Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология передач и вставок постоянного тока. Ч.1. Общие принципы технологии передач и вставок постоянного тока. Учебное пособие
.pdf
При включении полуцепи АУП выпрямителя передает по телеканалу сигнал на инверторную подстанцию на отпирание импульсов инвертора и по получении телесигнала о готовности инвертора к включению (от АУП инвертора) формирует сигнал в САР на отпирание
импульсов управления выпрямителя и ПВР.
Отключение полуцепи производится по команде от ключа управления, по сигналам от защит или от АВ, а также по телесигналам с противоположной подстанции. На выпрямителе АУП при этом передает в
САР сигнал на перевод выпрямителя в инверторный режим, а после
прекращения тока полуцепи – на запирание импульсов управления и,
кроме того, формирует телесигнал на запирание импульсов инвертора.
Если отключение полуцепи производится с последующим АПВ, то АУП
выпрямителя по истечении паузы АПВ подает в САР сигнал на отпирание импульсов и ПБР. При отключении полуцепи с АПВ телесигнал на
запирание импульсов инвертора не передается. При отключении полуцепи со стороны инвертора АУП инвертора формирует соответствующий телесигнал на выпрямительную подстанцию.
71
2. ПЕРЕДАЧИ И ВСТАВКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
НА БАЗЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
2.1. Основные принципы действия и схемы
Наиболее эффективным и перспективным вариантом в мировой, в
том числе российской, электроэнергетике является ППТ и ВПТ со статическими преобразователями напряжения (СПН) на базе быстродействующих полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей (запираемые GTO тиристоры (Gate Turn-Off), биполярные
транзисторы с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar
Transistor)) [13], обобщенная структура которого приведена на рис
. 2.1.
Рис. 2.1. Структурная схема вставки постоянного тока (ВПТ):
Т1 и Т2 – трансформаторы связи; ФВГ1 и ФВГ2 – фильтры высших гармоник;
Р1 и Р2 – фазные реакторы; СПН1 и СПН2 – статические преобразователи
напряжения; ЦПТ – цепь постоянного тока
ППТ и ВПТ на базе статических преобразователей напряжения
(СПН) при осуществлении несинхронной управляемой реверсивной
связи через звено постоянного тока способны генерировать реактивную
мощность при потреблении или выдаче активной мощности (рис. 2.2) и
работать на автономную нагрузку (возможность работы в четырех квадрантах).
Векторные диаграммы токов и напряжений упрощенно представленной ВПТ
с СПН показывают, что на стороне постоянного тока общим для выпрямителя и инвертора является выпрямленное напряжение, а режим выдачи или потребления активной мощности зависит от
полярности выпрямленного тока. Положительная полярность отвечает
выпрямительному режиму, а отрицательная – инверторному. Вектор
тока по отношению к напряжению на шинах преобразователя может
иметь угол от
нуля до 360° эл. Это свойство преобразователя напряжения объясняется алгоритмом управления с помощью широтноимпульсной модуляции (ШИМ). Алгоритм управления вентилями приведен на диаграмме (рис. 2.3), на которой показаны три управляющих
72
синусоидальных напряжения частотой fM = 50 Гц, сдвинутые на 120 эл.
градусов (u
частотой изменения f
) и пилообразное напряжение треугольной формы (u
уa,b,c
(например, 1кГц).
шим
шим
) с
Р(о.е.)
1.2
1.0
U=1,1U
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Q(о.е.)
1.21.00.80.60.40.2-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0 0
U=1,0U
U=0,9U
P=Pном
Рис. 2.2. Рабочая P–Q-диаграмма преобразователя напряжения
Н
Н
Н
Рис. 2.3. Управляющие сигналы в преобразователе напряжения
В момент пересечения u u
уa,b,c
с u
происходит формирование им-
шим
пульсов управления вентилями и на выходе формируется квазисинусоидальное трехфазное напряжение.
Таким образом, в установившихся режимах в фазах вентильного
преобразователя за счет широтно-импульсной модуляции, которая поддерживает постоянное напряжение на конденсаторной батарее, формируется симметричная тройка переменных напряжений, изменяющихся с
частотой переменного тока внешней сети. Эта
тройка напряжений может рассматриваться как ЭДС электронной синхронной машины, создаваемой управляемым вентильным преобразователем. Действующее значение междуфазной величины этой ЭДС, Е
, определяется из
ПН
соотношения
73
E⋅=μ
ПН
Ud
,
(1)
3
22
где Ud – постоянное напряжение КБ; μ – коэффициент модуляции (отношение амплитуды пилообразного сигнала к модулирующему).
Таким образом, каждый из преобразователей напряжения может
рассматриваться как электронная синхронная машина с ЭДС, определяемой по выражению (1), и внутренним сопротивлением, равным сопротивлению ограничительного реактора. Амплитуды фазы и частоты ЭДС
(Е
) для каждого ПН могут задаваться независимо. Выдаваемая на ши-
ПН
ны подстанции активная и реактивная мощность описывается уравнениями:
UE
⋅
P
C ПН
=δ
sin ,
(2)
X
UE
⋅
Q
C ПН
=−δ
E
2
ПН
cos ,
(3)
XX
где U
индуктивное сопротивление цепи переменного тока; δ – угол между
напряжением на выходе преобразователя и напряжением шин подстан-
ции.
и ЕПН – напряжения в начале и в конце линии; Х – эквивалентное
С
При представлении всех генераторов внешней сети общим эквивалентом с ЭДС Е
и фазой δЭ активная PПН и реактивная QПН мощности
Э
ПН могут быть определены из следующих выражений:
2
=⋅⋅α+⋅⋅ ⋅δ−δ−α
ПН ПН ПН ПН ПН Э ПН Э ПН Э ПН Э
2
=⋅⋅α+⋅⋅ ⋅δ−δ−α
ПН ПН ПН ПН ПН Э ПН Э ПН Э ПН Э
где y
ПН
, y
, αПН и α
ПН-Э
sin( ) sin( ),PEy EEy
cos( ) cos( ),PEy EEy
– собственные и взаимные проводимости схе-
ПН-Э
−−
−−
(4)
(5)
мы и углы между напряжением шин и преобразователем.
Из выражения (4) следует, что в зависимости от величины и фазы
ЭДС ПН преобразователь может либо выдавать активную мощность,
либо потреблять. В первом случае ПН работает в генераторном режиме
и выполняет функцию, аналогичную функции инвертора традиционной
вставки постоянного
тока. Ее мощность, рассчитанная по выражению (4), положительна. Во втором случае электронная синхронная машина ПН работает в двигательном режиме, выполняя функцию выпрямителя в традиционной вставке постоянного тока. Ее мощность,
рассчитанная по выражению (2), отрицательна.
В том случае, когда во внешней (приемной) сети отсутствуют ис-
точники электроэнергии, в выражениях (4) и (5) становится
равным 0
второе слагаемое, содержащее ЭДС эквивалентного генератора внешней
74
сети. При этом ПН может только выдавать активную мощность. Это
I
случай, когда ПН питает автономную нагрузку.
При работе преобразовательного блока (ПБ) один из его преобразователей напряжения работает в двигательном режиме (ПН1), получая
активную мощность из отправной энергосистемы, а второй (ПН2) – в
генераторном, выдавая активную мощность в приемную энергосистему
или нагрузку
. Для установившегося режима работы ПБ справедливо
следующее уравнение баланса активных мощностей:
(6)
где ΔР
ПН1
, ΔР
0,PP P P++Δ+Δ=
ПН1 ПН2 ПН1 ПН2
– мощности потерь в каждом из ПН (они всегда боль-
ПН2
ше 0).
Передача активной мощности осуществляется через звено постоянного тока, объединяющее два ПН в преобразовательный блок. Величины токов Id
и Id2 определятся из выражений:
1
PP
+Δ
Id
Id
ПН1 ПН1
=
1
=
2
Ud
PP
+Δ
ПН2 ПН2
Ud
,
(7)
.
(8)
Согласно уравнению баланса активных мощностей
dId=
12
.
(9)
Выражение (9) определяет условие существования установившегося режима в ПБ. При нарушении равенства токов ток небаланса будет
изменять уровень напряжения на конденсаторе ПН.
Двухуровневая схема ПН
Двухуровневая схема мостового преобразователя ПН приведена
на рис. 2.4. Преобразователь состоит из шести плеч, включающих в себя
встречно-параллельные полностью управляемые ключи VS и быстродействующие обратные диоды VD.
Изменяя угол открытия и закрытия полностью управляемых клю-
чей и тем самым фазовое положение вектора
тору сети
U
, а также значение Uп за счет регулирования Ud, получаем
1
U
по отношению к век-
п
выпрямительный (0 < β < 180°), инверторный (180° < β < 0) или компенсаторный (β = 0) режимы работы преобразователя с поворотом век-
тора фазного тока в диапазоне 0°…360°.
К недостаткам данной схемы можно отнести высокий уровень генерации высших гармоник, что требует для поддержания качества
напряжения установки сложных фильтров.
75
Рис. 2.4. Двухуровневая схема СПН:
ППВ – пара встречно включённых быстродействующего полностью
управляемого полупроводникового ключа и обратного диода; C1 и C2 – ёмкости
конденсаторных батарей цепи постоянного тока (ЦПТ); N – нейтраль ЦПТ
Трехуровневая схема ПН
Принцип многоуровневого преобразования состоит в повышении
числа силовых электронных ключей относительно невысокого напряжения, например использование запираемых тиристоров GTO с напряжением 4,5 кВ в преобразователях с напряжением в несколько десятков
киловольт согласующего трансформатора. Известно, что непосредственное последовательное соединение ключей значительно усложняет схему
из-за сложности распределения между ними напряжений, особенно в
переходных процессах. Особенностью многоуровневых преобразователей является формирование на выходе преобразователя напряжений различного уровня и длительности. С ростом числа уровней становится
возможным формировать ступенчатое напряжение, которое аппроксимирует синусоидальное напряжение с точностью, определяемой числом
уровней. Таким образом, становится возможным, изменяя число уровней в выходном напряжении, осуществлять амплитудно-импульсную
модуляцию (АИМ). При этом сохраняется возможность одновременно
осуществлять и ШИМ. В результате становится возможным снизить частоту ШИМ и уменьшить потери мощности. Наиболее распространенной
схемой многоуровневого преобразователя является схема трёхфазного
трёхуровневого преобразователя напряжения. Более сложные схемы, как
правило, не применяются для установок большой мощности ввиду значительного возрастания стоимости преобразователя при увеличении количества ключей и необходимости использования более сложных и дорогих систем управления.
76
Схемы такого типа относятся к классу схем с диодной развязкой
нейтральной точки. В обычной трёхфазной мостовой схеме потенциал
фазы, например, в точке
источника питания, принимая значения 0 и +
A
изменяется относительно минусовой шины
ud в зависимости от того,
включен нижний ключ или верхний. В трёхуровневой схеме число ключей в два раза больше (по два верхних
VT1, VT2 и два
нижних VT3
VT4). Соответственно, потенциал точки A может принимать значения
относительно минусовой шины: 0 (включены
VT1, VT2
) и +ud/2 (включены VT2, VT3). Очевидно, что чем больше бу-
VT3, VT4
), +ud (включены
дет число уровней, тем меньше будет содержание высших гармоник в
напряжении.
Другим способом формирования ступенчатой формы напряжения
является использование многомодульных схем (последовательно соединенных статических преобразователей в одном плече преобразовательного блока) [28, 29].
,
Рис. 2.5. Схема силовых цепей трехуровневого преобразователя
напряжения на IGBT-транзисторах
Число ключей в одном плече может достигать нескольких сотен, в
висимости
от уровня напряжения на стороне постоянного тока [23, 30, 31].
за-
Однако подобные схемы не нашли широкого применения в энергосистемах.
Увеличение количества кличей позволяет приблизить форму выходного напряжения СПН к синусоидальной, поднять класс напряжения
и мощность ВПТ, однако при этом усложняется топология и система ав-
77
томатического управления СПН, а также снижается надежность схемы.
Поэтому наиболее оптимальным вариантом является трехуровневая
схема СПН (рис. 2.5) с использованием фильтров (Ф), обеспечивающих
необходимую фильтрацию высших гармоник.
а б
Рис. 2.6. Схема подключения трансформатора (Тр) к многомодульному
преобразовательному блоку (П) (а), кривая напряжения
на выходе инвертора (б)
2.2. Основное оборудование преобразовательной подстанции
Кратко рассмотрим основные компоненты преобразовательной
подстанции [12].
Применительно к мощным ППТ и ВПТ высокого напряжения получили распространение преобразователи напряжения, реализованные
на основе двухуровневых и трехуровневых схем с заземленной средней
точкой (Neutral Point Clamped Converter) [13]. Двухуровневая схема состоит из шести транзисторных полностью управляемых вентилей. Она
не всегда приемлема, поскольку качество
фазного тока может быть
обеспечено только при высокой частоте коммутации, что увеличивает
потери ПН. Трехуровневая схема с соединительными диодами отличается от двухуровневой тем, что в каждом плече преобразователя коли-
78
чество управляемых вентилей удваивается, средние точки «плеч» через
специальные соединительные диоды подключаются к средней точке на
стороне постоянного тока (средней точке конденсаторной батареи). Замена диодов на дополнительные полностью управляемые вентили (рис.
2.7) позволяет уменьшить длительность проводящего состояния и число
коммутаций фазных вентилей, а также достичь более равномерной загрузки вентилей
по току. Вентили, имеющие подвесное исполнение,
монтируются внутри сталеалюминиевого контейнера для улучшения
свойств магнитной совместимости преобразователя, а также условий
транспортировки.
Рис. 2.7. Однолинейная схема преобразовательной подстанции
с применением трехуровневых преобразователей напряжения:
1 – полностью управляемый высоковольтный транзиторный вентиль;
2 – преобразовательный трансформатор; 3, 4 – фильтры гармоник на стороне
постоянного и переменного тока; 5 – предвключенный резистор;
6 – конденсатор; 7 – реактор; L1, L2, C1, C2 C3 и C4 – высоковольтные
конденсаторные батареи, реактор с воздушным сердечником фильтра нижних
частот
Также в контейнере расположен сухой конденсатор 6, изготовлен-
ный из самовосстанавливающейся металлизированной пленки. Он от-
79
личается компактными размерами и низкой собственной индуктивностью.
Конденсатор на стороне постоянного тока 6 предназначен для аккумуляции и передачи электрической мощности с требуемым уровнем
напряжения для обеспечения функций регулирования активной и реактивной мощности, создания контура с низкой индуктивностью для отключаемого тока, сглаживания колебаний постоянного напряжения.
Величина емкости конденсатора
зависит от рабочего напряжения
на стороне постоянного тока [32] и характеризуется постоянной времени τ, которая определяется следующим образом:
где U
1
CU
⋅⋅
2
τ=
– номинальное напряжение на стороне постоянного тока; SN –
dcN
2
dc dcN
S
N
[40],
предаваемая мощность.
Постоянная времени соответствует времени, необходимому для заряда емкости от 0 до номинального значения U
преобразователь активной мощности, равной S
при передаче через
dcN
. Постоянная времени τ
N
обычно не превышает 5 мс.
Трехфазный воздушный реактор предназначен для сглаживания
фазного напряжения преобразователя, обеспечения возможности регулирования активной и реактивной мощностей преобразователя, снижения токов короткого замыкания.
Также в состав преобразовательной подстанции входят два или три
заземленных или разземленных фильтра высших гармоник на стороне
переменного тока. Суммарная мощность фильтров обычно составляет
20…30 % от номинальной активной мощности передачи. Отметим, что
фильтрация определенных гармоник также осуществляется за счет применения специальных видов ШИМ.
Предвключенный резистор предназначен для ограничения бросков
тока при включении преобразователя в процессе заряда конденсаторов.
2.3. Система управления преобразовательного комплекса
на базе преобразователя напряжения
Управление статическим преобразователем напряжения осуществляется посредством изменения угла открытия, определяющего угол
сдвига фаз между векторами напряжений преобразователя и сети, а следовательно, и величину передаваемой активной мощности [34, 35].
При
этом частота напряжения на выводах инвертора будет определяться ли-
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]