Шунтирующий реактор управляемый, применение, формулы, принцип работы, эффективность

Управляемый электромагнитным полем шунтирующий реактор без выделенной обмотки управления (УШРбУ) имеет характеристики, существенно отличающиеся от характеристик реакторов традиционных конструкций, имеющих выделенную обмотку управления (УШРсУ). Технико-экономические показатели реактора без обмотки управления значительно превосходят показатели реакторов других конструкций. Но реализация требований к устройствам управления (УУ) этого реактора связана с необходимостью специального построения силовой (СЧ) и микроэлектронной частей (МЭЧ) устройства управления реактором. Требуется исключить проявления отрицательных факторов, связанных с включением устройства управления в цепь силовой (высоковольтной) обмотки реактора. Кроме выяснения общих особенностей реакторов, управляемых электромагнитным полем, необходимо определить специфические особенности реактора типа УШРбУ как объекта управления. Управляемые электромагнитным полем шунтирующие реакторы имеют специальную обмотку управления (УШРсУ). В реакторе без обмотки управления (УШРбУ) сетевая (высоковольтная) обмотка его используется одновременно и как силовая и как обмотка управления. Совмещение двух функций в одной обмотке значительно улучшает массо-габаритные показатели реактора, но существенно усложняются процессы управления реактором и требования к силовым и микроэлектронным элементам управления, регулирования, защиты и т.д. Реакторы, управляемые электромагнитным полем, имеют специфические регулировочные характеристики. Система регулирования реактора должна обеспечить точность работы реактора, устойчивость системы автоматического регулирования (САР), ее быстродействие, симметрировать напряжения и токи реактора при несимметрии ЭДС сети и параметров реактора. С целью обеспечения самопроизвольного погасания дуги требуется нестандартно регулировать реактор в паузе ОАПВ при однофазных дуговых замыканиях на землю высоковольтной ЛЭП (обычно 500 кВ) и в других статических и динамических режимах. Необходимо рассматривать нормальные и аварийные режимы работы реактора и высоковольтной сети, в которой устанавливается реактор. Трехфазный управляемый полем реактор УШРбУ (рис. 1) имеет шесть полуфаз, по две на каждую фазу. Каждая фаза имеет два стержня с одной силовой и одной компенсационной обмотками на каждом стержне. Силовые обмотки (СО) высоковольтными выводами подключены к фазам сети (500 кВ). Нейтральные выводы силовых обмоток левых и правых полуфаз соединяются так, что образуется две звезды — левая (L) и правая (R). Между нулями звезд включается устройство управления, выполненное в виде трехфазного мостового тиристорного преобразователя, работающего в двухквадрантном режиме (выпрямителяинвертора). В реакторе типа УНШРТД-180000/500 (180 Мвар, 500 кВ) к нейтральным выводам звезд силовых обмоток подключены дополнительные резисторы с коммутационным аппаратом и нейтральные реакторы, осуществляющие заземление нейтральных выводов силовых обмоток реактора (рис. 1). Схема рис. 1, на первый взгляд, представляется очевидной. В действительности, как далее будет показано, такой реактор неработоспособен. Чтобы обеспечить работоспособность УШРбУ, управление реактором должно быть построено по схеме рис. 2. Требуется применение схем преобразования с четырехквадрантным режимом работы и индивидуального независимого от других фаз регулирования каждой полуфазы реактора (шестиканальное регулирование). Необходимо шестиканальное управление реактором с формированием на выходе УУ положительного и отрицательного напряжения, непрерывно контролируемого во времени со стороны автоматического регулятора (АР) и с обеспечением свободного протекания токов прямого и обратного направлений (четырехквадрантный режим работы преобразователя [5]). В первом приближении может быть использована схема УУ, состоящая из двух встречно-параллельно включенных тиристорных мостов. Но для адекватного решения совокупности требований к реактору единственно приемлемым решением является использование шести каналов из четырехквадрантных преобразователей с квантовым способом преобразования электроэнергии (УУQv, рис. 2). АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР Отечественный и зарубежный опыт исследований САР полупроводниковыми преобразователями показал, что качественные системы регулирования многофазных электротехнических устройств, характеризующихся нелинейными искажениями электромагнитных параметров, методически следует строить на основе оперирования с параметрами обобщенных (результирующих) векторов [6 -11]. Эта система получила название «Трансвектор». Управление шунтирующими реакторами сводится к регулированию ряда различных параметров: тока реактора, тока ЛЭП в зоне подключения реактора, реактивной мощности реактора или ЛЭП, напряжения ЛЭП в точке подключения реактора или на шинах подстанции, где подключен реактор, симметрированию токов и напряжений сети и реактора при несимметрии параметров сети и индуктивностей реактора по фазам и полуфазам. Все перечисленные параметры являются зависимыми от текущих значений магнитных потоков в стержнях полуфаз. Для АР каждая полуфаза реактора должна быть снабжена индивидуальным датчиком потока стержня. Наиболее точные датчики потока строятся на основе элемента Холла. Этот тип датчика одинаково точно передает сигнал как переменного, так и постоянного значения, что, как следует из исследований, в применении к УШР является обязательным. Особое внимание необходимо уделить выбору параметра САР, которому затем придается роль выходного сигнала устройства управления. В первом приближении таковыми должны быть названы не один, а два сигнала где u_y и i_y = i_dt — напряжение и ток устройства управления. Но ток управления (см. рис. 1) одновременно является током силовых обмоток реактора и определяется не только напряжением управления, но и режимом работы реактора. Только напряжение на выходе УУ (u_y) полностью определяется автоматическим регулятором Напряжение самоиндукции силовой обмотки реактора (u) определяется: фазной ЭДС сети e, напряжением управления u_y и падением напряжения Δu_w на активном сопротивлении обмотки Rw, возникающим от протекания тока обмотки iw, Δu_w = R_w i_w где Ψa — составляющая потокосцепления сетевой обмотки, определяемая переменным напряжением сети; ΔΨ — потери потокосцепления; Ψy — потокосцепление, определяемое устройством управления. Выражение (4) рассматривается как сигнал управления реактором. Это — вольт-секундная площадка напряжения управления или потокосцепление обмотки полуфазы реактора, создаваемое устройством управления. Микропроцессор в АР реализует выражение (4), можно сказать, мгновенно. Согласно этому выражению в САР реактора можно практически мгновенно получать сигнал о реакции реактора на сигнал регулятора. Это создает предпосылки построения весьма быстродействующего регулятора и обеспечения быстродействия самого реактора. Считается, что реакторы с регулированием электромагнитным полем должны обладать быстродействием, позволяющим переходить из одного режима в любой другой за интервал не более 0,3 с. ОПАСНОСТЬ РЕЖИМОВ Х.Х. И МАЛОЙ НАГРУЗКИ РЕАКТОРА При х.х. и малой нагрузке реактора ток управления i_dt становится переменным — меняет знак (протекает в цепи dc УУ в прямом и обратном направлениях). В прямом направлении ток проводят тиристоры (рис. 1). На полюсах УУ в этих интервалах формируется напряжение u_dn, состоящее из отрезков фазных напряжений источника питания D. В интервалах, когда ток i_dt принимает отрицательное значение, тиристоры запираются. ток под действием напряжения сети продолжает протекать через демпфирующие цепи и делители напряжения, включенные параллельно цепочке последовательно включенных тиристоров в высоковольтном тиристорном вентиле моста УУ, но сами тиристоры в обратном направлении не проводят. Величина падения напряжения при протекании отрицательного тока получается чрезмерно большой. Главная неприятность от отрицательного тока в цепи управления в схеме рис. 1 заключается в следующем. 1. Из сопоставления кривых напряжения, которое по заданию от АР должно иметь место на полюсах УУ, с напряжением, реально образующимся из-за протекания обратного тока, получаем, что вместо отрицательного напряжения на полюсах УУ формируется положительное напряжение. То есть выходной сигнал УУ получается иным, чем задает регулятор — происходит разрыв цепи обратной связи САР. Реактор оказывается в неконтролируемом интервале времени, длящемся пока ток имеет отрицательное значение. Такой режим недопустим. 2. При конструировании реактора ошибочно предполагается, что отрицательного тока не возникает и напряжение на выходе УУ (на интервале отрицательного тока) имеет отрицательный знак (а не положительный) и ограничено величиной напряжения источника питания D. То есть напряжение, как предполагается, имеет небольшую (порядка 10 кВ) величину. В действительности, напряжение на полюсах УУ получается положительным и очень большой величины (150 кВ). 3. Особо важно то, что возникающее в цепи dc УУ положительное напряжение вместо размагничивания стержней реактора приводит к их дополнительному намагничиванию. Появляется режим, который не предусмотрен при проектном расчете реактора, не контролируется регулятором УУ и недопустим, поскольку ведет к неуправляемым аварийным перенапряжениям и сверхтокам. Схема рис. 1 не может быть рекомендована для практического использования. Данный аномальный режим х.х. реактора иллюстрируется осциллограммой рис. 3. Осциллограмма получена с помощью математической модели для реактора 180 Мвар, 500 кВ. Перенапряжение достигает в амплитуде 150 кВ. На осциллограмме сверху вниз представлены: напряжение фазы А сети в вольтах, ток фазы А реактора в амперах (ток сети), ток в цепи dc УУ в амперах, напряжение на полюсах УУ в вольтах. V-ОБРАЗНАЯ РЕГУЛИРОВОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕАКТОРА Каждая фаза реактора содержит две одинаковые по электромагнитным параметрам полуфазы. УУ, в принципе, может прикладывать к нулевым точкам звезд L и R (см. рис. 1) как положительное, так и отрицательное напряжение управления. Реакция реактора по силовой цепи будет одинаковой. При одномостовой схеме УУ способно пропускать ток только в одном (положительном) направлении (двухквадрантный режим). В каком направлении намагничивается данная полуфаза — в положительном или отрицательном — для сети не имеет значения. Реактор и при положительном, и при отрицательном сигнале управления потребляет из сети реактивную мощность индуктивного характера. Величина мощности регулируется напряжением u_d и током i_d управления, причем реактор одинаково реагирует как на положительное, так и на отрицательное значения этих параметров. Регулировочная характеристика реактора поэтому имеет V-образную регулировочную зависимость тока сети от напряжения и тока управления i = f(ud,id) — V-образная характеристика УШР. (5) V-образная зависимость (5) для контура замкнутой системы автоматического регулирования реактора означает изменение знака обратной связи с отрицательного значения на положительное. Изменение знака происходит при переходе реактора через режим холостого хода в точке изменения знака сигнала управления (при нулевом значении сигнала регулятора). САР должна работать в одном режиме — режиме с отрицательной обратной связью, когда обеспечивается стабилизация заданного оператором параметра. Режим с положительной обратной связью недопустим, так как, по определению, САР с положительной обратной связью неустойчива. Чтобы исключить двузначность реакции реактора, в автоматическом регуляторе необходимо ввести ограничение минимального тока каждой полуфазы. Это обеспечит работу каждой полуфазы на заданной для нее одной (левой или правой) ветви V-характеристики реактора. ОГРАНИЧЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА РЕАКТОРА В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ Согласно требованиям к реактору длительность перехода реактора из одного режима в другой должна быть не более 0,3 с. Интервал затухания апериодической составляющей переходного процесса реактора измеряется от нескольких единиц до десятков секунд. Чтобы выполнить требования по быстродействию, необходимо предусматривать форсировочный режим управления. Для осуществления форсировки напряжение источника D питания УУ выбирается на порядок более высоким, чем необходимо в стационарных режимах. В динамике, в форсировочном режиме, возможно появление значительных сверхтоков. Исключение чрезмерных токов в динамических режимах должно производиться введением в каждом канале регулятора ограничения максимального тока той обмотки, которой управляет данный канал регулятора. СИММЕТРИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ СЕТИ При несимметрии ЭДС сети и нагрузки сети напряжения фаз сети становятся несимметричными. При несимметрии индуктивностей полуфаз реактора возникают несимметричные токи, потребляемые реактором из сети с недопустимо высоким содержанием постоянной составляющей. Схема управления рис. 1 не способна адекватно воздействовать на реактор в этих режимах, поскольку УУ в виде одного мостового тиристорного преобразователя воздействует одновременно на все шесть полуфаз реактора. УУQv (см. рис. 2) способно управлять независимо каждой полуфазой реактора, что в указанных несимметричных режимах оказывается необходимым. Задача симметрирования фазных напряжений ставит вопрос, какие параметры напряжения необходимо симметрировать: три амплитудных значения фазных напряжений, три средних за полупериод значения напряжений, три действующих значения фазных напряжений и т.д. С энергетической точки зрения, симметрировать необходимо амплитуды первых гармоник регулируемых фазных напряжений. Датчики должны быть быстродействующими, поэтому инерционная операция компьютерного разложения напряжения в ряд Фурье с целью вычисления первой гармоники в реальном масштабе времени не может быть использована. Для сохранения быстродействия целесообразно воспользоваться выражениями (2-4), из которых следует (формума 6) где T — период, S_out — вольт-секундная площадка или потокосцепление обмотки реактора Ψ(T). Это — выходной сигнал САР УШР — параметр реактора, который определяет все остальные параметры, такие как ток реактора, реактивная мощность, ток и реактивная мощность в линии в месте подключения реактора. Операция интегрирования сигнала u(t) в структуре реального регулятора реализуется довольно просто и быстро (можно сказать мгновенно). Выражение (6) использовано при реализации узла симметрирования напряжения в регуляторе. При симметрировании токов фаз реактора кроме симметрирования первых гармоник токов требуется еще исключить постоянную составляющую тока той фазы, в которой имеет место несимметрия индуктивностей полуфаз. В общем случае в одном динамическом процессе симметрирования выполнить одновременно две функции: симметрирование потокосцеплений и исключение постоянной составляющей тока невозможно. Приходится выбирать одну из двух функций, которая наиболее важна. Требования к реактору по допустимой величине постоянной составляющей в токе фазы наиболее жесткие: постоянная составляющая в токе фазы не должны превышать 1 А или 0,357 % Iном. Поэтому симметрирующее устройство настраивается на устранение постоянной составляющей в токе фазы реактора. ШЕСТИКАНАЛЬНЫЙ КВАНТОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ В КАЧЕСТВЕ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ УШРбУ Исследования динамических режимов работы реактора с шестиканальным устройством управления на основе квантовых четырехквадрантных преобразователей (УУQv рис. 2) производились на математической модели, созданной на основе компьютерного пакета программ MATLAB Simulink. Описанный выше симметрирующий регулятор позволяет симметрировать напряжения фаз сети с ошибкой не более 0,012 % при несимметрии ЭДС сети до 15 %. Без симметрирующего регулятора несимметрия напряжений в точке подключения реактора составляет до 11 %. Особо необходимо отметить тот факт, что при несимметрии ЭДС сети в токах фаз реактора появляется постоянная составляющая, многократно превышающая допустимые пределы. Постоянная составляющая в фазных токах реактора возникает и при несимметрии индуктивностей фаз и полуфаз реактора. При несимметрии индуктивностей фаз реактора величиной 25 % возникает постоянная составляющая в фазном токе реактора величиной 1,2 % при допустимой величине 0,366 %. Описываемый симметрирующий регулятор снижает величину постоянной составляющей тока до уровня 0,0239 %, что вполне удовлетворительно. Наиболее длительными являются переходные процессы при пуске реактора, из которых наиболее длительным является пуск на холостой ход. Длительность пуска определяется постоянной времени затухания апериодической составляющей, которая определяется выражением τ = L/R =100H/(5,5

Ω) =18 с, где L и R — индуктивность полуфазы реактора в режиме х.х. и активное сопротивление сетевой обмотки реактора. Как упоминалось выше, снизить длительность переходного процесса удается форсировкой напряжения управления реактором. Динамические процессы при изменении режима работы реактора тоже длятся десятки секунд, если не использовать форсировку. К реактору предъявляется требование по длительности изменения режима — не более 0,3 с. Описываемая замкнутая система управления и регулирования реактора использует: форсировочный режим, ограничение максимального и минимального тока каждой полуфазы реактора, систему регулирования «Трансвектор». В качестве иллюстрации на рис. 4 приводятся осциллограммы переходного процесса при пуске реактора на х.х. с последующим переводом реактора в режим номинальной нагрузки. Пуск на х.х. заканчивается к моменту t = 0,5 c, в момент t = 0,7 c на регулятор поступает сигнал «оператора» на перевод реактора в номинальный режим. Переход длится около 0,3 с. В других режимах, как и в представленном, описанная САР также обеспечивает протекание процессов, удовлетворяющих требованиям к реактору по быстродействию. На осциллограммах рис. 4: W_p — мощность реактора в относительных единицах, этот сигнал отфильтрован небольшим фильтром; W^* — тот же сигнал до фильтра; W — мощность реактора, вар, up — напряжение на выходе регулятора в относительных единицах; uy — кванты (импульсы) напряжения на выходе устройства управления (выходной сигнал УУ); uo — сигнал задания от «оператора». Работа САР в паузе ОАПВ при однофазном дуговом замыкании ЛЭП на землю заключается в том, что: коммутатор 12 (см. рис. 2) в паузе ОАПВ выключается; фаза реактора, подключенная к поврежденной фазе ЛЭП, вводится устройством управления в полное насыщение; фазы реактора, подключенные к неповрежденным фазам ЛЭП, регулируются устройством управления на компенсацию емкостного тока линии, снижая величину тока дуги до уровня, при котором происходит ее самопогасание (до тока менее 30-40 А). Осциллограмма рис. 5 иллюстрирует этот процесс снижения тока дуги (ток дуги снижается до 6 А). Емкостный ток дуги при отсутствии описанного алгоритма работы УУQv в паузе ОАПВ достигает 400 А. На осциллограмме представлены: ЭДС сети в вольтах, ток однофазного дугового замыкания фазы С ЛЭП 500 в амперах. Полученные результаты исследования статических и динамических режимов реактора с описанными устройствами управления и регулирования удовлетворяют техническим требованиям к реакторам типа УШР. Исследованию подлежала сеть: ЛЭП 500 длиной 300 км с двумя УШР названного типа, установленными в средине линии. КОМПЕНСАЦИОННЫЕ ОБМОТКИ УПРАВЛЯЕМОГО ШУНТИРУЮЩЕГО РЕАКТОРА — ПРИЧИНЫ НИЗКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ Известна роль обмоток, соединенных в треугольник, в трехфазных трансформаторах, питающих нелинейную нагрузку. В сетевом токе трансформатора исключаются гармоники, кратные трем, генерируемые нелинейной нагрузкой, каковой могут быть выпрямители, сварочные аппараты и др. В нелинейном управляемом полем шунтирующем реакторе несинусоидальный ток генерирует не подключенная нелинейная нагрузка, а сам насыщающийся реактор. У реактора цепи нагрузки нет, но для подавления гармоник предусматриваются компенсационные обмотки, соединяемые в треугольник. Эффективность компенсационных обмоток в реакторе может быть обеспечена только специальной конструкцией электромагнитной системы реактора. Компенсационные обмотки располагаются непосредственно на стержне, сетевая обмотка охватывает компенсационную. Сетевая обмотка непосредственно подключена к синусоидальному напряжению сети, поэтому потокосцепление сетевой обмотки имеет синусоидальную форму. Устройство управления создает только постоянную составляющую потокосцепления и не искажает синусоидальной формы потока, создаваемого сетевой обмоткой. Если магнитная система реактора выполнена так, что потоки сетевой обмотки и компенсационной одинаковые, то ЭДС компенсационных обмоток тоже синусоидальные. Компенсационные обмотки, соединенные в замкнутый треугольник, создают результирующую ЭДС, равную нулю, что свойственно симметричной синусоидальной трехфазной системе фазных напряжений. При равенстве нулю результирующей ЭДС компенсационных обмоток ток в контуре компенсационных обмоток также равен нулю. Получаем, что в такой конструкции магнитной системы реактора компенсационные обмотки не могут выполнять возлагаемых на них функций, они не способны подавлять гармоники 3k. Чтобы компенсационные обмотки эффективно работали, необходимо специально сконструировать электромагнитную систему: сетевая обмотка должна иметь поток рассеяния, когда стержень входит в зону насыщения; обмотка компенсации должна практически целиком охватывать поток стержня и иметь минимально возможный собственный поток рассеяния; стержень должен быть выполнен из электромагнитного материала с выраженным изгибом кривой намагничивания при переходе в зону насыщения. В такой специальной конструкции магнитной системы при х.х. и малой величине токов стержень магнитопровода не насыщен, и практически весь поток, создаваемый сетевой обмоткой, замыкается через стержень. Естественно, что весь этот поток замыкается и через обмотку компенсации. Но, по мере увеличения суммарного воздействия токов сети и управления, стержень входит в зону насыщения, часть потока сетевой обмотки (поток рассеяния) начинает покидать стержень. Поток рассеяния сетевой обмотки уже не попадает в обмотку компенсации. Он замыкается через ярма, минуя стержень и обмотку компенсации. Суммарный поток сетевой обмотки по-прежнему имеет синусоидальную форму, но состоит теперь из двух составляющих: потока стержня и потока рассеяния. Поток стержня (как и поток рассеяния) теперь несинусоидальный, поэтому ЭДС обмотки компенсации тоже становится несинусоидальной, содержащей весь ряд гармоник Фурье. Гармоники, кратные трем, образуют ряд гармоник нулевой последовательности, которые создают в замкнутом треугольнике компенсационных обмоток ЭДС, не равную нулю. В треугольнике компенсационных обмоток появляется ток гармоник, кратных трем, которые вызывают компенсацию таких гармоник в сетевой обмотке. Таков механизм работы компенсационных обмоток в реакторе, имеющем описанную специальную конструкцию магнитной системы. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Управляемый магнитным полем шунтирующий реактор без выделенной обмотки управления имеет характеристики, существенно отличающиеся от характеристик реакторов традиционных конструкций. Технико-экономические показатели реактора без обмотки управления превосходят показатели реакторов других конструкций. Но реализация требований к устройствам управления этого реактора связана с необходимостью специального построения силовой и микроэлектронной частей устройства управления. Это необходимо для предотвращения проявления отрицательных факторов, связанных с включением устройства управления в высоковольтную силовую цепь реактора. 2. Быстродействующий автоматический регулятор должен строиться на основе параметров системы регулирования, выраженных в виде обобщенных векторов фазных переменных трехфазных электрических цепей (система регулирования «Трансвектор»). 3. Управляемые электромагнитным полем реакторы имеют V-образную регулировочную характеристику, которая не позволяет построить устойчивую в целом САР. Узел ограничения минимального тока реактора устраняет нежелательную ветвь V-характеристики реактора и обеспечивает устойчивость в целом. 4. Оптимальное протекание динамических процессов реактора обеспечивается введением в структуру регулятора узла независимого ограничения максимального тока каждой из полуфаз реактора. 5. Применение двухквадрантного мостового преобразователя в качестве устройства управления делает реактор неработоспособным в связи с появлением не предусмотренных при конструировании реактора режимов с перенапряжениями и сверхтоками. Ликвидация аномальных режимов реактора реализуется применением четырехквадрантного шестиканального преобразователя в качестве устройства управления. 6. Устройство управления с шестиканальным четырехквадрантным квантовым способом преобразования электроэнергии позволяет решить проблемы быстродействия, симметрирования напряжений сети в точке подключения реактора, ликвидации постоянной составляющей фазного тока реактора при несимметрии параметров сети и индуктивностей полуфаз реактора, подавления тока дуги в паузе ОАПВ при однофазном замыкании ЛЭП на землю. Автор: Чванов В.А., докт. техн. наук., проф., почетный деятель науки и техники ГУП «ВЭИ им. В.И. Ленина»