Лекция. Современные средства активно-адаптивной сети и аппаратуры релейной защиты и автоматики (продолжение)

Содержание лекции: основные элементы активно-адаптивные сети. Интеллектуальные электрические сети, принципа работы СТК, статком. Накопители электроэнергии для электроэнергетической системы. Асинхронизированные турбогенераторы.

Цель лекции: ознакомить с современными устройствами регулирования реактивной мощности.

Конденсатор с тиристорным переключением (TSC): параллельно включенный конденсатор, эффективное реактивное сопротивление которого изменяется ступенчато с помощью полного открытия или полного закрытия тиристорного вентиля.

Схема однофазного TSC приведена на рисунке 14.1. Цепь TSC отключается при нулевом значении тока. В этот момент времени заряд конденсатора достигает своего максимального значения, которое в идеальном случае остается неизменным, а напряжение на закрытом тиристоре изменяется синфазно прилагаемому АС напряжению.

Рисунок 14.1 – Конденсатор с тиристорным переключением

Однако, как правило, вследствие постепенного разряда конденсатора при закрытии тиристора напряжение на его зажимах не остается постоянным. В целях минимизации динамических возмущений при подключении TSC необходимо осуществлять повторное его включение в момент равенства АС напряжения и напряжения на конденсаторе, т.е. когда напряжение на тиристоре равно нулю. Однако и в этом случае остаются переходные процессы, вызванные ненулевым значением в момент включения, которые при отсутствии реактора приведут к возникновению мгновенного тока в конденсаторе ( ). Взаимовлияние между конденсатором и токоограничивающим (и ) реактором вызывает колебания тока и напряжения.

Из этих рассуждений следует, что метод управления углом регулирования не применим к конденсаторам. Переключение конденсаторов необходимо осуществлять в конкретный момент времени каждого периода при выполнении условий, обеспечивающих минимальные переходные процессы. Поэтому схема TSC способна обеспечивать только ступенчатое изменение реактивного тока (максимальное или нулевое значение). Таким образом, TSC может рассматриваться как единичная емкостная проводимость, которая либо подключена к системе, либо полностью отключена.

STATCOM является управляемым источником реактивной мощности. Он обеспечивает поддержание заданного значения напряжения посредством поглощения или возвращения реактивной мощности в точке включения без использования внешних реакторов или конденсаторных батарей большой мощности. На рисунке 14.2 приведена стандартная схема преобразователя напряжения.

Рисунок 14.2 – Статический синхронный компенсатор

DC напряжение от конденсатора C_dc подается на преобразователь, на выходе которого формируются управляемые трехфазные напряжения с системной частотой. Управление перетоком реактивной мощности между преобразователем и АС системой осуществляется путем изменения амплитуды выходного напряжения U. При превышении значения выходного напряжения U системного U_Т формируется опережающий ток, т.е. STATCOM работает в емкостном режиме, и происходит генерация реактивной мощности. При уменьшении значения выходного напряжения ниже системного, формируется запаздывающий ток, и STATCOM работает в индуктивном режиме. В этом случае происходит поглощение реактивной мощности. При равенстве напряжений перетока мощности не происходит.

На практике в преобразователе происходят потери энергии. За счет внутренних потерь в преобразователе DC конденсатор расходует накапливаемую энергию. При отставании намалый угол выходных напряжений преобразователя от системных, происходит поглощение небольшого количества активной мощности из АС системы для компенсации внутренних потерь в преобразователе.

Вместо конденсатора может быть использован накопитель DC энергии. В этом случае с помощью преобразователя можно управлять перетоком как реактивной, так и активной мощности, что может быть использовано для эффективного демпфирования колебаний мощности, поддержания максимального значения требуемой мощности, а также обеспечения надежности передачи при критических нагрузках.

Вывод формулы для передаваемой активной мощности достаточно сложен. Используя переменные, определенные на рисунке 14.3 и законы Кирхгоффа, могут быть записаны следующие уравнения:

, (14.1)

. (14.2)

a) б)

Рисунок 14.3 – Двухмашинная система с STATCOM

Приравнивая правые части (14.1) и (14.2), получим формулу для тока :

. (14.3)

Напряжение определяется в виде:

, (14.4)

где – напряжение на зажимах STATCOM при его отключении, т.е. при . Сдвиг на 90° относительно может быть использован для выражения в виде:

. (14.5)

Выражение (14.4) может быть переписано следующим образом:

. (14.6)

Применяя закон синусов к диаграмме, показанной на рисунке 14.3,б, получим следующие два уравнения:

; (14.7)

, (14.8)

откуда вытекает формула для :

. (14.9)

Выражение для передаваемой активной мощности соответствует выражению

. (14.10)

Для исключения применим закон косинусов:

. (14.11)

Подстановка (14.11) и (14.6) в (14.10) с выполнением некоторых алгебраических операций приводит к окончательной формуле определения передаваемой активной мощности:

. (14.12)

Зависимость передаваемой мощности от транспортного угла показана на рисунке 14.4.

Рисунок 14.4 – Зависимость передаваемой мощности STATCOM от транспортного угла

Электромашинным аналогом STATCOM является асинхронизированный компенсатор (АСК). АСК содержит на роторе две обмотки и специальную (векторную) систему регулирования возбуждения. АСК можно также отнести к базовым устройствам электромашинных элементов FACTS. АСК обеспечивает возможность регулирования реактивной мощности в пределах ± 100 %. Обладает способностью регулирования не только величины, но и фазы вектора напряжения.