Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Обзор и анализ существующих средств поперечной компенсации реактивной мощности и постановка задачи исследования 12
1.1. Роль устройств компенсации реактивной мощности в современной электроэнергетике 12
1.2. Анализ состояния существующих средств компенсации реактивной мощности 15
1.3. Обзор и анализ существующих методик расчета средств управляемой поперечной компенсации 21
1.4. Анализ существующих средств повышения пропускной способности и снижения потерь в линиях электропередач. 23
1.5. Применения УШРП с конденсаторной батареей для предотвращения лавины напряжения и стабилизации напряжения во время и после короткого замыкании 32
1.6. Выводы к первому разделу 35
РАЗДЕЛ 2 Анализ и повышение эффективности существующих средств поперечной компенсации реактивной мощности (УШРТ, УШРП) 37
2.1. Шунтирующий реактор на основе тиристорно-реакторной группы (УШРТ) 37
2.1.1. Исследование УШРТ на математической модели 40
2.1.2. Гармонический состав тока УШРТ 42
2.1.3. Способы уменьшения искажения тока УШРТ 45
2.2. Управляемые шунтирующие реакторы с подмагничиванием постоянным током (УШРП) 47
2.2.1. Принцип работы УШРП 48
2.2.2. Конструкция фазы управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора 51
2.2.3. Моделирование УШРП путем использования эквивалентной схемы с тиристорами 54
2.2.4. Моделирование УШРП в Simulink (MATLAB) 59
2.2.5. Моделирование управляемых электрических реакторов для сети 500 кВ 61
2.2.6 Снижение искажения синусоидальности формы тока УШРП 69
2.2.7 Скорость набора и сброса мощности УШРП 74
2.3 Динамика работы управляемых шунтирующих реакторов УШРТиУШРП 75
2.3.1 Система управления устройствами поперечной компенсации реактивной мощности (УШРП, УШРТ) 75
2.3.2 Реакция энергосистемы с включенной поперечной компенсацией (УШРТ или УШРП) на изменение мощности, потребляемой нагрузкой 79
2.3.3 Влияние УШРП на стабилизацию напряжения при коротком замыкании на линии 83
2.4 Выводы по второй главе 89
РАЗДЕЛ 3. Влияние статической характеристики ушрп на потери мощности в линии лектропередачи .91
3.1 Математическая модель статического источника реактивной мощности 92
3.2 Алгоритм и программа расчета установившегося режима электрической системы переменного тока, включающей СТК 95
3.3 Виляние устройств компенсации реактивной мощности на снижение потерь в электроэнергетической системе 99
3.4 Анализ влияния напряжения уставки и коэффициента статизма реактора на режимы работы энергосистемы 106
3.5 Выводы по третьей главе 119
РАЗДЕЛ 4. Применение стк на базе ушрп с коммутируемой внешней конденсаторной батареей для поддержания напряжения в энергосистеме 120
4.1.1 Влияние СТК на базе УШРП на повышение пропускной способности 122
4.1.2 Влияние СТК на базе УШРП на стабилизацию напряжения во время и после короткого замыкания 126
4.2 Влияние СТК на базе УШРП на повышение надежности электроснабжения и устойчивости двигательной нагрузки 132
4.3 Выводы к 4 разделу 136
Список использованных источников
- Роль устройств компенсации реактивной мощности в современной электроэнергетике
- Шунтирующий реактор на основе тиристорно-реакторной группы (УШРТ)
- Математическая модель статического источника реактивной мощности
- Влияние СТК на базе УШРП на повышение пропускной способности
Введение к работе
Актуальность темы. Средства поперечной компенсации реактивной мощности - это устройства, устанавливаемые в сетях высокого напряжения и предназначенные для управления потоками электрической энергии в нормальных и аварийных режимах энергосистемы и соответственно повышения качества электроснабжения. В последнее время в связи с появлением высокотехнологических производств и непрерывных технологических процессов с высокими требованиями к качеству электроснабжения в мире наблюдается тенденция к ужесточению требований к качеству потребляемой электроэнергии.
На сегодняшний день во всем мире эксплуатируется целый ряд устройств, позволяющих в большей или меньшей мере компенсировать реактивную мощность (РМ) и имеющих специфические достоинства и недостатки.
Возможна компенсация реактивной мощности, нормализация и регулирование напряжения с помощью синхронных генераторов (СГ) электростанций и синхронных компенсаторов (СК). Однако потребление реактивной мощности СГ и особенно СК связано со значительными дополнительными потерями. Кроме того, использование СГ в режиме потребления РМ (недовозбуждения) приводит к снижению устойчивости их работы и ускоренному износу машины из-за перегрева крайних пакетов активной стали и конструктивных элементов генераторов, вызванного значительным возрастанием результирующих магнитных полей в зонах лобовых частей обмотки статора в режиме недовозбуждения.
В сетях сверхвысокого напряжения компенсация реактивной мощности и нормализация напряжения проводится с помощью неуправляемых шунтирующих реакторов (ШР). Однако, как известно, эксплуатация неуправляемых шунтирующих реакторов связана с рядом технических сложностей. Основными из них являются:
необходимость частой коммутации ШР при изменении режима передачи электрической энергии.
связанная с этим необходимость установки силовых выключателей для подключения ШР к линиям.
возбуждение коммутационных перенапряжений при коммутации реакторов и, соответственно, преждевременный износ изоляции высоковольтного оборудования и, прежде всего, самих ШР.
быстрое срабатывание ресурса выключателей.
Выходом из сложившейся ситуации является использование более эффективных управляемых статических компенсаторов реактивной мощности (СТК), управляемых реакторов на основе силовых тиристоров (УШРТ), управляемых подмагничиванием реакторов (УШРП).
Статические тиристорные компенсаторы получили достаточно широкое распространение за рубежом в конце 80-х годов. В простейшем варианте СТК представляет собой параллельно включенные нерегулируемую конденсаторную батарею (НКБ) и тиристорно-реакторную группу (ТРГ). СТК обладают способностью быстрого и плавного перехода от режима потребления реактивной мощности к ее генерации и наоборот, что позволяет в значительной степени решать вопросы обеспечения устойчивости электроэнергетической системы (ЭЭС) и повышения технико-экономических показателей передачи электроэнергии.
Вместе с тем, тиристорное управление индуктивными элементами, причем на высоком напряжении, является сложным и дорогостоящим техническим решением. Кроме того, в энергосистемах с преимущественным избытком реактивной мощности установка НБК в принципе не имеет смысла. УШРТ принципиально ничем не отличается от ТРГ, входящей в состав СТК, следовательно, обладает теми же недостатками, что и СТК.
УШРП в отличие от СТК и УШРТ имеет не только значительно меньшую стоимость изготовления, но и существенно меньшие затраты на монтаж и эксплуатацию, поскольку основное высоковольтное оборудование реактора не отличается по условиям монтажа и эксплуатации от аналогичных по напряжению и мощности трансформаторов или неуправляемых реакторов, не требует закрытых помещений и высококвалифицированного специализированного персонала.
Внедрение УШРП позволит снизить потери электроэнергии, увеличить пропускную способность, повысить качество напряжения и надежность электроснабжения. Кроме того, применение управляемых реакторов во многих случаях позволит уменьшить число коммутаций выключателей и РПН трансформаторов, что также способствует повышению надежности, сокращению межремонтных периодов и увеличению сроков службы оборудования и в целом скажется на снижении стоимости электропередачи. Кроме того, управляемый реактор совместно с батареей статических конденсаторов по своему назначению и функциональным возможностям может выполнять функции аналогичного по мощности синхронного компенсатора, установленного на данной подстанции, либо СТК той же мощности.
В связи с тем, что в настоящее время в Иране активно ведется строительство линий электропередачи напряжением 400 кВ, с одной стороны, и в связи с имеющейся тенденцией удаления мест потребления электроэнергии от мест ее выработки, с другой стороны, становится все более актуальным применение статических управляемых устройств поперечной компенсации. Одним из возможных решений является широкое применение управляемых подмагничиванием реакторов, что обусловлено их несомненными достоинствами (компактность, простота и надежность в эксплуатации, меньшая стоимость), обеспечивающими им высокую конкурентоспособность. Однако широкому внедрению управляемой поперечной компенсации на базе УШРП в энергосистеме Ирана должны предшествовать многосторонние научные исследования, составной частью которых и является в настоящий работа.
В настоящее время отсутствуют математические модели УШРП, позволяющие рассчитывать динамические режимы ЭЭС, а имеющиеся математические модели и программы для расчета установившихся режимов обладают рядом недостатков, в частности, эти модели не могут являться элементом программы анализа режимов сложных энергосистем.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей ЭЭС, содержащих управляемые устройства поперечной компенсации, и использование этих моделей для исследования возможностей УШРП по повышению технико-экономических показателей линий электропередачи, а также повышению надежности электроснабжения и устойчивости ЭЭС.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач исследования:
анализ состояния существующих разработок устройств управляемой поперечной компенсации и исследований в области их математического моделирования;
разработка с использованием современных программных средств математических моделей УШРП, предназначенных для исследования процессов в реакторе, а также установившихся и динамических режимов энергосистем, содержащих УШРП;
! сопоставление технических характеристик УШРП и УШРТ, в частности, гармонического состава тока;
? исследование влияния статизма и уставок УШРП на величину потерь мощности (электроэнергии) в линии электропередачи и выработка рекомендаций по выбору значений статизма и уставок;
? определение возможностей и эффективности использования УШРП совместно с батареей конденсаторов для стабилизации напряжения, повышения устойчивости двигательной нагрузки и пропускной способности электропередачи;
экспериментальная проверка достоверности полученных теоретических результатов на электродинамической модели МЭИ (ТУ).
Объект исследования. Объектом исследования являются электроэнергетические системы с управляемой поперечной компенсацией.
Предмет исследования. Предметом исследования являются режимы ЭЭС с управляемой поперечной компенсацией, анализ влияния управляемой поперечной компенсации на качество электроснабжения.
Методы и средства исследований. Решение поставленных в диссертационной работе задач выполнено с использованием методов математического моделирования ЭЭС, численных методов решения нелинейных дифференциальных уравнений, методов анализа линейных и нелинейных электрических цепей в среде MATLAB. Использовалась теория дальних линий электропередачи, теория электромеханических переходных процессов, положения теории автоматического регулирования.
Основные научные результаты и их новизна заключаются в следующем:
- разработаны математические модели электроэнергетической системы с управляемым подмагничиванием реактором, позволяющие адекватно исследовать режимы работы системы;
- проведено сравнение технических характеристик УШРТ и УШРП в части динамики их работы и генерации высших гармоник в сеть, определены пути уменьшения высших гармоник;
- усовершенствован способ настройки системы управления в части выбора статизма и напряжения уставки УШРП с целью минимизации потерь в линии электропередачи;
- исследована возможность применения УШРП совместно с конденсаторной батареей для стабилизации напряжения, повышения устойчивости двигательной нагрузки и пропускной способности линий электропередачи;
- получила дальнейшее развитие теория переходных электромеханических процессов в ЭЭС в части использования управляемой поперечной компенсации на базе УШРП.
Практическая ценность работы. Результаты работы могут использоваться в проектных и научно-исследовательских организациях при решении задач развития электрических сетей, улучшения режимов ЭЭС, повышения управляемости ЛЭП, а также повышения надежности и устойчивости узлов нагрузки, содержащих асинхронные двигатели. Использование разработанных методов настройки системы управления УШРП позволит минимизировать потери мощности в ЭЭС в процессе эксплуатации. Полученные результаты могут быть использованы при чтении дисциплин, связанных с математическим моделированием и устойчивостью ЭЭС.
Достоверность полученных результатов подтверждается следующим:
- использованием известных проверенных методик и уравнений, связанных с расчетами режимов ЭЭС;
- сопоставлением полученных результатов по характерным контрольным точкам с полученными ранее результатами в других исследованиях;
- проверкой полученных результатов другими известными методиками (программа "РЕЖИМ", программа "УСТМЭИ" и программа "NRAST");
- сопоставлением результатов, полученных расчетным путем, с результатами экспериментальных исследований на электродинамической модели МЭИ (ТУ) и результатами натурных испытаний.
Апробация работы. Все наиболее важные положения и результаты диссертационной работы были обсуждены и получили положительные отзывы на научных конференциях и семинарах: двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2-3 марта 2006 г., МЭИ (ТУ), г. Москва; Х1-я
Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», 18-23 сентября 2006 г. Крым, Алушта, а также на научных семинарах и заседании кафедры «Электроэнергетические системы» МЭИ.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 5 научных статей.
Указанные работы приведены в списке использованных литературных источников.
Автор выражает благодарность своим научным руководителям д.т.н. Строеву В.А. к.т.н., Карымову P.P., а также сотрудникам кафедры ЭЭС МЭИ за оказанную помощь в процессе работы над диссертацией.
Роль устройств компенсации реактивной мощности в современной электроэнергетике
В настоящее время во всем мире эксплуатируется целый ряд устройств позволяющих в большей или меньшей мере компенсировать реактивную мощность (РМ) и имеющих специфические достоинства и недостатки.
Возможна компенсация реактивной мощности с помощью синхронных генераторов (СГ) электростанций, и синхронных компенсаторов (СК). Однако потребление реактивной мощности СГ и особенно СК связано со значительными дополнительными потерями. Кроме того, использование СГ в режиме потребления РМ (недовозбуждения) приводит к снижению устойчивости их работы и ускоренному износу машин из-за перегрева крайних пакетов активной стали и конструктивных элементов генераторов, вызванного значительным возрастанием результирующих магнитных полей в зонах лобовых частей обмотки статора в режиме недовозбуждения [3].
В последнее время в ряде энергосистем России для поглощения избыточной реактивной мощности применятся так называемые асинхронизированные турбогенераторы (АТГ) в которых отсутствуют недостатки присущие СГ и СК. Однако АТГ может устанавливаться только на электростанциях и не может быть устанавливать на промежуточных подстанциях.
Также в линиях электропередач используются неуправляемые шунтирующие реакторы (ШР). По своей конструкции ШР является трансформаторным оборудованием и соответственно обладает высокой надежностью и сроком службы более 25 лет. Однако отсутствие возможности управления потреблением РМ приводит к тому, что для стабилизации напряжения в системе при постоянно меняющейся нагрузке потребителя приходится использовать переключатели под нагрузкой (РПН) автотрансформаторов подстанций, что приводит к быстрому их износу.
Теория компенсация РМ с помощью СГ, СК, АТГ и ШР достаточно хорошо разработана [3,8] и в диссертационной работе не рассматривается.
Более подробно остановимся на статических управляемых средствах компенсации РМ.
Статические устройства компенсации РМ находят все большее применение в современной электроэнергетике для непрерывного управления потоками электрической энергии в нормальных и аварийных режимах. Традиционные устройства электромашинного типа - синхронные компенсаторы - заменяются более эффективными статическими компенсаторами реактивной мощности на основе силовых тиристоров, насыщающихся или управляемых реакторов.
Исследования и разработки в области создания таких устройств были начаты в начале 50-х годов XX столетия [9] в ряде стран, в том числе и СССР.
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.
Разработкой, положившей начало этапу применения новых средств управления режимами электрических систем с использованием элементов силовой электроники, явился статический управляемый источник реактивной мощности (ИРМ) [5]. Один из них, где использовались тиристорно-реакторные группы совместно с конденсаторной батареей, получил название статический тиристорний компенсатор (СТК) [10].
Значительный вклад в развитие этого направления внесен Московским энергетическим институтом, Всесоюзным электротехническим институтом (ВЭИ), Горьковским и Львовским политехническими институтами 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.
Мощным импульсом в развитии концепции техники компенсации реактивной мощности линии 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 по созданию устройств компенсации реактивной мощности линии.
Рассмотрим статический компенсатор представляющий собой комбинацию неуправляемого реактора с линейной характеристикой и тиристоров, управляемых по определенному закону. Тиристоры последовательно соединяются с реактором. Очевидно, что оба элемента и накопительный и регулирующий должны быть рассчитаны на номинальные токи и напряжение блока.
Шунтирующий реактор на основе тиристорно-реакторной группы (УШРТ)
Для анализа работы однофазного реактора, управляемого тиристорами, предположим, что он работает на источник напряжения бесконечной мощности синусоидальной формы. Реактор коммутируется синхронно с питающим напряжением с помощью тиристорного вентиля, состоящего из двух тиристоров, включенных встречно - параллельно. Синхронная коммутация реактора может быть осуществлена только, если тиристорный вентиль переключается в проводящее состояние в каждый положительный и отрицательный полупериод в моменты после прохождения напряжением максимумов, но не позже моментов перехода напряжения через нуль. В каждый полупериод реактор остается включенным, пока ток, проходящий через него, не снизится до тока удержания тиристора, после чего вентиль запирается. Основная схема реактора с тиристорным управлением и кривые мгновенных значений напряжения и тока представлены на рис. 2.1. Угол отпирания а отсчитывается от момента, когда анодное напряжение тиристора становится положительным. Угол может изменяться от 90 до 180. Для а= 90 тиристорный вентиль проводит в течение всего периода, и ток имеет форму полной синусоиды. При от = 180 вентиль закрыт. Если угол находится в промежутке между этими крайними значениями, то ток состоит из положительных и отрицательных импульсов одинаковой амплитуды. В промежутке углов между 0 и 90 работает только один тиристор, постоянная составляющая в токе через индуктивность не позволяет открыться второму тиристору, на рис. 2.2 представлен ток через тири сторно-реакторную группу во всем диапазоне а = 0-180 управления тиристорным вентилем.
Существующее в собранном по основной схеме УШРТ (рис. 2.1,а) явление, связанное с неполным диапазоном регулирования тиристоров, ограничивает возможности адекватного сравнения УШРТ с управляемыми реакторами УШРП. Это следует из схемы замещения УШРП с помощью тиристорно-реакторной группы предложенной профессором Брянцевым A.M. [9] (рис. 2.3,а). Для этой схемы при изменении углов управления тиристорами между 0 и 90 ток состоит из положительных и отрицательных импульсов одинаковой амплитуды (рис. 2.3,6) І (А) I а) б) Рис. 2.3. Принципиальная схема замещения УШРП с помощью тиристорно-реакторной группы (а) и ток і протекающий в общей цепи (б).
Выражение для тока в диапазоне регулирования углов между 180 и 90 полностью соответствует выражению (2.1), а в диапазоне между 0 и 90 примет вид: „ ч Ли , i(t) (cosa - cos о/) при а ал 2п-а и cosa i(l) = — -coso !+ 2U (s\na-cosa l) при а со! 2тг-а И cosa ., . 2yf2U (2.2) 1(1) = cos cot XI Из уравнений (2.2) можно видеть, что ток при угле управления а=0 в два раза больше, чем при а - 90.
Исследования поведения реакторов в динамике дают возможность проверки системы регулирования и оценки динамических характеристик шунтирующего реактора [10,5]. Эти исследования проводятся с помощью цифровой модели реактора в среде MATLAB. Трансформаторы, реакторы, конденсаторы, линии передач, силовые элементы компенсатора моделируются на MATLAB с помощью Simulink. Система регулирования обычно является копией реальной системы управления со всеми основными функциями управления и защиты с целью воспроизведения точного её поведения в динамике. Эти исследования полезны и эффективны для следующих целей: обеспечения информацией для разработки технических условий на компенсаторы и для анализа предложения на поставку; проверки системы регулирования на любую неисправность; проверки соответствия динамических характеристик условиям; определения установок регулирования и пределов устойчивости всех ожидаемых рабочих режимов сети; выбора корректных параметров модели для использования при анализе динамической устойчивости; разработки новых функций управления; Рис. 2.4. Реакторный блок, управляемый тиристорами по 6-фазной схеме. решения вопросов, возникающих при эксплуатации существующих установок.
Несннусые искажения формы тока являются важным показателем пригодности оборудования для подключения к линии электропередач. Рассмотрим вопросы, связанные с генерацией гармоник управляемыми реакторами.
Разложение в ряд Фурье кривой тока (2.1), приводит к следующим выражениям для основной гармоники и высших нечетных гармоник тока: U Л{п - а) - sin 2а
Реакторный блок, управляемый тиристорами по 6-фазной схеме (рис. 2.7,а), состоит из трех реакторов с тиристорным управлением, соединенных в треугольник для исключения гармоник с номерами кратными трем (11=3,9,15...). Оставшиеся нечетные гармоники с номерами (п=5,7,11,13...) являются каноническими гармониками, которые продолжают поступать в сеть в симметричных установившихся режимах. Результаты расчета на математической модели зависимостей тока основной гармоники и токов высших гармоник от угла открытия тиристора приведены на рис. 2.7,6. Полученные на математической модели результаты в точности соответствуют расчетам, полученным на основе разложения в ряд Фурье выражения (2.1) и представленным графически на рис. 2.6,6, что подтверждает адекватность модели. Наиболее существенными являются 5, 7, 11 и 13-я гармоники. Их максимальные значения, равные соответственно 5,12; 2,59; 1,6; и 0,7% от 1цоМ достигаются при соответствующих углах открытия тиристоров.
Математическая модель статического источника реактивной мощности
Для исследования влияния статической характеристики УШРП на потери мощности в линии электропередачи или в электрической системе необходимо иметь программу расчета установившихся режимов ЭЭС, содержащих УШРП, Но, как было показано в первой главе, существующие программы для расчетов как самого УШРП, так и ЭЭС, содержащих УШРП, имеют ряд недостатков, в связи с чем возникает необходимость разработки программы расчета установившегося режима ЭЭС, содержащих УШРП. Поэтому одна из задач, решенная автором в этой главе, была разработка указанной программы с использованием современных расчетных систем, позволяющих избежать недостатков присущих имеющимся программным продуктам. Следует отметить, что в настоящее время на кафедре ведутся работы по расширению функциональных возможностей реактора за счет применения батарей статических конденсаторов. Разрабатываемые устройства по своим функциональным и статическим характеристикам являются полным аналогом СТК. Поэтому в разработанной мною программе была реализована не модель УШРП, а разработанная ранее на кафедре модель СТК.
Расчеты установившегося режима являются частью многоцелевых вариантных расчетов при проектировании энергосистем, установке дополнительных источников реактивной мощности, анализе апериодической статической устойчивости и т. д. [117]. Поэтому алгоритм и структура программы должны быть приспособлены для использования ее как блока в программах анализа апериодической статической устойчивости, реализующих метод Ньютона в схемах с хорошей обусловленностью матриц коэффициентов и возможностью перехода к методу по параметру в случае расходимости итерационного процесса Ньютона, а также для использования других методов факторизации матриц или другой системы координат переменных в уравнениях небалансов и возможности задавать источники реактивной мощности, разных типов. Выполнение этих требований и возможностей использования программы в разных целях потребовало применения модульного принципа при разработке программы.
При исследовании влияния статических характеристик на потери мощности основное внимание уделялось режимам работы линий электропередачи при передаче по ним мощностей, не превышающих натуральную мощность линии, т.е. режимам естественной пропускной способности, на длительную работу в которых обычно и рассчитываются линии электропередачи. Это связано с тем, что оптимизировать следует именно длительные нормальные режимы, а не сравнительно кратковременные аварийные.
Математическая модель управляемых статических источников реактивной мощности определяется характеристикой регулирования Q(U). Тип и параметры характеристики реактивной мощности зависят от принятой схемы соединяя индуктивности и емкости, а также возможного диапазона изменения мощности источника. Характеристика регулирования управляемого статического источника реактивной мощности, состоящего из управляемого реактора, параллельно которому включена конденсаторная батарея, приведена на рис. 3.1. Она идентична статической характеристике СТК на основе ТРГ, математическая модель которого описана в [19]. Учитывая, что управляемые подмагничиванием реакторы с параллельным подключением конденсаторной батареи, т.е. фактически СТК на базе УШРП уже стали реальностью (например, на ПС ПОкВ Кудымкар, Пермьэнерго, УШРП мощностью 25 Мвар включен параллельно с конденсаторной батареей мощностью 54 Мвар) в программе целесообразно моделировать именно СТК, а за основу можно принять модель, приведенную в [19] и описанную ниже.
Результирующая мощность СТК определяется разностью мощностей реактора и конденсаторной батареиQe равна Q = QL-QC.
В случае если мощность реактора будет больше мощности конденсаторной батареи, СТК может работать как в режиме генерации, так и в режиме потребления реактивной мощности. При этом возможен плавный переход из одного режима в другой, так как рабочая точка СТК (с напряжением уставки U0) обычно выбирается так, чтобы при номинальном напряжении сети суммарная мощность статического компенсатора была равна нулю. При повышении напряжения СТК потребляет из сети реактивную мощность, при снижении - генерирует.
Влияние СТК на базе УШРП на повышение пропускной способности
Известно [30], что реактивная мощность нагрузки имеет более выраженную зависимость от напряжения, чем активная. Так, на 1% изменения напряжения активная мощность изменяется на 0,6-2%, в то время как реактивная мощность изменяется на 2-5%. Степень снижения напряжения на шинах узла нагрузки зависит от свойств той нагрузки, которая подключена к этим шинам. Влияние свойств нагрузки на напряжение системы определяется регулирующим эффектом. Чем выше регулирующий эффект, тем в большей степени нагрузка участвует в сохранении баланса мощности.
Таким образом, все составляющие баланса реактивной мощности связаны с напряжением. Нарушение баланса реактивной мощности приводит к изменению уровня напряжения в сети. Если генерируемая реактивная мощность становится больше потребляемой 10г ЕОп., то напряжение в сети повышается. При дефиците реактивной мощности SQr SQn напряжение в сети понижается. Соответственно избыток генерируемой реактивной мощности приводит к повышению, а недостаток - к понижению напряжения.
В настоящей работе исследовалась возможность применения СТК на базе УШРП с коммутируемой внешней конденсаторной батареей для регулирования напряжения и предотвращения лавины напряжения. Исследования проводились на физической модели МЭИ и на разработанных автором в системе MATLAB цифровых моделях для простейших схем электроэнергетических систем. В качестве возмущающих воздействий рассматривался наброс нагрузки и однофазное короткое замыкание [120]. Кроме того, в этой главе проводилась проверка достоверности разработанных автором в системе MATLAB цифровых моделей.
Проверка достоверности разработанных автором в системе MATLAB цифровых моделей проводилась путем сопоставления результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований, выполненных на электродинамической модели МЭИ для простейшей схемы электроэнергетической системы рис. 4.1.
Как видно из рисунка модельная энергосистема состоит из генератора работающего через линию электропередачи на узел нагрузки, который содержит мощные асинхронные двигатели и динамическую нагрузку. Параметры модели (коэффициент статизма, сопротивление линии, мощность холостого хода и номинальная мощность СТК) кст = 0,03; 2Л = 1 + 18/ и при UE=653B,SB=3000B.A ,QP.XX = 0,033, 0 =1, =1.23.
На рис. 4.2 представлена структура математической модели энергосистемы реализованной на электродинамической модели МЭИ. Модель предназначена для исследования устойчивости асинхронных двигателей. Она была реализована в среде MATLAB. Параметры структурной модели (мощность АД, нагрузка, СТК и др.) были выбраны в соответствии с указанными выше параметрами модельной энергосистемы.
Результаты исследование влияния СТК на предельную передаваемую по линии активную мощность по условию устойчивости асинхронной нагрузки приведены на рис. 4.4. Здесь статические характеристики 1 соответствует результатам расчетов по разработанной автором программе, а статические характеристики 2 результатам экспериментов на электродинамической модели. Анализ этих характеристик, показывает, что результаты расчетов и результаты экспериментальных исследований практически совпадают. Кроме того, из рисунков видно, что при увеличении мощности нагрузки и увеличении активной мощности Р, подтекающей к узлу, СТК поддерживает напряжение U за счет уменьшения мощности Qp, потребляемой УШРП. При этом снижается и подтекающая к узлу нагрузки реактивная мощность Q. В результате удается передать по линии активную мощность, равную 4,85 о.е. (мощности выражены в долях от Op.,,). При дальнейшем увеличении мощности нагрузки напряжение в узле быстро снижается и наблюдается лавина напряжения с опрокидыванием асинхронной нагрузки.
