Разработка численно-аналитических моделей управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов для анализа электромагнитных процессов в нормальных и аварийных режимах электрических сетей

Актуальность темы

Внедрение управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов (УШРП) в энергосистемах России было начато в 1997 г. и в перспективе предполагается только его расширение. Возможность плавного регулирования индуктивного сопротивления УШРП позволяет автоматизировать процесс стабилизации напряжения, разгрузить коммутационное оборудование, а при наличии высокой скорости набора/сброса потребляемой реактивной мощности появляется возможность использования УШРП в качестве основного средства компенсации ёмкостных токов в послеаварийных режимах работы сети.

Однако по результатам эксплуатации и системных испытаний ряда управляемых реакторов было выявлено повышенное содержание в сетевых токах УШРП гармонических составляющих, низкая скорость изменения потребляемой реакторами реактивной мощности в послеаварийных режимах работы сети, случаи повреждений вентильных преобразователей.

Для определения особенностей протекания электромагнитных процессов в УШРП необходим подробный анализ работы реакторов в различных режимах, определяемых сетью. Наиболее эффективным инструментом для решения подобных задач является математическое моделирование. Точные математические модели позволяют исследовать различные аварийные возмущения, как в сети, так и в самом устройстве.

Вопросам работы управляемых шунтирующих реакторов (УШР) в энергосистемах России и ближнего зарубежья посвящено множество работ. В частности этими вопросами занимались М. С. Либкинд, Л. И. Дорожко, A.M. Брянцев, А.Г., Долгополов, А. И. Лурье, Г. А. Евдокунин, М. А. Бики, Г. Н. Александров, В. П. Лунин, C.B. Смоловик и др. Вопросам разработки математических моделей УШР и расчёта электромагнитных переходных процессов в реакторах посвящены работы М. Ебадиана, А. Р. Лучко, С. И. Гусева, Г. М. Мустафы и др.

Вместе с тем, вышеуказанные работы направлены в основном на решение задач расширения интеграции УШР в электроэнергетические системы (ЭЭС), отыскания новых схемотехнических решений и областей применения реакторов, а также технико-экономического обоснования применения УШР в ЭЭС.

В связи с этим Филиалом ОАО «НТЦ электроэнергетики» — ВНИИЭ (ныне ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС») по заказу ОАО «ФСК ЕЭС» была выполнена научно-исследовательская работа (НИР) «Исследование сравнительной эффективности применения современных устройств регулирования реактивной мощности в сетях различных классов напряжения». Результаты, полученные в диссертации, послужили основой упомянутой НИР, состоящей из двух этапов:

— «Разработка цифровой модели УШР без отдельной обмотки подмагничивания, исследование режимов работы УШР в нормальных и аварийных режимах работы сети»;

— «Классификация средств компенсации реактивной мощности (СКРМ) на основе анализа разрабатываемых средств компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в России и за рубежом. Разработка цифровой модели УШР с отдельной обмоткой подмагничивания, исследование режимов работы УШР в нормальных и аварийных режимах работы сети».

В дальнейшем результаты работы использовались при разработке программы системных испытаний и технических требований к УШР, а также стандарта организации на управляемые устройства компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения и перетоков мощности.

Целью работы является разработка численно-аналитических моделей УШРП и исследование с их помощью электромагнитных процессов в реакторах 500 кВ различных конструкций в нормальных и аварийных режимах работы электрических сетей.

Достижение цели исследования предполагает решение следующих основных задач:

— анализ особенностей конструкций и областей применения УШРП;

— разработка численно-аналитических моделей УШРП двух подтипов с учётом особенностей их конструкций;

— разработка на основе численно-аналитических моделей УШРП расчётных цифровых моделей;

— разработка аналитической модели УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;

— расчёт и анализ электромагнитных процессов, определяемых областями применения реакторов, в УШРП 500 кВ различных конструкций;

— верификация разработанных моделей УШРП путём сопоставления результатов расчётов с результатами системных испытаний УШРП 500 кВ, установленного на подстанции (ПС) «Таврическая» Омского предприятия Магистральных электрических сетей (МЭС) Сибири.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, расчёта индуктивностей трансформаторов и реакторов, теории матриц, линейной алгебры, теории дифференциальных уравнений и компьютерного моделирования.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:

— разработаны численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различных конструкций для использования в стандартных пакетах прикладных программ моделирования электрических цепей, позволяющие повысить устойчивость и точность численного моделирования УШРП, а также уменьшить время расчёта;

— разработана аналитическая модель УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;

— исследованы электромагнитные процессы в УШРП 500 кВ различных конструкций в нормальных, а также симметричных и несимметричных аварийных режимах работы электрических сетей.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

— использованием классических положений теоретической электротехники и математики;

— корректностью выполнения всех теоретических построений;

— сопоставлением результатов, полученных расчётным путём, с экспериментальными данными.

Научные положения, выносимые на защиту.

— численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различных конструкций;

— аналитическая модель УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;

— способ аналитического определения обратной матрицы индуктивностей системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в сложных магнитносвязанных цепях;

— результаты теоретического анализа, компьютерного моделирования и экспериментальных исследований электромагнитных процессов в УШРП 500 кВ.

Практическая значимость основных результатов диссертационной работы:

— полученные в работе результаты использовались при разработке и проведении системных испытаний управляемого шунтирующего реактора на ПС 500 кВ «Таврическая» Омского предприятия МЭС Сибири в рамках НИР по договору между ОАО «ФСК ЕЭС» и Филиалом ОАО «НТЦ электроэнергетики» -ВНИИЭ в части требований к рабочим и регулировочным характеристикам УШРП, а также к его работе в динамических режимах;

— материалы работы применялись при разработке технических требований к управляемому тиристорными вентилями шунтирующему реактору 3×60 Мвар, 500 кВ в рамках НИР по договору между ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» в части требований к основным характеристикам реактора;

— результаты, полученные в работе, использовались при разработке стандарта организации (СТО 70 238 424.29.240.99.003−2009 «Управляемые устройства компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения и перетоков мощности. Условия создания. Нормы и требования») в части требований к быстродействию УШР;

— разработанные цифровые модели УШРП 500 кВ различных конструкций позволяют рассчитывать переходные, в том числе несимметричные, режимы работы ЭЭС, содержащих УШРП;

— методика, использованная при разработке численно-аналитических моделей УШРП, может применяться при решения широкого круга прикладных электротехнических задач.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— II Всероссийском конкурсе молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики (Дивноморск, 2007);

— XVI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010);

— научных семинарах и заседаниях кафедры техники и электрофизики высоких напряжений (ТЭВН) Московского Энергетического института (МЭИ);

— заседаниях научно-технического совета (НТС) ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 5 печатных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, содержащего 67 наименований, и 3 приложений. Текстовая часть изложена на 153 страницах (рисунков 110, таблиц 1) и 59 страницах приложений.

Выводы.

1) По результатам системных испытаний было установлено, что УШРП 500 кВ на ПС «Таврическая» осуществляет стабилизацию напряжения сети в нормальных режимах работы в условиях слабозагруженных линий 500 кВ.

2) При включении в режиме XX вне зависимости от наличия подмагничивания УШРП потребляет реактивную мощность, близкую к номинальному значению, в течение переходного процесса длительностью до нескольких секунд.

3) Подключение УШРП к шинам 500 кВ ПС вызывает увеличение коэффициента 11-й гармонической составляющей напряжения сети и может приводить к выходу его значения за пределы, установленные ГОСТ 13 109–97.

4) При изменении мощности УШРП в диапазоне регулирования 5-я гармоника сетевых токов превышает значение, определяемое техническими требованиями.

5) Возникновение в динамических режимах работы внутренних повреждений системы подмагничивания УШРП обусловливает необходимость её доработки с учётом возможных перенапряжений, возникающих при нарушении «эквипотенциальности» в месте подключения.

6) Выполнена верификация цифровых моделей УШРП с отдельной ОУ, а также аналитической модели реактора в установившихся режимах работы в результате сопоставления расчётных зависимостей с результатами системных испытаний. Установлено, что разработанные модели УШРП достоверно отражают электромагнитные процессы в устройстве в установившихся режимах работы.

7) Проведено сопоставление результатов расчёта переходных процессов при включении УШРП без и с предварительным подмагничиванием с эмпирическими зависимостями аналогичных режимов работы. Выявлено соответствие расчётных и экспериментальных зависимостей в динамических режимах работы реактора.

Заключение

.

Выполнен анализ конструкций и областей применения УШРП различных подтипов. По результатам анализа установлены общие технические особенности управляемых подмагничиванием реакторов: задействование в рабочих режимах области насыщения кривой намагничивания сталиприменение бронестержневых магнитопроводов с подразделённым (расщеплённым) стержнем специальной конструкциизначение напряжения короткого замыкания 50% и болееподключение маломощного и относительно низковольтного вентильного преобразователя ко вторичной обмотке или между эквипотенциальными в нормальном режиме работы точками ЭМЧиспользование КО для фильтрации высших гармоник в сетевом токе и др. Установлено, что использование УШРП в качестве линейных реакторов в системообразующих сетях ведёт к требованию их высокого быстродействия и сохранения управляемости в динамических режимах работы.

Определено, что системы дифференциальных уравнений, описывающие электромагнитные процессы в УШРП, зачастую являются вырожденными. Это, в свою очередь, ведёт к невозможности или высокой сложности получения численного решения подобных систем непосредственно и к необходимости выполнения предварительных аналитических преобразований данных систем, т. е. к разработке численно-аналитических моделей УШРП для применения стандартных пакетов прикладных программ моделирования электрических цепей.

Разработан способ аналитического определения обратной матрицы индуктивностей системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в сложных магнитносвязанных цепях, основанный на использовании метода контурных токов и формулы Фробениуса для обращения блочных матриц с окаймлением.

Разработаны численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различных подтипов для анализа электромагнитных процессов. При этом исследовано влияние учёта боковых ярм бронестрежневого магнитопровода УШРП на скорость и точность расчёта цифровых моделей. Установлено, что при разработке расчётных моделей УШРП допустимо считать боковые ярма не насыщающимися во всём диапазоне изменения магнитного потока.

На основе численно-аналитических моделей УШРП 500 кВ различных подтипов разработаны цифровые расчётные модели реакторов в среде МайаЬ8тш1тк. Разработана аналитическая модель УШРП с отдельной ОУ для исследования установившихся режимов работы реактора.

При помощи расчётных цифровых моделей УШРП 500 кВ различных подтипов, а также аналитической модели УШРП с отдельной ОУ выполнен анализ различных электромагнитных процессов в реакторах. По результатам анализа установлено, что регулировочные характеристики УШРП рассматриваемых конструкций близки к линейным, несинусоидальность сетевого напряжения не влияет на процессы в реакторах, а степень несинусоидальности сетевых токов зависит от режима работы УШРП. При работе УШРП с замкнутой КО в неполнофазном режиме возможно появление опасных перенапряжений и токов. Время полного набора и сброса мощности УШРП в режиме автоматического поддержания напряжения в замкнутом контуре регулирования составляет несколько секунд, а в форсированном режиме — (0,25+0,3) с. В УШРП 500 кВ с отдельной ОУ и расщеплённой СО длительность переходного процесса снижения потребляемой реактивной мощности определяется исключительно добротностью ЭМЧ данного реактора, а при попытке форсированного снижения реактивной мощности на выводах вентильного преобразователя класса напряжения 1 кВ возможно появление перенапряжений около 35 кВ (без учёта действия защитных аппаратов) длительностью приблизительно 280 мкс.

В симметричных динамических режимах работы реакторов возможны два типа переходных процессов, определяемых соответствием/несоответствием восстанавливающейся системы напряжений магнитному состоянию ЭМЧ УШРП. В переходных режимах работы в обмотках УШРП возможно появление бросков токов, а на выводах вентильных преобразователей — опасных перенапряжений. Переходные процессы при этом являются длительными и неуправляемыми. В момент восстановления напряжения при в сети УШРП начинает потреблять реактивную мощность, близкую к номинальной вне зависимости от предыдущего режима работы, что может привести к снижению динамической устойчивости энергосистемы. При и закорачивании ОУ реактора две фазы УШРП, подключенные к неповреждённым фазам линии, эквивалентны линейным реакторам с мощностью приблизительно в 2 раза большей номинальной мощности фазы.

Проведён анализ результатов системных испытаний УШРП 500 кВ, установленного на ПС «Таврическая» Омского предприятия МЭС Сибири. Установлено, что УШРП 500 кВ успешно стабилизирует напряжение сети в нормальных режимах работы в условиях слабозагруженных ВЛ 500 кВ. При включении на XX вне зависимости от наличия подмагничивания УШРП потребляет реактивную мощность, близкую к номинальному значению, в течение переходного процесса, продолжительность которого может составлять несколько секунд. Возникновение в динамических режимах работы внутренних повреждений системы подмагничивания УШРП обуславливает необходимость её доработки с учётом возможных перенапряжений, возникающих при нарушении «эквипотенциальности» в месте подключения.

Выполнена верификация разработанных моделей УШРП с отдельной ОУ в установившихся и динамических режимах работы в результате сопоставления расчётных зависимостей с результатами системных испытаний. Установлено, что разработанные модели УШРП достоверно отражают электромагнитные процессы в устройстве.

По результатам проведённого исследования можно рекомендовать разработанные цифровые модели УШРП 500 кВ различных конструкций к использованию для целей расчёта переходных, в том числе несимметричных, процессов в цепях с УШРП, определения требований к УШР, а также оптимизации функциональных параметров реакторов.

Список сокращений и условных обозначений.

АПВ — автоматическое повторное включение;

ВАХ — вольт-амперная характеристика;

ВВ — высоковольтный выключатель;

ВН — высшее напряжение;

ВНВ — выключатель нагрузки вакуумный;

ВЧ — вентильная часть;

ЕНЭС — единая национальная электрическая сеть;

ЗТМ — заземляющий трёхфазный масляный трансформатор с токоограничивающими реакторами в каждой фазе;

КБ — конденсаторная батарея;

КЗ — короткое замыкание;

КО — компенсационная обмотка;

ЛЭП — линия электропередачи;

МДС — магнитодвижущая сила;

МТЗ — максимальная токовая защита;

МЭС — магистральные электрические сети;

НИР — научно-исследовательская работа;

НН — низшее напряжение;

НР — однофазный нейтральный масляный реакторНТС — научно-технический советО АПВ — однофазное АПВ;

ОМП — однофазный масляный преобразовательный трансформатор;

ОПН — ограничитель перенапряжений нелинейный;

ОУ — обмотка управления;

ПКЭ — показатель качества электроэнергии;

ПО — программное обеспечение;

ПС — подстанция;

РПН — устройство регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой;

САУ — система автоматического управленияСВН — сверхвысокое напряжениеСГ — синхронный генераторСК — синхронный компенсатор;

СКРМ — средство компенсации реактивной мощностиСО — сетевая обмотка;

СТК — статический тиристорный компенсаторТК — тиристорный ключ;

ТМП — трёхфазный масляный преобразовательный трансформатор;

ТПТ — трёхфазный преобразователь тока;

ТТ — трансформатор тока;

УШР — управляемый шунтирующий реактор;

УШРП — управляемый шунтирующий реактор с подмагничиванием;

УШРТ — управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа;

ФКУ — фильтро-компенсирующее устройство;

XX — холостой ход;

ШР — шунтирующий реактор;

ЭВМ — электронно-вычислительная машина;

ЭДС — электродвижущая сила;

ЭМЧ — электромагнитная часть;

ЭЭС — электроэнергетическая система.