Дипломная работа: Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения с преобразовательными установками

При регулировании тока нагрузки 4 появляется сдвиг по фазе между выходными напряжениями трансформаторов 3 тока и напряжения 2, который характеризует меру потребления реактивной мощности нагрузкой 4.

Для автоматической компенсации реактивной мощности, потребляемой нагрузкой 4, устройство обеспечивает регулирование угла открытия тиристоров 8, 9 источника 5 реактивной мощности в зависимости от величины указанного сдвига фаз.

Блок 14 синхронизации, на вход которого поступают сигналы с трансформатора 2, обеспечивает получение сигналов точно в момент перехода через нуль питающего напряжения независимо от степени фазовых и амплитудных искажений последнего, которые используются для синхронизации блока 10 импульсно-фазового управления и для фиксации момента начала измерения фазового сдвига тока нагрузки относительно питающего напряжения в канале 13 управления.

В блоке 13 управления производится замер фазы первой гармоники тока относительно синхронизирующих сигналов и сигнал, пропорциональный фазе, поступает на вход регулятора 15 фазового сдвига в качестве обратной связи. В качестве уставки регулятора 15 используется сигнал с задатчика 16, обеспечивающий при нулевом сигнале обратной связи сдвиг фазы открытия тиристоров 8 и 9 в p. Соответственно сигналу обратной связи на выходе регулятора 15 появляется напряжение, уровень которого обеспечивает сдвиг фазы импульсов управления тиристорами 8 и 9 от конца полупериода к началу на такую величину, которая обеспечивает компенсацию реактивной мощности в каждый конкретный момент времени работы нагрузки.

Получение стабильного сигнала, соответствующего моменту перехода через ноль питающего напряжения, исключает сбои в работе тиристоров источника реактивной мощности, что повышает надежность устройства и позволяет произвести точный отсчет сдвига по фазе тока нагрузки относительно питающего напряжения и с помощью регулятора сдвига фаз выработать управляющее воздействие, соответствующее истинному сдвигу, повышая тем самым точность регулирования. Кроме того, регулятор сдвига фаз исключает колебательные процессы в системе "сеть – источник реактивной мощность – нагрузки", и тем самым предотвращает перенапряжение на элементах нагрузки и источника реактивной мощности, что также повышает надежность устройства[37].

1.4.5 Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности, выпускаемые отечественной промышленностью

В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускаются статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (ТКРМ) [19].

Они предназначены для повышения качества электрической энергии при электроснабжении промышленных предприятий и обеспечивают:

-  быстродействующую компенсацию реактивной мощности;

-  симметрирование токов и напряжений в сети;

-  стабилизацию напряжений на шинах потребителей;

-  фильтрацию высших гармоник;

-  ограничение перенапряжении в узле подключения ТКРМ.

ТКРМ выполнен по схеме косвенной компенсации, источником опережающей реактивной мощности в которой являются силовые фильтры высших гармоник; стабилизирующим, симметрирующим элементом – полупроводниковый стабилизатор мощности (ПСМ), встречно-параллельно включенные тиристоры которого вместе с компенсирующим реактором собраны в треугольник.

Для снижения установленной мощности компенсирующих реакторов его индуктивное сопротивление уменьшено в 2,5 раза за счет ограничения минимального угла управления тиристорами до 30°. Компенсирующие реакторы изготавливаются в однофазном исполнении для наружной установки с масляным охлаждением. Охлаждение тиристоров – принудительное, воздушное от встроенного в шкаф ПСМ вентилятора или от централизованной системы охлаждения. Охлаждение составных частей фильтров – воздушное естественное. ТКРМ эксплуатируются на высоте не более 1000м над уровнем моря.

Тиристорные компенсаторы реактивной мощности для промышленных сетей 6 и 10 кВ обеспечивают быстродействующую компенсацию реактивной мощности в сетях с симметричным и несимметричным потреблением реактивной мощности, стабилизацию напряжения на шинах потребителя, фильтрацию высших гармоник; подключаются к сети без трансформатора.

Параметры предлагаемых ТКРМ приведены в таблице 6.

Таблица 6[19]

Внедрение ТКРМ позволяет повысить пропускную способность промышленных сетей, уменьшает потери и повышает качество электроэнергии.

Технические характеристики: мощность – 6,3; 12,5; 20 и 40 МВАр; напряжение сети – 6,3; 10,5 кВ; фильтры 3, 5, 7, 11 и 13 гармоник мощностью 2,7; 4,5; 6,3; 9,9 МВАр каждая; управление – микропроцессорное; габариты определяются требуемым составом ТКРМ.

Система регулирования реактивной мощности узла нагрузки (СРМУН) позволяет регулирование возбуждения групп СД по условиям: минимума потерь активной мощности в узле нагрузки, в распределительных сетях и т.п.; минимума потерь в синхронном двигателе; стабилизации соsj; стабилизации напряжения узла нагрузки, что особенно важно в режимах работы АРВ, АПВ и самозапуска электродвигателей ответственных механизмов; выдачи реактивной мощности в сеть. СРМУН воздействует на входы необходимого количества тиристорных возбудителей В-ТПЕ8.

СРМУН может быть выполнена как с аналоговыми, так и микропроцессорными средствами управления. В аналоговом варианте система имеет семь входов замера реактивной мощности и пять выходов для индивидуального задания уставки реактивной мощности. В микропроцессорном варианте число входов и выходов может быть расширено за счет использования стандартных интерфейсов типа RS-232 или RS-485.

Тиристорные компенсаторы реактивной мощности для линий электропередач переменного тока до 110 кВ предназначены для компенсации реактивной мощности в ЛЭП переменного тока.

ТКРМ 80/20 к предназначен для генерирования индуктивной мощности, подключаемого к ЛЭП через трансформаторную обмотку 20 кВ.

ТКРМ 55/110 к генерирует мощность как индуктивную, так и емкостную. Конденсаторная батарея подключается к сети 110 кВ, а регулятор индуктивной мощности – к обмотке трансформатора 11 кВ.

ТКРМ 50/11 к генерирует мощность как индуктивную, так и емкостную и подключается к обмотке или сети 10–11 кВт с фильтрацией высших гармоник. Внедрение ТКРМ позволяет повысить пропускную способность ЛЭП, уменьшает потери и повышает качество электроэнергии.

Технические характеристики: номинальная мощность – 80, 55, 50 тыс. кВАр; пределы регулирования мощности от 0 до 100%; установка наружного исполнения с масляной системой охлаждения в части компенсирующих реакторов и тиристорного регулятора, конденсаторная батарея 110 кВ – наружного исполнения. Фильтры 10–11 кВ – внутренней установки. Шкаф управления – внутренней установки. Габариты определяются требуемым составом ТКРМ[19].

2. УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

2.1 Разработка и обоснование алгоритма функционирования и структурной схемы проектируемого устройства

На основе проведенного исследования методов и устройств компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения преобразовательных установок поставим задачу проектирования.

Необходимо синтезировать устройство компенсации реактивной мощности для систем электроснабжения преобразовательных установок на основе трехфазной группы индуктивных сопротивлений – реакторов – с тиристорными регуляторами тока и конденсаторной установки.

В разрабатываемом тиристорном компенсаторе реактивной мощности к шинам нагрузки параллельно подключены компенсирующие реакторы и силовые фильтры высших гармоник.

Тиристорный регулятор реактивного тока выполнен в виде тиристорно-реакторных групп, соединенных в треугольник. Каждая тиристорно-реакторная группа состоит из последовательно соединенных реактора и тиристорного ключа в виде встречно-параллельно включенных тиристорных вентилей.

Источником реактивной мощности в данном устройстве является конденсаторная установка силовых фильтров высших гармоник.

Конденсаторная установка состоит из конденсаторных батарей, соединенных в треугольник и включенных на линейное напряжение электрической сети.

Это устройство должно обеспечивать быстродействующую компенсацию реактивной мощности; осуществлять фильтрацию высших гармоник токов и напряжений, генерируемых приемником электроэнергии – преобразовательной установкой, компенсацию изменений напряжения, а также симметрирование напряжения сети; обладать достаточным диапазоном регулирования реактивной мощности.

Разработаем алгоритм функционирования проектируемого устройства, на основании которого обеспечивалось бы выполнение всех функций устройства, указанных в задании на проектирование.

Проектируемое устройство должно иметь структуру, которая обеспечила бы, прежде всего, проверку правильности работы всей системы и отключение устройства в случае сбоя. Устройство должно содержать узлы для контроля параметров сети электроснабжения, а также блоки для измерения значения коэффициента мощности в сети и коррекции величины генерируемой устройством реактивной мощности в случае, когда величина ее фактического значения выходит за заданные пределы.

После подачи питания на проектируемое устройство производится проверка напряжения в системе. Если величина напряжения не находится в пределах, заданных как норма, то выполняется диагностика функционирования системы. Если Uпит = 0, то осуществляется повторная подача питания в систему, а если же Uпит ¹ 0, то после вывода результатов диагностики устройство отключается от сети для проверки исправности функционирования блоков системы.

Если напряжение в системе не выходит за рамки нормируемой величины, то проводится контрольное тестирование элементов системы регулирования реактивной мощности, и в случае удовлетворительных результатов тестирования выполняется контроль параметров сети электроснабжения.

Если результаты тестирования окажутся неудовлетворительными, или же в сети обнаружится короткое замыкание, то после вывода результатов тестирования устройство отключается от сети.

После того, как тестирование системы и контроль параметров сети дадут удовлетворительные результаты (т.е. покажут, что устройство компенсации реактивной мощности работает не в аварийном режиме), производится ввод задающих воздействий на систему. Вводятся предельное значение напряжения и требуемое значение коэффициента мощности в системе электроснабжения.

Теперь устройство готово для выполнения своей основной задачи – компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения.

Регулирование реактивной мощности, генерируемой в сеть, производится за счет изменения угла управления тиристоров a. При этом изменяется величина и длительность протекания тока через компенсирующие реакторы, т.е. потребление компенсирующими реакторами реактивной мощности при постоянстве реактивной мощности, генерируемой конденсаторными установками фильтров.

Работа устройства происходит следующим образом.

Измеряются мгновенные значения тока и напряжения в сети, и вычисляется фактическое значение коэффициента мощности в сети, которое сравнивается с заданным ранее требуемым значением.

Если фактическое значение коэффициента мощности равно (с учетом зоны нечувствительности) заданному значению cos j, то устройство не изменяет величину генерируемой в сеть реактивной мощности, а возвращается к контролю параметров сети для обнаружения возможного аварийного режима работы устройства или изменения величины потребляемой в сети реактивной мощности.

Когда же окажется, что фактическое значение cos j отлично от заданного, вырабатывается напряжение управления Uупр для блока управления системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами. В СИФУ происходит формирование опорных напряжений и сравнение Uупр и Uоп. И, наконец, моменты переключения компараторов СИФУ преобразуются в импульсы управления тиристорами. Импульсы, подаваемые на тиристоры, смещены относительно моментов естественного отпирания тиристоров на угол a, значение которого зависит от величины Uупр.

Если значение угла управления a находится в разрешенных пределах, то формируемые СИФУ импульсы управления тиристорами изменяют интервал проводимости тиристоров и, соответственно, величину генерируемой в сеть реактивной мощности проектируемым устройством.

Если в результате регулирования реактивной мощности фактическое значение напряжения в сети превысит заданное граничное, то формируется управляющий сигнал нелинейного регулятора реактивной мощности. Приводится в действие нелинейный регулятор, чем снижается величина напряжения в сети до допустимого значения (не допускается перенапряжение в системе электроснабжения), даже если это достигается ценой уменьшения фактического значения коэффициента мощности в сети.

Разрабатываемый алгоритм должен позволять отключать устройство от сети не только в случае возникновения сбоев, перегрузок, аварийных режимов, но и по требованию потребителя. Для этого производится проверка наличия оснований для отключения устройства по требованию пользователя. Если с пульта управления компенсатором реактивной мощности поступила команда на отключение, то система производит тестирование устройства, выводит результаты тестирования в виде, удобном для пользователя, и отключает устройство от сети.

В том случае, когда команда на отключение не поступает, устройство продолжает циклически функционировать по описанному выше алгоритму.

На основании этих требований составляем алгоритм функционирования проектируемого устройства, блок-схема которого приведена на рисунке 35.

По составленному алгоритму функционирования синтезируем структурную схему проектируемого устройства, реализующую алгоритм.

Устройство содержит пульт оператора, позволяющий задавать значения напряжения, реактивной мощности и коэффициента мощности в сети в ручном или автоматическом режиме. Это осуществляется через соответствующие блоки задания.

Устройство содержит также блок дистанционного задания, с помощью которого можно установить требуемые значения контролируемых параметров сети электроснабжения предприятия, на котором устанавливается разрабатываемое устройство, используя ЭВМ.

Эти структурные элементы устройства на схеме объединены в блок задания предельного напряжения и cos j в электросети.

В разработанном устройстве для управления тиристорами, входящими в тиристорно-реакторную группу, применяется система импульсно-фазового управления. СИФУ осуществляется генерация отпирающих импульсов для тиристоров, смещение их по фазе относительно питающего напряжения силовой схемы.

Она позволяет преобразовать выходное напряжение блока управления Uупр в последовательность подаваемых на тиристоры отпирающих импульсов, момент формирования которых смещен относительно моментов естественного отпирания тиристоров на угол a, зависящий от значения Uупр.

В систему импульсно-фазового управления вводится опорное напряжение, взятое от источника, питающего силовую схему. Генерация отпирающего импульса для тиристора происходит на одном из фронтов соответствующего опорного напряжения в момент совпадения опорного с управляющим напряжением. При изменении управляющего напряжения импульс сдвигается относительно опорного и, следовательно, относительно напряжения силовой схемы.

При смещении отпирающих импульсов изменяется интервал времени, в течение которого через реактор, входящий в тиристорно-реакторную группу, протекает ток, изменяется среднее значение напряжения на реакторе. Следовательно, изменяется значение потребляемой реактором реактивной мощности.

Таким образом осуществляется регулирование коэффициента мощности и компенсация реактивной мощности в системе электроснабжения.

В работе используется синхронная многоканальная система импульсно-фазового управления, т.е. СИФУ, в которой выполняется отсчет угла a от моментов естественного отпирания для встречно-параллельно включенных тиристоров каждой фазы.

Система импульсно-фазового управления состоит из узла формирования опорных напряжений, компараторов, сравнивающих напряжение управления Uупр и опорные напряжения Uоп, узлов, преобразующих моменты переключения компараторов в импульсы управления тиристорами, узлов ограничения диапазона изменения угла a и выходных усилителей.

Под действием изменения времени проводимости тиристоров устройства изменяется генерируемая в сеть реактивная мощность, изменяются также значения напряжений и токов в сети.

Устройство содержит блоки измерения мгновенных значений тока и напряжения сети и узел определения фактического значения коэффициента мощности.

Эти блоки необходимы для определения фактического значения реактивной мощности в сети с целью подачи информационно-управляющих импульсов в блок управления компенсатора реактивной мощности.

В составе устройства предусмотрен блок формирования нелинейного закона регулирования реактивной мощности, который в случае появления в сети перенапряжений посылает в блок управления информационные импульсы, призванные исключить работу сети в аварийном режиме.

На основании изложенного составляем структурную схему. Структурная схема проектируемого устройства приведена на рисунке 36.

2.2 Обоснование функциональной и принципиальной схем блока проектируемого устройства

В данном разделе разработаем функциональную схему части проектируемого устройства компенсации реактивной мощности – системы импульсно-фазового управления встречно-параллельно включенными тиристорами, входящими в тиристорно-реакторную группу компенсатора реактивной мощности.

Система импульсно-фазового управления имеет следующие технические данные:

максимальное входное напряжение, В, – 10

входной ток, мА, не более

напряжение синхронизации с питающей сетью трехфазное, В80

температурный дрейф характеристики при изменении

температуры от 1 до 40 °С, %, не более

диапазон изменения угла a, град – 170

асимметрия импульсов отдельных каналов, град,±3

Система импульсно-фазового управления гальванически отделена от силовой части проектируемого устройства.

Применяемая в данной работе система импульсно-фазового управления имеет следующие особенности: косинусоидальное опорное напряжение, шестиканальное устройство фазосмещения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13