Реактивная мощность - это технические потери электроэнергии, вызванные электромагнитными процессами в сетях. Недостаток её вызывает повышенный нагрев проводников и создает избыточную нагрузку на сеть, в результате чего источник электроэнергии работает в усиленном режиме. Если средства компенсации мощности не предусмотрены, то за потребление реактивной энергии из сети приходится переплачивать значительные суммы.
Существенные реактивные нагрузки становятся причиной понижения напряжения в электросети и ухудшения качества электропитания. Помимо того, чрезмерно нагружаются линии электропередач и трансформаторное оборудование, в результате чего увеличиваются капитальные затраты на обустройство и эксплуатацию электрораспределительных станций.
Передача электрической энергии с использованием переменного тока началась еще в конце 19 века, заменяя существовавшие небольшие локальные системы постоянного тока. При расширении локальных систем энергоснабжения и обеспечении передачи на дальние расстояния возникали различные проблемы с управлением напряжением и стабильностью, связанные в первую очередь с небалансом реактивной мощности в системах. Для управления напряжениями стационарной системы в основном использовалась коммутируемая компенсация реактивной мощности (шунтирующие конденсаторы и шунтирующие реакторы). Динамический способ основывался на вращающихся машинах, например синхронных компенсаторах.
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 с тиристорным управлением, реакторы с тиристорным управлением).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 совместно с последовательными конденсаторами с тиристорным управлением 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.
В устройствах FACTS стали использоваться новые силовые электронные приборы (GTO, IGCT, IGBT), которые позволяют использовать преобразователи тока и напряжения для обеспечения быстродействующей компенсации 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 данной статье вашему вниманию предлагается обзор положений в области систем передачи от начала применения первых УКРМ до существующего в настоящее время положения. Также сравниваются ранние решения и современные устройства, приводятся основные факторы и этапы совершенствования установок и обсуждаются преимущества современных устройств.
Передача энергии переменного тока началась в конце 19 века. Развитие шло от низких уровней напряжения и ограниченных районов до больших расстояний, высоких мощностей и всё более возрастающего напряжения передачи. На рис. 1 приводится примерная картина возрастания напряжения систем передачи от года к году.
Генерация электрической энергии и её потребители обычно не находятся близко друг от друга. Большие города и большие промышленные регионы часто получают электроэнергию от источников, находящихся на большом расстоянии. Составляющие системы и нагрузка включают в себя источники реактивной мощности (конденсаторы и катушки индуктивности), которые оказывают влияние на профиль напряжения сети и стабильность системы. Линии передачи высоковольтных систем (735 кВ) могут иметь до 200 Мвар емкостной мощности на длину 100 км. Кабельные соединения могут давать даже большую реактивную мощность. Большие нагрузки, содержащие электрические дуговые печи или мощные приводы, могут иметь до 100 Мвар индуктивной реактивной мощности. Без соответствующей компенсации реактивной мощности в длинных линиях передачи могут наступить критические условия работы системы из-за сильных колебаний напряжения и проблем со стабильностью. Эти проблемы могут быть решены с помощью схем параллельной и последовательной компенсации.
Если нагрузка чисто резистивная, без индуктивных или емкостных компонентов (реактивной мощности), например, электрический нагреватель, кривые напряжения и тока пересекают координатную ось (проходят через ноль) в одной точке (рис. 1.1).
В этом случае говорят, что напряжение и ток находятся «в фазе». Точки кривой мощности (P) рассчитывается как произведение мгновенных значений напряжения (V) и тока (I). Эта кривая имеет частоту в 2 раза выше частоты напряжения питания и полностью находится в положительной области, так как произведение двух отрицательных чисел является положительным числом, так же, как, естественно, произведение двух положительных чисел.
Рис. 1.1. Кривые напряжения, тока и мощности для чисто резистивной нагрузки (φ = 0°)
В этом случае:
(-V) · (-I) = (+P)
Активная или полезная мощность определяется как составляющая мощности, которая преобразуется в другую форму (например, тепло, свет, механическую энергию) и регистрируется счётчиком электроэнергии. При чисто резистивной или омической нагрузке она вычисляется путём перемножения эффективных значений напряжения [V] и тока [I]:
P (Вт) = V (В) · I (А)
На практике, однако, чисто резистивные нагрузки не являются типичными, обычно также имеется и индуктивная составляющая. Это относится ко всем потребляющим электроэнергию устройствам, принцип работы которых основан на использовании магнитного поля, к примеру, электродвигателям, дросселям, трансформаторам. Также реактивный ток необходим для процессов коммутации в силовых преобразователях. Ток, используемый для создания и изменения магнитного поля, не рассеивается, а циркулирует туда и обратно как реактивный ток между генератором и потребителем.
Как показано на рисунке 1.2, кривые напряжения и тока уже не проходят через ноль в одной точке, а имеется смещение фазы. При индуктивной нагрузке ток отстаёт от напряжения, а при емкостной – ток опережает напряжение. При расчёте мгновенных значений мощности по формуле (P) = (V)·(I) теперь получаются отрицательные значения, если один из множителей отрицательный.
В этом примере фазовый сдвиг φ = 45°. Это соответствует индуктивному cosφ = 0,707. Как видим, часть кривой мощности находится в отрицательной области.
Активная мощность в этом случае определяется по формуле:
P (Вт) = V (В) · I (А) · cosφ
Чисто индуктивная реактивная мощность потребляется двигателями и трансформаторами, работающими без нагрузки (если пренебречь потерями в меди, железе и, при их наличии, потерями на трение). Можно считать, что имеют чисто емкостную реактивную мощность, так как они имеют очень низкие потери (менее 0,05%).
Если напряжение и ток имеют сдвиг по фазе на 90°, одна половина кривой мощности находится в положительной области, а другая – в отрицательной (рис. 1.3). Активная мощность равна нулю, так как положительная и отрицательная области уравновешивают друг друга.
Реактивная мощность определяется как мощность, которая циркулирует между генератором и нагрузкой на частоте питающего напряжения для обеспечения нарастания и спада магнитного поля.
Q (вар) = V (В) · I (А) · sinφ
Значение полной мощности является основным параметром при выборе номинальных параметров сетей энергоснабжения. На полную мощность системы должны рассчитываться генераторы, трансформаторы, распределительные устройства, предохранители, автоматические выключатели и проводники.
Значение полной мощности – это результат произведения значений напряжения и тока без учёта фазового сдвига.
S (Вт) = V (В) · I (А)
Полная мощность определяется как векторная сумма активной и реактивной мощностей.
Рис. 1.4. Треугольник мощностей
Удобным параметром для определения активного и реактивного компонентов мощности, напряжения и тока является косинус угла сдвига фаз (фазовый угол) между током и напряжением. В электротехнической практике этот параметр получил название «коэффициент мощности».
Коэффициент мощности (cos) фазового угла φ при полной нагрузке маркируется на электрических машинах.
cosφ = P/S(Вт) / (ВА)
Тангенс (tg) фазового угла φ удобен для выражения отношения реактивной мощности к активной.
tgφ = Q/P(Вт) / (ВА)
Два следующих выражения показывают соотношение между косинусом и тангенсом фазового угла φ.
Так как система распределения электроэнергии должна быть рассчитана на полную мощность, предпринимаются усилия для снижения её значения. Если параллельно потребителю электроэнергии установлены конденсаторы соответствующей величины, реактивный ток циркулирует между конденсатором и потребителями. Это значит, что этот дополнительный ток не протекает по остальной части распределительной сети. Если, таким способом, достигнут коэффициент мощности, равный единице, через систему распределения протекает только активный ток.
Реактивная мощность QC, скомпенсированная конденсатором, - это разность между индуктивной реактивной мощностью до компенсации Q1 и реактивной мощностью после компенсации Q2, то есть
QC (вар) = P (Вт) · (tgφ1 – tgφ2)
Рис. 1.5. Треугольник мощностей, иллюстрирующий действие компенсации реактивной мощности
Реактивный ток, циркулирующий между генератором энергоснабжающей компании и потребителем, преобразуется в тепловую энергию в системе распределения электроэнергии, то есть создаётся дополнительная нагрузка на генераторы, трансформаторы, кабели и распределительное устройство.
Это приводит к потерям электроэнергии и падению напряжения. Если доля реактивного тока высока, имеющиеся сечения проводников не могут полностью использоваться для передачи полезной энергии, возможно, их нужно соответственно увеличить.
С точки зрения энергоснабжающей компании низкий коэффициент мощности приводит к увеличению затрат на инвестиции и обслуживание, и эти дополнительные затраты перекладываются на тех, кто за них ответственен, то есть на потребителей с низким коэффициентом мощности. Поэтому в дополнение к счётчику активной энергии устанавливается счётчик реактивной энергии.
Рис. 1.6. Активная и реактивная мощность в системе распределения электроэнергии без компенсации реактивной мощности
Рис. 1.7. Активная и реактивная мощности в системе распределения электроэнергии c компенсацией реактивной мощности
Следовательно - более низкая стоимость электроэнергии!
Огромное количество потребителей электроэнергии постоянно нагружает сеть реактивной составляющей потребляемой мощности, причем эта нагрузка постоянно возрастает. Внедрение компенсирующих устройств реактивной мощности позволяет повысить надежность электропитающих сетей и увеличить пропускную способность энергосистемы.
Среди целого ряда преимуществ от применения устройств компенсации реактивной мощности можно выделить пять главных:
Внедрение компенсирующих устройств реактивной мощности дает существенный экономический эффект. Снижение уровня энергопотребления может составить до 40-50% от общего объема. При таких объемах срок окупаемости систем компенсации мощности составит не более одного года.
Средства компенсации увеличивают срок службы силовых трансформаторов, поскольку их использование снижает нагрузку на оборудование. Использование установок компенсации также снижает нагрузку на линии передач и нагрев проводов, что позволяет использовать токоведущие жилы меньшего сечения.
На этапе проектирования и строительства новых зданий монтаж системы компенсации реактивной мощности позволяет существенно сэкономить на обустройстве распределительной электросети.
Применение средств компенсации реактивной мощности дает возможность подавить сетевые помехи, избежать глубокой просадки напряжения и минимизировать несимметрию фаз. Кроме того, системы компенсации в составе пассивных фильтров позволяют снизить уровень высших гармоник.
Устройство компенсации реактивной мощности позволяет избежать штрафных санкций от поставщика электроэнергии за ухудшение показателей коэффициента мощности.
В настоящее время используются коммутируемые конденсаторные установки для поперечной компенсации реактивной мощности и конденсаторные установки с непрерывным управлением. Емкостная мощность линий передачи или кабельной сети частично компенсируется параллельным шунтом из подключенных к линии реакторов, индуктивные нагрузки компенсируются шунтирующими конденсаторами. Линейные реакторы постоянно подключены к линиям передачи, чтобы обеспечить постоянную компенсацию в широком рабочем диапазоне. Шунтирующие конденсаторы обычно разделены на ступени для компенсации промежуточных нагрузок. Непрерывное управление реактивной мощностью ранее было возможно только с помощью регулирования возбуждения генераторов или специальных синхронных конденсаторных установок. Первые устройства статической компенсации строились на основе насыщенных реакторов, следующими были тиристорные установки. Основой последних устройств компенсации реактивной мощности стали преобразователи напряжения, использующие сначала запираемые тиристоры (GTO), а сейчас биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).
A. Синхронные компенсаторы
Поведение синхронного компенсатора определяется влиянием МДС возбуждения на реактивную мощность. В некоторых случаях с целью экономии средств для управления реактивной мощностью используются старые генераторы, демонтированные с турбин. Вновь изготовленные синхронные компенсаторы использовались в конкретных местах системы для улучшения профиля напряжения и увеличения мощности короткого замыкания особенно в точке подключения высоковольтных вставок постоянного тока. Время отклика машин было улучшено с внедрением систем возбуждения с управлением с помощью тиристоров. На рис. 2 показана схема подключения синхронного компенсатора к системе высокого напряжения.
На рис. 3 показана вольт-амперная рабочая характеристика. Наклон характеристики зависит от реактивного сопротивления двигателя и его сетевого трансформатора. Изменение опорного напряжения приводит к работе синхронного компенсатора в перевозбуждённом или недовозбуждённом режиме, то есть он отдаёт (как ёмкость) или поглощает (как индуктивность) реактивную мощность. Он реагирует сам, то есть без управляющего воздействия, и обеспечивает поддержание напряжения вне рабочей характеристики в установившемся режиме в условиях переходного процесса.
B. Статические компенсаторы на основе насыщающихся реакторов
Эти первые статические компенсаторы строились из статических (неподвижных) компонентов, то есть конденсаторов и реакторов. Реакторы работали в области насыщения, ограничивая при этом изменения напряжения. На рис. 4 показано устройство такого компенсатора и его рабочие характеристики.
Насыщающийся реактор (SR) обычно выполняется на 9-стержневом стальном магнитопроводе для нейтрализации гармоники третьего порядка. Наклон характеристики SR уменьшается благодаря конденсатору Cs, подключенному последовательно. Параллельно им подключен шунтирующий конденсатор Cp, который обеспечивает емкостной характер устройства. В правой части рис. 4 показана характеристика каждого компонента (SR, Cs и Cp), суммарная характеристика SR и Cs (SR+Cs) и окончательная характеристика SR+Cs+Cp после параллельного подключения Cp. Насыщающиеся статические компенсаторы по существу реагируют на изменения напряжения системы. Регулировка опорного напряжения производится при помощи переключателя ответвлений сетевого трансформатора. Демпфирующие фильтры подключаются параллельно конденсатору Cs для устранения возможности феррорезонанса совместно с защитой от перенапряжения конденсатора. Общий рабочий диапазон может быть установлен ступенчатым переключением шунтирующих конденсаторов. Статический компенсатор нормально работает в условиях симметричного напряжения системы.
C. Статические компенсаторы реактивной мощности
Статические конденсаторные установки составлены из статических компонентов (индуктивностей и емкостей), с быстродействующим управлением с помощью полупроводниковых устройств (тиристоров). Преимуществами статических компенсаторов по сравнению с синхронными компенсаторами являются более низкие требования к техническому обслуживанию (нет движущихся частей),простое трёхфазное или однофазное управление, другие опциональные возможности управления, а также меньшая стоимость при тех же номинальных параметрах. На рис. 5 показано типовое устройство статического компенсатора.
Необходимая емкостная мощность для системы может быть установлена в емкостных ветвях, которые могут быть фиксировано подключенными к шине низкого напряжения или коммутируемыми с помощью тиристорных вентилей (конденсаторы с тиристорной коммутацией). Фиксированные ветви обычно настраиваются с помощью последовательных реакторов для фильтрации гармоник. Индуктивная мощность устанавливается в одной фазе или комбинациях трёхфазных реакторов, которые плавно регулируются с помощью тиристорных вентилей. Ветви подключены к высоковольтной системе через специальный трансформатор. Трансформатор изменяет напряжение системы до уровня, оптимального для работы тиристора.
Ветви реакторов с тиристорным управлением (TCR)
Ветви реакторов с тиристорным управлением содержат реакторы, которые управляются по углу с помощью тиристорных ключей. Три однофазные ветви соединяются в треугольник для уменьшения генерации гармоник, кратных трём, при симметричной работе.
Ветви конденсаторов с тиристорной коммутацией (TSC)
Ветви конденсаторов с тиристорной коммутацией содержат конденсаторы и токоограничивающие реакторы и коммутируются с помощью тиристорных ключей. Ветви могут соединяться треугольником или звездой. При соединении звездой один ключ становится лишним и может не приниматься во внимание в одной из трёх фаз. При использовании тиристоров с таким же номинальным током, как для TCR, номинал ветви будет соответственно ниже.
Тиристоры
Развитие технологий тиристоров большой мощности создало основу использования электронных устройств большой мощности в энергосистемах.
Процесс совершенствования тиристоров (см. рис. 6) начался в 70-х годах. Токопроводящая способность мощных тиристоров ступенчато возрастала от 800 А (эфф.) до 4000 А (эфф.) при использовании кремниевых подложек с диаметром от 40 до 125 мм. При этом величина максимально допустимого обратного напряжения увеличилась с 1,6 до 8 (10) кВ. Следующий этап дальнейшего увеличения номинальных токов тиристоров ожидается с 2009 г.
Конфигурации статической конденсаторной установки
Вначале в статических конденсаторных установках для соответствия условиям работы различных цепей, управляемых тиристорами, они устанавливались параллельно. Последовательное подключение тиристоров обуславливалось напряжением шины низкого напряжения (обычно до 36 кВ). 12-пульсное подключение использовалось для разделения ветвей, управляемых тиристорами, и уменьшения тока короткого замыкания цепи каждого вентиля, а также чтобы избежать 6-пульсных гармонических искажений в системе. На рис. 7 показан типовой статический компенсатор реактивной мощности в 12-пульсном соединении, использующий только одну ветвь TCR и фиксированную емкостную ветвь (FC).
Конфигурации TCR/TSC
Конфигурации статических компенсаторов изменялись со временем по мере повышения номинальных токов и в связи с обсуждающимися далее факторами, связанными с потерями, занимаемой площадью и мобильностью.
Потери
Величины потерь в статических компенсаторах с конфигурацией TCR/FC показаны на рис.8. Значение потерь не включает в себя нагрузку, потери трансформатора, потери реактора с тиристорным управлением и реактора фильтра, диэлектрические потери конденсаторов, потери в ключах, как в стационарном режиме, так и при переключении, потери в оборудовании охлаждения (трансформатор и вентили) и во вспомогательном оборудовании.
Средняя величина рабочих потерь в статических компенсаторах с конфигурацией TCR/FC составляет около 0,5 – 0,7% номинальной емкостной мощности. На рис. 9 показан график рабочих потерь установки с конфигурацией TCR/TSC/FC.
Средняя величина рабочих потерь в статических компенсаторах конфигурации TCR/TSC/FC составляет около 0,5 – 0,7% номинальной емкостной мощности компенсатора. Стоимость конфигурации компенсатора TCR/TSC/FC выше, чем конфигурации TCR/FC за счёт дополнительной стоимости конденсаторов с тиристорной коммутацией. Из-за того, что статический компенсатор должен работать основную часть времени при нуле на выходе, чтобы быть готовым к быстрому поддержанию напряжения при нештатных ситуациях в системе, стоимость потерь должна определяться в рабочей области.
Возможна следующая методика оценки:
Pveval = Pv1 x t1 + Pv2 x t2 + … + Pvn x tn, где
Pveval – значение общих рабочих потерь,
Pv1, 2, n – средние потери в рабочем диапазоне 1, 2, n для периодов работы t1, t2, tn.
Суммарное время работы – до 8760 часов за год. Стоимость потерь определяется умножением Pveval на конкретную стоимость потерь ($/кВт) у потребителя, величина которой зависит от поставщика электроэнергии от 1500 до 8000 $/кВт.
Общая стоимость компенсации реактивной мощности состоит из стоимости инвестиций (составные части, установка) и стоимости потерь. Решение статического компенсатора конфигурации TCR/TSC/FC может оказаться более экономичным, чем более простое – TCR/FC. Последние установки статических компенсаторов реактивной мощности в основном имели конфигурации TCR/TSC/FC.
Занимаемая площадь
Несмотря на то, что конфигурации TCR/TSC/FC требуют больше места, так как имеют больше ветвей, требования по площади размещения могут быть уменьшены более чем на 50% (в настоящее время – до 8 м2/Мвар) по сравнению с ранними конструкциями. Требования по занимаемой площади также могут использоваться в качестве критерия оценки.
Мобильность
Процессы либерализации и приватизации могут приводить к изменениям потоков в некоторых высоковольтных системах в течение короткого времени. Некоторые ранее установленные конденсаторные установки реактивной мощности могут оказаться больше не эффективными в данном месте, и может потребоваться их установка в другой точке системы. Возможность перемещения установки также может быть использована в качестве критерия при оценке общей стоимости.
Переход от аналогового управления к цифровому
Со временем происходил переход от чисто аналоговых систем управления и защиты к цифровым системам. Преимуществами цифровых систем являются отсутствие дрейфа параметризации и сигнализации, программное управление функциональностью, графическое конфигурирование, самодиагностика и модульное построение. Современные системы управления конденсаторных установок имеют многообразные функции и позволяют полностью интегрироваться в систему. На рис. 10 показана схема блока управления, включающего в себя различные функции управления и замкнутую петлю обратной связи.
Выделенная на рисунке часть схемы показывает прохождение сигнала управления напряжением. Сигнал управления напряжением может быть модулирован быстродействующим сигналом управления для подавления качаний мощности (POD) в случае серьёзных проблем со стабильностью после аварии системы. Замедленное действие тракта управления реактивной мощностью помогает статической конденсаторной установке оперировать из заданной оптимальной рабочей точки, например 0 Мвар. Из этой оптимальной рабочей точки конденсаторная установка сможет быстро отдавать или поглощать реактивную мощность в критических условиях работы системы.
D. Преобразователи напряжения
Идея применить самокоммутирующиеся преобразователи для статической компенсации реактивной мощности долго обсуждалась перед созданием в 70-е годы 20 века первой конструкции на тиристорах со специальной схемой для ускорения коммутации. В принципе, могут быть использованы преобразователи с фиксированным постоянным напряжением или током. Тем не менее, при поддержке других отраслей, например, систем электроприводов, стал доступен широкий ряд полупроводниковых приборов с управляемым запиранием и полным максимальным обратным напряжением. В первых экспериментальных образцах статических компенсаторов STATCOM на базе преобразователей напряжения были использованы запираемые тиристоры (GTO).
На векторной диаграмме, на рис. 11, показан емкостной характер работы. Фаза и амплитуда тока могут регулироваться изменением VVSC. Для данного напряжения системы VN регулируется напряжение преобразователя VVSC, чтобы получить ток IN, который может находиться внутри зоны, обозначенной «максимальный ток преобразователя». Если пренебречь потерями, можно считать, что ток опережает напряжение или отстаёт от напряжения на 90°. Значение максимального тока симметрично при опережении или отставании по фазе. В широком диапазоне изменения напряжения системы ток может оставаться неизменным. Эта функция графически представлена на рис. 12, где сравниваются вольт-амперные характеристики STATCOM и статические конденсаторные установки. В условиях низкого напряжения STATCOM может обеспечить большую мощность, чем СКРМ, а при перенапряжении максимальная выходная мощность STATCOM меньше.
Развитие технологий преобразователей напряжения для компенсации реактивной мощности было нацелено на следующие задачи: улучшение поддержания работы системы в случае понижения напряжения, повышение скорости отклика при компенсации фликеров, создание более компактных и мобильных конструкций, уменьшение взаимного влияния гармоник с системой энергоснабжения. В настоящее время предлагается много технических решений, которые сводятся к концепции мультипреобразования, высоковольтным ШИМ-преобразователям или многоуровневым преобразователям. Причины сложившейся ситуации и перспективы можно увидеть из истории развития. В первых преобразователях напряжения количество последовательно соединённых запираемых тиристоров было ограничено в основном тем, что нельзя было обеспечить равномерное распределение напряжений между отдельными тиристорами. Это приводило к тому, что выходная мощность одиночного преобразователя была мала. Также высокие потери при коммутации препятствовали эффективному использованию широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для получения синусоидальной формы тока. Эти ограничения были впервые преодолены сочетанием нескольких преобразователей при использовании подавления гармоник с помощью магнитных цепей.
Позднее появились полупроводниковые приборы с улучшенной коммутационной способностью. С внедрением коммутируемых по затвору запираемых тиристоров (IGCT) были созданы мощные преобразователи с номинальными мощностями до 10 МВА. С использованием высоковольтных биполярных транзисторов постоянного тока с изолированным затвором (IGBT) были созданы вентили на 300 кВ, что дало возможность реализации одиночных преобразователей диапазона 100 МВА.
В преобразователях на IGBT выходной синусоидальный ток формируется с помощью ШИМ с высокой частотой коммутации (в килогерцовом диапазоне). Кроме того факта, что высокая частота коммутации ведёт к значительным потерям преобразователя, наличие крутых фронтов высокого напряжения dv/dt требует применения специального оборудования для предотвращения воздействия высокой частоты и принятия мер по ограничению электромагнитных помех.
Дальнейшее увеличение предложения полупроводников высокой мощности и эффективных систем управления позволяют сегодня преодолевать проблемы, связанные с высокой частотой коммутации высоковольтных вентилей. Системы преобразования, появившиеся в последнее время, имеют модульное построение и генерируют выходное напряжение переменного тока, близкое к синусоидальному с большим количество уровней напряжения (многоуровневые преобразователи).
На рис. 13 показана конфигурация однофазного преобразователя, используемого для компенсации реактивной мощности. Три таких устройства могут быть соединены в треугольник. Напряжения и токи многоуровневых преобразователей аналогичны напряжениям и токам синхронных компенсаторов, но многоуровневые преобразователи имеют намного меньшие времена отклика. Благодаря сниженному взаимному влиянию гармоник с подключенной системой многоуровневые преобразователи на преобразователях напряжения по сравнению с другими типами статических компенсаторов имеют меньше компонентов и проще встраиваются в системы энергоснабжения. Потери энергии многоуровневого преобразователя значительно меньше по сравнению с преобразователями других типов, но всё-таки несколько больше, чем у компенсаторов на тиристорах.
На сегодняшний день общая мощность установленных статических компенсаторов составляет около 110 000 Мвар, из них мощность преобразователей напряжения, применяемых для систем передачи, достигает около 4000 Мвар.
Электростанции по экономическим причинам не строятся близко к нагрузкам, то есть выработанная энергия должна транспортироваться на большие расстояния. На рис. 14 показана зависимость напряжения на конце линии 345 кВ от передаваемой активной мощности для трёх величин длины линии (100, 200 и 300 км). Натуральная мощность этой линии – 410 МВт.
Чем длиннее линия, тем меньше максимальная передаваемая мощность. Электрическая длина линии может быть увеличена при установке последовательных конденсаторов. Этот принцип раньше использовался для компенсации импеданса трансформаторов, чтобы улучшить параметры напряжения при больших изменениях нагрузки, подключенной на стороне низкого напряжения.
A. Фиксированные последовательные конденсаторы
Последовательные конденсаторы могут быть установлены на обоих концах линии или в средней точке. Основное внимание уделяется профилю напряжения вдоль линии при передаче электроэнергии. Степень компенсации обычно не превышает 70% импеданса линии. Фиксированные последовательные конденсаторы могут быть установлены как один основной блок или в субблоках, чтобы обеспечить возможность ступенчатой адаптации степени компенсации для различных условий работы системы.
B. Последовательные конденсаторы с тиристорным управлением
В некоторых приложениях часть фиксированных последовательных конденсаторов может быть дополнена параллельными реакторами с тиристорным управлением, которые допускают плавное регулирование в пределах определённого диапазона угла управления. На рис. 15 показана установка с такими последовательными конденсаторами с тиристорным управлением и её возможная характеристика управления импедансом.
Последовательные конденсаторы с тиристорным управлением имеют ограниченный рабочий диапазон угла управления от около 150° до 180°. Продолжительность работы в индуктивном диапазоне невозможна из-за слишком больших токов тиристоров. Допустима только работа в режиме полной проводимости реактора, управляемого тиристором.
C. Преобразователи напряжения
Установки STATCOM с преобразователями напряжения, установленные последовательно в линию, формируют унифицированный контроллер потока мощности. В других станциях такие последовательно подключенные конфигурации преобразователей напряжения устанавливаются для целей распределения потоков мощности или нагрузки между параллельными линиями (трансформируемый статический компенсатор). Преимуществом установки последовательной компенсации реактивной мощности с преобразователем напряжения является возможность управления в индуктивной области.
Динамическая компенсация реактивной мощности с управлением при помощи силовой электроники обеспечивает улучшение работы систем передачи и теперь является признанным средством компенсации реактивной мощности среди других устройств.
Большое разнообразие технологий FACTS обеспечивает надёжные решения для большинства имеющихся и возникающих вновь требований при передаче электроэнергии.
Комбинация динамических и обычных коммутируемых устройств компенсации часто приводит к экономичным решениям для работы в установившемся режиме и при переходных процессах в электрической системе. FACTS на основе преобразователей напряжения будут использоваться более широко, особенно в диапазоне малых и средних мощностей.
В ближайшем будущем, вероятно, для преодоления имеющихся ограничений при работе систем передачи потребуется большее количество конденсаторных установок компенсации реактивной мощности, которые рассматриваются как важное средство для повышения стабильности системы и защиты от перебоев энергоснабжения.
Статические синхронные компенсаторы (СТАТКОМы/Статические генераторы реактивной мощности) - это представители новейшей технологии в области компенсации реактивной мощности. Они подключаются параллельно к электрическим сетям через реакторы и работают в качестве источника реактивного тока. Реактивный ток свободно регулируется для компенсации реактивной мощности.
Основная конфигурация СТАТКОМа – это мостовая 2-фазная или 3-фазная схема выпрямителя, состоящая из полностью контролируемых силовых электронных устройств, таких как IGBT и IGCT. Данный контур подключен к сети параллельно через реакторы. Путем регулирования амплитуды и фазы выходного напряжения или непосредственного контроля тока стороны схемы переменного тока, статический генератор реактивной мощности способен поглощать или генерировать реактивную мощность для обеспечения компенсации динамической реактивной мощности.
Примечание: US –напряжение сети; UI – выходное напряжение статического генератора реактивной мощности; IL – выходной ток статического генератора реактивной мощности.
При использовании для контроля за напряжением, СТАТКОМ обладает подавляющим преимуществом над регулируемым статическим компенсатором реактивной мощности (SVC). Чем ниже напряжение в системе, тем больше динамической реактивной мощности необходимо для поддержания напряжения. Реактивный ток на выходе СТАТКОМа не имеет ничего общего с системой напряжения, поэтому устройство компенсации реактивной мощности можно рассматривать как управляемый источник постоянного тока. Однако чем ниже напряжение в системе, тем слабее мощность реактивного тока, выводимого регулируемыми статическими компенсаторами типа TCR/ MCR.
Диаграмма теории регулирования СТАТКОМа
А. СТАТКОМ подключен параллельно к энергосистеме через реакторы для реализации компенсации емкостной и индуктивной мощности. Он осуществляет компенсацию реактивной мощности и подавление гармоник путем регулирования амплитуды и фазы напряжения переменного тока, или непосредственно регулируя переменный ток в Н-мостовой схеме для поглощения или генерирования реактивного тока.
B. Статический синхронный компенсатор осуществляет обмен электроэнергией с энергосистемой путем регулирования амплитуды и фазы выходного напряжения инвертора цепочного типа.
C. Топология СТАТКОМа показана ниже; фазоинвертор состоит из цепочки узлов.
Выше представленное изображение показывает многоуровневый каскадный инвертор, используемый в системе статических синхронных компенсаторов. Как показано, каждый блок преобразователя на базе Н-моста использует отдельный источник постоянного тока, так что требуемая емкость постоянного тока немного выше, чем ASVC. При этом данные конденсаторы постоянного тока намного меньше и более эффективны по сравнению с громоздкими трансформаторами ASVC.
D. Инвертор на БТИЗ использует оптимизированную фазовую модуляцию.
С появлением мощных высоковольтных полностью управляемых приборов типа IGCT и IGBT началось внедрение нового типа устройств, называемых СТАТКОМ (статический синхронный компенсатор), задачей которых является улучшение качества электроэнергии и повышение эффективности систем ее передачи и распределения за счет компенсации реактивной мощности , регулирования напряжения и повышения устойчивости работы энергосистем. По сравнению с СТК и другими традиционными устройствами компенсации реактивной мощности СТАТКОМ имеет ряд преимуществ, приведенных ниже:
. Лучшие динамические характеристики;
. Возможность поддержания номинального емкостного выходного тока при низком напряжении системы, что, в свою очередь, обеспечивает более высокую динамическую устойчивость передачи по сравнению с СТК;
. Благодаря высокой частоте переключения приборов, СТАТКОМ может осуществлять активную фильтрацию гармонических токов нагрузки;
. Требует меньше места для установки (приблизительно в два раза по сравнению с СТК);
. Меньший уровень активных потерь.
1 Теория СТАТКОМа
СТАТКОМ представляет собой управляемый источник напряжения (УИН) с внутренним сопротивлением, практически равным нулю. Его подключение к сети производится через линейный реактор, обеспечивающий преобразование разности напряжений сети и УИН в выходной ток СТАТКОМа, т.е. превращения источника напряжения в источник тока (рис.1).
Рис. 1. Однолинейная схема подключения СТАТКОМа к сети
Векторная диаграмма напряжений, иллюстрирующая режимы работы СТАТКОМа, показана на рисунке 2. В режиме потребления реактивной мощности выходное напряжение преобразователя меньше напряжения линии и находится с ним в фазе. В режиме генерации - выходное напряжение преобразователя больше напряжения на линии и так же в фазе с ним.
Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений в различных режимах работы СТАТКОМа
Наша компания производит два типа СТАТКОМа:
. Одноуровневые типа D-СТАТКОМ с подключением к шинам 6-10 кВ через понижающий трансформатор. Такие устройства используются в распределительных сетях промышленных предприятий и энергосистем для решения локальных задач улучшения показателей качества электроэнергии, симметрирования нагрузки и компенсации реактивной мощности.
. Многоуровневые бестрансформаторные СТАТКОМы, подключаемые непосредственно на шины среднего напряжения от 6 до 35 кВ. Многоуровневые СТАТКОМы применяются для снижения вредного воздействия на сеть мощных быстропеременных нагрузок типа дуговых сталеплавильных печей и повышения динамической устойчивости в сетях высокого напряжения. .
Пример однолинейной схемы D-СТАТКОМа представлен на рис 1. Схема включает в себя трехфазный инвертор напряжения с номинальным напряжением 550 - 600 В, понижающий трансформатор, сетевой фильтр и коммутационную аппаратуру. 
Рис.1. Однолинейная схема СТАТКОМа
Перечень основного оборудования, входящего в объем поставки комплекта СТАТКОМ, приведен в таблице 1.
| Наименование | Кол-во | Стандарт | |
| 1.1 | Трехфазный инвертор напряжения на основе полностью управляемых вентилей с использованием широтно-импульсной модуляции с жидкостным охлаждением для быстрого контроля реактивной мощности | 1 | IEC 146-2 IEC61800-3 EN 50178 |
| 1.2 | Трехфазный реактор со стальным сердечником. | 1 | IEC289 |
| 1.3 | Трехфазный сетевой фильтр. | 1 | EN60831 |
| 1.4 | Трехфазный разъединитель между трансформатором и инвертором | 1 | EN62271 |
| 1.5 | Система управления и защиты для симметрирования напряжения, защиты, контроля и т.д. | 1 | EN 60439-1 EN60529 |
| 1.6 | Шкаф для размещения оборудования позиций 1.1-1.5 с двухсторонним доступом, освещением и цепями питания (4000х1000х2300мм, общий вес поз.1.1-1.6: 5500 кг) | 1 | IEC 439-1 |
| 1.7 | Шкаф системы жидкостного охлаждения с двумя насосами и теплообменным агрегатом типа «вода-вода» (2100х950х1800 мм, вес 1200 кг) | 1 | |
| 2 | Трехфазный силовой трансформатор сухой с естественным воздушным охлаждением внутренней установки | 1 | IEC 76 |
В комплект поставки оборудования СТАТКОМ также входят
Система управления СТАТКОМа
Система управления СТАТКОМа осуществляет непрерывный контроль сетевого напряжения и тока нагрузки, осуществляет симметрирование активной мощности, компенсацию реактивной мощности нагрузки и стабилизацию напряжения на шинах среднего напряжения, а также мониторинг состояния оборудования СТАТКОМа и его защиту в аварийных ситуациях.
Система управления поставляется в шкафном исполнении.
Класс защиты шкафа от попадания твердых предметов и воды - IP 31 по ГОСТ 14254-96.
Цвет шкафа - RAL 7035.
Примерный вид шкафов тиристорного преобразователя (инвертора) с системой управления представлен на рис. 2.
Рис.2. Внешний вид шкафов тиристорного преобразователя (инвертора) и системы управления СТАТКОМ.
Система водяного охлаждения
Система водяного охлаждения СТАТКОМ оборудована двумя насосами, один из которых является резервным, фильтрами грубой и тонкой механической очистки деионизированной воды, а также средствами измерения и контроля основных параметров теплоносителя.
Основными параметрами, контролируемыми автоматикой системы охлаждения, являются:
- температура теплоносителя,
- проводимость теплоносителя,
- расход теплоносителя,
- давление в контуре охлаждения тиристорного преобразователя (инвертора).
Класс защиты шкафа системы охлаждения от попадания твердых предметов и воды - IP 31 по ГОСТ 14254-96.
Предварительные габаритные размеры шкафа:
Условия эксплуатации:
Высота над уровнем моря: не более 1000 м
Климат: континентальный
Мин/Макс. температура окружающей среды:
для оборудования внутренней установки: +20°С/+30°C
Уровень загрязнения: средний
Уровень влажности: 30-100%, без конденсата
В случае прямого (бестрансформаторного) подключения СТАТКОМа к сетям среднего класса напряжения применяются многоуровневые преобразователи. Одним из таких преобразователей является преобразователь на основе Н-мостов. Важнейшим достоинством данной конфигурации является её модульность, что позволяет легко производить масштабирование СТАТКОМа при переходе к различным уровням напряжения и облегчает условия эксплуатации и обслуживания электроустановки.
На рисунке 1 в качестве примера показана фаза 7-ми уровневого преобразователя на базе Н-моста и форма его выходного напряжения в режиме генерации реактивной мощности. Для каскадного многоуровневого инвертора полное выходное напряжение является суммой выходных напряжений отдельных модулей H-мостов. Каждое отдельное выходное напряжение получается с использованием ШИМ модуляции со сдвигом фазы коммутации для каждого моста. Особенностью данной конфигурации преобразователя является то, что при увеличении класса напряжения, а, следовательно, и числа последовательно включенных Н-мостов, форма выходного напряжения все более приближается к идеальной синусоиде.
Рис. 1. Фаза 7-ми уровневого преобразователя на базе Н-моста и форма выходного напряжения в режиме генерации реактивной мощности.
Пилотный проект многоуровневого СТАТКОМа был реализован в 2011 г. в энергосистеме China Southern Power Grid. Установка, содержащая 2 СТАТКОМа, была смонтирована на ПС 500 кВ энергосистемы China Southern Power Grid (Китай).
В таблице 1 представлены основные характеристики установки.
Каждая фаза преобразователя содержит 26 последовательно соединенных модулей HBMU, два из которых являются избыточными. Предусмотрено автоматическое шунтирование поврежденного модуля при его отказе. На рис.2-а приведена топология СТАТКОМА. Принцип смещенной ШИМ-модуляции обеспечивает эквивалентную частоту коммутации 10 кГц при частоте коммутации одного моста 400 Гц, что минимизирует содержание высших гармоник в выходном напряжении и токе, форма которых приведена на рис.2-б.
 |
 |
Рис. 2. Топология СТАТКОМа (а) и форма выходного тока и напряжения (б)
Фаза преобразователя, состоящая из 26 модулей HBMU (фото на рис. 3) монтируется в виде одной конструкции и помещается внутри одного контейнера. Там же размещается система жидкостного охлаждения. Общая система управления установлена в отдельном контейнере. Два преобразователя с фазными реакторами подключаются к сети 500 кВ через специальный трансформатор 500/35 кВ.
Рис. 3. Фото одной фазы преобразователя
Рис. 4. Общий вид установки
Функциональные испытания пилотного образца, включающего два СТАТКОМа на напряжение 35 кВ и номинальную мощность ±100 Мвар, дали следующие результаты:
При наличии быстрых и резкопеременных нагрузок становится перспективным применение статических компенсаторов реактивной мощности, обеспечивающих возможность безынерционного регулирования реактивной мощности. При этом улучшаются условия статической устойчивости энергосистемы в целом, что обеспечивает дополнительную экономию за счет повышения технико-экономических показателей работы электроустановок.
Статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ) являются перспективным средством рациональной компенсации реактивной мощности в силу присущих им положительных свойств, таких, как быстродействующее регулирование, подавление колебаний напряжения, симметрирование нагрузок, отсутствие вращающихся частей, плавность регулирования реактивной мощности, выдаваемой в сеть. Кроме того, эти устройства могут осуществлять плавное и оптимальное распределение напряжений, обеспечивая тем самым снижение их потерь в распределительных электросетях.
На рисунке 11 приведены основные варианты статических компенсирующих устройств. Они содержат фильтры высших гармоник и регулируемый дроссель в различных исполнениях.
Рисунок 11 - Схемы статических компенсирующих устройств
В настоящее время известно большое количество вариантов схем, которые разделяют на три группы:
СКРМ обеспечивают одновременно компенсацию реактивной мощности основной частоты, фильтрацию высших гармонических, компенсацию изменений напряжения, а также симметрирование напряжения сети. Они состоят из управляемой части, обеспечивающей регулирование реактивной мощности, и энергетических фильтров, обеспечивающих фильтрацию высших гармоник тока нелинейной нагрузки.
Статические компенсирующие устройства обладают следующими преимуществами:
Основными элементами статических компенсирующих устройств являются конденсатор и дроссель - накопители электромагнитной энергии - и вентили (тиристоры), обеспечивающие ее быстрое преобразование.
Принцип работы статических источников реактивной мощности состоит в том, что выпрямленным током преобразователя индуктивность (реактор или дроссель с железом) заряжается магнитной энергией, которая инвертируется в сеть переменного тока с опережающим коэффициентом мощности.
В СКРМ при полном открывании вентилей реактивная мощность установки определяется разностью между мощностью, генерируемой фильтрами, и мощностью, потребляемой реакторами. По мере закрытия вентилей мощность, потребляемая реакторами, уменьшается, и при их полном закрытии мощность, генерируемая ИРМ, становится равной мощности фильтров.
Рисунок 12 - Принципиальная схема присоединения СКРМ к системе электроснабжения (а) и расчетная схема замещения (б)
В ряде случаев помимо резонансных цепей фильтров, настраиваемых на частоты доминирующих высших гармоник тока нагрузки, в состав ТКРМ вводят параллельно присоединяемые конденсаторные батареи для фильтрации гармоник, порядок которых выше частоты настройки резонансных фильтров.
Быстрое развитие мирового производства статических тиристорных компенсаторов (СТК) определяется их преимуществами по отношению к традиционным средствам компенсации реактивной мощности в решении ряда актуальных задач электроэнергетики. К числу таких задач относится необходимость компенсации реактивной мощности в местах потребления электроэнергии и на промежуточных подстанциях длинных линий с целью повышения стабильности напряжения у потребителей, снижения потерь в линиях электропередач и сетях электроснабжения потребителей, повышения пропускной способности электропередач.
Рост протяженности, мощности и класса напряжения дальних электропередач выдвигает в число важнейших задач обеспечение средствами компенсации ограничения внутренних перенапряжений, статической и динамической устойчивости, эффективности автоматических повторных включений (АВК).
В отечественной практике для уменьшения колебаний напряжения применяются быстродействующие синхронные компенсаторы типа СК-10000-8 мощностью 7,7 Мвар на напряжение 10 кВ и мощностью 10 Мвар на напряжение 6 кВ. Максимальная скорость изменения реактивной мощности, выдаваемой в сеть, по данным завода составляет 130 Мвар/с, возможна кратковременная работа с 2-кратной перегрузкой. Компенсаторы успешно работают на некоторых металлургических заводах, в частности в системе электроснабжения станов горячего проката.
Установленная мощность синхронного компенсатора при одном и том же графике реактивной нагрузки будет меньше, чем установленная мощность статического компенсирующего устройства. Синхронные компенсаторы обладают всеми недостатками вращающихся машин и имеют меньшее быстродействие по сравнению со статическими компенсаторами. Кроме того, в статических компенсирующих устройствах возможно пофазное управление.
На зарубежных металлургических заводах для снижения влияния на питающую сеть резкопеременных нагрузок применяются синхронные компенсаторы с высокой кратностью форсировки напряжения возбуждения и быстродействующей системой регулирования.
Фирма Simens (ФРГ) выпускает синхронные компенсаторы мощностью 10MBА с ударной мощностью 30 MBА. Обмотка возбуждения компенсатора питается от нереверсивного тиристорного преобразователя с кратностью форсировки возбуждения по напряжению 13,2.
Фирма Fuji Electric Co совместно с Nisshin Electric Co (Япония) выпускает синхронные компенсаторы мощностью 8 MBА с ударной мощностью 16 MBА. Компенсатор имеет бесщеточную систему возбуждения с кратностью форсировки по напряжению, равной 2.
Фирма ASEA (Швеция) выпускает синхронные компенсаторы номинальной мощностью 7,5 Мвар с ударной мощностью 30 Мвар.
Статические компенсирующие устройства обладают рядом преимуществ по сравнению с быстродействующими синхронными компенсаторами. Основным преимуществом является их большее быстродействие. Существенна и возможность осуществления пофазного управления, что необходимо в сетях с быстроизменяющейся несимметричной нагрузкой.
В настоящее время разработано много типов статических компенсирующих устройств на базе управляемых реакторов и конденсаторов в основном с применением управляемых вентилей (тиристоров). Наибольшее распространение в зарубежной и отечественной практике получили устройства прямой и косвенной компенсации.
Статические компенсирующие устройства прямой компенсации осуществляют ступенчатое регулирование реактивной мощности с помощью включения и отключения батарей конденсаторов или фильтров высших гармоник при изменении реактивной мощности электроприемников (рис. 13 и 14).
Рисунок 13 - Принципиальная схема компенсирующего устройства прямой компенсации: На рисунке: 1 - тиристорные ключи; 2 - реактор; 3 - конденсаторная батарея; 4 - устройство для управления тиристорными ключами, 5 - нагрузка (тиристорный преобразователь).
Для обеспечения быстродействия в качестве контакторов или выключателей на каждой ступени применяются тиристорные ключи. Для исключения переходных процессов при включении, которые будут приводить только к увеличению колебаний напряжения, включение конденсаторов тиристорными ключами осуществляется в тот момент, когда напряжение сети и конденсаторов равны как по величине, так и по полярности.
Рисунок 14 - Компенсация реактивной мощности устройством прямой компенсации: а - схема устройства прямой компенсации; б - принцип работы статического компенсирующего устройства прямой компенсации; 1-5 - ступени компенсации
Быстродействие устройства прямой компенсации в основном определяется запаздыванием включения или отключения секций батарей конденсаторов на период питающего напряжения (0,02 с) при условии непрерывного изменения реактивной мощности. Одним из преимуществ устройств прямой компенсации является то, что они не генерируют в сеть высшие гармоники.
Схемы прямой компенсации разработаны в СССР в 50-х годах. За рубежом такие устройства изготовляются в Швеции и в Японии.
Фирма ASEA (Швеция) выпускает конденсаторные установки с тиристорным управлением для компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения с вентильными преобразователями и дуговыми печами. Система регулирования обеспечивает выбор момента подачи управляющего импульса на каждый тиристор, причем импульс управления подается с упреждением перед моментом прохождения емкостного тока через нуль. Когда конденсаторы не присоединены к сети, они остаются заряженными до амплитуды положительного или отрицательного напряжения сети. На рисунке 15 показано, что коммутация осуществляется в момент, когда напряжение сети соответствует по значению и полярности напряжению на конденсаторе. Тиристор прекращает пропускать ток при переходе его через нуль после снятия импульса с управляющего электрода. Конденсатор остается заряженным до амплитудного значения напряжения и готов к следующей коммутации.
Рисунок 15 - Диаграмма работы статического компенсирующего устройства прямой компенсации: U - напряжение сети, U с - напряжение на конденсаторе, I c - ток конденсатора; t 0 - импульсы для подзарядки конденсаторов; t 1 - подключение к сети; t 2 - отключение от сети; t 3 -t 4 - интервал перезарядки
Статические компенсирующие устройства косвенной компенсации (рис. 16) состоят из двух частей: плавно регулирующего индуктивного элемента (реактора) для компенсации колебаний напряжения и нерегулируемой части - батарей конденсаторов или фильтров высших гармоник.
Принцип косвенной компенсации для уменьшения колебаний напряжения заключается в том, что управляемый реактор потребляет реактивную мощность тогда, когда ее не потребляет резкопеременная нагрузка, и наоборот (рис. 17).
Рисунок 16 - Принципиальная схема статического компенсирующего устройства косвенной компенсации: На рисунке 16: 1 - нагрузка; 2 - управляемые реакторы; 3 - тиристорные ключи; 4 - фильтры высших гармоник токов; 5 - батареи конденсаторов; 6, 7 - трансформаторы тока и напряжения; 8 - система фазоимпульсного управления тиристорами
Регуляторы реактивной мощности должны обеспечивать такое регулирование, чтобы осуществлялось слежение за фронтом наброса и сброса реактивной мощности. Следовательно, от устройства компенсации требуется большое быстродействие, соответствующее фронту наброса и сброса реактивной мощности наиболее характерных резкопеременных нагрузок.
Регулирование тока в реакторе может осуществляться различными способами. Например, некоторые зарубежные фирмы применяют управляемый насыщающийся реактор. Однако быстродействие таких устройств можно оценить временем задержки более 0,06 с (три периода питающего напряжения), что недостаточно для эффективной работы компенсатора. Поэтому в настоящее время применяется регулирование тока в реакторе с помощью встречно-параллельно включенных тиристоров. Такая схема обеспечивает плавное регулирование реактивной мощности с временем задержки 0,01 с.
Рисунок 17 - Компенсация реактивной мощности устройством косвенной компенсации: а - схема статического компенсирующего устройства; б - принцип действия устройства косвенной компенсации
На рисунке 18 приведена схема компенсирующего устройства с управляемыми реакторами с помощью встречно-параллельных тиристоров и нерегулируемой емкости фильтров высших гармоник, используемого для компенсации реактивной мощности при работе дуговых печей (Япония).
В настоящее время в распределительных сетях 6-10 кВ промышленных предприятий с резкопеременной нагрузкой широко применяются ТКРМ.
В ТКРМ к шинам 6-10 кВ нагрузки параллельно подключены компенсирующие реакторы и силовые фильтры высших гармоник.
Рисунок 18 - Принципиальная схема статического компенсирующего устройства косвенной компенсации в сети с дуговыми сталеплавильными печами: На этом рисунке обозначено: 1, 2 - трансформаторы; 3 - тиристорные ключи; 4 - управляемые реакторы; 5, 6 - фильтры высших гармоник; 7, 8 - трансформаторы напряжения и тока; 9 - устройство управления тиристорными ключами; 10 - дуговые сталеплавильные печи.
Компенсирующие реакторы соединяются в треугольник вместе со встречно-параллельно включенными тиристорами и образуют регулирующий, стабилизирующий и симметрирующий элементы. Источником реактивной мощности является конденсаторная установка силовых фильтров высших гармоник.
Тиристорные компенсаторы стабилизируют потребляемую из сети реактивную мощность с погрешностью не более 2 % номинальной мощности как в сетях с симметричными нагрузками, так и при наличии несимметричных нагрузок, обеспечивая несимметрию потребляемых из фаз сети токов не более 10%, при этом быстродействие регулирования - не более 20 мс. В состав ТКРМ, представляющих собой комплекс оборудования, компонуемого свободно и электрически соединяемого на месте монтажа, входят полупроводниковый стабилизатор мощности (ПСМ), компенсирующие реакторы, фильтры, содержащие фильтровый реактор и конденсаторную установку. Компенсирующие реакторы имеют однофазное исполнение, магнитопровод с воздушным зазором и масляное охлаждение.
Фильтровые реакторы имеют однофазную и трехфазные конструкции. Они выполняются в виде цилиндрических катушек с воздушным охлаждением и вертикальной установкой трех фаз, за исключением фильтровых реакторов третьей и пятой гармоник, предназначенных для горизонтальной установки фаз в линию или установки по вершинам равностороннего треугольника. Фильтровые реакторы имеют регулировочные отпайки для изменения номинальной индуктивности.
Конденсаторные установки выполнены трехфазными, соединенными по схеме "две звезды", нейтрали которых соединяются через трансформатор тока, являющийся датчиком сигнала при разбалансе емкостей в лучах звезды.
Конструктивно конденсаторные установки силовых фильтров выполнены в виде двухъярусных стеллажей с вертикальной установкой силовых конденсаторов типа КЭКФ напряжением 4,4; 6,6; 7,3 кВ, соединенных параллельно и защищенных предохранителями типа ПКК-411.
Управляющие сигналы в систему регулирования ПСМ поступают с трансформаторов тока ПСМ, трансформаторов тока и напряжения питающей сети. Регулирование реактивной мощности, генерируемой в сеть, производится за счет изменения угла управления тиристоров. 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.
Развитие СТК идет в нескольких направлениях, определяемых их функциональными особенностями. Функции СТК зависят от места и роли в общей системе передачи и распределения электроэнергии.
Системообразующие линии электропередачи напряжением до 1150 кВ передают энергию от генерирующих станций к межрайонным и районным подстанциям. На линиях устанавливаются компенсаторы типа СТК1.
Электрические сети межрайонного значения имеют напряжение 220-500кВ. На районных подстанциях используются СТК типа II. В сетях электроснабжения потребителей, обычно выполняемых на напряжение от 6 до 110 кВ, применяются СТК третьего и четвертого типов.
Пофазное управление СТК выполняется по алгоритму, при котором компенсация колебаний реактивной мощности нагрузки типа дуговой сталеплавильной печи (ДСП) и симметрирование нагрузки выполняется одновременно. Этим обеспечивается ослабление вызванных флуктуирующей дугой ДСП колебаний напряжения в каждой фазе и в совокупности по всем трем фазам сети. Анализ требований к быстродействию автоматического управления СТК показал, что эквивалентное запаздывание в пофазных контурах компенсации колебаний реактивной мощности не должно превышать 5 мс.
Симметрирование линии электропередачи особенно актуально для длинных одноцепных линий. Оно улучшает режим электропередачи при повреждении одного из участков линий, при котором поврежденный участок работает в двухфазном режиме. Дополнительный симметрирующий эффект создается включением в треугольник обмотки трансформатора СТК.
Ограничение перенапряжений с помощью СТК (функция 5) особенно актуально в передачах сверхвысокого напряжения (1 МВ и более). В этих передачах более опасны внутренние перенапряжения, и именно они определяют уровень изоляции.
Быстродействующее регулирование СТК в режиме стабилизации напряжения само по себе является эффективным средством ограничения квазиустановившихся перенапряжений.
Для ограничения импульсных перенапряжений используются специальные элементы, обеспечивающие включение вентилей с запаздыванием порядка 10-20мкс. Эти элементы входят как в состав тиристорных ячеек высоковольтных тиристорных вентилей, так и в состав электронной системы управления СТК.
В момент включения вентиля напряжение прикладывается к реактору СТК, чем и достигается снижение перенапряжений. Однако при этом, как правило, возникает неравенство положительных и отрицательных полуволн тока через реактор, иными словами, в токе появляется квазипостоянная составляющая. Для ее устранения в состав системы управления СТК должно входить специальное устройство быстрого симметрирования полуволн тока фазы.
Реакторы и вентили СТК должны быть рассчитаны на вызванные перенапряжениями перегрузки. Реакторы со сталью должны быть рассчитаны на большие перегрузки, значения которых определяются нелинейностью вольт-амперной характеристики реакторов при напряжении выше номинального. Соответствующие токовые перегрузки должны выдерживать и тиристорные вентили СТК.
Свойство СТК ограничивать внутренние перенапряжения реализуется в полной мере при условии их подключения непосредственно к линии, минуя подстанционные трансформаторы.
Функция 6 должна быть рассмотрена применительно к двум видам АПВ - трехфазному и однофазному (ОАПВ).
Для освоения электропередач переменного тока класса 750 кВ и выше решающее значение имеет проблема обеспечения успешного АПВ. Напряжение в месте к.з. во время бестоковой паузы АПВ возрастает пропорционально номинальному напряжению линии и ее длине. Поэтому на линиях класса 1150кВ, компенсируемых обычными шунтирующими реакторами, восстановление электрической прочности канала дуги за ограниченное время бестоковой паузы может не произойти.
Увеличение бестоковой паузы АПВ для тяжелонагруженных электропередач может привести к нарушению устойчивости параллельной работы. Поэтому трехфазное АПВ должно быть быстродействующим (БАПВ) с паузой до 0,4 с. Однако при длинах участков линии 1150 кВ порядка 400-500 км вследствие относительно малых потерь в линии и шунтирующих реакторах в паузе АПВ будут возникать слабозатухающие колебательные процессы в контурах "емкость линии -- шунтирующие реакторы". Вследствие колебательных процессов в паузе АПВ возможны повторные возникновения дуги в месте к.з. В результате БАПВ будет неуспешным.
Подключение СТК к поврежденному участку линии усиливает затухание колебаний благодаря действию обмоток трансформатора СТК, включенных в треугольник. Обмотки образуют короткозамкнутый контур для синфазных волн напряжения. Специальное управление моментами включения вентилей в паузу АПВ также будет способствовать затуханию колебаний и, следовательно, сокращению времени паузы БАПВ.
Еще более важную роль должен выполнять СТК в обеспечении успешного протекания однофазного АПВ.
Уровень перенапряжений в момент ОАПВ ниже, чем при трехфазном АПВ. Учитывая, что из всех видов к.з. на ультравысоковольтных линиях однофазные к.з. составляют 80-85 %, можно сделать вывод, что обеспечение успешного протекания ОАПВ имеет исключительное значение для надежности этих линий.
Однако с ростом класса напряжений линий проблема ОАПВ усложняется в еще большей степени, чем проблема БАПВ. Причиной этого является ток подпитки дуги в паузу ОАПВ, который при длинах линии 300-500 км может достигать 150-200 А. Быстрое погасание дуги возможно при условии, что ее ток не превышает 10-20 А.
Компенсация тока подпитки дуги при ОАПВ обеспечивается тиристорно-реакторной группой (ТРГ), подключенной к обмоткам трансформатора, соединенным в звезду. Задавая нужный режим ТРГ (углы управления вентилей), можно полностью скомпенсировать емкостную составляющую тока подпитки.
Если линия в момент ОАПВ передает энергию по неповрежденным фазам, возникает дополнительная составляющая тока подпитки дуги за счет взаимоиндуктивностей поврежденной и здоровых фаз. Анализ, проведенный применительно к параметрам линии 1150 кВ длиной до 500 км, показывает, что указанная ТРГ при надлежащем управлении углами включения вентилей может скомпенсировать и эту составляющую тока дуги.
Таким образом, использование СТК для гашения дуги в паузу ОАПВ позволяет снизить ток подпитки дуги до малых значений, при которых дуга гаснет за 0,1-0,3 с, что дает возможность уменьшить время цикла ОАПВ до 0,3-0,4 с и тем самым практически исключить опасность нарушения устойчивости электропередачи при однофазных к.з. на линии.
Стабилизация напряжения в условиях быстрого изменения потока энергии по линии (функция 7) обеспечивает устойчивость длинных линий электропередачи. Для поддержания устойчивости регулятор напряжения должен иметь высокое быстродействие, требуемая величина которого зависит от параметров электропередачи и длины линии.
Фильтрация гармоник тока нагрузки (функция 8) достаточно проста, если спектр тока линейчатый и быстрозатухающий с ростом частоты. Такой спектр имеют токи тиристорных преобразователей с нагрузкой на стороне постоянного тока, выпрямители и инверторы передач постоянного тока, мощные выпрямители электролизных установок и др. Амплитуды гармоник тока шестипульсного тиристорного преобразователя даны на рисунке 19 (точки ТП).
Рисунок 19 - Спектры тока различных потребителей
Тиристорно-реакторная группа СТК имеет аналогичный спектр, но значения гармоник значительно меньше (рис. 20, точки ТРГ). Для фильтрации токов с линейчатым спектром используются цепочки узкополосных фильтров, настроенные на частоты наибольших гармоник.
Значительно сложнее обеспечить эффективную фильтрацию несинусоидальной составляющей тока нагрузки типа дуговых сталеплавильных печей (функция 9), т.к. спектр тока ДСП - сплошной (рис. 20).
Таким образом, функции СТК всех четырех типов далеко не исчерпываются компенсацией реактивной мощности. Поэтому можно сказать, что принятое для СТК название "Статические компенсаторы реактивной мощности" в неполной мере соответствует действительности и может неправильно ориентировать специалистов по энергосистемам и электрическим сетям.
В одном из первых применений вентильного преобразователя для быстродействующего управления реактивной мощностью выпрямитель и инвертор включены последовательно с общим реактором и используются как регулируемый потребитель реактивной мощности в качестве единой, выпрямительно-инверторной подстанции (ВИП). Более перспективной оказалась схема с тиристорно управляемыми реакторами на переменном токе (ТУР) в сочетании с фильтрокомпенсирующими цепями (ФКЦ). В разработках фирмы АСЕА используется СТК по схеме тиристорно переключаемых секций конденсаторов (ТПК) или сочетание схем ТПК и ТУР. В последние годы ведутся разработки СТК на базе многофазных инверторов с принудительной коммутацией или тиристорных преобразователей частоты (КТПЧ).
При оценке показателя 1 мощность тиристорной части учитывалась исходя из равенства диапазонов бесконтактного (тиристорного) регулирования сравниваемых схем. Потери (показатель 2) также были отнесены к диапазону бесконтактного регулирования. Величины потерь взяты с учетом данных зарубежных и отечественных СТК.
Оценка допустимых перенапряжений (показатель 3) призведена с учетом того, что в схеме ТУР вентили полностью открываются при напряжениях выше заданного уровня, что не только защищает их от повреждений, но и снижает уровень перенапряжений в питающей сети. Остальные схемы критичны к перенапряжениям, проектируются в расчете на заданную (максимально допустимую) кратность повышения напряжения и по этой причине должны снабжаться специальными сильноточными ограничителями перенапряжений (ОПН). При вынужденном включении от перенапряжений вентили этих схем оказываются в аварийном режиме.
Наличие импульсного управления в схемах СТК позволяет рассматривать их при малых возмущениях стационарного режима как импульсные системы, интервал съема (показатель 4) при этом определяется так называемой пульсностью преобразователя
где Т - интервал съема импульсной системы; Т с - период частоты сети; m - число вентилей, поочередно коммутируемых за период.
На основании приведенной оценки характеристик различных схем СТК можно сделать вывод о том, что по совокупности показателей (мощность тиристорной части, удельные потери, быстродействие, устойчивость к перенапряжениям) схема с тиристорно управляемым реактором превосходит другие схемы. Поэтому для всех вышеуказанных четырех типов СТК при современном уровне силовой преобразовательной техники целесообразно использовать схему ТУР в сочетании с ФКЦ.
Тиристорные преобразователи с нагрузкой на стороне постоянного тока имеют линейчатый спектр несинусоидальности тока (рис. 21, точки ТП). В составе СТК необходимо иметь ФКЦ с частотами n = 5,7 и широкополосную ФКЦ с частотой n = 11.
Приведенные выше схемы СТК легли в основу разработки серий СТК на напряжение 6; 10; 35 и 110 кВ, выполненной институтами и заводами электротехнической промышленности.
На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что статические тиристорные компенсаторы открывают новые возможности по повышению надежности и качества электрических систем, обеспечивая помимо компенсации реактивной мощности ограничение коммутационных перенапряжений и соответствующее облегчение координации изоляции оборудования ультравысоковольтных передач, повышение вероятности успешных БАПВ и ОАПВ, повышение предела мощности по длинным линиям, симметрирование режима, снижение потерь в линиях, компенсацию влияния резкопеременной нагрузки, фильтрацию высших гармоник.
При современном уровне развития высоковольтной преобразовательной техники предпочтительной схемой СТК является шести- или двенадцатипульсная тиристорно-реакторная схема с необходимым набором фильтрокомпенсирующих цепей.
Регулирование индуктивности осуществляется тиристорными группами VS, управляющие электроды которых подсоединены к схеме управления.
Реактивная мощность Q, выдаваемая такой установкой в сеть, регулируется переменной реактивной мощностью индуктивности Q L , т. е.
где Q C - мощность БК.
В настоящее время промышленностью выпускаются тиристорные компенсаторы реактивной мощности для сети 0,4 кВ, на номинальный ток 190 А, мощностью 125 квар типа ТК-125-380. Диапазон регулирования мощности 25-125 квар, скорость изменения реактивной мощности 500 квар/с.
Силовая часть такого компенсатора представляет собой два параллельно включенных трехфазных управляемых моста, нагрузками которых являются изолированные обмотки дросселя, размещенные на крайних стержнях Ш-образного сердечника.
При эксплуатации СКРМ типа ТК-125-380 выявилось их главное преимущество - плавное автоматическое регулирование ими реактивной мощности и стабилизация напряжения сети системой управления тиристорами. Тиристорный компенсатор может работать в режимах регулирования соsj или регулирования напряжения.
Несмотря на то, что данный компенсатор требует некоторой доработки, целесообразность его применения в распределительных электросетях 380 В, особенно с резкопеременным потреблением реактивной мощности, не вызывает сомнения.
Управляющее устройство генерирует в соответствующие моменты токовые импульсы, которые, проходя через БК, изменяют напряжение на ее зажимах. Таким образом, бросков тока при коммутации вентилей в цепи этой БК не возникает. Длительность протекания тока в течение каждого полупериода может регулироваться моментом подачи импульса тока от управляющего устройства.
Устройство состоит из двух симметричных блоков. В каждом блоке трехфазные группы соединяются в треугольник. Последовательно с конденсаторами включаются два встречно-параллельно соединенных вентиля 3 и 4. Батареи конденсаторов БК 1 и 2 и вентили включаются в сеть через трехфазный трансформатор. Обмотки трансформаторов 5 и 6 соединяются таким образом, чтобы суммарный ток блоков не содержал гармоник, кратных трем, которые, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, являются самыми значительными в токе ИРМ. Это можно получить, если для одного трансформатора предусмотреть схему соединения обмоток "звезда-звезда", а другого - "звезда-треугольник". При соединении конденсаторов в треугольник компенсируются третья и кратная ей гармоники тока.
Для практически возможных случаев рассматриваемая схема имеет следующие параметры: постоянная времени 0,02 - 0,03 с; диапазон регулирования мощности (в долях от номинальной) 0,3 - 1; диапазон изменения угла управления вентилями - около 50°.
Данные его эксплуатации показали, что фильтр снизил содержание тока 5-й гармоники в 5 раз. В фильтре использован реактор, допускающий регулировку индуктивности в диапазоне от +25 до -20% номинального значения. При наличии фильтров возможно подключение БК к тем же шинам без защитных реакторов.
Опыт разработки и промышленная эксплуатация фильтров высших гармоник имеется за рубежом (США, Япония, Германия и др.). Обычно это простые режекторные фильтры, состоящие из последовательно включенных нерегулируемых конденсаторов и реакторов. Реакторы фильтров зарубежных фирм, как правило, изготовляют без железного сердечника. Это обеспечивает лучшую добротность, но приводит к увеличению габаритов.
Измерительные трансформаторы тока и напряжения передают показания мгновенных значений токов I A , I B , I C и напряжений U A , U B , U C , а также реактивной Q A , Q B , Q C и активной P A , P B , P C мощности в систему регулирования. Тиристорно-реакторная группа, содержащая тиристорные ключи VD1, VD2, VD3 и реакторы LR, управляется системами автоматического регулирования САР-1, 2, 3. Фильтрокомпенсирующие устройства ФКУ-1 и ФКУ-2 представляют собой комбинированные многополюсные трехфазные фильтры 3, 5 и 7-й гармоник, включающие реакторы и батареи конденсаторов с вакуумными выключателями QW1 и QW2. Система управления регулирует величину реактивной мощности отдельно в каждой фазе компенсатора путем изменения углов открытия вентилей VD1-VD3, причем регулируется не емкость, а индуктивность. Фильтрокомпенсирующие устройства настроены на определенную постоянную мощность, а регулируемые реакторы снижают эту постоянную емкостную мощность до того уровня, который необходим для регулирования заданного напряжения.
В настоящее время фирма Nokian Capacitors Ltd. (Финляндия) производит и устанавливает статические компенсаторы возмущений для линий передачи электроэнергии и промышленных предприятий.
Возмущения при обычной работе линий передачи электроэнергии и промышленных распределительных систем могут быть вызваны подключением линий, авариями на линиях, нелинейными компонентами, такими как тиристорные регуляторы, и быстро изменяющимися активными или реактивными нагрузками.
Проблемы, которые при этом возникают, включают в себя: наличие гармоник; потребность в дополнительной реактивной мощности; флуктуации напряжения; фликкер-эффект (мерцание); несбалансированные нагрузки; быстрые изменения в реактивной мощности. Эти проблемы можно решить с помощью быстродействующего статического компенсатора (БСК).
Устройства БСК проектируются индивидуально, используя стандартные компоненты, для решения конкретных проблем каждого заказчика. Несколько из приведенных выше проблем могут возникать одновременно. Оптимальное решение диктуется техническими и экономическими соображениями.
Возмущения, вызванные наличием гармоник, могут быть устранены с помощью фильтров. Реактивная мощность может быть обеспечена применением конденсаторов, которые, если их использовать как фильтры, могут обеспечить как коррекцию коэффициента мощности, так и снизить уровень гармоник.
Флуктуации напряжения могут быть устранены путем использования индуктивных стабилизаторов с конденсаторами, подключаемых через тиристорную схему управления.
От фликкер-эффекта, вызванного быстроменяющейся нагрузкой, можно избавиться с помощью индуктивных стабилизаторов, подключаемых через тиристорную схему управления.
Несбалансированные нагрузки могут быть уравновешены путем селективного подключения, через тиристорную управляющую схему, индуктивных стабилизаторов и конденсаторов.
Быстрые флуктуации в реактивных нагрузках, таких как искровые плавильные печи, могут быть скомпенсированы аналогичным способом.
При использовании системы БСК на сталелитейном заводе было достигнуто улучшение следующих показателей:
Статические компенсаторы проектируются индивидуально, таким образом, чтобы каждый компенсатор соответствовал своему конкретному назначению и приносил положительный экономический эффект.
Для проектирования необходима следующая информация: принципиальная схема той системы, к которой компенсатор будет подсоединен; номинальное напряжение и частота сети; мощность, выделяемая при коротком замыкании в точке общего подсоединения, и диапазон любых возможных изменений; информация относительно изменений реактивной мощности и/или информация о связанной с этим нагрузке; данные по имеющемуся уровню и характеру гармоник или данные о нагрузке, вызывающей наличие гармоник; конструкторские требования, например, допустимое изменение напряжения и содержания гармоник, требования по реактивной составляющей мощности и быстродействие системы компенсации; любые дополнительные или особые требования, которые предъявляются к компенсатору; окружающие условия.
Параллельно подключенный к шинам ПС преобразователь напряжения может выполнять функции компенсатора реактивной мощности, называемого в зарубежной практике Statcom (Статком).
Как следует из рассмотрения режимов работы ПН, режим работы компенсатора характеризуется углом управления.
В реальных схемах (рис. 1) в качестве источника постоянного напряжения используется конденсаторная батарея Cd, напряжение на которой изменяется кратковременным переводом преобразователя в выпрямительный или инверторный режим, вследствие чего в токе id появляется постоянная составляющая, которая заряжает или разряжает батарею до нужного напряжения. Отметим, что в традиционных СТК осуществляется обмен электромагнитной энергии между сетью и реактивными элементами (конденсаторы и реакторы), что требует равенства мощности его элементов и компенсирующей мощности. В ПН и Статкоме тиристорный коммутатор осуществляет обмен реактивной мощности между фазами, что значительно снижает установленную мощность реакторов и конденсаторной части.
Рис. 1. Схема Статкома
Так, мощность реакторов составляет 15-20%, а конденсаторов - около 10% мощности компенсатора. В сетевом токе одномостового ПН содержатся гармоники, кратные 6ft ± 1, среди которых наибольшими являются 5-я и 7-я гармоники. Их устранение осуществляется несколькими путями:
организацией многомостовых 12-фазных (два преобразователя) или 24-фазиых (четыре преобразователя) схем, в которых преобразователи к емкости С(1 подключаются параллельно;
созданием многоуровневых преобразователей, форма напряжения которых соответствует 12-фазной схеме;
введением широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в систему управления, которая по специальному алгоритму делает два дополнительных переключения запираемых тиристоров, образуя разрывы в ступенях фазного напряжения.
Возможна конструкция вентиля, блоки управления тиристорных ячеек которого питаются от силового напряжения на вентиле (рис. 2). Быстродействие Статкома
иллюстрируется осциллограммой перехода реального одномостового компенсатора из режима генерации в режим потребления реактивной мощности (рис. 3). Продолжительность перехода составляет менее 20 мс.
Рис. 2. Питание блоков управления
В начале 80-х годов в АО ВНИИЭ была разработана научно- методическая основа расчетов параметров элементов Статкома, а также создан экспериментальный образец мощностью 1,7 Мвар на напряжение 10 кВ. Проведенные экспериментальные исследования этой установки подтвердили высокую эффективность данного класса преобразователя при использовании в качестве компенсатора реактивной мощности.
Работы в этом направлении проводились и ведутся в США и Японии. Научно-технический центр корпорации Westinghouse Electric с участием института EPRI и энергокомпании TVA разработал и создал эксперимепталыю-промышлеппую установку Statcom. Установка включена в эксплуатацию в ноябре 1995 г. на подстанции Sullivan в Tennessee Valley Authority (TVA).
Статком содержит восемь параллельных преобразователей мощностью 12,5 Мвар каждый, образующих 48-пульсную схему, что позволяет получать практически синусоидальную форму трехфазного напряжения компенсатора. Общая мощность компенсатора ±100 Мвар, диапазон регулирования 200 Мвар. Статком через трансформатор 5,1/161 кВ подключен к шинам 161 кВ подстанции. Номинальное выпрямленное напряжение на конденсаторе преобразователей, подключенных к нему параллельно, составляет 6,6 кВ.
Рис. 3. Осциллограмма переходного процесса Статкома
Каждый вентиль инвертора состоит из пяти последовательно соединенных модулей - один из них избыточный. Запирание тиристоров автоматически выполняется так, чтобы обеспечивалось равномерное распределение напряжений между тиристорами. Тиристоры имеют номинальное напряжение 4 500 В и ток 4 000 А (максимум отключаемого тока) и охлаждаются водой. Общее число тиристоров 200. Общая занимаемая установкой площадь имеет размеры 30X16 м.
Подстанция Sullivan расположена на периферии энергетического региона, обслуживаемого TVA, и имеет достаточно слабые связи с системой по сети 500 кВ. Шины 500 кВ подстанции связаны с шинами 161 кВ через трансформатор мощностью 1 200 MB*А. Подстанцию питают также четыре линии 161 кВ. В периоды малых нагрузок наблюдается повышение напряжения на шинах 500 кВ из-за зарядной мощности сети, а в периоды максимальных нагрузок Напряжение на шинах 161 кВ оказывается пониженным. Установленный на подстанции Статком обеспечивает необходимый диапазон регулирования реактивной мощности. Устранение колебаний напряжения с помощью Статкома позволило резко снизить число переключения устройств РПН на трансформаторах 500 кВ, что Существенно снизило их повреждаемость.
Для расширения диапазона изменения реактивной мощности Статком дополнен конденсаторной батареей 84 Мвар, которая управляется с помощью выключателя общей системой регулирования.
