Статические тиристорные компенсаторы

Как и в случае синхронных компенсаторов, в целях обеспечения точного контроля над всей реактивной мощностью, регулирование компенсатора было выполнено на тиристорах, преимущество которых заключается в быстром времени отклика и снижении затрат. Компенсаторы состоят из стандартных генераторов реактивной мощности (реакторов и конденсаторов), которые управляются с помощью тиристоров для обеспечения быстрого переключения реактивной мощности. Эти компенсаторы могут быть сгруппированы в две основные категории: тиристорно-коммутируемые конденсаторы (ТКК) и тиристорно-управляемые реакторы (ТУР).

В ТКК ступенчато-регулируемые конденсаторы индивидуально переключаются помощью двунаправленных тиристорных переключателей. Каждое однофазное отделение состоит из двух основных частей, конденсаторов и пары тиристорных коммутаторов. Конденсатор может быть включен с минимальной выдержкой, если тиристор включен в тот момент, когда напряжение на конденсаторе и напряжение сети имеют одинаковые значения. Несмотря на привлекательную теоретическую простоту тиристорно-переключаемых конденсаторов, их популярности препятствует ряд практических недостатков: компенсация реактивной мощности не является непрерывной, и каждый из конденсаторов требует отдельного переключателя-тиристора. Поэтому строительство экономически нецелесообразно.

ТУР использует двунаправленный переключатель, реализованый с помощью пары противоположно связанных тиристоров, в серии с L индуктивностью и шунтирующим конденсатором C (рис. 3). Поскольку используется фазовый угол для управления, получается непрерывный спектр потребления реактивной мощности. При увеличении угла тиристорного пропускания от 90° до 180° - ток реактора уменьшается. Это эквивалентно увеличению индуктивности, т.е. снижению реактивной мощности, потребляемой реактором. Основным недостатком этой конфигурации является генерация гармоник, которые заставляют реализовывать более сложной топологии (с пассивными фильтрами, с помощью дельта-соединения или двенадцати-импульсный конфигурации).

Рисунок 3 – Тиристорно-управляемые реакторы (ТУР)

Тиристоры используются также для продольной компенсации. Тиристорно-управляемый продольный компенсатор (ТУПР) представляет собой технологию, которая устраняет определенные проблемы в динамических системах передачи электроэнергии (рис. 4). ТУПР являются отличным инструментом демпфирования при соединении больших электрических систем. Кроме того, они уменьшают проблемы подсинхронного резонанса – явление, которое включает в себя взаимодействие между крупными энергоблоками ТЭС и компенсацией систем передачи.

Рисунок 4 – Тиристорно-управляемый продольный компенсатор (ТУПР)

Самокоммутируемые преобразователи

С развитием силовых полупроводниковых приборов (биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT) внимание было сосредоточено на коммутации компенсаторов реактивной мощности. Возможно несколько подходов, включающие источник тока и напряжения. Инвертор источника тока использует реактор с регулируемым постоянным током, а источник напряжения использует конденсатор с регулируемым напряжением постоянного тока. В самостоятельно коммутируемых компенсаторах реактивной мощности также применяется преобразователь напряжения (рис. 5).

Рисунок 5 – Cамокоммутирующийся преобразователь напряжения на IGBT транзисторе

Основными преимуществами собственной коммутацией компенсаторов реактивной мощности является значительное сокращение размера, стоимости и гармонических искажений. Самокоммутируемые компенсаторы для стабилизации систем передачи электроэнергии улучшают регулирование напряжения, обеспечивают правильный коэффициент мощности, а также правильный дисбаланс нагрузки. Кроме того, они могут быть использованы для реализации продольной и последовательной компенсации. Рисунок 6 показывает возможности поперечных компенсаторов реактивной мощности, реализованных с помощью самостоятельной коммутации на преобразователе напряжения. Управление реактивной мощностью осуществляется путем изменения амплитуды выходного напряжения Vmod, которое изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (рис. 6 (а)). При Vmod больше напряжения на компенсаторе Vcomp, компенсатор генерирует реактивную мощность (рис. 6 (б)), а при Vmod меньше, чем Vcomp, компенсатор реактивной мощности потребляет энергию (рис. 6 (с)). Его принцип работы схож с синхронной машиной. Ток компенсатора может быть опережающим или отстающим, в зависимости от относительной амплитуды Vcomp и Vmod. Напряжение на конденсаторе VD, подключенного к цепи постоянного тока преобразователя, остается постоянным и равным эталонной величине V, реализуемое контуром управления обратной связью.

Рисунок 6 – Ток и напряжение источника, самокоммутируемого поперечного компенсатора реактивной мощности; (а) – топология компенсатора; (б) – ток и напряжение для опережеющей компенсации (Vmod >Vcomp); (с) – ток и напряжение для отстающей компенсации (Vmod <Vcomp).