Полупроводниковое фазоповоротное устройство

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в гибких (управляемых) системах электропередачи переменного тока. Изобретение позволяет повысить пропускную способность электропередачи переменного тока, ограничить перегрузки электрических сетей, снять ограничения по выдаче мощности электростанций и снизить потери мощности в электрических сетях.

Полупроводниковое фазоповоротное устройство содержит трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого включены в рассечку фаз линии электропередачи, трехфазный полупроводниковый коммутатор и трехфазный шунтовой трансформатор. Первичные обмотки сериесного трансформатора соединены по схеме треугольника и подключены к высоковольтным выводам трехфазного полупроводникового коммутатора. Первичные обмотки шунтового трансформатора, соединенные по схеме звезда, подключены к фазам линии электропередачи. Нейтраль первичных обмоток заземлена. Вторичная обмотка каждой фазы шунтового трансформатора выполнена в виде N гальванически развязанных секций. Трехфазный полупроводниковый коммутатор выполнен в виде цепочек, состоящих из N последовательно соединенных полупроводниковых переключателей. Каждый переключатель выполнен в виде однофазного мостового полупроводникового преобразователя с двунаправленными высоковольтными ключами в каждом плече переключателя. Входы мостовых преобразователей каждой фазы полупроводникового коммутатора подключены к выводам одноименных секций вторичной обмотки соответствующей фазы шунтового трансформатора. Секции вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора имеют разные коэффициенты трансформации и разное число витков. При этом отношение числа витков секций каждой фазы вторичной обмотки шунтового трансформатора соответствует выражению 2^N-1 или 3^N-1, где N - порядковый номер секции. Однофазные полупроводниковые мостовые преобразователи выполнены на напряжение секции вторичной обмотки шунтового трансформатора, к которой они подключены. Одноименные секции вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации. При этом число секций N вторичной обмотки шунтового трансформатора и их коэффициенты трансформации однозначно определяют диапазон изменения величины угла фазового сдвига напряжения на выходе фазоповоротного устройства.

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к высоковольтным регулируемым электротехническим комплексам для гибких (управляемых) линий электропередач, и может использоваться в высоковольтных электрических сетях с напряжением 1101150 кВ для регулирования потоков активной и реактивной мощности в сложных замкнутых электрических сетях, повышения пропускной способности существующих линий и повышения динамической устойчивости энергетической системы путем демпфирования колебаний, возникающих во время переходных электромеханических процессов.

Известно фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и включены в рассечку фаз А, В, С высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены в схему треугольника, узлы соединения обмоток которого подключены к высоковольтным выводам трехфазного высоковольтного коммутатора, трехфазный фазосдвигающий трансформатор (ФСТ) с первичными обмотками, подключенными высоковольтными выводами к средним выводам вторичных обмоток сериесного трансформатора, а низковольтными выводами соединенными по схеме звезды и заземленными, при этом вторичные обмотки ФСТ выполнены с отпайками, к которым подключены входы трехфазного высоковольтного коммутатора, каждая фаза которого выполнена в виде механического контакторного переключателя (РПН), низковольтные выводы которых заземлены (Е. V. Larsen, N. W. Miller. Phase-Shifting Transformer System. US Patent. Number: 5,166,597. Date of Patent: Nov. 24, 1992).

Недостатком такого фазоповоротного устройства является выполнение трехфазного высоковольтного коммутатора на механических контакторных переключателях (РПН), что связанно с проблемами дугогашения, так как прерывание тока в контакторном переключателе сопровождается возникновением дуги на контактах, что приводит к их износу и эрозии; дуга, возникающая при прерывании тока, загрязняет масло, что делает необходимым регулярные проверки его качества и соответствующую замену. Кроме того, на устройстве должны быть установлены специальные механизмы, предотвращающие нежелательные последствия в случае повреждения приводного вала. Все это снижает надежность и срок службы трехфазного высоковольтного коммутатора, к тому же, переключение РПН с контакта на контакт занимает определенное время (5-6 сек.), т.е. происходит достаточно медленно, что обусловливает его малое быстродействие.

Известно фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и вставлены в рассечку фаз высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены по схеме треугольника, узлы соединения обмоток которого подключены к высоковольтным выводам трехфазного высоковольтного коммутатора, при этом низковольтные выводы всех фаз коммутатора соединены по схеме звезды, а входные выводы каждой фазы коммутатора подключены ко вторичной обмотке соответствующей фазы трехфазного шунтового трансформатора, первичные обмотки которого высоковольтными выводами подключены к средним выводам вторичных обмоток сериесного трансформатора, а низковольтными выводами соединены по схеме звезды и заземлены, при этом вторичная обмотка каждой фазы шунтового трансформатора выполнена в виде N гальванически развязанных секций, а каждая фаза трехфазного высоковольтного коммутатора выполнена в виде цепочки, состоящей из N последовательно соединенных однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными высоковольтными ключами в каждом плече, причем входы полупроводниковых мостовых преобразователей каждой фазы высоковольтного коммутатора подключены к выводам одноименных секций вторичной обмотки соответствующей фазы шунтового трансформатора, а высоковольтные выводы цепочек однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей каждой фазы трехфазного коммутатора подключены к узлам соединения двух других фаз схемы треугольника, выполненной из первичных обмоток сериесного трансформатора, причем все N секций вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора имеют разные коэффициенты трансформации и, соответственно, имеют разное число витков, полупроводниковые мостовые преобразователи выполнены на напряжение соответствующей секции, к которой они подключены, а одноименные секции вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации (Положительное решение по заявке 2011103124 от 31.01.2011 г.).

Недостатком такого фазоповоротного устройства является выполнение вторичных обмоток сериесного трансформатора с высоковольтными средними выводами, подключенными к высоковольтным выводам первичных обмоток шунтового трансформатора, что усложняет устройство, снижает надежность и срок службы трехфазного сериесного трансформатора, увеличивает стоимость и массо - габаритные показатели всего устройства в целом.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в упрощении устройства и повышении надежности и срока службы трехфазного сериесного трансформатора, снижении стоимости и массо - габаритных показателей путем оптимизации числа секций вторичной обмотки шунтового трансформатора и полупроводникового преобразователя, увеличении быстродействия (время перехода с одной ступени регулирования на другую, не превышающее половины периода промышленной частоты), что ведет к повышению динамической устойчивости энергетической системы путем демпфирования колебаний, возникающих во время переходных электромеханических процессов.

Технический результат достигается тем, что полупроводниковое фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого вставлены в рассечку фаз А, В, С высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены по схеме треугольника, узлы соединения обмоток которого подключены к высоковольтным выводам трехфазного высоковольтного коммутатора, при этом низковольтные выводы всех фаз коммутатора соединены по схеме звезды, а входные выводы каждой фазы коммутатора подключены ко вторичной обмотке соответствующей фазы трехфазного шунтового трансформатора, первичные обмотки которого высоковольтными выводами подключены к фазам линии электропередачи, а низковольтными выводами соединены по схеме звезды и заземлены, вторичная обмотка каждой фазы шунтового трансформатора выполнена в виде N гальванически развязанных секций, а каждая фаза трехфазного высоковольтного коммутатора выполнена в виде цепочки, состоящей из N последовательно соединенных статических переключателей, выполненных в виде однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными высоковольтными ключами в каждом плече, причем входы полупроводниковых мостовых преобразователей каждой фазы высоковольтного коммутатора подключены к выводам одноименных секций вторичной обмотки соответствующей фазы шунтового трансформатора, а высоковольтные выводы цепочек статических переключателей каждой фазы трехфазного коммутатора подключены к узлам соединения двух других фаз схемы треугольника, выполненной из первичных обмоток сериесного трансформатора, причем все N секций вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора имеют разные коэффициенты трансформации и, соответственно, имеют разное число витков, при этом отношение числа витков w₁ :w₂:w₃:w_N секций каждой фазы вторичной обмотки шунтового трансформатора соответствует выражению 2^N-1 или 3 ^N-1, где N - порядковый номер секции, однофазные полупроводниковые мостовые преобразователи выполнены на напряжение секции, к которой они подключены, а одноименные секции вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена функциональная схема фазоповоротного устройства, включающая трехфазный сериесный трансформатор, трехфазный шунтовой трансформатор и трехфазный высоковольтный коммутатор;

на фиг.2 приведена функциональная схема цепочки одной фазы трехфазного высоковольтного коммутатора, состоящей из N последовательно соединенных однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными высоковольтными ключами в каждом плече;

на фиг.3 приведены векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования отстающего (а) и опережающего (б) поперечного напряжения в фазе А линии электропередачи.

Предлагаемое фазоповоротное устройство содержит трехфазный сериесный трансформатор 1, первичные обмотки 2, 3, 4 которого соединены по схеме треугольника, а вторичные обмотки 5, 6, 7 выполнены со средними выводами 8, 9, 10 и подключены к клеммам 11 рассечки фазы А, 12 рассечки фазы В, 13 рассечки фазы С трехфазной высоковольтной линии 14 электропередачи со стороны входа ФПУ и к клеммам 15 рассечки фазы А, 16 рассечки фазы В, 17 рассечки фазы С трехфазной высоковольтной линии 18 электропередачи со стороны выхода ФПУ; трехфазный шунтовой трансформатор 19, первичные обмотки 20, 21 и 22 которого высоковольтными выводами 23, 24 и 25 подключены к клеммам 8, 9, 10 фаз трехфазной линии 14 электропередачи, а низковольтными выводами 26, 27 и 28 соединены по схеме звезды и заземлены, а вторичные обмотки 29, 30 и 31 каждой фазы выполнены в виде N гальванически развязанных секций 32, 33 и 34, выводы 35 и 36, 37 и 38, 39 и 40 которых подключены к входным клеммам 41 и 42, 43 и 44, 45 и 46 трехфазного высоковольтного коммутатора 47, высоковольтные выводы 48, 49 и 50 каждой фазы которого подключены к узлам 51, 52 и 53 соединения двух других фаз схемы треугольника, выполненной из первичных обмоток 2, 3, 4 трехфазного сериесного трансформатора 1, а низковольтные выводы 54, 55 и 56 соединены по схеме звезды и заземлены; каждая фаза трехфазного высоковольтного коммутатора 47 выполнена в виде цепочки 57, 58, 59, состоящей из N последовательно соединенных однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей 60, 61, 62 (фиг.2) с двунаправленными полупроводниковыми высоковольтными ключами 63, 64, 65, 66 в каждом плече, а входы полупроводниковых мостовых преобразователей 60, 61, 62 являются входами 41-42, 43-44, 45-46 трехфазного высоковольтного коммутатора 47 и подключены к выводам 35-36, 37-38, 39-40 одноименных секций 32, 33, 34 вторичной обмотки 29, 30, 31 соответствующей фазы шунтового трансформатора 19, причем все N секций 32, 33, 34 вторичной обмотки 20, 21, 22 каждой фазы шунтового трансформатора 19 имеют разные коэффициенты трансформации и, соответственно, выполнены с разным числом витков, при этом отношение числа витков w₁:w₂:w₃:w_N секций каждой фазы вторичной обмотки 20, 21, 22 шунтового трансформатора 19 соответствует выражению 2 ^N-1 или 3^N-1, где N - порядковый номер секции, полупроводниковые мостовые преобразователи 60, 61, 62 выполнены на напряжение соответствующей секции 32, 33, 34, к которой они подключены, а одноименные секции 32, 33, 34 вторичной обмотки 29, 30, 31 каждой фазы шунтового трансформатора 19 выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации.

Фазоповоротное устройство работает следующим образом. В исходном состоянии при нулевом угле регулирования первичные обмотки 20, 21, 22 шунтового трансформатора 19 высоковольтными выводами 23, 24, 25 подключены к клеммам 8, 9, 10 трехфазной линии 14 электропередачи переменного тока, низковольтные выводы 26, 27, 28 соединены по схеме звезды и заземлены, при этом все однофазные полупроводниковые мостовые преобразователи 60, 61, 62 опрокинуты, т.е. в них включены два последовательных ключа 63,64 или 65,66; в результате все секции 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 отключены от первичных обмоток 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1, и вольтодобавочные напряжения U_dA, U_dB , U_dC на выходе ФПУ не формируется.

При подаче на систему управления (СУ) трехфазным высоковольтным коммутатором 47 сигнала от автоматической системы управления трансформаторной подстанции (АСУ ТП) или от системного оператора (СО) на работу ФПУ с ненулевым углом регулирования микропроцессор СУ в соответствии с заложенными в нем алгоритмами формирования импульсов управления подает на соответствующую пару двунаправленных полупроводниковых высоковольтных ключей 63,66 или 64,65 в зависимости от знака вектора вольтодобавочного напряжения мостовых преобразователей 60, 61, 62 каждой фазы коммутатора 47, которые должны быть включены для работы ФПУ на заданной ступени регулирования (с заданным углом регулирования ).

Принцип работы предлагаемого фазоповоротного устройства поясняется векторной диаграммой для фазы А на фиг.3, где

U_A - напряжение фазы А линии 14 на входе ФПУ,

U_A1 - напряжение фазы А линии 18 на выходе ФПУ,

U_dA - вольтодобавочное напряжение на вторичной обмотке 5 сериесного трансформатора 1,

U_L - напряжение линии 18 на приемном конце электропередачи,

I_L1 - ток линии 14 на входе ФПУ,

I_L2 - ток линии 18 на выходе ФПУ,

I - входной ток ФПУ,

X_L - индуктивное сопротивление линии 18.

Последовательно соединенные m работающих (где m=1, 2N) полупроводниковых преобразователей 60, 61, 62 каждой фазы в зависимости от величины числа m позволяют получить различные комбинации соединений секций 32, 33, 34 вторичных обмоток 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19, имеющих определенное отношение числа витков согласно выражению 2^N-1 или 3^N-1 , и, тем самым, регулируется выходное напряжение на выходе полупроводникового коммутатора 47.

Для получения угла фазового сдвига , заданного сигналом от АСУ ТП или от СО, микропроцессор СУ ФПУ формирует вольтодобавочные напряжения U_dA, U_dB, U_dC путем включения определенного числа m (где m=1, 2N) полупроводниковых преобразователей 60, 61, 62 каждой фазы ФПУ, осуществляющих переключение соответствующих m секций 32, 33, 34 каждой вторичной обмотки 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 в общую цепь в одно из трех состояний:

для формирования опережающего вектора напряжения путем включения двунаправленных ключей 64,65 полупроводниковых преобразователей 60, 61, 62 начала 35, 37, 39 обмоток 32, 33, 34 подключаются соответственно к выводам 48, 49, 50 коммутатора 47, а концы обмоток 36, 38, 40 - соответственно к выводам 54, 55, 56 коммутатора 47;

для формирования отстающего вектора напряжения путем включения двунаправленных ключей 63,66 начало обмоток 35, 37, 39 подключается соответственно к выводам 54, 55, 56 коммутатора 47, а конец обмоток 36, 38, 40 - соответственно к выводам 48, 49, 50 коммутатора 47;

для формирования нулевого угла регулирования выводы 48, 49, 50 коммутатора 47 подключаются соответственно к его выводам 54, 55, 56 путем опрокидывания всех однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей 60, 61, 62 (включением ключей 63,64 или 65,66), в результате чего вторичные обмотки 29, 30, 31 шунтового трансформатора 19 отсекаются от первичных обмоток 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1.

Полученное трехфазное напряжение на вторичной стороне шунтового трансформатора 19 поступает на первичные обмотки 2, 3, 4 сериесного трансформатора 1, соединенные по схеме треугольника, на вторичных обмотках 5, 6, 7 которого получаются необходимые вольтодобавочные напряжения U_dA, U_dB, U_dC. Вторичные обмотки 5, 6, 7 сериесного трансформатора 1, выполненные без средних выводов, подключены к клеммам рассечек соответствующих фаз линии электропередачи. Выполнение сериесного трансформатора 1 без высоковольтных средних выводов вторичных обмоток 5, 6, 7 упрощает устройство, повышает надежность и срок службы, снижает стоимость и массо - габаритные показатели.

Полупроводниковое фазоповоротное устройство, содержащее трехфазный сериесный трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены со средним выводом и вставлены в рассечку фаз высоковольтной линии электропередачи, а первичные обмотки соединены по схеме треугольника, узлы соединения обмоток которого подключены к высоковольтным выводам трехфазного высоковольтного коммутатора, при этом низковольтные выводы всех фаз коммутатора соединены по схеме звезды, а входные выводы каждой фазы коммутатора подключены к вторичной обмотке соответствующей фазы трехфазного шунтового трансформатора, причем вторичная обмотка каждой фазы шунтового трансформатора выполнена в виде N гальванически развязанных секций, а каждая фаза трехфазного высоковольтного коммутатора выполнена в виде цепочки, состоящей из N последовательно соединенных однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей с двунаправленными высоковольтными ключами в каждом плече, причем входы полупроводниковых мостовых преобразователей каждой фазы высоковольтного коммутатора подключены к выводам одноименных секций вторичной обмотки соответствующей фазы шунтового трансформатора, полупроводниковые мостовые преобразователи выполнены на напряжение соответствующей секции, к которой они подключены, а одноименные секции вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора выполнены с одинаковым коэффициентом трансформации, высоковольтные выводы цепочек однофазных полупроводниковых мостовых преобразователей каждой фазы трехфазного коммутатора подключены к узлам соединения двух других фаз схемы треугольника, выполненной из первичных обмоток сериесного трансформатора, все N секций вторичной обмотки каждой фазы шунтового трансформатора имеют разные коэффициенты трансформации и, соответственно, имеют разное число витков, отличающееся тем, что первичные обмотки шунтового трансформатора высоковольтными выводами подключены к фазам линии электропередачи, а низковольтными выводами соединены в общую точку и заземлены, причем отношение числа витков w ₁:w₂:w₃:w_N секций каждой фазы вторичной обмотки шунтового трансформатора соответствует выражению 2^N-1 или 3 ^N-1, где N - порядковый номер секции.