Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Автономные инверторы напряжения

Автономные инверторы - устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой, работающие на автономную нагрузку. В этом главное отличие автономных инверторов от ведомых инверторов, также преобразующих постоянный ток в переменный, но работающих на сеть переменного тока.

Основой автономного инвертора является вентильное переключающее устройство, которое может выполняться по однофазным или трехфазным схемам. Модель однофазного инвертора изображена на рисунке 1.

Рисунок 1- Схема главных цепей однофазного мостового АИН

Источник питания Е здесь работает в режиме источника напряжения (например, аккумуляторная батарея), чем и обусловлено название инверторов этого типа. При питании схемы выпрямителя на входе АИН включают конденсатор большой емкости, с целью шунтирования источника питания по переменному току для придания ему свойств источника напряжения. Формирование кривой выходного напряжения осуществляется путем использования соответствующего закона переключения тиристоров.

При наиболее простом алгоритме поочередно переключаются накрест расположенные ключи (вентили) - сначала включены первый и второй, затем - третий и четвертый.

Кривая выходного напряжения состоит из последовательности двуполярных импульсов с амплитудой Е. Ток в нагрузке определятся кривой выходного напряжения и характером нагрузки.

1.1 Формирование кривой выходного напряжения инвертора в виде импульсов чередующейся полярности и одинаковой длительности

Формирование кривой требует поочередного отпирания накрест лежащих тиристоров Т₁,Т₂ и Т₃,Т₄. (рис. 1), так что каждый из них открыт в течение (рис. 2). В установившемся режиме кривая тока активно-индуктивной нагрузки симметрична и состоит из участков экспонент с постоянной времени .

На интервале проводят ток тиристоры Т₃, Т₄. Напряжение на нагрузке равно Е и имеет полярность, указанную на рисунке 2 без скобок. В момент времени тиристоры Т₃,Т₄ запираются, а тиристоры Т₁,Т₂ отпираются. За счет наличия индуктивности в цепи нагрузкиток под действием ЭДС самоиндукции сохраняет на интервале прежнее направление (после переключения тиристоров). Поскольку тиристоры Т₃,Т₄ заперты, а Т₁,Т₂ не могут проводить ток в этом направлении, ток проходит по диодам Д₁ и Д₂, расположенным в противоположную сторону тиристорам Т₁,Т₂. Отпиранием диодов вызывается изменение выходного напряжения на нагрузке. Энергия, запасенная в индуктивности L_нна предыдущем этапе работы схемы, отдается в цепь источника питания и нагрузки. Таким образом, роль обратных диодов сводится к пропусканию реактивного тока нагрузки после переключения тиристоров.

В момент времени ??₂ ток i_нстановится равным нулю, диоды Д₁, Д₂ переводятся в непроводящее состояние. Поскольку на тиристорах Т₁, Т₂ управляющие импульсы поддерживаются в течение , эти тиристоры с момента времени ??₂ подключают нагрузку к источнику питания.

Ток в нагрузке после перехода через ноль меняет направление. Совпадение после момента времени ??₂ знаков напряжения u_н и тока i_н означает, что нагрузка потребляет энергию от источника питания.

В момент времени происходит очередное переключение тиристоров с запиранием Т₁,Т₂ и отпиранием Т₃,Т₄. Процессы протекают аналогично.

Рисунок 2 - Временные диаграммы однофазного мостового АИН

1.2 Способы формирования выходного напряжения трехфазных АИН

Трехфазные АИН выполняют по мостовой схеме (рис. 3), состоящей из шести тиристоров Т₁-Т₆ и шести диодов Д₁-Д₆. Диоды включены встречно-параллельно тиристорам и выполнят ту же функцию, что и диоды в однофазной схеме. напряжение инвертор трехфазный импульсный

Нагрузка активно-индуктивного характера включена звездой, может так же быть включена треугольником. Трехфазные инверторы допускают те же способы формирования кривой выходного напряжения, что и однофазные.

При неизменной длительности проводимости тиристоров последовательность работы тиристоров соответствует порядку следования их номеров при относительном фазовом сдвиге Тиристоры, относящиеся к одной фазе (например, тиристоры Т₁и Т₄ фазы А) не могут быть включены одновременно. Так же не допускается одновременное запирание тиристоров одной фазы при данном виде включения. Одновременно ток проводят три тиристора, два из которых относятся к одной группе, катодной или анодной, но третий тиристор относится другой группе. То есть одновременно включаются тиристоры 123, 234, 345, 456 и т. д.

Рисунок 3- Схема главных цепей трехфазного мостового АИН

Кривые линейных напряжений показаны на рисунке 4. В схеме всегда одновременно открыты три управляемых вентиля разных фаз, что обеспечивает независимость формы выходного напряжения на нагрузке от параметров. Из алгоритма переключения транзисторов (рис. 4) видно, что возможны шесть независимых сочетаний открытых и закрытых состояний управляемых вентилей. Каждому сочетанию соответствует своя эквивалентная схема.

Кривые линейных напряжений состоят из импульсов с амплитудой Е, длиной , и паузой длиной Напряжения сдвинуты по фазе на Импульсы напряжения положительной или отрицательной полярности с амплитудой Е, создаются при проводимости накрест лежащих тиристоров двух фаз, определяющих рассматриваемое линейное напряжение. Так,например, вкривой импульсы напряжения положительной полярности получаются при открытых тиристорах Т₃ и Т₄, а импульсы отрицательной полярности при открытых Т₄ и Т₆.

Из эквивалентных схем видно, что при соединении нагрузок звездой каждая фаза включена либо параллельно другой фазе и последовательно с третьей, либо последовательно с двумя другими параллельно соединенными фазами. Поэтому к каждой фазе прикладывается напряжение равное U_d/3 или 2U_d/3 (при симметричной нагрузке), и фазное напряжение на нагрузке имеет двухступенчатую форму (рис. 4).

Рисунок 4 - Временные диаграммы трехфазного АИН

2. Преобразователи напряжения

В настоящее время в качестве преобразователей в передаче и в ставках постоянного тока, благодаря развитию преобразовательной техники, стали использоваться преобразователи напряжения. Эти преобразователи с полностью управляемыми вентилями.

Создание такого типа преобразователей стало возможно благодаря развитию силовой полупроводниковой техники, в частности разработаны мощные силовые транзисторы и полностью управляемые тиристоры, у которых регулируется не только момент их открытия, но и момент закрытия. Тиристоры имеют достаточно высокие параметры - коммутируемые токи до 5 кА и напряжения до 7-10 кВ.

Рисунок 1 - Схема преобразовательного моста на полностью управляемых тиристорах

Современный мощный высоковольтный преобразовательный блок включает в себя не только преобразователь, но и ряд других элементов, составляющих неотъемлемую часть блока:

1) Вентиль. В настоящее время используются высоковольтные тиристорные вентили, собранные из единичных тиристоров, включенных последовательно. Отсюда следует, чем больше тиристоров включено в последовательность, тем большая мощность может быть достигнута.

2) Трансформатор, связывающий преобразовательный мост с сетью, передающей или приемной системы. Этот трансформатор выполняет 2 функции:

· Создает необходимое выпрямленное напряжение моста , что обеспечивается выбором соответствующего К_т;

· Электрически отделяет цепь выпрямленного тока от цепи переменного.

3) Преобразователь, состоящий из 6 плеч (запираемый тиристорVSи обратный диод VD) и источник напряжения .Система управления преобразователя обеспечивает такую же длину управляющих импульсов, как и в АИН, равную . Импульсы управления поступают на запираемые тиристоры через с очередностью 1-2-3-4-5-6.

При таком управлении на выводахА, В, С формируются прямоугольные импульсы , первая гармоника которых равна

- постоянное напряжение источника напряжения.

При параллельном подключении ПН через трансформатор Т1 к шинам ПС эквивалентная схема (рис. 3) дает возможность определить характеристики преобразователя. Изменяя угол управления взапираемых тиристоров и тем самым фазовое положение векторов по отношению к вектору сети, а так же значение за счет регулирования , можно получить выпрямленный (рис.4), инверторный (рис. 1) и компенсаторный (в=0) режимы работы преобразователя с поворотом вектора фазного тока в диапазоне . При этом основные соотношения, определяющие режимы работы ПН имеют вид:

;

.

Рисунок 1-Одномостовая схема преобразователя напряжения

Рисунок 2 - временная диаграмма ПНм

Рисунок 3 - Эквивалентная схема

Рисунок 4,5,6 - Диаграммы выпрямленного, инверторного, компенсаторного режима работы.

При этом энергетические характеристики ПН определяются как:

где Х_ф - фазное сопротивление ПН.

Откуда следует, что с помощью U_d и угла ? вместе с изменением передаваемой через преобразователь можно регулировать Р на его входе в диапазоне как генерации, так и потребления.

Рассмотрение векторных диаграмм на рисунке 1 показывает, что ПН можно представить в виде статического аналога синхронной машины, в которой регулируемое напряжение U_d источника постоянного тока - эквивалент напряжения (тока) ротора, полупроводниковый коммутатор - эквивалент статора, а угол управления - регулятор энергоносителя (вода, пар, газ) турбины или нагрузки насоса. При этом статическая синхронная машина охватывает все четыре квадрата режимов работы: генератор, двигатель с генерацией и потреблением РМ, что соответствует режимам преобразователя: инвертор, выпрямитель с генерацией и потреблением РМ.

Кроме того, полупроводниковый коммутатор осуществляет переключение фазных ЭДС шесть раз в течение периода промышленной частоты, оставляя неизменной за промежуток 60 эл. град. схему замещения (рис. 1ж). Объединение двух фаз позволяет, в отличие от традиционного СТК, осуществлять межфазовый обмен РМ, что снижает установленную мощность реакторного (до 15-20%) и конденсаторного оборудования (до 10% от мощности установки). Рассмотренный ПН используется как базовый модуль при создании гибких линий электропередачи (ГЛЭП). Поскольку стоимость преобразовательного оборудования ГЛЭП составляет 10-30% стоимости оборудования передач и вставок постоянного тока, идея гибкого управления ЛЭП становится привлекательной и с экономических позиций.

в=45^о: ПН потребляет активную и выдает реактивную мощностьв=125^о: ПН выдает активную и реактивную мощность

в=125^о: ПН выдает активную и потребляет реактивную мощность в=125^о: ПН потребляет активную и реактивную мощности

Рисунок 7 - Зависимость активной и реактивной мощности от угла управления

3. Широтно-импульсный способ формирования и регулирования выходного напряжения инвертора

Принцип формирования кривой выходного напряжения трехфазных АИН при ШИР подобен однофазным АИН. В кривой линейного напряжения вместо одного импульса длительностью 2р/3 при ??=180^о необходимо получить несколько импульсов (например, два) длительностью б, регулируемой от 0 до р/3, с паузой между ними в=р/3-б. Задачу решают путем проведения в инверторе по окончании интервалов б дополнительных переключений так, чтобы на интервале в одновременно были открыты три тиристора, относящиеся к одной (катодной или анодной) группе.

Рисунок 1 - Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип формирования кривой выходного напряжения трехфазного мостового АИН с ШИР при К_л.н.=4 Рисунок 2 - Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип формирования кривых линейного и фазного напряжений трехфазного мостового АИН с ШИР при K_л.н.=8 (a) и K_л.н.=12 (б)

При этом проводящие тиристоры и шунтирующие их диоды на интервалах в создают короткозамкнутую связь всех трех фаз (выводов) нагрузки по шине «+» или «-» источника питания, что обеспечивает равное нулю напряжение на нагрузке. Фазные токи активно-индуктивной нагрузки на интервалах в замыкаются между фазами в образовавшейся короткозамкнутой цепи. В связи с этим последовательность переключения тиристоров в инверторе с ШИР при формировании кривой напряжения должна быть такой: 123, 135, 234, 246, 345, 135, 456, 246 и т. д.

Рассмотрим принцип формирования и регулирования напряжения, обеспечиваемый режимом управления (алгоритмом переключения) тиристорами (рис. 1, а). На протяжении периода каждый тиристор находится в проводящем состоянии в течение трех интервалов длительностью 60^о + б, 60^о и в. При этом открытому состоянию тиристора одной фазы (например, тиристору T₁)отвечает закрытое состояние другого тиристора той же фазы (в данном случае тиристора T₄). Дополнительные переключения по сравнению с режимом, как отмечалось, необходимы для осуществления одновременной проводимости трех тиристоров, относящихся к общей группе, т. е. для создания в кривой выходного напряжения интервалов паузы в. Так, на интервале 60^о-в до 60^о открыты тиристоры T₁, T₃, T₅, на интервале от 120^о-в до 120^о - тиристоры T₂, T₄, T₆, на интервале от 180^о-в до 180^о - тиристоры T₁, T₃, T₅и т. д. На интервалах б формирование импульсов в кривых линейного и фазного напряжений инвертора (рис. 8.13, б-ж) происходит так же, как и при алгоритме переключения тиристоров. В результате кривая линейного напряжения содержит четыре импульса на протяжении периода (K_л.н.=4) с амплитудой E, а кривая фазного напряжения - шесть импульсов (K_ф.н.=6) с амплитудой, равной 1/3 E и 2/3E (рис. 1, б-ж).

Трехфазные АИН допускают ШИР и при большем числе импульсов в кривых линейного и фазного напряжений. Поскольку в кривой фазного напряжения на интервале 60^о в общем случае может быть целое число импульсов:

К_ф.н.60^о=1, 2, 3, 4, 5, … ,

то число импульсов в этой кривой на протяжение периода

К_ф.н=6, 12, 18, 24, 30, … ,

и соответственно число импульсов в кривой линейного напряжения на протяжении периода

К_л.н.=2/3К_ф.н=4, 8, 12, 16, 20, … ,

Алгоритмы переключения тиристоров при К_л.н.?2 выполняются по аналогии с рассмотренным режимом управления (рис. 1, а). На рис. 2, а, б приведены алгоритмы переключения тиристоров соответственно при К_л.н.=9 и К_л.н.=12.

Необходимость увеличения числа импульсов в кривой выходного напряжения инвертора обусловливается стремлением улучшить его гармонический состав при регулировании. Зависимости относительного гармонического состава линейного напряжения АИН при К_л.н.=4, К_л.н.=8, К_л.н.=12 показаны на рисунках 3, а-в.

Рисунок 3 - Кривые, характеризующие относительный гармонический состав линейного напряжения АИН с ШИР при K_л.н.=4 (а), K_л.н.=8 (б) и K_л.н.=12 (в)

При К_л.н.=4 в выходном напряжении имеются довольно значительное содержание 5-й и 7-й гармоник, причем при б?15^о их значения соизмеримы с основной гармоникой. При К_л.н.=8 в выходном напряжении велико содержание 11й гармоники.

4. Фазоповоротное устройство

Во всём мире наблюдается постоянный рост потребления электроэнергии. Это влечёт за собой необходимость увеличения производства электроэнергии и уменьшения потерь при передаче электроэнергии до потребителя. В связи с тем, что рост производства влечет за собой решение экологических вопросов (загрязнение окружающей среды ТЭС, затопление территорий и снижение скорости движения реки у ГЭС) и экономических вопросов (строительство АЭС затратно по финансам, и длительно по времени, развитие альтернативных источников энергии требует больших инвестиций и не может применяться повсеместно), то уменьшение потерь при передаче электроэнергии очень актуальная задача. Одним из агрегатов, которые используются в электрической сети, с целью сокращения потерь электроэнергии является фазоповоротное устройство (ФПУ). Можно перераспределять потоки мощности между линиями электрической сети, если принудительно варьировать величину угла сдвига между векторами напряжений на входе и выходе линии электропередач. Это позволит осуществить более благоприятные сценарии загрузки линий сети относительно естественного распределения потоков мощности. Выделяют следующие способы построения ФПУ:

- фазоповоротный трансформатор (ФПТ);

- ФПУ с тиристорными коммутаторами;

- универсальная система регулирования переменного тока (от англ. Unified Power Flow Controller - UPFC).

В общем случае ФПТ включает в себя два отдельных трансформатора: шунтовой (параллельный) и сериесный (последовательный) трансформаторы (рисунок 1) [3]. Обмотки шунтового трансформатора (на рисунке 1 автотрансформатор) соединяются по схеме «треугольник». Сериесный трансформатор подключается последовательно в линию, его вторичные обмотки соединяются по схеме «звезда», нейтраль которой заземляется. Вторичные обмотки сериесного трансформатора подключаются к отводам шунтового трансформатора через трехфазный высоковольтный коммутатор, каждая фаза которого выполнена в виде механического контакторного переключателя. Переключая отводы шунтового трансформатора можно изменять амплитуду и положение вектора составляющей напряжения, и таким образом регулировать величину угла сдвига между векторами напряжения источника и приемника электроэнергии в зависимости от решаемой задачи.

К недостаткам рассматриваемого устройства относится то, что реализованный в нем способ регулирования фазового сдвига ограничивает диапазон углов поворота фазы напряжения значением не более ±180 , иначе модуль выходного напряжения ФПТ начинает существенно превышать допустимые в линии электропередачи значения. Поэтому рассмотренный ФПТ непригоден в случаях глубокого регулирования угла поворота фаз.

Другим недостатком устройства является использование в качестве трехфазного высоковольтного коммутатора механических контакторных переключателей, переключение устройства с контакта на контакт занимает определенное время (5-6 с), т.е. происходит достаточно медленно, что обусловливает его малое быстродействие. Повышение быстродействия ФПУ достигается путем применения в них коммутаторов на силовых полупроводниковых приборах. Высокая коммутационная способность, надежность и динамические характеристики полупроводниковых ключей значительно превосходят аналогичные характеристики механических переключателей.

По режиму работы, уровням коммутируемых токов и напряжений из полупроводниковых приборов в наибольшей степени на сегодня подходят для построения коммутаторов ФПТ однооперационные тиристоры, широко и успешно применяемые в гибких системах передачи переменного тока. На рисунке 2 приведен один из вариантов схемотехнической реализации фазоповоротного устройства (ФПУ) с тиристорными коммутаторами [4]. На основе проведенных ранее другими авторами экспериментальных исследований выявлены проблемы переключения мостовых тиристорных коммутаторов (МТК) ФПУ: 1. Переключение ФПУ из одной ступени регулирования в другую возможно только в разрешенные временные интервалы. Переключение МТК не в пределах разрешенного временного интервала приводит к формированию контура протекания ударного тока короткого замыкания. 2. Переход ФПУ в неполнофазный режим. Переключения тиристорных коммутаторов ФПУ производится для каждой фазы отдельно, вследствие несовпадения во времени разрешенных интервалов безопасного переключения для МТК разных фаз. Переключение первых двух фаз тиристорных коммутаторов ФПУ может приводить к исчезновению разрешенных временных интервалов в третьей коммутируемой фазе. Эти недостатками ФПУ с тиристорными коммутаторами возникают из-за особенностей коммутации тиристоров. Использование UPFC (рисунок 3) позволяет решить ряд недостатков ФПУ с тиристорными коммутаторами. В качестве коммутируемых элементов в данном устройстве применяются силовые IGBT транзисторы. IGBT транзисторы уже практически догнали тиристоры по своим параметрам - максимальному значению прямого тока, постоянному прямому напряжению в закрытом состоянии и обратному напряжению. Учитывая, что транзисторами легче управлять их использование в мощных устройствах в ближайшем будущем будет расти. UPFC управляет величиной напряжения, фазовым углом и величиной сопротивления линии. Устройство включает в себя следующие основные части: шунтовой и сериесные трансформаторы, LC-фильтры, преобразователи напряжения и емкостный накопитель. Принцип работы состоит в следующем: устройство потребляет из сети энергию и сохраняет ее в емкостном накопителе, далее за счет широтно-импульсной модуляции DC/AC преобразователя и использования фильтра гармоник формируется синусоидальное напряжение частотой питающей сети. Главное свойство такого подхода - способность генерировать ток любой фазы относительно напряжения сети. То есть устройство обеспечивает регулирование значения величины выходного напряжения и его фазы в любых пределах.

Построение системы управления на программируемых контроллерах управления технологическими процессами на базе ПЛИС NI CompactRIO позволит получить высокие производительность и быстродействие, а также надежность исполнительных систем. Кроме того наличие встроенных FTP- сервера, Web-сервера и порта Ethernet [6] обеспечивает дистанционное управление устройством. Такой подход дает возможность подключения агрегата к интеллектуальной сети для обеспечения выгодного потребителю регулирования нагрузок. В США система UPFC мощностью 2*160 МВА эксплуатируется с 1998 года в системе усиления, состоящей из двойной ЛЭП от АЭС напряжением 135 кВ. Благодаря применению UPFC удалось увеличить передаваемую мощность на 100 МВт [5]. Применение устройства в электроэнергетике позволит повысить передаваемую мощность, управляемость режимов и устойчивость ЭЭС. Благодаря этому становится возможным уменьшение частоты срабатывания и дозировок управляющих воздействий противоаварийной автоматики, обеспечивается повышение качества электроэнергии и надежности электроснабжения потребителей.

Рис. 4. Векторная диаграмма ФПУ

Оценить влияние введения ФПУ на потокораспределение в системе можно с помощью программ расчета режимов, которые допускают учет комплексных коэффициентов трансформации. С этой целью на линии вводят фиктивный трансформатор и дополнительный узел. Комплексный коэффициентом трансформации его устанавливается в соответствии с заданными значениями вектора U. При качественном анализе реактивное сопротивление трансформатора Т2 можно не учитывать.

Для указанной оценки необходимо найти связь между следующими параметрами режима: U, и (см. рис. 3). Как следует из векторной диаграммы в предположении U₁₀=1 эта связь описывается следующими

двумя равенствами:

;

.

Эти равенства позволяют определить комплексный коэффициент трансформации для учета ОРПМ при анализе режимов. Так как U₁₀=1 модуль его равен U₁ , а аргумент равен . Ниже приведена таблица 2.1 значений и К при U=0,1

Таблица 2

Объект исследования

Для исследования предлагается энергосистема, граф которой приведен на рис.4 проводятся для энергосистемы, расчетная схема которой показана на рис. 4. В системе 7 независимых узлов, связанных ЛЭП 220 кВ. В линию 3-4 включен ФПУ, для учета которого в программе расчета режима в схему введен фиктивный узел 9. Узел 0 принят за балансирующий с заданным напряжением в диапазоне 225-230 кВ. К узлу 3 подключен генерирующий источник и АТ мощностью 125 МВА для питания нагрузки.

Рис. 4. Схема системы

Таблица 3

зависимость уравнительного потока мощности от регулирования значений и К

Таблица 4

3 режимы при =0, 90, 180 и 270 эл.град.

Рисунок 6 режим сети при =0

Рисунок 7 режим сети при =90

Рисунок 8 режим сети при =180

Рисунок 9 режим сети при =270

Из рисунков видно, что ФПУ может значительно изменять потоки мощности в системе, как и уменьшая потоки мощности в одних линиях, так и увеличивая в других. Из карт режимов, выполненных в пункте 3 и анализа режима сети видно, что наиболее рациональное регулирование перетоков мощности в системе достигается при угле регулирования 90 градусов.

Анализ режима сети показан на рисунке 10

Рисунок 10 анализ режима сети при =90

Размещено на Allbest.ru