Режимные характеристики дальних линий электропередачи с управляемыми шунтирующими реакторами

Современные электроэнергетнческие системы, имеющие в своем составе линии электропередачи СВН и характеризующиеся широкими диапазонами рабочих режимов, требуют применения устройств компенсации реактивной мощности [1−6]. В настоящее время требования, предъявляемые к данным устройствам, значительно возросли в силу необходимости решения следующих актуальных задач функционирования единой электроэнергетической системы России (ЕЭС) [7]: недостаточная пропускная линий способность электропередачи, требованиям межсистемных и системообразующих возможность ограничивающая свободного рынка удовлетворения электроэнергии при соблюдении условий надежного энергоснабженияслабая управляемость электрических сетей и недостаточный объем устройств регулирования напряжения и реактивной мощности, как следствие этого, повышенные до опасных значений уровни напряжения в сетях в периоды сезонного и суточного снижения нагрузкинеоптимальное распределение потоков мощности по параллельным линиям электропередачи различного класса напряжения, как следствие этого, недоиспользование существующих электрических сетей, рост потерь в сетях, увеличение затрат на передачу энергии. На сегодняшний день в России основными средствами компенсации реактивной мощности в сетях 110 750 кВ являются [8,9]: 1. Нерегулируемые масляные шунтирующие реакторы (ШР). Данные устройства выпускаются на напряжение ПО кВ с мощностью трех фаз 100 Мвар, 500 кВ 180 Мвар, 750 кВ 330 Мвар. Шунтирующие реакторы подключаются, как правило, к воздушной линии (ВЛ) и кроме компенсации излишней реактивной мощности в режимах малых нагрузок, как следствие, снижение повышенных уровней напряжения. уменьшают коммутационные перенапряжения при включениях линий и осуществляют гашение дуги в паузе ОАПВ. При увеличении перетока мощности по линии реакторы должны отключаться, однако частые коммутации не допустимы в силу ограничений, которые накладывает современное состояние высоковольтных выключателей. Таким образом, эффективность их применения снижается с точки зрения увеличения пропускной способности и компенсации реактивной мощности в широком диапазоне рабочих режимов. Тем не менее, шунтирующие реакторы являются наиболее простыми и экономичными средствами компенсации избыточной реактивной мощности. 2. Синхронные компенсаторы (СК) мощностью 50, 100 и 160 Мвар, подключаемые к третичным обмоткам автотрансформаторов 220, 330 и 500 кВ. В [8] отмечается, что многие находящиеся в эксплуатации СК выработали свой ресурс и требуют замены, а также что СК имеют ограниченный диапазон (до 40%) потребления реактивной мощности, что может быть недостаточным в условиях повышенных отнести уровней наличие напряжений. К недостаткам СК также следует вращающихся частей, что усложняет их эксплуатацию. Однако, данные устройства остаются на сегодняшний день основными, которые позволяют выдавать необходимую реактивную мощность в режимах наибольших нагрузок, когда передаваемая по линиям электропередачи мощность выше натуральной. 3. Батареи конденсаторов, наиболее часто применяемые в распределительных сетях ПО кВ. Переменный суточный или недельный график нагрузки требует их частых коммутаций, которые не всегда возможны в силу износа выключателей. 4. Статические тиристорные компенсаторы (СТК). Данные устройства не нашли широкого применения в электроэнергетической системе России, в то время как в США, Канаде, ряде Европейских стран эффективно осуществляют решение задач компенсации реактивной мощности [23,24]. Развитие силовой электроники в настоящее время, а именно, создание мощных высоковольтных тиристоров GTO и транзисторов IGBT иозволяет расширить область их применения в энергосистемах. В частности на их основе создан новый класс устройств продольной и поперечной компенсации реактивной мощности, а именно, специальные преобразователи напряжения. Данные устройства за рубежом получили название гибких систем электропередачи переменного тока (англ. Flexible АС Transmission System FACTS). Основные принципы их работы и эффективность применения в электрических сетях подробно описываются в [7,10−16]. В России данные устройства еще не нашли широкого применения, но их внедрение по мнению ряда специалистов является эффективным средством решения вышеуказанных проблем функционирования ЕЭС России [7]. К современным средствам компенсации реактивной мощности также следует отнести управляемые шунтирующие реакторы (УШР). Разработка данных устройств началась еще в 50-ые годы и была вызвана необходимостью регулируемых устройств компенсации избыточной реактивной мощности при передаче электроэнергии на большие расстояния [17,18,19]. Дальнейшие этапы развития данного электротехнического направления, в частности, предлагаемые процессов конструктивные данных решения УШР, анализ электромагнитных устройств, способы управления магнитным потоком и т. д. подробно описывается в [17,20−31]. На сегодняшний день можно выделить два основных типа управляемых реакторов, которые являются наиболее освоенными в производстве и внедренными в различных энергосистемах: управляемые шунтирующие реакторы трансформаторного типауправляемые подмагничиванием щунтирующие реакторы. Первый напряжением потребляемой тип реакторов представляет близким за собой к счет трансформатор Изменение с его короткого мощности замыкания 100%. осуществляется тиристоров, которые подключаются к стороне низкого напряжения. При этом их мощность равна номинальной мощности УШР. Данный тип управляемых реакторов является практически безинерционным, а содержание высших гармонических в токе не превышает 2% за счет применяемых фильтров высших гармоник [5,8,28,29,32]. На сегодняшний день существует только один промыщленный образец управляемого реактора трансформаторного типа на напряжение 420 кВ мощностью 50 Мвар, который установлен в энергосистеме Индии [28,33]. Внедрение данного оборудования рассматривается в настоящее время в Бразилии, Китае, Иране, а также в России, в частности, предполагается установить УШР данного типа напряжением 220 кВ применительно к подстанции Бурейской ГЭС [33]. Второй тип управляемых реакторов предполагает изменение магнитного потока сердечника за счет его подмагничивания выпрямленным током. Выпрямление и регулирование тока осуществляется тиристорными блоками. Однако, поскольку сопротивление выпрямленному току значительно меньше, чем переменному, суммарная мощность тиристорных блоков составляет обычно не более 2 от номинальной мощности реактора. Это обстоятельство представляет большое преимущество данного типа УШР. Однако наличие постоянной составляющей магнитного потока определяет некоторую при указанной мощности тиристорных блоков инерционность реактора. По данным разработчиков [27] время перехода УШР из состояния холостого хода в режим номинальной мощности составляет около 0,3 с. Управляемые шунтирующие реакторы с подмагничиванием серии РТУ в настоящее время производятся группой предприятий ОАО «Электрические управляемые реакторы ЭЛУР», ОАО «Запорожтрансформатор», ОАО «Энергия-Т» и др. Данная серия УШР применяется в энергосистеме России и Белоруссии, некоторыми реализованными проектами являются: подстанция «Кудымкар» Пермьэнерго, 1999 г., РТУ-25 000/110- подстанция «Чита» МЭС Сибири, 2002 г., РТУ-100 000/220- подстанция «Барановичи» Брестэнерго, 2003 г., РТУ-180 000/330- подстанция «Игольская», 2004 г., РТУ-25 000/110.Опыт эксплуатации данных устройств, а также ряд теоретических исследований влияния их на режимы работы линий электропередачи [46,8,11,17,22,27−30,33] позволяет выделить следующие задачи, которые можно эффективно решить с использованием управляемых шунтирующих реакторов: компенсация избыточной реактивной мощности в широком диапазоне режимоврегулирование уровней напряжения в узлах сетисимметрирование напряженийувеличение пропускной способности линий электропередачиснижение коммутационных перенапряжений линий электропередачи при достаточном быстродействии УШР. Однако, с решением вышеуказанных задач тесно связаны вопросы обеспечения статической устойчивости электрической системы, а именно, влияние на нее рассматриваемых средств компенсации реактивной мощности и их систем автоматического регулирования. Вопросы статической устойчивости с УШР рассматривались во многих работах, в частности, [34−39]. Данные исследования показали положительное влияние этих устройств на статическую устойчивость системы. При этом в [34,38] отмечается, что эффективность применения управляемых шунтирующих реакторов в значительной степени зависит от их системы автоматического регулирования. Выбор рациональной системы автоматического регулирования данных устройств компенсации реактивной мощности является сложной задачей, так как в общем случае данный выбор должен производиться для системы в целом, а именно с учетом других регулируемых элементов системы, например, регуляторов возбуждения на генераторах электростанции. Система автоматического регулирования УШР должна способствовать улучшению основных показателей работы линий электропередачи в установившихся режимах: увеличение пропускной способностиподдержание напряжения в узле подключения УШР, а также оказывать необходимое влияние на демпфирование малых колебаний, т. е. обладать необходимой системой стабилизации для улучшения динамических показателей. Следует отметить, что в указанных работах некоторые вопросы установившихся режимов линий электропередачи СВН с УШР, а также вопросы синтеза их систем автоматического регулирования были рассмотрены не полно. Поэтому применительно к анализу установившихся режимов, интерес представляет более подробное рассмотрение: режимов холостого хода с целью определения возможных ограничений по уровням напряжения в промежуточных точках линии электропередачистатических характеристик системы при различных коэффициентах усиления регулятора УШР по отклонению напряжениявозможности самовозбуждения синхронных генераторов электростанции, а также более подробно рассмотреть вопросы статической устойчивости с УШР: определить наиболее эффективные варианты системы стабилизации УШР, т. е. решить задачу синтезарассмотреть влияние предлагаемых систем стабилизации на демпфирование малых колебаний при различном быстродействии УШР, т. е. при разных значениях его эквивалентной постоянной времени. Эти исследования предлагается проводить на примере простейшей ЭЭС «станция электропередача с УШР мощная приемная система», что позволяет наиболее наглядно оценить влияние УШР как на статические характеристики системы, так и на ее статическую устойчивость. Цели диссертационной работы 1. Анализ установившихся режимов линий электропередачи 750 и 500 кВ, определение ограничений по уровням напряжения, которые могут поддерживаться в узлах подключения устройств компенсации реактивной мощности (УШР) в режимах малых нагрузок. 2. Определение закона управления УШР по условию обеспечения допустимых уровней напряжения в промежуточных точках участков линии электропередачи 750 кВ. 3. Определение «критических» длин участков электропередачи 750 кВ, превышение которых накладывает вышеуказанные ограничения, 4. Оценка пропускной способности линий электропередачи 750 и 500 кВ с УШР при их астатическом регулировании по отклонению напряжения. 5. Анализ влияния конечных коэффициентов усиления регулятора УШР по отклонению напряжения на статические характеристики электропередачи 500 кВ. 6. Определение эффективной структуры системы автоматического регулирования УШР. 7. Определение влияния быстродействия УШР на статическую устойчивость системы в различных режимах. Научная новизна работы 1. Определен закон управления УШР, позволяюш-ий учесть ограничения по допустимым уровням напряжения в промежуточных точках участков электропередачи 750 кВ. 2. Для рассматриваемой в работе электропередачи 750 кВ определены длины участков, при которых возникают вышеуказанные ограничения. 3. Проведена оценка пропускной способности линий электропередачи 750 и 500 кВ с УШР при их астатическом регулировании по отклонению напряжения. 4. Определены статические характеристики электропередачи 500 кВ при конечных коэффициентах усиления регулятора УШР по отклонению напряжения.5. Метод синтеза регулятора УШР развит на обобщение выбора параметра режима, используемого для стабилизации применительно к рассматриваемой электропередаче 500 кВ. 6. Определено и показано влияния быстродействия УШР на статическую устойчивость системы в различных режимах. Практическая ценность работы Результаты работы могут использоваться в проектных, научноисследовательских и электротехнических организациях при решении задач проектирования устойчивости дальних линий электропередачи, создания расчетов систем статической регулирования электрических систем, управляемых устройств компенсации реактивной мощности различных классов напряжения. Краткое содержание работы Во введении кратко приводится современное состояние вопроса и характеризуется актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, отражена новизна и практическая ценность, дается краткое содержание диссертации. В первой главе рассматриваются установившиеся режимы простейшей системы ЭЭС, содержащей удаленную ГЭС, гибкую электропередачу СВН с двумя участками, между которыми установлены управляемые шунтирующие реакторы, шины приемной системы. Определяются промежуточных возможные ограничения по уровням напряжения в участков электропередачи, а также их учет точках применительно к управлению УШР. Определяется возможное увеличение пропускной способности линий электропередачи 500 и 750 кВ за счет применения УШР с учетом их конечного диапазона изменения мощности. Во второй главе рассматриваются статические характеристики электропередачи 500 кВ при конечных коэффициентах усиления регулятора УШР по отклонению напряжения. Проводится анализ самовозбуждения генераторов ГЭС в нормальных режимах и в режимах одностороннего включения электропередачи. В третьей главе рассматриваются вопросы статической устойчивости системы с УШР. Решается задача синтеза структуры стабилизации и выбора настроечных параметров САР УШР для улучшения статической устойчивости и демпфирования электромеханических колебаний в системе. Определяется влияние быстродействия УШР на статическую устойчивость системы в различных режимах. В приложениях приведены основные исходные данные, некоторые результаты расчетов, а также выражения частных производных, входящих в состав характеристического определителя системы. Объем и состав работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и 4-х приложений. Диссертационная работа изложена на 154 страницах текста, содержит 33 рисунка, 57 таблиц.

1. Веников В. А., Строев В. А. Электрические системы. Электрические сети. М.: Высшая школа, 1998.

2. Веников В. А. Электрические системы т.З. М.: Высшая школа, 1972.

3. Веников В. А., Рыжов Ю. П. Дальние электропередачи переменного и постоянного тока.-М.: Энергоатомиздат, 1985.

4. Евдокунин Г. А. Электрические системы и сети. СПб: Издательство Сизова М. П., 2001.

5. Александров Г. Н. Передача электрической энергии переменным током, «Знак» 1998.

6. Поспелов Г. Е. О параметрах компенсаторов реактивной мощности в электропередачах переменного тока. Минск, Энергетика № 4 2004.

7. Шакарян Ю. Г., Кочкин В. И., Кощеев Л. А., Хвощинская З. Г., Дорофеев В. В. Перспективы применения в ЕЭС России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока. Электрические станции № 8 2004.

8. Деменьтьев Ю. А., Кочкин В. И., Мельников А. Г. Применение управляемых статических компенсирующих устройств в электрических сетях. Электричество № 9 2003.

9. Рокотян С., Шапиро И. М. Справочник по проектированию электроэнергетических систем. М Энергия, 1977. lO. Eremia М., Trecat J., Germond А., Reseaux electriques, aspects actuels. Editura Tehnica, Bucuresti 2000.

10. Кочкин В. И. Управляемые статические устройства компенсации реактивной мощности для линий электропередачи. Электричество No9 2000. 12.N.G. Hingorani, L. Gyugyi, Understanding FACTS. Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems, IEEE Press, 1999. 13.M. PELLERIN, Demonstrateur pour FACTS, Laboratoire delectronique de puissance de lEcole dlngenieurs du Canton de Vaud (EIVD).

11. Белькинд Л. Д., Конфедератов И. Я., Шнейберг ЯЛ. История техники. М.:Госэнергоиздат, 1956.

12. Доливо-Добровольский М. О. Избранные труды (о трехфазном токе). М.: Госэнергоиздат, 1948. 2О. Либкинд М. С. Управляемый реактор для линий передачи переменного тока. М.: Изд-во АН СССР, 1961.

13. Либкинд М. С, Черновец А. К. Управляемый реактор с вращающимся магнитным полем. М Энергия, 1971.

14. Крюков А. А., Либкинд М. С, Сорокин В. М. Управляемая поперечная компенсация электропередачи переменного тока. М.: Энергоиздат, 1981.

15. Статические компенсаторы для регулирования реактивной мощности. Hep. с англ. Нод ред. P.M. Матура. М.: Энергоатомиздат, 1987.

16. Статические компенсаторы реактивной мощности в электрических системах. Нод ред. И. И. Карташева. М.: Энергоатомиздат, 1990.

17. Управляемые шунтирующие реакторы. Электротехника № 2 (специальный выпуск). 1991.

18. Управляемые электрические реакторы. Электротехника JVol (специальный выпуск). 2003.

19. Брянцев A.M. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. «Знак», 2004.

20. Электрические аппараты высокого напряжения. Под ред. членакорреспондента РАН профессора Г. П. Александрова. Санкт-Петербург, издательство СПбГТУ, 2000.

21. Глебов И. А. Всесоюзный симпозиум «Эффективность применения управляемых реакторов в энергосистемах». Электротехника 25 1990.

22. Бики М. А., Бродовой Е. П., Брянцев A.M., Лейтес Л. В., Лурье А. И., Чижевский Ю. Л. Электромагнитные процессы в мощных управляемых реакторах. Электричество JSr26 1994.

23. Александров Г. Н., Альбертинский Б. И., Шкуропат И. А. Принципы работы управляемого шунтирующего реактора трансформаторного типа.-Электротехника JNToll, 1996.

24. Проблемы надежности и безопасности энергоснабжения в условиях либерализации и дерегулирования в электроэнергетике: технические аспекты и энергетическая политика (по материалам 40-й Сессии СИГРЭ и 19-го Конгресса МИРЭС). Вести в электроэнергетике ШЗ 2005.

25. Михневич Г. В., Фиалков В. М. Система автоматического регулирования управляемых реакторов. Электричество >Го12 1965.

27. Равжиндамба Давааням. Применение управляемых шунтирующих реакторов для оптимизации режимов работы энергосистемы Монголии.

28. Кашин И. В., Смоловик С В Устойчивость работы протяженных устройствами электропередач переменного тока с регулируемыми поперечной компенсации. Электричество JSr22 2001.

29. Жермон А., Саженков А. В., Строев В. А. Анализ установившихся режимов и пропускной способности электропередачи с управляемой поперечной компенсацией. Электричество № 2 2006.

30. Саженков А. В. Статические характеристики электропередачи с управляемыми шунтирующимиреакторами. Электричество ШЗ 2006.

31. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа, 1985.

32. Рагозин А. А., Таланов С Б Применение синхронных компенсаторов для дальних линий электропередачи с управляемыми шунтирующими реакторами. Электричество N4 2002.

33. Рагозин А. А., Попов М. Г. Анализ эффективности применения управляемых шунтирующих реакторов в системообразующих сетях энергообъединений. Электричество № 2 2002.