierwszego inwertera oraz poprzez obwody odniesienia do układu sterowania bramką drugiego inwertera.

Korzystnie obwody sterujące napięciem stałym są obwodami czułymi na sygnał sprzężenia zwrotnego napięcia stałego reprezentujący napięcie stałe pomiędzy pierwszym inwerterem i drugim inwerterem, sygnał sprzężenia zwrotnego prądu stałego reprezentujący prąd stały drugiego inwertera i sygnał odniesienia napięcia stałego reprezentującego wymagany poziom napięcia stałego.

Korzystnie obwody odniesienia są obwodami czułymi na co najmniej jeden z sygnałów reprezentujących wektor napięcia linii przesyłowej, wektor prądu linii przesyłowej i wektor prądu przemiennego pierwszego inwertera.

Korzystnie obwody łączy prądu stałego zawierają element magazynujący energię do magazynowania mocy czynnej, który jest kondensatorem.

Korzystnie inwertery pierwszy i drugi sąinwerterami zasilanymi napięciem albo prądem.

Zaletą sterownika przepływu mocy według wynalazku jest to, że może on odpowiadać natychmiast na sterowanie dynamicznie w czasie rzeczywistym albo pojedynczo, albo w połączeniu z dowolnym parametrem systemu przesyłowego, to jest mocą bierną, impedancją linii przesyłowej, napięciem linii przesyłowej i kątem fazowym napięcia linii przesyłowej.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat sterownika przepływu mocy według wynalazku, fig. 2 - wykres fazowy ilustrujący związek napięcia, wprowadzanego przez sterownik przedstawiony na fig. 1 do systemu przesyłowego, z napięciem w systemie przesyłowym, fig. 3 - przebiegi napięcia biegunowego i wyjściowego inwerterów, które tworzą część sterownika z fig. 1, fig. 4A i 4B przedstawiają schemat układu inwertera dużych mocy dla sterownika przepływu mocy według wynalazku, fig. 5 przedstawia uproszczony schemat funkcjonalny sterownika przepływu mocy z fig. 1, fig. 6 - wykres fazowy ilustrujący zmienne systemu w ramie odniesienia wybranej dla wyjaśnienia działania sterownika według wynalazku, fig. 7 - schemat blokowy układu sterowania, który jest częścią sterownika z fig. 1, a fig. 8 przedstawia szczegółowo elementy układu sterowania z fig. 6.

Przedstawione na figurze 1, dwa przełączające przetworniki mocy 1 i 2 wykorzystujące tyrystory 3 wyłączane bramką lub podobne elementy półprzewodnikowe mocy, sterowane przez wspólny kondensator 4 łącza stałoprądowego, tworzą ogólny sterownik 5 przepływu mocy według wynalazku. Jeden przetwornik 1jest w rzeczywistości podobny do inwertera ze źródłem napięciowym, wykorzystywanego w znanym, opisanym półprzewodnikowym, sterowanym kompensatorze szeregowym.

Przetwornik 2 jest stosowany do wytwarzania napięcia v_pq o sterowanej amplitudzie przy częstotliwości podstawowej, które jest dodawane do napięcia v układu na linii przesyłowej 6 przez dołączony szeregowo transformator sprzęgający 7 lub zasilający. Związek fazowy tego wprowadzonego napięcia Vp_q do napięcia przemiennego układu jest dowolny, to znaczy jest całkowicie sterowalny i może być kwadraturowy fazowo lub w dowolnym innym związku fazowym, co przedstawiono na wykresie fazowym na figurze 2. Wobec tego wprowadzone napięcie może być stosowane do sterowania napięciem stałym (napięcie wyjściowe przetwornika 2 jest dodawane fazowo do napięcia układu), dla przesuwania fazy (wprowadzone napięcie jest sumą wektorową dwóch składowych, jedna reprezentuje składową czynną dla sterowania napięciem, a druga składowąkwadraturową dla sterowania kątem fazowym). Wyjście przetwornika 2 można także wykorzystać do zapewnienia kompensacji szeregowej dla sterowania impedancją linii przesyłowej 6. W tym przypadku napięcie jest wprowadzane w kwadraturę względem prądu linii przesyłowej 6. Rzeczywiście wszystkimi tymi wielkościami można sterować równocześnie, je8

175 444 żeli jest to wymagane, przez dostarczanie wymaganych, poszczególnych napięć składowych i wytwarzanie ich sumy wektorowej na wyjściu przetwornika 2.

Napięcie wprowadzone szeregowo na linię przesyłową 6 działa zasadniczo jako źródło napięcia przy częstotliwości podstawowej, połączone szeregowo z napięciem układu dostarczanym przez generatory układu prądu przemiennego. Prąd płynący przez wprowadzone źródło napięcia jest taki sam jak płynący w linii przesyłowej 6 w punkcie wprowadzenia i jest określony zasadniczo przez przesyłanąmoc elektrycznąi charakterystykę impedancyjną linii. Wartość znamionowa VA wprowadzonego źródła napięcia, to jest dla przetwornika mocy 2 przenoszącego tę wartość VA, jest określona przez iloczyn maksymalnego wprowadzonego napięcia i maksymalnego prądu linii przesyłowej 6. Całkowita wartość VAjestutworzona z dwóch składowych, jedna jest maksymalną mocą czynną określoną przez maksymalny prąd linii przesyłowej 6 i składową maksymalnego napięcia wprowadzonego, które jest w fazie z tym prądem, a druga jest maksymalną mocą bierną określoną przez maksymalny prąd linii przesyłowej 6 i składową maksymalnego napięcia wprowadzonego, które jest w kwadraturze względem prądu. Inwerter zasilany napięciem, stosowany do zapewniania funkcji przetwornika 2, może wytwarzać wewnętrznie całą moc bierną wymienianą w wyniku sterowania napięciem/impedancją/kątem fazowym i tylko moc czynna musi być dostarczana jako jego wejściowa moc prądu stałego.

Przetwornik przełączający 1, który w korzystnym wykonaniu jest także inwerterem zasilanym napięciem, zbocznikowanym względem układu prądu przemiennego przez transformator sprzęgający 8, jest sterowany dla dostarczania żądanej mocy czynnej na wspólnej końcówce prądu stałego z układu prądu przemiennego. Jeżeli przetwornik 1, podobny do przetwornika 2, może wytwarzać lub pochłaniać moc biernąna jego końcówkach prądu przemiennego, niezależnie od mocy czynnej odbieranej na jego końcówce prądu stałego, ma miejsce to, że przy właściwym sterowaniu, może on także spełniać funkcję niezależnego, statycznego kompensatora zmiennego zapewniającego kompensację mocy biernej dla sieci przesyłowej, a więc realizację sterowania pośrednim napięciem i przepływem mocy.

Jak to wyjaśniono powyżej, układ sterownika przepływu mocy, z właściwymi elementami sterującymi 9 do sterowania zapłonem tyrystorów 3 w inwerterach 1 i 2, zapewnia w dowolnej kombinacji wszystkie funkcje urządzenia do kompensacji/sterowania dostępnym układem przesyłowym, to jest funkcje statycznego kompensatora zmiennego, sterowanego kompensatora szeregowego, sterowanego tyrystorowo transformatora ze zmiennym odczepem dla regulacji napięcia stałego i sterowanego tyrystorowo transformatora ze zmiennym odczepem dla przesuwania fazy, w urządzeniu jednoczęściowym. Ponadto całkowita wartość znamionowa VA sterownika przepływu mocy nie jest większa niż wymagana dla pojedynczej funkcji, dla znanego układu przesuwania fazy, sterowanego tyrystorowo transformatora ze zmiennym odczepem.

W celu zapewnienia zdolności funkcjonalnych sterownika przepływu mocy według wynalazku, dwa inwertery zasilane napięciem, reprezentujące przetworniki 1i 2 w układzie podstawowym, muszą być sterowane ze wspólnego łącza kondensatorowego prądu stałego w taki sposób, że jest możliwe niezależne sterowanie wybranymi parametrami sieci, to jest napięciem, impedancją, kątem fazowym i mocą bierną i skoordynowane sterowanie całą wymaganą mocą czynną w związku ze sterowaniem napięciem stałym, sterowaniem kątem fazowym i stratami wewnętrznymi inwertera.

Rozważając inwerter (przetwornik) 1, przepływ mocy czynnej do końcówek prądu przemiennego inwertera i z nich, a zatem ten przepływ do łącza prądu stałego i z niego, jest określony przez kąt fazowy napięć przemiennych wytwarzanych przez inwerter względem napięć przemiennych układu. Z drugiej strony, przepływ mocy biernej do inwertera i z niego na jego końcówki prądu przemiennego jest określony przez różnicę amplitud pomiędzy napięciami inwertera i układu prądu przemiennego. Jeżeli ta różnicajest zero (napięcie inwertera ma tę samą amplitudę jak napięcie układu), wówczas moc bierna jest także równa zeru, jeżeli ta różnica jest dodatnia (amplituda napięcia inwertera jest większa), wówczas inwerter dostarcza moc bierną (pojemnościową) i jeżeli ta różnica jest ujemna (amplituda napięcia inwertera jest mniejsza), wówczas inwerter pobiera moc bierną (indukcyjną). Napięcie różnicowe wymagane dla całego

175 444 wyjścia zmiennego jest określone przede wszystkim przez impedancję rozproszenia transformatora sprzęgającego 8, to jest zwykle nie więcej niż 15% znamionowego napięcia układu. Zatem w celu sterowania mocami czynną i bierną niezależnie, znamionowe napięcie łącza prądu stałego musi być wystarczająco duże dla wytwarzania napięć wyjściowych inwertera 1, mających amplitudę podobną do amplitudy napięcia układu prądu przemiennego na stronie wtórnej transformatora sprzęgającego 8.

Sytuacja z inwerterem (przetwornikiem) 2, który wprowadza wymagane napięcie przemienne szeregowo na linię przesyłową 6, jest całkiem różna. W tym przypadku wektor napięcia przemiennego, reprezentowany przez jego wielkość i kąt fazowy względem danego odniesienia (na przykład wektora napięcia układu lub prądu linii przesyłowej 6), jest wytwarzany w celu spełnienia wymagań co do przepływu mocy. W punkcie zerowym charakterystyki ten wektor napięcia mógłby być zero (żadne sterowanie napięciowe, żadne przesunięcie fazy i żadna kompensacja impedancji), który wymagałby zerowego lub małego napięcia stałego łącza, jeżeli amplituda wyjściowego napięcia przemiennego byłaby związana bezpośrednio z napięciem stałym łącza. Jeżeli wielkość wektora wprowadzonego napięcia byłaby zwiększona, napięcie stałe łącza musiałoby być także zwiększone wprost proporcjonalnie. Wymagana moc czynna wynikająca z wprowadzenia napięcia wystąpiłaby bezpośrednio na końcówkach prądu stałego, podczas gdy wymagana moc bierna byłaby wytwarzana automatycznie wewnętrznie przez inwerter. Złącze prądu stałego musi być zdolne do dostarczania wymaganej mocy czynnej (przez inwerter 1), inaczej napięcie wyjściowe inwertera 2 nie mogłoby być utrzymane.

W celu związania ze sobą różnych, podstawowych wymagań roboczych inwertera 1 (stosunkowo dużego napięcia stałego łącza, odpowiadającego amplitudzie napięcia przemiennego układu przy wytwarzaniu zerowej zmiany i umiarkowanej zmiany z tego dla znamionowego wyjścia zmiennego) i inwertera 2 (zerowego napięcia stałego łącza dla wprowadzania zerowego napięcia, które ma być zwiększane proporcjonalnie do amplitudy wprowadzonego napięcia), w korzystnym wykonaniu wynalazku zakłada się, że amplitudy wytwarzanych napięć wyjściowych zarówno inwertera 1jak i inwertera 2 są sterowane wewnętrznie z wykorzystaniem znanych technik sterowania, jak modulacja szerokości impulsu lub dodawanie wektorów napięć wytwarzanych przez dwa inwertery zasilające wspólny transformator sprzęgający. W tym urządzeniu napięcie stałe łącza może być utrzymywane (przez inwerter 1) na zasadniczo stałym poziomie, który odpowiada największemu napięciu wyjściowemu wytwarzanemu przez każdy inwerter. Należy zaznaczyć, że ten układ me jest koniecznym wymaganiem dla pracy proponowanego układu. W rzeczywistości byłoby możliwe na przykład sterowanie inwerterem 1 bez sterowania wewnętrznym napięciem. W tym przypadku napięcie stałe łącza byłoby ustalane zgodnie z kompensacją mocy biernej zapewnianą przez ten inwerter, która zmieniałaby się zwykle około +/- 15%o wokół wartości w zerze charakterystyki, reprezentującej amplitudę znamionową napięcia przemiennego układu. Inwerter 2 sterowałby amplitudą jego własnego napięcia wyjściowego ze zmieniającego się umiarkowanie napięcia stałego łącza przez wewnętrzny mechanizm sterowania.

Inwerter 2 zasilany napięciem, stosowany w wykonaniu zaproponowanej kompensacji szeregowej, w jego najprostszej postaci jest złożony z sześciu samoprzełączających się przełączników półprzewodnikowych, takich jak tyrystory wyłączane bramką 3, z których każdy jest bocznikowany przez diodę 9 włączoną antyrównolegle, co przedstawiono na fig. 1. Z zasilania stałoprądowego, które jest zapewnione przez ładowany kondensator 4, dołączonego do jego końcówek wejściowych, każdy z inwerterów 1 i 2 może wytwarzać zespół trzech quasi- prostokątnych przebiegów napięcia o danej częstotliwości przez przyłączanie wejściowego napięcia stałego kolejno do trzech końcówek wyjściowych poprzez właściwe przełączniki inwerterowe. Działanie przełączników inwerterowych i wytwarzane przebiegi napięciowe w środkach “biegunów” przełączników (v_A, v_B i v_c) i na wyjściu (v_A__B, v_B__c i v_c__A) sąprzedstawione na figurze 3.

Podstawowy inwerter 2 pokazany na fig. 1, sterowany dla wytwarzania przebiegów napięcia wyjściowego przedstawionych na fig. 3, wytwarzałby zbyt duże zakłócenia w większości praktycznych zastosowań. Również nie byłby on w stanie sterować wielkościąnapięcia wyjścio10

175 444 wego niezależnie od napięcia stałego łącza. Z tych przyczyn, w praktycznych rozważanych zastosowaniach przebieg napięcia wyjściowego byłby realizowany tak, żeby zmniejszać do minimum wytwarzanie składowych harmonicznych i umożliwiać sterowanie składową podstawową. Istnieją różne dobrze znane techniki, takie jak modulacja szerokości impulsu i synteza przebiegu wieloimpulsowego (neutralizacja harmonicznych), wraz z dodawaniem wektorów podstawowych składowych przesuniętych fazowo, wytwarzanych przez oddzielne grupy inwerterów, na przykład układy transformatorowe sprzęgające “zasilane dwustronnie”, w celu spełnienia tego.

Układ przetwornika dużej mocy dla sterownika 5’ przepływu mocy jest pokazany schematycznie na figurach 4A i 4B. W tym układzie trzy połączone uzwojenia pierwotne 8pA, 8PB i 8PC transformatora bocznikowego 8 są dołączone do trzech faz linii przesyłowej 6 przez wyłącznik 10 trzech faz. Każde uzwojenie fazowe 8SA, 8SB i 8SC części wtórnej transformatora 8 jest zasilane podwójnie z sekcji 1L i 1R inwertera przez układy 11 i 12 transformatorów międzystopniowych. Każda z sekcji 1L i 1R przetwornika 1 zawiera odpowiednio cztery sześcioimpulsowe grupy inwerterów 1L1-1L4 i 1R1-1R4. W każdej z tych grup sześcioimpulsowych symbol 13 reprezentuje tyrystor 3 i związanąz nim diodę bocznikową9. Dla przykładu uzwojenie wtórne 8SC dla fazy C transformatora bocznikowego 8 jest zasilane na przeciwnych końcach przez transformatory międzystopniowe 11C i 12C. Przeciwne końce uzwojenia 11C transformatora sązasilane przez uzwojenia 11CL i 11CR. Przeciwne końce uzwojenia 11 CL sąz kolei zasilane przez fazę C sześcioimpulsowych grup IL1 i 1L2, podczas gdy przeciwne końce uzwojenia 11 CR sązasilane przez fazę C sześcioimpulsowych grup 1L3 i 1L4. Podobnie tyrystory fazy C impulsowych grup 1R1 i 1R2 zasilają przeciwległe końce uzwojenia 12CL transformatora, podczas gdy sześcioimpulsowe grupy 1R3 i 1R4 są dołączone do przeciwnych końców transformatora międzystopniowego 12CR. Transformatory 12CL i 12CR są dołączone do przeciwnych końców transformatora 12C. Przez właściwe sterowanie kątami zapłonu grup sześcioimpulsowych, sekcje 1L i 1R inwertera sąotwarte dla wytwarzania napięcia 48-impulsowego, które jest dostarczane przez transformator bocznikowy 8 do linii przesyłowej 6. Zapłon tyrystorów w 8 grupach sześcioimpulsowych jest sterowany dla właściwego ustalenia wielkości i kąta fazowego napięcia dostarczanego przez transformator bocznikowy 8 do linii przesyłowej 6.

Inwerter 2 układu inwertera 5’ dużej mocy, pokazanego na figurze 4B, jest także układem inwertera 48-impulsowego, mającym sekcję 2L i 2R, z których każda ma cztery moduły inwerterów sześcioimpulsowych 2L1-2L4 i 2R1-2R4, dołączone przez układy transformatorów międzystopniowych 14 i 15 do przeciwnych końców uzwojenia trójfazowego 7SC, 7SA i 7SB części wtórnej transformatora zasilającego 7. Trzy uzwojenia pierwotne 7PC, 7PA i 7PB sąpołączone szeregowo z trójfazową linią przesyłową 6 przez zamknięcie przełącznika 16 i otwarcie wyłącznika 17. Przez sterowanie kątami zapłonu tyrystorów w modułach inwerterów, wielkość i kąt fazowy względem napięcia linii przesyłowej 6 steruje się napięcie wprowadzane przez inwerter 7 do linii przesyłowej 6.

Powracając do fig. 1, układ sterowania 18 sterujący dwoma inwerterami zasilanymi napięciem, jest integralną częścią zaproponowanego układu sterownika 5 przepływu mocy. Jego główną funkcjąjest sterowanie dwoma inwerterami 1i 2 w sposób współzależny tak, żeby zapewnić, po pierwsze, że wyjściowe napięcie przemienne inwertera 2, wprowadzone szeregowo przez linię 6, ma właściwą wartość i kąt fazowy, aby spełnić chwilowe wymagania co do parametrów sterowanego układu (impedancji linii, kąta fazowego, wielkości napięcia) na końcu wyjściowym transformatora zasilającego 7 dla optymalnego przesyłania mocy, jak to wskazano przez odpowiednie sygnały odniesienia dostarczane do układu sterowania 18, oraz, po drugie, że wyjściowe napięcie przemienne inwertera 1, dołączone do układu prądu przemiennego przez transformator bocznikowy 8, ma właściwą wartość i kąt fazowy dla zapewniania wymaganej mocy czynnej inwertera 2 i dla wytwarzania lub pochłaniania mocy biernej na końcówce wejściowej transformatora zasilającego 7 w celu regulacji napięcia w tym punkcie zgodnie z określonym zewnętrznie odniesieniem.

175 444

Układ sterowania 18 ma konstrukcję taką, żeby odbierać dostarczane zewnętrznie sygnały odniesienia. Te sygnały są stosowane we właściwych obwodach zamkniętych sterowania dla wywoływania wytwarzania przez inwertery napięć wyjściowych Układ sterowania 18 ma konstrukcję taką, żeby odbierać dostarczane zewnętrznie sygnały odniesienia. Te sygnały są stosowane we właściwych obwodach zamkniętych sterowania dla wywoływania wytwarzania przez inwertery napięć wyjściowych dopasowanych do odniesień. Dostarczanie sygnałów odniesienia jest realizowane przez pomiar zewnętrzny odpowiednich parametrów układu prądu przemiennego.

W celu określenia i sprawdzenia układu sterowania realizowanego przez sterowanie dwoma inwerterami 1 i 2 zasilanymi napięciem, jest wymagane naj pierw ustalenie modelu, który reprezentuje dynamiczne zachowanie układu. Figura 5 przedstawia uproszczony schemat funkcjonalny sterownika 5 przepływu mocy. Dwa inwertery 1 i 2 są przedstawione jako idealne przetworniki napięcia, z których każdy przetwarza napięcie v_dc po stronie prądu stałego w zrównoważony zespół trzech sinusoidalnych napięć po stronie prądu przemiennego, z chwilowym kątem fazowym Θ i chwilową wielkością τ. Napięcie v_dc jest przetwarzane w następujący sposób (równanie 1):

'al 'cl a2 b2

-c2

T,v_dccos(0,) < 2^

0,T,v_dcco^ Θ,+X₂v_dc cos(0₂)

2π x₂v_dc COS^V9₂ s 0, 2π x₂v_dc cos^0₂ + ₃

W każdym przypadku wielkości τ i Θ sąustalane przez właściwe sterowanie przełącznikami mocy 3 w inwerterze. Te parametry mogąbyć zmieniane nagle i niezależnie w odpowiedzi na sygnały odniesienia (τ*, Θ*) dostarczane przez układ sterowania 18. Te sygnały odniesienia sąjedynymi wejściowymi sygnałami sterującymi układu.

Figura 5 pokazuje napięcia po stronie prądu przemiennego inwertera 2 połączone szeregowo z linią przesyłową przez idealny transformator 7A, 7B, 7C. Dlatego pomijane są efekty związane z reaktanecąrozproszenia w transformatorze i przyjęto, że prądy po stronie prądu przemiennego w inwerterze 2 sąproporcjonalne do prądów linii przesyłowej. Strona prądu przemiennego inwertera 1 jest pokazana jako dołączona do linii przesyłowej przez połączone szeregowo cewki indukcyjne 19A, 19B119C reprezentujące równoważnąindukcyjność rozproszenia transformatora 8 (patrz fig. 1), która bocznikuje linię przesyłową 6 w obwodzie rzeczywistym.

Figura 5 określa oznaczenia i warunki polaryzacji dla prądów i napięć w różnych gałęziach równoważnego układu mocy. Poza tym jest zastosowane dogodne oznaczenie wektorowe do reprezentowania wartości chwilowych trójfazowych zespołów zmiennych (prądów i napięć). Zgodnie z tym oznaczeniem wartość chwilowa każdego z zespołów trójfazowych jest znamienna przez wektor dwuwymiarowy określony przez współrzędne w prostokątnym układzie odniesie12

175 444 nia d, q. Układ odniesienia jest określony w taki sposób, że oś d jest zawsze zgodna z wybranym wektorem odniesienia. W tym przypadku wektor odniesienia oznacza napięcie linii przesyłowej w punkcie połączenia dla inwertera 1. Figura 8 opisana poniżej określa, jak wszystkie odpowiednie wektory układu są otrzymywane w tym układzie odniesienia ze związanych wielkości trójfazowych. Układ fazowy na figurze 6 przedstawia te wektory graficznie.

To oznaczenie wektorowe jest wprowadzone, ponieważ składowe d, q wektorów w wybranym układzie odniesienia ułatwiają opis chwilowego przepływu mocy. W przypadku inwertera 1, moc chwilowa pochodząca z linii przesyłowej 6 jest:

P] =3/2 v.i_dl Równanie 2

Zatem składowa prądu idi uwzględnia całą moc rzeczywistą bez względu na składową prądu i_qV Dlatego składowa prądu i_qi jest określona jako “chwilowy prąd bierny” w tej gałęzi i możemy następnie określić chwilową moc bierną jako:

Qi = 3/2 v.iq] Równame 3

Układ sterowania usiłuje sterować tymi dwoma składowymi oddzielnie w celu spełnienia wymagania mocy czynnej (dla sterowania napięciem kondensatora stałego) i wymaganiem mocy biernej (dla sterowania układem zewnętrznym).

W przypadku inwertera 2, wektor e₂ Ie_(i2 eq₂) napięcia końcówki po stronie prądu przemiennego jest dodawany skutecznie do wektora (v, 0) napięcia odniesienia dla wytwarzania wektora v / (v'd, v'q‘). Ponieważ wektor e₂ może być przypisany dowolny kąt fazowy względem wektora v i dowolna (w granicach) wartość chwilowa, wartość wektora v może być bezzwłocznie i dokładnie regulowana co do fazy i wartości.

Figura 6 przedstawia rozmieszczenie wektorów układu dla typowych warunków roboczych stanu stałego. Należy zauważyć, że jeżeli jest dozwolone, żeby wektor przyjął dowolne kąty fazowe, inwerter 2 będzie dostarczał w sposób nieunikniony moc czynną z linii przesyłowej 6. Ta moc jest dana przez:

P2 = 3/2 (ed2.id2 + eq2.iq2) Równanie 4

Pomijając straty mocy w inwerterach, przyjmujemy, że w każdym przypadku moc z końcówek po stronie prądu przemiennego pojawia się w takiej samej ilości na końcówkach prądu stałego. Jeżeli inwerter 2 ma dowolność w zmianie jego mocy czynnej, inwerter 1 musi wówczas określać równą i przeciwną moc czynną plus dodatkowa ilość wymagana do uzupełnienia strat i utrzymania napięcia kondensatora na ustalonym poziomie.

Układ sterowania 18 jest przedstawiony na figurze 7. Zewnętrzny układ sterowania 20 wykorzystuje mierzone zmienne zawierające trzy prądy fazowe, i_ai-i_ci dostarczane przez inwerter 1 do układu linii przesyłowej 6, prądy przemienne i_a2-i_C2 płynące przez drugi inwerter i napięcia międzyprzewodowe v_ab-Vc_b na linii przesyłowej w punkcie, gdzie inwerter 1 jest dołączony do linii przesyłowej 6, wraz z sygnałami wejściowymi odniesienia i nastawieniami parametrów określonymi tak, jak to omówiono powyżej dla ustalenia wartości odniesienia dla wielkości e*2 w transformowanym układzie odniesienia dla napięcia wprowadzanego przez inwerter 2 do linii przesyłowej 6. To odniesienie napięcia jest transformowane we współrzędne dla ustalonej płaszczyzny odniesienia przez podział e*2 przez vdc w bloku 21 w celu wytwarzania wielkości odniesienia τ*₂ i przez sumowanie kąta odniesienia α*2 z kątem φ wytwarzanym przez pętlę 22 synchronizacji fazowej wektorów w układzie sumującym 23 dla wytwarzania kąta fazowego odniesienia Θ*2. Odniesienia τ*2 i Θ*2 są dostarczane do układu sterującego 24 bramką dla inwertera 2, który powoduje zapłon tyrystorów inwertera 2 dla wytwarzania wprowadzanego napięcia o wymaganej wartości i kącie fazowym.

Jak wspomniano wyżej, sterowanie wektorem ^2 przy pomocy inwertera 2 jest zwyczajowe i rzeczywiście bezzwłoczne. Układ sterowania jest więc głównie związany ze sterowaniem prądów id_b iq1 inwertera 1 tak, żeby utrzymać napięcie po stronie prądu stałego i spełnić wymaganie mocy biernej Q*, bocznika, którajest także dostarczana przez zewnętrzny układ sterowania 20.

175 444

Sterownik pracuje ze sprzężeniem zwrotnym mierzonego wektora i, mającego składowe i_di, iq, które sąwytwarzane przez funkcję 23 transformacji współrzędnej osi obrotowej z prądów przemiennych ζμ i_bl i ΐ_Η inwertera 1, stosując kąty φ wytwarzane przez pętlę 22 synchronizacji fazowej. W zrównoważonych warunkach sinusoidalnych stanu stałego, wektor i, jest stały.

Składowe idi, iqi są porównywane w układach sumująco-odejmujących 24 i 25 odpowiednio z wartościami odniesienia i*di, i* _ql dla wytwarzania sygnałów błędu d i q, z których każdy przechodzi przez blok kompensacji 26, 27 proporcjonalnej plus całkowita. Wielkość wektora v napięcia linii jest mierzona w bloku 28 i dostarczana do przodu do toru przedniego sterowania osiąd przez układ sumujący 29 w celu eliminacji jakichkolwiek efektów związanych z dynamiką linii przesyłowej 6. Uzyskane sygnały osi d i q określają wymagany wektor e*di, e*_qi napięcia po stronie prądu przemiennego dla inwertera 1. Sterownik wykorzystuje więc wektor edi do oddziaływania na wartość idi i eqi do oddziaływania na iqi. Zatem występuje skrosowanie pomiędzy wielkościami osi d i q tak, że zmiany edi i eqi powodujątakże odpowiednie zmiany iqi i idi. Analiza obwodu zamkniętego wykazała, że te oddziaływania wzajemne nie zostają znacznie pogorszone przez zachowanie dynamiczne układu. Jednak skrosowanie osi d-q można usunąć przez wprowadzenie wyrażenia φΙί_ς1 do toru błędu osi d przez połączenie 30 i oLidi do toru błędu osi q, jak to zaznaczono na fig. 7. L jest indukcyjnością rozproszenia transformatora bocznikowego 8 i ojest częstotliwością podstawową układu.

Dwie składowe i*di i i*qi wektora odniesienia prądu są dostarczane z oddzielnych źródeł. Wartość odniesienia i*_qijest dostarczana po prostu z Q*i, wymaganej mocy biernej wytwarzanej przez zewnętrzny układ sterowania 20 zgodnie z równaniem 3, przez podanie współczynnika skalarnego 2/3 do bloku 31 i przez podzielenie wyniku przez wartość wektora v w układzie dzielącym 32. Z drugiej strony wartość odniesienia i*di, która jest odpowiedzialna za moc czynną dostarczaną przez inwerter 1, zawiera dwie składowe, które są sumowane w połączeniu 33. Pierwsza z nich jest ujemną mocy czynnej inwertera 2, mierzoną na jego końcówkach prądu stałego. Zatem prąd stały id ^jest mnożony przez napięcie stałe v w układzie mnożącym 34-. Iloczyn P* jest skalowany przez współczynnik 2/3 w bloku 35 i następnie dzielony przez wartość napięcia v w bloku dzielącym 36. Uzyskany sygnał umożliwia bezzwłoczną regulację mocy czynnej inwertera 1 w ślad za dowolnymi zmianami mocy czynnej inwertera 2.

Druga część wartości odniesienia i*di pochodzi od sygnału błędu pętli sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, która jest odpowiedzialna za regulację napięcia stałego Vdc łącza do wartości odniesienia v*_dc- Błąd pomiędzy mierzonym napięciem v_dc łącza i wartośććąodniesienia v*_dc jest wytwarzany w bloku funkcji różnicowej 37. Sterowanie proporcjonalne plus całkowita jest dostarczane do błędu w bloku 38. Ta pętla kompensuje straty mocy układu i inne zachowania nieidealne, które inaczej powodowałyby zmianę wartości v_td w sposób błędny.

Wartości e*di ie*qi reprezentują składowe rzeczywistą i urojoną napięcia wprowadzanego przez inwerter 2 w układzie obrotowym współrzędnych odniesienia. Wektor ej jest transformowany we współrzędne biegunowe e*_di i a*i w bloku 39. Wielkość e*ijest normalizowana do napięcia stałego v_dc łącza przez układ dzielący 40 dla wytwarzania wielkości odniesienia τ*_υ Kąt φ wytwarzany przez pętlę 22 synchronizacji fazowej jest dodawany do a*i w układzie sumującym 41 dla wytwarzania kąta fazy odniesienia θ*_ν Jak to pokazano na fig. 7, wielkości τ* i θ*1 służą jako wejścia do układu sterowania 42 bramką dla inwertera 1.

Figura 8 przedstawia bardziej szczegółowo pewne elementy układu sterowania z fig. 7. Przelicznik43 wektorów wytwarza składowe rzeczywistąi urojonąVd_S i Vq_S wektora v w układzie obrotowym współrzędnych z mierzonych napięć międzyprzewodowych i v_Cb Składowa rzeczywista vds jest wytwarzana przez zastosowanie współczynnika skalarnego 2/3 vab w bloku 44, zmianę skali v_fb o współczynnik 1/3 w bloku 45 i wytworzenie różnicy w połączeniu 46. Składowa urojona vqs jest wytwarzana przez zastosowanie współczynnika skalarnego -1/w bloku 47. Układ liczący 28 wartość wektora wytwarza v, wartość napięcia linii przesyłowej ze składowych rzeczywistej i urojonej vds i vqs.

175 444

Pętla 22 synchronizacji fazowej wektorów wytwarza kąt fazowy φ dla synchronizacji zapłonu tyrystorów inwertera do napięcia linii przesyłowej 6. Składowa rzeczywista v_ds jest mnożona w bloku 48 przez sinus kąta φ otrzymywanego w bloku 49. Iloczyn tego jest odejmowany w układzie odejmującym 50 od obliczonego w bloku 51 iloczynu składowej urojonej napięcia Vq_S i cosinusa φ otrzymanego w bloku 52. Sterowanie proporcjonalne plus całkowita jest dostarczane do różnicy w bloku 53 i wynik jest całkowany w bloku 54 dla wytwarzania kąta φ.

Kąt φ jest stosowany przez blok 23 transformacji obrotowych współrzędnych osi dla wytwarzania składowych rzeczywistej i urojonej prądu inwertera 1 z mierzonych prądów trójfazowych inwertera 1. Prądy trójfazowe i_al, i_bl i id sąmnożone przez funkcje sinus φ odpowiednio w blokach 55, 56, 57, a wyniki są sumowane ujemnie w połączeniu 58 dla wytwarzania składowej urojonej i_q, prądu inwertera 1 w układzie obrotowym odniesienia osi. Podobnie mierzone prądy sąmnożone przez funkcje cosinus φ w blokach 59, 60, 61 i sumowane w połączeniu 62 dla wytwarzania składowej rzeczywistej i_di.

Sterownik przepływu według wynalazku steruje przez jednoczęściowe urządzenie wszystkimi funkcjami realizowanymi poprzednio przez oddzielne części urządzenia. Inwerter 1 może być sterowany dla regulacji mocy biernej na linii przesyłowej, równocześnie dostarczając moc czynną do inwertera 2. Inwerter 2 może być stosowany do niezależnej lub równoczesnej regulacji impedancji linii, kąta fazowego napięcia i wartości napięcia. Zatem sterownik według wynalazku może być stosowany do ograniczania prądu zakłóceniowego poprzez regulację impedancji linii przez przetwornik 2. Może być on także stosowany do wyrównywania prądu w równoległych liniach przesyłowych poprzez regulację impedancji linii przesyłowej lub poprzez regulację kąta fazowego. Sterownik przepływu mocy według wynalazku wprowadza napięcie tylko o częstotliwości podstawowej, więc nie powoduje rezonansu podsynchronicznego. Z drugiej strony, może być on stosowany do tłumienia drgań, jeżeli w linii przesyłowej występuje kondensator. Wszystko to można zrealizować ekonomicznie przez to, że inwertery 1 i 2 są identyczne.

175 444

V

A-B

V

B-C

V

C-A _j -l_j _j_I 1 I 1 1 Li^Vdc ~Π_I 1 ί 1 1 i ^Vdc

FIG. 3

175 444

FIG. 4A

175 444

FIG. 4B «η

CD /

''T

175 444

175 444

175 444

175 444

175 444

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims (16)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sterownik przepływu mocy do sterowania przepływem mocy elektrycznej w systemie przesyłowym prądu przemiennego, zawierającym linię przesyłową mającą dwa końce i przesyłającąprąd przemienny przy wybranym napięciu linii przesyłowej i częstotliwości podstawowej pomiędzy jej dwoma końcami, zawierający przełączające obwody przetwornikowe mocy wytwarzające napięcie przemienne przy częstotliwości podstawowej prądu przemiennego oraz obwody sprzęgające napięcie przemienne wytwarzane przez przełączające obwody przetwornikowe mocy szeregowo z napięciem linii przesyłowej, znamienny tym, że zawiera dołączony do przełączających obwodów przetwornikowych mocy (1, 2) układ sterowania (18) napięciem przemiennym wytwarzanym przez przełączające obwody przetwornikowe mocy (12) przy częstotliwości podstawowej do wartości i kąta fazowego napięcia linii przesyłowej (6), dla selektywnego nastawiania, indywidualnie i współzależnie, impedancji skutecznej linii przesyłowej (6), skutecznego kąta fazowego pomiędzy napięciami na dwóch końcach linii przesyłowej (6) oraz wartości napięcia linii przesyłowej (6).
2. 2. Sterownik według zastrz. 1, znamienny tym, że przełączające obwody przetwornikowe mocy (1,2) są zbudowane z inwertera (2) prądu stałego w prąd przemienny i obwodów dostarczających moc prądu stałego do inwertera (2) prądu stałego na prąd przemienny.
3. 3. Sterownik według zastrz. 2, znamienny tym, że obwody dostarczające moc prądu stałego do inwertera (2) prądu stałego na prąd przemienny są zbudowane z dodatkowego inwertera (1) prądu stałego na prąd przemienny oraz obwodów łączących zaciski prądu stałego dodatkowego inwertera (1) prądu stałego na prąd przemienny z zaciskami prądu stałego inwertera (2) prądu stałego na prąd przemienny i obwodów (8) sprzęgających zaciski prądu przemiennego dodatkowego inwertera (1) prądu stałego na prąd przemienny ze źródłem mocy prądu przemiennego.
4. 4. Sterownik według zastrz. 3, znamienny tym, że źródłem mocy prądu przemiennego jest linia przesyłowa (6).
5. 5. Sterownik według zastrz. 1, znamienny tym, że przełączające obwody przetwornikowe mocy (1, 2) są zbudowane z obwodów przetwornikowych prądu przemiennego na prąd przemienny, wytwarzających napięcie przemienne na zaciskach wyjściowych, i obwodów dostarczających moc prądu przemiennego do zacisków wejściowych obwodów przetwornikowych prądu przemiennego na prąd przemienny.
6. 6. Sterownik według zastrz. 5, znamienny tym, że obwody dostarczające moc prądu przemiennego do zacisków wejściowych obwodów przetwornikowych prądu przemiennego na prąd przemienny zawierają obwody (8) sprzęgające te zaciski wejściowe z linią przesyłową (6).
7. 7. Sterownik według zastrz. 1, znamienny tym, że układ sterowania (18) jest obwodem selektywnego nastawiania skutecznej, czynnej i biernej, impedancji szeregowej linii przesyłowej (6).
8. 8. Sterownik według zastrz. 1, znamienny tym, że układ sterowania (18) zawiera pierwszy obwód dostarczania wartości i kąta fazowego napięcia przemiennego doprowadzanego szeregowo do linii przesyłowej (6) dla ustalania wybranej impedancji linii przesyłowej (6), wybranego kąta fazowego i wybranego napięcia linii przesyłowej (6) dla ustalania wybranego przepływu mocy w linii przesyłowej (6) oraz dołączony do pierwszego obwodu drugi obwód do sterowania przełączającymi obwodami przetwornikowymi mocy (1,2) dla wytwarzania napięcia przemiennego.
9. 9. Sterownik według zastrz. 1, znamienny tym, że przełączające obwody przetwornikowe mocy (1,2) są zbudowane z pierwszego inwertera (1) prądu stałego na prąd przemienny z zaciskami prądu przemiennego zbocznikowanymi względem linii przesyłowej (6) i zaciskami prądu stałego, drugiego inwertera (2) prądu stałego na prąd przemienny z zaciskami prądu przemiennego do wprowadzania napięcia przemiennego szeregowo do linii przesyłowej (6) i zaciskami prądu stałego oraz obwodów łączy prądu stałego łączących zaciski prądu stałego inwerterów pie175 444 rwszego (1) i drugiego (2), przy czym układ sterowania (18) jest obwodem sterujących wymianą mocy czynnej i biernej pomiędzy linią przesyłową (6) i pierwszym inwerterem (1) prądu stałego na prąd przemienny do dostarczania mocy czynnej do drugiego inwertera (2) prądu stałego na prąd przemienny przy wybranym współczynniku mocy oraz obwodem sterującym drugim inwerterem (2) prądu stałego na prąd przemienny do wytwarzania napięcia przemiennego o wybranej wartości i wybranym kącie fazowym pomiędzy 0 i 360° dla ustalenia wybranej impedancji linii przesyłowej (6), wybranego kąta przesyłowego i wybranego napięcia linii przesyłowej (6).
10. 10. Sterownik według zastrz. 9, znamienny tym, że układ sterowania (18) jest sterownikiem wektorów dostarczającym sygnały bramkujące dla inwerterów pierwszego (1) i drugiego (2) zbudowanym z układu (22) pętli synchronizacji fazowej dołączonego do układu (28) obliczającego wartość wektora i układu (23) transformacji współrzędnych obrotowych osi, które z kolei są dołączone poprzez obwody sterujące napięciem stałym do układu (42) sterowania bramką pierwszego inwertera (1) oraz poprzez obwody odniesienia do układu (24) sterowania bramką drugiego inwertera (2).
11. 11. Sterownik według zastrz. 10, znamienny tym, że obwody sterujące napięciem stałym są obwodami czułymi na sygnał sprzężenia zwrotnego napięcia stałego reprezentujący napięcie stałe pomiędzy pierwszym inwerterem (1) i drugim inwerterem (2), sygnał sprzężenia zwrotnego prądu stałego reprezentujący prąd stały drugiego inwertera (2) i sygnał odniesienia napięcia stałego reprezentującego wymagany poziom napięcia stałego.
12. 12. Sterownik według zastrz. 10, znamienny tym, że obwody odniesienia są obwodami czułymi na co najmniej jeden z sygnałów reprezentujących wektor napięcia linii przesyłowej (6), wektor prądu linii przesyłowej (6) i wektor prądu przemiennego pierwszego inwertera (1).
13. 13. Sterownik według zastrz. 9, znamienny tym, że obwody łączy prądu stałego zawierają element magazynujący energię do magazynowania mocy czynnej.
14. 14. Sterownik według zastrz. 13, znamienny tym, że elementem magazynującym energią jest kondensator (4).
15. 15. Sterownik według zastrz. 9, znamienny tym, że inwertery pierwszy (1) i drugi (2) są inwerterami zasilanymi napięciem.
16. 16. Sterownik według zastrz. 9, znamienny tym, że inwertery pierwszy (1) i drugi (2) są inwerterami zasilanymi prądem.