Konspekt_lektsy

Рисунок 4.6. Области допустимой работы СТАТКОМ и вставок постоянного тока на его базе

Точки 1–4 соответствуют случаям, представленным на рисунке 4.5.

Статические характеристики работы СТАТКОМ показывают обозначенную независимость генерируемого или потребляемого реактивного тока относительно напряжения сети, что является преимуществом при возникновении глубоких провалов напряжения сети.

		UС
		1
	UЗ
		2
			ISП
-IМАКС -IНОМ	0	IНОМ	IМАКС

UС

1

UЗ

2

Q|IНОМ

Q|IМАКС

QП

0

Рисунок 4.7. Статические характеристики СТАТКОМ

71

Более того, рассматривая динамические свойства СТАТКОМ можно отметить, что напряжение (огибающая импульсного напряжения), сформированное на выводах статического преобразователя изменяется плавно в течение нескольких периодов. Таким образом при провале напряжения СТАТКОМ работает в режиме перегрузки, поддерживая напряжение в точке присоединения.

Из выше указанного следует, что СТАТКОМ может применяться для решения следующих задач:

-стабилизация и регулирование напряжения;

-компенсация реактивной мощности;

-симметрирование нагрузки, путем потребления активной мощности из одной фазы и выдачи ее в другую;

-демпфирование колебаний в энергосистеме, поскольку СТАТКОМ обладает высоким быстродействием;

-активная фильтрация напряжения, что объясняется возможностью формирования не только напряжения гармонической формы, но и полигармонической, требуемой для компенсации соответствующих паразитных гармоник в сети;

-сглаживание графиков нагрузок, при наличии накопителя энергии большой емкости на стороне выпрямленного напряжения.

Заметка. Объединение двух фаз позволяет, в отличие от СТК, осуществлять межфазовый обмен мощностью, что снижает установленную мощность реакторного (до 15–20%) и конденсаторного оборудования (до 10%) от мощности установки.

Схемы и принцип действия преобразователей напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключей

Как правило, в FACTS устройствах нового поколения предпочтение отдается использованию полностью управляемых полупроводниковых ключей.

Преобразователи, рассчитанные на работу с сетью низкого напряжения (до 10 кВ), имеют следующие топологии схем: однофазная мостовая, трехфазная мостовая двухуровневая, трехфазная мостовая трехуровневая. Последняя

72

относится к многоуровневым, поэтому также используется в установках большой мощности и высокого напряжения. В трехфазной трехуровневой схеме преобразователя выходное фазное напряжение имеет три уровня, что улучшает качество модуляции напряжения.

Рисунок 4.8. Однофазная мостовая схема преобразователя напряжения

Трехфазная мостовая двухуровневая схема преобразователя напряжения

Двухуровневая схема мостового преобразователя напряжения (ПН) приведена на рисунке 4.9. Преобразователь состоит из шести плеч, включающих в себя встречно-параллельные запираемые тиристоры (транзисторы) и быстродействующие обратные диоды.

Рисунок 4.9. Схема трехфазного двухуровневого преобразователя напряжения

73

При использовании тиристоров, коммутируемых с частотой 50 Гц, система управления обеспечивает длительность проводящего состояния каждого плеча, равную 180о (оси 1, 2, 3, рисунок 4.10). Импульсы управления поступают на запираемые тиристоры VS через 60 с очередностью 1–2–3–4– 5–6. При таком управлении на зажимах А, В и С ПН формируются напряжения

в виде прямоугольников U AB , U BC			и U CA (см. оси 4, 5, 6, рисунок 4.10),
первые гармоники фазных напряжений которых равны:
U d
U A = U B = U C = U п =
2 ,			(1)

где U d – напряжение источника постоянной ЭДС;

U – напряжение преобразователя.

п

Рисунок 4.10. Диаграммы напряжений статического преобразователя [1] Изменяя угол управления запираемых тиристоров и тем самым фазовое

положение вектора U по отношению к вектору сети U1 , а также значение

п

U за счет регулирования	U	d	, получаем выпрямительный, инверторный и
п
компенсаторный режимы	работы преобразователя с поворотом вектора
фазного тока в диапазоне 0	360 (Рисунок 4.5).

74

Использование тиристоров позволяет создавать установки большей единичной мощности по сравнению с установками на транзисторных преобразователях, однако несинусоидальность формы напряжения на статическом преобразователе приводит к протеканию значительно несинусоидального тока (рисунок 4.11). Данный факт требует установки мощных фильтров для обеспечения требований электромагнитной совместимости.

Рисунок 4.11. Формы напряжений и токов статического преобразователя

Существенным преимуществом преобразователя на полностью управляемых ключах является возможность организации широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения преобразователя на стороне переменного тока. Благодаря ШИМ по заданному закону можно формировать напряжения и соответственно токи, основная составляющая которых является заданной, например, синусоидальной формы.

Остальные составляющие, являясь более высокочастотными, фильтруются LC-фильтрами на стороне переменного тока. Так как фильтрации подвергаются высокочастотные составляющие, то параметры фильтра определяют его хорошие удельные показатели массы и габаритов, т.е. несущественно влияют на массовые и габаритные показатели преобразователя в целом. Существует много способов реализации ШИМ

75

системой управления преобразователя (программные, сравнения с функциями специально формы, «слежения» за эталонным сигналом др.), которые выбираются на основе технико-экономического анализа.

Простейший принцип синусоидальной широтно-импульсной модуляции показан на рисунке 4.12.

U у	U у
Uоп

t

Uин

t

Рисунок 4.12. Принцип синусоидальной широтно-импульсной модуляции

При ШИМ схема управления определяет моменты коммутации полупроводниковых приборов при равенстве опорного U оп треугольного напряжения и управляющего Uу синусоидального.

Очевидно, что чем выше несущая частота ШИМ, тем меньше амплитуда колебаний тока СТАТКОМ. На рисунке 4.13 приведены осциллограммы фазных токов при низкой и высокой несущей частоте опорного напряжения ШИМ модулятора. Низкая частота коммутации считается частота менее 500 Гц, свыше 500 Гц – высокочастотная.

I A I A

а

á

Рисунок 4.13. Осциллограммы токов фаз преобразователя напряжения при низкой (а) и высокой (б) несущей частоте опорного напряжения ШИМ модулятора [8]

Однако чрезмерное увеличение несущей частоты приводит к росту коммутационных потерь в силовой электронике и СТАТКОМ в целом. Увеличение потерь в ключах может привести к их перегреву и повышает

76

требования к системе охлаждения. По этой причине частота коммутации в большинстве случаев не превышает 2 кГц, что создает ограничение по снижению генерации высших гармоник.

Выходом за пределы данного ограничения является усложнение электромагнитной части СТАТКОМ или схемы статического преобразователя.

Многоуровневые преобразователи напряжения

Передача электроэнергии неразрывно связана с высокими напряжениями, что ограничивает область использования силовой электроники. С ростом напряжения возникают ограничения на использование элементной базы не только силовых ключей, но и конденсаторов фильтров высших гармоник, реакторов и др. В этой связи в последнее десятилетие стал значительно возрастать интерес к созданию многоуровневых преобразователей переменного/постоянного тока.

Принцип многоуровневого преобразования состоит в повышении числа силовых электронных вентилей 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 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 модулирует синусоидальное напряжение с точностью, определяемой числом уровней. Таким образом, становится возможным, изменяя число уровней в выходном напряжении, осуществлять амплитудноимпульсную модуляцию (АИМ). При этом сохраняется возможность одновременно осуществлять и ШИМ. В результате при одних и тех же частотах коммутации вентилей многоуровневыми преобразователями генерируются меньшие высшие гармоники чем в двухуровневых. Существуют различные схемы многоуровневых преобразователей. В качестве примера на рисунке 4.14 приведена схема трёхфазного трёхуровневого преобразователя напряжения.

77

Рисунок 4.14. Схема силовых цепей трехуровневого преобразователя напряжения на IGBT транзисторах [8]

Схемы такого типа относятся к классу схем с диодной развязкой нейтральной точки. В обычной трёхфазной мостовой схеме потенциал фазы, например, в точке A изменяется относительно минусовой шины источник питания, принимая значения 0 и + u d в зависимости от того, включен нижний ключ или верхний. В трёхуровневой схеме число ключей в два раза больше (по два верхних VT1, VT 2 и два нижних VT3 , VT 4 ). Соответственно потенциал точки A может принимать значения относительно минусовой шины: 0 (включены VT3 , VT 4 ), + u d (включены VT1, VT 2 ) и + ud 2 (включены VT2,

VT3 ). Очевидно, что чем больше будет число уровней, тем меньше будет содержание высших гармоник в напряжении. Диаграммы напряжений фаз на выходе трехуровневого преобразователя приведены на рисунке 4.15.

78

UA

t

UB

t

UC

t

Рисунок 4.15. Диаграммы напряжений фаз на выходе трехуровневого преобразователя

Недостатком многоуровневых схем является увеличение числа транзисторов в зависимости от числа уровней напряжения. Кроме того, требуется усложнять системы управления ключами в целях равномерного распределения напряжения на входных конденсаторах, соединяемых с диодами. Однако необходимо учитывать, что увеличение числа ключей позволит снижать их номинальные напряжения.

Другим подходом к модуляции является использование трансформаторного соединения нескольких модулей двухуровневых схем.

В качестве примера может быть рассмотрена 12-ти импульсная схема. На рисунке 4.16 приведена такая схема, построенная на двух шестиимпульсных (двухуровневых схемах) ПН, соединенных параллельно со стороны цепи постоянного тока. Каждый ПН подключен через отдельный трансформатор к сети переменного тока. Вторичные обмотки трансформатора соединены последовательно по схеме звезды, а первичные обмотки имеют различные схемы соединения (звезда и треугольник). Отличие схем соединения обмоток позволяет получить различные по амплитуде и по фазе напряжения на вторичных обмотках. Линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора, с первичной обмоткой соединенной в треугольник отличается на 3 от линейного напряжения вторичной обмотки

79

трансформатора с первичной обмоткой соединенной в звезду и сдвинуто относительно него на 30 град.

Рисунок 4.16. 12-и импульсный преобразователь. [8]

Аналогичным образом может быть построен 24-х импульсный преобразователь, состоящий из 4 двухуровневых схем (рисунок 4.17). При этом помимо сдвига фаз за счет использования трансформаторов с разной схемой соединения первичной обмотки необходимо обеспечить смещение угла открывания полупроводниковых ключей таким образом, чтобы сдвиг фаз между парами 12-ти импульсных преобразователей составлял 30 град.

80