Konspekt_lektsy

УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ НА БАЗЕ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

(конспект лекций)

к.т.н., ст. преп. каф. ЭЭС	А.С. Васильев
к.т.н., доцент каф. ЭЭС	А.В. Прохоров

1

Содержание

Лекция 1 Современные проблемы управления режимами энергосистем и роль устройств на базе силовой полупроводниковой техники в их решении.. 3

Лекция 2 Классификация устройств FACTS и силовые полупроводниковые
ключи как их основа...........................................................................................		21
Лекция 3	Устройства поперечной компенсации первого поколения..............	51
Лекция 4	Поперечный компенсатор второго поколения FACTS устройств .....	67
Лекция 5	Управляемые устройства продольной компенсации реактивной
мощности............................................................................................................		85
Лекция 6	Электромеханические комплексы на базе асинхронизированных
электрических машин ........................................................................................		92
Рекомендуемая литература...............................................................................		96

2

Лекция 1 Современные проблемы управления режимами энергосистем и роль устройств на базе силовой полупроводниковой техники в их решении

Определения [ПЭУ]

"технологический режим работы" – процесс, протекающий в технических устройствах объекта электроэнергетики или энергопринимающей установки потребителя электрической энергии, и состояние этого объекта или установки (включая параметры настройки системной и противоаварийной автоматики);

"электроэнергетический режим энергосистемы" – единый процесс производства, преобразования, передачи и потребления электрической энергии в энергосистеме и состояние объектов электроэнергетики и энергопринимающих установок потребителей электрической энергии (включая схемы электрических соединений объектов электроэнергетики);

Электроэнергетика России

Современное состояние энергетики России характеризуется наличием следующих актуальных проблем в области управления энергосистемами:

1.Недостаточная пропускная способность межсистемных и системообразующих линий электропередачи (ОЭС Сибири – Европейская часть ОЭС, Тюмень – Урал, ОЭС Центра – ОЭС Северного Кавказа, ОЭС Сибири – ОЭС Востока и др.).

2.Ограничения по выдаче мощности ряда электростанций (Печерская ГРЭС, Кольская АЭС, энергосистемы Бурятии, Читы и др.).

3.Слабая управляемость сети, недостаточный объем устройств регулирования напряжения, как следствие повышенные до опасных значений напряжения в периоды суточного и сезонного снижения нагрузки.

4.Недостаточная степень устойчивости (ОЭС Северного Кавказа, ОЭС Сибири и др.).

5.Неоптимальное распределение потоков мощности по параллельным

линиям

различного

класса

напряжений,

как

следствие

3

недоиспользование сетей, повышенные потери в сетях (ОЭС СевероЗапада, линии 330/220/110 кВ, ОАО Мосэнерго, линии 500/220/110 кВ и т.д.).

Необходимо понимать, что говоря о проблемах энергосистем в части повышения управляемости режимами мы говорим не только про районы входящие в состав ЕЭС, но и про изолированные зоны, задачи управления которыми хоть и отличаются по масштабам, но в целом схожи.

Сформулируем эти задачи:

1.Обеспечение устойчивости работы энергосистемы при различных возмущениях.

2.Повышение пропускной способности линий электропередачи, вплоть до теплового предела по нагреву.

3.Обеспечение заданного (принудительного распределения) мощности в электрических сетях в соответствии с требованиями диспетчера.

4.Регулирование напряжения в сетях.

5.Снижение уровня потерь в электрических сетях.

Однако существовавшие долгое время в практике эксплуатации средства и методы управления режимами решают эти задачи не в полной мере и не всегда оптимально.

Кроме того к обозначенным выше задачам может быт добавлена еще одна, в значительной мере определяющая будущее мировой энергетики и требующая внедрения новых технологий – задача объединения энергосистем, в том числе и различных стран.

Электроэнергетика Мира

Предпосылки к объединению энергосистем Запада и Востока.

1.Низкая технико-экономическая эффективность использования технологий накопления электроэнергии.

Данный факт также не позволяет пока говорить о сколько-то существенном участии устройств на базе силовой электроники, не использующих электромеханического преобразования, в регулировании частоты в энергосистемах.

4

В настоящее время мощность установленных по всему миру накопителей составляет 128 ГВт, что, примерно 3,2 % от мировой выработки мощности, при этом 127 ГВт (99%) приходится на ГАЭС. В России мощность накопителей составляет около 1 % (Загорская ГАЭС 1200 МВт).

2.Высокая стоимость поддержания в рабочем состоянии резервов электрической мощности.

При этом по оценкам специалистов в Европе в ближайшие годы очень остро встанет проблема недостаточности таких резервов.

3.Необходимость усиления надежности электроснабжения приграничных территорий.

4.Расширение возможностей торговли электроэнергией.

Все это создает предпосылки для формирования крупных международных электроэнергетических объединений и формирования европейского рынка электроэнергии.

Причем процессы объединения происходят достаточно стремительно еще в 2009 г. Структура Европейских энергообъединений имела три зоны:

Северная синхронная зона (NORD EL)

Включала энергосистемы Скандинавии — Норвегию, Швецию, Финляндию и восточную часть Дании. В настоящее время между ЕЭС России и NORDEL имеются три высоковольтных линии (ВЛ) 400 кВ, на две из которых работает нереверсивная (с возможностью передачи мощности только в сторону Финляндии) вставка постоянного тока установленной мощности 4х355 МВт, а по третьей с 1 января 2003 года – выделенный островом по цепочке ВЛ 330 кВ – АТ 330/400 кВ – ВЛ 400 кВ на энергосистему Финляндии парогазовый энергоблок № 1 Северо-Западной ТЭЦ мощностью 450 МВт, что позволило увеличить экспорт в Финляндию до 1400 МВт.

Имеется также ряд ВЛ 110-150 кВ между Россией и Финляндией, Норвегией, по которым в островном режиме работают мелкие гидроагрегаты.

Западная синхронная зона (UCTE – Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity)

5

В данное энергообъединение входили энергосистемы 23 стран континентальной Европы. Великобритания и Ирландия связаны между собой и с Западной синхронной зоной подводными линиями постоянного тока.

Характерной особенностью Западной синхронной зоны является большая плотность сети, образованной относительно короткими линиями электропередачи, что в сочетании с жесткими требованиями UCTE к качеству электроэнергии, прежде всего по поддержанию частоты и уровней напряжения, позволяет обеспечить высокий уровень надежности электроснабжения и управляемости системы. Среди западноевропейских стран Франция – ведущий экспортер благодаря выработке большого количества электроэнергии на атомных станциях.

Восточная синхронная зона (ЕЭС/ОЭС)

Включает энергосистемы стран СНГ, Балтии и Монголии. Исключением являются энергосистемы Армении и Туркмении, которые работают синхронно с энергосистемой Ирана и не входят в состав ЕЭС/ОЭС.

Это наиболее протяженное в мире энергообъединение, расположенное в 9 часовых поясах. Необходимость энергоснабжения такой огромной территории обусловливает широкое использование длинных линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, соединяющих крупные объединенные энергосистемы.

Наиболее длинные линии электропередачи в России и мире:

-в 40 км от Омска (в Прииртышье) линия "Заря - Барабинск - Таврическая". Протяженностью 734 км.

-самая длинная в мире линия электропередачи будет соединять юго-запад с востоком Китая. Линия электропередачи проходит между городами Ичан и Шанхай. ГЭС Санься (р. Янцзы «Три ущелья») 26 гидротурбин мощностью по 700 МВт. Общая протяженность линии электропередачи составляет порядка 2000 километров. Суммарная мощность, передаваемая по линии 7 ГВт напряжение 800 кВ (ABB).

Виюле 2009 года системные операторы Северной и Западной синхронных зон Европы были объединены.

Вближайшие планы расширения ENTSO-E входит три проекта:

6

Интеграция с ЭС Турции;

Интеграция с ЭС Украины/Молдовы;

Интеграция с ЭС Албании.

Кроме того рассматриваются возможности расширения континентальной синхронной зоны за счет присоединения ЭС Ливии, Египта, Иордании, Сирии, Ливана через ЭС Испании.

Рассматривая процессы объединения энергосистем необходимо знать возможные пути их реализации:

•полное синхронное объединение сетей;

•несинхронное объединение посредством подстанций (вставок) постоянного тока, расположенных на концах существующих линий межсистемной связи переменного тока;

•выделенная работа электростанций по радиальной схеме или питание выделенных узлов нагрузки («островов») по электропередачам переменного и/или постоянного тока;

•комбинированное объединение, сочетающее элементы вышеперечисленных сценариев.

Каждый из этих способов обладает преимуществами и недостатками и выбирается исходя из конкретных условий.

Неоптимальность решения технических задач вкупе с тенденцией объединения энергосистем, требуют внедрения новых технологий, в том числе и на базе полупроводниковой силовой техники.

Для обобщенного наименования данной технологии используется термин FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems), определение которого согласно IEEE звучит следующим образом: «Системы основанные на силовой электронике и другое статическое оборудование, обеспечивающие управление параметрами одной или более систем передачи переменного тока для повышения управляемости и увеличения пределов передачи мощности».

Первые FACTS контроллеры появились в 70-х года прошлого века и связаны с развитием технологии тиристорных управляемых ключей.

7

Первым и наиболее примитивным контроллером стал статический компенсатор реактивной мощности (SVC – static var compensator) или статический тиристорный компенсатор.

Первая установка FACTS контроллеров была выполнена на ПС C. J. Slatt в Северном Орегоне (США) СТК были разработаны институтом EPRI и компанией General Electric.

В настоящее время по всему миру установлено более 800 СТК, 55% из которых произведено компанией ABB.

Столь продолжительный период времени между появлением устройств FACTS и наблюдаемыми в настоящее время активным периодом их внедрения, прежде всего связан с высокой стоимостью полупроводниковой техники, которая значительно снизилась и составляет от 8 до 50 долларов за кВАр, хотя и осталась достаточно высокой. Поэтому ввиду ограниченности количества устройств FACTS, находящихся в эксплуатации, вопрос о месте их установки носит индивидуальный характер и требует дополнительных исследований.

Внастоящее время развитие технологии FACTS привело к тому, что мы имеем целый ряд устройств отличающихся по номенклатуре используемых для управления параметров. Эти устройства, их принцип действия и элементная база будут рассмотрены в рамках данного курса.

Вотличие от активно развивающейся аппаратной базы устройств FACTS, задачи разработки методов их управления решаются гораздо медленнее.

Дело в том, что внедрение устройств FACTS оказывает влияние на поведение энергосистемы не только в квазиустановившихся, но и в переходных режимах, а, следовательно, и на работу систем защиты и противоаварийной автоматики, поэтому уровень этого влияния с повышением количества установленных FACTS контроллеров требует проведения дополнительных исследований. В рамках курса мы рассмотрим подходы к управлению режимами на базе FACTS, но необходимо учитывать, что исследования в этой области все еще ведутся.

В России темпы внедрения устройств FACTS в данный момент сравнительно небольшие, большинство из существующих проектов связанно с реализацией концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью,

8

разработанной по инициативе ОАО «ФСК ЕЭС» и в рамках реализации ряда пилотных проектов.

Общие положения теории передачи электрической мощности, необходимые для рассмотрения задач управления режимами на базе силовой полупроводниковой техники

Для дальнейшего рассмотрения вопросов управления режимами с помощью устройств FACTS, рассмотрим общие положения теории передачи электрической мощности и вспомним основные выражения описывающие процессы передачи мощности в энергосистемах.

Выражение для оценки мощности может быть получено согласно следующим формулам

U = U m sin(2 π f t ) = U m sin(ω t ) = U msinθ
I = Imsin(θ − φ )
S = U I = U m Im sinθ sin(θ −					φ )
sinα sinβ =			1	[cos(α − β) − cos(α + β)]
2
S =	1	U m Im [cos φ − cos(2 θ −			φ )] =	1	U m Im	cos φ −	1	U m Im cos(2 θ − φ )
2					2			2

Таким образом, электрическая мощность состоит из двух компонент

активной мощности

	P =	1	2π U I =	1	Um Im cos φ
		2 π		2
			∫
			0

выработка энергии и последующая ее передача потребителю связана с первой составляющей мгновенной мощности, т. е. с активной мощностью, которая требует расхода первичного энергоносителя на электростанциях.

реактивной мощности.

1

Q = − U m I m cos(2 θ − φ ) 2

9

Реактивная составляющая мгновенной мощности в сети переменного тока определяет периодический обмен энергией между генератором (источником напряжения) и потребителем с двойной частотой и связана с наличием в системе индуктивных и емкостных элементов. Энергия этой колебательной составляющей равна нулю и не требует затрат энергоносителя.

Основой систем передачи электроэнергии являются линии электропередачи, которые обладают активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью.

При напряжении 110 кВ и выше ЛЭП обычно представляются П-образной СЗ:

Рисунок 1.1. П-образная схема замещения воздушной линии электропередачи

Активная проводимость линии относительно земли соответствует двум видам потерь активной мощности: от тока утечки через изоляторы и на корону.

Токи утечки через изоляторы малы, и потерями мощности в изоляторах можно пренебречь.

Емкостная проводимость линии bл , обусловленная емкостями между проводами разных фаз и емкостью провод – земля.

Индуктивные и емкостные сопротивления линии поглощают и генерируют реактивную мощность.

Как правило, в нагрузочных режимах реактивное сопротивление линии носит индуктивный характер, а активное сопротивление пренебрежимо мало, с учетом сказанного, уравнения мощности генератора имеют вид

P2 = U1 U 2 sin( δ1 − δ 2 )

X

10