Электроэнергетика Казахстана

, (17)

где и .

Как правило, значения находятся в интервале от 2 до 4.

Режимы работы TCSC характеризуются с помощью коэффициента

, (18)

где - кажущееся реактивное сопротивление (apparent reactance)

.

Рисунок 11 - Последовательный конденсатор с тиристорным управлением (TCSC)

1. Режим блокировки: Вентиль тиристора закрыт, тиристоры остаются в непроводящем состоянии. Ток проходит только через конденсаторную батарею (). Коэффициент равен единице. В данном режиме TCSC функционирует подобно добавочной постоянной емкости.

2. Режим шунтирования: Тиристор постоянно находится в проводящем состоянии. В данном режиме TCSC функционирует подобно параллельно соединенным добавочной емкости и индуктивности. Так как



, (19)

напряжение имеет индуктивный характер, а отрицателен. При значениях намного превышающих единицу амплитуда значительно меньше, чем в режиме блокировки. Таким образом, режим шунтирования используется для уменьшения влияния конденсатора при возмущениях.

3. Режим емкостного разгона. При приложении отпирающего импульса к тиристору, находящемуся под прямым напряжением, непосредственно перед моментом пересечения кривой напряжения на конденсаторе нулевой отметки, разрядный импульс тока конденсатора поступает в линию через параллельно включенную индуктивность. Затем он вызывает появление дополнительного напряжения на конденсаторе, которое суммируется с напряжением, вызванным основным током в линии. Это приводит к увеличению максимального напряжения на конденсаторе пропорционально току, протекающему по цепи тиристора, зависящему от угла отпирания (рисунок 12).

Рисунок 12 - Графики в режиме емкостного разгона при различных

При этом определяется согласно выражению

. (20)

Множитель определяет асимптотический характер кривой при . TCSC работает в режиме емкостного разгона при . Пример зависимости от угла отпирания показан на рисунке 13.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 13 - Зависимость от угла отпирания

4. Режим индуктивного разгона (inductive boost). При увеличении угла отпирания больше режим разгона изменяется от емкостного к индуктивному (рисунок 13). В режиме индуктивного разгона в тиристоре могут протекать большие токи. На рисунке 14 приведены графики токов и напряжения при трех различных значениях углов отпирания. Кривая напряжения на конденсаторе сильно искажена по отношению к желаемой синусоидальной форме. Вследствие этого искажения, а также высоких перегрузок на вентиле режим индуктивного разгона менее благоприятен для использования в установившихся режимах.



Рисунок 14 - Кривые напряжения при различных в режиме индуктивного разгона

Так как принцип действия TCSC аналогичен TSSC, зависимости передаваемой мощности от транспортного угла и имеют вид, приведенные на рисунке 10 б).

Последовательный конденсатор с управлением на запираемом тиристоре (GTO Thyristor-Controlled Series Capacitor -GCSC)

Простейший GCSC, схема которого приведена на рисунке 15, состоит из конденсатора постоянной емкости и запираемого тиристора. Целью GCSC является управление АС напряжением на конденсаторе при заданном токе . Когда тиристор закрыт ; когда открыт достигает своего максимального значения. Для управления напряжением на конденсаторе закрытие и открытие вентиля осуществляется каждый полупериод синхронно с системной частотой. Вентиль тиристора настроен на автоматическое закрытие при нулевом значении напряжения на конденсаторе. Управление закрытием вентиля осуществляется по углу задержки в соответствии с максимальными значениями тока в линии. Таким образом, управление напряжением на конденсаторе может производиться один раз в полупериод, как показано на рисунке 15. При этом достигается эффект, подобный эффекту конденсатора с управляемым реактивным сопротивлением.



Рисунок 15 - Последовательный конденсатор с управлением на запираемом тиристоре

Как можно увидеть из рисунков 1 и 15, графики тока, протекающего через индуктивность TCR, и напряжения на конденсаторе GCSC идентичны, что позволяет говорить о дуальности TCR и GCSC. Очевидно, что при управлении GCSC по углу задержки закрытием вентиля формируются гармоники, аналогичные возникающим при управлении TCR по углу задержки открытием вентиля. Амплитуды гармоник определяются выражением

, (21)

где

Частоты гармоник могут быть значительно уменьшены путем сокращения гармоник, генерируемых TCR, с помощью метода «последовательного управления», описанного в п. 2.1.1.

В отличие от TCR, схема построения которого по экономическим причинам предусматривает небольшое количество параллельных ветвей, в данном случае с технической точки зрения предпочтительнее один высоковольтный вентиль разбивать на четыре или более последовательных блоков.

График зависимости передаваемой мощности от транспортного угла также совпадает с графиком TSSC, приведенным на рисунке 10 б).

Статический синхронный продольный компенсатор (Static Synchronous Series Compensator - SSSC)

Статический синхронный продольный компенсатор (SSSC): статический синхронный компенсатор, работающий без внешнего источника энергии, в качестве продольного компенсатора с независимо регулируемым выходным напряжением, сдвинутым по фазе на относительно линейного тока, с целью увеличения или уменьшения суммарного падения напряжения на линии, с помощью чего осуществляется управление передаваемой мощностью. SSSC может содержать накопитель или поглотитель энергии для улучшения динамических характеристик энергосистемы путем временной компенсации активной мощности с целью мгновенного увеличения или уменьшения суммарного активного (резистивного) падения напряжения на линии.

SSSC - продольный компенсатор на основе преобразователя напряжения. Принцип действия SSSC на примере двухмашинной системы показан на рисунке 16.

Рисунок 16 - Компенсация с использованием синхронного источника напряжения

Из векторной диаграммы видно, что источник напряжения увеличивает значение напряжения на индуктивности, т.е. линии, и, следовательно, увеличивает значение тока , что приводит к увеличению потока мощности. Это соответствует эффекту последовательного конденсатора. Обеспечивая зависимость выходного напряжения источника напряжения от тока , можно обеспечить компенсацию, аналогичную компенсации с помощью конденсатора:

, (22)

где - реактивное сопротивление конденсатора. Однако с помощью источника напряжения можно поддерживать постоянное значение компенсирующего напряжения независимо от изменений линейного тока. Путем изменения полярности инжектируемого АС напряжения SSSC способен как увеличивать, так и уменьшать поток мощности. Схема продольной реактивной компенсации с переключающимся силовым преобразователем в качестве источника синхронного напряжения называется статическим синхронным продольным компенсатором.

SSSC инжектирует компенсационное напряжение независимо от линейного тока. Так как SSSC является реактивным источником, вектор перпендикулярен проходному (пропускному) току (throughput current). Таким образом:

(23)

Разность соответствует векторной (комплексной) разности между и . Без источника напряжения она будет совпадать с падением напряжения на реактивном сопротивлении . Вектор инжектируемого напряжения имеет тоже направление, что и вектор напряжения источника, определяемое членом

.

Выбор вектора в качестве опорного, т.е. , , позволяет определить характеристику пропускания из следующего выражения:

. (24)

С учетом

, (25)

приходим к формуле:

. (26)

Таким образом, передаваемая мощность зависит от инжектируемого напряжения . График зависимости передаваемой мощности от транспортного угла приведен на рисунке 17.

Рисунок 17 - Зависимость передаваемой мощности SSSC от транспортного угла



При равенстве напряжений формула (26) сводится к выражению

. (27)

Регулятор угла сдвига фаз (Phase Angle Regulator -PAR)

Регуляторы угла сдвига фаз позволяют решить проблемы, связанные с транспортным углом, которые не могут быть решены с помощью других продольных компенсаторов. Несмотря на то, что такие регуляторы, использующие традиционные схемы с трансформаторами с переключаемыми ответвлениями, не способны генерировать или поглощать реактивную мощность, с их помощью можно управлять перетоком активной мощности. Кроме того, современные регуляторы напряжения и угла сдвига фаз используются для повышения динамической устойчивости, обеспечения демпфирования колебаний мощности, а также минимизации перегрузок и посадок напряжений после действия возмущений.

На рисунке 18 показан принцип действия регулятора угла сдвига фаз. Теоретически он может быть представлен как источник синусоидального напряжения с изменяемой амплитудой и углом сдвига фаз. Сдвиг фазы по отношению к задается так, чтобы были равны амплитуды и .

Рисунок 18 - Регулятор угла сдвига фаз



Основная идея заключается в сохранении желаемого значения передаваемой мощности независимо от транспортного угла . При достижении значения амплитуда выбирается таким образом, чтобы эффективный угол сдвига фаз оставался равным , как показано на рисунке 19. При этом активные и реактивные мощности определяются согласно формулам:

, (28)

. (29)

Рисунок 19 - Зависимость передаваемой мощности от для регулятора угла сдвига фаз

4.6 Сравнение продольных компенсаторов

SSSC - продольный компенсатор с источником напряжения, а TSSC, TCSC и GCSC - с переменным сопротивлением. Различные схемы построения данных устройств обуславливают их различные характеристики и возможности:

· SSSC способен формировать управляемое компенсационное напряжение без использования внешних источников в одинаковом емкостном и индуктивном диапазоне независимо от амплитуды линейного тока. Компенсационное напряжение GCSC и TSSC в заданном диапазоне пропорционально линейному току. TCSC способен поддерживать максимальное значение компенсационного напряжения при уменьшении линейного тока в диапазоне, определяемом способностью к увеличению силы тока реактора с тиристорным управлением;

· SSSC обладает способностью к взаимодействию с внешним источником постоянного тока для обеспечения компенсации линейного активного (реактивного) сопротивления с помощью инжекции активной (реактивной) мощности. Продольные компенсаторы с изменяемым сопротивлением обеспечивают компенсацию только реактивной мощности и не позволяют управлять перетоком активной мощности;

· SSSC с накопителем энергии повышают эффективность демпфирования колебаний мощности путем модуляции продольной реактивной компенсации с целью увеличения или уменьшения передаваемой мощности с одновременным поглощением или генерированием активной мощности. Компенсаторы с изменяемым сопротивлением способны к демпфированию колебаний мощности только путем модуляции реактивной компенсации, влияя на передаваемую мощность.

Продольная компенсация реактивной мощности может быть эффективной при управлении потокораспределением мощности и улучшении динамических характеристик энергосистемы. Но с ее помощью невозможно решить некоторые проблемы. Например, преобладающее значение транспортного угла может не соответствовать требованиям к передаче мощности в конкретной линии или оно может изменяться с ежедневными или сезонными колебаниями нагрузки в слишком широком диапазоне. Для решения этих проблем используются регуляторы угла сдвига фаз (PAR) или фазосдвигающие трансформаторы (PST).



4.7 Принцип действия и устройство комбинированных компенсаторов (устройств продольно-поперечного подключения)

Сравнение поперечных и продольных компенсаторов.

Продольные компенсаторы оказывают непосредственное влияние на напряжение возбуждения, а, следовательно, на ток и поток мощности. Поэтому если целью является управление током и мощностью или демпфирование колебаний, то эффективность использования продольных компенсаторов в несколько раз превышает эффективность поперечных компенсаторов.

Поперечные регуляторы подобно источникам тока осуществляют инжекцию или отвод токов линии. Таким образом, они применяются для управления напряжением путем инжекции реактивного тока в месте включения. Так как STATCOM способен инжектировать как активный, так и реактивный ток, он способен обеспечивать более эффективное управление напряжением и демпфирование колебаний напряжения.

Это не означает, что продольные регуляторы не могут быть использованы для управления напряжением. Вследствие того, что колебания напряжения, в основном, являются последствиями падений напряжений на волновом сопротивлении линии, трансформаторах и генераторах, введение продольных компенсаторов может быть самым экономически выгодным способом улучшения качества напряжения. Тем не менее, поперечные регуляторы являются более эффективными для управления напряжением на шинах подстанций вследствие их способности к независимому управлению.

Таким образом, можно утверждать, что комбинация продольных и поперечных компенсаторов является наиболее эффективным решением для одновременного управления токами, напряжениями и мощностью.



Унифицированный регулятор потокораспределения мощности (Unified Power Flow Controller - UPFC)

Унифицированный регулятор потокораспределения мощности (UPFC): комбинация статического синхронного компенсатора (STATCOM) и статического продольного компенсатора (SSSC), соединенных с помощью общей вставки постоянного тока, позволяющая осуществлять двунаправленное управление потоком активной мощности между последовательными выводами SSSC и параллельными выводами STATCOM, а также обеспечение соответствующей активной и реактивной компенсациями без использования внешних источников энергии. UPFC посредством инжекции напряжения без ограничений по углу сдвига фаз способен одновременно и избирательно управлять напряжением, волновым сопротивлением, углом сдвига фаз или активной и реактивной мощностью в линии передачи. Кроме того, с помощью UPFC можно осуществлять независимое управление компенсацией реактивной составляющей.

UPFC был разработан для оперативного управления и динамической компенсации систем передач переменного тока. С его помощью можно управлять всеми параметрами, оказывающими влияние на потокораспределение мощности. Кроме того, он способен осуществлять независимое управление как активной, так и реактивной мощностью.

UPFC может рассматриваться в качестве источника синхронного напряжения с регулируемыми амплитудой и углом , включенного в линию последовательно, как показано на рисунке 20. Источник напряжения осуществляет перераспределение как активной, так и реактивной мощности. Однако источник напряжения может генерировать только реактивную мощность, активную мощность необходимо подводить с помощью источника питания, расположенного в одной из оконечных шин.



Рисунок 20 - Принцип действия UPFC на примере двухмашинной энергосистемы

В настоящее время UPFC состоит из двух преобразователей напряжения, соединенных встречнопараллельно и работающих через общую DC вставку (конденсатор постоянного тока), как показано на рисунке 21. Активная мощность может свободно перетекать в любом направлении между АС выводами преобразователей, при этом каждый преобразователь способен независимо генерировать или поглощать реактивную мощность. Преобразователь 2 инжектирует в линию напряжение с управляемыми амплитудой и углом сдвига фаз и таким образом работает в качестве источника тока, показанного на рисунке 20.

Рисунок 21 - Схема UPFC

Переток реактивной мощности, генерируемой преобразователями, происходит на АС выводах. Активная же мощность преобразуется в мощность постоянного тока, поступая во DC вставку в виде отрицательного или положительного потребления активной мощности, которая снова преобразуется в мощность переменного тока в преобразователе 1 и поступает в линию через трансформатор напряжения ТН. Кроме того, в случае необходимости преобразователь 1 может осуществлять управление перетоком реактивной мощности для обеспечения компенсации реактивной составляющей.

Для системы, приведенной на рисунке 22 а), передаваемая активная мощность может быть вычислена как

. (30)

При

(31)

выражение (30) можно записать в виде:

(32)

Для обеспечения максимального влияния на передаваемую мощность угол .



Рисунок 22 - UPFC в двухмашинной системе

На рисунке 23 приведен соответствующий график зависимости передаваемой мощности от транспортного угла. В зависимости от амплитуды напряжения UPFC характеристика пропускания смещается верхи или вниз.

Рисунок 23 - Зависимость передаваемой мощности от транспортного угла для UPFC ()

Влияние на при различных значениях выражается как:

, (33)

где

. (34)

Таким образом, при постоянных и эта характеристика постоянна при любых , что также можно увидеть на рисунке 23, где линии, соответствующие различным , эквидистантны.

Подобные вычисления можно сделать и для угла . Производная по имеет вид

. (35)

Таким образом, при постоянных и , характеристика также постоянна при любых .

Межлинейный регулятор потокораспределения мощности (Interline Power Flow Controller -IPFC)

Межлинейный регулятор потокораспределения мощности (IPFC): комбинация двух или более статических синхронных компенсаторов, соединенных через общую вставку постоянного тока для обеспечения двунаправленного потокораспределения активной мощности между АС выводами SSSC, предназначенных для обеспечения независимой компенсации реактивной составляющей с целью регулировки потокораспределения активной мощности в каждой линии и поддержания желаемого распределения реактивной мощности линий. Схема IPFC может также содержать STATCOM, соединенный с IPFC через DC вставку, для компенсации реактивной составляющей и поглощения или подведения активной мощности к SSSC.

IPFC предназначен для решения проблем, возникающих при необходимости компенсации реактивной составляющей в нескольких линиях. Продольные емкостные компенсаторы используются для увеличения передаваемой активной мощности конкретной линии, но они не способны к управлению потокораспределением реактивной мощности, что может приводить к нарушению симметричности нагрузки. С помощью IPFC можно управлять потокораспределением активной мощности между несколькими линиями одновременно. Таким образом, они обеспечивают решение следующих задач:

· выравнивание как активной, так реактивной мощностей между линиями;

· уменьшение вторичных нагрузок перегруженных линий;

· компенсация падений напряжений в линиях и соответствующих расходов реактивных мощностей;

· увеличение эффективности суммарной компенсации при действии динамических возмущений.

Схема IPFC в общем виде приведена на рисунке 24. В нее входит несколько инвертеров (SSSC), каждый из которых обеспечивает продольную компенсацию своей линии.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 24 - Межлинейный регулятор потокораспределения мощности (IPFC)

Согласно этой схеме преобразователи не только обеспечивают продольную компенсацию реактивной составляющей, но и способны передавать активную мощность соответствующей линии к общей вставке постоянного тока. Таким образом, можно осуществить отведение активной мощности из перегруженных линий для компенсации активной составляющей в других линиях. Данная схема требует строго поддержания энергетического баланса во вставке постоянного тока с помощью подходящего управления: вместо перегруженных линий передачу активной мощности обеспечивают недогруженные линии.



5. Исследование применения устройств FACTS в электрических сетях 220кВ и выше НЭС Республики Казахстан

5.1 Анализ возможности применения устройств FACTS (УШР, УПК, ФПУ, СТК и др.) в целях повышения системной надежности и пропускной способности линий электропередачи

Расчеты по определению пределов статической устойчивости, представленные в разделе 2, показывают, что электросетевой строительство ЕЭС до 2020 года особенно ЛЭП 220-500 кВ определяют рост зарядной мощности, тем самым снижая пропускную способность и управляемость ЛЭП по основным транзитам НЭС Республики Казахстан. При последовательном приближении к пределу пропускной способности транзитов 500кВ наибольшее снижение напряжения происходит на подстанциях расположенных вблизи «электрического центра» транзита. Для дальнейшего повышения величины пропускной способности транзитов необходимо применять специальные установки, позволяющие по мере загрузки транзита уменьшать потребление реактивной мощности шунтирующих реакторов и/или генерировать дополнительную реактивную мощность в узлах возникновения ее дефицита. Расчеты статической устойчивости и электрических режимов проведенные на этап 2020 г по транзитам НЭС Республики Казахстан наглядно показывают следующие важные особенности:

1) Вследствие большой протяженности (около 1000 км) основным фактором, ограничивающим максимально допустимый переток в обоих направлениях, является условие соблюдения коэффициента запаса статической устойчивости, а не длительно допустимая токовая загрузка транзитов 500 - 220 кВ.

2) Нарушение устойчивости, обуславливающее ограничение предельного перетока, определяется снижением напряжения ниже критического уровня в энергоузлах, обусловленного общим снижением уровней напряжения по узлам 500 кВ транзитов.

Номенклатура мирового опыта создания регулируемых средств FACTS (УШР, УПК, ФПУ, СТК и др) достаточно широка, в Приложении 4 приведены наиболее известные средства и подробное описание, принцип действия данных устройств.

Использование гибких линий зависит от решаемых задач. В таблице 4.1.1 приведен обзор задач, возникающих при передаче энергии, а также гибкие линии, используемые для их решения.

На основании выше описанных особенностей устройства FACTS для исследования пропускной способности ЛЭП 220-500-1150 кВ НЭС Республики Казахстан на период до 2020 года рекомендуются к установке две основные группы, описание которых с перечислением рассматриваемых устройств приводятся ниже:

1) устройства продольной компенсации

УУПК - управляемое устройство продольной компенсации. Регулирует сопротивление ЛЭП, увеличивает пропускную способность, обеспечивает перераспределение мощностей по параллельным линиям электропередачи, демпфирует низкочастотные колебания мощности

2) устройства поперечной компенсации

УСК - комбинированной устройство управляемого реактора с батареями статических конденсаторов.

СТАТКОМ - используется для динамической стабилизации напряжения, увеличения пропускной способности электропередачи, уменьшения колебаний напряжения, повышения устойчивости при электромеханических переходных процессах, улучшения демпфирования энергосистемы. Применяется в любых электрических сетях, особенно эффективен в слабых сетях.

СТК (статический тиристорный компенсатор) - используется в распределительных и магистральных сетях, в межсистемных связях в целях глубокого регулирования реактивной мощности и обеспечения устойчивости. Не эффективен в слабых сетях.

Таблица 4.1.1-Примеры использования гибких линий

Предмет	Задача	Корректирующее действие	FACTS
Ограничения по напряжению	Низкое напряжение при большой нагрузке	Подвод реактивной мощности	SVC, STATCOM
		Уменьшение реактивного сопротивления линии	TCSC
	Высокое напряжение при малой нагрузке	Отвод реактивной мощности	SVC, STATCOM
	Высокое напряжение после сбоя	Отвод реактивной мощности, предотвращение перегрузки	SVC, STATCOM
	Низкое напряжение после сбоя	Подвод реактивной мощности, предотвращение перегрузки	SVC, STATCOM
	Уменьшение продольного реактивного сопротивления		УПК
	Низкое напряжение при большой нагрузке	Подвод реактивной мощности	УСК
Ограничения по температуре	Перегрузка линии передачи	Увеличение пропускной способности	TCSC, SSSC, UPFC
Потокораспределение	Энергоснабжение параллельных линий	Корректировка реактивных сопротивлений линий	TCSC, SSSC, UPFC
		Корректировка угла сдвига фаз	UPFC, SSSC, PAR
	Опрокидывание потока нагрузки	Корректировка угла сдвига фаз	UPFC, SSSC, PAR
Короткое замыкание	Большой ток КЗ	Ограничение тока КЗ	TCSC, UPFC
Устойчивость	Ограниченная пропускная способность	Уменьшение реактивного сопротивления линии	TCSC, SSSC

SVC - статические компенсаторы реактивной мощности

STATCOM - статические синхронные компенсаторы

TCSC - Последовательный (продольный) конденсатор (добавочная емкость) с тиристорным управлением

SSSC- Статический синхронный продольный компенсатор

UPFC -Унифицированный регулятор потокораспределения мощности

PAR -Регулятор угла сдвига фаз

Выводы. Обзор существующих устройств FACTS в области применения и использования показал, для исследования повышения пропускной способности ВЛ 220-500-1150 кВ НЭС РК необходимо рассматривать УСК, СТК, СТАТКОМ и УУПК.

5.2 Использование активно-адаптивной сети

Использование рассмотренных гибких линий зависит от решаемых задач. В таблице 1 приведен обзор задач, возникающих при передаче энергии, а также гибкие линии, используемые для их решения.

Таблица 1. Примеры использования гибких линий

Предмет	Задача	Корректирующее действие	FACTS
Ограничения по напряжению	Низкое напряжение при большой нагрузке	Подвод реактивной мощности	SVC, STATCOM
		Уменьшение реактивного сопротивления линии	TCSC
	Высокое напряжение при малой нагрузке	Отвод реактивной мощности	SVC, STATCOM
	Высокое напряжение после сбоя	Отвод реактивной мощности, предотвращение перегрузки	SVC, STATCOM
	Низкое напряжение после сбоя	Подвод реактивной мощности, предотвращение перегрузки	SVC, STATCOM
Ограничения по температуре	Перегрузка линии передачи	Увеличение пропускной способности	TCSC, SSSC, UPFC
Потокораспределение	Энергоснабжение параллельных линий	Корректировка реактивных сопротивлений линий	TCSC, SSSC, UPFC
		Корректировка угла сдвига фаз	UPFC, SSSC, PAR
	Опрокидывание потока нагрузки	Корректировка угла сдвига фаз	UPFC, SSSC, PAR
Короткое замыкание	Большой ток КЗ	Ограничение тока КЗ	TCSC, UPFC
Устойчивость	Ограниченная пропускная способность	Уменьшение реактивного сопротивления линии	TCSC, SSSC



5.3 Высоковольтная передача постоянного тока (High-Voltage Direct-Current Transmission - HVDC)

Еще одним способом управления потокораспределением мощности является использование высоковольтной передачи постоянного тока (HVDC). В HVDC устройствах происходит преобразование переменного тока в постоянный, передача его по линии постоянного тока и обратное преобразование в переменный ток. Данный способ передачи обладает преимуществами перед АС передачей при решении следующих задач.

· Передача энергии с помощью подводных кабелей, имеющих большую емкость, где при использовании АС кабелей возникают большие зарядные токи. При длине кабеля 50…60 км такие токи полностью загружают кабель, и передача мощности становится невозможной. Для решения этой проблемы необходимо подключать шунтирующие индукторы каждые 50 км, что требует дополнительных площадей. DC кабели лишены таких недостатков.

· Соединение АС систем. Для соединения двух АС систем, имеющих различные частоты, мощность одной системы может быть преобразована в DC мощность, передана по DC линии, а затем передана в другую АС систему уже с другой частотой. Таким же способом можно соединить и несинхронизированные сети.

· Передача мощности по ВЛ на большие расстояния. При большой протяженности линии передачи (как правило км) экономия на капитальных вложениях и потерях в DC линиях может скомпенсировать инвестиционные затраты на два преобразователя, что делает использование HVDC более привлекательным.

Существует три типа HVDC вставок (вставок постоянного тока):

· однополярная (однополюсная) вставка (monopolar link) (рисунок 25);

· двухполярная (двухполюсная) вставка (bipolar link) (рисунок 26);

· униполярная вставка (homopolar link) (рисунок 27).

Однополярная вставка состоит из одного проводника, имеющего, как правило, отрицательную полярность. Для формирования обратной цепи используют заземление, воду или, при высоком сопротивлении земли или возможном влиянии подземных металлических конструкций, обратный провод.

Двухполярная вставка состоит из двух проводников разной полярности, с, как правило, одинаковыми токами, но с независимым управлением. Зачастую для шунтирования преобразователей при их отказах в нее включают коммутаторы (пунктирная линия на рисунке 26). Кроме того, существует возможность работы с заземлением при небольшом активном сопротивлении земли или отсутствии жестких ограничений на токи возврата через землю.

Униполярная вставка состоит из двух или более проводников, с одинаковой, как правило, отрицательной полярностью для уменьшения интенсивности коронных токов. Для формирования обратной цепи используют заземление. При отказе одного из проводников, питание подается на другие проводники, способные передавать мощность выше номинальной.

Основными элементами HVDC являются преобразователи, осуществляющие AC/DC преобразование и обеспечивающие управление потокораспределением мощности. Основным элементом HVDC преобразователя является трехфазная двухполупериодная мостовая схема, приведенная на рисунке 28.

Рисунок 25 - Однополярная HVDC вставка



Рисунок 26 - Двухполярная HVDC вставка

Рисунок 27 - Униполярная HVDC вставка

АС система, включающая преобразовательный трансформатор, описывается как идеальный источник напряжения выражениями

, (36)

, (37)

. (38)



Рисунок 28 - Токи и напряжения трехфазного двухполупериодного мостового преобразователя

5.4 Устройства ограничения токов короткого замыкания

Устройства предназначены для ограничения уровней токов КЗ и сохранения живучести электроэнергетической системы.

Для ограничения токов короткого замыкания и в сетях энергосистем используются следующие методы:

- метод оптимизации структуры и параметров сети (схемные решения);

- метод оптимизации режима заземления нейтралей элементов электрических сетей;

- стационарного или автоматического деления сети;

- использования токоограничивающих устройств;

- изменения схем электрических соединений обмоток трансформаторов и автотрансформаторов.

В качестве средств ограничения токов КЗ соответственно используются или могут быть использованы:

- устройства автоматического деления сети;

- токоограничивающие реакторы;

- трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения;

- трансформаторы с повышенным напряжением КЗ;

- безынерционные токоограничивающие устройства различного типа (резонансные, реакторно-вентильные, со сверхпроводящими элементами и т.п.);

- токоограничивающие коммутационные аппараты;

- токоограничивающие резисторы;

- вставки постоянного тока;

- вставки переменного тока непромышленной частоты;

- автотрансформаторы, нормально выполненные без третичной обмотки, соединенной в треугольник;

- разземление нейтралей части трансформаторов;

- заземление нейтралей части трансформаторов и автотрансформаторов через реакторы, резисторы или иные токоограничивающие устройства;

- замена на связях распределительных устройств различного напряжения автотрансформаторов на трансформаторы;

- автоматическое размыкание в аварийных режимах третичных обмоток автотрансформаторов;

- специальные схемы соединения обмоток трансформаторов блоков.

В настоящее время в отечественных энергосистемах наиболее часто используются стационарное или автоматическое деление сети, токоограничивающие реакторы и аппараты, трансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения, разземление нейтралей части трансформаторов и их заземление через реакторы и резисторы. Другие методы и средства ограничения токов КЗ находятся в стадии исследований, опытно-конструкторской разработки и проектной проработки.

Охарактеризуем рассмотренные методы и средства ограничения токов КЗ.

Схемные решения принимающиеся, как правило, на стадии проектирования схем развития энергосистем, мощных электростанций и сетей повышенного напряжения, состоят в выборе оптимальных (при поставленных условиях и ограничениях) схем выдачи мощности электростанций, структуры и параметров элементов сетей энергосистем.

Вариантами схемных решений могут быть:

- выделение части территории (регионов) сетей одного напряжения, связанных между собой через сеть повышенного напряжения - периферийное или продольное разделение сетей (рисунок 29, а);

- наложение сетей одного и того же напряжения на площади данного региона со связью этих сетей через сеть повышенного напряжения - местное или поперечное разделение сетей (рисунок 29, б).

А) Б)

Рисунок 29 - Варианты схемных решений

Стационарное деление сети - это деление сети в нормальном режиме, осуществляемое с помощью секционных, шиносоединительных или линейных выключателей мощных присоединений электроустановок.

На подстанциях и электростанциях, имеющих распределительные устройства генераторного напряжения, деление сети может осуществляться как на высшем, так и на низшем напряжении.

На блочных электростанциях деление сети осуществляют в распределительных устройствах повышенного напряжения (рисунок 30). Так, на рисунке 30 а) представлена исходная схема, на рисунке 30 б) - деление распределительного устройства на две части, а на рисунке 30 в) - схема с удлиненными блоками.

Автоматическое деление сети осуществляется в аварийном режиме с целью облегчения работы коммутационных аппаратов при отключении ими поврежденной цепи. Оно выполняется на секционных или шиносоединительных выключателях, реже - на выключателях мощных присоединений.

а) б) в)

Рисунок 30 - Стационарное деление сети

Токоограничивающие реакторы классифицируют по разным признакам:

- с линейной, нелинейной и ограниченно-линейной (квазилинейной) характеристикой;

- без магнитопровода и с магнитопроводом;

- со стержневой, броневой, бронестержневой, тороидальной, цилиндрической и навитой магнитной системой;

- нерегулируемые, регулируемые, управляемые, насыщающиеся;

- с продольным, поперечным и кольцевым подмагничиванием;

- с масляной или сухой изоляцией;

- секционные, линейные и заземляющие;

- одинарные и сдвоенные.

В настоящее время в энергосистемах для ограничения токов КЗ используются только нерегулируемые реакторы с линейной характеристикой. В сетях 35-220 кВ применяются масляные реакторы.

Токоограничивающее действие реактора, характеризуемое его сопротивлением, прямо пропорционально индуктивному сопротивлению и обратно пропорционально номинальному току реактора.

Линейный реактор, включаемый последовательно в соответствующую линию (присоединение), ограничивает ток КЗ и поддерживает относительно высокий уровень остаточного напряжения в узлах предвключенной сети. Однако в нормальном режиме в реакторе имеют место потери активной и реактивной мощностей, потери энергии, а также падение и потеря напряжения.

В отношении потерь напряжения и реактивной мощности лучшими характеристиками обладают сдвоенные реакторы, т.е. реакторы с выведенной центральной точкой обмотки. Наличие магнитной связи между ветвями сдвоенного реактора уменьшает потерю напряжения в реакторе в нормальном режиме без снижения токоограничивающей способности при КЗ в сети.

У сдвоенных реакторов различают одноцепный, двухцепный, продольный и комбинированный режимы. Каждому режиму соответствует своя величина результирующего индуктивного сопротивления реактора.

Секционные реакторы имеют при прочих равных условиях меньшее токоограничивающее действие, чем линейные реакторы, но в нормальном режиме работы для них характерны небольшие потери мощности, энергии и напряжения.

Возможные схемы включения линейных и секционных реакторов приведены на рисунке 31. Схемы на рисунке 31 а), б), в), д) иллюстрируют включение одинарных линейных реакторов, а схемы на рисунке 37 г), е), ж) - включение сдвоенных линейных реакторов. Включение одинарных секционных реакторов показано на рисунке 37 з), и).

Токоограничивающие коммутационные аппараты ограничивают ток КЗ в течение первого полупериода его появления и далее незамедлительно отключают КЗ. К ним относятся токоограничивающие предохранители и ограничители ударного тока взрывного действия.

Силовые токоограничивающие предохранители внутренней и наружной установок изготовляются на напряжения 3-110 кВ на относительно небольшие номинальные токи. Отличаются простотой конструкции и относительно небольшой стоимостью. Имеют ряд недостатков: одноразовость действия, неуправляемость от внешних устройств, нестабильные токовременные характеристики, трудность осуществления цикла АПВ, относительно небольшие номинальные токи.

Ограничители ударного тока взрывного действия представляют собой сверхбыстродействующие управляемые коммутационные аппараты одноразового действия с относительно большим номинальным током.

Конструктивно ограничитель ударного тока взрывного действия представляет собой герметизированный цилиндр, внутри которого располагается токонесущий проводник с вмонтированным пиропатроном. Сигнал на взрыв пиропатрона подается от внешнего управляющего устройства. Последнее получает информацию о КЗ от измерительного органа, реагирующего на величину тока КЗ и на его первую производную.

В настоящее время применяются в сетях с напряжением 0,66…35 кВ и номинальным током 1000…4000 А.



Рисунок 31 - Схемы включения реакторов

Возможные схемы включения ограничителей ударного тока приведены на рисунке 32. Обозначения на рисунке 32: ТСН - трансформатор собственных нужд, ПРТСН - пуско-резервный трансформатор собственных нужд, с.н. - собственные нужды, РЗ - релейная защита, нг - нагрузка.

Схемы на рисунке 32 б), г), е), ж), з), и), к), л), м) отличаются различными способами шунтирования одинарных и сдвоенных реакторов; это позволяет ликвидировать потери мощности и напряжения в реакторе в рабочих режимах.

В схемах на рисунке 32 в), д) ограничители ударного тока позволяют осуществить режим параллельной работы частей электроустановки при недостаточной для этого режима стойкости и коммутационной способности сетевого оборудования.

В схеме на рисунке 32 н) ограничители ударного тока позволяют сохранить в работе блок при повреждении его ТСН и осуществить безопасный перевод питания собственных нужд с рабочего на резервный источник и обратно.

В схеме на рисунке 32 о) ограничитель ударного тока позволяет установить в цепи маломощного блока облегченный аппарат - выключатель нагрузки.

В схемах на рисунке 32 п), р) комбинация из двух ограничителей ударного тока с органами направления мощности позволяет обеспечить надежное питание от двух независимых источников.

В схеме на рисунке 32 с) ограничители ударного тока позволяют практически исключить влияние КЗ в трансформаторах подстанций на режим работы элементов внешней сети.

В схеме на рисунке 32 т) ограничитель ударного тока позволяет осуществить безынерционное автоматическое деление сети при КЗ.

В схеме на рисунке 32 у) ограничитель ударного тока осуществляет разземление нейтрали силового трансформатора при больших токах КЗ на землю.

В схеме на рисунке 32 ф) ограничитель ударного тока размыкает третичную обмотку автотрансформатора при возникновении в прилегающих сетях больших токов КЗ на землю.

Рисунок 32 - Схемы включения ограничителей ударного тока



Рисунок 32 - Схемы включения ограничителей ударного тока (продолжение)

Резонансные токоограничивающие устройства основаны на использовании эффекта резонанса напряжения при рабочих режимах соответствующей цепи и расстройки резонанса при аварийных режимах.

В настоящее время существует более сотни вариантов резонансных токоограничивающих устройств, отличающихся составом элементов и способом расстройки резонанса. Схемы основных типов таких устройств представлены на рисунке 33.

В данных схемах расстройка резонанса осуществляется следующими способами:

- реактором с нелинейной характеристикой (схема на рисунке 33 а);

- разрядником, который затем шунтируется выключателем или другим быстродействующим коммутационным аппаратом, рассчитанным на продолжительный сопровождающий ток (схема на рисунке 33 б);

- быстродействующим выключателем (схема на рисунке 33 в);

- путем насыщения магнитопровода и изменения параметров ветви намагничивания силового трансформатора последовательного включения (схема на рисунке 33 г);

- тиристорным выключателем (схемы на рисунке 33 д, е).

Рисунок 33 - Схемы основных типов резонансных токоограничивающих устройств

Действие токоограничивающих устройств со сверхпроводниками основано на том, что при температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые материалы становятся сверхпроводниками, т.е. имеют практически нулевое электрическое сопротивление.

С помощью изменения напряженности магнитного поля на поверхности сверхпроводника и (или) его температуры, сверхпроводник можно перевести в резистивное состояние из сверхпроводящего. Поскольку этот перевод может быть выполнен мгновенно, явление сверхпроводимости материалов может быть использовано для ограничения токов КЗ в сетях.

Сверхпроводящие элементы классифицируются на два типа:

- элементы без внешнего управления (элементы резистивного типа);

- элементы с управлением внешним магнитным полем (криотроны).

Элемент резистивного типа может быть включен либо непосредственно в защищаемую линию, либо в цепь секционного (шиносоединительного) выключателя распределительного устройства. При КЗ в сети, когда ток в цепи сверхпроводящего элемента становится больше критического, сверхпроводник переходит в резистивное состояние, ограничивая ток КЗ.

Криотрон представляет собой сверхпроводник (СП) с управлением внешним магнитным полем под действием системы автоматики. Криотрон принципиально может быть включен по схемам, представленным на рисунке 34.

В схеме на рисунке 34 а) при КЗ в сети криотрон дешунтирует силовой резистор R, а в схеме на рисунке 34 б) - силовой реактор L. В схеме на рисунке 34 в) криотрон отключает одну из ветвей сдвоенного реактора, а в схеме на рисунке 34 г) дешунтирует ветвь сдвоенного реактора.

Рисунок 34 - Схемы токоограничивающих устройств со сверхпроводниками



Вставки постоянного тока предназначены для связи узлов сетей с одинаковыми или различными частотами. В отдельных случаях они могут иметь короткие линии электропередачи и выполнять функции токоограничивающих устройств.

Вставка постоянного тока (рисунок 35) содержит выпрямитель В, инвертор И, линию постоянного тока W, а также трансформаторы Т₁ и Т₂ соответственно выпрямителя и инвертора.

При наличии вставки постоянного тока ток короткого замыкания в точке К₁ на стороне выпрямителя определяется только параметрами примыкающей системы С₁. Подпитка со стороны вставки постоянного тока отсутствует. При коротком замыкании в точке К₂ на стороне инвертора ток в месте короткого замыкания определяется, в основном, параметрами системы С₂. Подпитка со стороны вставки постоянного тока не превышает ее номинального нагрузочного тока.

Рисунок 35 - Пример вставки постоянного тока

Вставки переменного тока непромышленной частоты предназначены для связи узлов сетей промышленной частоты. В отдельных случаях они могут иметь короткие линии электропередачи и выполнять функции токоограничивающих устройств.

Вставки переменного тока непромышленной частоты (рисунок 36) содержат ферромагнитный преобразователь (делитель) частоты П₁, линию электропередачи W, а также ферромагнитный преобразователь (умножитель) частоты П₂. При коротком замыкании в точке К₁ ток в месте КЗ определяется только параметрами системы С₁, а при коротком замыкании в точке К₂ - только параметрами системы С₂.

Рисунок 36 - Пример вставки переменного тока непромышленной частоты

Вставки переменного тока непромышленной частоты предпочтительны относительно вставок постоянного тока, поскольку стоимость ферромагнитных преобразователей частоты ниже стоимости выпрямительных и инверторных подстанций, схема установки и условия эксплуатации проще, а эксплуатационная надежность выше, чем у вставок постоянного тока.

Основным элементом токоограничивающих устройств трансформаторного типа является трансформатор последовательного включения, во вторичную цепь которого включено то или иное нелинейное сопротивление, в том числе и с релейной характеристикой. Параметры трансформатора последовательного включения выбираются так, чтобы при предельном токе КЗ в цепи и разомкнутой вторичной обмотке его магнитопровод не насыщался.

Некоторые схемы токоограничивающих устройств трансформаторного типа приведены на рисунке 37.

Токоограничение в схеме, показанной на рисунке 37 а), осуществляется путем размыкания вторичной обмотки трансформатора ограничителем ударного тока (ОТ) или другим безынерционным коммутационным аппаратом; в схеме на рисунке 37 б) - тиристорным коммутатором.

В схеме на рисунке 37 в) вторичная обмотка трансформатора замкнута на емкостное сопротивление, что позволяет компенсировать падение напряжения в первичной цепи токоограничивающего устройства. Тиристорный коммутатор позволяет регулировать входное сопротивление токоограничивающего устройства, а ограничитель ударного тока ОТ размыкает вторичную цепь при КЗ в первичной цепи.

Рисунок 37 - Схемы токоограничивающих устройств трансформаторного типа

В токоограничивающих устройствах реакторно-вентильного типа используется комбинация реакторов и управляемых вентилей (рисунок 38).

Устройство в схеме на рисунке 38 а) отличается тем, что тиристорный коммутатор установлен в одной из ветвей сдвоенного реактора. В нормальном режиме и при КЗ во внешней сети ток выключателя составляет примерно половину тока защищаемой цепи; это облегчает условия выбора тиристоров. При КЗ в защищаемой цепи тиристорный коммутатор отключает одну ветвь сдвоенного реактора, благодаря чему сопротивление цепи значительно увеличивается. Далее отключение короткого замыкания производится соответствующими сетевыми выключателями. В данном токоограничивающем устройстве целесообразно применять сдвоенные реакторы, динамически стойкие к сквозным КЗ и с повышенным коэффициентом связи.



Рисунок 38 - Схемы токоограничивающих устройств трансформаторного типа

В устройстве, схема которого приведена на рисунке 38 б), тиристорные коммутаторы установлены в обеих ветвях сдвоенного реактора. Один из них в случае КЗ способствует значительному увеличению сопротивления, а второй отключает цепь при первом прохождении тока через нуль.

5.5 Накопители электрической энергии

Накопители электрической энергии являются важнейшим элементом будущих ААС. Накопители энергии выполняют ряд функций: выравнивание графиков нагрузки в сети (накопление электрической энергии в периоды наличия избыточной (дешевой) энергии и выдачу в сеть в периоды дефицита); обеспечение в сочетании с устройствами FACTS повышения пределов устойчивости; обеспечение бесперебойного питания особо важных объектов, собственных нужд электростанций и подстанций; демпфирование колебаний мощности; стабилизацию работы малоинерционных децентрализованных источников электрической энергии.

Накопители энергии делятся на электростатические и электромеханические.

К электростатическим накопителям энергии относятся:

· аккумуляторные батареи большой энергоемкости (АББЭ);

· накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов;

· накопители энергии на основе низкотемпературных (охлаждение жидким гелием) сверхпроводников.

Все типы электростатических накопителей связываются с сетью через устройства силовой электроники - преобразователи тока или напряжения.

В настоящее время рядом зарубежных фирм начат выпуск и осуществляется довольно масштабное практическое применение АББЭ. Молекулярные накопители проходят стадию создания и испытания опытных образцов. Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии (СПИНЭ) - это одно из применений сверхпроводимости. Практическое применение в настоящее время нашли передвижные СПИНЭ сравнительно небольшой энергоемкости (до 106 Дж). Широкое применение СПИНЭ возможно после разработки и создания СПИНЭ на базе высокотемпературных сверхпроводников. Ожидаемое время их практического применения 2015 - 2020 гг.

К электромашинным накопителям энергии относятся два вида комплексов:

· синхронные машины с преобразователями частоты в первичной цепи маховиками на валу;

· асинхронизированные машины с маховиками на валу.

В настоящее время нет практических ограничений по созданию агрегатов первого типа мощности до 300…400 МВт и второго типа мощности 80…1600 МВт. Первый тип агрегатов имеет больший диапазон изменения скорости и большую способность использования кинетической энергии вращающихся машин, второй тип способен работать в диапазоне регулирования частоты вращения 50 % от синхронной, имеет меньшую мощность преобразовательного устройства, чем в первом случае, обладает меньшей стоимостью и может быть выполнен на большую мощность. В России был разработан эскизный проект маховикового накопителя на основе асинхронизированной машины вертикального исполнения мощностью 200 МВт.

5.6 Асинхронизированные турбогенераторы

Асинхронизированные турбогенераторы предназначены для работы в режимах не только выдачи, но и глубокого потребления реактивной мощности.

Классический АС-турбогенератор имеет на роторе, в отличие от синхронного, две одинаковые обмотки возбуждения, расположенные под углом 90 эл. град. относительно друг друга. Однако опыт создания АС-турбогенераторов различной мощности показал, что по ряду причин, прежде всего конструктивного характера, не всегда удается создать такую классическую структуру. Преимущественно это касается невозможности размещения ортогональных обмоток возбуждения на роторе без некоторого увеличения типовых габаритных размеров турбогенератора (прежде всего диаметра ротора и внешнего диаметра сердечника статора). При этом габариты могут быть ограничены требованиями обеспечения взаимозаменяемости статора АС-турбогенератора и его синхронного аналога либо необходимостью его установки на тот же фундамент, что и заменяемый им синхронный турбогенератор. Предельные диаметры роторов, как известно, также ограничены допустимыми окружными скоростями, что затрудняет создание классических АС-турбогенераторов больших мощностей (например, 800 МВт и более). Особенно это относится к конструкциям турбогенераторов с полностью воздушным охлаждением, где для уменьшения потерь мощности (тепловыделения) приходится снижать удельные электрические нагрузки машины.