В качестве средства, которое позволит исключить неустойчивость системы выпрямитель—инвертор при любых соотношениях наклонов характеристик выпрямителя и инвертора, может быть использован регулятор тока (РТ), который является одним из основных регуляторов ППТ и ВПТ и входит в первичную систему регулирования (см. ниже). Он поддерживает выпрямленный ток неизменным и равным заданному значению при различных возмущениях путем воздействия на угол а выпрямителя. Структурная схема регулятора тока приведена на рис. 18.
Регулятор тока имеет измерительный орган 7, который измеряет ток полюса линии Id и подает сигнал, пропорциональный этому току, на один из входов блока сравнения 2. На другой вход этого блока от устройства тока уставки 3 также подается сигнал, пропорциональный току уставки. Под током уставки понимается ток, который должен поддерживаться в линии. Значение тока уставки может меняться или вручную дежурным персоналом в зависимости от графика передачи мощности по линии, или автоматически от регулятора мощности.
На выходе блока сравнения разность тока полюса линии и тока уставки будет составлять
Эта разность через блок усиления и согласования 4 подается на систему управления вентилями, которая изменяет угол а.
Рис. 18. Структурная схема регулятора тока:
1 — измерительный орган (ИО); 2 — блок сравнения; 3 — устройство уставки (УУ); 4 — блок усиления и согласования (БУ); 5 — измерительный трансформатор постоянного тока (ТПТ); 6 — вспомогательный выпрямитель
При равенстве двух токов Id = Iуст их рассогласование равно нулю и угол α остается неизменным. При отклонении тока в линии от заданного значения в ту или иную сторону появляющееся рассогласование вызывает изменение угла α и, следовательно, изменение выпрямленного напряжения таким образом, что ток в линии остается неизменным и равным току уставки. Поэтому, если не учитывать волновые процессы в протяженных электропередачах при всех аварийных нарушениях работы передачи (опрокидывании инвертора, коротком замыкании на линии), ток в линии остается неизменным и не превышает ток уставки.
На вход измерительного органа текущее значение выпрямленного тока может быть подано двумя путями:
- от измерительного трансформатора постоянного тока, первичная обмотка которого включена в цепь выпрямленного тока;
- от обычных трансформаторов тока, включенных в цепи переменного тока на стороне вентильной обмотки преобразовательного трансформатора. В этих случаях требуется выпрямление вторичного тока этих трансформаторов тока, что выполняется с помощью вспомогательного выпрямителя 6.
Внешние характеристики выпрямителя, оснащенного регулятором тока, и инвертора с регулятором угла δ приведены на рис. 19.
Рис. 19. Характеристики выпрямителя с регулятором тока и инвертора с регулятором δ = const
Характеристика выпрямителя состоит из двух участков.
Первый участок при токе Id<Iуст соответствует α=0 и определяется уравнением (60). Здесь выпрямитель не регулируется. При изменении тока Id от нуля до Iуст выходное напряжение выпрямителя изменяется в соответствии с уравнением (60) при α>0.
Второй участок характеристики, практически вертикальный, является участком, где действует регулятор тока. Для идеального регулятора при статизме, равном нулю, он перпендикулярен оси Id. Для реальных регуляторов при статизме 2—3 % он несколько отклоняется от вертикали. Этот участок является геометрическим местом точек внешних характеристик выпрямителя при различных значениях угла а > 0 и неизменном токе, поэтому ток в линии остается неизменным. При наличии регулятора тока на выпрямителе соотношение между наклонами характеристик выпрямителя и инвертора уже не имеет значения. На рис. 19 характеристика инвертора при δ = const пересекает характеристику выпрямителя в той ее части, где действует регулятор тока. При этом рабочая точка выбирается так, чтобы обеспечить некоторый начальный угол α0=5-10°. Это делается для того, чтобы обеспечить условие Id=Iуст при эксплуатационных снижениях напряжения в передающей энергосистеме. В этом случае регулятор будет уменьшать угол а, чтобы сохранить значение UdB.
Следует отметить, что при указанном выше значении угла α0 допустимое снижение напряжения составляет всего лишь 2—3 %. Для увеличения этого диапазона требуется увеличить начальный угол αθ. Однако при этом снижается экономичность работы выпрямителя из-за возрастания потребления реактивной мощности, что требует установки дополнительных компенсирующих устройств.
При более глубоком и резком снижении напряжения в передающей системе, которое не может быть компенсировано действием РПН трансформаторов из-за их инерционности, передача выйдет из работы, поскольку напряжение выпрямителя будет меньше напряжения инвертора. Этот случай показан штриховой прямой на рис. 19.
Для того чтобы удержать передачу в работе в подобных ситуациях, необходимо столь же быстро снизить противоЭДС инвертора. Эта задача возлагается на регулятор минимального тока (РМТ), который устанавливается на инверторе. Структурная схема этого регулятора идентична структурной схеме РТ. Различие заключается лишь в том, что этот регулятор начинает действовать при снижении тока передачи ниже некоторого заданного значения, определяемого током уставки регулятора минимального тока. В этом случае РМТ воздействует на систему управления инвертора, увеличивая угол β и снижая тем самым противоЭДС инвертора. Внешняя характеристика инвертора приобретает при этом почти вертикальное положение и является геометрическим местом точек внешних характеристик инвертора при β = const и Id = const. При малых значениях напряжения Ud, что обычно бывает при опрокидываниях инвертора, система регулирования переводит инвертор в нерегулируемый режим при β = const, чтобы облегчить его переход к нормальной работе. Внешние характеристики выпрямителя и инвертора, оснащенных РТ, РМТ и регулятором угла δ, приведены на рис. 20.
Ток уставки регулятора минимального тока обычно принимается равным 0,9—0,95 тока уставки регулятора тока. В случае, если изменяется ток уставки РТ, например при изменении мощности передачи, одновременно должен изменяться и ток уставки РМТ. Это делается автоматически, для чего необходим телеканал управления, если выпрямитель и инвертор разделены линией электропередачи. Для вставки постоянного тока, если выпрямитель и инвертор расположены на одной подстанции, такой телеканал не нужен.
В результате ток полюса передачи оказывается ограниченным с двух сторон. Он не может произвольно не увеличиваться, не уменьшаться сверх или ниже заданного значения. Изменение тока возможно только преднамеренно для изменения режима передачи. Благодаря этому свойству ППТ и ВПТ исключают подпитку короткого замыкания в одной системе со стороны другой системы, что снижает уровень токов коротких замыканий в связываемых системах. Более того, любые возмущения в одной системе (асинхронный ход, качания) не передаются в другую, что является ценным системным свойством ППТ и ВПТ.
Рабочая точка передачи определяется пересечением характеристик выпрямителя и инвертора (см. рис. 20). При этом возможны два случая совместной работы.
Рис. 20. Характеристики выпрямителя с РТ и инвертора с РМТ и регулятором δ = const:
а — режим ведется выпрямителем; б — режим ведется инвертором
В одном случае ток передачи определяет регулятор тока выпрямителя (см. рис. 20, а). Напряжение передачи определяется инвертором при заданном значении угла δ. Если δ = δmin, то точка пересечения соответствует максимальному напряжению передачи. При увеличении угла δ (за счет увеличения угла β) характеристика инвертора снижается и соответственно снижается напряжение передачи. Напряжение выпрямителя при этом остается выше напряжения инвертора.
В другом случае при глубоком снижении напряжения передающей системы неизменность тока поддерживается РМТ инвертора (см. рис. 20, б). При этом рабочая точка оказывается расположенной на нерегулируемой части характеристики выпрямителя и напряжение передачи определяется выпрямителем, а ток — инвертором. Напряжение инвертора больше напряжения выпрямителя. Из рис. 20, б следует, что рабочая точка будет соответствовать большему углу δ инвертора, чем в предыдущем случае, что приводит к увеличению потребления реактивной мощности инвертором, т.е. к ухудшению его энергетических характеристик.
Рис. 21. Структурная схема системы автоматического регулирования ППТ:
СУ — система управления вентилями; РТ — регулятор тока; РМТ — регулятор минимального тока; У — устройство уставки; РУЗ — регулятор угла закрытия (δ = const); PM — регулятор мощности; ТПТ — измерительный трансформатор постоянного тока
Структурная схема системы первичного (быстродействующего) автоматического регулирования приведена на рис. 21.
В систему вторичного регулирования входят:
регулятор напряжения, воздействующий на устройство РПН трансформаторов инвертора в целях поддержания наиболее высокого напряжения на линии (в допустимых пределах), снижения потерь энергии и повышения КПД передачи;
регулятор угла открытия вентилей выпрямителя, который воздействует на РПН трансформаторов выпрямителя в целях поддержания заданного значения угла открытия вентилей выпрямителя (α=5-10°) и снижения тем самым значения реактивной мощности, потребляемой выпрямителем;
регулятор мощности, поддерживающий неизменной заданную графиком нагрузки передаваемую мощность;
регулятор токов полуцепей, предназначенный для выравнивания этих токов в целях снижения тока в нулевой точке передачи (тока в земле);
другие регуляторы.
Системы регулирования ППТ и ВПТ, и первичная, и вторичная, могут быть созданы как в аналоговом, так и в цифровом исполнении (в последнее время в цифровом); при этом их структуры и основные функции изменяются незначительно.
Благодаря таким системам регулирования электропередача постоянного тока становится гибким, управляемым элементом электроэнергетической системы.
