Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные элементы гибких электропередач переменного тока (FACTS) .16
1.1. Статические источники реактивной мощности 16
1.2. Управление в ЭЭС с помощью:элементов FACTS 18
1.3. Параллельные устройства FACTS — 28
1.4. Последовательные устройства FACTS 45
1.5. Комбинированные устройства FACTS 58
1.6. Примеры использования устройств FACTS 68
Выводы к первой главе 71
Глава 2. Силовая электроника в системах электроснабжения ...72
2.1. Особенности развития силовой электроники 72
2.2. Основные характеристики силовых полупроводниковых устройств 77
2.3. Сравнительная оценка силовых полупроводниковых устройств 102
2.4. Силовая электроника в системах электроснабжения 104;
Выводы ко второй главе 113
Глава 3. Устройства активной фильтрации в электрических сетях 114
Зі.1. Актуальные задачи активной фильтрации 114
3.2. Управление активными фильтрами в.электрических сетях . 126
3.3. Эффективность применения активных фильтров 144
ЗА. Предложения по объектам установки активных фильтров .155
Выводы к третьей главе 161
Глава 4. Расчеты электрических сетей с устройствами FACTS 163
4;1. Характеристика задачи 163
4.2: Статический компенсатор реактивной мощности (SVG) 177
4.3. Последовательный конденсатор с тиристорным управлением (TCSC) 186
4.4. Статический синхронный компенсатор (СТАТКОМ) 198
4.5. Объединенный регулятор потока мощности (UPFC) 203
Выводы к четвертой главе 211
Глава 5. Современные методы синтеза регуляторов FACTS 213
5.1. Модальный синтез устройств FACTS с целью демпфирования колебаний мощности 213
5.2. Координация работы устройств FACTS на основе методов нечеткой логики 224
5.3. Синтез регулятора FACTS на основе теории самоорганизую щихся регуляторов с экстраполяцией (СОРЭ) 231
Выводы к пятой главе 240
Глава 6. Устройства FACTS в ЕНЭС России 242
6.1. Устройства СТАТКОМ для ПС 330/400 кВ Выборгская ОЭС Северо-Запада 244
6.2. Устройство управляемой продольной компенсации (УУПК) на ВЛ 500 кВ Саяно-Шушенская ГЭС -Новокузнецкая 248
6.3. Фазоповоротное устройство (ФПУ) на электропередаче 220 кВ Томск - Нижневартовск 250
6.4. Рекомендации по применению устройств FACTS на межсистемных связях ОЭС Урала, Средней Волги и Центра 253
6.5. Межсистемная связь между ОЭС Сибири и Востока на основе Забайкальского Преобразовательного Комплекса 262
Выводы к шестой главе 275
Заключение 278
Список литературы 282
Приложения 298
- Управление в ЭЭС с помощью:элементов FACTS
- Основные характеристики силовых полупроводниковых устройств
- Управление активными фильтрами в.электрических сетях
- Статический компенсатор реактивной мощности (SVG)
Введение к работе
Am-уальность темы диссертации. Анализ актуальных проблем функционирования ЕЭС России и транспорта электроэнергии позволили выявить ряд «узких мест», которыми, в частности, являются: ограниченные возможности параллельной работы ОЭС Сибири с Европейской частью ЕЭС, а также получения и выдачи мощности из Тюменской энергосистемы; недостаточная пропускная способность ряда сечений между ОЭС Центра и энергосистемами Северного Кавказа и стран Закавказья; отсутствие возможности осуществления параллельной работы ОЭС Сибири и ОЭС Востока и др. В ближайшей перспективе возможны ограничения в сечениях ОЭС Центра, ОЭС Средней Волги и ОЭС Урала, в ОЭС Северо-Запада; имеются также ограничения по выдаче «запертых» мощностей ряда электростанций (Печорской ГРЭС, Кольской АЭС и др.).
Многие из указанных проблем могут быть эффективно решены путем со
вершенствования методов и средств управления потоками мощности в электриче
ских сетях высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения как при нор
мальных, так и в переходных режимах функционирования электроэнергетических
систем (ЭЭС) на основе применения технологии управляемых гибких электропе
редач переменного тока или, в соответствии с терминологией IEEE, Flexible
AC Transmission Systems (FACTS).
Основная задача технологии FACTS заключается в повышении эффективности управления потоками мощности, регулирования напряжения, обеспечения статической или динамической устойчивости. Такая возможность обеспечивается благодаря способности элементов FACTS управлять взаимосвязанными параметрами, определяющими функционирование магистральных линий электропередачи, такими, как полное сопротивление, ток, напряжение, угол фазового сдвига между напряжениями по концам линии, затухание колебаний на различных частотах и т.д.
Большой вклад в решение проблем управляемых гибких электропередач переменного тока и электропередач постоянного тока внесли отечественные и зарубежные ученые Александров Г.Н., Астахов Ю.Н., Ботвинник М.М., Баринов В. А., Брянцев A.M., Веников В.А., Воропай Н.И., Глинтерник СР., Гринштейн Б.И., Жданов П.С., Идельчик В.И., Ивакин В.Н., Ковалев В.А., Кощеев Л.А., Ледянкин Д.П., Лабунцов В.А., Литкенс И.В., Либкинд М.С., Лутидзе Ш.И., Мамиконянц Л.Г., Маркович И.М., Мисриханов М.Ш.,-Нейман Л.Д., Кочкин В.И., Поссе А.В., Розанов Ю.К., Руденко Ю.Н., Рыжов Ю.П., Строев В.А., Совалов С.А., Соколов Н.И., Тиходеев Н.Н., Хвощинская З.Г., Худяков В.В., Чебан В.М., Шакарян Ю.Г., Якимец И.В., Acha Е., Akagi Н., Andersson G., Hingorani N. и др.
Для решения задач управления режимами работы ЭЭС и потоками мощности как в существующих, так и в новых или модернизируемых линиях электропередачи в целях обеспечения надежности и устойчивости функционирования отдельных и объединенных энергосистем, а также ЕЭС России в целом широко используются современные программно-технические средства и высокоскоростные каналы связи (оптико-волоконные, спутниковые и др.). Однако даже при их использовании эффективность управления во многих случаях ограничивает недостаточное быстродействие широко применяемых в современных ЭЭС силовых управляющих схем с механически переключаемыми устройствами. Другая связанная с этим сторона проблемы заключается в том, что команды управления для таких устройств нельзя формировать с высокой частотой, поскольку механические устройства имеют меньшую износостойкость по сравнению со статическими устройствами.
Поэтому возможности эффективного применения технологии FACTS в значительной мере связаны с развитием и совершенствованием бесконтактных электрических аппаратов, элементов силовой электроники и их систем управления. В
частности, применение современных высокоскоростных преобразовательных и исполнительных устройств в регуляторах FACTS позволит последним эффективно выполнять следующие функции: управления реактивной мощностью; регулирования напряжения, изменения направления и величины перетоков мощности; функции активных или гибридных фильтров и др.
Для исследования и оценки эффективности нового поколения регуляторов FACTS необходимо модернизировать значительную часть инструментов расчета и анализа перетоков мощности, используемых при планировании режимов и в процессе функционирования ЭЭС. В настоящее время одним из основных методов решения задачи расчетов потоков мощности, в том числе, и при наличии элементов FACTS, является метод Ньютона-Рафсона. Однако при последовательном поиске решений этим методом в конце каждой итерации возникает подзадача переопределения переменных состояния управляемых силовых устройств, и в результате таких переопределений итерационный процесс теряет свойство квадра-тической сходимости. Поэтому совершенствование и развитие методов и инструментов расчета режимов с учетом взаимодействия различных устройств FACTS также является актуальной задачей.
Современные методы синтеза устройств FACTS в большой мере связаны с выполняемыми этими устройствами функциями. Для минимизации нежелательного взаимодействия (взаимовлияния) устройств FACTS используемые для их синтеза методы и процедуры должны учитывать факт такого взаимодействия. Нелинейность моделей энергосистем, их параметрическая неопределенность и непредсказуемые в аварийных ситуациях изменения режимов работы существенно затрудняют задачу синтеза координированного управления. Задачи адаптивного управления (регулирования) ЭЭС, демпфирования колебаний перетоков мощности и ряд других требуют разработки специальных методов синтеза устройств FACTS.
Традиционные устройства компенсации реактивной мощности, коммутируемые выключателями, имеют ряд существенных недостатков. Кроме того, в настоящее время очень актуальна проблема повышения качества электроэнергии. Тенденция роста нелинейных нагрузок в общем составе потребителей электроэнергии, являющихся источниками высших гармоник, усугубляет эту проблему. Применяемые для повышения качества электроэнергии пассивные фильтры переменного тока имеют высокие потери и не обеспечивают эффективное снижение высших гармоник. Поэтому актуальны исследования и разработки принципов управления активной фильтрацией на основе элементов силовой электроники для решения проблем повышения качества электроэнергии в ЭЭС.
Новые технологии создания и развития сетей электропередачи с быстродействующим электронным управлением режимами их работы обуславливают необходимость иных способов разработки и сооружения оборудования электростанции, изменения подходов и процедур планирования работы сетей для передачи и распределения электроэнергии.
Эти технологии могут также изменить характер деловых операций на энергорынке из-за появления возможности высокоскоростного управления потоками электроэнергии. Благодаря множеству присущих ей и многообещающих экономических и технических достоинств технология FACTS сознательно поддерживается производителями электрооборудования, систем энергоснабжения и научно-исследовательскими организациями во всем мире.
Автор выражает благодарность д.т.н. Любарскому Д.Р. за научные консультации при выполнении настоящей работы
Связь работы с государственными и отраслевыми научно - техническими программами, темами.
Исследования по данной проблеме проводились автором в рамках отраслевых программ Министерства промышленности и энергетики РФ, и в соответствии с приказом РАО «ЕЭС России» от 29.05.06 №380 «О создании управляемых линий электропередачи и оборудования для них» и с решениями Координационного Совета ОАО «ФСК ЕЭС» по созданию и применению в ЕЭС устройств и технологий управляемых систем электропередачи переменного тока.
Цель работы. Целью работы является исследование и разработка эффективных методов и средств управления режимами ЭЭС на основе применения гибких электропередач переменного тока (FACTS) и современных высокоскоростных преобразовательных и исполнительных устройств в регуляторах FACTS, а также совершенствование их математического, алгоритмического и программного обеспечения, расширяющего их функциональные возможности для обеспечения надежности и устойчивости функционирования электроэнергетических систем.
Для достижения поставленной цели решен следующий комплекс задач:
1.Выполнен сравнительный анализ функциональных возможностей средств управления режимами ЭЭС на основе элементов FACTS и оценка их эффективности.
Проведено исследование режимов работы и функциональных возможностей устройств силовой электроники, выполненных на полностью управляемых ключах, и разработаны инженерные методики расчета элементов их силовых частей.
Разработаны принципы управления активной фильтрацией на основе элементов силовой электроники для решения проблем повышения качества электроэнергии в ЭЭС.
Разработаны принципы и методы управления элементами FACTS с учетом их взаимодействия для управления режимами ЭЭС.
Разработаны методы синтеза систем управления устройств FACTS, обеспечивающие заданные динамические свойства.
Исследованы возможности управления устройствами FACTS на основе адаптивных самоорганизующихся регуляторов (СОРЭ).
Разработаны рекомендации и предложены методы и средства их реализации для решения проблем функционирования ЕЭС России и транспортирования электроэнергии с учетом «узких мест», связанных с ограниченными возможностями: параллельной работы ОЭС, получения и выдачи мощности энергосистемами, их пропускной способности.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются методы' и средства управления режимами электроэнергетических систем на основе гибких электропередач переменного тока (FACTS). Предметом исследований являются режимы работы ЭЭС и электропередач высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались: теория электромагнитных переходных процессов в электрических цепях, теория электромеханических переходных процессов в электроэнергетических системах, теория автоматического управления, методы анализа многомерных динамических систем, исследования с использованием математических и цифровых моделей.
Достоверность и обоснованность результатов работы. Достоверность предложенных в работе решений и обоснованность основных научных положений, полученных в диссертационной работе, подтверждается выполненными ис-
следованиями и опытом проектирования ряда важнейших энергетических объектов.
Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в совершенствовании методов и средств управления режимами электроэнергетических систем на основе гибких электропередач переменного тока (FACTS) и состоит в следующем:
На основе анализа и исследований методов и инструментальных средств расчета режимов функционирования ЭЭС для определения эффективности устройств FACTS предложен унифицированный подход, который объединяет переменные состояния ЭЭС без управляемого силового оборудования и переменные состояния, описывающие данное управляемое силовое оборудование (устройства FACTS) в единое множество состояний, обеспечивающий описание исследуемого объекта в единой системе координат и сохранение квадратической сходимости итеративных решений при использовании алгоритма Ньютона-Рафсона.
Для решения задачи демпфирования колебаний перетоков мощности предложен модальный подход к синтезу управления ЭЭС с устройствами FACTS, заключающийся в преобразования уравнений линейной модели ЭЭС к диагональному виду.
Для решения проблемы координированного и адаптивного управления (регулирования) ЭЭС предложено использовать теорию самоорганизующихся оптимальных регуляторов с экстраполяцией (СОРЭ), оперирующих с дискретными моделями объектов управления и использующих алгоритмы циклических наблюдателей Калмана.
4. На основе разработанных методов синтеза устройств FACTS впервые,
предложена технология многоуровневого управления режимами ЭЭС, которая
может быть использована при перспективном планировании электрических сетей.
5. Разработаны и исследованы принципы управления активной фильтрацией
на основе элементов силовой электроники, обеспечивающие повышение качества
электроэнергии в ЭЭС.
Исследованы актуальные проблемы функционирования ЕЭС России и транспорта электроэнергии и выявлены «узкие места», связанные с ограниченными возможностями параллельной работы ОЭС Сибири с Европейской частью ЕЭС, а также получения и выдачи мощности из Тюменской энергосистемы; недостаточной пропускной способностью ряда сечений между ОЭС Центра и энергосистемами Северного Кавказа и стран Закавказья; отсутствием возможности осуществления параллельной работы ОЭС Сибири и ОЭС Востока и др.; возможным ограничением в ближайшей перспективе в сечениях ОЭС Центра, ОЭС Средней Волги и ОЭС Урала, в ОЭС Северо-Запада; ограничением по выдаче «запертых» мощностей ряда электростанций (Печорской ГРЭС, Кольской АЭС и др.).
Исследованы режимы при установке устройств FACTS (СТАТКОМ) в ЕНЭС России (на примере ПС 330/400" кВ Выборгская в ОЭС Северо-Запада) и сформулированы технические требования к разрабатываемым устройствам FACTS и их системам автоматического регулирования.
Разработаны рекомендации по применению устройств FACTS на межсистемных связях ОЭС Урала, Средней Волги и Центра, позволяющие увеличить максимально допустимые перетоки мощности в межсистемном сечении ОЭС Урала - ОЭС Средней Волги в сторону ОЭС Центра на 340 МВт и в сторону ОЭС Урала на 520 МВт; перераспределить перетоки мощности по ВЛ 500 и 220 кВ, входящих в межсистемное сечение, уменьшив на 10 % загрузку последних.
9. Впервые выполнены исследования и разработаны рекомендации по решению проблемы получения дополнительного системного эффекта от взаиморезервирования энергосистем Восточной Сибири и западного региона ОЭС Востока и повышения надежности электроснабжения тяговых подстанций участка Транссибирской железной дороги за счет организации межсистемной связи между ОЭС Сибири и Востока на основе вставки несинхронной связи (ВНС).
Практическая ценность работы.
Предложенный метод расчета потоков мощности для сложных систем с устройствами FACTS, который объединяет переменные состояния ЭЭС без управляемого силового оборудования и переменные состояния, описывающие данное управляемое силовое оборудование (устройства FACTS) в единое множество состояний, позволяет эффективно выявлять возможности использования различных устройств FACTS.
Разработанные методы синтеза устройств FACTS могут быть использованы при перспективном планировании электрических сетей для решения различ-
. ных задач: демпфирования колебаний перетоков мощности, координированного и адаптивного управления (регулирования) ЭЭС.
Предложения в части использования активных и гибридных фильтров могут быть применены для решения проблем компенсации реактивной мощности и повышения качества электроэнергии при перспективном и конкретном проектировании ЭЭС.
На базе выполненных исследований для применения устройств FACTS (СТАТКОМ) в ЕНЭС России разработаны технические требования к такого рода устройствам и их системам регулирования. Ввод в эксплуатацию опытно-промышленных образцов устройств СТАТКОМ позволит отработать модуль СТАТКОМ для создания в дальнейшем в ЕНЭС России гибких систем электропередачи переменного тока и замены синхронных компенсаторов.
Реализация предложенных в работе рекомендаций по применению устройств FACTS на межсистемных связях ОЭС Урала, Средней Волги и Центра, Сибири и Востока позволит получить значительный технический эффект.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований и разработок внедрены в ОАО «Институт «Энергосетьпроект» при выполнении ряда важнейших работ для электроэнергетики:
Проведение исследований по определению мест установки и эффективности применения устройств управляемой продольной компенсации в ЕНЭС России», выполненной совместно с ОАО «Филиал НТЦЭ - ВНИИЭ» в соответствии с приложением 3 «Перечень пилотных проектов устройств FACTS к проекту приказа РАО «ЕЭС России» «О внесении изменений в приказ от 29.05.2006г. №380 «О создании управляемых линий электропередачи и оборудования для них».
Управление реактивной мощностью и напряжением в Московской энергосистеме (заказчик ОАО «МОЭСК»).
Исследование установившихся режимов связей ОЭС Урала-ОЭС Средней Волги и Центра для обоснования FACTS.
Технико-экономическое обоснование «Создание межсистемной связи на напряжении 220 кВ между ОЭС Сибири и ОЭС Востока на основе Забайкальского преобразовательного комплекса на ПС Могоча (ЗБПК)».
Проведение исследований по определению мест установки и эффективности применения в ЕНЭС России объединенных регуляторов потоков мощности на базе СТАТКОМ.
- Уточняющие рекомендации по применению устройств FACTS на межсистемных связях ОЭС Урала, Средней Волги и Центра с оценкой экономической эффективности инвестиций для их реализации.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод расчета потоков мощности для сложных ЭЭС с устройствами FACTS, объединяющий переменные состояния ЭЭС без управляемого силового оборудования и переменные состояния, описывающие данное управляемое силовое оборудование (устройства FACTS) в единое множество состояний, и позволяющий оценивать возможности и эффективность использования различных устройств FACTS.
Разработанные методы синтеза устройств FACTS, которые могут быть использованы при перспективном планировании электрических сетей для решения различных задач: минимизации нежелательного взаимодействия (взаимовлияния) устройств FACTS, демпфирования колебаний перетоков мощности, координированного и адаптивного управления (регулирования) ЭЭС.
Предложения в части принципов управления активной фильтрацией на основе элементов силовой электроники для решения проблем повышения качества электроэнергии в ЭЭС.
Технические требования к устройствам FACTS (СТАТКОМ) и их системам регулирования для создания в дальнейшем в ЕНЭС России гибких систем электропередачи переменного тока и замены синхронных компенсаторов.
Рекомендации по применению устройств FACTS на межсистемных связях ОЭС Урала, Средней Волги и Центра, Сибири и Востока, позволяющие полу: чить значительный технико-экономический эффект.
Личный вклад соискателя. Приведенные в диссертации результаты являются составной частью проектных и научно-исследовательских работ, выполненных в ОАО «Институт «Энергосетьпроект» под руководством и при участии автора, а также ряда инициативных работ. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит постановка задач, разработка теоретических и методических положений, физических и математических моделей и методов, обобщение результатов и рекомендации по применению предложенных решений.
Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на различных международных, всесоюзных и всероссийских семинарах и конференциях, в том числе, на: всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы преобразовательной техники» (Киев, 1987); всесоюзном научно-техническом семинаре «Организация электроснабжения в условиях перерывов и значительных отклонений напряжения питающей сети» (Москва, 1987); 2-ой Научной конференции с международным участием Словацкой Высшей Школы Техники «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА'89» (Братислава, 1989); международной конференции CIGRE (Санкт-Петербург, 2003); IX симпозиуме «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 2030» (Истра, 2007); 42s1 CIGRE Session, SC B4 «HVDC and Power Electronics» (Париж, 2008); международной конференции «Консолидация усилий электроэнергетики и электротехники в условиях роста инвестиций. Перспективные технологии и электрооборудование» (Москва, 2008) и др.
Публикации. По теме диссертации после получения ученой степени кандидата технических наук опубликовано 43 печатных работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Объем основного текста
работы составляет 297 страниц, включая .133 рисунка и 16 страниц библиографического списка.(172 наименования).
Управление в ЭЭС с помощью:элементов FACTS
Регулирование напряжения В ЭЭС с небольшой мощностью КЗ (слабых ЭЭС), либо в ЭЭС с длинными линиями, образующими слабые межсистемные связи, напряжение в значительной мере зависит от изменения нагрузки и оперативного состояния таких элементов системы, как ЛЭП, реакторы, конденсаторные батареи (КБ) и трансформаторы. С ростом нагрузки напряжение в ЭЭС существенно снижается. При отсутствии регулируемых ИРМ и большой доли в составе потребителей ЭЭС асинхронных двигателей снижение напряжения может привести к возникновению лавины напряжения.
При малых нагрузках, наоборот, на линиях возникают опасные для силового оборудования перенапряжения, вызванные емкостной перекомпенсацией системы и перевозбуждением синхронных машин. Перенапряжения и как следствие насыщение трансформаторов приводят к появлению высших гармоник в токе и напряжении сети, резонансам на этих гармониках, обусловленным наличием в сети емкостных сопротивлений (КБ, кабельных линий и емкостных сопротивлений ЛЭП).
Качественный характер изменения напряжения на приемном конце ЛЭП при слабой связи с системой в зависимости от нагрузки для простой схемы (рис. 1.4) показан на рис. 1.5 [60]. При этом напряжение на шинах с ростом нагрузки без компенсаторов реактивной мощности быстро снижается, достигая недопустимо низкого значения (лавина напряжения). Установка статического ИРМ с силовым электронным управлением (устройства FACTS) на шинах нагрузки позволяет избежать этого явления.
Симметрирование нагрузки Несимметричная или однофазная нагрузка влияет на симметрию трехфазного напряжения, особенно в слабых ЭЭС, вызывая несимметрию напряжения и тока, перегрузку на элементах системы и добавочные потери во вращающихся машинах. Применение поперечной компенсации реактивной мощности позволяет улучшить симметрию нагрузки в ЭЭС и улучшить коэффициент мощности cos (р.
Симметрирование при резкопеременной несимметричной нагрузке возможно осуществить только с помощью устройств FACTS, которые должны быть оборудованы пофазным управлением реактивной мощностью.
В соответствии с выражением для мощности S = P-jQ = U2(G + jB) комплексная проводимость реактивной нагрузки между фазами а, Ь, с сети может определена в виде Gab + jBob, Gbc + jBbc, Gca + jBca. В этом случае необходимые для симметрирования межфазные поперечные компенсирующие проводимости составляют значения-(рис. 1.6 [57]) где отрицательные величины -Bab, -ВЬс, -Вса обеспечивают компенсацию реактивной мощности, a (Gca - Gbc) / л/з , (Gab -Gca)ljb , (Gbc-Gab)/yf3 -активной мощности.
После обеспечения симметрирования нагрузки, можно переходить к решению задачи улучшения cos p (если, конечно, cos p l), или к регулированию напряжения, также возложив эти функции на устройства FACTS.
Повышение динамической устойчивости Для того чтобы ЭЭС оставалась устойчивой при действии больших возмущений, вызванных ее повреждениями, отключаемыми при помощи коммутирующих устройств, передаваемая мощность должна быть существенно-ниже предела, определяемого статической устойчивостью системы в послеаварийном режиме. Известно, что максимальная мощность, при которой статическая устойчивость сохраняется при малых возмущениях, называется пределом статической устойчивости.
Симметрирование нагрузки. Рассмотрим простейшую ЭЭС, схема которой приведена на рис. 1.7. Будем считать, что передаваемая мощность перед повреждением в виде КЗ равна Рх (рис. 1.8, а). После КЗ мощность снижается, переходя скачком с
кривой 1 на кривую 2. Поскольку механическая мощность турбины синхронной машины еще остается на постоянном уровне, машина начинает ускоряться до тех пор, пока КЗ не будет отключено, что произойдет при угле вылета ротора 5С. Энергия ускорения представлена площадкой Ах. После отключения линии и ликвидации КЗ (кривая 3) ротор синхронной машины начинает тормозиться, а затем продолжает колебаться до тех пор, пока не израсходует всю запасенную в нем кинетическую энергию. Угол вылета ротора достигает своего наибольшего значения, когда энергия торможения (площадка А2) станет равна энергии ускорения (площадка Ах). Если после КЗ наибольший угол вылета ротора 8тт 8крит, система сохраняет устойчивость.
При критическом угле ротора его колебания не будут затухать. Если 8тяк 8hpum, энергии торможения достаточно, чтобы вернуть ротор в квазистационарное состояние. Это и определяет некоторый запас устойчивости при изменении состояния системы, вызванном большими возмущениями.
Основные характеристики силовых полупроводниковых устройств
В общем случае технология FACTS предполагает работу с трехфазными мощностями от десятков до сотен МВт. Устройства FACTS представляют собой электроустановки, состоящие из преобразователей переменного тока в постоянный и/или постоянного тока в переменный и/или высокомощных переключателей (коммутаторов) переменного тока. Преобразователь на основе силовых электронных приборов включает вентили и вспомогательное оборудование, а каждый из вентилей, в свою очередь, состоит из силовых устройств, демпфирующих и логических схем. Аналогично, каждый переключатель переменного тока представляет собой сборку встречно-параллельно включенных силовых приборов совместно с демпфирующими и логическими схемами. Номинальные характеристики силовых устройств большой мощности варьируется.в диапазоне 1-5кАи5-10 кВ, при этом эксплуатационные характеристики схемы могут составлять от 25 до 50% номинальной мощности. Из этого следует, что преобразователи! и коммутаторы переменного тока должны представлять собой сборки большого числа силовых устройств. Преобразователи, переключатели переменного тока и устройства, соединяются последовательно и/или параллельно для достижения желаемых характеристик и показателей устройства FACTS.
Устройство FAGTS в некоторых случаях может быть само разделено по фазам на отдельные модули. Это предоставляет возможность и, в действительности, являются необходимыми для-поставщика, адаптации указанных модулей для эффективного использования силовых устройств. Если принцип модульности применяется надлежащим образом, это не только снижает стоимость благодаря стандартизации модулей и субмодулей, но и является, с точки зрения пользователя, ценным качеством в отношении надежности, избыточности и поэтапного инвестирования.
Характеристики СППУ и построенных на их основе устройств FACTS, их эксплуатация, обслуживание и.ремонт имеют существенные преимущества с точки зрения ценовых показателей, размеров, веса и потерь. Эти преимущества включают стоимость всего вспомогательного оборудования, в том числе демпфирующих схем, вентильных задающих схем, трансформаторов и другого электромагнитного оборудования, фильтров, систем охлаждения, потерь, эксплуатационных характеристик и требований к техническому обслу живанию. Так возможность более быстрого переключения приводит к меньшему количеству компонентов демпфирующей схемы, меньшим потерям демпфирования, генерации меньшего числа искажающих гармоник и более высокому быстродействию устройств FACTS.
Силовые полупроводниковые приборы и устройства также имеют большое значение для осуществления различных концепций технологии FACTS, таких например, как концепция активной фильтрации (АФ).
В основном, силовые полупроводниковые устройства состоят из множества диодов, транзисторов,и тиристоров. Условные обозначения основных устройств этих категорий показаны на рис. 2.1 [85]. Часто данные элементы имеют другие обозначения, отличные от представленных нарис. 2.1. Ниже мы кратко опишем категории-силовых полупроводниковых устройств, а в следующих параграфах отдельные устройства будут рассмотрены более подробно.
Управление активными фильтрами в.электрических сетях
Моделирование элементов» электрической системы, в задачах расчета токов и напряжений высших гармоник (ВГ) При расчетах режимов, как на основной частоте, так и на высших гармониках применяются типовые схемы замещения. Для- расчета уровней ВГ формируется математическая-модель. При этом, каждый элемент сети представляется своей схемой-замещения, параметры которой зависят от порядка гармоник. Приведение сопротивлений к частоте п-ой-гармоники осуществляется по выражениям, в Омах: - активное сопротивление R{n) = Rm sfn ; - индуктивное сопротивление Xw = Хт п; - емкостное сопротивление Х{п) = Хт/п. Воздушная линия. Схема замещения воздушной линии электропередач представляется однофазной распределенной П-образной моделью прямой последовательности (рис. 3.5). В модели учитывается емкостная проводимость, а для линий номинальным напряжением более 220 кВ, также активная проводимость, обусловленная потерями активной мощности на корону. При этом учитывается распределенность их параметров. Опыт подобного моделирования показывает, что в зависимости от номера гармоники длина участка линии, который может быть представлен одним П-образным звеном, определяется по формуле: Так, например, для частоты 7-ой гармоники, линия длиной 400 км будет состоять из 10-11 П-образных звеньев. Все линии одноцепные, поэтому в общем случае параметры схемы замещения для основной частоты определяются по выражениям: Трансформаторы. Параметры схем замещения (рис. 3.6) трансформаторов и автотрансформаторов определяются в омах на основной частоте, по каталожным данным, по выражениям: Необходимо отметить, что практические исследования указывают на высокий уровень 3-ей гармонической составляющей в сетях 110-500 кВ. Основной причиной появления третьей гармоники в сетях такого класса напряжения может являться нелинейность кривой намагничивания, при насыщении стали трансформатора.
Насыщение может быть вызвано превышением приложенного напряжения по отношению к номинальному напряжению отпайки РПН. В связи с этим при моделировании трансформаторов и автотрансформаторов 500/220/110 кВ параллельно ветви намагничивания вводится источник тока 3-ей гармонической составляющей. Значение тока такого источника определяется как доля от каталожного значения тока холостого хода трансформатора по кривой приведенной на рисунке: Внешняя система электроснабжения. Расчетное значение реактивного сопротивления (рис. 3.8) внешней системы Xs определяется по выражению: где U - номинальное напряжение; SK.3.5 IKi3- мощность и ток трехфазного короткого замыкания (КЗ) на шинах внешней ЭЭС при номинальном напряжении. Рис. 3.8 Схема замещения системы электроснабжения. Конденсаторная батарея. Конденсаторные батареи представляются в виде емкостного реактивного сопротивления (рис. 3.9), значение которого на основной частоте определяется по выражению: Ориентировочное представление о соотношении нагрузок различных типов для предприятий различных отраслей можно получить по справочным данным. Так, например, в таблице 3.1 приведены ориентировочные данные о соотношениях нагрузок электроприемников на предприятиях разных отраслей промышленности, из которых видно, что доля нерегулируемых электродвигателей переменного тока составляет примерно 2/3 суммарной! потребляемой мощности. К нелинейным электроприемникам относятся печи дуговые, сварка, выпрямители. Их доля в предприятиях черной металлурги, химической и машиностроительной промышленности составляет 15-20% от суммарной потребляемой мощности. Также известно, что для предприятий цветной металлургии доля мощности потребляемой выпрямительными установками, особенно для заводов по производству алюминия, может достигать 90%.
Статический компенсатор реактивной мощности (SVG)
При рассмотрении математической модели ЭЭС со статическим компенсатором реактивной мощности SVC в качестве переменных состояния SVC выберем шунтирующую реактивную проводимость и угол опережения тиристора. Переменные состояния SVC будем объединять в единой системе координат вместе с углами фазовых сдвигов и амплитудами напряжения в сети.
При проведении расчетов потоков мощности SVC зачастую представляют схемой замещения в виде шунтирующего регулируемого реактивного сопротивления с ограничением либо угла опережения, либо собственно реактивного сопротивления [148].
Воспользуемся для вывода нелинейных уравнений потока мощности и линеаризованных уравнений, необходимых для реализации метода Ньютона-Рафсона, схемой замещения SVC, показанной на рис. 4.4.
Согласно схеме на рис. 4.4, ток, протекающий через статический компенсатор реактивной мощности, равен при этом реактивная мощность, передаваемая SVC в сеть, определяется формулой [143]
Линеаризация уравнений (4.46), (4.47) в окрестности установившегося режима ЭЭС и использование матричного представления алгоритма Ньютона-Рафсона приводит к матричному итерированному уравнению где, как видно, эквивалентная реактивная проводимость B$vc входит в переменную состояния (в вектор правой части выражения (4.48)). При этом в силу нулевых элементов матрицы размера (2x2) матричное уравнение (4.48) распадается на два независимых скалярных уравнения
В конце каждой z-й итерации шунтирующая переменная реактивная проводимость должна обновляться согласно выражению
Изменяющаяся реактивная проводимость представляет общую реактивную проводимость SVC, требуемую для сохранения заданного значения амплитуды напряжения в сети.
После вычисления уровня компенсации можно рассчитать угол опережения тиристора. Тем не менее, дополнительный расчет также требует итеративного решения, так как реактивная проводимость SVC и угол опережения тиристора связаны нелинейной зависимостью.
Альтернативный подход, позволяющий избежать дополнительных ите 179 раций при расчетах, заключается в том, чтобы угол опережения реактора с тиристорным управлением при формировании потока мощности рассматривать как переменную состояния.
