Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Рисунок 2.2 – Критерии развития устройств КРМ в электрических сетях

Перейдем к рассмотрению существующих видов устройств компенсации реактивной мощности в сетях 6÷35 кВ.

2.2 Анализ существующих видов устройств КРМ в сетях 6÷35 кВ

Долгое время для управления напряжениями и реактивными мощностями стационарных систем электроснабжения традиционно использовались коммутируемые компенсаторы реактивной мощности (шунтирующие конденсаторы и шунтирующие реакторы). Динамическая же компенсация реактивной мощности основывалась на применении вращающихся машин, например, синхронных компенсаторов.

В середине 60-х годов 20 века появились первые статические компенсирующие устройства реактивной мощности, то есть реакторы, управляемые постоянным током (ртутные вентили) и устройства, управляемые тиристорами (конденсаторы и реакторы на тиристорном управлении) [17]. Малое время отклика, низкие потери и меньшие требования к техническому обслуживанию сняли многие ограничения, присущие вращающимся машинам и устройствам, управляемым постоянным током. Оценка рабочих потерь имеет своим результатом всё большее увеличение использования статических конденсаторных установок реактивной мощности, состоящих из комбинаций ветвей конденсаторов и реакторов с тиристорным управлением. Эти шунтирующие устройства на тиристорном управлении составили основу гибких систем передачи переменного тока (FACTS). FACTS позволяет более эффективно использовать системы передачи благодаря улучшенному динамическому управлению напряжением системы с одной стороны и более высокой пропускной способностью с другой стороны. В системах передачи переменного тока в настоящее время установлены статические конденсаторные установки реактивной мощности общей мощностью более 100 000 МВА [19].

В устройствах FACTS стали использоваться преобразователи напряжения, использующие сначала запираемые тиристоры (GTO), а сейчас биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), которые обеспечивают быстродействующую компенсацию реактивной мощности. На основе дальнейшего развития систем управления, совершенствования полупроводниковых приборов и новых технологий преобразователей напряжения в настоящее время компенсация реактивной мощности является ключевым фактором для надёжной передачи энергии переменного тока.

В качестве специальных технических средств FACTS, применяются специальные симметрирующие устройства и комплексные, например, фильтросимметрирующие устройства. Существующие способы снижения несимметрии напряжения в трехфазных системах заключаются в создании пульсирующей мощности, вектор которой, равен по величине и противоположен по фазе вектору пульсирующей мощности сети. Тогда сумма этих векторов будет равна нулю, что и соответствует работе сети в симметричном режиме.

Все существующие симметрирующие устройства можно разделить на две группы: с электрическими и электромагнитными связями. Одноэлементные симметрирующие устройства могут обеспечить высокий КПД или высокий cosφ, но только один из этих параметров. Обеспечить сразу два параметра могут двухэлементные симметрирующие устройства, известные как схема Штейнмеца, но они имеют следующие недостатки: невозможность бесконтактного управления емкостью без увеличения (до 1,73 мощности нагрузки) установленной мощности элементов симметрирующего устройства; недоиспользование мощности симметрирующих элементов; сложность управления ими, если нагрузка не чисто активная и изменяется в некотором диапазоне.

Поэтому наиболее гибкими и универсальными являются трехэлементные симметрирующие устройства, которые позволяют симметрировать напряжение с заданным cosφ нагрузки, однако недостатками этих схем являются: низкий коэффициент использования оборудования; увеличение числа регулируемых элементов до трех усложняет и снижает надежность устройства в целом.

В симметрирующих устройствах с электромагнитными связями установленная мощность симметрирующих элементов выбирается минимальной и равной установленной мощности нагрузки, а соответствующим переключением гайки автотрансформатора можно осуществить симметрирование нагрузки с изменяющимся cosφ.

Во многих случаях, исходя из условия обеспечения допустимого стандартом коэффициента несимметричности напряжения, производят частичное симметрирование. Неполное симметрирование режима электрической сети особенно эффективно в сетях со случайным образом изменяющейся по фазам несимметрией (дуговые печи, сварочные установки и др.).

Рассмотрим более подробно классификацию компенсаторов реактивной мощности для сетей 6÷35 кВ [19]:

1. Батареи статических конденсаторов - БСК (Shunt capacitor banks - SCB), принципиальная схема которых представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Принципиальная схема БСК (SCB)

БСК предназначены для повышения напряжения, впервые они были применены в 1914 году. Установка батарей на подстанциях может способствовать разгрузке трансформаторов, подключению дополнительных потребителей [20]. Кроме этого БСК позволяют корректировать перетоки энергии и регулировать напряжение в энергосистеме за счет изменения реактивной мощности нагрузки. Батареи статических конденсаторов мощностью от 5 до 200 МВАр производятся на базе косинусных однофазных конденсаторов путем их параллельно-последовательного соединения.

Батареи конденсаторов бывают регулируемые (управляемые) и нерегулируемые. В нерегулируемых БСК число конденсаторов неизменно, а величина реактивной мощности зависит только от квадрата напряжения.

Основными технико-экономическими преимуществами конденсаторов являются возможность применения, как на низком, так и на высоком напряжении, а также малые потери активной мощности. Конденсаторные батареи также имеют ряд эксплуатационных преимуществ: простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся частей); простота производства и монтажа (малая масса единичных элементов).

К недостаткам конденсаторов с точки зрения регулирования режима можно отнести зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения, что может способствовать возникновению лавины напряжения; большие пусковые токи; невозможность потребления реактивной мощности (регулирование напряжения возможно только в одну сторону); ступенчатое регулирование выработки реактивной мощности и невозможность ее плавного изменения, следовательно, регулирование напряжения не плавное, а ступенчатое; чувствительность к искажениям формы кривой питающего напряжения.

1. Синхронные компенсаторы (СК). Представляют собой синхронный двигатель облегченной конструкции, который работает на холостом ходу. При возбуждении синхронная машина может работать как в режиме перевозбуждения, являясь при этом генератором реактивной мощности, так и в режиме недовозбуждения – потребителем. Главное достоинство синхронных компенсаторов – это возможность плавной регулировки компенсируемой реактивной мощности в сторону повышения или понижения напряжения, при изменении тока возбуждения.

Однако СК имеют много недостатков, к которым относятся:

- большая удельная стоимость;

- большие, по сравнению с другими устройствами компенсации, потери активной мощности (10 – 50 кВт/кВАр);

- занимают много места, а также вызывают шум и вибрации;

- дороги в эксплуатации и требуется квалифицированный персонал;

- имеют вращающиеся и трущиеся детали, в случае выхода из стоя которых требуется длительный ремонт;

- являются средствами пассивной компенсации и не могут быть адаптированы к системам FACTS.

1. Фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ, или Harmonic Filter – HF), принципиальная схема которого представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Принципиальная схема ФКУ (HF)

Силовые фильтры высших гармоник, или ФКУ, предназначены для снижения искажения кривой питающего напряжения и тока частотой 50/60 Гц, с одновременным повышением коэффициента мощности электроприводов, а также для компенсации реактивной мощности в сети преобразователя. Целью внедрения ФКУ является уменьшение реактивного сопротивления LC-цепочек до значений, близких к нулю, и шунтирование главной электрической сети (на частоте заданной гармоники). Схема ФКУ обычно представляет собой симметричную трёхфазную RLC-цепь. Фаза ФКУ состоит из набора параллельных звеньев-фильтров, каждое из которых рассчитано на компенсацию части дефицита реактивной мощности преобразователя и локализацию части спектра гармоник тока, генерируемых преобразователями. В стандартном исполнении ФКУ состоит из вводной ячейки, современных однофазных реакторов и нескольких батарей конденсаторов.

В настоящее время фильтры принято разделять на три типа: активные, пассивные и гибридные.

Пассивные фильтры (ПФ) состоят из индуктивно-емкостного (LC) контура, который может влиять на частоты нескольких гармоник. Они являются гораздо более дешевым и надежным решением.

В свою очередь пассивные фильтры обладают рядом таких недостатков: как риск перекомпенсации при мощности потребителя ниже установленной и недокомпенсации при увеличении потребляемой мощности выше номинального значения, т.е. эффективность ПФ ограничена за счёт постоянной установленной мощности и невозможности отслеживания изменений процессов в сети. Также к недостаткам можно отнести большую потребляемую мощность и высокие массогабаритные показатели. Указанные недостатки не позволяют применять пассивные фильтры более широко.

Прогресс в области электроники и интегральных микросхем позволил увеличить скорость обработки информации при более сложных алгоритмах и процедурах. Результатом является изобретение самокоммутируемого компенсатора [21], основным элементом которого является силовой полупроводниковый прибор на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT). Они способны как генерировать, так и поглощать реактивную мощность, не требуя больших конденсаторов и реакторов. Вследствие ликвидации большого количества пассивных элементов и относительно низких требований к емкости полупроводниковых переключателей значительно уменьшаются размеры компенсирующего устройства, при этом включение/выключение занимает порядка микросекунды [22]. Например, самокоммутируемым компенсатором является активный фильтр (АФ).

Структура АФ представляет собой каскады сбора данных измерений, контроллера, хранения энергии (конденсатор) и IGBT-транзистор. Конструкция этого поколения фильтров дорога по сравнению с пассивными системами. Принцип работы его аналогичен синхронной машине. Активный фильтр автоматически отслеживает гармонические составляющие тока и управляет ШИМ-преобразователем для создания компенсированного тока в сети, то есть регулирование происходит в динамике [23].

Пассивные фильтры высших гармоник, используемые с активным фильтром, создают гибридный фильтр (ГФ) [24]. Активный фильтр в таком наборе значительно меньше, и действует в качестве компенсации реактивной мощности, генерируемой посредством пассивного фильтра, и способствует снижению высших гармоник, фильтруя их выше седьмой гармоники.

Основным недостатком ФКУ является необходимость их проектирования индивидуально для каждого отдельного случая их применения.

Различают несколько типов применяемых LC-фильтров. Узкополосные, одноконтурные фильтры применяют и настраивают на резко выраженные гармоники, как правило, низких порядков - 3, 5, 7. На высоких частотах применяют режекторные фильтры меньшей добротности, при этом используют шунтирующее реактор сопротивление R. Применение режекторных фильтров позволяет нивелировать присутствие гармоник в широком спектре высоких частот. Комплексное применение узкополосных и широкополосных фильтровых цепочек в составе ФКУ позволяет в полной мере очистить электрическую сеть от гармонических искажений, вызванных потребителем. Экономически целесообразно применение ФКУ на напряжение 6 - 10 кВ в связи с тем, что высоковольтные потребители создают меньший спектр гармонических искажений (где сильно выражены 3, 5, 7 гармоники и в меньшей степени гармоники более высших порядков) по сравнению с низковольтными потребителями. Поэтому технически и экономически выгоднее реализовать схему фильтрокомпенсирующего устройства, настроенную на одну (две, три) гармоники, чем на широкий спектр гармоник потребителей 0,4 кВ.

1. Статический тиристорный компенсатор (СТК, Static Var Compensator – SVC), принципиальная схема которого представлена на рисунке 2.5.

СТК – параллельно-соединенный статический генератор или потребитель реактивной мощности, выход которого регулируется для обмена емкостным или индуктивным током с целью поддержания или управления индивидуальными параметрами электроэнергетической системы (в основном - напряжением в точке включения).

Рисунок 2.5 – Принципиальная схема СТК

В состав СТК входит реактор с воздушным охлаждением и тиристорный вентиль с воздушным или водяным охлаждением, образующие тиристорные группы (ТРГ) с плавным регулированием угла зажигания тиристоров. Параллельно с ТРГ подключена конденсаторная батарея (КБ), а иногда и фильтрокомпенсирующие цепи (ФКУ). Подключается СТК к сети ВН через третичную обмотку НН автотрансформатора или через блочный повышающий трансформатор. Обеспечивают ступенчатое регулирование напряжения (реактивной мощности) при мощностях в линиях электропередачи как ниже, так и выше натуральной. Предназначены также для повышения устойчивости и пределов передаваемой по линиям электропередачи мощности. СТК осуществляют непрерывный контроль за реактивной мощностью в системе, обеспечивают низкую генерацию гармоник, гибкость в управлении и эксплуатации. Однако тиристорная компенсация обладает высокой стоимостью и имеет сложности в управлении переключающих устройств, при этом стоимость СТК не окупается экономией от компенсации реактивной мощности в сети.

1. Синхронный статический компенсатор реактивной мощности на базе преобразователя напряжения – СТАТКОМ (Static Synchronous Compensator – STATCOM), принципиальная схема которого представлена на рисунке 2.6.

СТАТКОМ был разработан в ходе усовершенствования СТК [25], где преобразователь на базе источника напряжения используется вместо управляемых реакторов и коммутируемых конденсаторов. В СТАТКОМе отпадает необходимость внешних реакторов большой мощности или БСК.

Статический компенсатор реактивной мощности предназначен для регулирования реактивной мощности в широких пределах (±100%). Упрощенно, СТАТКОМ, это преобразователь напряжения на управляемых силовых тиристорах (или транзисторах), включенный через трансформатор параллельно линии в узле сети, к которому подключена линия.

Рисунок 2.6 – Принципиальная схема СТАТКОМ

Принцип работы СТАТКОМ идентичен принципу работы агрегатов бесперебойного питания: из напряжения источника постоянного тока за счет широтно-импульсной модуляции и использования фильтра гармоник формируется синусоидальное напряжение частотой 50 Гц±3 Гц. Главное свойство СТАТКОМ – способность генерировать ток любой фазы относительно напряжения сети. То есть СТАТКОМ обеспечивает регулирование значения выходного напряжения и его фазы. Регулирование происходит за счет изменения реактивной мощности, потребленной или выданной в сеть.

Характеристики

Список файлов ВКР