Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Возможные пути создания гибких линий 16
1.1. Общие положения 16
1.2. Возможность использования известных устройств 18
1.3. Использование силовой электроники для создания управляемых линий
1.4. Статические компенсаторы реактивной мощности 22
1.4.1. Статические компенсаторы с использованием управляемых реакторов и конденсаторных батарей
1.4.2. Статические компенсаторы с использование преобразователей напряжения
1.5. Управляемая продольная емкостная компенсация 29
1.6. Фазоповоротные устройства 32
1.7. Возможные типы управляемых линий 3 5
1.8. Статические компенсаторы и управляемые линии электропередач, используемые в практике
1.9. Научно-исследовательские работы в области управляемых линий 39
1.10. Задачи исследований в диссертации 44
ГЛАВА 2. Анализ режимных характеристик линий с управляемой продольной компенсацией 45
2.1. Постановка задачи 45
2.1.1. Условия задачи 45
2.1.2. Ограничение степени компенсации линии 49
2.1.3. Схема исследуемой электропередачи и исходные данные 51
2.2. Алгоритм расчета и принятые допущения 55
2.3. Расчеты параметров режима для идеализированной и реальной линий
2.3.1. Идеализированная линия 59
2.3.2. Реальная линия 64
2.3.3. Методика выбора реакторов на выводах КБ 65
2.3.3.1. По условию компенсации зарядной мощности линий 65
2.3.3.2. По условиям допустимого напряжения на зажимах КБ... 67
2.3.4. Зависимость коэффициентов эквивалентного четырехполю сника от степени компенсации, а также собственных и взаимных сопротивлений 69
2.4. Определение предельной степени компенсации по условиям нагрева проводов 76
2.4.1. Реальная линия при отсутствии внешних сопротивлений
2.4.2. Учёт внешних сопротивленийXs\ и Х& 77
2.5. Напряжения на выводах КБ 78
2.6. Определение предельно допустимой степени компенсации по величине КПД линии 85
2.7. Анализ смещения точки включения УПК в один из концов линии 87
2.8. Достоверность исследований 93
2.9.Выводы по второй главе 96
ГЛАВА 3. Математические модели и режимные характеристики линии с векторным регулированием 98
3.1. Постановка задачи 98
3.2. Схема линии с регулятором ОРПМ 99
3.3. Математическая модель управляемой линии 101
3.3.1. Математическая модель, в которой линия представлена только индуктивным сопротивлением (модель X)
3.3.2. Математическая модель реальной линии с учетом ее емкости и активного сопротивления проводов (модель Преал) 109
3.3.3.Математическая модель идеализированной линии с учетом ее емкости (модель)
3.3.4. Уравнения трех математических моделей управляемой линии в относительных единицах
3.3.5. Сопоставление математических моделей управляемой линии... 119
3.4. Структурная схема программы расчета параметров режима линии с ОРПМ 126
3.5. Круговые диаграммы линии с векторным регулированием 126
3.5.1. Круговая диаграмма линии (модель X) 126
3.5.2. Круговая диаграмма линии (модель П) 133
3.5.3. Круговая диаграмма линии (модель Преал) с учетом активного сопротивления проводов
3.6. Работа ОРПМ в режиме продольной емкостной компенсации 141
3.7. Режимные характеристики управляемой линии с векторным регулированием 142
3.8. Учет сопротивления рассеяния последовательного трансформатора.. 152
3.9. Выводы по третьей главе 153
ГЛАВА 4.. Учет технических ограничений для линии с векторным управлением. Влияние длины линии и класса напряжения на характеристики ее режима и параметры управляющих устройств 155
4.1. Постановка задачи 155
4.2. Ограничение напряжения в начале линии 156
4.2.1. Основные понятия 156
4.2.2. Ограничение напряжения при равенстве напряжений в начале линии и на шинах системы 159
4.2.3. Ограничение напряжения в начале линии при превышении им допустимых значений
4.3. Другие технические ограничения 172
4.3.1. Ограничение передаваемой мощности по коэффициенту полезного действия
4.3.2. Ограничение передаваемой мощности по нагреву проводов линии
4.3.3. Ограничение передаваемой мощности по статической апериодической устойчивости связываемых систем
4.4. Сопоставление вводимых ограничений 181
4.5. Влияние длины линии на параметры режима и мощность управляющих устройств 185
4.6.Выводы по четвертой главе 191
Заключение 194
Список литературы 196
Приложения ко второй главе. ГТ2 203
Приложения к третьей главе. ПЗ 250
Приложения к четвертой главе. П4 266
- Статические компенсаторы с использованием управляемых реакторов и конденсаторных батарей
- Зависимость коэффициентов эквивалентного четырехполю сника от степени компенсации, а также собственных и взаимных сопротивлений
- Математическая модель реальной линии с учетом ее емкости и активного сопротивления проводов (модель Преал)
- Ограничение напряжения при равенстве напряжений в начале линии и на шинах системы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное состояние энергетики в про-мышленно-развитых странах характеризуется следующими тенденциями:
продолжающимся ростом нагрузок, определяемым развитием экономики этих стран;
большой плотностью электрических сетей различных классов напряжения;
повышенными экологическими требованиями к объектам электроэнергетики, что вызывает определенные сложности в сооружении новых линий электропередач;
объединением электрических сетей различных компаний в единые национальные энергосистемы;
внедрением рыночных отношений в электроэнергетике, что вызывает не всегда предусмотренный диспетчерским графиком обмен мощностью и энергией между отдельными энергетическими компаниями, электроэнергетическими системами и крупными регионами;
стремлением использовать наиболее дешевые источники электроэнергии, расположенные, как правило, в отдаленных районах;
крупными авариями, возникающими обычно из-за слабости отдельных межсистемных связей и приводящими к обесточиванию крупных регионов.
Эти проблемы возникли не внезапно, они накапливались в течение многих десятилетий. К числу наиболее острых проблем настоящего времени можно отнести перегруженность распределительных сетей крупных промышленных регионов, неэкономичное распределение нагрузки между сетями более высокого номинального напряжения и низкого, слабость некоторых межсистемных связей, изменение перетоков мощности в связи с рыночными отношениями.
Темпы сооружаемых линий электропередач возрастали, из-за чего количество и протяженность линий достигли в развитых странах таких размеров, что строить новые стало затруднительно.
Возникли существенные затруднения, связанные с сооружением новых линий, из-за ужесточения экологических требований и необходимости вести строительство в освоенных регионах с уже сложившейся инфраструктурой энергетических и иных коммуникаций, что предопределяет трудности с отводом земли под трассы линий. Кроме того, в освоенных регионах в настоящее время сложилась ситуация, когда на сети относительно низких напряжений наложились сети более высоких напряжений. В результате сложилась многослойная структура сетей разных классов напряжения со сложными электрическими связями. Из-за различий в соотношении электрических параметров разных сетевых слоев происходит неоптимальное распределение потоков мощности между ними, когда более нагруженными оказываются сети низких классов напряжения, в то время как сети более высоких классов напряжения нагружены ниже своих возможностей.
Слабость некоторых межсистемных связей стала причиной крупней-ших аварий, когда обесточивались целые регионы с населением в десятки миллионов человек. Такие аварии вызывают громадные убытки, а их ликвидация занимает значительное время. Примерами таких аварий могут служить аварии в США, Канаде, Западной Европе и других регионах мира, произошедшие в последние десятилетия. Поэтому повышение пропускной способности межсистемных связей, особенно в послеаварийных режимах, является одной из актуальнейших проблем современной электроэнергетики.
Развитие рыночных отношений в электроэнергетике накладывает свой отпечаток на распределение потоков мощностей, приводит к возникновению внеплановых перетоков в ущерб оптимальному режиму и вызывает сложности в управлении режимами электроэнергетических сетей и систем.
Поэтому вопросы повышения пропускной способности и управляемости электрических сетей за счет применения специальных технических средств в настоящее время весьма актуальны.
Эти средства должны обеспечить решение следующих задач:
повышение пропускной способности отдельных линий или сети в целом;
управление потоками активной и реактивной мощности по отдельным связям или сечениям сети, что позволяет снизить потери, обеспечить требования по балансу реактивной мощности и уровню напряжения в узлах, повысить статическую устойчивость системы;
воздействие на особые режимы электрических сетей, связанные с включением или отключением элементов сети, самовозбуждением и самораскачиванием генераторов с целью улучшения характеристик этих режимов;
осуществление симметрирования параметров сети в различных режимах, а также ограничение токов короткого замыкания;
повышение надежности работы системы за счет применения быстродействующих устройств, например, с тиристорным управлением.
Исследования и разработки в области создания устройств, способных решать упомянутые задачи, были начаты в начале 50-х годов XX столетия [1-6] в ряде стран, в том числе и СССР. Это было началом развития техники гибких передающих систем (ГПС) переменного тока.
В результате научных исследований был создан ряд статических источников реактивной мощности с использованием управляемых вентилей. Эти устройства могли работать, как в режиме ее генерации, так и потребления, а также переходить из режима в режим. При этом исследовались и преобразовательные схемы. Поскольку в те годы отсутствовали достаточно мощные запираемые тиристоры, для работы в режиме генерации реактивной мощности использовался принцип искусственной коммутации [7].
Разработкой, положившей начало этапу применения новых средств управления режимами электрических систем с использованием элементов
9 силовой электроники, явился статический управляемый источник реактивной мощности (ИРМ) [7-9]. Один них, где использовались тиристорно-реакторные группы совместно с конденсаторной батареей, получил название статический тиристорный компенсатор (СТК)[2].
Значительный вклад в развитие этого направления внесен Московским энергетическим институтом, Всесоюзным электротехническим институтом (ВЭИ), Горьковским и Львовским политехническими институтами [3,7,9] и рядом других организаций. Аналогичные исследования велись и за рубежом. В США, Канаде и Швеции и других странах были введены в работу статические источники реактивной мощности с вентильным управлением [10-25].
Мощным импульсом в развитии концепции техники ГПС послужил значительный прогресс в области силовой электроники при появлении новых полупроводниковых приборов - тиристоров в начале 70-х годов. Этому способствовали многочисленные научные работы, проведенные в СССР, США, Канаде, Японии, а также в странах Западной Европы: Великобритании, Германии, Швеции и др. Во второй половине 80-х годов появились достаточно мощные, полностью управляемые тиристоры, которые можно как включать, так и выключать с помощью управляющих импульсов, а также силовые транзисторы, что существенно расширило возможности создателей аппаратуры ГПС.
В связи с прогрессом в развитии преобразовательной техники на базе новых силовых полупроводниковых приборов ведущие электротехнические фирмы мира резко активизировали в последние десятилетия работы в области исследования, разработки и внедрения специальных устройств для линий электропередач переменного тока, позволяющих решить упомянутые выше задачи. Высокие значения рабочих параметров тиристоров, их управляемость, надежность обеспечили требуемые при решении многих системных задач быстродействие и регулирование параметров режима энергосистемы в широких пределах. Электропередачи, оснащенные такими устройствами, получили название гибких электропередач (ГЭП) [6,9,26-37].
Следует отметить, что ряд упомянутых выше задач, в частности увеличение пропускной способности линий, может быть решен и другими средствами, например сооружением линий повышенной натуральной мощности (ПВН) с нетрадиционной конструкцией фазы. В этом направлении проведены серьезные научные проработки [38]. Однако необходимого опыта эксплуатации таких линий еще нет. Кроме того, следует учесть, что при этом теряется свойство управляемости.
С 1992 г, в США при Институте инженеров электротехники и электроники (ШЕЕ) функционирует специальная рабочая группа, задача которой состоит в отслеживании и координации разработок по ГЭП и их применению в энергосистемах. В соответствии с проведенной силами этой группы систематизацией существующих разработок была предложена следующая классификация гибких электропередач.
Гибкие электропередачи (Flexibility of Electric Power Transmission) - электропередачи, способные изменять потоки мощности в электроэнергетической системе в нормальных эксплуатационных или переходных режимах с целью оптимизации режима и поддержания достаточной статической и динамической устойчивости. Это определение может быть отнесено не только к гибким линиям переменного тока, но и электропередачам постоянного тока, а также электропередачам переменного тока со вставкой постоянного тока.
Гибкая передающая система переменного тока (Flexible AC Transmission System - FACTS) - электропередающая система переменного тока, включающая в себя статические регуляторы, основанные на применении силовой электроники, и другие статические регуляторы, способные контролировать поток мощности при увеличении пропускной способности линии. Здесь следует обратить внимание на слова «другие статические регуляторы», подразумевающие, что в этой системе могут быть использованы и другие статические регуляторы, не основанные на использовании силовой электроники, например, фазорегулирую-щие трансформаторы (ФРТ), реакторы, управляемые изменением тока подмаг-ничивания и другие.
Регулятор гибких электропередач (FACTS Controller) - силовая электронная система или другое статическое оборудование, которые обеспечивают управление одним или более параметрами режима линии электропередачи.
В полном виде эта классификация имеет значительно более широкий объем, однако здесь она не приводится.
В настоящее время управляемые линии электропередачи в странах с развитой электроэнергетикой рассматриваются как одно из наиболее эффективных средств для решения упомянутых выше задач.
Целью работы являются:
анализ технических характеристик линий с управляемой продольной компенсацией с учетом возможных технических ограничений;
анализ технических характеристик линий, оснащенных так называемым объединенным регулятором потоков мощности (ОРПМ) или в англоязычной транскрипции - Unified Power Flow Controller (UPFC).
При этом, конкретные способы создания управляемой продольной компенсации, а также режимные характеристики преобразователей (углы управления вентилями) в работе не рассматривались.
Методы и средства исследований. Поставленные в работе задачи решались на основе теории электрических цепей, математического моделирования, а также экспериментальным исследованием на физической модели.
Основные научные результаты и их новизна заключаются в следующем:
получены предельно допустимые степени продольной емкостной компенсации с учетом технических ограничений для линий 220 и 500 кВ в диапазоне длин, характерных для этих классов напряжения;
проанализировано влияние внешних по отношению к линии сопротивлений (эквивалентного сопротивления системы, согласующих автотрансформаторов и др.) на допустимые степени компенсации;
получена математическая модель линии с ОРПМ, где линия представлена П-образной схемой замещения; показано, что эта модель
12 дает более точные результаты, чем применявшаяся до настоящего времени модель, где линия представлена только активным сопротивлением;
получены режимные характеристики линий 500 и 220 кВ с ОРПМ в диапазонах длин, характерных для этих линий; определены возможные границы изменения активной мощности линий в процессе регулирования;
показано, что регулирование мощности, передаваемой по линии, необходимо выполнять с учетом ограничения напряжения в начале линии; предложен алгоритм изменения режимов работы преобразователя, позволяющий поддерживать это напряжение в допустимых пределах при сохранении достаточного диапазона изменения активной мощности линии;
найдены закономерности изменения мощности преобразователя в процессе регулирования мощности линии и установлены их предельные величины для разных линий, что дает возможность определить установленную мощность последовательного трансформатора;
определены потери активной мощности в управляемой линии в диапазоне изменения передаваемой мощности;
- определены допустимые режимные характеристики управляемых линий различных классов напряжения и длин с учетом технических ограничений. Достоверность полученных результатов подтверждается: - использованием известных проверенных методик и уравнений, связанных с расчетами режимов линий;
сопоставлением полученных результатов по характерным контрольным точкам с полученными ранее результатами в других исследованиях;
проверкой полученных результатов другими известными методиками, не использованными в диссертации (пример: на стенде лаборатория ЭСС и программа "РЕЖИМ");
- сопоставлением результатов, полученных расчетным путем, с результатами, полученными на лабораторном стенде.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались отдельные ее части докладывались и обсуждались на:
Девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» ( 4-5 Марта 2003г., г. Москва, МЭИ (ТУ))
Третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управления, качество и эффективность использования энергоресурсов» (14-16 Мая 2003г., г. Благовещенск, АмГУ).
3nd WSEAS International Conference on Applications of Electrical Engineering (AEE'04), May 12-15, 2004.,Amstar, Mexico.
Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2-3 Марта 2004г., г. Москва, МЭИ (ТУ))
12nd Iranian Researchers Conference In Europe (IRCE), Engineering group, Electrical part, July 3-4, 2004., Manchester, United Kingdom.
По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассматриваются возможные пути создания управляемых линий электропередачи и различные устройства, которые могут быть использованы для этой цели. Дается анализ современного состояния проблемы и применения управляемых линий в электроэнергетике, ставятся задачи исследований в диссертации.
Во второй главе рассматривается управляемая линия с переменной степенью компенсации ее параметров, определяются предельные, допустимые по условиям технических ограничений, степени компенсаций управляемых линий различной длины 220 и 500 кВ. Дана математическая модель линии с управляемой продольной компенсацией. Найдены предельные степени компенсации с учетом технических ограничений для 9 различных типов линии электропередачи. Рассмотрены мероприятия по
14 электропередачи. Рассмотрены мероприятия по нормализации параметров режима при изменении степени компенсации. Проанализировано влияние внешних сопротивлений на параметры режима управляемой линии.
В третьей главе рассматриваются технические характеристики управляемой линии с векторным регулированием. Разработана математическая модель этой линии, где собственно линия представлена П-образной схемой замещения с учетом активного сопротивления проводов. Показано, что такая модель дает более правильные результаты расчета режимов как самой линии, так и мощности преобразовательных устройств по сравнению с моделью, где линия представлена только продольным индуктивным сопротивлением.
Получены режимные характеристики управляемой линии - зависимости режимных параметров этой линии и параметров преобразователей в функции угла поворота вектора дополнительного напряжения, вводимого в линию.
Определены возможные диапазоны регулирования активной мощности и соответствующие им мощности преобразователей. Показано, что диапазон регулирования определяется начальным углом сдвига между напряжениями связываемых систем, который в процессе регулирования принимается неизменным, и значением модуля вектора напряжения первичной обмотки трансформатора. Показано, что максимальная полная мощность последовательного преобразователя определяется, главным образом, его реактивной мощностью.
В четвертой главе рассматриваются технические ограничения по напряжению в начале линии и по передаваемой мощности. Предложен алгоритм изменения вводимого в линию напряжения и, соответственно, мощности преобразователя, позволяющий поддерживать напряжение в начале линии в допустимых пределах. При этом сохраняется достаточный диапазон регулирования передаваемой по линии мощности.
Аналогичный алгоритм разработан для ограничения передаваемой мощности по условиям нагрева проводов или условиям устойчивости связы-
15 ваемых систем. Получены закономерности изменения мощности преобразователя при выполнении этих ограничений.
Кроме того, в этой главе получены характеристики управляемых линий 220 и 500 кВ различной длины. Получены закономерности изменения мощности преобразователей и возможного диапазона регулирования при изменении длины линии.
Статические компенсаторы с использованием управляемых реакторов и конденсаторных батарей
Темпы сооружаемых линий электропередач возрастали, из-за чего количество и протяженность линий достигли в развитых странах таких размеров, что строить новые стало затруднительно.
Возникли существенные затруднения, связанные с сооружением новых линий, из-за ужесточения экологических требований и необходимости вести строительство в освоенных регионах с уже сложившейся инфраструктурой энергетических и иных коммуникаций, что предопределяет трудности с отводом земли под трассы линий. Кроме того, в освоенных регионах в настоящее время сложилась ситуация, когда на сети относительно низких напряжений наложились сети более высоких напряжений. В результате сложилась многослойная структура сетей разных классов напряжения со сложными электрическими связями. Из-за различий в соотношении электрических параметров разных сетевых слоев происходит неоптимальное распределение потоков мощности между ними, когда более нагруженными оказываются сети низких классов напряжения, в то время как сети более высоких классов напряжения нагружены ниже своих возможностей.
Слабость некоторых межсистемных связей стала причиной крупней-ших аварий, когда обесточивались целые регионы с населением в десятки миллионов человек. Такие аварии вызывают громадные убытки, а их ликвидация занимает значительное время. Примерами таких аварий могут служить аварии в США, Канаде, Западной Европе и других регионах мира, произошедшие в последние десятилетия. Поэтому повышение пропускной способности межсистемных связей, особенно в послеаварийных режимах, является одной из актуальнейших проблем современной электроэнергетики.
Развитие рыночных отношений в электроэнергетике накладывает свой отпечаток на распределение потоков мощностей, приводит к возникновению внеплановых перетоков в ущерб оптимальному режиму и вызывает сложности в управлении режимами электроэнергетических сетей и систем. Поэтому вопросы повышения пропускной способности и управляемости электрических сетей за счет применения специальных технических средств в настоящее время весьма актуальны.
Эти средства должны обеспечить решение следующих задач: - повышение пропускной способности отдельных линий или сети в целом; - управление потоками активной и реактивной мощности по отдельным связям или сечениям сети, что позволяет снизить потери, обеспечить требования по балансу реактивной мощности и уровню напряжения в узлах, повысить статическую устойчивость системы; - воздействие на особые режимы электрических сетей, связанные с включением или отключением элементов сети, самовозбуждением и самораскачиванием генераторов с целью улучшения характеристик этих режимов; - осуществление симметрирования параметров сети в различных режимах, а также ограничение токов короткого замыкания; - повышение надежности работы системы за счет применения быстродействующих устройств, например, с тиристорным управлением. Исследования и разработки в области создания устройств, способных решать упомянутые задачи, были начаты в начале 50-х годов XX столетия [1-6] в ряде стран, в том числе и СССР. Это было началом развития техники гибких передающих систем (ГПС) переменного тока. В результате научных исследований был создан ряд статических источников реактивной мощности с использованием управляемых вентилей. Эти устройства могли работать, как в режиме ее генерации, так и потребления, а также переходить из режима в режим. При этом исследовались и преобразовательные схемы. Поскольку в те годы отсутствовали достаточно мощные запираемые тиристоры, для работы в режиме генерации реактивной мощности использовался принцип искусственной коммутации [7]. Разработкой, положившей начало этапу применения новых средств управления режимами электрических систем с использованием элементов силовой электроники, явился статический управляемый источник реактивной мощности (ИРМ) [7-9]. Один них, где использовались тиристорно-реакторные группы совместно с конденсаторной батареей, получил название статический тиристорный компенсатор (СТК)[2]. Значительный вклад в развитие этого направления внесен Московским энергетическим институтом, Всесоюзным электротехническим институтом (ВЭИ), Горьковским и Львовским политехническими институтами [3,7,9] и рядом других организаций. Аналогичные исследования велись и за рубежом. В США, Канаде и Швеции и других странах были введены в работу статические источники реактивной мощности с вентильным управлением [10-25]. Мощным импульсом в развитии концепции техники ГПС послужил значительный прогресс в области силовой электроники при появлении новых полупроводниковых приборов - тиристоров в начале 70-х годов. Этому способствовали многочисленные научные работы, проведенные в СССР, США, Канаде, Японии, а также в странах Западной Европы: Великобритании, Германии, Швеции и др. Во второй половине 80-х годов появились достаточно мощные, полностью управляемые тиристоры, которые можно как включать, так и выключать с помощью управляющих импульсов, а также силовые транзисторы, что существенно расширило возможности создателей аппаратуры ГПС.
В связи с прогрессом в развитии преобразовательной техники на базе новых силовых полупроводниковых приборов ведущие электротехнические фирмы мира резко активизировали в последние десятилетия работы в области исследования, разработки и внедрения специальных устройств для линий электропередач переменного тока, позволяющих решить упомянутые выше задачи. Высокие значения рабочих параметров тиристоров, их управляемость, надежность обеспечили требуемые при решении многих системных задач быстродействие и регулирование параметров режима энергосистемы в широких пределах. Электропередачи, оснащенные такими устройствами, получили название гибких электропередач (ГЭП) [6,9,26-37]. Следует отметить, что ряд упомянутых выше задач, в частности увеличение пропускной способности линий, может быть решен и другими средствами, например сооружением линий повышенной натуральной мощности (ПВН) с нетрадиционной конструкцией фазы. В этом направлении проведены серьезные научные проработки [38]. Однако необходимого опыта эксплуатации таких линий еще нет. Кроме того, следует учесть, что при этом теряется свойство управляемости.
С 1992 г, в США при Институте инженеров электротехники и электроники (ШЕЕ) функционирует специальная рабочая группа, задача которой состоит в отслеживании и координации разработок по ГЭП и их применению в энергосистемах. В соответствии с проведенной силами этой группы систематизацией существующих разработок была предложена следующая классификация гибких электропередач.
Гибкие электропередачи (Flexibility of Electric Power Transmission) - электропередачи, способные изменять потоки мощности в электроэнергетической системе в нормальных эксплуатационных или переходных режимах с целью оптимизации режима и поддержания достаточной статической и динамической устойчивости. Это определение может быть отнесено не только к гибким линиям переменного тока, но и электропередачам постоянного тока, а также электропередачам переменного тока со вставкой постоянного тока.
Зависимость коэффициентов эквивалентного четырехполю сника от степени компенсации, а также собственных и взаимных сопротивлений
Целью исследования в этой главе является получение режимных характеристик линии, диапазонов регулирования передаваемой активной мощности, потребной мощности управляющих устройств реальной линии, оснащенной регулятором ОРПМ.
В известных работах, посвященных исследованию характеристик линий с такими регуляторами, сама линия представлена упрощенно: только продольным индуктивным сопротивлением [32,46,47] Емкость линии и активное сопротивление проводов при этом не учитываются. В то же время, зарядная мощность линии, особенно линий сверхвысоких напряжений (330-750 кВ), имеющих, как правило, достаточно большую длину, оказывает заметное влияние на параметры режима линии, в частности, режима малых нагрузок. Активное сопротивление проводов также отражается на параметрах режима, особенно для линий относительно низких классов напряжения (110-220 кВ), где оно может быть соизмеримо с индуктивным сопротивлением линии.
Эти параметры влияют не только на характеристики режима линии, но и на мощность управляющих устройств, и их необходимо учитывать при анализе характеристик управляемой линии. Математические модели управляемой линии, где учитываются эти параметры, в настоящее время отсутствуют. Поэтому возникает задача разработки таких моделей и исследование с их помощью характеристик управляемой линии.
К числу таких характеристик относятся зависимости активной и реактивной мощностей линии, напряжения в начале линии, где установлен регулятор ОРПМ, мощности управляющих устройств и других характеристик от угла поворота р вектора напряжения AU. При этом необходимо рассмотреть наиболее характерные режимы работы линии: режим малых нагрузок (Р 99 0,2РШТ), режим передачи натуральной мощности, режим больших нагрузок (Р
Анализ полученных зависимостей позволит выявить возможные диапазоны регулирования передаваемой активной мощности, диапазоны изменения мощности управляющих устройств, а также необходимость введения ограничений на параметры режима.
В качестве объекта исследований была принята линия 500 кВ длиной 500 км с проводами ЗхАС-400/51. Линия может быть или межсистемной связью между системами 1 и 2 или внутрисистемной связью между узлами 1и 2,
В работе были приняты следующие допущения: - напряжения в узлах 1 и 2 принимаются равными друг другу и неизменными по величине: JJ\ = U2 = const; это условие справедливо для всех рассмотренных ниже режимов линии; - потерями активной мощности на корону в линии, а также во всех элементах, входящих в состав ОРПМ, пренебрегаем в силу их относительной малости; - технические ограничения на данном этапе исследования не учитываются; - преобразователь ПН1, входящий в состав ОРПМ и включенный на шины узла 1, работает только в режиме передачи активной мощности; баланс реактивной мощности на шинах этого узла обеспечивается за счет других средств системы; - сопротивление рассеяния трансформатора, одна из обмоток которого включена последовательно в линию, не учитывается. Схема линии, ее схема замещения и векторная диаграмма, поясняющая принцип работы регулятора, приведены на рис. 3.1 а,б,в. Регулятор ОРПМ представляет собой вставку постоянного тока, состоящую из двух преобразователей ПН1 и ПН2, связанных между собой по 100 цепям постоянного тока. На полюсы преобразователей включен конденсатор Cd, который является источником постоянного напряжения для преобразователя ПН2. Подзаряд этого конденсатора осуществляется диодной частью преобразователя ПН1, который через согласующий трансформатор ТІ включен на шины системы (узла) 1. Преобразователь ПН2 подключен к линии через трансформатор Т2, одна из обмоток которого включена последовательно в линию. На этой обмотке создается дополнительное напряжение AU, амплитуда и фаза которого могут изменяться за счет изменения режима работы преобразователя ПН2. Этот режим, в свою очередь, изменяется за счет фазового смещения импульсов управления вентилями ПН2 по отношению к синхронизирующему напряжению U\. Поскольку фаза напряжения AU по отношению к току линии при изменении угла р будет также изменяться, то возникает обмен активной мощностью между преобразователем ПН2 и линией. Эта мощность будет поступать (или отбираться) на шины системы 1 через вставку постоянного тока и преобразователь ПН1. Обмен реактивной мощностью между ПН2 и линией будет происходить в контуре линия - ПН2 - конденсатор. Преобразователь ПНІ в этом обмене не участвует, его режим по реактивной мощности будет определяться балансом реактивных мощностей на шинах системы 1, и он в этом случае будет работать как СТАТКОМ с одновременной генерацией или потреблением активной мощности. Для того, чтобы определить режим ПН1 по реактивной мощности, необходимо располагать сведениями о балансе реактивных мощностей на шинах системы 1. Поскольку такие сведения отсутствуют, то в первом приближении принято допущение, что этот баланс обеспечивается за счет других средств системы, о чем говорилось выше. Поэтому в дальнейших расчетах принято, что преобразователь ПН1 загружен только активной мощностью. Несмотря на то, что подобные модели известны [32,42,47], уравнение этой модели целесообразно получить и в данной работе для того, чтобы иметь возможность сопоставить различные модели линии. Схема замещения упрощенной линии и ее изменения при использовании метода наложений приведены на рис. 3.2. Трансформатор ТІ и последовательная обмотка трансформатора Т2 электрически не разделены, так как включены на одни шины, поэтому контур обмена активной мощностью на схеме не указан.
Математическая модель реальной линии с учетом ее емкости и активного сопротивления проводов (модель Преал)
В работе не определялись углы управления вентилями преобразователей, поскольку эти преобразователи могут быть выполнены как с использованием запираемых тиристоров (GTO), так и силовых транзисторов (IGBT). В этих случаях будут использованы разные законы управления вентилями, учитывая возможность использования широтно-импульсной модуляции при использовании транзисторов.
Используемый регулятор (ОРПМ) позволяет обеспечивать глубокое регулирование передаваемой по линии активной мощности вплоть до изменения направления потока мощности в режимах малых и средних нагрузок при достаточно больших значениях AU(AU= 0,3; 0,6).
Диапазон регулирования активной мощности определяется, главным образом, значением At/ и слабо зависит от начального значения мощности в нерегулируемом режиме. Под диапазоном регулирования здесь понимается разность DP = Л - Pmin. Основываясь на данных табл.3.3, можно ориентировочно принять DPt » 4+ AU.
Анализ результатов расчетов, приведенных в табл.3.3, показывает, что в процессе регулирования активной мощности могут возникнуть значительные перетоки реактивной мощности. Реактивные мощности по концам линии имеют знакопеременный характер и могут достигать относительно больших величин, равных (1.2 -г 2,3) Рнат в зависимости от начальной мощности и значения AU.
Большие значения реактивных мощностей управляемой линии будут вызывать повышенные потери активной мощности в линии и могут привести к нарушению баланса реактивных мощностей в узлах примыкания, куда подключена данная линия. Это важное обстоятельство необходимо учитывать при выборе диапазона регулирования активной мощности и, соответственно, максимального значения ЛЛ
Необходимая величина диапазона регулирования мощности определяется местом и значением данной линии в энергосистеме и должна являться результатом специальных расчетов режимов конкретной энергосистемы, в которой находится эта линия, Следует лишь отметить, что увеличение диапазона регулирования, иными словами значения ДС/, также требует существенного увеличения мощности регулирующих устройств. Прежде всего, это касается преобразователя ПН2.
Максимальные значения активной и реактивной мощности этого преобразователя в функции начальной передаваемой мощности при различных значениях величины AU приведены на рис.3.19. Максимальное значение полной мощности преобразователя ПИ2 определяется, главным образом, ее реактивной составляющей. Как показано на рис.3.18, максимум реактивной и, следовательно, полной мощности преобразователя совпадают с переходом кривой Pd =Хр) через нуль, что соответствует режиму продольной емкостной компенсации линии. Однако, при постоянстве AU- это особый режим управляемой компенсации. Суть его в том, что здесь величина At/ не зависит от тока, как в обычной емкостной компенсации. Поэтому при малых нагрузках осуществляется высокая степень компенсации, но при увеличении нагрузки степень компенсации снижается, хотя должно быть наоборот. Отсюда следует, что при работе в режиме емкостной компенсации преобразователь ПН2 должен быть оснащен регулятором, который изменяет величину Д/ таким образом, чтобы при увеличении тока линии степень компенсации возрастала по заданному закону.
Следует отметить, что при ДС/ = 0,6 мощность преобразователя ПН2 становится соизмеримой с передаваемой по линии мощностью. Что же касается преобразователя ПН1, то, как уже отмечалось, его активная мощность должна быть равна активной мощности второго преобразователя, а реактивная мощность определяется условиями баланса реактивной мощности в передающей энергосистеме. Иными словами, суммарная мощность двух преобразователей может оказаться достаточно высокой. В этом случае может возникнуть вопрос о целесообразности регулирования линии переменного тока и поиске альтернативного решения.
Таким решением при создании управляемой связи может быть сооружение вставки постоянного тока. Это более радикальное решение, так как в этом случае обеспечивается полная развязка по частоте связываемых систем. Однако, этот вопрос должен решаться на основе тщательных технико-экономических сопоставлений.
Зависимости, приведенные на рис.3.18, и данные табл.3.3 получены без учета технических ограничений, накладываемых на параметры режима линии. Такими техническими ограничениями могут являться: максимальная пропускная способность линии по условиям статической и динамической устойчивости, допустимый нагрев проводов линии, ЬСПД линии, напряжение в начале линии U{. Для рассматриваемой линии 500 кВ максимальная пропускная способность по условиям статической апериодической устойчивости равна 1,83, по условиям нагрева проводов — 2,3 (по отношению к натуральной).
Как показывают результаты расчетов, при больших начальных мощностях (1,2 Рнат, 1,5Рнат и AU = 0,6) оба эти ограничения нарушаются, и этот режим невозможен. Для введения режима в допустимые границы необходимо снижать значение AU для данной линии, например, до 0,3 при начальной передаваемой мощности до 1,2 PtitiT или еще ниже - до 0,15 при мощности 1,5 РНат- Однако, и в этих случаях будут нарушены допустимые значения напряжения в начале линии U[.
Вопрос о значении напряжения в начале линии Щ заслуживает отдельного рассмотрения. Следует отметить, что этот вопрос в имеющейся литературе по управляемым линиям вообще нигде не рассматривается, между тем он имеет весьма важное значение.
Ограничение напряжения при равенстве напряжений в начале линии и на шинах системы
В работе были также проанализированы характеристики управляемых линий 220 кВ в диапазоне длин 100-J-500 км. Для этих линий в относительных единицах характерны те же зависимости и тенденции, что и для линий500 кВ, только с несколько иными числовыми данными.
Эти отличия объясняются более высокими активными сопротивлениями проводов по сравнению с линиями 500 кВ. Зависимости активной мощности в начале линии и потерь активной мощности от угла р для линий 220 и 500 кВ одинаковой длины приведены на рис. 4.17. Для других параметров и при Д/„=0ДиД/ = 0,6 эти зависимости даны в П.4.2.
Мощность преобразователя ПН2 (в относительных единицах) для линий 220 кВ и законы их изменения в процессе регулирования практически такие же, что и для линий 500 кВ. На рис.4.18 приведены зависимости активной, реактивной и полной мощностей преобразователя ПН2 от угла р для линий 220 и 500 кВ. Для одинаковых длин линий (300 и 500 км) эти зависимости практически совпадают. Для более короткой линии 220 кВ длиной 100 км эти зависимости расположены выше, для длинной линии 500 кВ длиной 1000 км — ниже, что подтверждает сделанные ранее выводы.
На этом же рисунке приведены зависимости, соответствующие Д/ 0,3. Для других возможных значений Д/ = 0,1 и Д/„,= 0,6 эти зависимости даны вП.4.3. Значения полной мощности преобразователя ПН2 для различных значений напряжения Д(У , длин линий и углов р приведены в табл.4.6. Данные этой таблицы подтверждают сделанный ранее вывод о снижении мощности преобразователя при уменьшении необходимого диапазона регулирования передаваемой по линии мощности. При увеличении длины линии 220 кВ снижается диапазон изменения активной мощности в процессе регулирования угла р (табл.4.7). Однако этот диапазон достаточен даже при наименьшем значении напряжения AU. Впервые разработан метод, позволяющий поддерживать напряжение в начале управляемой линии в допустимых пределах как сверху, так и снизу при сохранении достаточного диапазона регулирования передаваемой мощности. 2. Разработана методика, позволяющая ограничивать максимальную передаваемую по управляемой линии мощность по условиям нагрева проводов, КПД, статической апериодической устойчивости. 3. Ограничение напряжения в начале линии позволяет в большинстве рассмотренных случаев не прибегать к ограничению передаваемой мощности по другим параметрам. 4. Характеристикам управляемых линий различных классов напряжения и различных длин свойственны общие закономерности, которые в числовом выражении в относительных единицах близки друг к другу. Активная мощность преобразователя ПН2 практически не зависит от длины линии. Реактивная мощность этого преобразователя и его полная мощность, которая определяется реактивной составляющей, зависят от длины линии, увеличиваясь с ее уменьшением. 1. В работе проанализированы характеристики управляемых линий двух типов: линий с управляемой продольной емкостной компенсацией и линий с векторным регулированием. Определены значения предельно допустимых степеней продольной компенсации для линий 500 и 220 кВ в диапазоне длин, характерных для этих линий. 2. При определении допустимых степеней компенсации линий 500 и 220 кВ следует учитывать технические ограничения (по статической апериодической устойчивости, нагреву проводов линий, напряжению на выводах УПК, допустимому значению КПД линии). 3. Предельно допустимая степень компенсации управляемой линии определяется многими факторами: длиной линии, классом ее напряжения, величиной внешних сопротивлений, наличием реакторов на выводах УПК и законами их регулирования, ролью и местом данной линии в электроэнергетической сети. Поэтому вопрос о предельной степени компенсации следует решать комплексно для каждой конкретной линии. 4. Рассмотрены три модели управляемой линии с векторным регулированием. Модель, в которой учитываются емкость линии и активные сопротивления проводов, дает наиболее правильные результаты, соответствующие физическим свойствам линии. Для приближенных оценочных расчетов может быть использована модель, в которой активные сопротивления проводов не учитываются. 5. Получены режимные характеристики управляемой линии 500 кВ с векторным регулированием. Показано, что диапазон регулирования активной мощности, передаваемой по линии, определяется величиной напряжения, вводимого в линию с помощью последовательного транс-форматора. Увеличение этого напряжения влечет за собой увеличение диапазона регулирования и наоборот. 6. Определена мощность преобразователя ПН2, включенного на вторичную обмотку трансформатора, и законы изменения активной и реактивной мощностей этого преобразователя в процессе регулирования. 7. В режиме наибольших нагрузок (Р РНЯГ) и большом диапазоне регулирования необходимая мощность преобразователя ПН2 может быть соизмеримой с натуральной мощностью линии или превосходить ее, что может потребовать рассмотрения альтернативных решений (ППТ или ВПТ). 8. Напряжение в начале линии в процессе регулирования может значительно превышать допустимые значения. Впервые разработан способ ограничения этого напряжения при сохранении желаемого диапазона регулирования. 9. Режимные характеристики управляемых линий различных классов напряжения (220 и 500 кВ) и одинаковой длины близки друг к другу (в относительных единицах) при одинаковых значениях At/. При этом активная мощность преобразователя ПН2 очень мало зависит от длины линии, в то врем как его реактивная мощность изменяется с длиной линии, возрастая с ее уменьшением. 10.Для линии с векторным регулированием разработаны методики ограничения максимальной передаваемой мощности по статической апериодической устойчивости, нагреву проводов и по допустимому КПД. В большинстве рассмотренных случаев ограничение по напряжению в начале линии является определяющим и может заменить собой другие ограничения.
Похожие диссертации на Анализ режимных характеристик управляемых линий электропередач переменного тока с учетом технических ограничений
