Введение к работе
Актуальность темы. Внедрение управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов (УШРП) в энергосистемах России было начато в 1997 г и в перспективе предполагается только его расширение. Возможность плавного регулирования индуктивного сопротивления УШРП позволяет автоматизировать процесс стабилизации напряжения, разгрузить коммутационное оборудование, а при наличии высокой скорости набора/сброса потребляемой реактивной мощности появляется возможность использования УШРП в качестве основного средства компенсации ёмкостных токов в послеаварийных режимах работы сети.
Однако по результатам эксплуатации и системных испытаний ряда управляемых реакторов было выявлено повышенное содержание в сетевых токах УШРП гармонических составляющих, низкая скорость изменения потребляемой реакторами реактивной мощности в послеаварийных режимах работы сети, случаи повреждений вентильных преобразователей.
Для определения особенностей протекания электромагнитных процессов в УШРП необходим подробный анализ работы реакторов в различных режимах, определяемых сетью. Наиболее эффективным инструментом для решения подобных задач является математическое моделирование. Точные математические модели позволяют исследовать различные аварийные возмущения, как в сети, так и в самом устройстве.
Вопросам работы управляемых шунтирующих реакторов (УШР) в энергосистемах России и ближнего зарубежья посвящено множество работ. В частности этими вопросами занимались М.С. Либкинд, Л.И. Дорожко, А.М. Брянцев, А.Г., Долгополов, А.И. Лурье, Г.А. Евдокунин, М.А. Бики, Г.Н. Александров, В.П. Лунин, С.В. Смоловик и др. Вопросам разработки математических моделей УШР и расчёта электромагнитных переходных процессов в реакторах посвящены работы М. Ебадиана, А.Р. Лучко, С.И. Гусева, Г.М. Мустафы и др.
Вместе с тем, вышеуказанные работы направлены в основном на решение задач расширения интеграции УШР в электроэнергетические системы (ЭЭС), отыскания новых схемотехнических решений и областей применения реакторов, а также технико-экономического обоснования применения УШР в ЭЭС.
В связи с этим Филиалом ОАО «НТЦ электроэнергетики» - ВНИИЭ (ныне ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС») по заказу ОАО «ФСК ЕЭС» была выполнена научно-исследовательская работа (НИР) «Исследование сравнительной эффективности применения современных устройств регулирования реактивной мощности в сетях различных классов напряжения». Результаты, полученные в диссертации, послужили основой упомянутой НИР, состоящей из двух этапов:
- «Разработка цифровой модели УШР без отдельной обмотки подмагничивания, исследование режимов работы УШР в нормальных и аварийных режимах работы сети»;
«Классификация средств компенсации реактивной мощности (СКРМ) на основе анализа разрабатываемых средств компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в России и за рубежом. Разработка цифровой модели УШР с отдельной обмоткой подмагничивания, исследование режимов работы УШР в нормальных и аварийных режимах работы сети».
В дальнейшем результаты работы использовались при разработке программы системных испытаний и технических требований к УШР, а также стандарта организации на управляемые устройства компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения и перетоков мощности.
Целью работы является разработка численно-аналитических моделей УШРП и исследование с их помощью электромагнитных процессов в реакторах 500 кВ различных конструкций в нормальных и аварийных режимах работы электрических сетей.
Достижение цели исследования предполагает решение следующих основных задач:
анализ особенностей конструкций и областей применения УШРП;
разработка численно-аналитических моделей УШРП двух подтипов c учётом особенностей их конструкций;
разработка на основе численно-аналитических моделей УШРП расчётных цифровых моделей;
разработка аналитической модели УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;
расчёт и анализ электромагнитных процессов, определяемых областями применения реакторов, в УШРП 500 кВ различных конструкций;
верификация разработанных моделей УШРП путём сопоставления результатов расчётов с результатами системных испытаний УШРП 500 кВ, установленного на подстанции (ПС) «Таврическая» Омского предприятия Магистральных электрических сетей (МЭС) Сибири.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, расчёта индуктивностей трансформаторов и реакторов, теории матриц, линейной алгебры, теории дифференциальных уравнений и компьютерного моделирования.
Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:
разработаны численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различных конструкций для использования в стандартных пакетах прикладных программ моделирования электрических цепей, позволяющие повысить устойчивость и точность численного моделирования УШРП, а также уменьшить время расчёта;
разработана аналитическая модель УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;
исследованы электромагнитные процессы в УШРП 500 кВ различных конструкций в нормальных, а также симметричных и несимметричных аварийных режимах работы электрических сетей.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
использованием классических положений теоретической электротехники и математики;
корректностью выполнения всех теоретических построений;
сопоставлением результатов, полученных расчётным путём, с экспериментальными данными.
Научные положения, выносимые на защиту.
численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различных конструкций;
аналитическая модель УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;
способ аналитического определения обратной матрицы индуктивностей системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в сложных магнитносвязанных цепях;
результаты теоретического анализа, компьютерного моделирования и экспериментальных исследований электромагнитных процессов в УШРП 500 кВ.
Практическая значимость основных результатов диссертационной работы:
полученные в работе результаты использовались при разработке и проведении системных испытаний управляемого шунтирующего реактора на ПС 500 кВ «Таврическая» Омского предприятия МЭС Сибири в рамках НИР по договору между ОАО «ФСК ЕЭС» и Филиалом ОАО «НТЦ электроэнергетики» - ВНИИЭ в части требований к рабочим и регулировочным характеристикам УШРП, а также к его работе в динамических режимах;
материалы работы применялись при разработке технических требований к управляемому тиристорными вентилями шунтирующему реактору 3x60 Мвар, 500 кВ в рамках НИР по договору между ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» в части требований к основным характеристикам реактора;
результаты, полученные в работе, использовались при разработке стандарта организации (СТО 70238424.29.240.99.003-2009 «Управляемые устройства компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения и перетоков мощности. Условия создания. Нормы и требования») в части требований к быстродействию УШР;
разработанные цифровые модели УШРП 500 кВ различных конструкций позволяют рассчитывать переходные, в том числе несимметричные, режимы работы ЭЭС, содержащих УШРП;
методика, использованная при разработке численно-аналитических моделей УШРП, может применяться при решения широкого круга прикладных электротехнических задач.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
II Всероссийском конкурсе молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики (Дивноморск, 2007);
XVI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010);
научных семинарах и заседаниях кафедры техники и электрофизики высоких напряжений (ТЭВН) Московского Энергетического института (МЭИ);
заседаниях научно-технического совета (НТС) ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в
5 печатных работах.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, содержащего 67 наименований, и 3 приложений. Текстовая часть изложена на 153 страницах (рисунков 110, таблиц 1) и 59 страницах приложений.
