Новости Электротехники 6(126) 2020





<  Предыдущая  ]  [  Следующая  >
Журнал №4(46) 2007

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ЛЭП
Управляемая передача мощности

В связи с существенным увеличением стоимости строительства новых высоковольтных линий электропередачи возрастает роль повышения пропускной способности существующих и вновь сооружаемых ВЛ. Становится экономически выгодным увеличивать передаваемую по линии мощность вплоть до ограничения по нагреву за счет применения различных устройств.
О технологиях управляемой компенсации реактивной мощности Валерий Иванович Кочкин рассказал в прошлом номере нашего журнала («Новости ЭлектроТехники» № 3(45) 2007). Сегодня автор останавливается на устройствах современной силовой электроники, созданных для управления работой электропередачи.

Валерий Кочкин, д.т.н., зав. отделом средств регулирования напряжения и реактивной мощности в электрических сетях, Филиал ОАО «НТЦ Электроэнергетики» — ВНИИЭ, г. Москва

Пропускная способность линий 220–750 кВ ограничивается нагревом проводов и устойчивостью электропередачи. Причем с увеличением длины линий второй фактор (устойчивость) определяет предел передаваемой мощности. Известно, что передаваемая по линии без потерь активная мощность (АМ) и потребляемая по ее концам реактивная мощность (РМ) в зависимости от угла передачи d определяются как:

где U1, U2 – напряжения в начале и в конце линии;
ХЛ – индуктивное сопротивление линии;
d – угол между векторами 1 и 2.

Ограничения передаваемой мощности Р0 вызваны необходимостью обеспечить статическую устойчивость в нормальном режиме с коэффициентом запаса по передаваемой мощности:

где предельная мощность

Также нужно обеспечить динамическую устойчивость в аварийном режиме и передачу требуемой мощности по ЛЭП в послеаварийном режиме с запасом КРзап 8%.

Как следует из выражения (1), предел передаваемой мощности PПР длинных ВЛ может быть увеличен за счет снижения сопротивления линии путем:

  • деления линии на части при установке в середине линии статического тиристорного компенсатора реактивной мощности (СТК).
    Существенное повышение пропускной способности ЛЭП происходит в диапазоне углов 90o < d 180о или в так называемой зоне искусственной устойчивости, в которой аварийное отключение СТК может привести к потере устойчивости электропередачи;
  • введения в линию устройства продольной компенсации (ПК) с емкостным сопротивлением ХС. Кроме повышения пропускной способности линии, ПК позволяет перераспределять мощность между параллельными линиями электропередачи за счет изменения сопротивления ВЛ.

Для перераспределения мощности между параллельными связями неодинаковой длины, а также разных классов напряжений применяют фазоповоротные устройства (ФПУ).
Все эти устройства являются классическими и изменяют передаваемую по линии мощность, воздействуя на один из трех параметров: СТК – на напряжение, ПК – на сопротивление линии, а ФПУ – на угол передачи (Подробно о влиянии этих устройств на передаваемую по линии мощность можно прочитать в полной версии статьи на сайте журнала www.news.elteh.ru – Ред.).

ГИБКИЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Устройства на основе современной силовой электроники, созданные для управления работой электропередачи, способны одновременно воздействовать на три указанных выше параметра (U, ХЛ, d), что повышает эффективность и обеспечивает гибкое управление режимами энергосистем. Такие технологии за рубежом называют FACTS (гибкие передающие системы переменного тока).

Их применение в электрических сетях Федеральной сетевой компании (ФСК) позволит решить следующие актуальные задачи:
  • обеспечение выдачи вводимых в эксплуатацию мощностей электростанций и надежного подключения новых нагрузок потребителей;
  • повышение управляемости потоками мощности в процессе передачи электроэнергии между энергорайонами;
  • усиление межсистемных связей и реализация системных эффектов;
  • реализация проектов по экспорту электроэнергии.

Однако надежность работы энергосистем определяется балансами АМ и РМ в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах. Переход из одного состояния в другое требует применения для соблюдения указанных балансов в темпе процессов быстродействующих устройств, которые могут быть созданы только на основе силовой электроники.

Усовершенствованная полупроводниковая технология открыла в начале 90-х годов прошлого века путь к изготовлению запираемых (GTO и GCT) тиристоров, мощных транзисторов (IGBT) и быстродействующих диодов, шкала параметров которых охватывает напряжения от 2500 до 6000 В, а отключаемые токи от 1500 до 4000 А. Новая элементная база дала возможность приступить к созданию нового класса преобразователей – преобразователей напряжения и различных статических устройств на их основе (СТАТКОМ, параллельно-последовательный регулятор мощности, линии и вставки постоянного тока с новыми качествами, сеть постоянно-переменного тока, широкополосные активные и гибридные фильтры, фликер-компенсаторы и др.).

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Одномостовая схема преобразователя напряжения (ПН) приведена на рис. 1а. Преобразователь состоит из шести плеч, включающих в себя встречно-параллельные запираемые тиристоры ЗТ и обратные диоды ОД. Система управления обеспечивает длительность проводящего состояния каждого плеча, равную 180о (оси 1, 2, 3 рис. 1б).
Импульсы управления поступают на запираемые тиристоры 3Т через 60о с очередностью 1–2–3–4–5–6. При таком управлении на зажимах А, В и С ПН формируются напряжения в виде прямоугольников UАВ, UВС и UСА (оси 4, 5, 6), первые гармоники фазных напряжений которых равны:

UА = UВ = UС = UП = 2 / p · Ud ,

где Ud – напряжение источника постоянной ЭДС;
UП – напряжение преобразователя.
При параллельном подключении ПН через трансформатор Т1 к шинам подстанции характеристики преобразователя можно определить по эквивалентной схеме (рис. 1в). Изменяя угол управления запираемых тиристоров и тем самым фазовое положение вектора UП по отношению к вектору сети U1, а также значение UП за счет регулирования Ud, получаем выпрямительный (рис. 1г), инверторный (рис. 1д) и компенсаторный (рис. 1е) режимы работы преобразователя. При этом энергетические характеристики ПН определяются как:

где Хф – фазное сопротивление ПН.

Откуда следует, что с помощью Ud и угла b вместе с изменением передаваемой через преобразователь АМ можно регулировать РМ на его входе в диапазоне как генерации, так и потребления.

Рассмотрение векторных диаграмм на рис. 1 показывает, что ПН можно представить в виде статического аналога синхронной машины, в которой регулируемое напряжение Ud источника постоянного тока – эквивалент напряжения (тока) ротора, полупроводниковый коммутатор – эквивалент статора, а угол управления – регулятор энергоносителя (вода, пар, газ) турбины или нагрузки насоса. При этом статическая синхронная машина охватывает все четыре квадрата режимов работы: генератор, двигатель с генерацией и потреблением РМ, что соответствует режимам преобразователя: инвертор, выпрямитель с генерацией и потреблением РМ.
Кроме того, полупроводниковый коммутатор осуществляет переключение фазных ЭДС шесть раз в течение периода промышленной частоты, оставляя неизменной за промежуток 60 эл. град. схему замещения (рис. 1ж). Объединение двух фаз позволяет, в отличие от традиционного СТК, осуществлять межфазовый обмен РМ, что снижает установленную мощность реакторного (до 15–20%) и конденсаторного оборудования (до 10% от мощности установки). Рассмотренный ПН используется как базовый модуль при создании гибких линий электропередачи (ГЛЭП). Поскольку стоимость преобразовательного оборудования ГЛЭП составляет 10–30% стоимости оборудования передач и вставок постоянного тока, идея гибкого управления ЛЭП становится привлекательной и с экономических позиций. Рассмотрим конкретные примеры построения и применения технических средств для ГЛЭП.

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ (СТАТКОМ)

Как следует из анализа работы ПН, режим работы компенсатора определяется углом управления b = 0 (рис. 1е). При этом РПН = 0, а

т.е. значение и знак РМ зависят от разности напряжений сети и преобразователя, которая регулируется напряжением Ud. В реальных схемах СТАТКОМа в качестве источника постоянного напряжения Ud (рис. 1а) используется конденсаторная батарея Сd, напряжение на которой изменяется кратковременным переводом ПН в выпрямительный или инверторный режим. Вследствие этого в токе Id появляется постоянная составляющая, заряжающая или разряжающая емкость батареи.

Воздействовать на первую гармонику напряжения преобразователя можно с помощью ШИМ, а также комбинаций степени модуляции с одновременным изменением Ud. Кроме того, для снижения высших гармоник тока, в отличие от показанной на рис. 1 двухуровневой схемы, используются трех- и более уровневые схемы. В начале 80-х годов в МОНИИПТ и ВНИИЭ была разработана научно- методическая основа расчетов параметров элементов СТАТКОМа, а также создан экспериментальный образец мощностью 1,7 Мвар на напряжение 10 кВ. Проведенные исследования подтвердили высокие эффективность и быстродействие данного преобразователя при его использовании в качестве компенсатора РМ. Работы в этом направлении проводятся в США, Японии, Швеции и др. странах. На фото 1 приведена фотография СТАТКОМа мощностью 50 Мвар и напряжением 15,75 кВ, разработанного ВНИИЭ для замены синхронного компенсатора на ПС Выборгская.

ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ (ППРМ)

Следующий пример применения ПН, два комплекта которых объединяются параллельно на стороне постоянного напряжения, показан на рис. 2а. При этом ПН1 подключается к линии (шинам ПС) параллельно, а выходное переменное напряжение ПН2 через трансформатор Т2 включается последовательно в линию, образуя дополнительный последовательный вектор напряжения D, величина и фаза r которого изменяются с помощью систем управления ПН1 и ПН2 в широких диапазонах: DU = 0 ÷ (± DUзад), r = 0 ÷ 360O по отношению к синхронизирующему напряжению U1 (рис. 2в). Образуемая ПН1 и ПН2 ВПТ (вставка постоянного тока) пониженной (по сравнению с передаваемой по ЛЭП) мощности может управлять режимами работы ЛЭП. Из рассмотрения эквивалентной схемы рис. 2б можно получить следующие выражения для АМ и РМ в долях базисной мощности Sбаз = U1U2 / ХЛ:

Из анализа рис. 2в следует, что частными случаями общего режима работы являются:

Из анализа рис. 2в следует, что частными случаями общего режима работы являются:

  • режим работы известного ФПУ, когда вектор DФПУ перпендикулярен вектору 1 (r = 90O);
  • режим работы регулируемого устройства продольной компенсации линии (УПК), когда вектор DУПК совпадает по фазе с вектором 12, что соответствует углу r = 90Оd/2. При этом РПН = 0 и наличия ПН1 не требуется.

В табл. 1 с использованием (4) приведены результаты расчетов максимальных активных передаваемых мощностей (Рмакс) и диапазона их регулирования (DР) для режимов работы ФПУ, УПК и ППРМ.
Данные табл. 1 показывают, что наиболее эффективным средством регулирования перетока АМ по ЛЭП является ППРМ как по передаваемой мощности, так и по диапазону ее регулирования.
Впервые проект такого регулятора мощностью 160 Мвар реализован на линии 138 кВ в штате Кентукки, США, для увеличения пропускной способности существующей ЛЭП и установления перетока мощности, указанного в соглашении о покупке-продаже электроэнергии.
Предварительные исследования эффективности рассмотренных управляемых устройств показывают, что переход от поперечного (параллельного) к продольному (последовательному) регулированию усиливает управляемость ЛЭП по АМ и улучшает динамическую устойчивость передачи. Наибольшими техническими возможностями обладает параллельно-последовательный регулятор мощности, объединяющий функции продольного, поперечного и фазового управления и воздействующий на U, ХЛ и d одновременно.

СЕТЬ ПОСТОЯННО-ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В настоящее время рассматриваются международные проекты объединения энергосистем заинтересованных стран, что позволит наиболее экономично реализовывать избытки электроэнергии каждого участника объединения, а также осуществлять взаимную помощь при внештатных ситуациях, например, в послеаварийных режимах работы отдельных энергосистем.
В частности, обсуждаются вопросы создания передающей системы Восток-Запад в Европе и энергетических колец стран Черноморского региона (Черноморское кольцо), Балтийского региона (Балтийское кольцо) и др. В качестве варианта объединения предлагаются многоподстанционные системы постоянного тока (МСПТ). На наш взгляд, проблема создания МСПТ существенно упрощается при использовании в качестве выпрямительно-инверторного устройства рассматриваемого преобразователя напряжения. Как показано выше, ПН по своей физической сути является источником ЭДС переменного тока и легко вписывается в общую структуру построения энергосистем переменного тока, в которых в качестве ЭДС используются синхронные генераторы. Другими словами, речь идет о создании сети постоянно-переменного тока.
Учитывая рассмотренные режимы работы ПН (рис. 1), представим на рис. 3 сеть постоянно-переменного тока, кольцо постоянного тока которой с напряжением ±Ud охватывает n (в данном примере n = 5) независимых энергосистем. Разрыв по сечению 1–1 отражает радиальную ППТ с отборами мощности.
Преобразователь ПН1 является ведущим, осуществляющим передачу мощности от крупной энергосистемы ЭС1 и работающим в выпрямительном режиме. Для простоты рассмотрения считаем, что другие преобразователи (ПН2–ПН5) работают в инверторном режиме, передавая АМ в свои местные энергосистемы ЭС2–ЭС5. Очевидно, что:



На ПН1 возлагается функция регулирования и стабилизации постоянного напряжения Ud. При этом внешняя характеристика ПН1 представляется на рис. 3б прямой 1, параллельной оси Id. Внешние характеристики других преобразователей при отсутствии в них регулирующих устройств отображаются прямыми 2–5. Пересечения внешних характеристик выпрямителя и инверторов определяют устойчивые режимы работы каждого преобразователя, а сумма токов и мощностей при Ud = const соответствует выражению (5). При изменении угла управления любого инверторного преобразователя изменяется его ток и мощность, что приведет к соответствующему изменению мощности ведущего преобразователя ПН1, т.к. нарушение баланса АМ приведет к изменению Ud, а его восстановление произойдет за счет изменения мощности ПН1. Поведение преобразователей при Ud = const по АМ и РМ характеризуется графическими зависимостями на рис. 3в, анализ которых показывает:

  • линейное изменение активной мощности ПН при b = cоnst; при этом незначительный диапазон углов управления (0 ÷ 10O) существенным образом влияет на передаваемую в энергосистему АМ;
  • согласованное изменение РМ преобразователя при колебаниях напряжения сети (генерация Q при снижении напряжения ниже номинального значения, и потребление Q при увеличении напряжения выше номинального значения);
  • незначительные отклонения кривых зависимостей РМ в реальном диапазоне углов управления ПН (0 – ÷10O).

Преобразователи ПН2–ПН5 управляются по критерию Р = cоnst (или Id = cоnst при Ud = cоnst). Уставка АМ РУСТ задается формирователем уставки (ФУ) – диспетчером местной энергосистемы централизованно или автоматическим регулятором частоты.

Введение ШИМ в систему управления позволяет разделить регулирование АМ и РМ при постоянстве Ud по алгоритмам:

где Un = Км • Ud;

Км – коэффициент модуляции.

Получаем зависимость АМ от угла управления b, а РМ при заданном b – от коэффициента модуляции.
Таким образом, рассматриваемая система постоянно-переменного тока позволяет объединить значительное количество энергосистем, при этом обеспечивая устойчивость режимов средствами управления и регулирования по локальным параметрам.
Отметим, что переход ПН из выпрямительного в инверторный режим и обратно сопровождается изменением полярности тока, а не напряжения, как в традиционных преобразователях тока. Поэтому принципиально преобразователи (ПН2–ПН5) могут работать в любом режиме в зависимости от энергетического состояния своей энергосистемы.
Имеющийся избыток АМ может передаваться в кольцо постоянного тока, а при недостатке забираться из него. Тем самым в каждой местной энергосистеме будет поддерживаться заданная частота за счет баланса АМ, а за счет необходимой характеристики РМ преобразователей – и уровни напряжений. Безусловно, что режим работы ведущего преобразователя ПН1 в общем случае зависит от режимов работы всех остальных. Если один из ПН2–ПН5 перейдет в выпрямительный режим, то ПН1, стабилизируя Ud в кольце, снизит свою АМ, восстанавливая SPdi = 0. В зависимости от энергетических условий роль ведущего преобразователя может выполнить любой ПН за счет изменения структуры системы регулирования.
Вставка постоянного тока является частным случаем рассмотренной выше многоподстанционной системы постоянного тока и состоит из двух преобразователей напряжения или двух СТАТКОМов, объединенных по цепи постоянного тока. К сети переменного тока преобразователи подключены параллельно.

ВЫВОД

Применение преобразователя напряжения в качестве управляемого элемента электрических сетей переменного тока, передач и вставок постоянного тока и комбинированных систем постоянно-переменного тока открывает новые технологические возможности ведения режимов энергосистем по активной и реактивной мощности.







Очередной номер | Архив | Вопрос-Ответ | Гостевая книга
Подписка | О журнале | Нормы. Стандарты | Проекты. Методики | Форум | Выставки
Тендеры | Книги, CD, сайты | Исследования рынка | Приложение Вопрос-Ответ | Карта сайта




Rambler's Top100 Rambler's Top100

© ЗАО "Новости Электротехники"
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Segmenta Media создание и поддержка сайта 2001-2021