СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ЕЕ ПЕРЕДАЧЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ Жак КУРО, технический директор сектора силовой электроники компании AREVA T&D, Франция

Основой достижения высокого качества электроэнергии, с целью улучшения условий жизни населения и повышения эффективности производства являются три составляющие: производство электроэнергии высокого качества, бесперебойная передача и распределение по надежным сетям. В настоящей статье рассматриваются только передача и распределение, так как перечисленные моменты проявляют растущую тенденцию к взаимопроникновению из-за развития децентрализованного производства электроэнергии. Мы остановимся на вопросах качества напряжения. Конечно, в таком виде описание будет неполным, поскольку бесперебойность электроснабжения также является одним из основных параметров общей концепции качества электроэнергии. Но это тема, заслуживающая отдельного разговора.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ВОЗМУЩЕНИЙ
Возмущения, снижающие качество напряжения, могут возникать как при передаче, так и при распределении электроэнергии.

Возмущения при передаче
Из-за значительной протяженности воздушные линии электропередачи подвержены воздействию атмосферных явлений. Различные виды разрядов атмосферного электричества (молний) являются причинами различных типов возмущений, бросков, посадок сетевого напряжения, полного прекращения подачи электроэнергии. Длительность и степень возмущений зависят от структуры сети и времени, необходимого на ее реконфигурацию. Причины возникновения перенапряжений из-за ударов молний обычно рассматриваются как внешние по отношению к сети.
Другие виды возмущений возникают в процессе управления сетью, при сбросах или неожиданных нарастаниях нагрузки. Хотя последний вид возмущений достаточно редок, поскольку обычно крупные нагрузки подключаются к сети постепенно. Это не относится к внезапным сбросам нагрузки, которые зачастую являются следствием аварий.
Внутрисетевые источники возмущений:

• Резонанс. Сюда относятся характерные для данной сети колебания или колебания, возникающие между различными элементами сети, например, фильтрами. Разумеется, для их предотвращения принимаются все возможные меры, но они могут временно возникать при изменениях конфигурации сети.
• Неустойчивость при передаче. Наиболее часто она связана с углом передачи d (или внутренним углом, или транспортным углом). Возможно также возникновение подсинхронных колебаний, что может оказать катастрофическое воздействие на силовые генераторы электростанций.
• Феррорезонанс. Нелинейные колебания, возникающие при насыщении силовых или измерительных трансформаторов.
• Коммутации. Перенапряжения возникают вследствие подключения или отключения элементов сети, фильтров, конденсаторных батарей или трансформаторов.
• Повреждения «фаза/земля».

Возмущения при распределении
Сейчас мы имеем дело со всё возрастающим количеством электрических нагрузок, ухудшающих качество энергии в сети как на бытовом, так и на промышленном уровне, и с активной деятельностью по стандартизации качества энергии. Последняя тенденция весьма не-однозначна, так как на начальном этапе она приводит к штрафным санкциям по отношению к производителям и даже к потребителям, в то время как организации, занятые распределением энергии, как правило, не несут никакой ответственности в отношении мощности короткого замыкания или структуры полного сопротивления сети.
Силовая электроника вызывает ухудшение качества энергии, но по сравнению с другими видами преобразования она характеризуется наличием собственных средств борьбы с этим ухудшением.
В течение многих лет пассивные фильтры использовались в связке с высокомощными тиристорными или диодными преобразователями.
Сейчас на рынке появились запираемые электронные элементы – IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), GTO (запираемый тиристор) или IGCT (запираемый тиристор с интегрированным блоком управления), которые сделали возможным производство преобразователей, способных повышать качество энергии. Стали реальностью активные фильтры для низких напряжений, доказана возможность их применения на средних напряжениях, и эта технология в ближайшие годы будет активно развиваться.
Ухудшение качества электроэнергии не сводится только к гармоникам. Сюда же входят изменения напряжения, посадки напряжения и возмущения, связанные с колебаниями напряжения, называемые «мерцанием» или «фликкер-эффектом», с частотой от 1 до 30 Гц и максимумом возмущений при частоте 9 Гц. Электроника больших мощностей в состоянии предложить решения по борьбе с последними тремя видами возмущений.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ
Коротко говоря, при передаче энергии возникают три основные проблемы:

• устойчивость передачи, в значительной степени связанная с величиной транспортного угла;
• контроль напряжения и рост напряжения при отсутствии нагрузки;
• подсинхронный резонанс, который может привести к выходу из строя генераторных установок электростанций.

• отсутствие тепловых ограничений;
• наличие надежного управления распределением потоков энергии между линиями, питающими определенную местность.

Продольная компенсация
Линии высокого напряжения имеют индуктивное сопротивление, и чем выше падение напряжения на нем, тем выше транспортный угол. Идея увеличения передаваемой мощности проста. Величина индуктивного сопротивления должна компенсироваться последовательно включенной емкостью. В настоящее время используется несколько конструктивных решений.
Конденсатор постоянной емкости (рис. 1)

Рис. 1 Конденсатор постоянной емкости
Рис. 2 Конденсаторная батарея с тиристорным переключением	Рис. 3 Конденсаторная батарея с тиристорным управлением

Степень компенсации постоянна. Этот принцип позволяет повышать передаваемую по линии мощность, пока не будут достигнуты ограничения по тепловыделению. Такие системы не способны подавлять появление подсинхронных колебаний генераторов электростанций, наоборот, при таком способе компенсации могут создаваться условия, благоприятные для их возникновения.
Конденсаторная батарея с тиристорным переключением (рис. 2)
Степень компенсации изменяется ступенчато. Все замечания к решению на рис. 1 остаются справедливыми и для этого решения.
Конденсаторная батарея с тиристорным управлением (рис. 3)
Степень компенсации регулируется практически в любых пределах. Это решение также позволяет управлять стабильностью передачи и подавлять возникновение подсинхронных колебаний. Тиристоры работают в режиме подстройки фазы. Модуль TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor – конденсаторная батарея с тиристорным управлением) в процессе работы представляет собой либо конденсатор переменной емкости, либо дроссель переменной индуктивности. Однако переключение из режима емкости в режим индуктивности и обратно невозможно без промежуточного отключения из-за резонансных явлений.
Модули TCSC обычно обладают достаточной динамикой для подавления подсинхронных колебаний.

Поперечная компенсация
Устройство, включенное в среднюю точку линии и способное поглощать и возвращать реактивную мощность, обеспечивает постоянство напряжения в этой точке. При этом транспортный угол снижается вдвое и соответственно может быть увеличена передаваемая мощность.
Такие устройства были разработаны более 30 лет назад. Решение состоит в подключении к линии емкости, а параллельно ей – регулируемого устройства, способного компенсировать избыточную реактивную мощность для поддержания постоянного значения напряжения в точке подключения (рис. 4).

Рис. 4 Схема устройства поперечной компенсации в линии I(t)Frms – действующее значение тока; Urms – действующее значение напряжения; L – индуктивность реактора; С – емкость батареи конденсаторов; w – угловая частота; b – угол пропускания тока; QC – мощность конденсаторной батареи; QL – мощность реактора; QSVC – мощность статического тиристорного компенсатора	Рис. 5 Схема установки SVC
Рис. 6 Зависимость мощности от угла d Vs – напряжение источника; Vr – напряжение приемника; X – реактор, имеющий чисто индуктивное сопротивление

Индуктивность изменяется за счет использования тиристоров. Такие системы называются SVC (Static VAR Compensator) – ССКРМ (система статической компенсации реактивной мощности).
Статический контактор, управляющий силой тока в реакторе, генерирует в сети гармоники. Это послужило первой причиной для организации емкостей в систему фильтров. Существуют и другие причины, связанные со структурой сети, в основном с возникновением параллельного резонанса, из-за наличия емкостей в установке SVC.
В общем виде схема установки SVC показана на рис. 5. В нее входят цепь управления реактором TCR (Thyristor Controlled Reactor – реактор с тиристорным управлением) и цепь ступенчатого подключения элементов конденсаторной батареи TSC (Thyristor Switched Capacitor – конденсаторная батарея с тиристорным переключением).
По причинам экономического характера часто бывает затруднительно установить фиксированную значительную емкость. Это потребует также установки модуля TCR большой мощности. Поэтому используют несколько конденсаторных батарей. TSC могут подключаться или отключаться по отдельности, а TCR значительно меньшей мощности обладает функцией «верньера» для обеспечения постоянного управления реактивной мощностью.
Необходимо отметить, что сетевые SVC обычно обладают достаточной динамикой для того, чтобы подавлять возникновение подсинхронных колебаний. Когда в сети отсутствует нагрузка, из-за распределенной емкости линии происходит рост напряжения. Для его ограничения необходимо осуществлять поглощение реактивной мощности. Именно поэтому установки SVC часто проектируются с учетом необходимости служить и поглотительными устройствами.

Фазосдвигающий трансформатор
Угол d (между напряжениями) является важнейшим параметром регулирования мощности (рис. 6).
Фазосдвигающие трансформаторы используются начиная с 80-х годов для управления энергопотоками в сетях. В связи с сокращением государственного вмешательства в управление энергосетями, с развитием торговли электроэнергией и связей между энергосистемами различных стран, в настоящее время задача управления энергопотоками становится особенно актуальной.
Зависимость величины передаваемой мощности P от угла сдвига фаз, обеспечиваемого фазосдвигающим трансформатором, выражается следующим образом:

P = V²/X • sin (d – s) .

Регулирование угла сдвига фаз позволяет управлять активной мощностью. При дальнейшем усложнении технологии возможно регулирование и амплитуды, что позволяет управлять реактивной мощностью. На рис. 7 показана схема фазосдвигающего трансформатора.

Рис. 7 Схема фазосдвигающего трансформатора

Рис. 8 Принцип работы FACTS

Современные FACTS
(Гибкие системы передачи энергии переменного тока)

Рис. 9 Схема STATCOM

Системы FACTS появились около 15 лет назад. Предпосылками их разработки послужило появление на рынке запираемых электронных компонентов высокой мощности – IGBT, GTO, IEGT.
До сих пор широко применяются классические системы FACTS, основанные на использовании тиристоров (управление по току). Современные системы FACTS используют компоненты, которые могут управляться командами по напряжению. Важнейшее свойство FACTS – их способность поглощать или возвращать реактивную мощность – показано на рис. 8.
На рисунке V₀ – напряжение вторичной обмотки трансформатора, V_g – основная гармоника напряжения на выходе преобразователя. Преобразователь управляется в режиме PWM (Pulse Width Modulation – широтно-импульсной модуляции – ШИМ). Это оправдывает наличие фильтра между преобразователем и сетью.
Напряжение сети V₀ и напряжение на выходе преобразователя находятся в фазе. Возникновение любого различия между этими напряжениями вызывает падение напряжения на соответствующем реакторе продольной компенсации, также совпадающее по фазе с напряжением сети (UL). Знак этого напряжения соответствует знаку разности V₀ – V_g. Результирующий ток IL имеет сдвиг относительно этого напряжения на 90°.
При V_g < V₀ система работает в индуктивном режиме, при V_g > V₀ – в емкостном.
В соответствии с описанной структурой разрабатывались и уже применяются современные устройства продольной и поперечной компенсации.

Поперечная компенсация – STATCOM
(STATic synchronous COMpensator – Статический синхронный компенсатор) Хотя компенсаторы STATCOM (рис. 9) способны поглощать и возвращать реактивную мощность Q, их применение обычно ограничивается статической компенсацией по причинам экономического характера.
Обычно Q_max = Q_F + Q_STATCOM и Q_min = Q_F – Q_STATCOM, причем Q_STATCOM несколько выше величины Q_F, чтобы обеспечить возможность поглощения реактивной мощности при отсутствии нагрузки в сети.
Когда напряжение в точке подключения остается постоянным, компенсатор STATCOM ведет себя как компенсатор SVC. Однако в режиме ограничения мощности компенсатор STATCOM становится источником тока, тогда как компенсатор SVC приобретает свойства конденсатора. Компенсаторы STATCOM могут также вести себя как активные фильтры. Разумеется, за дополнительную функциональность компенсаторов STATCOM приходится и дополнительно платить.
Среди множества функций этих компенсаторов классическими являются следующие:

• регулирование напряжения путем поглощения или возврата реактивной мощности;
• подавление подсинхронных колебаний.

Продольная компенсация – SSSC
(Static Synchronous Series Compensator – Статический синхронный продольный компенсатор)
В этих системах удается исключить недостаток систем TCSC (конденсаторная батарея с тиристорным управлением), состоящий в невозможности плавного перехода от емкостного режима к индуктивному.
SSSC (рис. 10) может возвращать только реактивную мощность, за исключением случаев, когда контур постоянного тока получает подпитку от накопителя энергии.
В распределении энергии используется этот же принцип, который получил название DVR (Dynamic Voltage Restorer – система динамического восстановления напряжения), хотя по функциональности они несколько отличаются. Здесь целью является поддержка сети в отношении ее наиболее уязвимых потребителей при кратковременных возмущениях. Мощность имеющихся на рынке установок DVR не превышает 1 МВА.

Рис. 10 Схема SSSC
Рис. 11 Схема UPFC

Универсальная компенсация – UPFC
(Unified Power Flow Controller – Унифицированная система управления энергопотоками) Мощности систем STATCOM и других типов SSSC настолько высоки, что использование их без применения накопителей энергии достаточной емкости затруднительно. Если такая возможность отсутствует, мы должны быть в состоянии управлять величиной транспортного угла, как в случае использования фазосдвигающего трансформатора, но со значительно более высоким быстродействием. Система UPFC воплощает эту мечту в реальность без использования какого-либо накопителя энергии. Система UPFC представляет собой не что иное, как объединение систем STATCOM и SSSC (рис. 11).
Это наиболее сложная из систем FACTS. Она позволяет осуществлять следующие функции:

• непосредственное управление напряжением. Сложение или вычитание напряжений, фазированных узлом поперечной компенсации. Эти действия производятся над реактивной мощностью;
• поперечный компенсатор – путем управления поперечным преобразователем с переводом последнего в режим поглощения или возврата реактивной мощности. Напряжение должно поддерживаться постоянным;
• продольный компенсатор: путем добавления последовательного напряжения, со сдвигом на 90o по отношению к току связи. При этом необходимо управлять выходным напряжением и реактивной мощностью на выходе;
• фазосдвигающее устройство: если величина и фаза продольного напряжения таковы, что при поддержании такого же напряжения на выходе модуля оно уменьшает величину сдвига фаз по отношению ко входу. Это имеет важное значение при управлении передаваемой активной мощностью.

В следующем номере журнала Жак Куро остановится на проблемах распределения электроэнергии. Он рассмотрит технологии восстановления нагрузки, устранения флуктуации напряжения, способы компенсации посадок напряжения, вопросы выбора напряжения промышленной распределительной сети.