Введение к работе
Актуальность темы. Растущий интерес в ряде стран мира к проблеме транспорта больших потоков мощности на сверхдальние расстояния 2000-4000 км определяется возможностью создания источников дешевой электроэнергии, удаленных от центров нагрузки. Так, в Центральной Африке рассматривается сооружение комплекса ГЭС общей мощностью свыше 50 ГВт с передачей части мощности в Южно-Африканскую Республику на расстояние порядка 3000 км. В Бразилии на притоках Амазонки возможно создание нескольких ГЭС суммарной мощностью, достигающей 50 ГВт, с необходимостью ее выдачи в промышленно-развитые районы на расстояния 2000-2500 км. В Юго-Западной части Китая планируется сооружение ряда крупных ГЭС общей мощностью свыше 30 ГВт с осуществлением ее выдачи в дефицитные восточные районы на расстояния порядка 3000 км.
Особый интерес к проблеме сверхдальнего транспорта электроэнергии существует в России. При формировании ЕЭС России важное место занимает задача усиления электрических связей между ее европейской и азиатской секциями. В Энергетической Стратегии России на период до 2020 года подчеркивается, что развитие межсистемных электропередач (ЭП) 500-1150 кВ для повышения эффективности и надежности параллельной работы ОЭС Сибири с энергосистемами Европейской части ЕЭС (ЕЕЭС) является одной из стратегических задач электроэнергетики.
При развитии ЕЕЭС России приходится преодолевать значительный
дефицит собственных энергоресурсов, ограниченность маневренных
мощностей, а также изношенность оборудования. В то же время в Сибири
существуют значительные потенциальные возможности по созданию избытков
электроэнергии, которые могут быть привлечены в ЕЕЭС. Речь идет о
сооружении ГРЭС на канско-ачинских углях с использованием экологически
чистых технологий, строительстве новых ГЭС на Енисее, а также создании
КЭС в Тюменском регионе с использованием низконапорного газа,
остающегося в вырабатывающихся месторождениях. Привлечение
электроэнергии из Сибири в ЕЕЭС наряду с сооружением здесь АЭС и ТЭС будет обеспечивать комплексный характер развития ЕЭС.
Другой путь повышения эффективности работы ЕЭС России заключается в привлечении неиспользуемых мощностей ГЭС Сибири для решения проблемы маневренных мощностей в ЕЕЭС. Суточный режим электропотребления в ЕЕЭС отличается значительной неравномерностью при сравнительно малой доле ГЭС, что делает проблему покрытия переменной части графика нагрузки исключительно острой. Что касается Сибири, то, с одной стороны, режим её электропотребления отличается высокой плотностью суточного графика нагрузки, а с другой стороны, доля ГЭС в структуре генерирующих мощностей составляет почти 50%, что обусловливает наличие значительной неиспользуемой мощности ГЭС. Поэтому целесообразно создание маневренной электропередачи, с помощью которой в период дневного и вечернего максимумов в ЕЕЭС привлекается мощность сибирских ГЭС. При
прохождении дневного и ночного провалов в ЕЕЭС полученная электроэнергия будет возвращаться по этой же связи в ОЭС Сибири, и за счет соответствующей разгрузки агрегатов ГЭС будет скомпенсирован расход воды, который потребовался для выработки электроэнергии, переданной в ЕЕЭС. Такое решение проблемы маневренных мощностей позволяет снизить потребность во вводе ГАЭС, намечаемых в ЕЕЭС в связи с планируемым сооружением АЭС нового поколения.
Необходимо также иметь в виду имеющиеся возможности экспорта электроэнергии из России. Весьма перспективна передача сравнительно дешевой электроэнергии в ЕЭС Украины от тепловых электростанций, которые могут быть сооружены в Тюменском регионе с ориентацией на использование низконапорного газа. Имеются также предпосылки привлечения гидроресурсов Востока в страны Северо-Восточной Азии. В этом отношении наиболее эффективным является намечаемый к сооружению Южно-Якутский гидроэнергетический комплекс. Электроэнергетика Южной Кореи и Китая, бурно развиваясь уже не одно десятилетие, испытывает трудности с созданием новых генерирующих мощностей и особенно ГЭС. Поэтому взаимовыгодным является сооружение в эти регионы электропередач протяженностью 2500-3000 км.
При современном уровне развития техники передачи электроэнергии проблема сверхдальнего транспорта может быть решена с помощью ЭП сверхвысокого напряжения (СВН) как постоянного, так и переменного тока. Для решения этой проблемы наиболее эффективно использовать полуволновую технологию передачи электроэнергии. Полуволновые ВЛ (ПВЛ) обладают двумя замечательными качествами, которые определяют их преимущество перед компенсированными линиями переменного тока. Первое качество заключается в том, что такая линия не имеет ограничений на передаваемую мощность по условию устойчивости в силу того, что ее реактивное сопротивление равно нулю. Второе качество состоит в том, что ПВЛ сбалансирована по реактивной мощности и для ее работы не требуется установки компенсирующих устройств.
Систематические исследования в области полуволновых ЭП (ПЭП) начали проводиться в Сибирском НИИ Энергетики (СибНИИЭ) с 1956 года под руководством д.т.н., профессора В.К. Щербакова. В результате исследований, проведенных совместно с другими организациями страны, были созданы научно-технические основы ПЭП, обоснована их техническая осуществимость и экономическая эффективность. Неоценимую роль в доказательстве работоспособности таких ЭП сыграли комплексные испытания полуволновой электропередачи в 1967 году в сети 500 кВ ЕЕЭС СССР под руководством объединенного диспетчерского управления, когда по полуволновой линии 500 кВ Волгоград - Москва - Челябинск длиной 2858 км успешно передавалась мощность 1050 МВт.
Вместе с тем необходимо констатировать, что слабой стороной проведенных исследований в области полуволновой технологии являлся неполный учет технических ограничений и условий, вытекающих из характера
работы ПЭП в составе энергообъединения в нормальном режиме и при его нарушениях. Своего разрешения требует задача обеспечения надлежащего уровня режимной и балансовой надежности энергообъединения при работе в его составе ПЭП. Существует также потребность в определении схемно-режимных характеристик и технико-экономических параметров для новых типов и схем полуволновых электропередач и оценке их системной эффективности. Наконец, необходимо провести сравнительный анализ технико-экономических показателей ПЭП с учетом аспектов надежности, уточнить их роль в развитии электроэнергетики страны и оценить эффективность их использования за рубежом. Такое состояние рассматриваемой проблемы диктует необходимость теоретического обобщения и дальнейшего развития методических и практических вопросов полуволновой технологии передачи электроэнергии.
Объект исследований: электропередачи полуволнового типа
сверхвысокого напряжения, предназначенные для транспорта больших потоков мощности и электроэнергии на расстояния 2000 - 4000 км.
Предмет исследований: схемно-режимные характеристики и технико-экономические показатели полуволновых электропередач.
Цель работы заключается в обосновании схемно-режимных
характеристик, технико-экономических показателей и экономической эффективности полуволновых электропередач с учетом аспектов надежности при их работе в составе энергообъединения.
Для достижения цели решались следующие задачи:
анализ и обобщение ранее полученных результатов в области полуволновых электропередач;
исследование условий работы полуволновой электропередачи в составе ЕЭС России в нормальных, аварийных и послеаварийных
режимах;
разработка схемно-режимных мероприятий, обеспечивающих
высокий уровень надежности полуволновых электропередач;
проведение сравнительного анализа технико-экономических
показателей полуволновых электропередач, выяснение их роли в
развитии электроэнергетики страны и оценка эффективности их
использования в других регионах мира.
Методика проведения исследований. Работа основана на общей теории функционирования электроэнергетических систем, принципах анализа электрических цепей с распределенными параметрами и на фундаментальных разработках в области полуволновой технологии передачи электроэнергии.
Научная новизна в целом заключается в разработке методических основ для исследования и проектирования ПЭП с учетом аспектов надежности при их работе в составе энергообъединения. К числу отдельных результатов, обладающих новизной, относятся:
Обоснование физически интерпретируемых структуры и параметров схем замещения полуволновых и околополуволновых линий для анализа
нормальных режимов и расчетных схем для исследования анормальных режимов ПЭП.
Разработка методики анализа условий функционирования ПЭП в составе
энергообъединения в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах.
Обоснование критерия оценки режимной надежности, позволяющего
ранжировать варианты при их сравнительном анализе.
Обоснование критерия экономической эффективности электропередач с
учетом фактора надежности.
Разработка метода оптимизации конструктивных параметров полуволновых
линий.
Практическая ценность работы в целом заключается в обосновании высокого уровня надежности и экономической эффективности полуволновой технологии передачи электроэнергии. Отдельные результаты, представляющие практическую ценность, состоят в том, что:
Разработаны надежные и экономичные схемы полуволновых связей на
напряжении 750-1150 кВ пропускной способностью 3000-6000 МВт, которые
могут быть реализованы в ближайшей перспективе.
Исследована работа ПЭП в составе ЕЭС России на уровне 2020 года и
даны рекомендации по выбору ее перегрузочной способности и ее управлению
в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах.
Обоснована простейшая система защиты ПЭП от перенапряжений и показана на основе вероятностного подхода практическая безопасность работы линейной изоляции в режимах резонансных коротких замыканий и качаний.
Показана экономическая эффективность использования полуволновой технологии для передачи электроэнергии в России и за рубежом.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методические рекомендации по составлению расчетных схем для
анализа нормальных и анормальных режимов ПЭП.
Методика исследования условий, обеспечивающих надежное
функционирование ПЭП в составе энергообъединения .
Рекомендации по обеспечению устойчивой работы ПЭП 1150 кВ в составе ЕЭС России в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах.
Критерий экономической эффективности для сравнительного анализа различных вариантов ЭП с учетом фактора надежности.
Схемы ПЭП для реализации в ближайшей перспективе, обеспечивающие балансовую и режимную надежность.
Результаты сопоставительного анализа различных вариантов электроснабжения европейской части страны.
Экономически и технически обоснованные предложения по использованию полуволновой технологии для экспорта электроэнергии из России и в других регионах мира.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: рабочем совещании в ОДУ ОЭС Сибири (г. Кемерово, 2001г.),
Всероссийской научно-технической конференции "Энергосистема: управление, качество, безопасность" (г. Екатеринбург, 2001г.), международной конференции "Энергетическое сотрудничество в Северо-Восточной Азии" (г. Иркутск, 2002г.), международной научно-технической конференции "Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния" (г. Новосибирск, 2003г.), Всероссийской научно-практической конференции "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов" (г. Красноярск, 2003г.), второй Всероссийской научно-технической конференции "Энергосистема: управление, качество, конкуренция" (г. Екатеринбург, 2004г.), международной конференции «Энергетика Молдовы -2005» (г. Кишинев, 2005), на международной конференции по передаче и распределению электроэнергии (St.Peterburg PowerTech 2005, Санкт-Петербург, 2005г., 6-ом международном научном форуме "Перспективные задачи инженерной науки " (г. Гонконг, 2005г.), Всероссийской научно-практической конференции " Технологии управления режимами энергосистем 21 века", (г. Новосибирск, 2006г.), международной конференции « Инвестиционный потенциал республики Саха (Якутия) - восточный вектор развития России» совместно с 5-ой международной конференцией « Энергетическая кооперация в Азии: механизмы, риски, барьеры» (г. Якутск, 2006г.), 8-ой международной научно-технической конференции по методам анализа надежности электрических систем (Conference on PMAPS-Probability Methods Applied to Power Systems, г. Стокгольм, 2006г.), третьей международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г. Омск, 2007г.), российско-южноафриканском научно-техническом семинаре «Передача электроэнергии сверхвысокого напряжения на сверхдальние расстояния» (Москва, 2007г.), на Всемирном инженерном съезде (World Engineers' Convention - 2008), состоявшемся в декабре 2008 года в Бразилии (г. Бразилиа).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 33 печатные работы, в том числе 10 в реферируемых российских журналах и 18 в сборниках всероссийских и международных конференций.
Личный вклад автора: автору принадлежит анализ и обобщение ранее полученных результатов в области полуволновой технологии передачи электроэнергии; обоснование и разработка положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы; разработка методических основ для исследования и проектирования ПЭП с учетом аспектов надежности при их работе в составе энергообъединения; обоснование критериев оценки режимной надежности и экономической эффективности с учетом фактора надежности; проведение анализа схемно-режимных и технико-экономических показателей полуволновых электропередач, выяснение их роли в развитии электроэнергетики страны и оценка эффективности их использования в других регионах мира.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка используемой литературы из 225 наименований.
Работа изложена на 363 страницах основного текста, содержит 191 рисунок и 41 таблицу.
