СТАТИЧЕСКИЕ  ТИРИСТОРНЫЕ  КОМПЕНСАТОРЫ  РЕАКТИВНОЙ  МОЩНОСТИ  С  ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ  КОММУТАЦИЕЙ  И  СРЕДСТВА  УПРАВЛЕНИЯ  ИМИ

Литковец  Сергей  Петрович

аспирант  кафедры  электроснабжения  Луцкого  национального  технического  университета,  г.  Луцк

Е-mail:  SergiyLitkov@mail.ru

Петухов  Николай  Васильевич

канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  электроснабжения  Луцкого  национального  технического  университета,  г.  Луцк

Е-mail:  npetuhov@gmail.com

STATIC  THYRISTOR  COMPENSATORS  OF  REACTIVE  POWER  WITH  FORCED  COMMUTATION  AND  MEANS  OF  THEIR  CONTROLLING

Sergiy  Litkovets

postgraduate  of  Electric  Power  Supply  Department  of  Lutsk  National  Technical  University,  Lutsk

Nikolai  Petukhov

candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  Professor  of  Electric  Power  Supply  Department  of  Lutsk  National  Technical  University,  Lutsk

Аннотация

В  работе  рассмотрены  конфигурация  и  принцип  работы  устройства  для  регулирования  реактивной  мощности,  обеспечивающее  высокое  быстродействие  и  позволяющее  независимо  управлять  фазными  реакторами  каждой  из  фаз  статического  тиристорного  компенсатора  реактивной  мощности  с  принудительной  коммутацией.  Предложена  схема  управления,  обеспечивающая  необходимый  алгоритм  переключения  коммутирующих  тиристоров  и  микропроцессорное  управление  для  уменьшения  величины  удельной  потребляемой  активной  мощности  и,  тем  самым,  реализующая  концепцию  глобального  управления  энергетическими  процессами  компенсатора.

ABSTRACT

The  paper  considers  the  configuration  and  principle  of  operation  of  the  device  for  reactive  power  control  that  provides  high  quick  acting  and  allows  independent  control  of  phase  reactors  for  each  phase  in  static  thyristor  compensators  of  reactive  power  with  forced  commutation.  A  scheme  of  control  that  provides  the  necessary  algorithm  of  switching  of  commuting  thyristors  and  microprocessor  control  to  reduce  the  value  of  specific  active  power  consumption  is  proposed  and,  as  a  result  the  concept  of  global  control  energy  processes  of  compensator  is  realized.

Ключевые  слова:  статические  компенсаторы;  принудительная  коммутация;  высокое  быстродействие;  эффективность;  глобальное  управление.

Keywords:  static  compensators;  forced  commutation;  high  quick  acting;  efficiency;  global  control.

Статические  тиристорные  компенсаторы  реактивной  мощности  относятся  к  импульсным  преобразователям  переменного  напряжения.  С  помощью  импульсного  преобразователя  источник  переменного  напряжения  периодически  подключается  к  нагрузке.  При  этом  регулируется  относительное  время  проводимости  ключа,  что  приводит  к  плавному  изменению  среднего  или  действующего  значения  напряжения  на  нагрузке  и,  тем  самым,  величины  реактивной  мощности.  При  большой  выходной  мощности  в  качестве  ключей  преимущественно  применяют  триодные  не  полностью  управляемые  тиристоры.

Известно,  что  тиристор  можно  закрыть  уменьшением  анодного  тока  ниже  тока  удержания  и  приложением  к  нему  отрицательного  (обратного)  напряжения  в  течение  времени,  которое  не  меньше  паспортного  времени  выключения.  Поэтому  для  замыкания  тиристора  применяют  специальные  коммутирующие  устройства.

Различают  естественную  и  принудительную  (искусственную)  коммутацию.  В  случае  естественной  коммутации  можно  управлять  только  моментом  открытия  коммутирующего  тиристора.  Закрытие  тиристора  происходит  автоматически  под  действием  обратного  напряжения  в  момент  перехода  тока  через  нулевую  отметку.  При  этом  момент  закрытия  тиристора  является  функцией  его  угла  управления.  В  случае  принудительной  коммутации  можно  независимо  управлять  как  моментом  открытия,  так  и  моментом  закрытия  коммутирующего  тиристора.  Это  существенно  улучшает  функциональные  возможности  статического  тиристорного  компенсатора  (СТК)  и  позволяет  реализовать  концепцию  многоканального  управления.

В  статических  тиристорных  компенсаторах  с  принудительной  коммутацией  обычно  применяется  прямая  компенсация  реактивной  мощности  [4,  с.  11;  5,  с.  36].  Это  приводит  к  тому,  что  эти  компенсаторы  имеют  сложную  конфигурацию,  незначительный  предел  по  перенапряжению  и  низкую  перегрузочную  способность,  умеренные  потери  активной  мощности,  а  также  требуют  специальных  быстродействующих  тиристоров  с  малым  временем  восстановления  запирающих  свойств.

Косвенная  компенсация  реактивной  мощности  может  быть  реализована  на  базе  тиристорных  регуляторов  переменного  напряжения  с  принудительной  коммутацией  [3,  с.  253],  которые  обеспечивают  постоянную  во  времени  коммутирующую  способность  и  независимость  параметров  узла  коммутации  от  параметров  нагрузки.  Рассмотрим  три  наиболее  распространенные  трехфазные  схемы  с  широтно-импульсным  регулированием  выходного  напряжения  (рис.  1),  которые  можно  использовать  в  качестве  статических  тиристорных  компенсаторов  реактивной  мощности.

Схемы  на  рис.  1,а,в  имеют  одинаковый  состав  элементов,  подобный  алгоритм  переключения  тиристоров  и  одинаковые  формы  выходного  напряжения  на  фазных  реакторах.  Наличие  силового  трансформатора  это  скорее  преимущество,  чем  недостаток,  поскольку  применение  трансформатора  с  насыщенной  магнитной  системой  позволяет  при  той  же  конфигурации  получить  почти  прямоугольную  форму  питающего  напряжения,  которая  является  перспективной  для  организации  энергетически  эффективных  режимов  работы  тиристорных  компенсаторов  реактивной  мощности.  Схема  на  рис.  1,б  отличается  от  схем  на  рис.  1,а,в  своей  конфигурацией  и  алгоритмом  переключения  тиристоров.  Для  обеспечения  такой  же  формы  напряжения  на  фазных  реакторах  необходим  более  сложный  алгоритм  переключения  тиристоров.  Наличие  большого  количества  тиристоров  существенно  усложняет  систему  управления  ими.  Присутствие  ограничивающих  дросселей  Др1…Др3  ухудшает  энергетические  показатели  схемы.

Рисунок  1.  Схемы  тиристорных  регуляторов  переменного  напряжения  с  принудительной  коммутацией

Итак,  наиболее  приемлемыми  для  применения  в  составе  СТК  с  принудительной  коммутацией  есть  схемы  на  рис.  1,а,в.  Однако  эти  схемы  имеют  два  существенных  недостатка.  Синхронная  коммутация  фазных  реакторов  приводит  к  снижению  быстродействия,  поскольку  установившийся  режим  работы  наступает  не  за  один,  а  за  несколько  периодов  питающего  напряжения,  и  невозможности  независимого  регулирования  реактивной  мощности  отдельных  фаз  статического  компенсатора.

Устранить  указанные  выше  недостатки  можно  с  помощью  устройства  для  регулирования  реактивной  мощности  [2],  принципиальная  схема  которого  приведена  на  рис.  2.

Рисунок  2.  Устройство  для  регулирования  реактивной  мощности

Устройство  для  регулирования  реактивной  мощности  содержит  трехфазный  трансформатор  Т.  Конец  и  начало  фаз  A,  B,  C  его  вторичных  обмоток  и  нулевой  провод  N  подключены  соответственно  к  однофазным  мостовым  выпрямителям  VD1  и  VD2,  VD3  и  VD4,  VD5  и  VD6.  К  анодной  и  катодной  групп  диодов  этих  выпрямителей  подключены  последовательно  соединенные  коммутирующие  тиристоры  VS1,  VS2,  VS3,  VS4,  VS5,  VS6  и  дроссели  Др1,  Др2,  Др3,  Др4,  Др5,  Др6,  а  параллельно  к  ним  коммутирующие  конденсаторы  С1,  С2,  С3,  С4,  С5,  С6.  Дроссели  одноименных  фаз  расположены  на  одном  ферромагнитном  сердечнике.  Начало  фаз  A,  B,  C  вторичных  обмоток  трансформатора  подключены  к  фазным  реакторам  L1,  L2,  L3.  Фазные  реакторы  соединены  в  звезду,  общая  точка  которой  подключена  к  нулевому  проводу  N.

При  подаче  напряжения  питания,  коммутирующие  конденсаторы  С1  и  С2,  С3  и  С4,  С5  и  С6  заряжаются  от  вторичных  обмоток    трансформатора  Т  через  однофазные  мостовые  выпрямители  VD1  и  VD2,  VD3  и  VD4,  VD5  и  VD6  с  полярностью,  указанной  на  рис.2  без  скобок.  Во  время  действия  положительной  полуволны  напряжения  питания  при  отпирании  тиристора  VS1  обеспечивается  еквипотенциальность  точек    и  N  трансформатора  Т  и  к  фазному  реактору  L1  прикладывается  напряжение.  Конденсатор  C1  перезаряжается  через  тиристор  VS1  и  обмотку  дросселя  Др1,  приобретая  полярность,  которая  указана  на  рис.2  в  скобках.  Для  запирания  тиристора  VS1  отпирается  тиристор  VS2,  и  конденсатор  C2  перезаряжается  через  тиристор  VS2  и  обмотку  дросселя  Др2.  На  обмотке  дросселя  Др1  наводится  электродвижущая  сила,  под  действием  которой  тиристор  VS1  запирается.  При  отпирании  тиристора  VS2  обеспечивается  еквипотенциальность  точек    и  N.  При  этом  фазный  реактор  L1  замыкается  накоротко  через  однофазный  мостовой  выпрямитель  VD2  и  тиристор  VS2,  что  обеспечивает  непрерывность  тока  в  случае  активно-индуктивной  нагрузки.  Для  запирания  тиристора  VS2  отпирается  тиристор  VS1.  Во  время  действия  отрицательной  полуволны  напряжения  питания  алгоритм  работы  схемы  не  меняется,  но  запирание  тиристора  VS2  за  счет  отпирания  тиристора  VS1  осуществляется  в  момент  перехода  тока  фазного  реактора  L1  через  ноль.  Величина  реактивной  мощности  регулируется  за  счет  изменения  момента  переключения  коммутирующих  тиристоров.  Процессы,  которые  происходят  в  фазах    и    устройства  для  регулирования  реактивной  мощности  при  коммутации  тиристоров  VS3  и  VS4,  VS5  и  VS6,  протекают  аналогично  и  независимо  друг  от  друга.

Таким  образом,  обеспечивается  более  высокое  быстродействие  за  счет  того,  что  квазиустановившийся  режим  работы  в  каждой  фазе  устройства  для  регулирования  реактивной  мощности  наступает  за  один  период  питающего  напряжения,  и  улучшается  функциональность  благодаря  независимой  коммутации  фазных  реакторов.

Эта  схема  позволяет  реализовать  концепцию  глобального  управления  статическим  компенсатором.  По  этой  концепции  [1,  с.  34—38]  определяется  граничная  поверхность,  которая  разделяет  трехмерное  пространство  углов  управления    коммутирующих  тиристоров  на  две  области.  Когда  целевая  функция:

,

где:    —  удельное  сопротивление  первого  или  третьего  участка; 

  —  удельное  сопротивление  второго  участка  (рис.  4,л),  расположена  в  области,  лежащей  выше  граничной  поверхности,  то  невозможно  реализовать  энергетически  эффективные  режимы  работы  статического  компенсатора.  В  случае,  когда  целевая  функция  расположена  в  области,  лежащей  ниже  граничной  поверхности,  то  энергетическая  эффективность  статического  компенсатора  тем  выше,  чем  большее  расстояние  между  предельной  поверхностью  и  точкой  в  трехмерном  пространстве  ,  которая  определяет  величину  целевой  функции.

Для  реализации  концепции  глобального  управления  в  системе  управления  статическим  компенсатором  необходимо  обеспечить  синхронизацию  всех  процессов  в  ней  с  напряжением  питания  и  выполнения  определенного  алгоритма  переключения  коммутирующих  элементов,  а  также  микропроцессорный  контроль  над  величиной  потерь  активной  мощности  при  регулировании  реактивной  мощности.  Эти  требования  может  обеспечить  система  управления  статическим  компенсатором,  схема  которой  приведена  на  рис.3.  Поскольку  устройство  для  регулирования  реактивной  мощности,  которое  входит  в  состав  статического  компенсатора  с  принудительной  коммутацией,  позволяет  независимо  регулировать  величину  реактивной  мощности  в  каждой  из  фаз,  то  целесообразно  рассматривать  схему  управления  только  для  одной  фазы.  Для  остальных  фаз  схема  управления  будет  выглядеть  аналогично.

Рисунок  3.  Схема  управления  статическим  тиристорным  компенсатором  реактивной  мощности  с  принудительной  коммутацией

Система  управления  статическим  компенсатором  содержит  микропроцессорную  систему,  в  состав  которой  входят  микропроцессор  МП,  оперативное  запоминающее  устройство  ОЗУ,  постоянное  запоминающее  устройство  ПЗУ,  терминал  Т,  шину  адресов  ША,  шину  данных  ШД,  шину  команд  ШК,  устройства  сопряжения  УС1,  УС2,  УС3,  УС4,  а  также  цифро-аналоговые  преобразователи  ЦАП1,  ЦАП2  и  ЦАП3.  С  терминала  Т  в  микропроцессорную  систему  вводят  параметры  конфигурации  СТК  с  принудительной  коммутацией  и  значение  необходимых  углов  управления  коммутирующими  тиристорами  .  Величину  угла  управления    микропроцессорная  система  устанавливает  самостоятельно  таким  образом,  чтобы  значение  целевой  функции    было  меньше  нуля,  поскольку  при  этом  потери  активной  мощности  во  время  регулирования  реактивной  мощности  не  будут  превышать  экономически  целесообразной  величины.

В  состав  устройства,  которое  обеспечивает  синхронизацию  и  выполнения  необходимого  алгоритма  переключения  коммутирующих  тиристоров,  входят  трансформатор  напряжения  Т2,  однофазные  мостовые  выпрямители  VD1,  VD2,  генераторы  пилообразного  напряжения  ГПН1,  ГПН2,  генератор  прямоугольного  униполярного  напряжения  ГПУН,  ноль  органы  НО1,  НО2,  НО3,  НО4,  два  логических  элемента  «ИЛИ»,  тактируемый  D-триггер  с  потенциальным  управлением,  ключ  на  базе  логического  элемента  «ЗАПРЕТ»  и  два  формирователя  импульсов  Ф1  и  Ф2.

Временные  диаграммы  работы  отдельных  элементов  схемы  управления  СТК  реактивной  мощности  с  принудительной  коммутацией  приведены  на  рис.4.  Трансформатор  Т2  синхронизирует  работу  логического  блока  системы  управления  с  напряжением  питания  (рис.  4,а).  Напряжение  на  выходе  выпрямителей  VD1  и  VD2  (рис.  4,б,в)  запускают  генераторы  пилообразного  напряжения  ГПН1  и  ГПН2,  соответственно,  в  нечетные  и  четные  полупериоды  напряжения  питания.  Пилообразные  напряжения,  которые  производятся  ГПН1  и  ГПН2,  сравниваются  в  ноль  органах  НО1  и  НО2  с  напряжениями  управления,  которые  снимаются  с  выходов  ЦАП1  и  ЦАП2  микропроцессорной  системы  (рис.  4,г,д).  В  момент  равенства  пилообразных  напряжений  и  напряжений  управления  на  выходах  НО1  и  НО2  формируются  импульсы  управления,  которые  через  логический  элемент  «ИЛИ»  и  формирователь  импульсов  Ф1  (рис.  4,ж)  поступают  на  управляющий  электрод  коммутирующего  тиристора  VS1,  открывая  его.  Благодаря  этому,  прямоугольное  напряжение  вторичной  обмотки  трансформатора  Т1  с  насыщенной  магнитной  системой  подается  на  фазный  реактор  L  и  по  нему  начинает  протекать  ток  (рис.  4,л).

Рисунок  4.  Временные  диаграммы  работы  отдельных  элементов  схемы  управления  СТК  реактивной  мощности  с  принудительной  коммутацией

Для  предотвращения  нежелательного  открывания  тиристора  VS2  во  время  открытия  тиристора  VS1  предусмотрена  блокировка  импульса,  который  в  это  время  формируется  на  выходе  НО4.  Это  осуществляется  за  счет  тактируемого  D-триггера  с  потенциальным  управлением  и  ключа,  построенного  на  логическом  элементе  «ЗАПРЕТ».  С  приходом  импульса  с  выхода  логического  элемента  «ИЛИ»  на  вход  синхронизации  С  тактируемого  D-триггера  сигнал  на  его  прямом  выходе  Q  будет  повторять  сигнал,  который  подается  на  информационный  вход  D  от  ГПУН  (рис.  4,и,к).  Поскольку  в  этом  случае  на  прямом  выходе  D-триггера  возникает  логическая  единица,  то  ключ  будет  разомкнут,  а  импульс  с  выхода  НО4  будет  заблокирован.

Коммутирующий  тиристор  VS1  закрывается  после  открытия  тиристора  VS2  в  момент  времени,  когда  на  его  управляющий  электрод  через  логический  элемент  «ИЛИ»  и  формирователь  Ф2  поступает  импульс  управления  от  НО3  (рис.  4,з),  который  возникает  во  время  сравнения  пилообразного  напряжения    с  напряжением  управления    (рис.  4,е).  В  этот  момент  вторичная  обмотка  трансформатора  Т1  размыкается,  а  фазный  реактор  замыкается  накоротко,  что  обеспечивает  непрерывность  тока  через  него.  С  приходом  следующего  импульса  с  выхода  формирователя  Ф1  (рис.  4,ж)  тиристор  VS1  открывается,  а  тиристор  VS2  закрывается.  Вторичная  обмотка  трансформатора  снова  подключается  к  фазному  реактору  и  к  нему  прикладывается  фазное  напряжение  противоположной  полярности.  Когда  ток  через  фазный  реактор  уменьшится  до  нуля,  то  на  выходе  НО4  возникнет  импульс  управления,  который  через  замкнутый  ключ  и  логический  элемент  «ИЛИ»  поступит  на  управляющий  электрод  тиристора  VS2.  При  этом  тиристор  VS2  открывается,  а  тиристор  VS1  закрывается.

Таким  образом,  предлагаемая  схема  управления  СТК  реактивной  мощности  с  принудительной  коммутацией  позволяет  независимо  управлять  фазными  реакторами  каждой  из  фаз,  обеспечить  необходимый  алгоритм  переключения  коммутирующих  тиристоров  и  микропроцессорное  управление  всеми  элементами  системы  в  реальном  времени  для  уменьшения  величины  удельной  потребляемой  активной  мощности.  Более  того,  данная  схема  позволяет  реализовать  концепцию  глобального  управления  энергетическими  процессами  компенсатора  при  его  питании  напряжением  прямоугольной  формы,  что  повышает  экономическую  эффективность  использования  СТК  как  источника  реактивной  мощности  и  позволяет  оптимизировать  режимы  его  работы.

Список  литературы:

1.Литковец  С.П.,  Петухов  Н.В.  Глобальное  управление  энергетическими  процессами  в  асинхронных  статических  тиристорных  компенсаторах  реактивной  мощности  с  принудительной  коммутацией  //  Энергетика:  экономика,  технологии,  экология.  —  2012.  —  №  1  (30).  —  С.  34—38.

2.Петухов  Н.В.,  Литковец  С.П.  Устройство  для  регулирования  реактивной  мощности  //  Патент  Украины  №  69876.  2012.  Бюл.  №  9.

3.Руденко  В.С.,  Сенько  В.И.,  Чиженко  И.М.  Преобразовательная  техника.  М.:  Высшая  школа,  1978.  —  422  с.

4.Сегеда  М.С.  Моделирование  электромагнитных  процессов  электрической  сети  со  статическим  тиристорным  компенсатором:  дис.  …  канд.  тех.  наук.  Львов,  1987.  —  С.  11—14.

5.Статические  компенсаторы  реактивной  мощности  в  электрических  системах.  Под  ред.  И.И.  Карташева.  М.:  Энергоатомиздат,  1990.  —  174  с.