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

Изменения напряжения можно разделить на две группы: изменения при передаче и изменения, связанные с использованием электроэнергии. При распределении важное значение имеют два аспекта: удовлетворение требований по качеству в точке подключения и непрерывность электроснабжения, т.е. отсутствие отключений и посадок напряжения.
В настоящее время имеется возможность установки оборудования, которое способно предотвратить или заметно ослабить отклонения напряжения. Очевидно, что в рассматриваемых типичных случаях в качестве средства ликвидации или компенсации отклонений используют накопители энергии в какой-либо форме: реактивной, активной или одновременно обеих.
Во всех случаях мощность короткого замыкания в точке подключения нагрузки является определяющим и даже критическим фактором. Чем мощнее источник, тем меньше отклонения при передаче и влияние нагрузок (резкопеременных или мощных).
На рис. 1 мы постарались обобщить и классифицировать различные виды изменений напряжения в сети с целью выбора мер, наиболее подходящих для устранения возмущений.

Естественно, что принимаемое решение зависит от типа сети и вида подключенных потребителей. Если величина флуктуаций напряжения не выходит за рамки допустимых пределов, совершенно ясно, что никакой коррекции проводить не требуется. Возможны медленные изменения напряжения, выходящие за эти рамки. Это, скорее, проблема энергоснабжающей компании, чем потребителя, связанная с длиной линии, недостаточной мощностью короткого замыкания (мощностью источника). Посадки напряжения также относятся к вопросам энергоснабжающей компании и связаны с задержками в отключении коротких замыканий и отказами оборудования. Флуктуации напряжения, с другой стороны, происходят в основном из-за плохого согласования мощности источника с быстро изменяющейся в ходе производственных процессов нагрузкой у потребителей.

Восстановление электроснабжения нагрузки (например, после АВР), более известное как самозапуск, создает значительные токи. Уровень напряжения при этом снижается, что может оказывать серьезное влияние на устойчивость работы всей сети.
При снижении напряжения некоторые потребители сохраняют уровень потребляемой мощности, что приводит к росту потребляемого тока. Типичным примером являются асинхронные электрические машины (рис. 2). При снижении напряжения их скорость сохраняется постоянной, что приводит к росту потребляемого тока. При возвращении напряжения к нормальному значению наблюдается рост потребляемого тока за счет протекания переходных процессов.

Изменения напряжения в сети происходят из-за изменений не столько активной, сколько реактивной мощности.
Приведем почти точную формулу относительного изменения напряжения (по отношению к напряжению холостого хода распределительной сети) согласно рис. 3.

Необходимо отметить, что фиксированная компенсация не оказывает влияния на изменения напряжения, вызванные флуктуациями реактивной мощности. Если уровень фиксированной компенсации слишком велик по отношению к минимальному расходу реактивной мощности, возникает риск избыточной компенсации, которая может привести к повышению напряжения у потребителей.
Для мало меняющихся нагрузок в прошлом часто использовались синхронные компенсаторы, синхронные электрические машины с перевозбуждением, способные генерировать реактивную мощность. С течением лет, с ростом динамики процессов и ужесточением требований к стабильности сетей, получили распространение средства статической компенсации – системы SVC и STATCOM, о которых мы рассказывали в первой части материала.

Для стабилизации напряжения распределительных сетей используются те же средства, что и в сетях передачи, хотя цели их применения несколько различаются. Встает вопрос об управлении напряжением и повышении коэффициента мощности. Сложности в основном возникают из-за быстро меняющихся нагрузок, таких, как прокатные станы, сварочные агрегаты и более всего дуговые печи. На рис. 4 приведен характерный пример обобщенной распределительной сети с возмущениями, которые устраняются с помощью установки SVC. На рисунке показаны конденсаторы, установленные в составе фильтров для подавления гармоник; емкость конденсаторов подобрана таким образом, чтобы возвращать реактивную мощность, необходимую для поддержания заданного значения tg j; имеется также поглотитель (TCR-дроссель с тиристорным управлением), предназначенный для компенсации избыточной емкости в необходимых случаях. Ясно, что для поддержания постоянного значения напряжения в сети или хотя бы для исключения изменений, поступление реактивной мощности в распределительную сеть должно быть нулевым или постоянным.

Проблемы, вызываемые изменениями напряжения, известны под названием фликкер-эффекта (мерцания). Этот эффект определяется Pt (дозой фликкера). Следует напомнить, что Pt не является ни мгновенной, ни средней величиной. Это оценка серьезности проблем, вызываемых фликкер-эффектом, а не самого фликкер-эффекта. Необходимо отметить, что ни одна из существующих ныне рекомендаций по предварительной оценке фликкер-эффекта не является полностью удовлетворительной.
UIE разработала международный измеритель фликкер-эффекта, который использует два критерия для оценки его серьезности: PSt – кратковременную дозу фликкера и PLt – длительную дозу фликкера. Этот прибор, таким образом, основан на моделировании, использовавшемся в ходе исследований, и на контрольных измерениях.
Уровень фликкер-эффекта был стандартизован включением в спецификацию рекомендаций IEC 868 (таблицы 1 и 2). Это мгновенное измерение флуктуаций напряжения в диапазоне частот 0,5–35 Гц со взвешиванием по методике «lamp-eye».
После этого полученное таким образом значение уровня фликкер-эффекта подвергается анализу (расчет PSt и PLt) для проведения статистической обработки, которая и позволяет оценить серьезность воздействия фликкер-эффекта. На этом этапе статистический подход позволяет вывести функцию, отражающую корреляцию между видимым уровнем фликкер-эффекта и соответствующими долями его длительности. Серьезность воздействия фликкер-эффекта рассчитывается для стандартных промежутков времени (10 мин для коротких возмущений и 2 часа для длительных возмущений).
Проведенные в Европе, США и Японии исследования промышленных установок, включая дуговые печи, показали, что использование систем SVC позволяет снизить PSt до 1,5–2,6. Этот диапазон эффективности сильно зависит от мощности печи, мощности короткого замыкания, проведенной оптимизации и от качества управления.
Обычно используют несколько формул. Все они, естественно, включают мощность короткого замыкания печи (SCCF) и сети (SCCR) в общей точке подключения. Формулы эти имеют двойственное происхождение, теоретическое и эмпирическое. В них входят эмпирические коэффициенты, значения которых определяются на основе опыта пользователя.
Первая серьезная попытка оценить проблемы, вызываемые фликкер-эффектом, была предпринята в Японии на основе критерия, который используется иногда и теперь: Dv10.
Можно установить зависимости этого критерия с изменениями напряжения в сети Dv10 = Dv_max/3,6 и с максимальной PSt:
PSt = 3 • Dv10, Dv10 выражается в %; следовательно, максимальную PSt можно выразить следующим образом:

Для защиты маломощных потребителей ответственного назначения всегда возможно применение автономных преобразователей. Проблема осложняется при более высоких потребляемых мощностях, достигающих сотен киловатт и даже десятков мегаватт (например, вариаторы скорости в нефтехимической промышленности).
Поскольку для обеспечения бесперебойного течения технологического процесса при отключении электроэнергии всегда требуются накопители энергии, было бы глупо думать, что используемые в настоящее время обратные преобразователи способны хранить количество энергии, достаточное для компенсации посадок напряжения, длительность которых превышает несколько миллисекунд.
Для того чтобы обеспечить 1 МВт в течение одной секунды при снижении напряжения на 100 В за счет преобразователя напряжения мощностью 1 МВт с промежуточным напряжением 800 В постоянного тока, он должен иметь батарею конденсаторов емкостью 10 фарад, что абсолютно нереально. Необходимо искать другие решения. Некоторые их них относительно универсальны, поскольку действуют на уровне сети, остальные обусловлены типом технологического процесса потребителя.

Использование шин постоянного тока имеет две причины: развитие преобразователей напряжения и необходимость уменьшить загрязнение внутренней сети предприятия гармониками. Эта технология получила наибольшее распространение в металлургии и бумажной промышленности. Если возникает необходимость перераспределять энергию между различными приводами, участвующими в производственном процессе, логично найти такое решение, которое позволит производить перераспределение без выхода в сеть переменного тока, что исключит загрязнение последней.
Рис. 7 иллюстрирует принцип действия шин постоянного тока. Некоторые установки включают в себя до 20 приводов, объединенных только общим конечным продуктом, например, листовым металлом. Последствия сбоя электроснабжения в таком случае весьма тяжелы. Только на удаление испорченного при отключении продукта из установки может потребоваться несколько часов. Следовательно, необходимо иметь хотя бы минимальный запас энергии, которая должна быть доступна в инерционной форме внутри самого технологического процесса. Если процесс не обладает достаточными ресурсами энергии, их необходимо предоставить. Можно рассмотреть несколько решений.
На рис. 8 показаны два варианта накопления энергии: один – классический, с использованием аккумуляторной батареи, второй – инерционный. Во втором случае необходимо использовать несколько систем управления, которые будут питать двигатель с большой скоростью вращения, например, 6000 об/мин, чтобы иметь необходимый запас инерции для обеспечения энергией при сбоях электроснабжения.


Рис. 7. Принцип действия шин постоянного тока

Накопители энергии используются для компенсации посадок напряжения. Сверхпроводимость является одним из наиболее многообещающих способов хранения электроэнергии, хотя в настоящее время в Европе практически не используется. В течение последних нескольких лет ныне широко используемое явление высокотемпературной сверхпроводимости получило практическое применение в нескольких установках в Канаде и в США – либо для повышения надежности работы ответственных потребителей, либо для стабилизации сетей.
На рис. 9 показана классическая компоновка системы с хранением энергии в сверхпроводящей обмотке. Принцип действия прост: ток циркулирует в сверхпроводящей обмотке, энергия из сети потребляется только для возмещения потерь. При сбое в распределительной сети (посадке напряжения) электромагнитная энергия, хранящаяся в обмотке, освобождается для подпитки «рестабилизированной» сети. Существуют установки, способные выдавать 10 МВт в течение нескольких секунд, однако типичным является 1 МВт в течение 1–2 с.

Распределительные сети должны соответствовать нуждам потребителей. Некоторые производственные процессы требуют мощности в несколько сотен МВт. Примером являются цехи по производ ству алюминия: 450 кА постоянного тока при напряжении 1000 В.
К таким предприятиям обычно приходят ЛЭП с напряжением свыше 300 кВ. И здесь возникает вопрос выбора напряжения для распределительной сети, к которой будут подключаться фильтры и компенсационное оборудование. Ответом на этот вопрос может стать организация нескольких распределительных сетей, обслуживающих одно и то же предприятие. Такое решение достаточно часто оправдывает себя, хотя бы с точки зрения надежности электроснабжения. При сбоях в сети лучше потерять 50% мощности, чем всю. Существуют простые правила для проектирования распределительных сетей:

• Токи короткого замыкания. Их значения должны быть сравнимы с параметрами имеющейся на рынке коммутационной аппаратуры (разъединителей). Разработка или применение уникальных разъединителей под специфическую задачу является стратегической ошибкой, во-первых, из-за высокой стоимости и длительности изготовления, и во-вторых, из-за возможных проблем с запасными частями и обслуживанием. При заданной мощности чем ниже напряжение, тем выше токи короткого замыкания.
• Напряжение. При заданной мощности чем выше напряжение, тем ниже ток. Это замечание относится и к гармоникам. В результате чем ниже напряжение, тем требуются большие конденсаторные батареи-фильтры.
• Полное сопротивление короткого замыкания. Чем ниже полное сопротивление, тем более тонкая фильтрация необходима для нормальной работы. В этом случае для эффективной работы фильтры должны иметь низкое сопротивление на частоте резонанса.
  Если фильтрация не является полностью удовлетворительной, различные группы, питающие серию, например, электролитических ванн, не будут полностью разделены. Другими словами, отключение одной группы будет влиять на остальные группы. В результате оптимальный расчет трансформаторов групп станет невозможным и придется производить их выбор по экономическим соображениям.

Сети передачи и распределения электрической энергии являются одним из важнейших ключей к будущему. Качество электроэнергии в значительной степени связано с процессами ее передачи и распределения. Оно является критическим параметром для современного производства.
Развитие электрических сетей во всем мире, рост числа межсетевых соединений предъявляют новые требования к надежности, защищенности и в особенности к качеству управления энергопотоками. Для удовлетворения этих требований XXI века появляются современные средства как на уровне проектов, так и на уровне готового оборудования.
В настоящей статье описан ряд технологий и систем для решения этих проблем. Большинство из них основаны на принципах, которые были известны еще полстолетия назад. Решающее значение имеет вклад силовой электроники, являющейся ключом к развитию на протяжении грядущих десятилетий.