В настоящее время все более актуальными становятся задачи снижения удельных капиталовложений в строительство новых и реконструкцию существующих высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП), предназначенных для передачи электроэнергии от крупных электростанций и для связи мощных энергосистем.
Актуальными проблемами функционирования ЕЭС России являются [20]:
• недостаточная пропускная способность межсистемных и системообразующих линий электропередачи, ограничивающая возможность удовлетворения требованиям свободного рынка электроэнергии при соблюдении условий надежного энергоснабжения. В настоящее время ограничена возможность параллельной работы ОЭС Сибири с европейской частью ЕЭС, ограничена выдачи мощности из Тюменской энергосистемы на Урал, недостаточны пропускные способности ряда сечений между ОЭС центра и ОЭС. северного Кавказа;
• слабая управляемость электрических сетей и недостаточный объем устройств регулирования напряжения и реактивной мощности;
• неоптимальное распределение потоков мощности по параллельным линиям электропередачи различного класса напряжения и, как следствие этого — недоиспользование существующих электрических сетей, рост потерь в сетях, увеличение затрат на передачу энергии.
Решение этих задач связано с применением новой технологии — гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока содержащих современные многофункциональные устройства, в частности статических компенсирующих устройств (СКУ), позволяющих максимальное использование ЛЭП за счет увеличения пропускной способности и управления передаваемой мощностью, особенно в аварийных и послеаварийных режимах работы электрической сети. Бурное развитие таких устройств в последние годы стало возможным в связи с прогрессом в области разработки мощных^ тиристорных преобразователей.
Отечественными заводами (ОАО «Трансформатор», ОАО «Квар») совместно с институтами «ВНИИЭ», «ВЭИ», НПЦ «Энерком-Сервис» разрабатываются и осваиваются статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (СТК) и управляемые шунтирующие реакторы (УШР) для подстанций и магистральных высоковольтных линий 500 кВ.
За рубежом разработаны и широко внедрены СТК, созданы и внедрены в эксплуатацию устройства СТАТКОМ, ТУПК (Тиристорно-управляемый последовательный компенсатор), ОРПМ (Объединенный регулятор потока мощности) фирмами ABB, Siemens, General Electric, Westinghouse и др.
Важность и актуальность требований к увеличению пропускной способности электропередачи высокого напряжения (вплоть до теплового предела по нагреву), обеспечение устойчивой работы энергосистемы при различных возмущениях, решение проблем компенсаций реактивной мощности в современных электроэнергетических системах, и увеличение пределов устойчивости системы — все это привело к развитию гибких (управляемых) систем передачи переменного тока (Flexible AC Transmission Systems — FACTS).
Технология FACTS, основанная на силовой электронике, была специально разработана с целью улучшения рабочих показателей слабых систем переменного тока, а также с целью целесообразного внедрения передачи энергии на большие расстояния на переменном токе. Кроме того, FACTS способствует решению технических проблем в объединенных энергосистемах. Технология FACTS применима как для параллельного соединения (SVC, Static VAR Compensator — STATCOM, Static Synchronous Compensator), так и для последовательного (FSC, Fixed Series Compensation — TCSC/TPSC, Thyristor Controlled/Protected Series Compensation).
Подход к системе передачи как к активному элементу электрической системы привел к проведению исследований по использованию управляемых шунтирующих реакторов для улучшения статической устойчивости, а также к изучению вопросов применения устройств регулируемой продольной емкостной компенсации (УПК) для увеличения как статической, так и динамической устойчивости электроэнергетической системы. Такие устройства позволяют не только повышать пропускную способность линии электропередач, но и оказывать существенное влияние на условия статической и динамической устойчивости электроэнергетической системы (ЭЭС), что, однако, возможно только при эффективном и координированном управлении этими устройствами с учетом других регулируемых элементов системы, например регуляторов возбуждения на генераторах электростанции.
Среди известных устройств обеспечивающих возможность регулирования потока мощности в линиях электропередачи, т. е. предназначенных для создания гибких электропередач, наибольшее применение в мире к настоящему времени нашли тиристорные устройства продольной компенсации (ТУПК) на основе схемы, предусматривающей регулирование тока в реакторе с помощью встречно — параллельно включенных тиристоров, получившей в англоязычной литературе название Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) [11,12].
Создание управляемых электропередач требует решения комплекса вопросов, основными из которых являются: выявления эффективности существующих мероприятий по повышению пропускной способности, анализ и синтез возможных структур регулирования, исследование уровня статической и динамической устойчивости электропередачи и всей системы. Это стимулировало развитие работ по регулируемым компенсирующим, настраивающим, токоограничивающим устройствам.
Однако, наряду с указанными выше задачами законы управления регулируемых устройств компенсации должны удовлетворять также и требованиям обеспечения необходимых уровней параметров режима системы при минимальных перетоках мощности, так как изменение величины передаваемой мощности по дальним линиям электропередачи в широком диапазоне стало характерной особенностью режимов электрических систем в настоящее время.
Работа электрической системы в режимах, когда передаваемая по линиям электропередачи СВН мощность ниже натуральной, сопровождается избытком реактивной мощности. Это приводит к повышению уровней напряжения, которое может превосходить наибольшее рабочее и кратковременно допустимое значения, что в свою очередь отрицательно сказывается на. работе электрооборудования. Применение нерегулируемых УПК создадут еще большие трудности в этих режимах по обеспечению необходимых значений режимных параметров линии электропередачи СВН, а также могут привести к проблемам сохранения устойчивости работы электрической системы. Установка нерегулируемой продольной компенсации повышает пропускную способность линии электропередачи СВН, но в режимах работы системы с мощностью ниже натуральной их целесообразно отключать. Однако частые коммутации этих устройств не допустимы в силу ограничений, которые накладывает современное состояние высоковольтных выключателей. Таким образом снижается эффективность применения нерегулируемых УПК, с точки зрения обеспечения необходимых уровней параметров режима системы при минимальных перетоках мощности. Эффективно решить данную проблему можно с помощью регулируемых устройств продольной компенсации.
Говоря об устройствах продольной емкостной компенсации, степень компенсации которых возрастает с ростом передаваемой мощности, можно отметить, что актуальность их изучения в настоящее время возрастает, так как, устройства такого типа существенно снижают степень компенсации при снижении мощности и положительно влияют на показатели режима системы по напряжению и реактивной мощности.
В связи с этим представляется интересным анализ исследования применения регулируемых УПК (по току) с емкостным элементом. В диссертационной работе рассматривается регулируемое устройство продольной компенсации, степень компенсации которого возрастает с ростом передаваемой мощности и наоборот.
Исходя из выше сказанного, данная работа является логическим продолжением работ по созданию управляемых линии электропередач.
Целью диссертационной работы является повышение устойчивости электроэнергетических систем на основе совершенствования законов регулирования и управления УПК.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
• разработка полной математической модели ЭЭС (с учетом электромагнитных переходных процессов в ее элементах с управляемой продольной емкостной компенсацией);
• анализ статических характеристик исследуемой системы при различных параметрах закона регулирования УПК- • исследование влияния параметров закона регулирования УПК на апериодическую статическую устойчивость системыв анализ влияния характеристик регулируемого УПК на переходные процессы при «больших» возмущениях в электроэнергетической системе;
• анализ колебательной статической устойчивости исследуемой электроэнергетической системы с регулируемым УПК;
• анализ влияния АРВ синхронных генераторов на устойчивость электроэнергетической системы и выбор параметров регулирования УПК;
• формирование требований к параметрам и характеристикам емкостных элементов для их использования в УПК.
Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического моделирования ЭЭС, методы решения систем нелинейных уравнений, теория дальних линий электропередачи, теория электрических цепей, теория электромеханических переходных процессов, методы анализа устойчивости электроэнергетических систем.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается:
• проверкой полученных результатов другими известными методиками, не использованными в диссертации (программы расчета установившихся режимов);
• сопоставлением результатов исследований с результатами, полученными при использовании различных методов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
• получены предельно допустимые степени компенсации индуктивного сопротивления ЛЭП, обеспечивающие сохранение колебательной статической устойчивости системы, с учетом АРВ синхронных генераторов;
• разработана математическая модель ЭЭС с учетом электромагнитных переходных процессов в ее элементах с управляемой продольной емкостной компенсацией, позволяющая проводить расчеты режимов электроэнергетической системы с регулируемым УПК;
• впервые получены статические характеристики электропередачи при различных параметрах закона регулирования УПК;
• сформулированы требования к параметрам и характеристикам емкостных элементов, обеспечивающих функционирование регулируемых УПК;
• разработана методика определения диапазона изменения параметров режима, электроэнергетической системы и параметров регулируемого УПК, обеспечивающая максимальную эффективность применения регулируемых УПК с точки зрения улучшения устойчивости электроэнергетической системы.
Диссертационная работа выполнена в составе темы «Разработка принципов согласованного и робастного управления электротехническими и электроэнергетическими системами» по Заданию Федерального агентства по образованию Ивановскому государственному энергетическому университету им. В. И. Ленина.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты работы могут быть использованы при решении задач проектирования дальних линий электропередачи с управляемыми элементами, расчета статической и динамической устойчивости электроэнергетических систем с гибкими линиями электропередачи, создания систем регулирования управляемых устройств продольной емкостной компенсации. Предложенная методика и алгоритм расчета колебательной статической устойчивости ЭЭС позволяют в полной мере использовать возможности управляемой продольной емкостной компенсации.
Полученные в работе требования к параметрам и характеристикам емкостных элементов используются в работах по их реализации.
Разработанный метод анализа колебательной устойчивости в электроэнергетических системах с регулируемым УПК, а также метод расчетов характеристик таких ЛЭП используется на кафедре «Электрические системы» ИГЭУ в курсах «Электромеханические переходные процессы» и «Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения».
Основные положения, выносимые на защиту, являются: в полная математическая модель электроэнергетической системы с учетом электромагнитных переходных процессов в ее элементах с управляемой продольной емкостной компенсацией в функции тока, используемая для анализа режимов и устойчивости электроэнергетической системы;
• требования к закону управления регулируемого УПК, обеспечивающие улучшение устойчивости электроэнергетической системы с учетом АРВ генераторов;
• методика определения диапазона изменения параметров режима электроэнергетической системы и параметров регулируемого УПК, обеспечивающая максимальную эффективность применения регулируемых УПК с точки зрения улучшения устойчивости электроэнергетической системы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре «Электрические системы» Ивановского государственного энергетического университета, на международных научно технических конференциях:
• международные научно — технические конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 гг.);
• региональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (г. Иваново, 2006 год).
По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях по списку ВАК, одна статья в сборниках i материалов и 6 тезисов докладов.
Диссертациясостоит из введения, 4 глав, библиографического списка использованной литературы из 50 наименований и 6 приложений. Объем диссертации, включая приложения, составляет 145 страниц машинописного текста. Работа содержит 54 рисунка.
4.6. Выводы j.
1. Рассмотренная математическая модель позволяет анализировать колебательную статическую устойчивость с регулируемым УПК и АРВ СД.
2. Представленный способ анализа статической устойчивости дает возможность определить диапазон значений настроечных параметров АРВ СД при различной степени компенсации и различных параметрах закона регулирования Хупк{1), где обеспечивается максимальная эффективность применения регулируемых УПК с точки зрения улучшения устойчивости электрической системы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Выполнен комплекс научно-исследовательских работ, обеспечивающих повышение эффективности передачи переменного тока, улучшающих статическую и динамическую устойчивость электрической системы с регулируемым УПК функции тока.
2. Разработаны математические модели электроэнергетической системы, включающие регулируемое УПК.
3. Предложена форма представления характеристики регулируемого УПК в расчетах установившихся и переходных режимоврассмотрена методика выбора параметров закона регулирования УПК.
4. На основе анализа статической устойчивости электрической системы с регулируемой емкостью в УПК показал, что это обеспечивает существенное увеличение предела передаваемой мощности (30% и более по сравнению с УПК обычного типа), а также улучшает параметры режима при малых нагрузках.
5. Показано, что зависимость сопротивления УПК от тока существенно влияет на эффективность УПК. Для улучшения статической и динамической устойчивости это сопротивление должно иметь возрастающую зависимость от модуля тока.
6. Проанализированы статические характеристики системы для различных параметров закона регулирования управляемой емкостивыявлены и проанализированы условия возникновения резонансных переходов, пути их возможного устранения.
7. Анализ динамической устойчивости при различных характеристиках УПК показал, что в зависимости от параметров закона регулирования УПК можно получить существенное улучшение динамической устойчивости (увеличение предельной мощности по условию сохранения динамической устойчивости до 10% при трехфазном коротком замыкании по сравнению с УПК обычного типа).
8. Установлено, что параметры закона регулирования УПК, выбранные по условиям улучшения апериодической статической устойчивости и динамической устойчивости в диапазоне возможных рабочих режимов, не приводят к нарушениям колебательной устойчивости.
9. Предложена методика анализа колебательной статической устойчивости исследуемой системы с регулируемым УПК.
10. Сформулированы требования к параметрам и характеристикам емкостных элементов для регулируемых УПК.
