Система управления поэтапным переключением обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства и фазоповоротное устройство такой системой управления

Авторы патента:

Полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к управлению тиристорными фазоповоротными устройствами (ФПУ).

Технический результат полезной модели - повышение надежности, как следствие предотвращения коротких замыканий вторичных обмоток шунтового трансформатора и перенапряжений на выходе ФПУ в процессе поэтапной коммутации шунтовых обмоток.

Трехфазное ФПУ содержит сериесный трансформатор, шунтовой трансформатор с группой вторичных обмоток, подключенных к первичной обмотке сериесного трансформатора через тиристорный многомостовой коммутатор (1), и систему управления.

В системе управления формирователь (2) разрешенных интервалов коммутации и блок (3) определения набора допустимых переключений имеют первые и вторые входы, подключенные к датчикам (4) напряжений на обмотках шунтового трансформатора и, по меньшей мере, к одному датчику (5) тока через мосты коммутатора 1 соответственно. Выходы блоков (2) и (3) подключены к первому входу блока (6) управления тиристорным многомостовым коммутатором и к первому входу блока (7) выбора маршрута переключения соответственно. К второму и третьему входам блока (7) подключены выходы блока (8) задания требуемого состояния ФПУ и блока (9) задания характеристик выбираемого маршрута переключения соответственно. Блок (6) снабжен выходом, подключенным к четвертому входу блока (7). Формирователь (2) снабжен третьим входом, к которому подключен блок (10) данных о параметрах силовых компонентов схемы ФПУ. 2 н.п.ф.,4 ил.

Область техники

Полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к управлению тиристорными фазоповоротными устройствами (ФПУ). ФПУ представляет собой высоковольтный электротехнический комплекс для изменения фазы напряжения, включаемый последовательно в линию электропередачи. ФПУ могут использоваться в электрических сетях с напряжением 1101150 кВ для гибкого регулирования потоков активной и реактивной мощности, повышения пропускной способности существующих линий и повышения динамической устойчивости энергетической системы за счет ступенчатого регулирования модуля и фазы напряжения на выходе ФПУ.

Уровень техники

Тиристорные ФПУ известны и имеют в своем составе два трансформатора: сериесный и шунтовой, а также тиристорный коммутатор, включенный между шунтовым и сериесным трансформатором [см., например, пат. RU 106060]. Каждая фаза тиристорного коммутатора содержит ряд последовательно соединенных тиристорных мостов. Тиристорный мост состоит из четырех двунаправленных тиристорных ключей, осуществляющих коммутацию (подключение в прямой либо обратной полярности или отключение) вторичной обмотки шунтового трансформатора, которая включена в диагональ моста (далее - шунтовая обмотка). Вторичные обмотки сериесного трансформатора включаются в рассечку фаз линии электропередачи и вносимые ими напряжение и фазовый сдвиг могут принимать конечное число значений, называемых ступенями регулирования, в зависимости от количества и полярности шунтовых обмоток, введенных в первичную цепь сериесного трансформатора. Каждой ступени регулирования соответствует определенное подключение шунтовых обмоток и определенный набор состояний ключей мостов тиристорного коммутатора. Переход от ранее заданной исходной ступени регулирования к вновь задаваемой (конечной) ступени может осуществляться как сразу (за один этап), так и через промежуточные ступени (за несколько этапов). В общем случае такой переход является поэтапным с числом этапов 1 и более и обеспечивается соответствующей поэтапной коммутацией шунтовых обмоток тиристорными мостами. Последовательность переключений между ступенями, которую проходит ФПУ при переходе от исходной ступени к конечной, принято называть маршрутом переключения.

В качестве прототипа заявляемой полезной модели принята известная система управления с поэтапным переключением обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства с помощью тиристорного многомостового коммутатора [Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения. М.: Издательство МЭИ, 2007. с.309-310]. Прототип содержит блок задания требуемого состояния ФПУ, блок управления тиристорным многомостовым коммутатором, датчики напряжения на коммутируемых обмотках шунтового трансформатора и датчики тока тиристорных мостов, входящие в тиристорный многомостовой коммутатор, при этом на входы блока управления тиристорным многомостовым коммутатором подаются сигналы с датчиков тока и напряжения и выход блока задания требуемого состояния ФПУ, выход блока управления тиристорным многомостовым коммутатором соединен с управляющими цепями тиристорного многомостового коммутатора.

Недостаток прототипа - пониженная надежность. Известная система управления не предотвращает аварийные ситуации, которые могут возникникать из-за коротких замыканий вторичных обмоток шунтового трансформатора при одновременном включении параллельных плеч тиристорных мостов. Другая причина низкой надежности прототипа - на промежуточных этапах коммутации обмоток возможно возникновение недопустимо высоких напряжений (перенапряжений) на выходе ФПУ.

Сущность полезной модели

Предметом полезной модели является система управления поэтапным переключением обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства с помощью тиристорного многомостового коммутатора, содержащая формирователь разрешенных интервалов коммутации и блок определения набора допустимых переключений, первые и вторые входы которых предназначены для подключения к датчикам напряжений на обмотках шунтового трансформатора и, по меньшей мере, к одному датчику тока через мосты тиристорного коммутатора соответственно, а выходы к - первому входу блока управления тиристорным многомостовым коммутатором и к первому входу блока выбора маршрута переключения соответственно, к второму и третьему входам блока выбора маршрута переключения подключены выходы блока задания требуемого состояния фазоповоротного устройства и блока задания характеристик выбираемого маршрута переключения соответственно, при этом блок управления тиристорным многомостовым коммутатором подключен вторым входом к выходу блока выбора маршрута переключения и снабжен первым выходом, предназначенным для подключения к тиристорному мостовому коммутатору, и вторым выходом, подключенным к четвертому входу блока выбора маршрута переключения, а формирователь разрешенных интервалов коммутации снабжен третьим входом, к которому подключен блок данных о параметрах силовых компонентов схемы фазоповоротного устройства.

Предметом полезной модели также является трехфазное фазоповоротное устройство, содержащее сериесный трансформатор, шунтовой трансформатор с группой вторичных обмоток, подключенных первичной обмотке сериесного трансформатора через тиристорный многомостовой коммутатор, и указанную систему управления.

Краткое описание фигур

На фиг.1 приведена функциональная схема системы управления тиристорным ФПУ. На фиг.2 показана схема одного из тиристорных мостов, коммутирующих шунтовую обмотку ФПУ, с датчиками тока и напряжения, а на фиг.3 и фиг.4 приведены временные диаграммы тока и напряжения, получаемые от этих датчиками.

Осуществление полезной модели

На фиг.1 показан многомостовой тиристорный коммутатор 1, с помощью которого осуществляется поэтапное переключение обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства под управлением заявляемой системы, которая содержит функциональные блоки 2-9.

Формирователь 2 разрешенных интервалов коммутации и блок 3 определения набора допустимых переключений имеют первые и вторые входы, подключенные к датчикам 4 напряжений на обмотках шунтового трансформатора и, по меньшей мере, к одному датчику 5 тока через мосты коммутатора 1 соответственно. Выходы блоков 2 и 3 подключены к первому входу блока 6 управления тиристорным многомостовым коммутатором и к первому входу блока 7 выбора маршрута переключения соответственно. Вторым входом блок 6 подключен к выходу блока 7. К второму и третьему входам блока 7 подключены выходы блока 8 задания требуемого состояния фазоповоротного устройства и блока 9 задания характеристик выбираемого маршрута переключения соответственно. Блок 6 снабжен первым выходом, предназначенным для подключения к тиристорному многомостовому коммутатору 1, и вторым выходом, подключенным к четвертому входу блока 7. Формирователь 2 снабжен третьим входом, к которому подключен блок 10 данных о параметрах силовых компонентов схемы ФПУ.

Система управления работает следующим образом.

В исходном положении блок 6 вырабатывает импульсы управления коммутатором 1, поддерживающие ранее заданное блоком 8 требуемое состояние тиристорных мостов ФПУ. При этом блок 7 постоянно следит за входом, на который поступает сигнал о задаваемом (с выхода блока 8) состоянии ФПУ и в случае его отличия от предыдущего значения начинается очередной процесс переключения.

В ходе этого процесса блок 7 выбирает конкретный маршрут переключения тиристорных мостов коммутатора 1, обеспечивающий переход из исходного состояния во вновь заданное конечное, а блок 6 обеспечивает последующую реализацию выбранного маршрута в реальном времени.

Блок 7 может быть выполнен, например, на основе запоминающего устройства, в ячейках которого хранится множество всех возможных для данного ФПУ маршрутов переключения, а в соответствующие поля адресного регистра заносятся данные, поступающие от блоков 3, 8 и 9.

Управление ФПУ обеспечивает переходы ФПУ из состояния, называемого исходным, с одними фазовым сдвигом, в другое, задаваемое блоком 8 состояние, называемое конечным, с другим значением фазового сдвига, вносимого ФПУ. Изменение фазового сдвига ФПУ обеспечивается изменением состава и полярности последовательного включения шунтовых обмоток за счет соответствующих переключений тиристорных мостов коммутатора 1.

Включение каждого тиристора может быть произведено только в случае наличия положительного напряжения между его анодом и катодом и появления прямого тока во включаемом тиристоре. Из этого следует, что требуемые переключения тиристоров в составе моста могут быть произведены на определенных интервалах, временное положение которых зависит от текущего фазового сдвига между током, измеряемым датчиком 5, и напряжением, измеряемым датчиком 4.

С учетом этого блок 3 разделяет все интервалы, пригодные для тех или иных переключений шунтовой обмотки, на интервалы первого вида t₁, начинающиеся со смены полярности напряжения и заканчивающиеся сменой направления тока, и интервалы второго вида t₂, начинающиеся со смены направления тока и заканчивающиеся сменой полярности напряжения (см. фиг.4).

Такое разделение необходимо из-за того, что в случае, когда коммутация тиристоров осуществляется в момент, близкий к началу или к концу интервалов второго вида, возможно возникновение коротких замыканий вторичной обмотки шунтового трансформатора. Это объясняется тем, что в данном случае тиристоры, обесточенные, но не успевшие восстановить свою способность удерживать напряжение, оказываются под положительным (прямым) напряжением, что приводит к их самопроизвольному включению. При этом для исключения коротких замыканий коммутируемой шунтовой обмотки необходимо учесть, что на концах интервалов второго вида время коммутации тока между тиристорами моста увеличивается за счет влияния на процесс коммутации индуктивности рассеяния вторичной обмотки шунтового трансформатора. Интервалы первого вида не имеют этой особенности.

Следовательно, для безаварийной коммутации тиристоров мостов на интервалах второго вида необходимо задерживать начало процесса коммутации на время восстановления тиристорами своих управляющих свойств t_q - от начала интервала и заканчивать процесс коммутации тиристоров до окончания интервала за время, равное сумме t_q+t_x, где t_x - время коммутации тока вторичной обмотки шунтового трансформатора между тиристорами моста, обусловленное индуктивностью рассеяния этой обмотки (см. фиг.4).

В тех случаях, когда длительность укороченного интервала (t₂-t_x-2t_q) меньше необходимой длительности импульса включения тиристоров безаварийная естественная коммутация тиристоров на данном интервале второго вида невозможна (или, по крайней мере, не гарантирована) и должна быть исключена.

В соответствии с вышеизложенным блок 3, чтобы не допустить аварийной ситуации, сравнивает длительность (t₂-t_x-2t_q) с необходимой длительностью импульса включения тиристоров. Величины t_q и t_x заранее определяются, например, по паспортным данным тиристоров используемого типа и шунтового трансформатора соответственно и хранятся в блоке 10. Если (t₂-t_x-2t_q) больше длительности импульса включения тиристоров, то блок 3 разрешает включение данного интервала t₂ в последовательность разрешенных интервалов, состоящую из укороченных интервалов второго вида, которая поступает с блока 2 на блок 6, в противном случае данный интервал не используется для коммутации тиристоров блоком 6. Последовательность поэтапной коммутации обмоток, выбираемая из памяти блока 7 должна быть допустима, т.е. выполнима (без создания аварийной ситуации) при имеющемся фазовом сдвиге между током и напряжением, измеряемыми датчиками 4 и 5.

Для этого блок 3 в исходном состоянии ФПУ выявляет интервалы совпадения или антисовпадения знаков измеряемых величин (см. фиг.3) и выдает соответствующие данные на вход блока 7 для занесения в соответствующее адресное поле.

Благодаря этой информации блок 7 выбирает маршрут переключения с учетом того, какие переключения обмоток могут быть осуществлены в данном (исходном) состоянии ФПУ, а какие не могут, и, следовательно, должны отсутствовать в выбранном маршруте переключений.

Для выбранного таким образом допустимого маршрута переключений все интервалы первого вида и укороченные интервалы второго вида являются разрешенными временными интервалами для переключений тиристоров моста, включаемых блоком 7 в состав выбранного маршрута.

Выбранная допустимая последовательность поэтапной коммутация обмоток (маршрут переключения, выбранный блоком 7) должна удовлетворять заданным (например, внешним сигналом) ограничениям выходных напряжений ФПУ в процессе переключения. Для этого блок 7, используя информацию, поступающую с блока 9, для заполнения соответствующего адресного поля, выбирает маршрут, удовлетворяющий заданным ограничениям, в число которых входит ограничение величины выходных напряжений ФПУ в процессе поэтапной коммутации обмоток. Кроме того, блок 9 может задавать блоку 7 другие требования, например, ограничивающие число переключений обмоток, число переключаемых тиристоров, фазовый сдвиг, суммарно накапливаемый при поэтапной коммутации.

Выбор маршрута с требуемыми свойствами осуществляется благодаря размещению возможных маршрутов, хранимых в ячейках памяти блока 7, по адресам в соответствии с предварительно рассчитанным значением ограничиваемого параметра.

Блок 7 целесообразно выполнять таким образом, чтобы в результате учета всех задаваемых требований он однозначно выбрал из множества заложенных в его память маршрутов переключения единственный (конкретный) маршрут переключения, предназначенный для отработки блоком 6.

Реализуя выбранный маршрут переключений, блок 6 подает соответствующие сигналы на управляющие цепи многомостового тиристорного коммутатора 1. Последовательность сигналов о разрешенных интервалах, сформированная блоком 2, поступает на вход блока 6, который обеспечивает подачу импульсов включения на тиристоры только в пределах разрешенных интервалов.

После совершения последнего этапа переключения выбранного маршрута блок 6 выдает на блок 7 сигнал завершения маршрута, позволяющий начинать следующий процесс управления сменой фазового сдвига ФПУ при появлении на выходе блока 8 другого значения конечного состояния, несовпадающего с установленным текущим.

1. Система управления поэтапным переключением обмоток шунтового трансформатора фазоповоротного устройства с помощью тиристорного многомостового коммутатора, содержащая формирователь разрешенных интервалов коммутации и блок определения набора допустимых переключений, первые и вторые входы которых предназначены для подключения к датчикам напряжений на обмотках шунтового трансформатора и, по меньшей мере, к одному датчику тока через мосты тиристорного коммутатора соответственно, а выходы - к первому входу блока управления тиристорным многомостовым коммутатором и к первому входу блока выбора маршрута переключения соответственно, к второму и третьему входам блока выбора маршрута переключения подключены выходы блока задания требуемого состояния фазоповоротного устройства и блока задания характеристик выбираемого маршрута переключения соответственно, при этом блок управления тиристорным многомостовым коммутатором подключен вторым входом к выходу блока выбора маршрута переключения и снабжен первым выходом, предназначенным для подключения к тиристорному многомостовому коммутатору, и вторым выходом, подключенным к четвертому входу блока выбора маршрута переключения, а формирователь разрешенных интервалов коммутации снабжен третьим входом, к которому подключен блок данных о параметрах силовых компонентов схемы фазоповоротного устройства.

2. Трехфазное фазоповоротное устройство, содержащее сериесный трансформатор, шунтовой трансформатор с группой вторичных обмоток, подключенных к первичной обмотке сериесного трансформатора через тиристорный многомостовой коммутатор, и систему управления, отличающееся тем, что система управления выполнена по п.1.