Современные управляемые источники реактивной мощности и их применение в электроэнергетических системах. Часть I

Page 1
background image

Page 2
background image

24

Современные управляемые 
источники реактивной 
мощности и их применение 
в электроэнергетических системах. 

Часть I

УДК

 621.3.016.25:621.316.72.001.24

В

 

предлагаемой

 

вниманию

 

читателей

 

серии

 

статей

 

авторы

 

подробно

 

рассматривают

 

современные

 

технологии

 FACTS  

и

 

их

 

применение

 

в

 

современных

 

электроэнергетических

 

системах

в

 

том

 

числе

 

в

 

Единой

 

национальной

 

электрической

 

сети

 

России

 (

ЕНЭС

 

России

).

С

овременные

 

электроэнергетические

 

системы

 (

ЭЭС

явля

-

ются

 

сложными

 

динамическими

 

системами

 

с

 

глубокими

 

взаимными

 

связями

начиная

 

от

 

внутренних

 

соединений

 

(

связей

на

 

территории

 

электростанций

 

и

 

подстанций

 

до

 

межсистемных

 

соединений

Прагматический

 

смысл

 

соединений

 

линий

 

электропередачи

  (

ЛЭП

локальных

 

ЭЭС

 

в

 

единую

 

энерге

-

тическую

 

систему

 

заключается

 

в

 

том

что

кроме

 

транспортировки

 

электроэнергии

необходимо

 

объединение

 

электростанций

 

и

 

узлов

 

нагрузки

 

с

 

целью

 

минимизации

 

суммарных

 

затрат

 

на

 

производство

 

электроэнергии

Такие

 

соединения

 

позволяют

 

использовать

 

раз

-

новременность

 

максимумов

 

нагрузки

 

в

 

локальных

 

ЭЭС

доступ

-

ность

 

источников

 

топлива

 

и

 

т

.

д

С

 

другой

 

стороны

поскольку

 

по

-

требление

 

электроэнергии

 

неуклонно

 

растет

ЭЭС

 

становятся

 

все

 

более

 

сложными

 

в

 

эксплуатации

 

и

соответственно

менее

 

надеж

-

ными

Это

 

приводит

 

к

 

большим

 

неуправляемым

 

потокам

 

мощно

-

сти

чрезмерной

 

реактивной

 

мощности

 

в

 

различных

 

частях

 

систе

-

мы

большим

 

динамическим

 

колебаниям

 

между

 

различными

 

ЭЭС

 

и

 

даже

 

нехватке

 

ресурсов

.

Для

 

решения

 

задач

 

управления

 

и

 

защиты

 

в

 

современных

 

ЭЭС

 

широко

 

используются

 

микроэлектроника

компьютеры

 

и

 

высоко

-

скоростные

 

каналы

 

связи

 (

оптико

-

волоконные

спутниковые

 

и

 

др

.). 

Однако

 

быстродействие

 

силовых

 

управляющих

 

схем

 

в

 

совре

-

менных

 

ЭЭС

 

ограничено

 

механически

 

переключаемыми

 

устрой

-

ствами

скорость

 

срабатывания

 

которых

 

сравнительно

 

невысока

Другая

 

связанная

 

с

 

этим

 

проблема

 

заключается

 

в

 

том

что

 

управ

-

ление

 

нельзя

 

формировать

 

с

 

очень

 

высокой

 

частотой

посколь

-

ку

 

механические

 

устройства

 

имеют

 

тенденцию

 

к

 

очень

 

быстрому

 

износу

 

по

 

сравнению

 

со

 

статическими

 

устройствами

Из

-

за

 

этого

особенно

 

в

 

переходном

 

режиме

ЭЭС

 

являются

 

не

 

вполне

 

управ

-

ляемыми

Чтобы

 

обеспечить

 

безаварийное

 

функционирование

 

ЭЭС

проектировщики

инженеры

-

энергетики

 

и

 

оперативно

-

дис

-

петчерский

 

персонал

 

используют

 

большое

 

разнообразие

 

ориги

-

нальных

 

методов

 

как

 

строго

 

математического

так

 

и

 

эмпирическо

-

го

 

и

 

эвристического

 

происхождения

реализуемых

как

 

правило

за

 

счет

 

больших

 

эксплуатационных

 

резервов

 

и

 

избыточности

 

сети

Эти

 

активы

 

могут

 

быть

 

использованы

 

более

 

эффективно

 

при

 

рациональном

  (

оптимальном

применении

 

технологии

  (

концеп

-

ции

управляемой

 

гибкой

 

электропередачи

 

переменного

 

тока

 

или

 

в

 

соответствии

 

с

 

терминологией

  IEEE  —  Flexible  AC  Transmission 

Systems (FACTS) [1–25].

управление сетями

Мисриханов

 

М

.

Ш

.,

д

.

т

.

н

., 

профессор

 

ФГБОУ

ВО

 «

Ивановский

 

госу

-

дарственный

 

энер

-

гетический

 

университет

 

им

В

.

И

Ленина

» 

Рябченко

 

В

.

Н

., 

д

.

т

.

н

., 

профессор

 

ФГБОУ

 

ВО

 «

Национальный

 

исследовательский

 

университет

 

МГТУ

 

им

Н

.

Э

Баумана

»

Гаджиев

 

М

.

Г

.,

к

.

т

.

н

., 

заведующий

 

НИЛ

 

АРС

 

ФГБОУ

 

ВО

 

«

НИУ

 «

МЭИ

»

Ключевые

 

слова

:

Электроэнергетические

 

системы

источники

 

реактивной

 

мощности

устройства

 FACTS, 

системы

 

управления

режимы

 

электроэнерге

-

тических

 

систем

Keywords:

power systems, reactive 
power sources, FACTS 
devices, control systems, 
power system modes


Page 3
background image

25

Многие

 

из

 

идей

которые

 

легли

 

в

 

основу

 

концеп

-

ции

 FACTS, 

зародились

 

десятки

 

лет

 

назад

 [1–10]. 

Веников

 

В

.

А

в

 

монографии

 [3], 

анализируя

 

усло

-

вия

 

самораскачивания

 

синхронных

 

машин

показал

что

 

применение

 

продольной

 

емкостной

 

компенса

-

ции

 

в

 

ЛЭП

установка

 

промежуточных

 

синхронных

 

компенсаторов

реактивное

 

сопротивление

 

кото

-

рых

 

не

 

отрегулировано

 

должным

 

образом

может

 

приводить

 

к

 

соотношениям

 

между

 

активным

 

и

 

ре

-

активным

 

сопротивлениями

 

в

 

линии

при

 

которых

 

возникает

 

самораскачивание

 

синхронных

 

машин

Заметим

что

 

только

 

в

 1984 

году

 

американский

 

ученый

-

энергетик

 

Н

.

Г

Хингорани

 (28 

лет

 

спустя

вы

-

сказал

 

мысль

являющуюся

 

развитием

 

предложения

 

В

.

А

Веникова

использовать

 

современную

 

высоко

-

вольтную

 

преобразовательную

 

технику

 

для

 

электро

-

передачи

 

переменного

 

тока

 

с

 

целью

 

коренного

 

улуч

-

шения

 

ее

 

характеристики

 

так

чтобы

 

вместо

 

влияния

 

на

 

электромеханические

 

процессы

 

в

 

синхронных

 

ма

-

шинах

 

воздействовать

 

на

 

электронные

 

устройства

включенные

 

непосредственно

 

в

 

ЛЭП

 [21].

Проблема

 

регулирования

 

компенсаторов

 

ре

-

активной

 

мощности

 

в

 

различных

 

ЛЭП

 

подробно

 

обсуждалась

 

в

 

работах

 

советских

 

ученых

 1950–

1970 

годов

при

 

этом

 

были

 

предложены

 

достаточно

 

эффективные

 

способы

 

ее

 

решения

 [1, 5, 7–10]. 

Как

 

отмечено

 

в

 [2, 4–10], 

во

 

второй

 

половине

 

XX 

века

 

в

 

нашей

 

стране

 

были

 

созданы

 

опытно

-

про

-

мышленные

 

образцы

 

управляемых

 

статических

 

источников

 

реактивной

 

мощности

Однако

 

их

 

ши

-

рокому

 

внедрению

 

препятствовало

 

отсутствие

 

вы

-

сокомощных

 

электронных

 

вентилей

 (

главным

 

обра

-

зом

 

полностью

 

управляемых

 

тиристоров

).

Несмотря

 

на

 

сказанное

нужно

 

отметить

что

 

как

 

интегрированный

 

подход

 

технология

 FACTS 

пред

-

ставляет

 

из

 

себя

 

все

-

таки

 

новую

 

концепцию

ко

-

торая

 

в

 

основном

 

оформилась

 

как

 

многогранное

 

научно

-

техническое

 

направление

 

в

 80–90-

е

 

годы

 

XX 

столетия

 [1, 2, 4–25]. 

Сегодня

 

в

 

мире

 

по

 

пробле

-

мам

 FACTS 

опубликовано

 

десятки

 

тысяч

 

только

 

на

-

учных

 

работ

.

Основную

 

задачу

 

технологии

 FACTS 

можно

 

сформулировать

 

как

 

обеспечение

 

научно

-

технического

 

прорыва

 

в

 

области

 

силовой

 

электроники

 

для

 

высоких

сверх

-

высоких

 

и

 

ультравысоких

 

напряжений

 

с

 

целью

 

улучшения

 

управления

 

потоками

 

мощности

 

на

 

стороне

 

высокого

сверхвы

-

сокого

 

и

 

ультравысокого

 

напряжения

 

сети

 

как

 

в

 

установившихся

так

 

и

 

в

 

переходных

 

режимах

 

ЭЭС

Новая

 

реальность

 

создания

 

сетей

 

электропередачи

 

с

 

силовым

 

электрон

-

ным

 

управлением

 

привела

 

к

 

новым

 

спо

-

собам

 

разработки

 

и

 

создания

 

силового

 

электрооборудования

изменив

 

подходы

 

и

 

процедуры

 

планирования

 

режимов

 

ма

-

гистральных

 

и

 

распределительных

 

сетей

 

энергопередачи

Эти

 

разработки

 

могут

 

из

-

менить

 

характер

 

операций

 

на

 

энергорынке

 

из

-

за

 

появления

 

возможности

 

высокоско

-

ростного

 

управления

 

потокораспределе

-

нием

 

мощности

Благодаря

 

множеству

 

присущих

 

ей

 

многообещающих

 

экономических

 

и

 

технических

 

достоинств

 

технология

 FACTS 

сознательно

 

поддер

-

живается

 

производителями

 

электрооборудования

систем

 

энергоснабжения

 

и

 

научно

-

исследователь

-

скими

 

организациями

 

во

 

всем

 

мире

.

Наиболее

 

важным

 

является

 

тот

 

факт

что

 

тех

-

нология

 FACTS 

открывает

 

новые

 

возможности

 

для

 

управления

 

потоками

 

мощности

 

как

 

в

 

существую

-

щих

так

 

и

 

в

 

новых

 

или

 

модернизируемых

 

ЛЭП

Эти

 

возможности

 

возникают

 

благодаря

 

способности

 

ис

-

полнительных

 

устройств

 

технологии

 FACTS 

управ

-

лять

 

взаимосвязанными

 

параметрами

определяю

-

щими

 

функционирование

 

ЛЭП

включая

 

реактивное

 

сопротивление

ток

напряжение

углы

 

фазовых

 

сдвигов

 

между

 

напряжениями

 

в

 

узлах

 

сети

за

-

тухание

 

колебаний

 

на

 

различных

 

частотах

 

и

 

т

.

д

Устройства

 FACTS 

могут

 

обеспечивать

 

пропускную

 

способность

 

ЛЭП

 

вплоть

 

до

 

допустимого

 

теплово

-

го

 

предела

  (

предела

 

термической

 

стойкости

 

про

-

водов

). 

СТАТИЧЕСКИЕ

 

ИСТОЧНИКИ

РЕАКТИВНОЙ

 

МОЩНОСТИ

 

В

 

ЭЭС

Технология

 FACTS 

представляет

 

собой

 

не

 

един

-

ственное

 

высокомощное

 

автоматическое

 

устройство

 

(

регулятор

контроллер

), 

а

 

семейство

 

устройств

каждое

 

из

 

которых

 

может

 

применяться

 

как

 

индиви

-

дуально

так

 

и

 

во

 

взаимодействии

 

с

 

другими

 

устрой

-

ствами

 

для

 

управления

 

одним

 

или

 

б

ó

льшим

 

числом

 

взаимосвязанных

 

параметров

 

ЭЭС

.

Оптимально

 

или

 

рационально

 

спроектирован

-

ное

 

и

 

установленное

 

устройство

 FACTS 

может

 

обе

-

спечить

 

преодоление

 

специфических

 

ограничений

 

ЛЭП

 

или

 

участка

 

сети

а

 

при

 

размещении

 

в

 

сети

 

определенного

 

количества

 

устройств

 FACTS — 

всей

 

энергосистемы

Одним

 

из

 

ключевых

 

элементов

 

устройства

 

FACTS, 

общая

 

структура

 

которого

 

изображена

 

на

 

рисунке

 1, 

является

 

статический

 

источник

 (

генера

-

Рис

. 1. 

Общая

 

структура

 

устройства

 FACTS

Статический источник 

реактивной мощности

Силовая 

электронная 

схема управления

Электроизмерительная 

схема

ЭЭС

Устройство 

FACTS

 3 (48) 2018


Page 4
background image

26

ЭЭС

Координация 

реактивной 

мощности

Координация 

статических ИРМ

Регулятор

Регулируемые 

конденсаторные 

батареи

и

реактор

Нерегулируемые 

конденсаторные 

батареи

и

реактор

Синхронные 

компенсаторы

Регулятор

Поток реактивной мощности

тор

 

или

 

потребитель

реак

-

тивной

 

мощности

 (

ИРМ

).

Известно

что

 

ИРМ

 

спо

-

собны

 

потреблять

 

или

 

вы

-

давать

  (

генерировать

реак

-

тивную

 

мощность

 

в

 

зависи

-

мости

 

от

 

выставленного

 

ре

-

жима

 

и

 

заданных

 

характери

-

стик

 

ЭЭС

К

 

ИРМ

 

относятся

 

статические

 

и

 

синхронные

 

компенсаторы

 

реактивной

 

мощности

В

 

статическом

 

компенсаторе

в

 

отличие

 

от

 

синхронного

 

компенсатора

отсутствуют

 

механические

 

вращающиеся

 

части

Он

 

состоит

 

из

 

стационарных

 

устройств

осуществляющих

 

потребление

 

и

 

генерацию

 

реактивной

 

мощности

а

 

так

-

же

 

регулирующих

 

устройств

 

(

рисунок

 2), 

управляющих

 

процессом

 

потребления

 

и

 

ге

-

нерации

.

Из

 

типовой

 

вольтампер

-

ной

 

характеристики

  (

ВАХ

ИРМ

приведенной

 

на

 

ри

-

сунке

 3, 

видно

что

 

данный

 

источник

 

в

 

пределах

 

сво

-

ей

 

рабочей

 

характеристи

-

ки

 

способен

 

регулировать

 

напряжение

 

в

 

точке

 

под

-

ключения

Поскольку

 

у

 

ста

-

тического

 

компенсатора

 

отсутствует

 

механическое

 

запаздывание

его

 

быстродействие

 

при

 

надле

-

жащем

 

управлении

 

может

 

быть

 

сколь

 

угодно

 

вы

-

соким

.

Известно

что

 

статический

 

компенсатор

 

можно

 

представить

 

нагрузкой

 

с

 

положительной

 

реактив

-

ной

 

мощностью

 

Q

 > 0, 

когда

 

он

 

работает

 

в

 

индуктив

-

ном

 

режиме

 

и

 

потребляет

 

реактивную

 

мощность

и

 

отрицательной

 

реактивной

 

мощностью

 

Q

 < 0 

в

 

емкостном

 

режиме

когда

 

реактивная

 

мощность

 

выдается

 

в

 

электрическую

 

сеть

Эквивалентное

 

представление

 

ИРМ

 

основано

 

на

 

шунтовой

 

реак

-

тивной

 

проводимости

 

B

 = ± 

U

 

2

положительной

 

в

 

индуктивном

 (

B

 > 0) 

и

 

отрицательной

 

в

 

емкостном

 

режиме

 (

B

 > 0). 

ИРМ

 

широко

 

применяются

 

в

 

современной

 

элек

-

троэнергетике

 

при

 

решении

 

следующих

 

актуаль

-

ных

 

задач

:

1) 

регулирования

 

напряжения

;

2) 

симметрирования

 

нагрузки

;

3) 

повышения

 

предела

 

динамической

 

устойчивости

;

4) 

демпфирования

 

различных

 

колебаний

 

в

 

ЭЭС

 

(

в

 

том

 

числе

 

субсинхронных

 

колебаний

);

5) 

ограничения

 

временных

 

перенапряжений

;

6) 

компенсации

 

реактивной

 

мощности

 

на

 

преоб

-

разовательных

 

подстанциях

 

электропередачи

 

и

 

вставок

 

постоянного

 

тока

 (

ППТ

 

и

 

ВПТ

);

7) 

повышения

 

пропускной

 

способности

 

ЛЭП

.

Требуемый

 

эффект

 

от

 

управления

 

в

 

одних

 

за

-

дачах

 

достигается

 

при

 

низкочастотном

 

регулирова

-

нии

которое

 

обеспечивают

 

обычные

 

механические

 

выключатели

коммутирующие

 

реактор

 

или

 

конден

-

саторные

 

батареи

  (

КБ

). 

При

 

быстрых

 

изменениях

 

режима

 

ЭЭС

 

необходимый

 

результат

 

может

 

быть

 

УПРАВЛЕНИЕ

СЕТЯМИ

Рис

. 2. 

Структура

 

компенсации

реактивной

 

мощности

 

в

 

ЭЭС

Рис

. 3. 

Типовая

 

вольтамперная

 

характеристика

 

ИРМ

+

>

<

ном

U

Диапазон регулирования

огр

(

0)

I

Q

огр

(

0)

I

Q

U

I


Page 5
background image

27

ИРМ

a

U

b

U

c

U

сим

ab

jB

сим

bc

jB

сим

ca

jB

ab

ab

G

jB

+

bc

bc

G

jB

+

ca

ca

G

jB

+

достигнут

 

только

 

благодаря

 

применению

 

быстро

-

действующих

 

тиристорно

-

управляемых

 

статиче

-

ских

 

ИРМ

 — 

устройств

 FACTS. 

Рассмотрим

 

пере

-

численные

 

выше

 

задачи

 

последовательно

 

и

 

более

 

подробно

.

Регулирование

 

напряжения

В

 

ЭЭС

 

с

 

небольшой

 

мощностью

 

КЗ

 (

слабых

 

ЭЭС

), 

либо

 

в

 

ЭЭС

 

с

 

длинными

 

линиями

образующими

 

сла

-

бые

 

межсистемные

 

связи

напряжение

 

в

 

значитель

-

ной

 

мере

 

зависит

 

от

 

изменения

 

нагрузки

 

и

 

оператив

-

ного

 

состояния

 

таких

 

элементов

 

системы

как

 

ЛЭП

реакторы

КБ

 

и

 

трансформаторы

С

 

ростом

 

нагрузки

 

напряжение

 

в

 

ЭЭС

 

существенно

 

снижается

 

вплоть

 

до

 

возникновения

 

лавины

 

напряжения

 (voltage collapse). 

Это

 

приводит

 

к

 

массовому

 

отключению

 

нагрузки

 

за

-

щитой

При

 

малой

 

нагрузке

наоборот

на

 

линиях

 

возникают

 

перенапряжения

вызванные

 

емкостной

 

перекомпенсацией

 

системы

 

и

 

перевозбуждением

 

син

-

хронных

 

машин

Перенапряжения

 

и

как

 

следствие

насыщение

 

трансформаторов

 

приводят

 

к

 

появлению

 

высших

 

гармоник

 

в

 

токе

 

и

 

напряжении

 

сети

 (

кратным

 

гармонике

 

основной

 

частоты

), 

резонансам

 

на

 

этих

 

гармониках

обусловленным

 

наличием

 

в

 

сети

 

КБ

кабельных

 

линий

 

и

 

емкостного

 

сопротивления

 

ЛЭП

При

 

определенных

 

уровнях

 

перенапряжений

 

сраба

-

тывают

 

и

 

разрушаются

 

разрядники

перегружаются

 

КБ

трансформаторы

 

и

 

другое

 

силовое

 

оборудование

Качественный

 

характер

 

изменения

 

напряжения

 

на

 

приемном

 

конце

 

ЛЭП

 

при

 

слабой

 

связи

 

с

 

системой

 

показан

 

на

 

рисунке

 4 [7, 12]. 

Как

 

видно

 

из

 

графиков

 

на

 

рисунке

 4, 

напряжение

 

на

 

шинах

 

с

 

ростом

 

нагрузки

 

без

 

компенсаторов

 

ре

-

активной

 

мощности

 

быстро

 

снижается

достигая

 

не

-

допустимо

 

низкого

 

значения

  (

лавина

 

напряжения

). 

Установка

 

статического

 

ИРМ

 

с

 

силовым

 

электрон

-

ным

 

управлением

 (

устройства

 FACTS) 

на

 

шинах

 

на

-

грузки

 

позволяет

 

избежать

 

этого

 

явления

.

Характерными

 

примерами

 

возникновения

 

лави

-

ны

 

напряжения

 

являются

 

североамериканские

 

ава

-

рии

 Blackout 1970, Blackout 1996, Blackout 2003, 

Мо

-

сковская

 

авария

 25 

мая

 2005 

года

недавние

 

аварии

 

в

 

энергосистемах

 

Европейского

 

Союза

.

Симметрирование

 

нагрузки

Несимметричная

 

или

 

однофазная

 

нагрузка

 

влия

-

ет

 

на

 

симметрию

 

трехфазного

 

напряжения

особенно

 

в

 

слабых

 

ЭЭС

вызывая

 

несимметрию

перегрузку

 

на

 

элементах

 

системы

 

и

 

добавочные

 

потери

 

во

 

враща

-

ющихся

 

машинах

Применение

 

поперечной

 

компен

-

сации

 

реактивной

 

мощности

 

позволяет

 

улучшить

 

симметрию

 

нагрузки

 

в

 

ЭЭС

 

и

следовательно

улуч

-

шить

 

коэффициент

 

мощности

 

cos

 

 [7, 22].

Симметрирование

 

при

 

резкопеременной

 

несим

-

метричной

 

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

 = 

U

2

(

G

 + 

jB

комплексная

 

проводимость

 

ре

-

активной

 

нагрузки

 

между

 

фазами

 

a

b

c

 

сети

 

может

 

быть

 

определена

 

в

 

виде

 

G

ab

 + 

jB

ab

G

bc

 + 

jB

bc

G

ca

 + 

jB

ca

В

 

этом

 

случае

 

необходимые

 

для

 

симметрирования

 

межфазные

 

поперечные

 

компенсирующие

 

прово

-

димости

 

составляют

 

значения

 (

рисунок

 5):

 

B

ab

сим

 = –

B

ab

 + (

G

ca

 – 

G

bc

)/

3, 

 

B

bc

сим

 = –

B

bc

 + (

G

ab

 – 

G

ca

)/

3, 

 

B

ca

сим

 = –

B

ca

 + (

G

bc

 – 

G

ab

)/

3, 

где

 

отрицательные

 

величины

  –

B

ab

, –

B

bc

, –

B

ca

 

обе

-

спечивают

 

компенсацию

 

реактивной

 

мощности

,

а

 (

G

ca

 – 

G

bc

)/

3, (

G

ab

 – 

G

ca

)/

3, (

G

bc

 – 

G

ab

)/

3 — 

активной

 

мощности

.

После

 

обеспечения

 

симметрирования

 

нагрузки

 

можно

 

решать

 

задачу

 

улучшения

 

cos

 

 (

если

 

конеч

-

но

 

cos

 

 < 1), 

или

 

регулирования

 

напряжения

также

 

возложив

 

эти

 

функции

 

на

 

устройства

 FACTS.

Повышение

 

степени

 

динамической

 

устойчивости

Для

 

того

 

чтобы

 

ЭЭС

 

оставалась

 

устойчивой

 

при

 

действии

 

больших

 

возмущений

вызванных

 

ее

 

повреждениями

отключаемыми

 

при

 

помощи

 

коммутирующих

 

устройств

передаваемая

 

мощ

-

ность

 

должна

 

быть

 

существенно

 

ниже

 

предела

определяемого

 

статической

 

устойчивостью

Из

-

вестно

 [7, 9, 10], 

что

 

максимальная

 

мощность

при

 

Рис

. 4. 

Изменения

 

напряжения

 

на

 

приемном

 

конце

 

ЛЭП

:

1 — 

без

 

ИРМ

; 2 — 

с

 

ИРМ

 

ограниченной

 

мощности

;

3 — 

с

 

ИРМ

 

бесконечной

 

мощности

Рис

. 5. 

Симметри

-

рование

 

нагрузки

U

P

1

2

3

 3 (48) 2018


Page 6
background image

28

которой

 

статическая

 

устойчивость

 

сохраняется

 

при

 

малых

 

возмущениях

называется

 

пределом

 

стати

-

ческой

 

устойчивости

Рассмотрим

 

простейшую

 

ЭЭС

 [7, 9, 13, 21], 

схема

 

замещения

 

которой

 

приведена

 

на

 

рисунке

 6. 

Будем

 

считать

что

 

передаваемая

 

мощность

 

перед

 

по

-

вреждением

 

в

 

виде

 

КЗ

 

равна

 

P

1

 (

рисунок

 7

а

). 

После

 

КЗ

 

мощность

 

снижается

переходя

 

скачком

 

с

 

кри

-

вой

 1 

на

 

кривую

 2. 

Поскольку

 

механическая

 

мощ

-

ность

 

турбины

 

синхронной

 

машины

 

еще

 

остается

 

на

 

постоянном

 

уровне

машина

 

начинает

 

ускорять

-

ся

 

до

 

тех

 

пор

пока

 

КЗ

 

не

 

будет

 

отключено

что

 

про

-

изойдет

 

при

 

угле

 

вылета

 

ротора

 

c

Энергия

 

ускоре

-

ния

 

представлена

 

площадкой

 

A

1

После

 

отключения

 

КЗ

  (

кривая

 3) 

ротор

 

синхронной

 

машины

 

начинает

 

тормозиться

а

 

затем

 

продолжает

 

колебаться

 

до

 

тех

 

пор

пока

 

не

 

израсхо

-

дует

 

всю

 

запасенную

 

в

 

нем

 

кинетическую

 

энергию

Угол

 

вылета

 

ротора

 

дости

-

гает

 

своего

 

наибольшего

 

значения

когда

 

энергия

 

торможения

  (

площадка

 

A

2

станет

 

равна

 

энергии

 

уско

-

рения

  (

площадка

 

A

1

). 

Если

 

после

 

КЗ

 

наибольший

 

угол

 

вылета

 

ротора

 

max

 < 

крит

система

 

сохраняет

 

устой

-

чивость

При

 

критическом

 

угле

 

ротора

 

его

 

колебания

 

не

 

будут

 

затухать

Если

 

max

 < 

крит

энергии

 

тормо

-

жения

 

достаточно

чтобы

 

вернуть

 

ротор

 

в

 

квазиста

-

ционарное

 

состояние

Это

 

и

 

определяет

 

некоторый

 

запас

 

устойчивости

 

при

 

из

-

менении

 

состояния

 

систе

-

мы

вызванном

 

большими

 

возмущениями

.

Если

 

устройство

 FACTS 

подключается

 

к

 

середине

 

ЛЭП

ее

 

пропускная

 

способ

-

ность

 

возрастает

как

 

пока

-

зано

 

на

 

рисунке

 7

б

где

 

пло

-

щадка

 

A

3

 

обозначает

 

запас

 

по

 

мощности

При

 

такой

 

пе

-

редаваемой

 

мощности

 

не

-

обходима

 

большая

 

энергия

 

торможения

 

для

 

повышения

 

запаса

 

динамической

 

устой

-

чивости

.

В

 

некоторых

 

случаях

 

уставку

 

по

 

мощности

 

выби

-

рают

 

таким

 

образом

что

-

бы

 

при

 

квазистационарных

 

условиях

 

реактивная

 

мощ

-

ность

выдаваемая

 

компен

-

сатором

была

 

равна

 

либо

 

нулю

либо

 

некоторому

 

не

-

большому

 

значению

Это

 

обеспечивает

 

необходимую

 

компенсацию

 

во

 

всем

 

рабочем

 

диапазоне

 

устрой

-

ства

 FACTS 

для

 

поддержания

 

напряжения

 

в

 

после

-

аварийном

 

режиме

 

и

 

повышения

 

запаса

 

динамиче

-

ской

 

устойчивости

.

Демпфирование

 

колебаний

 

в

 

ЭЭС

В

 

предельных

 

режимах

 

ЭЭС

 

мощные

 

возмуще

-

ния

вызванные

 

аварийными

 

отключениями

 

или

 

подключениями

 

больших

 

нагрузок

довольно

 

ред

-

ки

Однако

 

небольшие

 

возмущения

 

возникают

 

до

-

статочно

 

часто

 

из

-

за

 

различных

 

коммутаций

 

в

 

сети

 

и

 

небольших

 

изменений

 

нагрузки

Действие

 

этих

 

возмущений

 

вызывает

 

электрические

механиче

-

ские

 

и

 

электромеханические

 

колебания

Последние

 

обычно

 

демпфируются

 

с

 

помощью

 

автоматических

 

регуляторов

 

возбуждения

 

генераторов

 (

АРВ

и

 

при

-

УПРАВЛЕНИЕ

СЕТЯМИ

1

A

2

A

3

A

max

P

max

2

P

o

0

o

180

max

δ

крит

δ

c

δ

i

δ

1

2

3

max

P

max

2

P

o

0

o

180

max

δ

крит

δ

c

δ

i

δ

1

A

3

A

2

A

1

2

3

1

P

1

P

Рис

. 7. 

Запас

 

динамической

 

устойчивости

а

без

 

ИРМ

б

) c 

ИРМ

б

)

а

)

~

ЭЭС

const

U

=

Устройство FACTS

Рис

. 6. 

Схема

 

замещения

 

ЭЭС

 

с

 

устройством

 FACTS


Page 7
background image

29

ставок

 

к

 

АРВ

 — 

системных

 

стабилизаторов

  (

или

 

PSS, Power System Stabilizier), 

то

 

есть

 

АРВ

 

сильного

 

действия

связанных

 

с

 

системой

 

возбуждения

 

гене

-

раторов

Недемпфируемые

 

колебания

 

мощности

которые

 

приводят

 

в

 

некоторых

 

случаях

 

к

 

выходу

 

ге

-

нераторов

 

ЭЭС

 

из

 

синхронизма

могут

 

быть

 

вызва

-

ны

 

сравнительно

 

небольшими

 

возмущениями

ког

-

да

 

пропускная

 

способность

 

определяется

 

только

 

сопротивлением

 

электропередачи

 

или

 

когда

 

управ

-

ление

 

возбуждением

 

генераторов

управление

 

си

-

стемой

 

и

 

характеристики

 

нагрузки

 (

по

 

отдельности

 

или

 

совместно

вызывают

 

отрицательное

 

демп

-

фирование

 

и

/

или

 

снижение

 

синхронного

 

момента

 

в

 

машинах

Демпфирование

 

таких

 

колебаний

 

обыч

-

но

 

предусматривается

 

на

 

стадии

 

проектирования

 

системы

 

за

 

счет

 

выбора

 

определенной

 

конструкции

 

и

 

схемы

 

управления

 

возбуждением

 

генераторов

а

 

также

 

стабилизации

 

характеристик

 

нагрузок

 

си

-

стемы

С

 

помощью

 

устройств

 FACTS 

можно

 

значи

-

тельно

 

улучшить

 

демпфирование

 

путем

 

введения

 

соответствующих

 

сигналов

 

обратной

 

связи

 [13–25].

В

 

ЭЭС

 

при

 

продольной

 

компенсации

 

индуктив

-

ного

 

сопротивления

 

ЛЭП

 

может

 

возникнуть

 

субсин

-

хронный

 

резонанс

Это

 

сложное

 

по

 

природе

 

и

 

по

-

следствиям

 

явление

 

связано

 

с

 

резонансом

 

емкости

 

КБ

 

и

 

эквивалентного

 

индуктивного

 

сопротивления

 

ЛЭП

 

и

 

генераторов

 

на

 

частотах

 

несколько

 

ниже

 

ос

-

новной

 

частоты

В

 

этом

 

диапазоне

 

частот

 

упругость

 

валопровода

 

генератора

 

приводит

 

к

 

возникновению

 

крутильных

 

колебаний

вызывая

 

дополнительную

 

раскачку

 

системы

При

 

этом

 

крутильные

 

колеба

-

ния

 

нарастают

 

по

 

амплитуде

 

самопроизвольно

 

до

 

выпадения

 

генераторов

 

из

 

синхронизма

Демпфи

-

рование

 

субсинхронного

 

резонанса

 

также

 

можно

 

эффективно

 

осуществлять

 

с

 

помощью

 

устройств

 

FACTS.

Компенсация

 

реактивной

 

мощности

 

на

 

преобразовательных

 

подстанциях

 

ППТ

 

и

 

ВПТ

Известно

 [5, 7, 24], 

что

 

преобразователи

 

ППТ

 

и

 

ВПТ

 

потребляют

 

до

 

половины

 

реактивной

 

мощ

-

ности

 

от

 

преобразуемой

 

активной

 

мощности

 

неза

-

висимо

 

от

 

способа

 

управления

При

 

нарушениях

 

режима

 

на

 

стороне

 

переменного

 

или

 

постоянного

 

тока

 

в

 

ЭЭС

 

возникают

 

переходные

 

процессы

свя

-

занные

 

со

 

значительным

 

потреблением

 

реактивной

 

мощности

которая

 

зависит

 

от

 

сопротивления

 

ЭЭС

 

и

 

режима

 

работы

 

преобразователя

Такие

 

изме

-

нения

 

реактивной

 

мощности

 

становятся

 

причиной

 

динамических

 

или

 

длительных

 

изменений

 

напря

-

жения

 

в

 

системе

 

переменного

 

тока

особенно

 

в

 

тех

 

случаях

когда

 

сопротивление

 

системы

 

относитель

-

но

 

шин

 

преобразователя

 

достаточно

 

высоко

.

Устройства

 FACTS 

в

 

составе

 

оборудования

 

преоб

-

разовательной

 

ПС

  

способны

 

регулировать

 

напряже

-

ние

 

в

 

системе

 

переменного

 

тока

 

за

 

счет

 

компенсации

 

реактивной

 

мощности

потребляемой

 

преобразовате

-

лем

 

или

 

обусловленной

 

переключением

 

фильтров

Они

 

позволяют

 

снизить

 

коммутационные

 

и

 

времен

-

ные

 

перенапряжения

вызванные

 

закрытием

 

преоб

-

разователей

а

 

также

 

восстановить

 

работу

 

системы

 

переменного

 

тока

 

при

 

повреждениях

.

Снижение

 

перенапряжений

Перенапряжения

 

в

 

ЭЭС

 

возникают

 

при

 

отключе

-

нии

 

нагрузки

 

в

 

результате

 

взаимодействия

 

индук

-

тивности

 

и

 

емкости

 

линии

емкостной

 

перекомпен

-

сации

перевозбуждении

 

и

 

увеличении

 

оборотов

 

синхронных

 

машин

Эти

 

перенапряжения

 

приводят

 

к

 

нежелательным

 

срабатываниям

 

разрядников

ИРМ

 (

индуктивные

с

 

определенной

 

перегрузочной

 

способностью

 

в