RU157116U1 - Полупроводниковое фазоповоротное устройство - Google Patents

Abstract

Полупроводниковое фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого включены в рассечку фаз высоковольтной линии электропередачи, трехфазный шунтовый трансформатор, высоковольтные выводы которого подключены к клеммам рассечки фаз высоковольтной линии электропередачи со стороны входа ПФУ, а вторичные обмотки каждой фазы выполнены в виде пяти гальванически развязанных секций, выводы которых подключены к соответствующим входным клеммам трехфазного коммутатора, выполненного в виде трех цепочек, каждая из которых состоит из группы однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными ключами в каждом плече, причем первые выводы каждой цепочки трехфазного коммутатора подключены к соответствующим первым выводам первичных обмоток сериесного трансформатора, отличающееся тем, что первичные обмотки шунтового трансформатора соединены по схеме «треугольник», а все пять гальванически развязанных секций вторичных обмоток каждой фазы выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации, причем вторые выводы трех цепочек трехфазного коммутатора объединены между собой и подключены к общей точке соединения вторых выводов первичных обмоток сериесного трансформатора, включенных по схеме «звезда», при этом первая цепочка трехфазного коммутатора, первый вывод которой подключен к первому выводу первичной обмотки третьей фазы сериесного трансформатора, выполнена из трех преобразователей модуля поперечного регулирования с арифметическим суммированием векторов напряжений трех секций вторичной обмотки первой фазы шунтового трансформа

Description

Решение относится к высоковольтным электротехническим комплексам для управляемых линий электропередач.

Известно фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и вставлены в рассечку фаз высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены по схеме треугольника, узлы соединения обмоток которого подключены к высоковольтным выводам трехфазного высоковольтного коммутатора. При этом низковольтные выводы всех фаз коммутатора соединены по схеме звезды, а входные выводы каждой фазы коммутатора подключены ко вторичной обмотке соответствующей фазы трехфазного шунтового трансформатора. первичные обмотки которого высоковольтными выводами подключены к средним выводам вторичных обмоток сериесного трансформатора, а низковольтными выводами соединены по схеме звезды и заземлены (патент Российской Федерации на полезную модель RU 106060 U1 кл. Н03Н 7/18, опубл. 27.06.2011 г.).

Недостаток данного фазоповоротного устройства заключается в реализации симметричного регулирования напряжения и отсутствии продольного регулирования. Это делает невозможным изменение, а следовательно и стабилизацию выходного напряжения по величине.

Наиболее близким к техническому решению по технической сущности является ПФУ, которое реализует продольно-поперечное регулирование напряжения (патент Российской Федерации на полезную модель RU 2450420 С1 кл. Н03С 3/00, опубл. 10.05.2012 г.). Поперечное регулировании напряжения фазы С обеспечивается группами N1 и N2 (чужих) фаз В и А вторичных обмоток шунтового трансформатора, питающего через тиристорные коммутаторы первичные обмотки сериесного трансформатора. Причем числа витков вторичных обмоток шунтового трансформаторара этих групп выбраны в соответствии с геометрической числовой последовательностью при основании равном трем. Продольное регулирование выполняется группой N1 (своей) фазы С. Числа витков вторичных обмоток шунтового трансформатора в пределах этой группы выбраны в соответствии с геометрической числовой последовательностью при основании равном двум.

Данное ПФУ имеет следующие недостатки. ПФУ может применяться только в линиях электропередач с заземленной нейтралью, необходимой для подключения первичных обмоток шунтового трансформатора. В связи с этим реализация схемного решения невозможна в сетях среднего напряжения (6-20 кВ) из-за отсутствия в них нейтрального провода. В этом ПФУ необходимо разбиение вторичных обмоток шунтового трансформатора на секции, имеющие разное число витков, что значительно усложняет коммутационные процессы. Требуется применение трансформаторов повышенной мощности, т.к. в данном ПФУ регулирование происходит путем геометрического сложения векторов напряжений.

Решаемая задача - регулирование потоков активной и реактивной мощностей в высоковольтных электрических сетях.

Технический результат - расширение области применения и функциональных возможностей ПФУ, а также уменьшение расчетной мощности трансформаторов, входящих в его состав.

Технический результат достигается тем, что в ПФУ, содержащем трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого включены в рассечку фаз высоковольтной линии электропередачи, трехфазный шунтовый трансформатор, высоковольтные выводы которого подключены к клеммам рассечки фаз высоковольтной линии электропередачи со стороны входа ПФУ, а вторичные обмотки каждой фазы выполнены в виде пяти гальванически развязанных секций, выводы которых подключены к соответствующим входным клеммам трехфазного коммутатора, выполненного в виде трех цепочек, каждая из которых состоит из группы однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными ключами в каждом плече, причем первые выводы каждой цепочки трехфазного коммутатора подключены к соответствующим первым выводам первичных обмоток сериесного трансформатора, отличающемся тем, что первичные обмотки шунтового трансформатора соединены по схеме «треугольник», а все пять гальванически развязанных секций вторичных обмоток каждой фазы выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации, причем вторые выводы трех цепочек трехфазного коммутатора объединены между собой и подключены к общей точке соединения вторых выводов первичных обмоток сериесного трансформатора, включенных по схеме «звезда», при этом первая цепочка трехфазного коммутатора, первый вывод которой подключен к первому выводу первичной обмотки третьей фазы сериесного трансформатора, выполнена из трех преобразователей модуля поперечного регулирования с арифметическим суммированием векторов напряжений трех секций вторичной обмотки первой фазы шунтового трансформатора и двух преобразователей модуля продольно-поперечного регулирования с геометрическим суммированием векторов напряжений секций вторичной обмотки второй и третьей фаз шунтового трансформатора; вторая цепочка коммутатора, первый вывод которой подключен к первому выводу первичной обмотки первой фазы трехфазного сериесного трансформатора, выполнена из трех преобразователей модуля поперечного регулирования, соединенных с тремя секциями вторичной обмотки второй фазы шунтового трансформатора, и двух преобразователей модуля продольно-поперечного регулирования с геометрическим суммированием векторов напряжений секций вторичной обмотки третьей и первой фаз шунтового трансформатора, а третья цепочка коммутатора, первый вывод которой подключен к первому выводу первичной обмотки второй фазы трехфазного сериесного трансформатора, выполнена из трех преобразователей модуля поперечного регулирования, соединенных с тремя секциями вторичной обмотки третьей фазы шунтового трансформатора, и двух преобразователей модуля продольно-поперечного регулирования с геометрическим суммированием векторов напряжений секций вторичной обмотки первой и второй фаз шунтового трансформатора, сдвиг по фазе выходных линейных напряжений относительно входных реализуется, в основном, модулем поперечного регулирования, а стабилизация величины выходных напряжений осуществляется модулем продольно-поперечного регулирования. В последнем используется геометрическое суммирование векторов напряжений секций вторичной обмотки соседних фаз шунтового трансформатора. Это позволяет реализовать режимы продольного, продольно-поперечного и дополнительного поперечного регулирования и расширить его функциональные возможности. Соединение первичных обмоток шунтового трансформатора по схеме «треугольник» не требует использования нейтрали для реализации схемного решения и позволяет его использовать в сетях низкого, среднего, и высокого напряжений. Благодаря этому расширяется область применения в сравнении с известными аналогами. При указанном способе соединения первичных обмоток для поперечного регулирования применяется арифметическое суммирование векторов напряжений трех секций вторичной обмотки одной фазы шунтового трансформатора. При таком суммировании уменьшаются расчетные значения напряжений и мощностей регулировочных секций модуля поперечного регулирования в сравнении с геометрическим суммированием, применяемым в известных аналогах.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена функциональная схема ПФУ.

Предлагаемое ПФУ содержит трехфазный сериесный трансформатор 1, вторичные обмотки 2, 3, 4 которого подключены к клеммам 5 рассечки фазы А, 6 рассечки фазы В, 7 рассечки фазы С трехфазной высоковольтной линии 8 электропередачи со стороны входа ПФУ и к клеммам 9 рассечки фазы А, 10 рассечки фазы В, 11 рассечки фазы С трехфазной высоковольтной линии 12 электропередачи со стороны выхода ПФУ; трехфазный шунтовый трансформатор 13, первичные обмотки 14, 15, 16 которого соединены по схеме треугольник и подключены к клеммам 5, 6, 7, а вторичные обмотки каждой из трех фаз выполнены в виде пяти гальванически развязанных секций 17-31, подключенных к соответствующим входным клеммам 32-55 трехфазного коммутатора, выполненного в виде трех цепочек, каждая из которых состоит из группы однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными ключами 56-71 в каждом плече. При этом первые выводы 72-74 каждой цепочки трехфазного коммутатора подключены к соответствующим первым выводам 75-77 первичных обмоток 78-80 сериесного трансформатора 1. Вторые выводы 81-83 этих трех цепочек трехфазного коммутатора объединены между собой и подключены к общей точке 84 соединения вторых выводов 85-87 первичных обмоток 78-80 сериесного трансформатора 1, причем первая цепочка трехфазного коммутатора, первый вывод 74 которой подключен к первому выводу 75 первичной обмотки 78 третьей фазы трехфазного сериесного трансформатора 1, выполнена из трех преобразователей первой фазы, одного преобразователя второй фазы и одного преобразователя третьей фазы; вторая цепочка, первый вывод 72 которой подключен к первому выводу 77 первичной обмотки 80 первой фазы трехфазного сериесного трансформатора 1, выполнена из трех преобразователей второй фазы, одного преобразователя третьей фазы и одного преобразователя первой фазы, а третья цепочка, первый вывод 73 которой подключен к первому выводу 76 первичной обмотки 79 второй фазы трехфазного сериесного трансформатора 1, выполнена из трех преобразователей третьей фазы, одного преобразователя первой фазы и одного преобразователя второй фазы.

ПФУ работает следующим образом.

При включенных коммутаторах 56-57 и выключенных коммутаторах 58-63 все секции регулировочных обмоток исключаются из цепи питания первичных обмоток трансформатора 1. В этом режиме первичные обмотки сериесного (последовательного) трансформатора оказываются закорочены на нейтраль и их напряжения, а также напряжения вторичных обмоток (Δu), равны нулю. В результате этого выходные напряжения ПФУ (u_A2B2, u_B2C2, U_C2A2) равны входным напряжениям (u_AB, u_BC, u_CA) соответственно.

При включенных коммутаторах 56 и 59 всех фаз в цепи питания первичных обмоток последовательного трансформатора вводятся инверсные напряжения ступеней поперечного регулирования (u_C1=-u_2A, u_B1=-u_2C, u_A1=-u_2B). Соответственно, в рассечку линий ПФУ вводятся напряжения вторичных обмоток (Δu), отличающиеся от напряжений u₂ пропорционально коэффициенту трансформации (K₂) последовательного трансформатора. Следует отметить, что для поперечного регулирования напряжения фазы А применяется напряжение фазы В (u_2B) шунтового трансформатора 13, пропорциональное линейному напряжению u_BC. Аналогично для поперечного регулирования напряжений фаз В и С используются напряжения фаз С (u_2C) и A (u_2A), соответственно. Указанные напряжения находятся в фазе с входными линейными напряжениями u_CA, u_AB. На основании вышеизложенного и с учетом коэффициента трансформации регулировочных секций модуля поперечного регулирования (K_1.2) трансформатора 13 и коэффициента трансформации последовательного трансформатора (K₂) можно записать: Δu_C=-К_1.2·К₂·u_AB; Δu_B=-K_1.2·K₂·u_CA; Δu_A=- K_1.2·K₂·u_BC.

Указанные напряжения составляют одну ступень поперечного регулирования. Векторная диаграмма входных и выходных линейных напряжений для рассматриваемого режима приведена на фиг. 2.

Из представленной на фиг. 2 диаграммы следует, что введение в линию каждой фазы ступени поперечного регулирования позволяет получить на выходе ПФУ линейные напряжения, отстающие по фазе относительно входных напряжений на угол α. Можно показать, что линейные выходные напряжения, отстающие от входных напряжений ПФУ на углы 2α и 3α получаются путем последовательных переключений с коммутатора 59 на коммутаторы 61 и 63, соответственно. В этих режимах в линию каждой фазы вводится удвоенная, а затем утроенная ступени поперечного регулирования. Линейные выходные напряжения, опережающие входные напряжения ПФУ на углы α, 2α и 3α, получаются при включенном коммутаторе 57 реверсированием ступеней поперечного регулирования путем последовательных переключений с 56 на 58, 60 и 62 соответственно.

Следует отметить, что в данном варианте ПФУ при поперечном регулировании используется арифметическое суммирование векторов напряжений регулировочных секций (u₂). Это позволяет снизить на 15% расчетную мощность регулировочной обмотки модуля поперечного регулирования в сравнении с рассмотренными ранее ПФУ, использующими геометрическое суммирование векторов напряжений регулировочных секций разных фаз. Из векторной диаграммы, показанной на фиг. 2, следует, что при поперечном регулировании увеличиваются линейные напряжения на выходе ПФУ. Стабилизация линейных напряжений по величине с возможностью дополнительного поперечного регулирования может быть выполнена модулями продольно-поперечного регулирования. В зависимости от состояния тиристорных коммутаторов регулировочные секции данных модулей могут быть исключены из цепи питания трансформатора 1, а также обеспечивать продольное, продольно-поперечное и дополнительное поперечное регулирование.

Режим продольного регулирования реализуется путем встречно последовательного соединения соответствующих регулировочных секций трансформатора 13 с напряжением u₃. Такое соединение секций позволяет получить систему напряжений, сдвинутых по фазе относительно линейных напряжений на 90°. Увеличение выходного напряжения ПФУ получается при включении тиристорных коммутаторов 65, 66, 68, 71. При этом в цепи питания первичных обмоток последовательного трансформатора вводится геометрическая разность напряжений, описываемая выражениями: u_c1=u_3B-u_3C; u_A1=u_3C-u_3A; u_B1=u_3A-u_3B. Соответственно, в рассечку линий ПФУ вводятся напряжения вторичных обмоток (Δu), отличающиеся от указанной геометрической разности напряжений u₃ пропорционально коэффициенту трансформации (K₂) последовательного трансформатора. Векторная диаграмма напряжений для данного режима, построенная с учетом совпадения по фазе напряжений u_3A, u_3B, u_3C и входных напряжений u_AB, u_BC, u_CA показана на фиг. 3. Можно показать, что уменьшение выходного напряжения ПФУ получается при включении тиристорных коммутаторов 64, 67, 69, 70.

Векторная диаграмма напряжений при дополнительном поперечном регулировании, построенная с учетом совпадения по фазе напряжений u_3A, u_3B, u_3C и входных напряжений u_AB, u_BC, u_CA, показана на фиг. 4.

Из представленной на фиг. 4 диаграммы следует, что указанная выше комбинация включенных коммутаторов позволяет получить на выходе ПФУ линейные напряжения, опережающие по фазе входные напряжения на дополнительный угол. Отстающие по фазе выходные напряжения получаются при включении коммутаторов 65, 66, 69, 70.

Совместное использование модулей поперечного и продольно-поперечного регулирования позволяет регулировать фазу и величину выходного напряжения ПФУ. Следует отметить, что рассмотренный вариант ПФУ с согласующим трансформатором (фиг. 1) обладает большими функциональными возможностями. Это объясняется реализацией режимов продольно-поперечного и дополнительного поперечного регулирования в модуле продольного регулирования. Кроме того, тиристоры вынесены в цепь вторичных обмоток параллельного трансформатора и находятся под действием низкого напряжения. Это снижает требования, предъявляемые к изоляции тиристоров от элементов конструкции контактора, и снимает ограничения на применение данного схемного решения в сетях высокого (более 20 кВ) напряжения.

Сравнение заявленной полезной модели с прототипом позволило установить, что она отличается от последнего способом сложения векторов напряжений разных фаз, расширенными функциональными возможностями модуля продольного регулирования, поскольку в нем предусмотрены режимы дополнительного поперечного и продольно-поперечного регулирования напряжения.

Сравнение заявленной полезной модели с другими известными решениями в данной области техники показало, что идентичные признаки, отличающие заявленную полезную модель от прототипа, обеспечивают получение нового технического результата, и поэтому это техническое решение соответствует критерию изобретательский уровень.

Применение заявленной полезной модели в высоковольтных электротехнических комплексах для управляемых линий электропередач обеспечивает соответствие критерию промышленная применимость.

Claims (1)

1. Полупроводниковое фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого включены в рассечку фаз высоковольтной линии электропередачи, трехфазный шунтовый трансформатор, высоковольтные выводы которого подключены к клеммам рассечки фаз высоковольтной линии электропередачи со стороны входа ПФУ, а вторичные обмотки каждой фазы выполнены в виде пяти гальванически развязанных секций, выводы которых подключены к соответствующим входным клеммам трехфазного коммутатора, выполненного в виде трех цепочек, каждая из которых состоит из группы однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными ключами в каждом плече, причем первые выводы каждой цепочки трехфазного коммутатора подключены к соответствующим первым выводам первичных обмоток сериесного трансформатора, отличающееся тем, что первичные обмотки шунтового трансформатора соединены по схеме «треугольник», а все пять гальванически развязанных секций вторичных обмоток каждой фазы выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации, причем вторые выводы трех цепочек трехфазного коммутатора объединены между собой и подключены к общей точке соединения вторых выводов первичных обмоток сериесного трансформатора, включенных по схеме «звезда», при этом первая цепочка трехфазного коммутатора, первый вывод которой подключен к первому выводу первичной обмотки третьей фазы сериесного трансформатора, выполнена из трех преобразователей модуля поперечного регулирования с арифметическим суммированием векторов напряжений трех секций вторичной обмотки первой фазы шунтового трансформатора и двух преобразователей модуля продольно-поперечного регулирования с геометрическим суммированием векторов напряжений секций вторичной обмотки второй и третьей фаз шунтового трансформатора; вторая цепочка коммутатора, первый вывод которой подключен к первому выводу первичной обмотки первой фазы трехфазного сериесного трансформатора, выполнена из трех преобразователей модуля поперечного регулирования, соединенных с тремя секциями вторичной обмотки второй фазы шунтового трансформатора, и двух преобразователей модуля продольно-поперечного регулирования с геометрическим суммированием векторов напряжений секций вторичной обмотки третьей и первой фаз шунтового трансформатора, а третья цепочка коммутатора, первый вывод которой подключен к первому выводу первичной обмотки второй фазы трехфазного сериесного трансформатора, выполнена из трех преобразователей модуля поперечного регулирования, соединенных с тремя секциями вторичной обмотки третьей фазы шунтового трансформатора, и двух преобразователей модуля продольно-поперечного регулирования с геометрическим суммированием векторов напряжений секций вторичной обмотки первой и второй фаз шунтового трансформатора.

   

Images