Введение к работе
Актуальность темы. К настоящему времени мировая электроэнергетика достигла значительных успехов: общая установленная мощность генераторов приближается к 3 000 ГВт, наибольшая мощность электростанции составляет 5-10 ГВт, наивысшее освоенное "напряжение электропередачи - 1150 кВ. В то же время потребление энергии по регионам земного шара распределено крайне неравномерно - оно различается в 15-17 раз по общей потребляемой энергии и в 25-32 раза по потребляемой электроэнергии на душу населения в развитых и развивающихся странах. При этом мировой энергетический комплекс потребляет 12500 млрд. т.у.т. выбрасывая в атмосферу более 20 млрд. тонн углекислого газа и миллионы тонн окислов азота, серы и других вредных для биосферы веществ. Магистральным направлением развития мировой энергетики является постепенное увеличение доли возобновляемых источников энергии и совершенствование технологии передачи электрической энергии для объединения энергосистем. Одним из направлений развития техники передачи электрической энергии является использование протяженных ЕЛ переменного тока для объединения на параллельную работу энергосистем отдельных регионов.
Интерес к сверхдальним одиночным ВЛ сверхвысокого напряжения возник вновь в конце 80-х - начале 90-х годов в связи с обсуждением идей о постепенном формировании Мировой электроэнергетической ' системы, доказательству возможности значительного повышения номинального напряжения воздушных линий переменного и постоянного тока и созданию средств регулируемой компенсации значительной зарядной мощности протяженных ВЛ. Благодаря применению новых изоляционных и конструкционных материалов, более совершенных ус-ройств по ограничению коммутационных и грозовых перенапряжений появилась возможность сокращения размеров опор, ширины отчуждаемой земельной полосы и т.д. Важным направлением совершенствования ВЛ переменного тока является разработка конструкций высоковольтных линий повышенной натуральной мощности (ВЛ ПНМ); Указан-
' 1
кое направление сочетает все упомянутые выше мероприятия с глубоким расщеплением проводов, увеличением радиуса расщепления и рационального размещением проводов расщепляемой фазы в пространстве. Использование этого подхода позволяет дополнительно сократить расстояние между осями фаз и значительно увеличить натуральную мощность ВЛ. Недостатком является увеличение зарядной мощности ВЛ, которую нужно компенсировать управляемыми шунтовыми реакторами (УШР).
Поэтому в данной работе выполнено исследование возможности присоединения перспективного, каскада гидроэлектростанции, сооружаемых на реке Конго, к одному из наиболее мощных энергообъединений, включающем в себя энергосистемы UCPTE, IPS и Единую энергосистему стран СНГ. ЭЭС Западной Европы (UCPTE) является примером весьма концентрированной энергосистемы, дефицитной по первичным энергоресурсам и не имеющей достаточных маневренных мощностей.
Существенного улучшения режимов ЭЭС UCPTE можно добиться за счет присоединения дополнительных маневренных мощностей, в частности ва счет присоединения каскада гидроэлектростанций на реке Конго. Линии электропередачи, связывающие каскад ГЭС с приемной системой имеют протяженность 6500-7000 км. Эти линии могут служить основой для построения объединенной электроэнергетической системы стран Африканского континента.
В диссертации выполнено исследование стационарных режимов протяженной ВЛ, характеристик мощности такой ВЛ, рассмотрены особенности режимов ВЛ при рабочих углах, превышающих 180 электрических градусов и 360 электрических градусов. Указано на противоречивые требования к законам регулирования управляемых реакторов.
Работа выполнялась в рамках проведения исследований по программам "Мировая энергетическая система", "Технические университеты России" и работ по гранту МЭИ.
Цель и задачи работы. Целями работы являлись:, дальнейшее развитие, теории' передачи электрической энергии по сверхдальним ВЛ переменного тока, исследование особенностей установившихся 2
режимов работы таких ВЛ, изменение переменных, используемых в законах, регулирования УШР в режимах, характеризуемых рабочими -углами 6 >= я, 2я; исследование балансов мощности, графиков нагрузки и установившихся режимов работы энергосистем UCPTE, IPS и ЕЭС СНГ, определение требований к совершенствованию структуры генератороных мощностей объединенной системы, оценка возможности улучшения характкристик режимов за счет присоединения к системе UCPTE дополнительных маневренных мощностей.
Для достижения поставленных целей потребовалось:
-
Разработать методики математического,моделирования стационарных и квазистационарных режимов протяженных ВЛ, оснащенных управляемыми шунтовыми реакторами.
-
Разработать комплексную математическую модель для анализа квазиустановившихся режимов длинной линии совместно с решением уравнений синхронной машины, оснащенной автоматическим регулятором возбуждения сильного действия. Для связи уравнений линии и генератора, записанных В' различных координатных системах, используется преобразование переменных из одной координатной системы в другую. Модель предназначена для исследования апериодической статической и динамической устойчивости генераторов, работающих через протяженную ВЛ на приемную систему большой мощности.
-
Выполнить исследования установившихся режимов работы протяженных ВЛ различной волновой длины и статической устойчивости ряда режимов таких ВЛ. Определить зависимости от волновой длины эквивалентныех параметров протяженных ВЛ, компенсированных управляемыми реакторами, для множества режимов работы - от режима холостого хода до режима передачи натуральной мощности.
-
Выполнить обзор тенденций развития мировой энергетики и развития европейских энергосистем (UCPTE, IPS, ЕЭС России). На основе данного исследования рассмотреть варианты развития связей энергосистем стран Западной, Центральной и Восточной Европы с энергосистемами других регионов и континентов.
-
Выполнить исследование режимов энергосистемы UCPTE при условии передачи в эту систему мощности от каскада ГЭС на реке
Конго и оценить влияние передаваемой маневренной мощности на улучшение режимов системы UCPTE, а также определить мероприятия по возможному усилению сети ВЛ 400 кВ для распределения поступающей дополнительной мощности.
5. Выполнить исследование динамической устойчивости парал
лельной работы ГЭС на реке Конго с энергосистемой UCRTE и оце
нить необходимый объем средств противоаварийного управления для
обеспечения устойчивости и предотвращения нежелательных отклоне
ний частоты при нарушениях баланса мощности в приемной энерго
системе. " -
Методика выполнения исследований. В работе использованы ориентированные на использование ПЭВМ методы решения систем линейных алгебраических уравнений, полученных из теории длинных линий переменного тока, уравнения переходных процессов синхронной машины и ее регулирующих устройств.-Динамическая устойчивость сложной электрической системы исследуется с помощью хорошо апробированного комплекса "Мустакг-92".
Основные научные результаты и их .новизна.
-
Разработаны методики математического моделирования стационарных и квазистационарных режимов протяженных ВЛ, оснащенных управляемыми шунтовыми реакторами.
-
Разработана комплексная математическая модель для анализа квазиустановившихся режимов длинной линии совместно с решением уравнений синхронной машины, оснащенной автоматическим регулятором возбуждения сильного действия. Модель предназначена для исследования апериодической статической и динамической устойчивости генераторов, работающих через протяженную ВЛ на приемную систему большой, мощности. :
-
Выполнено исследование установившихся режимов работы протяженных ВЛ различной волновой длины и статической устойчивости режимов таких ВЛ; установлены закономерности изменения переменных, которые могут быть использованы для построения законов регулирования реакторов. Показано, что в.режимах, соответствующих приближению рабочих углов к величинам 8s=jt, 2л регулирование по отклонению напряжения должно быть исключено или осуществляться
4 ' ' ' '
специальным образом.
4. Рассчитаны эквивалентные параметры протяженных ВЛ, компенсированных управляемыми реакторами, для множества режимов работы - от режима холостого хода до режима передачи натуральной мощности. Получено выражение для обобщенной характеристики мощности протяженной ВЛ с управляемыми реакторами.
51 Выполнен обзор тенденций развития мировой энергетики и развития европейских энергосистем (UCPTE, IPS, ЕЭС России). Основными направлениями развития мировой энергетики являются переход к использованию возобновляемых источников энергии и совершенствование технологии передачи электрической энергии на дальние расстояния. С этих позиций рассмотрены варианты развития связей энергосистем стран Западной, Центральной и Восточной Европы с энергосистемами других регионов и континентов. . *
6. Выполнено исследование режимов энергосистемы UCPTE при условии передачи в эту систему мощности от каскада ГЭС на реке Конго. Показано, что сооружение мощных электропередач может привести к заметному улучшению режимов системы UCPTE, а также послужить основой для развития энергетики стран Африканского континента; Разработаны рекомендации по усилению сети ВЛ 400 кВ UCPTE для распределения поступающей с Африканского континента дополнительной маневренной мощности. Показано, что усиление сети может быть достигнуто на основе реконструкции существующих.ВЛ 400 кВ путем увеличения числа проводов расщепленных фаз и замены опор.
?. Выполнено исследование динамической устойчивости энергосистемы UCPTE при авариях на электропередаче. Показано, что при передаче мощностей порядка 10 ГВт устойчивость может быть обеспечена без применения специальных мероприятий. Для предотвращения снижения частоты в объединенной энергосистеме UCPTE-IPS- ЕЭС СНГ должна быть предусмотрена возможность перераспределения мощности ГЭС по оставшимся в работе цепям ВЛ, поскольку они выбраны созиачительным запасом по пропускной способности, либо применение специальных мероприятий, способных быстро восстановить баланс мощностей в системе.
Практическая значимость работы и ее внедрение. Полученные в
5'
диссертации научные положения, выводы и рекомендации, а такие
разработанное программное обеспечение могут быть использованы в
проектных, научно-исследовательских и эксплуатационных организа
циях при проектировании дальних линий электропередачи, определе
нии требований к устройствам регулирования, определении допусти
мости тех или иных эксплуатационных или аварийных режимов и раз
работке мероприятий и рекомендаций по повышению уровня устойчи
вости. '
Методические и программные разработки использовались внауч-; но-исследовательских работах кафедры, выполняемых по программам "Мировая энергетическая система", "Технические университеты России" и работ, выполняемых по грантам.
Апробация работы. Отдельные разделы диссертации докладывались на научном семинаре кафедры "Электрические системы и.сети", Санкт-Петербургского государственного технического университета, Втором международном симпозиуме "мировая энергетическая система" (Будапешт, 1992), Четвертом международном симпозиуме "Мировая энергетическая система" (Будапешт, 1994). .
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, и содержит 78 страниц основного текста, 16 таблиц, 38 иллюстраций и 93 библиографических наименований.
При написании работы автор пользовался консультациями доцента Першикова Г. А. (каф. ЭСиС, СГОГТУ).
