Разработка и исследование способов активной фильтрации гармоник тока в воздушной линии постоянного тока

В настоящее время, по данным СИГРЭ [1], в мире работают около 100 передач и вставок постоянного тока (ППТ и ВПТ). Лидером в их проектировании и строительстве среди фирм Сименс, Хитачи, Дженерал Электрик и др. является фирма ABB.

Преобразовательные подстанции являются источниками гармоник тока напряжения, и прохождение трассы высоковольтной линии постоянного тока вблизи населенной местности вызывает необходимость введения жестких ограничений на уровни гармоник тока в линии, что связано, в основном, с мешающим влиянием гармоник на линии связи.

Проблема высших гармоник в электрических сетях является наиболее важной частью электромагнитной совместимости устройств в энергетических системах. Ее значение стало возрастать в последние годы. В международных организациях МЭК и СИГРЭ были созданы специальные комитеты и рабочие группы.

Некоторый обобщающий материал по вопросам генерации и фильтрации гармоник в линиях передач постоянного тока опубликован в [1,2,3]. Анализ этих публикаций показывает, что проблема ограничения гармоник представляет собой технико-экономическую задачу, в которой осуществляется компромисс в способах достижения требуемого уровня гармоник тока воздушной линии ППТ, заданного требованиями конкретных местных телефонных компаний. К такими способам относятся: повышение фазности преобразовательных подстанций, установка оборудования фильтров на воздушной линии постоянного тока, или переустройство линий связи (каблирование, симметрирование, экранирование и т. д.).

В упомянутых затратах доля установки фильтров гармоник в линии постоянного тока достаточно велика, и снижения затрат добиваются путем оптамизации схемы и параметров выходных устройств линии. При такой оптимизации применение активной фильтрации гармоник может принести технические и экономические преимущества перед обычно используемыми пассивными звеньями, состоящими из конденсаторных батарей, реакторов и резисторов.

Критерию снижения затрат отвечают компромиссные решения, позволяющие допустить в линии ПТ определенный уровень гармоник тока, в линиях связи — определенный (допустимый) уровень шумов.

В России имеется некоторый опыт в решении проблем ограничения гармоник тока в воздушных линиях постоянного тока. На отечественной ШТТ ± 400 кВ Волгоград-Донбасс были установлены пассивные фильтры [4]. На проектировавшейся ППТ ± 750 кВ Экибастуз — Центр для фильтрации гармоник были предложены сглаживающие устройства, встроенные в грозозащитные тросы (СУТ). Но данный способ не был реализован практически из-за прекратившегося строительства передачи.

Существуют и другие отечественные проектные разработки по ППТ, в которых рассматривались пассивные способы ограничения гармоник в воздушных линиях. Необходимо с «метить, что в различных странах продолжается разработка и применение пассивных фильтров. Эти разработки отличаются новыми решениями конструктивного выполнения компоновки высоковольтных конденсаторов, являющихся частью как пассивного фильтра, так и активного фильтра [5], Вместо наружной установки конденсаторов применяют конденсаторы, размещенные внутри фарфоровых покрышек с азотом, или в баках с минеральным маслом. Такие решения снимают проблему выравнивания напряжения по конденсаторам, применяемым на постоянном напряжении, при загрязнении изоляции и повышают надежность эксплуатации ППТ и фильтровых устройств.

Развитие технологий производства силовых и запираемых тиристоров (транзисторов), позволяет создавать принципиально новые, более эффективные, способы фильтрации гармоник в линиях постоянного тока. На четырех действующих электропередачах постоянного тока, построенных в недавние годы (1991;2001) по проектам фирмы ABB, применены установки активной фильтрации гармоник тока в высоковольтных линиях. Такие установки смонтированы и действуют на подстанции LindoMe (ППТ KontiScan 2), подстанции, расположенной на территории Дании (ППТ Skagerrak 3), подстанции Kruseberg (ППТ Long Baltic Cable), ППТ Chandrapur — Padghe в Индии (табл. 1).

Таблица 1.

Параметры передач, на которых установлены активные фильтры.

Длина линии, км s 8 Номинальная мощность передачи, МВт ¦ ?

ППТ, год ввода в эксплуатацию Воздушной Кабельной Всего 1 g 1 ill я & а, о В р" а й Мощность ai тивного фит ра, кВт.

1. KontiScan 2, 55+40 25+60 180 250 250 150.

2. Skagerrak 3, 85+25 127 237 250 550 300.

3. Long Baltic 12 250 262 450 600 300.

Cable, 1994.

4. Chandrapur — 752 0 752 ±500 1500 J).

Padghe.

Следует заметить, что передача Long Baltic Cable, имеющая небольшой участок воздушной линии (12 км), тем не менее, оснащена активным фильтром. Все передачи, кроме ППТ Chandrapur — Padghe, имеют кабельные участки линии, наличие которых способствует затуханию гармоник от противоположной подстанции. На подстанциях с кабельными участками активные фильтры (АФ) установлены с одной стороны. Опубликованный материал по активным Сведения о мощности отсутствуют фильтрам имеет рекламный характер, не несущий какой-либо технической информации.

Цель работы и основные направления исследований.

Целью работы является разработка и исследование способов активной фильтрации гармоник тока в воздушной линии постоянного тока.

В соответствии с указанной целью основные направления исследований включали:

— разработку способов активной фильтрации переменной составляющей выпрямленного тока в BJIППТ;

— разработку методических рекомендаций по выбору параметров оборудования активных фильтров и по созданию алгоритмов регулирования;

— создание математических моделей для исследования установившихся и аварийных режимов активных фильтров и эффективности активной фильтрации гармоник тока в воздушной линии ППТ;

— разработку физических моделей АФ для апробации предложенных способов активной фильтрации.

Методы исследований.

1. Для оценки необходимой мощности АФ, для выбора параметров пассивной части фильтра, входных и выходных фильтров инверторов напряжения (ИН), инженерного расчета усилителя тока (УТ) применялись аналитические методы исследований.

2. При разработке алгоритма регулирования ИН использовались методы синтеза цепей и 2-преобразование.

3. При исследовании эффективности фильтрации пассивными и активными способами, для оценки воздействий на оборудование АФ в установившихся и аварийных режимах использовались методы математического моделирования.

4. Для апробации предложенных способов активной фильтрации использовались исследования на физической модели ППТ.

5. На физической модели АФ использовались методы цифрового осциллогра-фирования токов и напряжений. Научная новизна.

1. Впервые в России исследован способ активной фильтрации переменной составляющей выпрямленного тока в воздушной линии с использованием инвертора напряжения (ИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ):

— разработан способ активной фильтрации с использованием ИН;

— предложены критерии выбора параметров оборудования ИН;

— предложен алгоритм регулятора ИН и методика синтеза его дискретных передаточных функций;

— произведена оценка эффективности фильтрации ИН;

— исследованы установившиеся рабочие режимы работы ИН;

— определены воздействия на оборудование ИН при КЗ на BJ1 ППТ.

2. Впервые в России предложен и исследован способ активной фильтрации переменной составляющей выпрямленного тока в воздушной линии с использованием транзисторного усилителя тока (УТ):

— разработан способ активной фильтрации с использованием УТ;

— предложены критерии выбора параметров оборудования УТ;

— предложен алгоритм регулятора УТ;

— произведена оценка эффективности фильтрации УТ;

— исследованы установившиеся режимы работы УТ;

— определены воздействия на оборудование УТ при КЗ на BJI ППТ. Практическая ценность результатов работы.

Разработаны два способа активной фильтрации, позволяющие подавлять широкий спектр гармоник тока в воздушной линии передачи электроэнергии постоянным током при помощи устройств, имеющих небольшую установленную мощность и низкий уровень изоляции. Показано, что комбинированное применение АФ с пассивными фильтрами повышает надежность фильтрации и снижает мощность АФ.

Созданы цифровые математические модели для исследования предложенных способов активной фильтрации.

Разработана методика выбора параметров оборудования АФ. Предложены алгоритмы регулирования, позволяющие осуществлять активную фильтрацию как в BJI ППТ, так и BJI Mi ШТ.

Результаты данной диссертационной работы использованы при разработке технико-экономических обоснований МППТ «Россия — Германия», МППТ «Сибирь — Российский Дальний Восток». Положения, выносимые на защиту.

— Способ активной фильтрации с использованием инвертора напряжения. Методика выбора параметров оборудования ИН.

— Способ активной фильтрации с использованием УТ. Методика выбора параметров оборудования УТ.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

— международной конференции по программе ТАСИС (г. Москва ВНИИЭ, 1998);

— международной конференции «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (г. Сыктывкар, 1999 г);

— международной конференции «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (г. Вышний Волочек, 2000 г);

— шестом международном симпозиуме ТРАВЭК и «Электротехника 2010» (г. Москва, 2001 г);

— заседаниях секций специализированного Научно-технического совета АО НИИПТ.

Публикации.

По теме диссертации опубликованы статьи [1−6]. Подана заявка на изобретение на способ активной филырации при помощи усилителя тока [7].

Диссертация состоит из 5 глав и приложения. Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи работы, изложены основные положения выносимые на защиту. Приведено краткое содержание диссертации.

В первой главе оценено влияния гармоник тока в ППТ на линии связи, приведены критерии нормирования гармоник тока в воздушных линиях постоянного тока. Приведен обзор существующих традиционных и нетрадиционных способов подавления гармоник тока в воздушных линиях электропередач.

Во второй главе поставлена задача по разработке АФ. Проведен анализ возможных мест подключения АФ к ППТ и определены принципы работы активных фильтров, установленных параллельно преобразовательным мостам на потенциале «земли». Разработаны и предложены к исследованию два способа активной фильтрации, а именно, с использованием инвертора напряжения с ШИМ, и с использованием транзисторного усилителя тока. Фирмой ABB для АФ используется инвертор напряжения, регулируемый по переменной составляющей выпрямленного тока, при этом отслеживается частота примыкающей сети переменного тока. В данной работе предложен способ регулирования по переменной составляющей выпрямленного напряжения позволяющий не отслеживать частоту примыкающей сети переменного тока при активной фильтрации инвертором напряжения. В этой главе приводится также описание принципов управления ИН. Транзисторный усилитель тока предлагается использовать в новом качестве — как активный фильтр, особенность его работы заключается в том, что он работает на сеть, содержащую источники энергии. Регулируется УТ по переменной составляющей выпрямленного тока.

Третья глава посвящена методическим вопросам: методике математического моделирования АФметодике оценки мощности АФметодике выбора параметров оборудования АФ. В главе предложена методика предварительной оценки мощности АФ и выбора параметров элементов схем АФ. и.

Математическая модель представлена схемами замещения со ссылками на приложение, содержащее дифференциальные и алгебраические уравнения, описывающие эту модель. При моделировании применяется метод упрощенного моделирования вентильных устройств без учета их вентильной структуры и метод повентильного моделирования.

При уточненном моделировании для описания модели используются уравнения постоянной структуры с переменными значениями активных сопротивлений, моделирующих вентили. Значения сопротивлений изменяются под действием управляющих импульсов и логических условий. При упрощенном моделировании вентильные устройства замещаются источниками ЭДС с внутренним сопротивлением. BJI моделировалась П-ячейками, эквивалентирую-щими участки длиной 40 км. При моделировании УТ его схема замещения определялась по параметрам полевых транзисторов в линейном режиме. Короткое замыкание на линии имитировалось RL цепочкой с переменными параметрами. ОПН моделировался антипаралельными диодами с последовательно включенными постоянными ЭДС, значения которых равны уставке срабатывания ОПН.

Для УТ приведена методика его упрощенного инженерного расчета.

Для инвертора напряжении определены значения параметров конденсаторов и реакторов пассивного двухчастотного фильтра. Предложена методика построения регулятора и методика синтеза дискретных передаточных функций в этом регуляторе и в цифровом дискретном фильтре низких частот.

Четвертая глава посвящена исследованиям на цифровых моделях функциональных возможностей активной фильтрации. Оценен уровень гармоник тока в линии ППТ без фильтрации и с применением пассивных фильтров. Определена требуемая мощность АФ. Проведены исследования способов активной фильтрации гармоник тока в линии. Для ИН, используемого в качестве АФ, рассмотрен вариант подключения к полюсу воздушной линии через пассивный фильтр. Исследованы воздействия на оборудование ИН в нормальных и аварийных режимах работы ППТ. По расчетным воздействиям в переходных процессах предложен выбор параметров элементов схемы. Оценена эффективность фильтрации инвертором напряжения.

Для транзисторного усилителя тока рассмотрен вариант подключения АФ к полюсу воздушной линии ПТ через конденсатор. Исследованы воздействия на оборудование УТ в нормальных и аварийных режимах работы ППТ. Оценен эффект применения УТ в качестве АФ.

В пятой главе представлен материал результатов исследования макета АФ на физической модели ППТ. Физическая модель в масштабе воспроизводит однополярный режим работы ППТ с мощностью полюса 1 ГВт, напряжением 500 кВ и длиной линии 400 км. Апробацию прошли два способа активной фильтрации: при помощи усилителя напряжения и усилителя тока. В обоих случаях получен практически одинаковый результат — пятидесятикратное уменьшение переменной составляющей выпрямленного тока.

В заключении приведены выводы по обоим способам активной фильтрации.

В приложении приведены уравнения математической модели активного фильтра.

Заключение

.

1) Анализ состояния исследуемой проблемы фильтрации переменной составляющей выпрямленного тока в воздушных линиях электропередач постоянного тока показал, что активные способы фильтрации являются г перспективными направлением фильтрации и позволяют снизить широкий спектр гармоник тока в воздушной линии ППТ.

2) Разработаны схемы двух вариантов активного фильтра для воздушных линий ППТ с применением инвертора напряжения, управляемого ШИМ, и транзисторного усилителя тока.

3) Разработана методика определения параметров всех элементов двух вариантов АФ по заданным основным параметрам преобразователей и воздушной линии ППТ.

4) По разработанной методике определены параметры двух вариантов АФ для воздушной линии ± 500 кВ, 2 ГВт, 400 км, соединяющей выпрямительную и инверторную подстанции с 12-фазными преобразователями.

5) Произведена оценка уровня гармоник тока в линии ППТ без фильтрации и с фильтрацией традиционным пассивным двухчастотным фильтром. Определена требуемая мощность АФ. При мощности полюса ППТ 1 ГВт установленная мощность активных фильтров составила: 665 кВ-А для активного фильтра на базе инвертора напряжения, подключенного через двухчастотный фильтри 1310 кВ, А для активного фильтра на базе транзисторного усилителя, подключенного через конденсатор.

6) Оценены воздействия токов и напряжений на оборудование активных фильтров при КЗ на воздушной линии. Рассмотрены нормальные и аварийные режимы (при коротком замыкании BJI на землю) активных фильтров, показано, что установка ОПН параллельно трансформатору активного фильтра позволяет значительно уменьшить необходимый запас по току и напряжению при выборе оборудования АФ.

7) Проведены исследования двух разработанных вариантов АФ на математических и физических моделях. Показано, что они обеспечивают высокую эффективность фильтрации переменной составляющей постоянного тока, псофометрическое значение высших гармоник в токе воздушной линии обеспечивается на уровне допустимого по условиям влияния на расположенные вблизи линии и средства связи. Снижение псофометриче-ского значения тока в воздушной линии ППТ составило при фильтрации:

— пассивными фильтрами — 2,3 — 5 раз;

— АФ на базе инверторов напряжения -12 — 30 раз;

— АФ на базе транзисторного усилителя — 50 — 65 раз;

На физической модели АФ получено снижение переменной составляющей выпрямленного тока в 40 — 50 раз.

8) Предложены и исследованы алгоритмы регулирования АФ. Предложенные системы регулирования (как для инвертора напряжения, так и для транзисторного усилителя тока) позволили не применять анализ частотного спектра переменных составляющих выпрямленного напряжения и тока.

9) Система регулирования инвертора напряжения слабо чувствительна к отклонению емкостей ветви активного фильтра. При отклонении емкостей на ± 5% получена приемлемая компенсация переменной составляющей выпрямленного тока в линии, обеспечиваются нормы на величину псофометрического тока (0,75< Inc < 1 А). Тем не менее, рекомендуется в процессе эксплуатации подстраивать коэффициенты передаточных функций в регуляторах, реализация которых предполагает использование цифровых микроконтроллеров.

10) Принцип управления предложенными активными фильтрами позволяет использовать их как для ППТ, так и для МППТ. При этом требуется установка АФ на каждом полюсе подстанции.

11) В результате исследований выявлены достоинства активного фильтра на базе УТ в сравнении ИН:

— УТ в отличие от ИН не имеет гармонических искажений и позволяет достичь идеальной компенсации переменной составляющей выпрямленного тока в воздушной линии постоянного тока;

— УТ имеет более простой регулятор и в отличие от регулятора ИН не чувствителен к отклонению параметров силовой схемы.

Достоинством ИН в сравнении с УТ является его меньшая установленная мощность.