НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ЛЭП
Управляемая передача мощности

В связи с существенным увеличением стоимости строительства новых высоковольтных линий электропередачи возрастает роль повышения пропускной способности существующих и вновь сооружаемых ВЛ. Становится экономически выгодным увеличивать передаваемую по линии мощность вплоть до ограничения по нагреву за счет применения различных устройств.
О технологиях управляемой компенсации реактивной мощности Валерий Иванович Кочкин рассказал в прошлом номере нашего журнала («Новости ЭлектроТехники» № 3(45) 2007). Сегодня автор останавливается на устройствах современной силовой электроники, созданных для управления работой электропередачи.

Валерий Кочкин, д.т.н., зав. отделом средств регулирования напряжения и реактивной мощности в электрических сетях, Филиал ОАО «НТЦ Электроэнергетики» — ВНИИЭ, г. Москва

Пропускная способность линий 220–750 кВ ограничивается нагревом проводов и устойчивостью электропередачи. Причем с увеличением длины линий второй фактор (устойчивость) определяет предел передаваемой мощности. Известно, что передаваемая по линии без потерь активная мощность (АМ) и потребляемая по ее концам реактивная мощность (РМ) в зависимости от угла передачи d определяются как:

где U₁, U₂ – напряжения в начале и в конце линии;
Х_Л – индуктивное сопротивление линии;
d – угол между векторами ₁ и ₂.

Ограничения передаваемой мощности Р₀ вызваны необходимостью обеспечить статическую устойчивость в нормальном режиме с коэффициентом запаса по передаваемой мощности:

Также нужно обеспечить динамическую устойчивость в аварийном режиме и передачу требуемой мощности по ЛЭП в послеаварийном режиме с запасом К_Рзап 8%.

Как следует из выражения (1), предел передаваемой мощности P_ПР длинных ВЛ может быть увеличен за счет снижения сопротивления линии путем:

• деления линии на части при установке в середине линии статического тиристорного компенсатора реактивной мощности (СТК).
  Существенное повышение пропускной способности ЛЭП происходит в диапазоне углов 90^o < d 180^о или в так называемой зоне искусственной устойчивости, в которой аварийное отключение СТК может привести к потере устойчивости электропередачи;
• введения в линию устройства продольной компенсации (ПК) с емкостным сопротивлением Х_С. Кроме повышения пропускной способности линии, ПК позволяет перераспределять мощность между параллельными линиями электропередачи за счет изменения сопротивления ВЛ.

ГИБКИЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Устройства на основе современной силовой электроники, созданные для управления работой электропередачи, способны одновременно воздействовать на три указанных выше параметра (U, Х_Л, d), что повышает эффективность и обеспечивает гибкое управление режимами энергосистем. Такие технологии за рубежом называют FACTS (гибкие передающие системы переменного тока).

• обеспечение выдачи вводимых в эксплуатацию мощностей электростанций и надежного подключения новых нагрузок потребителей;
• повышение управляемости потоками мощности в процессе передачи электроэнергии между энергорайонами;
• усиление межсистемных связей и реализация системных эффектов;
• реализация проектов по экспорту электроэнергии.

Однако надежность работы энергосистем определяется балансами АМ и РМ в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах. Переход из одного состояния в другое требует применения для соблюдения указанных балансов в темпе процессов быстродействующих устройств, которые могут быть созданы только на основе силовой электроники.

Усовершенствованная полупроводниковая технология открыла в начале 90-х годов прошлого века путь к изготовлению запираемых (GTO и GCT) тиристоров, мощных транзисторов (IGBT) и быстродействующих диодов, шкала параметров которых охватывает напряжения от 2500 до 6000 В, а отключаемые токи от 1500 до 4000 А. Новая элементная база дала возможность приступить к созданию нового класса преобразователей – преобразователей напряжения и различных статических устройств на их основе (СТАТКОМ, параллельно-последовательный регулятор мощности, линии и вставки постоянного тока с новыми качествами, сеть постоянно-переменного тока, широкополосные активные и гибридные фильтры, фликер-компенсаторы и др.).

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Одномостовая схема преобразователя напряжения (ПН) приведена на рис. 1а. Преобразователь состоит из шести плеч, включающих в себя встречно-параллельные запираемые тиристоры ЗТ и обратные диоды ОД. Система управления обеспечивает длительность проводящего состояния каждого плеча, равную 180^о (оси 1, 2, 3 рис. 1б).
Импульсы управления поступают на запираемые тиристоры 3Т через 60^о с очередностью 1–2–3–4–5–6. При таком управлении на зажимах А, В и С ПН формируются напряжения в виде прямоугольников U_АВ, U_ВС и U_СА (оси 4, 5, 6), первые гармоники фазных напряжений которых равны:

U_А = U_В = U_С = U_П = 2 / p · U_d ,

где U_d – напряжение источника постоянной ЭДС;
U_П – напряжение преобразователя.
При параллельном подключении ПН через трансформатор Т₁ к шинам подстанции характеристики преобразователя можно определить по эквивалентной схеме (рис. 1в). Изменяя угол управления запираемых тиристоров и тем самым фазовое положение вектора UП по отношению к вектору сети U₁, а также значение U_П за счет регулирования U_d, получаем выпрямительный (рис. 1г), инверторный (рис. 1д) и компенсаторный (рис. 1е) режимы работы преобразователя. При этом энергетические характеристики ПН определяются как:

где Х_ф – фазное сопротивление ПН.

Откуда следует, что с помощью U_d и угла b вместе с изменением передаваемой через преобразователь АМ можно регулировать РМ на его входе в диапазоне как генерации, так и потребления.

Рассмотрение векторных диаграмм на рис. 1 показывает, что ПН можно представить в виде статического аналога синхронной машины, в которой регулируемое напряжение U_d источника постоянного тока – эквивалент напряжения (тока) ротора, полупроводниковый коммутатор – эквивалент статора, а угол управления – регулятор энергоносителя (вода, пар, газ) турбины или нагрузки насоса. При этом статическая синхронная машина охватывает все четыре квадрата режимов работы: генератор, двигатель с генерацией и потреблением РМ, что соответствует режимам преобразователя: инвертор, выпрямитель с генерацией и потреблением РМ.
Кроме того, полупроводниковый коммутатор осуществляет переключение фазных ЭДС шесть раз в течение периода промышленной частоты, оставляя неизменной за промежуток 60 эл. град. схему замещения (рис. 1ж). Объединение двух фаз позволяет, в отличие от традиционного СТК, осуществлять межфазовый обмен РМ, что снижает установленную мощность реакторного (до 15–20%) и конденсаторного оборудования (до 10% от мощности установки). Рассмотренный ПН используется как базовый модуль при создании гибких линий электропередачи (ГЛЭП). Поскольку стоимость преобразовательного оборудования ГЛЭП составляет 10–30% стоимости оборудования передач и вставок постоянного тока, идея гибкого управления ЛЭП становится привлекательной и с экономических позиций. Рассмотрим конкретные примеры построения и применения технических средств для ГЛЭП.

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ (СТАТКОМ)

Как следует из анализа работы ПН, режим работы компенсатора определяется углом управления b = 0 (рис. 1е). При этом Р_ПН = 0, а

т.е. значение и знак РМ зависят от разности напряжений сети и преобразователя, которая регулируется напряжением U_d. В реальных схемах СТАТКОМа в качестве источника постоянного напряжения U_d (рис. 1а) используется конденсаторная батарея С_d, напряжение на которой изменяется кратковременным переводом ПН в выпрямительный или инверторный режим. Вследствие этого в токе I_d появляется постоянная составляющая, заряжающая или разряжающая емкость батареи.

Воздействовать на первую гармонику напряжения преобразователя можно с помощью ШИМ, а также комбинаций степени модуляции с одновременным изменением U_d. Кроме того, для снижения высших гармоник тока, в отличие от показанной на рис. 1 двухуровневой схемы, используются трех- и более уровневые схемы. В начале 80-х годов в МОНИИПТ и ВНИИЭ была разработана научно- методическая основа расчетов параметров элементов СТАТКОМа, а также создан экспериментальный образец мощностью 1,7 Мвар на напряжение 10 кВ. Проведенные исследования подтвердили высокие эффективность и быстродействие данного преобразователя при его использовании в качестве компенсатора РМ. Работы в этом направлении проводятся в США, Японии, Швеции и др. странах. На фото 1 приведена фотография СТАТКОМа мощностью 50 Мвар и напряжением 15,75 кВ, разработанного ВНИИЭ для замены синхронного компенсатора на ПС Выборгская.

ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ (ППРМ)

Следующий пример применения ПН, два комплекта которых объединяются параллельно на стороне постоянного напряжения, показан на рис. 2а. При этом ПН₁ подключается к линии (шинам ПС) параллельно, а выходное переменное напряжение ПН₂ через трансформатор Т₂ включается последовательно в линию, образуя дополнительный последовательный вектор напряжения D, величина и фаза r которого изменяются с помощью систем управления ПН₁ и ПН₂ в широких диапазонах: DU = 0 ÷ (± DU_зад), r = 0 ÷ 360^O по отношению к синхронизирующему напряжению U₁ (рис. 2в). Образуемая ПН₁ и ПН₂ ВПТ (вставка постоянного тока) пониженной (по сравнению с передаваемой по ЛЭП) мощности может управлять режимами работы ЛЭП. Из рассмотрения эквивалентной схемы рис. 2б можно получить следующие выражения для АМ и РМ в долях базисной мощности S_баз = U₁U₂ / Х_Л:

Из анализа рис. 2в следует, что частными случаями общего режима работы являются:

Из анализа рис. 2в следует, что частными случаями общего режима работы являются:

• режим работы известного ФПУ, когда вектор D_ФПУ перпендикулярен вектору ₁ (r = 90^O);
• режим работы регулируемого устройства продольной компенсации линии (УПК), когда вектор D_УПК совпадает по фазе с вектором ₁₂, что соответствует углу r = 90^О – d/2. При этом Р_ПН = 0 и наличия ПН₁ не требуется.

В табл. 1 с использованием (4) приведены результаты расчетов максимальных активных передаваемых мощностей (Р_макс) и диапазона их регулирования (DР) для режимов работы ФПУ, УПК и ППРМ.
Данные табл. 1 показывают, что наиболее эффективным средством регулирования перетока АМ по ЛЭП является ППРМ как по передаваемой мощности, так и по диапазону ее регулирования.
Впервые проект такого регулятора мощностью 160 Мвар реализован на линии 138 кВ в штате Кентукки, США, для увеличения пропускной способности существующей ЛЭП и установления перетока мощности, указанного в соглашении о покупке-продаже электроэнергии.
Предварительные исследования эффективности рассмотренных управляемых устройств показывают, что переход от поперечного (параллельного) к продольному (последовательному) регулированию усиливает управляемость ЛЭП по АМ и улучшает динамическую устойчивость передачи. Наибольшими техническими возможностями обладает параллельно-последовательный регулятор мощности, объединяющий функции продольного, поперечного и фазового управления и воздействующий на U, Х_Л и d одновременно.

СЕТЬ ПОСТОЯННО-ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В настоящее время рассматриваются международные проекты объединения энергосистем заинтересованных стран, что позволит наиболее экономично реализовывать избытки электроэнергии каждого участника объединения, а также осуществлять взаимную помощь при внештатных ситуациях, например, в послеаварийных режимах работы отдельных энергосистем.
В частности, обсуждаются вопросы создания передающей системы Восток-Запад в Европе и энергетических колец стран Черноморского региона (Черноморское кольцо), Балтийского региона (Балтийское кольцо) и др. В качестве варианта объединения предлагаются многоподстанционные системы постоянного тока (МСПТ). На наш взгляд, проблема создания МСПТ существенно упрощается при использовании в качестве выпрямительно-инверторного устройства рассматриваемого преобразователя напряжения. Как показано выше, ПН по своей физической сути является источником ЭДС переменного тока и легко вписывается в общую структуру построения энергосистем переменного тока, в которых в качестве ЭДС используются синхронные генераторы. Другими словами, речь идет о создании сети постоянно-переменного тока.
Учитывая рассмотренные режимы работы ПН (рис. 1), представим на рис. 3 сеть постоянно-переменного тока, кольцо постоянного тока которой с напряжением ±U_d охватывает n (в данном примере n = 5) независимых энергосистем. Разрыв по сечению 1–1 отражает радиальную ППТ с отборами мощности.
Преобразователь ПН₁ является ведущим, осуществляющим передачу мощности от крупной энергосистемы ЭС₁ и работающим в выпрямительном режиме. Для простоты рассмотрения считаем, что другие преобразователи (ПН₂–ПН₅) работают в инверторном режиме, передавая АМ в свои местные энергосистемы ЭС₂–ЭС₅. Очевидно, что:

На ПН₁ возлагается функция регулирования и стабилизации постоянного напряжения U_d. При этом внешняя характеристика ПН₁ представляется на рис. 3б прямой 1, параллельной оси I_d. Внешние характеристики других преобразователей при отсутствии в них регулирующих устройств отображаются прямыми 2–5. Пересечения внешних характеристик выпрямителя и инверторов определяют устойчивые режимы работы каждого преобразователя, а сумма токов и мощностей при U_d = const соответствует выражению (5). При изменении угла управления любого инверторного преобразователя изменяется его ток и мощность, что приведет к соответствующему изменению мощности ведущего преобразователя ПН₁, т.к. нарушение баланса АМ приведет к изменению U_d, а его восстановление произойдет за счет изменения мощности ПН₁. Поведение преобразователей при U_d = const по АМ и РМ характеризуется графическими зависимостями на рис. 3в, анализ которых показывает:

• линейное изменение активной мощности ПН при b = cоnst; при этом незначительный диапазон углов управления (0 ÷ 10^O) существенным образом влияет на передаваемую в энергосистему АМ;
• согласованное изменение РМ преобразователя при колебаниях напряжения сети (генерация Q при снижении напряжения ниже номинального значения, и потребление Q при увеличении напряжения выше номинального значения);
• незначительные отклонения кривых зависимостей РМ в реальном диапазоне углов управления ПН (0 – ÷10^O).

Преобразователи ПН₂–ПН₅ управляются по критерию Р = cоnst (или I_d = cоnst при U_d = cоnst). Уставка АМ Р_УСТ задается формирователем уставки (ФУ) – диспетчером местной энергосистемы централизованно или автоматическим регулятором частоты.

Введение ШИМ в систему управления позволяет разделить регулирование АМ и РМ при постоянстве U_d по алгоритмам:

где U_n = К_м • U_d;

К_м – коэффициент модуляции.

Применение преобразователя напряжения в качестве управляемого элемента электрических сетей переменного тока, передач и вставок постоянного тока и комбинированных систем постоянно-переменного тока открывает новые технологические возможности ведения режимов энергосистем по активной и реактивной мощности.