Управляемые компенсаторы реактивной мощности

Поддержание коэффициента мощности на максимальном уровне при изменении реактивной мощности, потребляемой преобразовате­лями, возможно при использовании управляемых конденсаторно-тиристорных источников реактивной мощности. Схема такого од­нофазного устройства приведена на (рис.3, а).В трехфазных системах используются три аналогичные схемы.

Рис.3 Регулируемый источник реактивной мощности (а), временные диаграммы токов и на­пряжений в регулируемом преобразователе переменного напряжения с индуктивной нагрузкой (б, в, г) и зависимость реактивной мощности от угла управления (д).

Управляемый источник реактивной мощности состоит из двух  LC-фильтров, настроенных на частоты наиболее интенсивных высших гармоник (пятой и седьмой) и регулируе­мого вентильного преобразователя. Преобразователь, который часто назы­вают индуктивно-тиристорным регулятором, состоит из двух тиристоров (VI   V2), и имеет нагрузку в виде индуктивности L.  При отсутствии управляющих импульсов тиристоры VI и V2 закрыты, устройство подав­ляет гармонические искажения напряжения сети на 5-й и 7-й гармо­никах, а конденсаторы C₅ и С₇ генерируют реактивную мощность Qc.

При  и широких управляющих импульсах преобразователь работает в режиме непрерывного тока, когда  и поочередно от­крыт то один, то другой тиристор. Через индуктивность протекает синусоидальный ток, равный вынужденной составляющей (рис.3, б)

.

При увеличении (рис.3, в, г) энергия, накапливаемая на интерва­ле в индуктивности, уменьшается, при этом уменьшается и ин­тервал, на котором индуктивность отдает энергию в сеть. В результате между полуволнами тока в индуктивности возникают разрывы (рис.3, в и г), ток становится несинусоидальным.При этом кривая то­ка в индуктивности, по-прежнему, остается симметричной относительно показан­ной на рисунке оси, а угол, в течение которого тиристоры проводят ток,равен . Таким образом, первая гармоника тока индуктивности отстаёт по фазе от напряжения u₁ на угол   при любом угле управления .

Ток в индуктивности равен сумме принужденной и свободной со­ставляющих процесса:

.

Учитывая, что при включении тиристора , а , получим

.          (1)

 Разложении функции (1) в ряд Фурье позволяет найти 1-ю гармонику тока через индуктивность:

                                    _.        (2)

Реактивная мощность, потребляемая индуктивно-тиристорным преобразователем, определяется формулой Q_l=U₁I_l1 . Эта мощность в соответствии с (2) уменьшается с ростом угла управления  (график зависимости приведён на рис.3, д). Таким образом, рассматриваемая цепь при изменении угла α выполняет роль управляемой индуктивности

 

.

Результирующая реактивная мощность схемы (рис.3, a) равна разности  Q = Q_C – Q_L.   Если выбрать   Q_Lmax ⁼ Qc, реактивная мощность Q всегда будет иметь емкостной характер. Зависимость Q от угла управления  приведена на рис.3, д.

Таким образом, рассмотренный источник реактивной мощности генерирует реактивную мощность и осуществляет ее регулирование, подавляя при этом искажения в сети. Поэтому такие источники ре­активной мощности находят все более широкое применение для по­вышения коэффициента мощности вентильных преобразователей и других установок.

 

              

Автоматическое управление реактивной мощностью наиболее целесообразно осуществлять с помощью статических компенсирующих устройств. Применение таких устройств дает возможность плавно регулировать напряжение и поддерживать оптимальный баланс реактивных мощностей в электрической сети; устранять колебания напряжения, возникающие в сетях, где имеются вентильные преобразователи, дуговые электрические печи и подобные им потребители электроэнергии; увеличивать пропускную способность передачи переменного тока и повышать статическую устойчивость; ограничивать коммутационные перенапряжения и токи КЗ.

Применение подмагничивающих реакторов позволяет практически безынерционно регулировать генерируемую реактивную мощность. Такие регулирующие устройства могут быть использованы в целях повышения экономичности работы в системе электроснабжения промышленных предприятий, так как за последнее время условия работы их электрических сетей резко изменились. Появились мощные электроприемники, такие как приводы крупных прокатных станов, которые создают периодическую ударную нагрузку мощностью в несколько десятков мегаватт, резкопеременные нагрузки в виде мощных сварочных агрегатов, крупные несимметричные нагрузки в виде дуговых печей и др.

 

Рис.4. Принципиальная схема статического компенсатора реактивной мощности, состоящего из управляемого реактора и форсируемой конденсаторной установки.

Управляемое ферромагнитное устройство представляет собой статический компенсатор реактивной мощности, состоящий из управляемого реактора с параллельно включенной конденсаторной установки (рис. 4). Такой статический компенсатор обладает большой скоростью изменения реактивной мощности.

Управляемый реактор представляет собой электромагнитный аппарат, индуктивное сопротивление которого плавно регулируется путем подмагничивания ферромагнитного сердечника постоянным током. Форсирование мощности конденсаторных установок, подключаемой к управляемому реактору, может осуществляться различными способами, в том числе путем переключения на соответствующие ответвления в зависимости от необходимой кратности форсирования.

Переход от нерегулируемых шунтирующих реакторов ШР к управляемым УШР, а далее к СТК даёт возможность существенно увеличить передаваемую по линии мощность сверх натурального значения.

До сих пор основными средствами компенсации реактивной мощности в электрических сетях являлись:

- нерегулируемые масляные ШР, которые, как правило, устанавливаются на ЛЭП и выполняют несколько функций (компенсация зарядной мощности незагруженных линий, снижение перенапряжений, гашение дуги в паузе ОАПВ). Однако ограниченный коммутационный ресурс выключателей и большая мощность коммутируемой ступени снижают эффективность применения ШР при изменениях передаваемой мощности по ЛЭП;

- синхронные компенсаторы (СК).

Большинство находящихся в эксплуатации средств компенсации выработали ресурс и требуют замены. Кроме того, СК имеют ограниченный до 40% диапазон на потребление реактивной мощности, а также высокие эксплуатационные затраты. Учитывая новейшие достижения в области статических компенсирующих устройств, модернизация схемы компенсации реактивной мощности на ПС состоит в замене СК на СТК, а линейных нерегулируемых ШР на управляемые УШР. Такой подход обеспечит оптимальные уровни напряжений на шинах ВН, СН и НН подстанций и на линиях в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах.

Быстрые тиристорные компенсаторы (СТК, SVC) имеют возможность в непрерывном режиме и практически мгновенно в соответствии с запросами сети вводить емкостную или индуктивную составляющую таким образом регулируя напряжение сети и поддерживая необходимый уровень генерации реактивной мощности.

Установка статических тиристорных компенсаторов в необходимых точках сети позволяет увеличить пропускную способность линий электропередачи, снизить потери, улучшить синусоидальность кривой напряжения в различных режимах работы сети. В дополнение к этому статические тиристорные компенсаторы снижают колебания активной мощности вызванные изменениями напряжения.

 

Статические тиристорные компенсаторы применяются как в распределительных так и в во внутризаводских сетях.

Существует два основных типа статических тиристорных компенсаторов: управляемый тиристорами реактор и управляемые тиристорами конденсаторы.

 

 Управляемый тиристорами реактор – TCR

 Управляемые тиристорами конденсаторы – TSC

Схема TCR – наиболее часто используема. Она включает в себя постоянно включенные конденсаторные батареи с реакторами настроенные на 3, 5, 7 гармоники и генерирующие емкостную реактивную мощность (увеличение напряжения) а также управляемую тиристорами индуктивность (реактор) вводимый в работу полностью или частично для снижения емкостной части реактивной мощности.

Постоянно включенные конденсаторы с реакторами образуют фильтры для снижения искажений питающей сети создаваемых тиристорами которые управляют реактором.

Схема TSC – используется реже. В этой схеме реактор (индуктивность) включен постоянно, а регулирование реактивной мощности происходит быстрым включением/отключением ступеней конденсаторов. Конденсаторы обычно полностью включаются тиристором соответственно гармоники тока не генерируются. Момент включения конденсаторов выбирается из условия минимума разницы потенциалов в сети на на выводах конденсатора, момент отключения при переходе тока через 0. Соответственно переходные процессы при коммутации конденсаторов сведены к минимуму.

Статические тиристорные компенсаторы очень эффективное средство для выравнивания колебаний напряжения при быстро изменяющейся нагрузке. Плата за это достаточно высокая цена. Однако, несмотря на это, тиристорные компенсаторы реактивной мощности SVC единственное экономически выгодное решение для удаленных от подстанции предприятий (нагрузок) где сеть достаточно слабая.

 Применение статических тиристорных компенсаторов SVC в металлургии:

Сталеплавильная печь переменного тока – специфическая нелинейная нагрузка, характеристики которой меняются в ходе производственного процесса в зависимости от рабочей точки плавления, времени работы и типа сырья. При этом в питающую электросеть вносятся сильные возмущения, в результате чего в цепи питания возникают токовые гармоники 2 - 7-го порядков, а также субгармоники. Субгармоники и изменчивость реактивной мощности вызывают колебания напряжения в сети (фликер). В особенности сильно сказывается влияние печи в снижении коэффициента мощности и падении напряжения, которое пропорционально коэффициенту мощности и квадрату напряжения. Это может напрямую отражаться на качестве выпускаемой стали.

Кроме того, асимметрия КЗ между электродами трех фаз ведет к возрастанию 3-фазного разбаланса. Совместное влияние гармоник, падения коэффициента мощности и фликера ведет к нарушению технологического процесса и снижению качества электроэнергии.

Статические тиристорные компенсаторы (СТК) производства компании Матик-электро с конденсаторами ZEZ SILKO способны непрерывно компенсировать реактивную мощность и подавлять гармонические токи; они удовлетворяют стандартам IEC 61000-3-7, IEEE std. 592, технике безопасности и требованиям по увеличению объемов продукции.

 

 

Лекция 8