3.7.2. Регулювання зміною струму

Регулювання струму в головному колі статичного елемента (конденсатора, реактора) можна здійснити за допомогою тиристорних пристроїв, принципова схема яких відповідає показаній на рис. 3.7. Відмінність їх від тиристорних ключів полягає в плавному регулюванні моменту відкриття вентилів, за рахунок чого плавно змінюється струм головного кола. Цей принцип регулювання застосовують для реакторів та не застосовують для конденсаторів, тому що у зв’язку із специфікою їх комутації (великі кидки струму увімкнення та кидки напруги під час вимкнення) запаси відповідних параметрів тиристорів для забезпечення їх надійної роботи мають бути багатократними. Конденсаторні установки з регулюванням такого типу стають занадто коштовними і тому їх використання є недоцільним.

Для реакторів регулювання струму в головному колі може здійснюватися також підмагніченням осердя постійним струмом та застосуванням принципу параметричного регулювання реакторів з насиченням осердя.

Підмагнічення постійним струмом осердя реактора змінює нахил та положення зони перегину вольт-амперної характеристики (рис. 3.8). Відповідно до зміни значення струму підмагнічення змінюється струм реактора для заданої робочої напруги.

Рис. 3.8 Характеристики реактора з підмагніченням; I_В – струм підмагнічення

Принцип параметричного регулювання полягає у використанні ділянки вольт-амперної характеристики в області насичення (рис. 3.9).

Збільшення напруги в точці приєднання такого реактора збільшує струм реактора, який має індуктивний характер і збільшує у відповідних елементах системи втрати напруги, що в свою чергу зменшує рівень напруги в даній точці. Зменшення рівня напруги змінює процес стабілізації напруги і він протікає в зворотньому напрямку.

Рис. 3.9 Характеристика реактора з параметричним регулюванням

Перевагою всіх цих методів регулювання можна вважати:

– плавність регулювання потужності, а у останньому випадку - авторегулювання;

– швидкодія регулювання потужності.

Основними недоліками є:

– генерування вищих гармонік, особливо у випадку використання тиристорів;

– відносна складність схем керування;

– висока вартість;

– значні втрати потужності (до 10 – 15 кВт/Мвар).

3.7.3. Регулювання зміною напруги

Для будь-якого статичного елемента (котушки індуктивності, конденсатора, резистора) зміна напруги, прикладеної до нього, викликає зміну потужності, яка пропорційна квадрату напруги.

а)

б)

Рис. 3.10. Регулювання потужності статичного елемента зміною напруги:

а) схема; б) регулювальна характеристика

Найпростішим способом здійснити таке регулювання в трифазній мережі можна за схемою, яка показана на рис.3.10, де наведена також регулювальна характеристика. В такій схемі потужність трансформатора повинна дорівнювати потужності статичного елемента (КБ) [3.18].

а)

б)

в)

Рис. 3.11. Регулювання потужності статичного елемента зміною напруги в схемі: а) принципова схема; б) векторна діаграма; в) регулювальна характеристика;

Існує можливість регулювання напруги на статичному елементі за схемою, яка наведена на рис. 3.11,а.

На відміну від попередньої схеми, приєднаної до системи в одній точці, в цьому випадку пристрій приєднаний до системи в двох точках. Регулювання напруги здійснено з боку розімкнених “нульових” виводів статичного елемента. В граничному випадку максимальна напруга, прикладена до статичного елемента, дорівнює подвійній напрузі мережі (за умови, що U_м=U_{рег.макс}). Тобто номінальна напруга та потужність статичного елемента в цій схемі вдвічі більша, ніж в попередній схемі за умови, що всі інші показники (струм, потужність регулювального трансформатора тощо) залишилися без змін [3.17].

Принцип роботи такої схеми видно із векторної діаграми напруг (рис. 3.11,б). При положенні регулятора, коли напруга на його виході U_рег дорівнює за величиною та співпадає за напрямком вектора з напругою на шинах U_м, результуюча напруга на статичному елементі дорівнює нулю, як і його потужність. Якщо зменшувати напругу на виході регулятора U_рег до нуля, а потім поміняти напрям її вектора і збільшувати до значення - U_рег, результуюча напруга на статичному елементі буде збільшуватись до значення U_м (при U_рег =0), а потім до U=2U_м. Потужність статичного елемента змінюється при цьому у відповідності з формулою, на основі якої побудована регулювальна характеристика (рис. 3.11, в),

.

Потужність регулювального трансформатора в цій системі відносно потужності статичного елемента вдвоє менша у порівнянні з попередньою схемою ( ).

У випадку можливості або необхідності неповного регулювання потужності статичного елемента, застосування такої схеми дозволяє підвищити економічні показники установки за рахунок того, що потужність регулювального трансформатора повинна становити лише частину потужності діапазону її регулювання. Наприклад, під час регулювання напруги в межах 25 % від напруги мережі отримуємо максимальну потужність статичного елементу (у відносних одиницях).

,

мінімальна потужність статичного елементу буде

.

Діапазон регулювання

.

Потужність регулювального трансформатора

.

Відношення потужності регулювального трансформатора до діапазону регулювання (відносна потужність трансформатора)

,

тобто потужність регулювального трансформатора становить лише 39 % від діапазону регулювання.

а)	б)	в)

Рис. 3.12 Компенсатор з регулюванням у два етапи:

а) схема; б) регулювальна характеристика; в) векторна діаграма

Відносно максимальної потужності установки потужність регулювального трансформатора становить всього 31 %. Відповідним цьому значенню буде і вплив вартості регулювального трансформатора та втрат потужності в ньому у порівнянні із схемою регулювання, показаною на рис.3.10.

Регулювання потужності КБ зміною напруги можна здійснити у два етапи [3.18, 3.19] і за рахунок цього досягти подальшого зменшення відносної потужності регулювального трансформатора. Схема такої установки показана на рис. 3.12. Співвідношення встановлених потужностей Q_КБ1 та Q_КБ2, увімкнених пофазно послідовно та приєднаних з одного боку до мережі з напругою U₁, а з другого до регулятора напруги (регулювального трансформатора) з найбільшою напругою U_{2 рег. макс}, а також цих напруг U₁ та U_{2 рег. макс}, становить

.

На схемі показані вимикачі В1 та В2. За допомогою В1 установка приєднана до мережі напругою U₁, а вимикачем В2 конденсаторні батареї перекомутовуються в “зірку” – вимикач увімкнений, або з’єднуються послідовно – вимикач розімкнений. Порядок роботи схеми наступний [3.9]: на першому етапі регулювання вимикач В1 вимкнений, а вимикач В2 – увімкнений. Конденсаторна батарея КБ1 від’єднана від мережі, а конденсаторна КБ2 з’єднана з одного боку в “зірку“, а з другого приєднана до регулювального трансформатора. Зміною напруги U_2рег регулювальним трансформатором від нуля до одиниці (у відносних одиницях) можна досягти регулювання потужності КБ2, відносний опір якої Х_*2 = 1, від нуля до відн.од.

На другому етапі регулювання вимикач В1 увімкнений, а В2 – вимкнений. Напруга на конденсаторних батареях КБ1 та КБ2 становить (рис. 3.12, б).

U₁ – U_{2 рег. макс} = 3-1 = 2 відн. од.

Мінімальна потужність цілої конденсаторної установки визначається за формулою

відн. од.

Зміною регулювальної напруги від U_{2 рег} = 1 до нуля, а потім до U_{2 рег} = -1 (зі зміною напряму вектора) досягають регулювання потужності установки від Q_кб.мін = 1 до значення

відн. од.

Таким чином, можна досягти діапазону регулювання від 0 до 4 від. од., а потужність регулювального трансформатора становить 1 відн. од., тобто 25% цього діапазону.

У 1989 році за цією схемою було реалізовано на ПС “Михайловська” РЕУ Оренбургенерго установку з регулюванням потужності від 0 до 60 Мвар. В установці використаний стандартний вольтодобавочний трансформатор як регулювальний, типові конденсаторні батареї напругою 110кВ та 35кВ.

Рис. 3.13 Схема комплексного регулювання

За аналогічною схемою можна забезпечити регулювання потужності реакторів. У випадку використання одного регулювального трансформатора для регулювання потужностей конденсаторних батарей та шунтових реакторів можна досягти такого співвідношення потужностей елементів, за якого потужність регулювального трансформатора буде становити 12,5% від діапазону регулювання реактивної потужності (рис. 3.13.)

Перевагами наведених схем регулювання є: простота; низькі вартісні показники; невеликі питомі втрати потужності; відсутність генерування вищих гармонік. До недоліків можна віднести нелінійність регулювальної характеристики; необхідність спеціальних регулювальних трансформаторів; дискретність регулювання; невисока швидкодія, що відповідає швидкодії пристроїв РПН трансформаторів.