RU2711365C1

RU2711365C1 - Phase-shifting device

Info

Publication number: RU2711365C1
Application number: RU2019126348A
Authority: RU
Inventors: Михаил Игоревич Петров; Михаил Георгиевич Асташев; Дмитрий Иванович Панфилов
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2020-01-16

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: use in the field of electrical engineering and electric power engineering for flexible regulation and stabilization of voltage in the electric network, increasing throughput capacity of existing lines and increasing dynamic stability of the power system. Phase-rotary device comprises a series transformer, each phase of a network winding being connected in series to the corresponding phase of the power line, and its valve windings are connected to the corresponding phase outputs of the switch; multi-wind shunt transformer, each phase of primary winding of which is connected to corresponding phase of power transmission line, and secondary windings of each phase of shunt transformer are connected to corresponding inputs of switch, each phase of which consists of two parallel branches connected in parallel, each of which comprises series connection of controlled keys. Common points of connection of controlled keys, symmetrically located on parallel branches of switch, are inputs of switch for corresponding connection of each of secondary windings of shunt transformer, and common points of connection of two parallel branches of switch form outputs of switch. Similar outputs of the secondary windings of each phase of the shunt transformer are connected to the corresponding inputs of the switch located on one of the parallel branches. Said different outputs of secondary windings of shunt transformer, similar outputs of which are separated on parallel branches of switch with one controlled key, are connected by additional controlled switches.EFFECT: increasing the number of voltage levels generated on the winding of each phase of a series transformer.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях для гибкого регулирования и стабилизации напряжения в электрической сети, повышения пропускной способности существующих линий и повышения динамической устойчивости энергетической системы за счет изменения величины напряжения, вводимого последовательно в линию электропередачи (ЛЭП).The invention relates to the field of electrical engineering and electric power industry and can be used in electric networks for flexible regulation and stabilization of voltage in the electric network, increasing the capacity of existing lines and increasing the dynamic stability of the energy system by changing the magnitude of the voltage introduced sequentially into the transmission line (power line).

Известно фазоповоротное устройство (ФПУ) (патент RU на изобретение №106060, публ. 27.06.2011, бюл. №18, МПК Н03Н 7/18), содержащее в своем составе сериесный трансформатор, каждая фаза сетевой обмотки которого подключена последовательно в соответствующую фазу линии электропередачи (ЛЭП), шунтовой трансформатор, каждая фаза первичной обмотки которого подключена к соответствующей фазе ЛЭП, коммутатор, к входам которого подключены вторичные обмотки шунтового трансформатора, а к выходам подключены вентильные обмотки сериесного трансформатора ФПУ. Каждая фаза коммутатора содержит последовательно соединенные мосты, в свою очередь, содержащие по четыре управляемых ключа, посредством управления состоянием которых осуществляют коммутацию вторичных обмоток шунтового трансформатора к вентильным обмоткам сериесного трансформатора. За счет различных коэффициентов трансформации вторичных обмоток в каждой фазе шунтового трансформатора и соответствующего управления управляемых ключей коммутатора на сетевой обмотке каждой фазы сериесного трансформатора формируется напряжение различной величины.Known phase-shifting device (FPU) (RU patent for the invention No. 106060, publ. 06/27/2011, bull. No. 18, IPC Н03Н 7/18), containing a serial transformer, each phase of the network winding of which is connected in series to the corresponding phase of the line power transmission lines (power transmission line), a shunt transformer, each phase of the primary winding of which is connected to the corresponding phase of the power transmission line, a switch to the inputs of which the secondary windings of the shunt transformer are connected, and the valve windings of the FPU series transformer are connected to the outputs. Each phase of the switch contains series-connected bridges, in turn, containing four controlled keys, by controlling the state of which the secondary windings of the shunt transformer are switched to the valve windings of the serial transformer. Due to the various transformation ratios of the secondary windings in each phase of the shunt transformer and the corresponding control of the controlled switch keys, a voltage of various sizes is generated on the network winding of each phase of the series transformer.

Недостатками данного технического решения являются пониженный КПД устройства из-за большого количества управляемых ключей коммутатора, находящихся в проводящем состоянии при формировании на сетевой обмотке сериесного трансформатора требуемого уровня напряжения, а также высокая стоимость ФПУ за счет необходимости применения большого количества элементов теплоотвода и сложной конструкции ФПУ в целом.The disadvantages of this technical solution are the reduced efficiency of the device due to the large number of controlled switch keys that are in a conducting state when a serial voltage transformer is formed on the network winding of the required voltage level, as well as the high cost of the FPU due to the need to use a large number of heat sink elements and a complex FPU design in whole.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является фазоповоротное устройство (патент RU на изобретение №2655922, публ. 30.05.2018, бюл. №16, МПК Н02Н 7/18, МПК H02J 3/18), содержащее сериесный трансформатор сетевые обмотки которого включены последовательно в ЛЭП, шунтовой трансформатор, первичные обмотки которого подключены к соответствующей фазе ЛЭП, коммутатор, к входам которого подключены вторичные обмотки шунтового трансформатора, а к выходам вентильные обмотки сериесного трансформатора. Каждая фаза коммутатора состоит из двух одинаковых параллельно включенных ветвей, содержащих последовательное соединение управляемых ключей. Формирование различных уровней напряжения на сетевой обмотке каждой фазы сериесного трансформатора обеспечивается за счет различных коэффициентов трансформации вторичных обмоток каждой фазы шунтового трансформатора и соответствующего управления управляемыми ключами коммутатора.The closest in technical essence to the present invention is a phase-shifting device (RU patent for the invention No. 2655922, publ. 05/30/2018, bull. No. 16, IPC Н02Н 7/18, IPC H02J 3/18), containing a serial transformer whose network windings are included sequentially in the power line, a shunt transformer, the primary windings of which are connected to the corresponding phase of the power line, a switch, the inputs of which are connected to the secondary windings of the shunt transformer, and the valve windings of the serial transformer are connected to the outputs. Each phase of the switch consists of two identical branches connected in parallel, containing a series connection of managed keys. The formation of various voltage levels on the network winding of each phase of the serial transformer is ensured by various transformation ratios of the secondary windings of each phase of the shunt transformer and the corresponding control of the managed switch keys.

Недостатками данного технического решения является малое количество различных уровней напряжения, формируемых на сетевой обмотке каждой фазы сериесного трансформатора при фиксированном количестве вторичных обмоток шунтового трансформатора.The disadvantages of this technical solution is the small number of different voltage levels generated on the network winding of each phase of the series transformer with a fixed number of secondary windings of the shunt transformer.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение количества дискретных уровней напряжения на каждой фазе сетевой обмотки сериесного трансформатора, что приводит к более плавному регулированию напряжения вводимого с помощью ФПУ в линию электропередачи с сохранением высокого КПД ФПУ.The technical task of the invention is to increase the number of discrete voltage levels at each phase of the network winding of the series transformer, which leads to a more smooth regulation of the voltage introduced using the FPU into the power line while maintaining high efficiency FPU.

Технический результат заключается в увеличении количества уровней напряжения, формируемых на сетевой обмотке каждой фазы сериесного трансформатора, при заданном количестве вторичных обмоток шунтового трансформатора с сохранением высокого КПД ФПУ.The technical result consists in increasing the number of voltage levels generated on the network winding of each phase of the series transformer, for a given number of secondary windings of the shunt transformer with maintaining high efficiency of the FPU.

Это достигается тем, что известное фазоповоротное устройство, содержащее коммутатор, шунтовый трансформатор, сериесный трансформатор, каждая фаза сетевой обмотки которого включена последовательно в соответствующую фазу линии электропередачи, а его вентильные обмотки подключены к соответствующим фазным выходам коммутатора, каждая фаза которого состоит из двух одинаковых параллельно включенных ветвей, снабженных последовательно соединенными управляемыми ключами, общие точки соединения которых симметрично расположены на параллельных ветвях коммутатора и являются входами коммутатора для соответствующего подключения каждой из вторичных обмоток шунтового трансформатора, а общие точки соединения двух параллельных ветвей коммутатора образуют выходы коммутатора, при этом первичная обмотка каждой фазы шунтового трансформатора подключена к соответствующей фазе линии электропередачи, а одноименные выводы вторичных обмоток каждой фазы шунтового трансформатора подключены к соответствующим входам коммутатора, расположенным на одной из параллельных ветвей, снабжено дополнительными управляемыми ключами, включенными между разноименными выводами вторичных обмоток шунтового трансформатора, одноименные выводы которых разделены на параллельных ветвях коммутатора управляемым ключом.This is achieved by the fact that the known phase-shifting device comprising a switch, a shunt transformer, a series transformer, each phase of the network winding of which is connected in series to the corresponding phase of the power line, and its valve windings are connected to the corresponding phase outputs of the switch, each phase of which consists of two identical parallel connected branches equipped with serially connected controlled keys, common connection points of which are symmetrically located on parallel the main branches of the switch and are the inputs of the switch for the corresponding connection of each of the secondary windings of the shunt transformer, and the common connection points of the two parallel branches of the switch form the outputs of the switch, while the primary winding of each phase of the shunt transformer is connected to the corresponding phase of the power line, and the same conclusions of the secondary windings of each phases of the shunt transformer are connected to the corresponding inputs of the switch located on one of the parallel branches, equipped with For more controllable switches included between oppositely charged terminals of the secondary windings of the transformer shunt, like outputs are split into parallel branches of the controlled switch key.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема фазоповоротного устройства, а на фиг. 2 приведена таблица состояний управляемых ключей коммутатора, определяющих уровень напряжения, формируемого на сетевой обмотке сериесного трансформатора.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a functional diagram of a phase shifter, and FIG. Figure 2 shows the table of states of the managed switch keys that determine the level of voltage generated on the network winding of a series transformer.

Фазоповоротное устройство содержит сериесный трансформатор 1 с сетевой обмоткой 2 и вентильной обмоткой 3, шунтовой трансформатор 4 с первичной обмоткой 5 и первой 6, второй 7 и третьей 8 вторичными обмотками, а также коммутатор 9. При этом сетевая обмотка 2 сериесного трансформатора 1 включена последовательно в фазу линии электропередачи и соединена с одним из выводов первичной обмотки 5 шунтового трансформатора 4, а первичная обмотка 5 шунтового трансформатора 4 подключена параллельно фазе линии электропередачи.The phase-shifting device comprises a series transformer 1 with a network winding 2 and a valve winding 3, a shunt transformer 4 with a primary winding 5 and a first 6, a second 7 and a third 8 secondary windings, and a switch 9. In this case, the network winding 2 of the serial transformer 1 is connected in series to phase of the power line and is connected to one of the terminals of the primary winding 5 of the shunt transformer 4, and the primary winding 5 of the shunt transformer 4 is connected in parallel with the phase of the power line.

Коммутатор 9 содержит первую 10 и вторую 11 параллельные ветви, соединенные в первой 12 и второй 13 общих точках, причем первая общая точка 12 является первым выходом коммутатора 9 и подключена к одному из выводов вентильной обмотки 3 сериесного трансформатора 1, а вторая общая точка 13 является вторым выходом коммутатора 9 и подключена к другому выводу вентильной обмотки 3 сериесного трансформатора 1.The switch 9 contains the first 10 and second 11 parallel branches connected at the first 12 and second 13 common points, the first common point 12 being the first output of the switch 9 and connected to one of the terminals of the valve winding 3 of the serial transformer 1, and the second common point 13 is the second output of the switch 9 and is connected to the other terminal of the valve winding 3 of the serial transformer 1.

Первая параллельная ветвь 10 содержит последовательно соединенные первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый 17 управляемые ключи, вторая параллельная ветвь 11 содержит последовательно соединенные пятый 18, шестой 19, седьмой 20 и восьмой 21 управляемые ключи. При этом первая вторичная обмотка 6 шунтового трансформатора 4 своим началом подключена к первому входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения первого 14 и второго 15 управляемых ключей первой параллельной ветви 10 коммутатора 9, а своим концом подключена ко второму входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения пятого 18 и шестого 19 управляемых ключей второй параллельной ветви 11 коммутатора 9. Начало второй вторичной обмотки 7 шунтового трансформатора 4 подключено к третьему входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения второго 15 и третьего 16 управляемых ключей первой параллельной ветви 10 коммутатора 9, а ее конец подключен к четвертому входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения шестого 19 и седьмого 20 управляемых ключей второй параллельной ветви 11 коммутатора 9. Начало третьей вторичной обмотки 8 шунтового трансформатора 4 подключено к пятому входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения третьего 16 и четвертого 17 управляемых ключей первой параллельной ветви 10 коммутатора 9, а ее конец подключен к шестому входу коммутатора 9, образованному общей точкой соединения седьмого 20 и восьмого 21 управляемых ключей второй параллельной ветви 11 коммутатора 9. В состав коммутатора 9 также входят первый 22, второй 23, третий 24, четвертый 25 дополнительные управляемые ключи. При этом первый дополнительный управляемый ключ 22 подключен между первым и четвертым входами коммутатора 9, второй дополнительный управляемый ключ 23 подключен между вторым и третьим входами коммутатора 9, третий дополнительный управляемый ключ 24 подключен между третьим и шестым входами коммутатора 9, а четвертый дополнительный управляемый ключ 25 подключен между четвертым и пятым входами коммутатора 9. Таким образом, дополнительные ключи включены между теми разноименными концами вторичных обмоток 6, 7 и 8 шунтового трансформатора 4, одноименные концы которых на параллельных ветвях 10 и 11 коммутатора 9 разделены одним управляемым ключом.The first parallel branch 10 contains serially connected first 14, second 15, third 16 and fourth 17 managed keys, the second parallel branch 11 contains serially connected fifth 18, sixth 19, seventh 20 and eighth 21 managed keys. In this case, the first secondary winding 6 of the shunt transformer 4 is connected at its beginning to the first input of the switch 9, formed by a common connection point of the first 14 and second 15 controlled keys of the first parallel branch 10 of the switch 9, and its end is connected to the second input of the switch 9, formed by a common connection point the fifth 18 and sixth 19 of the controlled keys of the second parallel branch 11 of the switch 9. The beginning of the second secondary winding 7 of the shunt transformer 4 is connected to the third input of the switch 9, formed by a common the connection point of the second 15 and third 16 managed keys of the first parallel branch 10 of the switch 9, and its end is connected to the fourth input of the switch 9, formed by a common connection point of the sixth 19 and seventh 20 managed keys of the second parallel branch 11 of the switch 9. The beginning of the third secondary winding 8 shunt transformer 4 is connected to the fifth input of switch 9, formed by a common connection point of the third 16 and fourth 17 managed keys of the first parallel branch 10 of switch 9, and its end is connected to the sixth input switch 9 formed by a common connection point of the seventh 20 and eighth 21 managed keys of the second parallel branch 11 of switch 9. The switch 9 also includes the first 22, second 23, third 24, fourth 25 additional managed keys. The first additional managed key 22 is connected between the first and fourth inputs of the switch 9, the second additional managed key 23 is connected between the second and third inputs of the switch 9, the third additional managed key 24 is connected between the third and sixth inputs of the switch 9, and the fourth additional managed key 25 connected between the fourth and fifth inputs of the switch 9. Thus, additional keys are included between those opposite ends of the secondary windings 6, 7 and 8 of the shunt transformer 4, the same The ends of which on the parallel branches 10 and 11 of the switch 9 are separated by one managed key.

Фазоповоротное устройство работает следующим образом.Phase-shifting device operates as follows.

Изменение уровня напряжения, формируемого на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1, осуществляется системой управления коммутатора 9 посредством изменения состояния (включение или выключение) управляемых ключей 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 путем подачи на них импульсов управления в соответствии с таблицей, приведенной на фиг. 2, где индекс «OFF» соответствует выключенному состоянию управляемого ключа, а индекс «ON» соответствует его включенному состоянию.The change in the voltage level generated on the network winding 2 of the serial transformer 1 is carried out by the control system of the switch 9 by changing the state (turning on or off) of the controlled keys 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 by applying control pulses to them in accordance with the table in FIG. 2, where the “OFF” index corresponds to the off state of the managed key, and the “ON” index corresponds to its on state.

При формировании напряжения на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1 вторичные обмотки 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4 с помощью коммутатора 9 подключаются к вентильной обмотке 3 сериесного трансформатора 1. Коммутатор 9 может формировать различные комбинации из последовательного соединения вторичных обмоток 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4. При этом каждая из вторичных обмоток 6, 7, 8 может быть включена согласно или встречно относительно других обмоток в последовательном их соединении или может быть вообще не включена в соединение. Поэтому, максимально возможное количество различных комбинаций из последовательных соединений вторичных обмоток 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4, подключаемых коммутатором 9 к вентильной обмотке 3 сериесного трансформатора 1 равно 27. Для ФПУ с числом вторичных обмоток шунтового трансформатора 4 равным N максимально возможное количество различных комбинаций вторичных обмоток 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4, подключаемых коммутатором 9 к вентильной обмотке 3 сериесного трансформатора 1 определяется из выражения: 3^N, где N≥1, целое число.When voltage is generated at the network winding 2 of the serial transformer 1, the secondary windings 6, 7, 8 of the shunt transformer 4 are connected to the valve winding 3 of the serial transformer 1 using the switch 9. The switch 9 can form various combinations of serial connection of the secondary windings 6, 7, 8 of the shunt transformer 4. In this case, each of the secondary windings 6, 7, 8 may be included according to or counter to other windings in series connection or may not be included in the connection at all . Therefore, the maximum possible number of different combinations of serial connections of the secondary windings 6, 7, 8 of the shunt transformer 4 connected by the switch 9 to the valve winding 3 of the serial transformer 1 is 27. For FPUs with the number of secondary windings of the shunt transformer 4 equal to N, the maximum possible number of different combinations secondary windings 6, 7, 8 of the shunt transformer 4 connected by the switch 9 to the valve winding 3 of the series transformer 1 is determined from the expression: 3 ^N , where N≥1, an integer.

ФПУ, приведенное на фиг. 1, позволяет получить 27 различных комбинаций подключения вторичных обмоток 6, 7, 8 к вентильной обмотке 3 сериесного трансформатора 1. При обеспечении соотношения коэффициентов трансформации вторичных обмоток 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4 в пропорции 1:3:9 на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1 возможно обеспечить 27 различных уровней напряжения, тринадцать из которых будут являться положительными величинами по отношению к напряжению фазы, а другие тринадцать - отрицательными величинами, при этом одна из комбинаций будет обеспечивать нулевой уровень напряжения. Относительные уровни напряжения, формируемые на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1, при соотношении коэффициентов трансформации вторичных обмоток 6, 7, 8 шунтового трансформатора 4 в пропорции 1:3:9 следующие: -13, -12, -11, -10, -9, -8, -7, -6, -5, -4, -3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13.FPU shown in FIG. 1, allows you to get 27 different combinations of connecting the secondary windings 6, 7, 8 to the valve winding 3 of the serial transformer 1. Providing the ratio of transformation ratios of the secondary windings 6, 7, 8 of the shunt transformer 4 in a ratio of 1: 3: 9 on the network winding 2 of the serial transformer 1, it is possible to provide 27 different voltage levels, thirteen of which will be positive values with respect to the phase voltage, and the other thirteen will be negative values, while one of the combinations will provide amb a zero voltage level. The relative voltage levels generated on the network winding 2 of the serial transformer 1, with the ratio of the transformation ratios of the secondary windings 6, 7, 8 of the shunt transformer 4 in the ratio 1: 3: 9 are as follows: -13, -12, -11, -10, -9 , -8, -7, -6, -5, -4, -3, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13.

В устройстве по прототипу использование трех вторичных обмоток шунтового трансформатора 4 позволяет обеспечить только 13 уровней напряжения на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1 (по 6 уровней напряжения каждого знака и один нулевой уровень). При этом, по прототипу, как и в предлагаемом изобретении, в формировании напряжения на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1 участвуют четыре управляемых ключа коммутатора 9.In the device of the prototype, the use of three secondary windings of the shunt transformer 4 allows you to provide only 13 voltage levels on the network winding 2 of the serial transformer 1 (6 voltage levels of each sign and one zero level). Moreover, according to the prototype, as in the present invention, four controlled keys of the switch 9 are involved in the formation of voltage on the network winding 2 of the serial transformer 1.

Таким образом, при одинаковом количестве вторичных обмоток шунтового трансформатора 4 заявляемое устройство обладает большим количеством уровней напряжения, формируемых на сетевой обмотке 2 сериесного трансформатора 1 в отличие от прототипа. При этом усложнение схемы и управления коммутатора 9 не снижает КПД заявляемого устройства по сравнению с прототипом.Thus, with the same number of secondary windings of the shunt transformer 4, the claimed device has a large number of voltage levels generated on the network winding 2 of the serial transformer 1, in contrast to the prototype. Moreover, the complexity of the circuit and control of the switch 9 does not reduce the efficiency of the claimed device compared to the prototype.

Таким образом, осуществление совокупности признаков заявляемого фазоповоротного устройства обеспечивает достижение указанного технического результата, а именно увеличение количества уровней напряжения, формируемых на сетевой обмотке каждой фазы сериесного трансформатора, при заданном количестве вторичных обмоток шунтового трансформатора с сохранением высокого КПД устройства.Thus, the implementation of the totality of the features of the inventive phase-shifting device ensures the achievement of the indicated technical result, namely, an increase in the number of voltage levels generated on the network winding of each phase of the series transformer, for a given number of secondary windings of the shunt transformer while maintaining a high efficiency of the device.

Claims

A phase-shifting device containing a switch, a shunt transformer, a series transformer, each phase of the network winding of which is connected in series to the corresponding phase of the power line, and its valve windings are connected to the corresponding phase outputs of the switch, each phase of which consists of two identical parallel connected branches equipped with series-connected managed keys, the common connection points of which are symmetrically located on the parallel branches of the switch and are in by the switch odes for the corresponding connection of each of the secondary windings of the shunt transformer, and the common connection points of the two parallel branches of the switch form the outputs of the switch, while the primary winding of each phase of the shunt transformer is connected to the corresponding phase of the power line, and the same terminals of the secondary windings of each phase of the shunt transformer are connected to corresponding switch inputs located on one of the parallel branches, characterized in that it is equipped with an additional E controllable switches included between oppositely charged terminals of the secondary windings of the transformer shunt, like outputs are split into parallel branches of the controlled switch key.