RU2804403C1

RU2804403C1 - Method for controlling power of static reactive power compensator operating in sinusoidal alternating voltage network

Info

Publication number: RU2804403C1
Application number: RU2023106018A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Иванович Панфилов; Михаил Георгиевич Асташев; Дмитрий Сергеевич Кузенев; Иван Исмаилович Журавлев
Original assignee: Дмитрий Иванович Панфилов; Михаил Георгиевич Асташев; Дмитрий Сергеевич Кузенев; Иван Исмаилович Журавлев
Filing date: 2023-03-15
Publication date: 2023-09-28

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention can be used in electrical networks in transverse compensation devices for controlling reactive power in a power transmission line (PTL). A method for controlling the power of a static reactive power compensator, consisting of a series connection of a capacitive element and a voltage regulator operating in a sinusoidal voltage network, uses setting the value of the static reactive power compensator generated by the static reactive power compensator, measuring the voltage at the input terminals of the static reactive power compensator, calculating the required voltage value applied to a capacitive element corresponding to the given value of reactive power, setting a control action on the voltage regulator, which ensures formation and change of voltage on the capacitive element at fixed times in relation to the sinusoidal network voltage. In this case, a reactor is connected in series with the capacitive element, and a controlled switch is connected in parallel to the branch consisting of the capacitive element and the reactor. In the steady state of operation of the static reactive power compensator, the controlled switch is maintained in the open state, and when the reactive power changes, control is removed from the voltage regulator, the controlled switch is closed and, upon completion of the flow of current through it, it is opened again, after which a new control action is set on the regulator voltage.

EFFECT: improved reliability of the static reactive power compensator due to reduced requirements for operating voltages and permissible surge current of the voltage regulator.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях в устройствах поперечной компенсации для управления реактивной мощностью в линии электропередачи (ЛЭП) с целью уменьшения потерь электрической энергии и регулирования напряжения в местах установки данных устройств в ЛЭП.The invention relates to the field of electrical engineering and power engineering and can be used in electrical networks in transverse compensation devices for controlling reactive power in a power transmission line (PTL) in order to reduce electrical energy losses and regulate voltage at the locations where these devices are installed in the PTL.

Известен способ управления реактивной мощностью компенсатора емкостного типа, содержащего последовательное соединение реактивного элемента и управляющего устройства, обеспечивающего задание генерируемой статическим компенсатором реактивной мощности (Патент RU 2 726 935 С1). Управляющее устройство осуществляет измерение напряжения на входных зажимах статического компенсатора мощности для вычисления величины напряжения, необходимого для формирования на зажимах управляющего устройства, которое, в свою очередь, влияет на величину напряжения на реактивном элементе. Напряжение управляющего устройства в таком способе формируется путем суммирования мгновенных значений двух регулируемых синусоидальных напряжений, сдвинутых относительно друг друга на 90 электрических градусов. Таким образом, при получении данных о напряжении на входных зажимах статического компенсатора посредством воздействия управляющего устройства на реактивный элемент формируется необходимая величина генерируемой статическим компенсатором реактивной мощности. Способ обеспечивает формирование напряжения управляющего устройства с фазовым сдвигом относительно напряжения сети. Недостатками способа является относительная сложность его реализации, требующая наличия двух сдвинутых на 90 электрических градусов синусоидальных напряжений. Это становится оправданным, когда требуется одновременное регулирование как активной, так и реактивной мощности в фазах сети.There is a known method for controlling the reactive power of a capacitive-type compensator containing a series connection of a reactive element and a control device that ensures the setting of the reactive power generated by the static compensator (Patent RU 2 726 935 C1). The control device measures the voltage at the input terminals of the static power compensator to calculate the voltage required to generate the control device at the terminals, which, in turn, affects the voltage value on the reactive element. The voltage of the control device in this method is formed by summing the instantaneous values of two adjustable sinusoidal voltages, shifted relative to each other by 90 electrical degrees. Thus, when receiving data on the voltage at the input terminals of the static compensator, the required amount of reactive power generated by the static compensator is formed through the action of the control device on the reactive element. The method ensures that the voltage of the control device is generated with a phase shift relative to the network voltage. The disadvantages of this method are the relative complexity of its implementation, which requires the presence of two sinusoidal voltages shifted by 90 electrical degrees. This becomes justified when simultaneous regulation of both active and reactive power in the network phases is required.

Наиболее близким прототипом предлагаемого способа является способ управления мощностью статического компенсатора реактивной мощности, использующего для регулирования реактивной мощности управляющее устройство, задающее синусоидальное напряжение на емкостном реактивном элементе (Патент RU 2 675 620 С1). К достоинствам способа относится наличие одного регулируемого синусоидального напряжения. При регулировании реактивной мощности, способ использует выключение регулятора напряжения для смены напряжения на его выходе и выдерживание паузы перед формированием следующего уровня его напряжения. Введение паузы, с одной стороны, способствует надежному переключению уровней выходного напряжения регулятора синусоидального напряжения, а, с другой стороны, обеспечивает необходимое время для сброса остаточной энергии на емкостном элементе, имеющейся к моменту выключения регулятора напряжения. В течение паузы остаточное напряжение на емкостном элементе спадает к нулю за счет наличия у него встроенного резистора. При этом, в момент подключения регулятора с новым уровнем выходного напряжения к емкостному элементу, начальное напряжение на нем равно нулю. К недостаткам прототипа следует отнести влияние остаточного напряжения на емкостном элементе на максимальные напряжения, прикладываемые к регулятору напряжения в его выключенном состоянии на интервале паузы, а также большой бросок тока в конденсаторе при подключении регулятора напряжения в момент времени, когда напряжение сети равно нулю. Наличие начального напряжения на емкостном элементе на интервале паузы может приводить к увеличению напряжения на регуляторе напряжения до двойного напряжения сети. Это существенно повышает требования к классу применяемых полупроводниковых элементов регулятора напряжения. Большие броски тока в момент подключения регулятора напряжения к емкостному элементу также негативно сказываются на работе регулятора напряжения, снижая надежность работы устройства в целом.The closest prototype of the proposed method is a method for controlling the power of a static reactive power compensator, which uses a control device to regulate reactive power that sets the sinusoidal voltage on a capacitive reactive element (Patent RU 2 675 620 C1). The advantages of the method include the presence of one adjustable sinusoidal voltage. When regulating reactive power, the method uses turning off the voltage regulator to change the voltage at its output and maintaining a pause before forming the next level of its voltage. The introduction of a pause, on the one hand, facilitates reliable switching of the output voltage levels of the sinusoidal voltage regulator, and, on the other hand, provides the necessary time to discharge the residual energy on the capacitive element available at the time the voltage regulator is turned off. During the pause, the residual voltage on the capacitive element drops to zero due to the presence of a built-in resistor. In this case, at the moment the regulator with a new output voltage level is connected to the capacitive element, the initial voltage on it is zero. The disadvantages of the prototype include the influence of the residual voltage on the capacitive element on the maximum voltage applied to the voltage regulator in its off state during the pause interval, as well as a large surge of current in the capacitor when the voltage regulator is connected at a time when the network voltage is zero. The presence of an initial voltage on the capacitive element during the pause interval can lead to an increase in the voltage on the voltage regulator to double the mains voltage. This significantly increases the requirements for the class of semiconductor elements used in the voltage regulator. Large current surges when the voltage regulator is connected to a capacitive element also negatively affect the operation of the voltage regulator, reducing the reliability of the device as a whole.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение влияния остаточного напряжения на емкостном элементе на регулятор напряжения и снижение бросков тока на интервалах времени изменения уровней реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности.The technical objective of the proposed invention is to eliminate the influence of residual voltage on the capacitive element on the voltage regulator and reduce current surges during time intervals of changes in reactive power levels of the static reactive power compensator.

Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение надежности работы статического компенсатора реактивной мощности ввиду снижения требований к рабочим напряжениям и допустимым броскам тока регулятора напряжения.The technical result to which the proposed technical solution is aimed is to increase the reliability of the static reactive power compensator due to reduced requirements for operating voltages and permissible surge current of the voltage regulator.

Предметом изобретения является способ управления мощностью статического компенсатора реактивной мощности, состоящего из последовательного соединения емкостного элемента и регулятора напряжения, работающего в сети синусоидального напряжения, использующий задание величины генерируемой статическим компенсатором реактивной мощности, измерение напряжения на входных зажимах статического компенсатора реактивной мощности, вычисление требуемого значения напряжения, прикладываемого к емкостному элементу, соответствующего заданной величине реактивной мощности, задание управляющего воздействия на регулятор напряжения, обеспечивающий формирование и изменение напряжения на емкостном элементе в фиксированные моменты времени, по отношению к синусоидальному напряжению сети, при котором последовательно с емкостным элементом включают реактор, а параллельно ветви, состоящей из емкостного элемента и реактора, подключают управляемый ключ, при этом, в установившемся режиме работы статического компенсатора реактивной мощности, управляемый ключ поддерживают в разомкнутом состоянии, а при изменении реактивной мощности, снимают управление с регулятора напряжения, замыкают управляемый ключ и, по завершению протекания тока через него, размыкают его вновь, после чего задают новое управляющее воздействие на регулятор напряжения.The subject of the invention is a method for controlling the power of a static reactive power compensator, consisting of a series connection of a capacitive element and a voltage regulator operating in a sinusoidal voltage network, using setting the amount of power generated by the static reactive power compensator, measuring the voltage at the input terminals of the static reactive power compensator, calculating the required voltage value applied to the capacitive element, corresponding to a given value of reactive power, setting the control action on the voltage regulator, ensuring the formation and change of voltage on the capacitive element at fixed times, in relation to the sinusoidal network voltage, at which the reactor is connected in series with the capacitive element, and in parallel branches consisting of a capacitive element and a reactor, a controlled switch is connected, while in the steady state of operation of the static reactive power compensator, the controlled switch is maintained in the open state, and when the reactive power changes, control is removed from the voltage regulator, the controlled switch is closed and, according to When the current flows through it, it is opened again, after which a new control action is set on the voltage regulator.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующая предлагаемый способ управления статическим компенсатором реактивной мощности, на фиг. 2 приведен пример реализации схемы статического компенсатора реактивной мощности, а фиг. 3 поясняет электромагнитные процессы в схеме статического компенсатора реактивной мощности.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a block diagram of a device that implements the proposed method of controlling a static reactive power compensator; Fig. 2 shows an example of the implementation of a static reactive power compensator circuit, and FIG. 3 explains electromagnetic processes in the circuit of a static reactive power compensator.

Структурная схема статического компенсатора реактивной мощности фиг. 1 состоит из регулятора напряжения 1, входной зажим которого подключен к одному полюсу сети 2, а выходной зажим подключен через последовательное соединение реактора 3 и емкостного элемента 4 к другому полюсу сети 2. Параллельно реактору 3 и емкостному элементу 4 установлен ключ 5. Система управления 6 осуществляет управление регулятором напряжения 1 и управляемым ключом 5 в зависимости от данных, получаемых от датчика напряжения 7.Block diagram of a static reactive power compensator Fig. 1 consists of a voltage regulator 1, the input terminal of which is connected to one pole of the network 2, and the output terminal is connected through a series connection of the reactor 3 and the capacitive element 4 to the other pole of the network 2. A key 5 is installed in parallel with the reactor 3 and the capacitive element 4. Control system 6 controls the voltage regulator 1 and the controlled key 5 depending on the data received from the voltage sensor 7.

На фиг. 2 приведен пример реализации однофазной схемы статического компенсатора реактивной мощности. Регулятор напряжения 1 на фиг. 2 состоит из трансформатора, у которого первичная обмотка 8 подключена к сети 2, а вторичная обмотка выполнена из изолированных секций 9, 10, 11. Коммутатор содержит две параллельные ветви, каждая из которых содержит последовательно соединенные ключи 12, 13, 14, 15 и 16, 17, 18, 19 соответственно. При этом, одни из свободных зажимов ключей 12 и 16, расположенных на параллельных ветвях коммутатора, объединены вместе, образуя первый входной зажим коммутатора. Свободные зажимы ключей 15 и 19, расположенных на параллельных ветвях коммутатора, соединены вместе, образуя второй входной зажим коммутатора. Входные зажимы коммутатора являются выходными зажимами регулятора напряжения 1 и включены последовательно с сетью и последовательным соединением реактора 3 и емкостного элемента 4. Параллельно последовательному соединению реактора 3 и емкостного элемента 4 включен управляемый ключ 5. Начала каждой из изолированных секций 9, 10, 11 трансформатора подключены к общим точкам соединения ключей 12 и 13, 13 и 14, 14 и 15 одной ветви коммутатора, в то время, как концы секций вторичной обмотки подключены между общими точками соединения ключей 16 и 17, 17 и 18, 18 и 19 другой ветви коммутатора. Ключи 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 могут представлять собой сборку из встречно-параллельно включенных тиристоров, так же, как и управляемый ключ 5, подключенный параллельно реактору 3 и емкостному элементу 4, соединенных между собой последовательно. Управление мощностью статического компенсатора реактивной мощности фиг. 2 осуществляется посредством подачи системой управления 6 управляющего воздействия на ключи 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 регулятора напряжения 1 в зависимости от получаемой от датчика напряжения 7 информации, а также подачей импульса управления на управляемый ключ 5.In fig. Figure 2 shows an example of the implementation of a single-phase circuit of a static reactive power compensator. Voltage regulator 1 in Fig. 2 consists of a transformer in which the primary winding 8 is connected to network 2, and the secondary winding is made of isolated sections 9, 10, 11. The switch contains two parallel branches, each of which contains series-connected switches 12, 13, 14, 15 and 16 , 17, 18, 19 respectively. In this case, one of the free terminals of the keys 12 and 16, located on the parallel branches of the switch, are combined together, forming the first input terminal of the switch. The free terminals of the keys 15 and 19, located on the parallel branches of the switch, are connected together, forming the second input terminal of the switch. The input terminals of the switch are the output terminals of the voltage regulator 1 and are connected in series with the network and the serial connection of the reactor 3 and the capacitive element 4. In parallel with the serial connection of the reactor 3 and the capacitive element 4, a controlled switch 5 is connected. The beginnings of each of the isolated sections 9, 10, 11 of the transformer are connected to the common connection points of the keys 12 and 13, 13 and 14, 14 and 15 of one branch of the switch, while the ends of the secondary winding sections are connected between the common connection points of the keys 16 and 17, 17 and 18, 18 and 19 of the other branch of the switch. The switches 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 can be an assembly of back-to-back thyristors, just like the controlled switch 5, connected in parallel to the reactor 3 and the capacitive element 4, connected to each other in series. Power control of the static reactive power compensator Fig. 2 is carried out by the control system 6 applying a control action to the keys 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 of the voltage regulator 1, depending on the information received from the voltage sensor 7, as well as by applying a control pulse to the controlled key 5.

Заявляемый способ работает следующим образом. При изменении уровня реактивной мощности статического компенсатора реактивной мощности, снимают управляющее воздействие, формируемое системой управления 6, с регулятора напряжения 1. После перевода регулятора напряжения 1 в выключенное состояние, система управления 6 подает управляющее воздействие на управляемый ключ 5. В этот момент времени на емкостном элементе 4 имеется остаточное напряжение, величина которого определяется мгновенным значением напряжения на емкостном элементе в момент отключения регулятора напряжения 1. При отпирании управляемого ключа 5 образуется затухающий колебательный контур между реактором 3 и емкостным элементом 4. Таким образом, с одной стороны, регулятор напряжения подключается через включенный управляемый ключ 5 к сети 2, а, с другой стороны, происходит сброс остаточной энергии в емкостном элементе 4 по контуру: емкостной элемент 4, реактор 3 и включенный ключ 5. После спада тока к нулю в этом контуре, напряжение на емкостном элементе будет равно 0 и управляемый ключ 5 размыкают. После полного разряда емкостного элемента 4, система управления 6 производит мониторинг нуля мгновенного значения напряжения сети 2 посредством датчика напряжения 7. В момент фиксации нулевого мгновенного значения напряжения сети 2, система управления 6 формирует новое управляющее воздействие на регулятор напряжения 1 в соответствии с заданной величиной реактивной мощности статического компенсатора. При этом, величина реактивной мощности определяется системой управления 6 на основании показаний с датчика напряжения 7.The inventive method works as follows. When the reactive power level of the static reactive power compensator changes, the control action generated by the control system 6 is removed from the voltage regulator 1. After the voltage regulator 1 is switched off, the control system 6 supplies the control action to the controlled switch 5. At this point in time, on the capacitive element 4 has a residual voltage, the magnitude of which is determined by the instantaneous voltage value on the capacitive element at the moment the voltage regulator 1 is turned off. When the controlled key 5 is unlocked, a damped oscillatory circuit is formed between the reactor 3 and the capacitive element 4. Thus, on the one hand, the voltage regulator is connected through the switched on controlled switch 5 to network 2, and, on the other hand, the residual energy in the capacitive element 4 is discharged along the circuit: capacitive element 4, reactor 3 and switched on switch 5. After the current drops to zero in this circuit, the voltage on the capacitive element will be equals 0 and the controlled switch 5 is opened. After the capacitive element 4 is completely discharged, the control system 6 monitors the zero instantaneous voltage value of the network 2 using a voltage sensor 7. At the moment of fixing the zero instantaneous voltage value of the network 2, the control system 6 generates a new control action on the voltage regulator 1 in accordance with the specified reactive value power of the static compensator. In this case, the amount of reactive power is determined by the control system 6 based on readings from the voltage sensor 7.

На фиг. 3 поясняются электромагнитные процессы во время управления статическим компенсатором мощности фиг. 2. Рисунок А представляет собой эквивалентную схему замещения фиг. 2 во время управления мощностью статического компенсатора. При этом регулятор напряжения 1 (фиг. 1) отображен встречно-параллельно включенными тиристорами T₁, Т₂, а управляемый ключ 5 (фиг. 1) встречно-параллельно включенными тиристорами Т₃, Т₄. Рисунок Б демонстрирует диаграммы работы схемы рисунка А в момент переключения. При переключении уровня мощности статического компенсатора системой управления 6 в момент времени t₁ снимается управляющее воздействие с тиристоров T₁, Т₂. В момент времени t₂ подают импульс на включение тиристоров Т₃, Т₄. В этот момент времени на емкостном элементе 4 имеется напряжение U_x от отрицательной полуволны напряжения сети 2, как показано на диаграмме рисунка Б. В момент времени t₂ к проводящему к тиристору T₁прикладывается отрицательное напряжение, и он запирается под действием напряжения сети. На интервале времени t₂ - t₃ тиристоры Т₃, Т₄поддерживаются включенными, что обеспечивает колебательный затухающий процесс сброса накопленной энергии в емкостном элементе 4 с помощью реактора 3 во внутренний резистор емкостного элемента 4 и на активном сопротивлении контура состоящего из: емкостного элемента 4, реактора 3 и тиристоров Т₃, Т₄. В течение всего времени колебательного процесса к запертым ключам T₁ и Т₂ регулятора напряжения 1 прикладывается мгновенное значение напряжения сети 2, исключая тем самым влияние остаточного напряжения U_x на емкостном элементе 4, на напряжение, прикладываемое к регулятору напряжения 1, на интервале паузы (t₂ - t₃). В момент t₃ колебательный процесс завершается ввиду полного разряда емкостного элемента 4, система управления 6 снимает управляющее воздействие с тиристоров Т₃, Т₄, и они запираются. Далее система управления 6 осуществляет отслеживание нулевого мгновенного значения напряжения сети 2 с помощью датчика напряжения 7. В момент t₄фиксируется ноль напряжения сети 2, системой управления 6 подается новое управляющее воздействие на тиристоры T₁, Т₂ регулятора напряжения 1. Ввиду отсутствия напряжения на емкостном элементе 4, а также включении регулятора напряжения 1 при нулевом мгновенном значении напряжения сети 2, управление мощностью статического компенсатора происходит без бросков тока и перенапряжений.In fig. 3 explains the electromagnetic processes during control of the static power compensator of FIG. 2. Figure A is the equivalent equivalent circuit of FIG. 2 during power control of the static compensator. In this case, the voltage regulator 1 (Fig. 1) is represented by back-to-back thyristors T ₁ , T ₂ , and the controlled switch 5 (Fig. 1) by back-to-back thyristors T ₃ , T ₄ . Figure B shows diagrams of the operation of the circuit in Figure A at the moment of switching. When switching the power level of the static compensator by the control system 6 at time t ₁ , the control action is removed from the thyristors T ₁ , T ₂ . At time t ₂ a pulse is supplied to turn on thyristors T ₃ , T ₄ . At this moment in time, on the capacitive element 4 there is a voltage U _x from the negative half-wave of the voltage of the network 2, as shown in the diagram of Figure B. At the moment of time t ₂ , a negative voltage is applied to the conductive thyristor T ₁ , and it is locked under the influence of the network voltage. In the time interval t ₂ - t ₃ , thyristors T ₃ , T ₄ are kept on, which ensures an oscillatory damped process of dumping the accumulated energy in the capacitive element 4 using reactor 3 into the internal resistor of the capacitive element 4 and on the active resistance of the circuit consisting of: capacitive element 4 , reactor 3 and thyristors T ₃ , T ₄ . During the entire time of the oscillatory process, the instantaneous value of the network voltage 2 is applied to the locked keys T ₁ and T ₂ of the voltage regulator 1, thereby eliminating the influence of the residual voltage U _x on the capacitive element 4 on the voltage applied to the voltage regulator 1 during the pause interval ( t ₂ - t ₃ ). At moment t ₃ the oscillatory process ends due to the complete discharge of the capacitive element 4, the control system 6 removes the control action from the thyristors T ₃ , T ₄ , and they are locked. Next, the control system 6 monitors the zero instantaneous voltage value of the network 2 using a voltage sensor 7. At the moment t ₄ , the zero voltage of the network 2 is recorded, the control system 6 applies a new control action to the thyristors T ₁ , T ₂ of the voltage regulator 1. Due to the lack of voltage on capacitive element 4, as well as turning on the voltage regulator 1 at zero instantaneous value of the network voltage 2, the power of the static compensator is controlled without current surges and overvoltages.

Наличие реактора 3, включенного последовательно с емкостным элементом 4, позволяет устранить скачки тока в нем при регулировании уровней реактивной мощности статического компенсатора мощности.The presence of a reactor 3 connected in series with the capacitive element 4 makes it possible to eliminate current surges in it when regulating the reactive power levels of the static power compensator.

Таким образом, осуществление совокупности признаков заявляемого способа управления обеспечивает повышение надежности работы статического компенсатора реактивной мощности ввиду снижения требований к рабочим напряжениям и допустимым броскам тока регулятора напряжения.Thus, the implementation of the set of features of the proposed control method ensures increased reliability of the static reactive power compensator due to reduced requirements for operating voltages and permissible inrush current of the voltage regulator.

Claims

A method for controlling the power of a static reactive power compensator, consisting of a series connection of a capacitive element and a voltage regulator operating in a sinusoidal voltage network, using the setting of the value generated by the static reactive power compensator, measuring the voltage at the input terminals of the static reactive power compensator, calculating the required voltage value applied to capacitive element corresponding to a given value of reactive power, setting a control action on the voltage regulator, ensuring the formation and change of voltage on the capacitive element at fixed times in relation to the sinusoidal voltage of the network, characterized in that a reactor is connected in series with the capacitive element, and in parallel with the branches , consisting of a capacitive element and a reactor, a controlled switch is connected, while in the steady state of operation of the static reactive power compensator, the controlled switch is maintained in the open state, and when the reactive power changes, control is removed from the voltage regulator, the controlled switch is closed and, upon completion of the flow current through it, open it again, after which a new control action is set on the voltage regulator.