Анализ режимных характеристик управляемых линий электропередачи с распределенной продольной емкостной компенсацией

Актуальность проблемы. Современное состояние энергетики в промышленно-развитых странах характеризуется следующими тенденциями:

• продолжающимся ростом нагрузок, определяемым развитием экономики этих стран;

• повышенными экологическими требованиями к объектам электроэнергетики, что вызывает определенные сложности в сооружении новых линий электропередач;

• объединением электрических сетей различных компаний в единые национальные энергосистемы;

• внедрением рыночных отношений в электроэнергетике, что вызывает сложности в обмене мощностью и энергией между отдельными энергетическими компаниями и электроэнергетическими системами;

• стремлением использовать наиболее дешевые источники электроэнергии, расположенные, как правило, в отдаленных районах;

• крупными авариями, возникающими обычно из-за слабости отдельных межсистемных связей и приводящими к обесточиванию крупных регионов.

К числу наиболее острых проблем настоящего времени можно отнести перегруженность распределительных сетей крупных промышленных регионов, неэкономичное распределение нагрузки между сетями различных классов напряжения, недостаточная пропускная способность некоторых межсистемных связей.

Возникли существенные затруднения, связанные с сооружением новых линий, из-за ужесточения экологических требований и необходимости вести строительство в освоенных регионах с уже сложившейся инфраструктурой энергетических и иных коммуникаций, что создает трудности с отводом земли под трассы линий. Кроме того, в освоенных регионах в настоящее время сложилась ситуация, когда на сети относительно низких напряжений наложились сети более высоких напряжений. В результате сложилась многослойная структура сетей разных классов напряжения со сложными электрическими связями. Из-за различий в соотношении электрических параметров разных сетевых слоев происходит неоптимальное распределение потоков мощности между ними, когда более нагруженными оказываются сети низких классов напряжения, в то время как сети более высоких классов напряжения нагружены ниже своих возможностей.

Слабость некоторых межсистемных связей стала причиной крупнейших аварий, когда обесточивались целые регионы с населением в десятки миллионов человек. Такие аварии вызывают громадные убытки, а их ликвидация занимает значительное время. Примерами таких аварий могут служить аварии в США, Канаде, Западной Европе и других регионах мира, произошедшие в последние десятилетия. Поэтому повышение пропускной способности межсистемных связей, особенно в послеаварийных режимах, является одной из актуальнейших проблем современной электроэнергетики.

Развитие рыночных отношений в электроэнергетике накладывает свой отпечаток на распределение потоков мощностей, приводит к возникновению внеплановых перетоков в ущерб оптимальному режиму и вызывает сложности в управлении режимами электроэнергетических сетей и систем.

Поэтому вопросы повышения пропускной способности и управляемости электрических сетей за счет применения специальных технических средств в настоящее время весьма актуальны.

Эти средства должны обеспечить решение следующих задач:

• повышение пропускной способности отдельных линий или сети в целом;

• управление потоками активной и реактивной мощности по отдельным связям или сечениям сети, что позволяет снизить потери, обеспечить требования по балансу реактивной мощности и уровню напряжения в узлах, повысить статическую устойчивость системы;

• воздействие на особые режимы электрических сетей, связанные с включением или отключением элементов сети, самовозбуждением и самораскачиванием генераторов с целью улучшения характеристик этих режимов;

• повышение надежности работы системы за счет применения быстродействующих устройств, например, с тиристорным управлением.

Исследования и разработки в области создания устройств, способных решать упомянутые задачи, были начаты в начале 60-х годов XX столетия в ряде стран, в том числе и СССР [13, 33, 35, 45]. Это было началом развития техники гибких передающих систем (ГПС) переменного тока.

В результате научных исследований был создан ряд статических источников реактивной мощности с использованием управляемых вентилей. Эти устройства могли работать, как в режиме ее генерации, так и потребления, а также переходить из режима в режим. При этом исследовались и преобразовательные схемы.

Значительный вклад в развитие этого направления внесен Московским энергетическим институтом, Всесоюзным электротехническим институтом (ВЭИ), Горьковским и Львовским политехническими институтами и рядом других организаций. Аналогичные исследования велись и за рубежом. В США, Канаде и Швеции и других странах были введены в работу статические источники реактивной мощности с вентильным управлением.

Мощным импульсом в развитии концепции техники ГПС послужил значительный прогресс в области силовой электроники при появлении новых полупроводниковых приборов — тиристоров в начале 70-х годов. Этому способствовали многочисленные научные работы, проведенные в СССР, США, Канаде, Японии, а также в странах Западной Европы: Великобритании, Германии, Швеции и др. Во второй половине 80-х годов появились достаточно мощныеполностью управляемые тиристоры, которые можно как, включать, так и выключать с помощью управляющих импульсов, а также силовые транзисторы, что существенно расширило возможности создателей аппаратуры ГПС.

В связи с прогрессом в развитии преобразовательной техники на базе новых силовых полупроводниковых приборов ведущие: электротехнические фирмы мира резко активизировали работы по исследованию, разработке и. внедрению специальных устройств для линий электропередач переменного тока, позволяющих решить, упомянутые, выше задачи. Высокие значения рабочих параметров тиристоров, ихуправляемость и надежность обеспечили быстрое регулирование параметров режима электрической: сетитребуемое при решении многих системных задач. Электропередачи, оснащенные такими: устройствами, получили название гибких электропередач (РЭП).

С 1992 г. в США при Институте инженеров электротехники и, электроники (ШЕЕ) функционирует специальная рабочая группа, задача которой состоит в отслеживании икоординации разработок по ГЭП и их применению в энергосистемах. В соответствии с проведенной, силами это" группы систематизацией существующих разработок была предложена следующее определение гибких электропередач.

Гибкие электропередачи (Flexibility of Electric Power Transmission) -электропередачи, способные изменять потоки мощности в электроэнергетической системе в нормальных эксплуатационных илипереходных режимах с целью оптимизации режима и поддержания достаточной статической и динамической устойчивости. Это определение может быть отнесено не только к гибким линиям переменного тока, нои электропередачам' постоянного тока, а также электропередачам: переменного тока со вставкой постоянного тока.

Гибкаяпередающая система переменного тока (Flexible AC Transmission System — FACTS) — электропередающая система переменного тока, включающая в себя статические регуляторы, основанные на применении силовой электроники, и другие статические регуляторы, способные контролировать поток мощности по f линии. Здесь следует обратить внимание на слова «другие статические регуляторы», подразумевающие, что в этой системе могут быть использованы и другие статические регуляторы, не основанные на использовании силовой электроники, например, фазорегулирующие трансформаторы (ФРТ), управляемые реакторы и другие.

Регулятор гибких электропередач (FACTS Controller) — силовая электронная система или другое статическое оборудование, которые обеспечивают управление одним или несколькими параметрами режима линии электропередачи.

В полном виде эта классификация имеет значительно более широкий объем, однако здесь она не приводится.

В настоящее время управляемые линии электропередачи' в странах с развитой электроэнергетикой рассматриваются как одно из наиболее эффективных средств для решения упомянутых выше задач.

К числу управляемых устройств, получивших сейчас применение в магистральных электропередачах напряжением 400 — 765 кВ' относятся установки продольной емкостной компенсации (УПК). Такие управляемые устройства, где УПК может быстро изменять свое сопротивление в соответствии с изменением режима системы, сооружены в США, Швеции, Бразилии, Индии. При этом, как правило, на этих электропередачах емкостное сопротивление, необходимое для получения заданной степени компенсации, сосредоточено не на одной из подстанций данной электропередачи, а распределено вдоль линии на нескольких подстанциях. Такая компенсация ниже называется' распределенной. Как показывает опыт эксплуатации таких электропередач, управляемая продольная компенсация является эффективным средством нормализации режима системы и повышения ее динамической устойчивости.

Необходимо отметить, что в технической литературе, как зарубежной, так и изданной в России и в Иране, данные о режимных характеристиках таких электропередач практически отсутствуют.

Целью работы является:

• анализ режимных характеристик протяженных линий электропередачи с распределенной управляемой продольной емкостной компенсацией;

• определение расстояния между двумя УПК, оптимального как с точки зрения наибольшей пропускной способности, так и напряжений на выводах конденсаторных батарей;

• нахождение условий, при которых сооружение УПК возможно без применения шунтирующих реакторов.

Конкретные способы создания управляемой продольной компенсации, в работе не рассматривались.

Методы и средства исследований. Поставленные в работе задачи решались на основе теории электрических цепей, математического моделирования, а также экспериментальным исследованием на лабораторном стенде.

Основные научные результаты и их новизна заключаются в следующем:

1. Получены характеристики нормальных режимов линий различной длины с двумя УПК, одна из которых управляемая. Это позволяет определить условия работы оборудования таких электропередач.

2. Показано, что для линий -500 кВ длиной свыше 500 км существуют оптимальные расстояния между двумя УПК, соответствующие наибольшей пропускной способности линии. Однако напряжения на выводах конденсаторных батарей (КБ) в этом случае могут быть выше допустимых значений;

3. Установлено, что изменяя расстояние между двумя УПК и степень компенсации можно обеспечить условия, в которых напряжения на выводах КБ будут ниже допустимых значений во всех нормальных режимах.

4. Рассмотрено две схемы расположения УПК на линии (симметрично относительно ее центра и асимметричное расположение УПК). Показано, что вторая схема обеспечивает большую пропускную способность протяженных линий длиной 1000 км и более при напряжениях на выводах КБ, не превышающих допустимых значений.

5. Показано, что увеличивая степень компенсации в режимах холостого хода и малых нагрузок можно снижать напряжение в средней зоне линии, а также на выводах КБ.

6. Учет эквивалентных сопротивлений передающей и приемной электрических систем приводит к повышению напряжения на шинах передающей и приемной подстанций, а также на выводах КБ, поэтому необходима стабилизация напряжения на этих шинах.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

• использованием известных, проверенных методик и уравнений, связанных с расчетами режимов линий;

• проверкой полученных результатов другими известными методиками, не использованными в диссертации.

• сопоставлением результатов, полученных расчетным путем, с результатами, полученными на лабораторном стенде.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее части докладывались и обсуждались на:

• четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ (ТУ), 2008;

• шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ (ТУ), 2010.

По теме диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы.

Содержание работы.

В первой главе рассматриваются возможные пути создания управляемых линий электропередачи и различные устройства, которые могут быть использованы для этой дели. Дается анализ современного состояния проблемы и применения управляемых линий в электроэнергетике, ставятся задачи исследований в диссертации.

Во второй главе рассматривается управляемая линия с двумя УПК, расположенными друг от друга на некотором расстоянии симметрично относительно центра линии. Дана математическая модель этой линии. Получены значения коэффициентов эквивалентного четырехполюсника, определяющих пропускную способность идеальной и реальной линий. Определены оптимальные расстояния между двумя УПК, соответствующие наибольшей пропускной способности линии, и проанализировано влияние на них внешних сопротивлений.

В третьей главе рассмотрены режимные характеристики линий различной длины от 300 до 1400 км при расположении двух УПК на оптимальном расстоянии друг от друга, определенном в гл. 2. Определены значения напряжений на выводах КБ и в средней точке линии в различных режимах и при различных степенях компенсации. Проанализировано влияние активного сопротивления проводов и напряжения на шинах концевых подстанций на эти показатели режима.

В четвертой главе проанализированы параметры режима линий различной длины при симметричном перемещении двух УПК от центра линии к ее концам. Найдены условия, при которых напряжения на выводах УПК не превышают допустимых значений во всех режимах. Показано, что для линий большой длины (1000 и 1400 км) для соблюдения этих условий и повышения пропускной способности линии требуется иная схема расположения УПК. Установлено, что для соблюдения этих условий требуется стабилизация напряжения на передающей и приемной подстанциях.

Выводы по главе 4.

1. При симметричном перемещении двух УПК из центра линии к ее концам напряжения на выводах КБ изменяются: в режимах холостого хода и малых нагрузок они снижаются, в режимах больших нагрузок некоторые из них возрастают и могут превысить допустимое значение.

2. Для линий длиной 500 и 750 км существуют оптимальные расстояния между УПК, при которых напряжения на выводах КБ будут меньше допустимого значения во всех режимах от холостого хода до режима больших нагрузок. Для линий 500 км это расстояние составляет 180−200 км, для линий 750 км — 515−520 км. При сооружении УПК на указанных расстояниях друг от друга применения шунтирующих реакторов на выводах КБ не требуется.

3. Для линий 1000 и 1400 км при симметричном, относительно центра линии, расположении УПК оптимальным является расположение этих установок по концам линии. Однако с целью снижения напряжений на выводах КБ в этом случае необходимо значительно снижать передаваемую мощность.

4. Переход к иной схеме расположения УПК для линий 1000 и 1400 км и увеличение степени компенсации позволяет значительно повысить их пропускную способность без применения шунтирующих реакторов на выводах КБ.

5. Внешние сопротивления оказывают заметное влияние на режим компенсированной линии. В режимах холостого хода и малых нагрузок они провышают напряжения в начале и конце линии, а также напряжения на выводах КБ. В режимах больших нагрузок они снижают эти напряжения и увеличивают угол 8 между напряжениями двух систем. Поэтому следует принимать меры к стабилизации напряжений в начале и конце линии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные в работе исследования характеризуются следующими основными научными и практическими результатами:

1. Получены и проанализированы характеристики нормальных режимов линий электропередачи с двумя УПК с целью последующего определения состава основного оборудования при проектировании таких электропередач.

2. При наличии двух УПК на линиях длиной 500−1400 км существуют оптимальные расстояния между ними, соответствующие наибольшей пропускной способности линии. Для линий длиной 300 км такие расстояния не выявлены и УПК могут располагаться произвольно.

3. При размещении двух УПК на оптимальном расстоянии между ними для линий длиной более 500 км напряжения на выводах конденсаторных батарей (КБ) в режимах холостого хода и малых нагрузок будут больше допустимых значений, что требует применения мероприятий по их снижению.

4. Выявлена зависимость изменения напряжений на выводах КБ от расстояния между УПК и определены расстояния, при которых эти напряжения не превышают допустимых значений во всех режимах при рассмотренных степенях компенсации.

5. Для линий длиной 1000 и 1400 км такие расстояния равны длине линии, то есть УПК должны быть расположены по концам линий. Однако пропускная способность таких линий оказывается сниженной.

6. Значительное увеличение пропускной способности линий 1000 и 1400 км можно получить, применяя иную схему расположения двух управляемых УПК на линии — одна в начале линии, другая в ее середине. Выбором степени компенсации для каждой из них можно снизить напряжения на выводах КБ до допустимых значений во всех нормальных режимах.

7. Учет эквивалентных сопротивлений передающей и приемной систем приводит к повышению напряжения на шинах передающей и приемной подстанций и на выводах КБ, поэтому необходима стабилизация напряжения на этих шинах, для чего необходимо использовать соответствующие компенсирующие устройства.