Современная электроэнергетика
Главная   >>   Современная электроэнергетика

Современная электроэнергетика

11.7. Управляемые гибкие линии переменного тока

Передача и распределение электрической энергии осуществляются в настоящее время в основном по линиям переменного тока. Интенсивное строительство этих линий во второй половине XX в. в развитых странах привело к тому, что строить новые линии стало весьма затруднительно, главным образом, из-за проблем, связанных с отводом земли. В то же время продолжающийся рост нагрузки в сложнозамкнутой сети требует увеличения пропускной способности существующих линий электропередач и управления их режимами. Поэтому в последние годы интенсивно обсуждается вопрос о возможных путях решения этой задачи.

В настоящее время разработан ряд устройств, позволяющих изменять параметры линии переменного тока и управлять потоком мощности по ней, причем выполнять это практически безынерционно. Линии, оснащенные такими устройствами, получили название гибких линий.

Гибкие линии позволяют:

  • повысить пропускную способность существующих линий вплоть до теплового предела по нагреву проводов;
  • обеспечить принудительное распределение мощности в сложной неоднородной сети в соответствии с требованиями диспетчера;
  • повысить устойчивость системы.

Следует отметить, что начало этим работам было положено еще в 60-х годах XX в., когда в ряде стран, в том числе и нашей, были развернуты исследования по статическим источникам реактивной мощности, обладающим большим быстродействием. Эти устройства позволяли стабилизировать напряжение в отдельных узлах электроэнергетических систем и тем самым способствовать повышению пропускной способности линий электропередач и устойчивости систем. Были исследованы различные типы таких устройств и созданы опытно-промышленные образцы некоторых из них. Однако широкому внедрению этих устройств в то время препятствовало отсутствие достаточно мощных тиристоров, главным образом полностью управляемых (запираемых) тиристоров.

В настоящее время промышленностью освоен выпуск запираемых тиристоров на напряжения 4—6 кВ и токи 1—3 кА. Это позволило создать новые образцы устройств, которые могут применяться для решения поставленной задачи.

Можно показать, что мощность, передаваемая по линии переменного тока, зависит от напряжений по концам линии, фазового угла сдвига между ними и суммарного реактивного сопротивления этой линии. Поэтому управление мощностью такой линии может быть осуществлено:

  • путем стабилизации напряжений по ее концам, поскольку напряжения в узлах сложной сети могут меняться, а в некоторых режимах, особенно послеаварийных, могут достигать критически низких значений;
  • изменением фазового сдвига между напряжениями по концам линии;
  • изменением суммарного реактивного сопротивления линии;
  • комбинацией этих способов.

В соответствии с этим все устройства, предназначенные для регулирования мощности и пропускной способности линий переменного тока, могут быть разделены на несколько типов.

К первому из них относятся статические управляемые источники реактивной мощности, которые получили название статические тиристорные компенсаторы (СТК) и предназначены для стабилизации напряжения в соответствующих узлах электрической сети и, следовательно, повышения ее пропускной способности. С этой точки зрения СТК аналогичны обычным синхронным компенсаторам, однако в отличие от последних обладают существенно более высоким быстродействием. К этому типу относятся и устройства, исследовавшиеся в 60-х годах XX в.

Ко второму типу устройств относятся устройства, позволяющие изменять суммарное реактивное сопротивление линии. Поскольку последнее является, главным образом, индуктивным сопротивлением, то оно может быть изменено путем последовательного включения в линию емкости или последовательного введения в линию дополнительного напряжения, эквивалентного напряжению на этой емкости.

Включение емкостного сопротивления в линию для повышения ее пропускной способности известно давно. Такое устройство получило название установки продольной компенсации (УПК). Однако до последнего времени такие устройства выполнялись нерегулируемыми. В то же время для изменения пропускной способности данной линии в различных режимах сети требуется регулируемая продольная компенсация. Причем управление сопротивлением линии должно осуществляться в темпе процессов, происходящих в электроэнергетической системе.

К третьему типу устройств, регулирующих мощность и пропускную способность линий переменного тока, относятся устройства, позволяющие осуществлять комбинированное воздействие на линию — одновременно изменять фазный угол между напряжениями по концам линии и сопротивление линии. Такое воздействие может быть осуществлено путем последовательного введения в линию некоторого дополнительного напряжения, фаза которого по отношению к току может изменяться. При этом реактивная составляющая этого напряжения будет сдвинута на 90 эл. град., что эквивалентно включению УПК, а активная составляющая будет обеспечивать изменение фазного угла между напряжениями по концам линии.

Рассмотрим возможности технической реализации упомянутых выше типов устройств.

Статические управляемые источники реактивной мощности, предназначенные для стабилизации напряжения в узлах электрической сети (первый тип устройств), в свою очередь, могут быть двух видов.

К первому из них относятся устройства, основанные на использовании управляемых реакторов и конденсаторных батарей (рис. 11.15). При параллельном их включении мощность всего устройства равна алгебраической сумме мощностей реактора и конденсаторной батареи:

Изменяя мощность реактора или конденсаторной батареи, можно изменять мощность всего устройства. При этом можно получить как генерацию, так и потребление реактивной мощности всем устройством.

Управление мощностью реактора может осуществляться плавно с помощью управляемого тиристорного ключа (рис. 11.16) или же путем подмагничивания всего сердечника реактора или отдельного его участка. Реактор, управляемый тиристорным ключом, обладает высокой скоростью изменения мощности и большой глубиной регулирования, что важно при резких изменениях напряжения сети. Большим недостатком такого регулирования является несинусоидальность тока реактора, что вынуждает принимать меры по компенсации токов высших гармоник. Реакторы с подмагничиванием участка сердечника, разработанные в России, лишены этого недостатка и сохраняют высокую скорость изменения и глубину регулирования. В настоящее время разработаны такие реакторы на напряжения до 500 кВ и мощностью до нескольких десятков мегавар на фазу. Они с успехом могут быть использованы для решения поставленной задачи.

Регулирование мощности конденсаторной батареи может осуществляться только ступенчато, в отличие от плавного изменения мощности реактора. Для этого батарея должна быть разделена на несколько секций (3—4) разной мощности, и каждая из этих секций включается в работу с помощью тиристорного ключа (рис. 11.17). Известные в настоящее время регуляторы мощности конденсаторных батарей, основанные на использовании электромеханических контакторов, для решения поставленных задач непригодны из-за их низкого быстродействия и малой надежности. Секция остается в работе, пока в этом сохраняется потребность; при исчезновении такой потребности секция с помощью того же ключа выводится из работы. При этом обеспечивается высокое быстродействие и синусоидальность тока конденсаторной батареи. При правильном выборе числа секций батареи и соотношения их мощностей можно обеспечить ступень регулирования мощности батареи 9—10 % и менее, что практически не будет сказываться на стабилизации напряжения в узле, где она подключена. Такие управляющие устройства для конденсаторных батарей были разработаны в нашей стране еще в 60-х годах, а в конце 80-х годов XX в. была выпущена опытная серия.

К другому виду статических источников реактивной мощности, предназначенных для стабилизации напряжения в сети, могут быть отнесены тиристорные преобразователи, способные генерировать и потреблять реактивную мощность. В свое время был предложен и исследован целый ряд подобных преобразователей, однако они не получили широкого применения. Основная причина в том, что из-за отсутствия в то время запираемых тиристоров в них использовался принцип «искусственной коммутации», что утяжеляло условия работы основного оборудования и увеличивало стоимость устройства.

Ко второму поколению статических устройств, способных генерировать и потреблять реактивную мощность, относится автономный инвертор напряжения на запираемых тиристорах, шунтированных встречно включенными диодами (рис. 11.18). Инверторный мост включен в сеть через трансформатор. При этом первичная (сетевая) обмотка трансформатора может включаться как параллельно, так и последовательно в линию, что будет показано ниже. Нумерация диодов и тиристоров соответствует порядку их открытия. На полюсы моста включен конденсатор, который обеспечивает постоянство напряжения на выходе моста.

Не вдаваясь в описание принципа работы этого инвертора, отметим, что он может как генерировать, так и потреблять реактивную мощность и тем самым стабилизировать напряжение в узле сети при параллельном его включении. Переход инвертора из одного режима в другой, а также изменение генерируемой или потребляемой реактивной мощности осуществляется путем изменения момента подачи управляющих импульсов на тиристоры. Если этот инвертор присоединен к шинам, на которые включена линия, через параллельный трансформатор (рис. 11.19, а), то иногда он называется параллельным регулятором потоков мощности или статическим конденсатором (СТАТКОН). При работе инвертора в его токе и напряжении на стороне переменного тока содержатся высшие гармоники. Для устранения их вредного воздействия на систему используют трансформаторы с различными схемами соединения обмоток, а также фильтры токов высших гармоник.

Второй тип устройств, позволяющих изменять сопротивление линии, может быть получен, если инвертор напряжения, рассмотренный выше, или любой другой регулируемый источник реактивной мощности подключить к линии через трансформатор, первичная обмотка которого включена в линию последовательно (рис. 11.19, б). При этом в линию будет вводиться регулируемое напряжение DUк. Это напряжение будет сдвинуто по отношению к току линии на ±90 эл. град., что эквивалентно включению емкости («-») или индуктивности («+»). При изменении величины DUк будет изменяться общее сопротивление линии, что, в свою очередь, будет увеличивать или уменьшать ее пропускную способность. Это изменение будет регулируемым в зависимости от режима системы. Введение в линию дополнительной индуктивности может оказаться полезным в режимах малых нагрузок для компенсации избыточной зарядной мощности линии. Такой регулятор получил название последовательный регулятор потоков мощности (ПРПМ).

Третий тип устройств, позволяющий осуществлять комбинированное воздействие на линию, состоит из двух инверторов (параллельного И1 и последовательного И2), полюса которых соединены связью постоянного тока с общим конденсатором (рис. 11.19, в). Наличие связи между инверторами позволяет им обмениваться между собой и с линией активной мощностью. Такой регулятор получил название универсального регулятора потоков мощности (УРПМ).

Инвертор И2 выполняет основную функцию этого регулятора путем введения в линию через последовательный трансформатор напряжения DUк. Это напряжение может изменяться как по амплитуде, так и по фазе по отношению к току линии. Амплитуда и фаза его будут определяться активной и реактивной мощностью этого инвертора. За счет изменения момента подачи управляющих импульсов на тиристоры инвертора И2 фаза вектора DUк может изменяться в диапазоне от 0 до 360 эл. град., вследствие чего изменяется и угол между напряжениями по концам линии, и передаваемая по ней активная мощность.

Параллельный инвертор И1 осуществляет подачу активной мощности к И2 или ее отвод по связи постоянного тока. Кроме того, он осуществляет независимую поперечную компенсацию линии за счет генерации или потребления реактивной мощности, обеспечивая стабилизацию напряжения в узле сети, к которому подключена данная линия.

Таким образом, УРПМ сочетает в себе свойства сразу трех аппаратов: статического компенсатора реактивной мощности, установки продольной компенсации и фазоповоротного трансформатора, за счет изменения продольной и поперечной компенсации параметров линии и компенсации угла фазового смещения между напряжениями по концам линии, что дает возможность регулировать как потоки реактивной, так и активной мощности. Поэтому УРПМ может эффективно демпфировать качание мощности в линии и применяться для управления потоками мощности в слабых межсистемных связях.

При уже имеющейся в линии установке продольной компенсации регулирование пропускной способности линии можно осуществить путем изменения сопротивления конденсаторной батареи. Для этого конденсаторная батарея разбивается на несколько последовательно включенных секций, часть из которых шунтируется тиристорными ключами (рис. 11.20). В нормальных режимах эти ключи замкнуты, т.е. часть конденсаторной батареи выведена из работы. При необходимости увеличения пропускной способности линии, например в послеаварийных режимах, часть этих ключей или все они отключаются путем снятия управляющих импульсов с тиристоров. В результате емкостное сопротивление, вводимое в линию, увеличивается и пропускная способность этой линии возрастает.

Как свидетельствует накопленный к настоящему времени опыт, применение аппаратуры гибких линий позволяет существенно изменить характеристики энергосистем и обойтись в ряде случаев без строительства новых линий для обеспечения передачи растущих потоков мощности, что стало в последнее время затруднительным в связи с целым рядом экономических, экологических и социальных проблем.