ФАЗОПОВОРОТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
Впервые в СНГ применен в Казахстане

Развитие электроэнергетики предполагает не только строительство новых линий электропередачи, но и повышение управляемости электрических сетей путем применения усовершенствованных технических средств (в том числе управляемых реакторов, статических тиристорных компенсаторов, фазоповоротных трансформаторов, вставок постоянного тока и др.). Это позволяет повысить пропускную способность электрических сетей, надежность и экономичность их работы.
В конце 2007 года впервые в СНГ один из упомянутых элементов, а именно фазоповоротный трансформатор, был использован в энергосистеме Казахстана. О расчетах, подтверждающих необходимость применения этого устройства, рассказывают наши авторы из Петербурга и Алматы.

Георгий Евдокунин, д.т.н., профессор,
Роман Николаев, инженер, СПбГПУ, г. Санкт-Петербург
Аскар Искаков, к.т.н., управляющий директор,
Бауржан Оспанов, председатель совета директоров, корпорация TSC group
Нуржан Утегулов, к.т.н., генеральный директор Холдинга TSC-энерго г. Алматы, Республика Казахстан

В стратегической перспективе развитие генерирующих мощностей Казахстана будет в основном базироваться на применении экологически чистых угольных технологий (циркулирующий кипящий слой, водоугольное топливо и др.), а в среднесрочной – на строительстве атомных электростанций с энергоблоками средней мощности.
Месторождения энергетических углей концентрируются в Северной зоне ЕЭС Казахстана, и развитие действующих на их базе крупных топливно-энергетических комплексов потребует обеспечения дальнего транспорта электроэнергии по ЛЭП высших классов напряжения (330 кВ и выше) и ее распределения по сетям 110 кВ регионального уровня.
Западная зона ЕЭС Казахстана имеет электрическую связь с Северной зоной по трем существующим ВЛ 220 кВ ОЭС Урала – Актюбинский э/у: ВЛ ПС Новотроицкая – ПС Ульке (в габаритах 500 кВ), ВЛ ПС Орская – ПС Кемпирсай, ВЛ ПС Орская – ПС Актюбинская. Пропускная способность указанного сечения при его работе на напряжении 220 кВ составляет 600 МВт. Перевод ВЛ Новотроицкая – Ульке на номинальное напряжение 500 кВ увеличит пропускную способность данного сечения до 1000 МВт. Все перечисленные линии электропередачи проходят в основном по территории РФ и находились на балансе РАО «ЕЭС России», а затем были переданы на баланс Федеральной сетевой компании (ОАО «ФСК ЕЭС»).
Системный оператор ЕЭС Казахстана (АО KEGOC) в течение ряда лет вел переговоры с РАО «ЕЭС России» о предоставлении услуг по транзиту казахстанской электроэнергии по указанным ЛЭП. Данный вопрос неоднократно выносился на уровень казахстанскороссийской межправительственной комиссии по экономическому сотрудничеству. Однако РАО «ЕЭС России» и ФСК так и не дали своего согласия на транзит электроэнергии от экибастузских ГРЭС в Западную зону ЕЭС Казахстана по электрическим сетям РФ.
При этом ситуация с ростом дефицита мощности в Актюбинском энергоузле нарастала. Так, в 2007 г. он составил 275 МВт, а к 2015 г. увеличится до 600 МВт. В связи со сложившимся положением с электроснабжением Актюбинской области и в целях обеспечения энергетической независимости Западной зоны ЕЭС Казахстана от импорта электроэнергии, правительством Казахстана было принято решение о строительстве ВЛ-500 кВ Северный Казахстан – Актюбинская область, трасса которой пройдет по территории республики, со сроком завершения строительства в 2008 г.
Проектные проработки показали, что строительство новой электропередачи 500 кВ ПС Жетыгара (Кустанайская обл.) – ПС Ульке (Актюбинская обл.), протяженность которой составляет около 500 км, при ее традиционном исполнении не позволит загрузить эту линию, т.к. она окажется «электрически шунтирована» линиями юга России. Возникла необходимость в установке устройства, позволяющего регулировать величину передаваемой мощности по электропередаче 500 кВ Жетыкара-Ульке. Таким устройством является фазоповоротный трансформатор (ФПТ), установка которого впервые на пространстве СНГ реализуется на межсистемной связи 500 кВ Северный Казахстан – Актюбинская область (проектом предусмотрена установка ФПТ на ПС-500/220 кВ Ульке).
ФПТ – устройство, которое осуществляет преднамеренное поперечное регулирование напряжения, в результате чего изменяется угол между векторами напряжений по концам электропередачи (в которую включен ФПТ) и, как следствие, происходит желаемое изменение мощности, передаваемой по этой электропередаче, вне зависимости от параметров шунтирующих связей.
Заметим, что такие трансформаторы уже нашли применение за рубежом [1-3 и др.] и входят в семейство устройств, создающих гибкую (управляемую) систему переменного тока (в зарубежной терминологии – FACTS – Flexible AC Transmission Systems).

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Рассмотрим схему электропередачи (рис. 1), содержащую воздушную линию (ВЛ), представленную индуктивным сопротивлением X^вл, и ФПТ. Если записать уравнения связи токов и напряжений и подставить их в уравнение для полной мощности, то можно получить формулу угловой характеристики мощности для цепи, содержащей ФПТ:

Подставив в формулу значение j = 0, получим известную формулу угловой характеристики мощности ВЛ.
Рассмотрим цепь с фазоповоротным трансформатором (рис. 2), отличающуюся от цепи на рис. 1 наличием параллельной шунтирующей ветви. Потоки мощностей по ветвям выражаются формулами:

Одной из практических задач применения ФПТ является задача перераспределения передаваемых по параллельным ветвям мощностей. Например, потребуем, чтобы P₁ была много больше P₂ независимо от индуктивных сопротивлений линий Х₁ и Х₂.
Тогда из (2) следует, что угол d должен становиться малым и для передачи мощности по направлению стрелок (рис. 2) угол ФПТ .
должен быть положительным (см. векторную диаграмму на рис. 3).
Рассмотрим пример, иллюстрирующий возможности регулирования потокораспределения по ветвям с помощью ФПТ.
Пусть U₁ = U₂ = 500 кВ; Х₁ = Х₂ = 150 Ом, P_S = P₁ + P₂ = 400 МВт.

Определим, каким должен быть угол ФПТ j, чтобы обеспечить следующее условие:

поток мощности по линии 1 должен составлять P₁ = 0,75 · P_S = 0,75 · 400 = 300 МВт;
поток мощности по линии 2 должен составлять P₂ = 0,25 · P_S = 0,25 · 400 = 100 МВт.

Решение, вытекающее из уравнения (1):

Построим векторную диаграмму (рис. 3). Из рисунка видно, что для обеспечения принудительного перераспределения мощности по параллельным ветвям с помощью ФПТ необходимо, чтобы вектор U^'₁. отставал от вектора U₂.

Физически это объясняется тем, что при росте нагрузки в первой ветви угол между напряжениями U₁ и U^'₁. растет и при заданном направлении мощности вектор напряжения U₁ должен опережать U^'₁.
При этом угол между векторами напряжения U₁ и U₂ уменьшается (U^'₁ опережает U₂).

Таким образом, для того чтобы обеспечить равенство углов по параллельным ветвям 1 и 2, необходимо с помощью ФПТ «довернуть» угол между напряжениями U^'₁ U₂ до такой величины, пока не будет достигнуто искомое равенство углов (между напряжениями U₁ и U₂). Схематически это изображено на рис. 4.

РАСЧЕТЫ РЕЖИМОВ С УЧЕТОМ ПРИМЕНЕНИЯ ФПТ

Расчеты электрических режимов и статической устойчивости для первой электропередачи с ФПТ для стран СНГ проводились в полной схеме замещения ЕЭС Казахстана с учетом примыкающих сетей ОЭС Сибири и ОЭС Урала по программному комплексу Rastr.
При этом установка этого устройства поперечного регулирования напряжения предусматривалась на приемной ПС 500/220 кВ Ульке (Актюбинский энергоузел) с целью повышения загрузки новой ВЛ 500 кВ Жетыгара–Ульке от ПС Жетыгара и моделировалась при помощи задания трансформаторной ветви с ненулевой мнимой составляющей коэффициента трансформации.
Были проведены расчеты при различных углах фазового сдвига ФПТ с целью определения требуемого значения угла поворота, при котором поток мощности по сооружаемой ВЛ 500 кВ Жетыгара–Ульке окажется близким к значению дефицита Актюбинского энергоузла (342 МВт на уровне 2015 г.). В табл. 1 приведены значения потоков мощности по ВЛ при различных углах поворота ФПТ. Расчеты показывают, что поток, близкий к балансовому, достигается при угле +20^O.
Видно, что при изменении угла ФПТ в диапазоне от 0 до +20^O и неизменном суммарном потоке по рассматриваемому сечению (порядка 350 МВт) изменяется потокораспределение по линиям в сторону наибольшей загрузки ВЛ 500 кВ Жетыгара–Ульке.
По результатам выполненных расчетов можно сделать вывод о том, что возможно изменить потокораспределение в сторону наибольшей загрузки новой ВЛ 500 кВ при значениях угла фазового сдвига ФПТ до +20^O, при этом потокораспределение является близким к оптимальному с минимальными потерями в линиях.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ФПТ

ФПТ, однофазная схема которого приведена на рис. 5, а трехфазная схема – на рис. 6, спроектирован и находится в производстве на АО «Запорожтрансформатор». Заметим, что такая конструкция ФПТ оригинальна и отличается от зарубежных аналогов [1, 3 и др.].
ФПТ состоит из автотрансформатора (АТ) и вольтодобавочного трансформатора (ВДТ). Регулирование напряжения производится путем изменения на АТ и ВДТ регулировочных ответвлений (номеров отпаек х и у). Число ступеней регулирования в реальной конструкции составляет 16 как у АТ, так и у ВДТ, при этом угол изменяется в пределах 0.22,4 электрических градусов в режиме холостого хода ФПТ.
Идею поперечного регулирования с ФПТ можно легко увидеть с помощью векторной диаграммы напряжений (рис. 7).
Фазный вектор выходного напряжения U_1A образуется сложением вектора фазного напряжения на стороне СН АТ и составляющим с ним угол 90⁰ вектором DU_a напряжения РО ВДТ, угловой сдвиг которого определяется соответствующим подключением к обмотке НН АТ, соединенной треугольником (см. рис. 6, где представлена трехфазная схема ФПТ). Вектор DU_a направлен таким образом, чтобы вектор напряжения сети 220 кВ U_1A опережал вектор напряжения автотрансформатора U^'_A. соответственно при вращении векторов против часовой стрелки.

Для схемы ФПТ (рис. 6), схемы замещения АТ (рис. 8) и схемы замещения ВДТ (как обычного двухобмоточного трансформатора) были написаны уравнения согласно 1-му и 2-му законам Кирхгофа. Совместное решение записанных уравнений позволяет вывести уравнение ФПТ, например, для напряжения U_1A = f(U_2A, I_1A):

где: k_ВС, k_СН, k_ВДТ –соответствующие коэффициенты трансформации (отношения чисел витков);
x_ВДТ – сопротивление ВДТ, приведенное к обмотке низкого напряжения;
x_СН – сопротивление АТ обмотки СН, приведенное к обмотке среднего напряжения;
x_ВС – сопротивление АТ обмотки ВС, приведенное к обмотке высокого напряжения.
x_АГР приведено к обмотке СН.
Уравнение ФПТ для тока I_2A = f(I_1A):

Таким образом, схема замещения ФПТ, состоящего из АТ и ВДТ для токов и напряжений прямой последовательности, имеет вид, показанный на рис. 9.
Схема замещения состоит из идеального трансформатора с коэффициентом трансформации k^'_BC, фазоповоротного трансформатора e^+jj и суммарной реактивности x_агр.

ИНДУКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ФПТ

Приведем ранее записанное выражение для сопротивления ФПТ к стороне высокого напряжения:

РАБОТА ФПТ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ

Рассмотрим работу ФПТ в упрощенной схеме энергосистемы с использованием полученной схемы замещения ФПТ (рис.11). Линия ВЛ1 представляет собой строящуюся линию электропередачи от ПС Жетыгара до ПС Ульке.
Линия ВЛ2 – это шунтирующая связь. Сопротивление ВЛ2 было получено путем эквивалентирования исходной схемы. При эквивалентировании применялся метод переноса нагрузок на границы преобразуемого участка.
Идеальный трансформатор в схеме замещения связывает классы напряжений 500 и 220 кВ.
Нагрузка в схеме замещения представляет собой эквивалент всей нагрузки рассматриваемой части энергосистемы Казахстана, значение которой было найдено после преобразования схемы. Для простоты расчета в схеме замещения нагрузка представлена активным сопротивлением.
Зависимость перетока мощности по строящейся ВЛ1 от (х, у) на плоскости показана на рис. 12. В режиме, когда ВДТ выведен из работы (это соответствует у = 0), по ВЛ1 передается мощность в пределах от 115 МВт до 128 МВт. При изменении отпаек ВДТ (у) происходит загрузка ВЛ1. При максимальной отпайке ВДТ (у = 16) мощность будет изменяться в пределах от 275 до 330 МВт. Как видно, регулирование коэффициента трансформации АТ (х) также влияет на загрузку ВЛ1.

ВЫВОДЫ

1. Для энергосистемы Казахстана, работающей параллельно с энергосистемой России, определено максимальное значения угла поворота ФПТ, обеспечивающего требуемое распределение мощностей в заданном сечении. Этот угол равен 200.
2. Впервые разработана математическая модель ФПТ реальной конструкции, получена схема замещения ФПТ и определены числовые параметры схемы.
3. Проведены расчеты режимов с реальной моделью ФПТ, подтвердившие возможность принудительного перераспределения мощностей в электрической системе при приемлемых параметрах режимов.

ЛИТЕРАТУРА

1. B.K. Patel, H.H. Smith, T.S. Hewes, Jr.W.J. Marsh. Application of Phase Shifting Transformers for Daniel-Mcrnight 500 kV Interconnection, IEEE Transactions on PD, Vol. 1, # 3, July 1986, pp. 167–173.
2. R.S. Thallam, T.G. Lundquist, D.W. Gerlach, S.R. Atmuri, D.A. Selin. Design Studies for the Mead-Phoenix 500kV AC Transmission Project, IEEE Transactions on PD, Vol. 10, № 4, Oct. 1995, pp. 1862–1874.
3. P. Hurlet, J-C. Riboud, J. Margoloff, A. Tanguy. French Experience in Phase-Shifting Transformers, CIGRE 2006 , Paper A2-2004.