Диссертация (Повышение управляемости фазоповоротных устройств с тиристорными коммутаторами), страница 3

Диссертация изложена на 215 страницах, имеет 90иллюстраций, включает титульный лист, оглавление, введение, 4 основных главы результатовработы, заключение, список литературы (90 позиций) и 1 приложение на 35 страницах.10Глава 1. Выбор объекта исследования и обзор алгоритмов управленияФПУ с тиристорным коммутатором1.1 Обзор фазоповоротных устройствВ настоящее время во всем мире актуален вопрос управляемости электроэнергетическихсистем (ЭЭС). Мир электрической энергии находится в стадии реструктуризации.

Это являетсяактуальным и для России. В России в 2012 г. по заказу ОАО «ФСК ЕЭС» разработана концепцияинтеллектуальной электроэнергетической системы с активно – адаптивной сетью (ИЭС ААС)[38, 45].Концепция ИЭС ААС предусматривает создание системы, в которой все субъектыэлектроэнергетики (генерация, сеть, потребители) принимают активное участие в процессахвыработки, передачи и распределения электроэнергии. Электрическая сеть из пассивногоустройства транспорта и распределения электроэнергии превращается в активный элемент,оснащенный современными быстродействующимиустройствами силовойэлектроники,предназначенными для управления процессами в электроэнергетической системе в режимереального времени (в темпе процесса).Элементы электроэнергетической инфраструктуры, включающие подобные активныевысокотехнологичные узлы, входят в класс управляемых или гибких систем (электропередач)переменного тока, в зарубежной терминологии называемых FACTS.

Данные гибкие системыпозволяют регулировать потоки мощности как между объединенными электроэнергетическимисистемами (ОЭС), так и внутри самих систем, в том числе в крупных распределительных сетях,позволяютэффективнееоптимизироватьиспользоватьиспользованиемежсистемныеэнергетическогосвязиоборудованиясучетомиихресурсов,конъюнктурырынкаэлектроэнергии 25.В отечественной литературе опыт создания и применения устройств FACTS наиболееполно обобщен в монографии Ю.Г. Шакаряна и В.И. Кочкина «Применение гибких(управляемых) систем электропередачи переменного тока в энергосистемах» [26]. В книгепредставлены методы повышения пропускной способности ВЛ и управления потокамимощности, средства регулирования напряжения, повышения статической и динамическойустойчивости электроэнергетических систем (ЭЭС) с использованием технологии FACTS.Рассмотрены устройства параллельной компенсации реактивной мощности (статическиетиристорные компенсаторы – СТК, управляемые шунтирующие реакторы – УШР), устройствапоследовательной компенсации (УПК), фазоповоротные устройства – ФПУ, объединенныерегуляторы потоков мощности (ОРПМ) [12].11Управление потоками мощности в электрической сети с помощью устройств FACTS можнорассмотреть на простейшем примере участка линии электропередачи, представленном нарисунке 1.1.Рисунок 1.1 Участок линии электропередачи: а) – упрощенная эквивалентная схема,б) – векторная диаграммаНа концах участка линии электропередачи введены напряженияиис углами сдвига.

Сопротивления участка линии представлены в виде последовательного соединенияреактивного сопротивления с активным [88]. Комплексный ток, протекающий по этому участкулинии зависит от разности потенциалов на ее концах:==∠∠.(1.1)Комплексная мощность однофазной линии электропередач в узле 1 составляет∗=где∗– комплексно-сопряженный ток линии,(1.2),– напряжение фазы. Подставляя (1.1) в (1.2) ивыделяя действительную (активную мощность) и мнимую (реактивную мощность) части,получаем=∆sin ∆ +∆+−sin ∆,где ∆ =−есть при= 0, активная и реактивная мощности вычисляются следующим образом:(1.3)– фазовый сдвиг между 1 и 2 узлами. В случае идеальной линии без потерь, то==sin ∆ ,∆(1.4).(1.5)Из соотношений (1.4) и (1.5) следует, что активная и реактивная мощности являютсяфункциями четырех переменных: реактивного сопротивления линии, фазового угла сдвигамежду напряжениями на концах линии и величин этих напряжений.

Теоретически, меняя любойиз этих параметров, можно влиять на перераспределение активной и реактивной мощностей приналичии сложной замкнутой электрической сети. Например, устройства параллельной12компенсации реактивной мощности оказывают воздействие на величину напряженияилив зависимости от места установки, устройства последовательной компенсации регулируютвеличину реактивного сопротивления, фазоповоротные устройства регулируют фазовыйсдвиг ∆ , объединенные регуляторы потоков мощности оказывают воздействие на все четыревеличины.В замкнутых электроэнергетических системах наиболее актуальной является задачарегулирования потоков активных мощностей. С точки зрения выражения (1.4) одним из способоврегулирования активной мощности является изменение угла ∆ , что достигается применениемФПУ.Назначение ФПУ заключается в создании дополнительного фазового сдвига междунапряжением первичных шин и вторичных шин .

Это позволяет управлять потоками активной иреактивной мощностей в линиях электропередачи переменного тока. ФПУ могут бытьприменены для следующих целей: длянаправленногоперераспределенияпотоковмощностивсложныхзамкнутыхэлектрических сетях между системами; для ограничения перегрузки электрических сетей более низкого напряжения, шунтированныхлиниями высшего напряжения; для снижения потерь мощности и электроэнергии в электрических сетях; для повышения динамической устойчивости электрической системы при большихвозмущениях; для снятия ограничений на выдачу мощности в различных послеаварийных и ремонтныхрежимах распределительной электросети и расширения возможного диапазона выдачимощности в нормальных режимах.Регулируемый фазовый сдвиг, вводимый ФПУ, осуществляется посредством введениявольтодобавочного напряжения между входом и выходом ФПУ в месте установки.

Чем большетребуется ввести фазовый сдвиг, тем больше будет величина вольтодобавочного напряжения.Формирование вольтодобавочного напряжения осуществляется за счет использованиянапряжения линии, такое напряжение называется возбуждающим Возбуждающее напряжениеназывается независимым, если оно является напряжением линии на входе ФПУ. Возбуждающеенапряжение называется зависимым, если это напряжение формируется из напряжения на входеи выходе ФПУ. Существует несколько способов введения вольтодобавочного напряжения:поперечноерегулирование,продольно-поперечноерегулированиеисимметричноерегулирование (рисунок 1.2).При поперечном («квадратурном») регулировании ФПУ вводит вольтодобавочноенапряжение, смещенное на ±90 эл.град.

относительно входного напряжения ФПУ, которое13является возбуждающим (рисунок 1.2 а). При этом выходное напряжение ФПУ увеличивается поамплитуде и изменяется по фазе. Причем амплитуда будет тем больше, чем на больший уголсдвига будет производиться регулирование. Поэтому данный способ регулирования можетприменяться при небольших углах регулирования (не более 20 эл. град.) [19, 53, 79].При продольно-поперечном регулировании ФПУ вводит вольтодобавочное напряжениеиз двух составляющих: продольной и поперечной (рисунок 1.2 б). Продольная составляющаясмещена относительно входного напряжения на 180 эл. град., а поперечная – на ±90 эл. град.Поэтому в этом случае изменение амплитуды напряжения является контролируемым, и онаможет быть любой, как выше, так и ниже амплитуды входного напряжения или равна ей.

Принебольших углах регулирования (не более 20 эл. град.) можно использовать только поперечнуюсоставляющую, а продольную составляющую вводить при углах, больших 20 эл. град. [53, 79].При симметричном регулировании ФПУ вводит вольтодобавочное напряжение,смещенное на ±90 эл. град. относительно возбуждающего напряжения ФПУ (рисунок 1.2 в).

Приэтом выходное напряжение ФПУ изменяется только по фазе и не меняется по амплитуде.Поэтому данный способ регулирования может применяться при любых углах регулирования[22, 48, 53].Рисунок 1.2 Способы регулирования выходного напряжения ФПУ: а) – поперечное регулирование,б) – продольно-поперечное регулирование, в) – симметричное регулированиеСуществуют исполнения ФПУ в однотрансформаторном виде (когда трансформаторявляется и вольтодобавочным, и возбуждающим) и двухтрансформаторном виде (когда одинтрансформатор является вольтодобавочным, другой – возбуждающим).

На практике наибольшеераспространение получил двухтрансформаторный вид ФПУ [79, 88, 89].Двухтрансформаторные ФПУ состоят из шунтового (возбуждающего) трансформатора,включаемогопараллельнолинии;сериесного(вольтодобавочного)трансформатора,14включаемого последовательно в линию и регулирующего устройства, которое коммутируетобмотки шунтового трансформатора (ШТ) к обмоткам сериесного трансформатора (СТ).Рассмотрим топологии двухтрансформаторных ФПУ, которые реализуют три способарегулирования (рисунок 1.3).Рисунок 1.3 Топологии ФПУ: а) – ФПУ с поперечным регулированием, б) – ФПУ с продольнопоперечным регулированием, в) – ФПУ с симметричным регулированиемОчевидно, что устройства с поперечным и симметричным регулированием окажутсядешевле, поскольку обладают менее сложной конструкцией, чем устройства с продольнопоперечным регулированием.

Однако устройства с продольно-поперечным регулированиемпозволяют регулировать не только фазу, но и величину напряжения на выходе ФПУ. Поэтомудаже несмотря на сложную конструкцию, они могут найти применение.Важным элементом ФПУ является регулирующее устройство. Регулирующее устройствопозволяет переключать обмотки ШТ и СТ в определенных сочетаниях, чтобы создатьнеобходимое вольтодобавочное напряжение. Регулирующее устройство может быть исполненоспомощьюэлектромеханическихпереключателейилисиловыхполупроводниковыхкомпонентов.В настоящее время за рубежом применяются фазоповоротные трансформаторы (ФПТ) –phase-shifting transformer (PST) с механическими переключателями числа витков обмотоктрансформатора, так называемый регулятор напряжения под нагрузкой (РПН) – on load tapchangers (OLTC) [73]. Основными фирмами-разработчиками ФПТ являются ABB, Siemens, Elin,Alstom (Westinghouse) и др.

Многообразие типов и конструкций ФПТ заключается в способахобразования дополнительного «регулирующего» вектора напряжения, различиях углов поворотаи дискретности изменения углов поворота вектора «регулирующего» напряжения. КонструкцияФПТ может быть с одним или двумя сердечниками, помещенными в один или два бака. Такие15ФПТ работают в электросетях Европы [26]. Об эффективности применения ФПУ можно судитьи по количеству подобных устройств, установленных в межсистемных связях Запада США [69].Приведенный в таблице 1.1 краткий обзор установленных в двух штатах США ФПУ, показывает,какое значение там придается вопросам повышения управляемости, устойчивости и надежностидля обеспечения высокого качества энергоснабжения потребителей.Таблица 1.1 Диапазон параметров установленных и проектируемых ФПУ в Европе и СШАМесто установкиPragneres (Франция)Praz (Франция)Meeden (Нидерланды) иGronau (Германия)США, штат ЮтаПС Пинто Пинто – Фо КорнерсСША, штат ЮтаПС Пинто:Сигурд – Глен КаньонСША, штат ЮтаПС Харри:Харри Аллен – Ред БаттСША, штат ЮтаПС Кристалл:Навахо – Кристалл иКристалл – Мак КаллоуСША, штат ЮтаПС НелвэйСША, штат МонтанаПС Биллингс Стим Плант:Биллингс – ЙеллоутайлСША, штат МонтанаПС Кроссовер:Кроссовер –ЙеллоунайлСША, штат МонтанаПС Римрок:Римрок–ЙеллоунайлСША, штат МонтанаПС Вид Джанкшн:Копко–КаскадСША, штат МонтанаПС Фш.