автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Анализ режимных характеристик управляемых линий электропередач переменного тока с учетом технических ограничений

На правах рукописи

Мотиэ Бирдженди Алиакбар

АНАЛИЗ РЕЖИМНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УПРАВЛЯЕМЫХ ЛИНИЙ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С УЧЕТОМ ТЕХНИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ

Специальность: 05.14.02 «Электростанции и электроэнергетические системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2004

Работа выполнена на кафедре Электроэнергетических систем МОСКОВСКОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА (Технического Университета).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Рыжов Юрий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Кочкин Валерий Иванович

кандидат технических наук Ивакин Виктор Николаевич

Ведущая организация: ОАО «Институт Энергосетьпроект»

Защита состоится " // " 2005 г. ч^ит. на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, аудитория Г - 200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан "_"_г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.03

к.т.н., доцент

Бердник Е. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современное состояние энергетики в промыш-ленно-развитых странах характеризуется следующими тенденциями:

- продолжающимся ростом нагрузок, определяемым развитием экономики этих стран;

- большой плотностью электрической сети различных классов напряжения;

- повышенными экологическими требованиями к объектам электроэнергетики, что вызывает сложности в сооружении новых линий электропередач;

- объединением электрических сетей различных компаний в единые национальные энергосистемы;

В освоенных регионах в настоящее время сложилась ситуация, когда на сети относительно низких напряжений наложились сети более высоких напряжений. В результате сложилась многослойная структура сетей разных классов напряжения со сложными электрическими связями. Из-за различий в соотношении электрических параметров разных сетевых слоев происходит неоптимальное распределение потоков мощности между ними, когда более нагруженными оказываются сети низких классов напряжения, в то время как сети высоких классов напряжения нагружены ниже своих возможностей.

Слабость некоторых межсистемных связей стала причиной крупнейших аварий, когда обесточивались целые регионы с населением в десятки миллионов человек. Такие аварии вызывают громадные убытки, а их ликвидация занимает значительное время. Примерами таких аварий могут служить аварии в США, Западной Европе и других регионах мира, произошедшие в последние десятилетия.

Поэтому в последнее время ведутся поиски путей решения этих проблем.

Одним из таких путей является применение управляемых статических устройств, которые будучи элементами электрической сети, могут способствовать повышению ее пропускной способности. В качестве таких устройств могут быть использованы статические тиристорные компенсаторы, управляемые реакторы и конденсаторные батареи. Во всех этих устройствах используются средства силовой электроники. В настоящее время предложены схемы, построенные на основе применения статических преобразователей нового поколения, с помощью которых возможно регулировать поток мощности по отдельно взятой линии переменного тока.

Большинство известных работ по этой проблеме посвящено разработке самих устройств и изучению их характеристик. В то же время изучению системных аспектов использования этих устройств и характеристик управляемых линий переменного тока уделено недостаточно внимания.. Между тем, именно эта сторона вопроса представляет интерес для электроэнергетики. Отсюда - необходимость исследования характеристик управляемых реальных линий различных классов напряжения и длин, чтобы иметь

{ РОС НАЦИОНАЛЬНА*

| БИБЛИОТЕКА

представление о возможности таких линий и потребных мощностях управляющих устройств для них.

Кроме того, существуют определенные технические ограничения на параметры режима (коэффициенты запаса по статической и динамической устойчивости, нагрев проводов и др.), которые не всегда учитываются. Их учет может в ряде случаев сказаться на параметрах режима отдельных линий электропередачи и параметрах управляющих устройств.. Поэтому исследование технических характеристик управляемых линий является актуальной задачей.

Цели работы

1. Анализ технических характеристик линий с управляемой продольной компенсацией для разных классов напряжения в диапазоне длин линий, характерных для этих классов.

2. Учет технических ограничений на параметры режима таких линий и определение предельно допустимой степени компенсации линий по условиям этих ограничений.

3. Анализ влияния на предельно допустимую степень компенсации внешних по отношению к линии сопротивлений прилегающих систем и закона управления реакторами.

4. Разработка математической модели реальной линии с векторным регулированием, в котором учитывается емкость линии и активное сопротивление проводов.

5. Анализ технических характеристик линий с векторным регулированием разных классов напряжения и разной длины.

6. Определение необходимой мощности управляющих устройств и законов ее изменения в процессе регулирования передаваемой по линии мощности.

7. Определение возможных технических ограничений для линий с векторным регулированием и разработка методов их реализации.

Методы исследования

Поставленные в работе задачи решались на основе теории электрических цепей, математического моделирования, а также экспериментальным путем на лабораторном стенде. Исследования проводились с применением ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены предельно допустимые степени продольной емкостной компенсации с учетом технических ограничений для линий 220 и 500 кВ в диапазоне длин, характерных для этих классов напряжения.

2. Проанализировано влияние внешних по отношению к линии сопротивлений (эквивалентного сопротивления системы, согласующих автотрансформаторов и др.) на допустимые степени компенсации.

3. Получена математическая модель линии с векторным управлением, где линия представлена П-образной схемой замещения; показано, что эта мо-

дель дает более точные результаты, чем применявшаяся до настоящего времени модель, в которой линия представлена только реактивным сопротивлением.

4. Получены режимные характеристики линий 500 и 220 кВ с векторным регулированием в диапазонах длин, характерных для этих линий; определены возможные границы изменения активной мощности линий в процессе регулирования.

5. Показано, что регулирование мощности, передаваемой по линии, необходимо выполнять с учетом ограничения напряжения в начале линии; разработан метод, позволяющий поддерживать это напряжение в допустимых пределах при сохранении достаточного диапазона изменения активной мощности линии.

6. Найдены закономерности изменения мощности преобразователя в процессе регулирования мощности линии и установлены их предельные величины для разных линий, что дает возможность определить установленную мощность последовательного трансформатора.

7. Разработана методика, позволяющая учесть технические ограничения для управляемой линии в процессе регулирования передаваемой мощности.

8. Определены допустимые режимные характеристики управляемых линий различных классов напряжения и длин с учетом технических ограничений.

Практическая ценность

Результаты работы могут быть использованы для дальнейших исследований и сопоставления различных типов управляемых линий в процессе их проектирования. Они дают возможность найти необходимую мощность управляющих устройств для конкретной линии и оценить ее технико-экономические показатели.

Разработанные методы учета технических ограничений могут быть использованы при создании системы регулирования управляемых линий.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

1. Использованием известных проверенных методик и уравнений, связанных с расчетами режимов линий.

2. Сопоставлением полученных результатов по характерным контрольным точкам с полученными ранее результатами в других исследованиях.

3. Проверкой полученных результатов другими известными методиками, не использованными в диссертации (программа "РЕЖИМ").

4. Сопоставлением результатов, полученных расчетным путем, с результатами, полученными на лабораторном стенде.

Апробация работы и публикации

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (4-5 Марта 2003г., г. Москва, МЭИ (ТУ)).

2. Третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (14-16 Мая 2003г., г. Благовещенск, АмГУ).

3. 3nd WSEAS International Conference on Applications of Electrical Engineering (AEE'04), May 12-15,2004.,Amstar, Mexico.

4. Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2-3 Марта 2004г., г. Москва, МЭИ (ТУ))

5. 12nd Iranian Researchers Conference In Europe (IRCE), Engineering group, Electrical part, July 3-4,2004., Manchester, United Kingdom.

По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы из 90 наименований и 3-х Приложений. Диссертационная работа изложена на 275 страницах текста, содержит 65 рисунков, 22 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении сформулированы цели диссертационной работы, перечислены использованные методы решения поставленных задач и описаны структура и содержание глав диссертации.

В Первой главе рассматриваются возможные пути создания управляемых линий электропередачи и различные устройства, которые могут быть использованы для этой цели. Дается анализ современного состояния проблемы и применения управляемых линий в электроэнергетике, ставятся задачи исследований в диссертации.

Вторая глава посвящена анализу режимных характеристик линий с управляемой продольной компенсацией, которая может быть использована не только в нормальных режимах, но и в послеаварийных, В этих режимах возможно превышение параметрами режима допустимых значений. Поэтому основная задача, решаемая во второй главе, - определение предельно допустимой степени компенсации с учетом технических ограничений.

В работе рассматривались одиночные линии без промежуточных подстанций. Рассматривались линии 220 и 500 кВ в диапазоне длин, характерных для этих классов напряжения. Расчеты выполнялись как с учетом активного сопротивления проводов, так и для идеализированных линий. В работе было рассмотрено 9 типов линий:

1.Идеализированная линия (r = 0) без реакторов на конденсаторной батарее (КБ);

2.Идеализированная линия с учетом реакторов на КБ;

3.Идеализированная линия с учетом внешних сопротивлений и без реакторов на КБ;

4. Идеализированная линия с учетом внешних сопротивлений и с учетом реакторов на КБ;

5. Линия с учетом активного сопротивления проводов и без реакторов на КБ;

6. Линия с учетом активного сопротивления проводов и с учетом реакторов на КБ;

7. Линия с учетом активного сопротивления проводов и с учетом внешних сопротивлений и без реакторов на КБ;

8.Линия с учетом активного сопротивления проводов и с учетом внешних сопротивлений и реакторов на КБ;

9.Линия с учетом активного сопротивления проводов с учетом внешних сопротивлений и реакторов на КБ.

Рассматривались два метода выбора проводимости реакторов. В одном из них проводимость реактора соответствовала емкостной проводимости половине компенсированного участка линии, в другом проводимость реактора выбиралась по напряжению на зажимах КБ так, чтобы оно не превышало допустимое значение. В девятом типе линии применялись реакторы, выбранные по второму методу.

В качестве технических ограничений были приняты:

- предельная передаваемая мощность по условиям нагрева проводов с учетом температуры окружающего воздуха;

- максимально допустимая мощность по условиям статической апериодической устойчивости;

- напряжение на выводах КБ;

- минимально допустимое значение КПД линии.

Последнее объясняется тем, что экстремальные режимы могут быть достаточно длительными по времени, и работа линии с низким КПД может быть нежелательной.

Поскольку обычно линии отделены от шин неизменного напряжения систем некоторыми реактивными сопротивлениями, то расчеты проводились с учетом последних. В качестве таких сопротивлений рассматривались сопротивление автотрансформатора и эквивалентное сопротивление системы, приведенное к точке включения линии.

Для учета распределенности параметров линии и упрощения расчетов при нахождении обобщенных параметров схемы замещения был использован метод эквивалентного четырехполюсника, где параметры четырехполюсников, замещающих участки линии, определялись с помощью гиперболических функций комплексной переменной. Расчеты проводились для случая, когда во всем диапазоне изменения степени компенсации по линии передается наибольшая активная мощность по условиям статической апериодической устойчивости.

Степень компенсации линии изменялась в пределах 0-5-60%. Более высокая степень компенсации не рассматривалась, поскольку это связано с резким возрастанием напряжения на конденсаторной батарее.

Анализ результатов расчетов показывает, что для линий 220 кВ во всем диапазоне рассматриваемых длин и отсутствии внешних сопротивлений максимально возможная передаваемая мощность лежит выше предела, определяемого нагревом проводов при любой степени компенсации. Отсюда следует, что максимально передаваемая по этим линиям мощность ограничивается не их электромагнитными свойствами, а нагревом проводов, и поэтому здесь управляемая продольная компенсация не требуется. То же можно сказать и о линиях длиной до 100 км при даже значительных внешних сопротивлениях. Лишь для линии достаточно большой длины (до 300км) и больших внешних сопротивлениях целесообразно введение управляемой продольной компенсации при степени компенсации до 45-50%.

Ограничение по напряжению на зажимах конденсаторной батареи для линий 220 кВ наступает лишь для линий, включенных на шины неизменного напряжения (внешние сопротивления равны нулю) при степени компенсации, равной 47-48%. При этом допустимая степень компенсации мало зависит от длины линии. При наличии внешних сопротивлений линии 220 кВ во всем рассматриваемом диапазоне длин и степени компенсации могут работать без превышения напряжения на конденсаторах сверх допустимого значения.

Линии 220 кВ без учета внешних сопротивлений во всем диапазоне длин и степеней компенсации при работе с максимальной допустимой мощностью имеют КПД ниже допустимого значения. При учете внешних сопротивлений относительно короткие линии длиной доЮО км могут работать при приемлемом КПД при любой степени компенсации.

Для линий 500 кВ при отсутствии внешних сопротивлений предельная степень компенсации по условиям нагрева проводов определяется длиной линии. Так для линии длиной 500 км она равна 24%, для линии длиной 1000 км - 50%. Учет внешних сопротивлений позволяет этим линиям работать при любой степени компенсации во все диапазоне длин от 100 до 1000 км.

По условиям ограничения напряжения на зажимах конденсаторной батареи линия длиной 1000 км без применения реакторов выходит за допустимый предел при любой степени компенсации, как при наличии внешних сопротивлений, так и при их отсутствии. Линии длиной от 100 до 500 км и отсутствии внешних сопротивлений имеют предельную степень компенсации 45-50%. Линии от 100 до 500 км и учете внешних сопротивлений могут работать без превышения напряжения на зажимах конденсаторной батареи сверх допустимого предела при любой степени компенсации в рассматриваемом диапазоне.

Что же касается КПД линий, то при увеличении степени компенсации свыше 15-25% и при отсутствии внешних сопротивлений во всем диапазоне длин наблюдается снижение КПД ниже принятого минимального значения. В

то же время наличие внешних сопротивлений позволяет линиям длиной до 1000 км работать при допустимых значениях КПД во всем диапазоне степеней компенсации. На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы:

1. При анализе воздействия установок регулируемой продольной компенсации на режим электроэнергетической сети необходимо учитывать технические ограничения степени компенсации.

2. Необходимо учитывать электрическую удаленность концов линии с регулируемой продольной компенсацией от шин неизменного напряжения системы.

3. Определение предельной степени компенсации необходимо выполнять для каждой конкретной линии с учетом марок проводов, длины линии, ее места в схеме электрической сети.

В Третьей главе разрабатываются математические модели линии с векторным регулированием и рассматриваются основные режимные характеристики такой линии. Схема линии с векторным регулированием приведена на рис.1.

6 в

Рис. 1. Схема линии (я), ее схема замещения (б) и векторная диаграмма (в)

Регулирующее устройство, состоящее из двух преобразователей напряжения ПН1, ПН2 и трансформатора, одна из обмоток которого включена последовательно в линию, получило название «объединенный регулятор потоков мощности »(ОРПМ), в англоязычной транскрипции иРРС.

В известных работах, посвященной этой тематике собственно линия представлена только ее индуктивным сопротивлением без учета емкости и активного сопротивления проводов. Между тем, эти неучтенные параметры,

особенно емкость линии, могут оказать заметное влияние на характеристики режима управляемой линии и на мощность управляющего устройства. Поэтому в диссертации была разработана математическая модель управляемой линии, в которой учтены и емкость линии и активное сопротивление проводов (модель

Поскольку в схеме замещения управляемой линии имеются три источника напряжения, в работе был использован метод наложения, и линия была представлена П-образной схемой замещения. На основе этой модели была получена модель идеализированной линии, где активное сопротивление проводов не учитывается (модель и модель, где учтено только индуктивное сопротивление линии (модель X). Следует отметить, что уравнения для модели X соответствуют уравнениям, приведенным в литературе.

Для получения общности расчетов уравнения всех трех моделей были представлены как в именованных, так и относительных единицах. При этом в качестве базисной величины была принята натуральная мощность линии.

(1)

где - волновое сопротивление линии.

Уравнения активной и реактивной мощностей в начале реальной линии в относительных единицах имеют вид

Р. I = Р.а + Р.4 = кг /сс«9 -сов(8 + 9)+Д У/гсоБбсозр -С05(8 + р+9)+ + ДС/,сс«9)];

(2)

Рч = к2Ш,[-со5(0 + (р + 5)) + со5(0 + р) + ди.совб] + к^и/тр; 0.,, = ¿гД[/./яп(р + 6) - 8ш(9 + (р + 6)) + ДС/.бшЭ] - */ДС/.а»р + Д и2.);

(3)

в., =кг[ бшЭ - 5ш(6 + 9) + 2Д Шпбсозр - АШп(6 + (р + 8)) + + ДГЛшО]-кс[\ + А игч + гдгУ.совр],

(4)

2 7.

где к, =—; к, =—; коэффициенты кг и кс являются функцией длины линии, 2,

что позволяет учесть эту длину в расчетах.

Аналогичные уравнения были получены для моделей Пщ и X. Мощности в начале линии и мощности преобразователя являются функциями дополнительного напряжения ДII, вводимого с помощью последовательной обмотки трансформатора и угла поворота вектора этого напряжения р относительно напряжения на шинах передающей системы. Кроме того, эти мощности являются также функцией угла 8, то есть функцией исходного режима.

В диссертации показано, что управляемый режим - это некоторая область управления, которая накладывается на исходный (неуправляемый) ре-

жим линии. Величина этой области определяется значением напряжения Д(/. При 5 = 0 область регулирования представляет собой окружность, наложенную на круговую диаграмму начала линии. По мере увеличения угла 5 эта область превращается в эллипс, который при 8 - 90 эл.град. трансформируется в прямую линию.

В работе было проведено сопоставление всех трех моделей управляемой линии. Это необходимо для того, чтобы выбрать оптимальную расчетную модель.

Рассмотрим модели X и Пш. Уравнения активных мощностей в начале линии для этих моделей идентичны, поэтому разность этих уравнений будет равна нулю, а активные мощности будут одинаковы при всех значениях углов

Разность реактивных мощностей в начале линии для рассматриваемых моделей не равна нулю, что объясняется учетом емкости линии в модели Пид:

Отметим, что эта разница не равна нулю и при отсутствии регулирования

Учет емкости линии влияет также и на мощность преобразователя ПН2. Взяв разницу уравнений активной и реактивной мощностей преобразо-

вателя для рассматриваем

^лс ~

ЦАЦ х.

эшр;

1ж

Д£/

2\

(6)

Различия между моделью X и моделью Прсал будут близки к указанным выше различиям, однако, при этом сопоставлении будет сказываться еще и учет активного сопротивления проводов линии.

Расчеты параметров режима управляемой линии показывают, что в нерегулируемом режиме активная мощность в начале линии для всех трех моделей одинакова. В регулируемом режиме активная мощность моделей X и Пид совпадают во всем диапазоне изменения угла р. Мощность модели Прсал несколько выше, что объясняется учетом активного сопротивления проводов.

Реактивная мощность начала линии для всех трех моделей различна. Наибольшие расхождения есть между моделями X и Посал. При некоторых значениях угла расхождение почти в два раза как в регулируемом, так и нерегулируемом режимах.

Мощности преобразователя ПН2 потребные для обеспечения

регулирования передаваемой мощности, также различны для всех трех моделей. Наибольшая активная мощность требуется

для модели наи-

меньшая - для модели X. В то же время для модели X требуется наибольшая реактивная мощность 0^, а для модели Преал эта мощность наименьшая.

Полная мощность преобразователя ПН2, а следовательно, и мощность обмотки последовательного трансформатора, на которую включен этот преобразователь, определяются именно реактивной мощностью О,}. Поэтому применение модели X дает завышение установленных мощностей оборудования. Отсюда для дальнейших расчетов были приняты модели Пр(:ал И Пид.

Полученные уравнения позволили рассчитать режимные характеристики управляемой линии, Расчеты проводились для разных значений начальной мощности и напряжения Начальная мощность изменялась таким образом, чтобы охватить весь возможный диапазон передаваемых мощностей от малых нагрузок до больших (0,2 -5-1,5 Лиг)- Диапазон изменения А1/ был принят от 0,1 до 0,6 от [/„ом. Эти значения были взяты из имеющейся литературы. Целью расчетов являлось определение возможного диапазона изменения передаваемой активной мощности, необходимой для этого мощности управляющих устройств и перетоков реактивной мощности по линии.

Р=Рпа1 &[/=0.3

р1

Рис.2. Зависимости параметров режима управляемой линии от угла р

На рис.2 приведены зависимости активной мощности и напряжения 1}\ начала линии, а также мощностей Р^ И 0^ от угла р при Д[/ = 0,3 для Р\ = Ртт. Разница между максимальным и минимальным значениями активной мощности ,Р| определяет диапазон регулирования (DP). Амплитуды кривых Р^ И Од представляют те максимальные мощности, которые должен выдать преобразователь ПН2 при работе в данном режиме. Экстремальные значения всех параметров режима приведены в табл.1.

Векторное регулирование позволяет обеспечивать глубокое регулирование передаваемой по линии активной мощности вплоть до изменения направления потока мощности в режимах малых и средних нагрузок при достаточно больших значениях

Диапазон регулирования активной мощности определяется, главным образом, значением и слабо зависит от начального значения мощности в

Таблица 1

Основные параметры режима и управляющих устройств линии 500 кВ, 500 км

ди=од ДУ=0,3 AU= 0,6

Рнач 0,2 P„ P„ 1,5 P„ 0,2P„ Л, 1.5P. 0,2P„ Л, 1,5P„

^Imax 0,403 1,215 1,722 0,82 1,66 2,16 1,47 2,34 2,9

■^Imin 0 0,788 1,281 -0,4 0,373 0,851 -0,96 -0,22 0,231

Q Imax -0,115 0,113 0,503 0,31 0,616 1,114 1,203 1,627 2,287

Q 1min -0,402 -0,253 0,029 -0,552 -0,482 -0,308 -0,521 -0,569 -0,557

DP 0,403 0,427 0,441 1,22 1,29 1,31 2,43 2,56 2,65

Erfmar 0,036 0,102 0,154 0,116 0,314 0,47 0,26 0,66 0,97

Qdm ах 0,051 0,117 0,169 0,256 0,454 0,61 0,82 1,22 1,53

±>dmux 0,051 0,118 0,229 0,257 0,456 0,61 0,823 1,22 1,53

нерегулируемом режиме. Под диапазоном регулирования здесь понимается разность DP = Рш% — Pmln. Основываясь на данных табл. 1, можно ориентировочно принять DP, а 4,AU.

Анализ результатов расчетов показывает, что в процессе регулирования активной мощности могут возникнуть значительные перетоки реактивной мощности. Реактивные мощности по концам линии имеют знакопеременный характер и могут достигать относительно больших величин, равных (1.2 т 2,3) Р„ат в зависимости от начальной мощности и значения AU. Мощность преобразователя ПН2 становится соизмеримой с передаваемой по линии мощностью при больших значениях Д(7. В этом случае может возник-. нуть вопрос о целесообразности регулирования линии переменного тока и поиске альтернативного решения.

Важным фактором является значение напряжения в начале линии U[. В процессе регулирования это напряжение может значительно превышать допустимые значения. Поэтому требуется разработка мероприятий по его ограничению.

В Четвертой главе рассматриваются методы введения режимно-технических ограничений для линий с векторным регулированием и анализируются характеристики таких линий 220 и 500 кВ различной длины.

Одним из основных параметров режима линии с векторным регулированием является напряжение в ее начале. Это напряжение, как это следует из рис.1, в, является геометрической суммой двух векторов:

При рассмотренных выше значениях напряжение будет изменяться в широких пределах в зависимости от положения вектора . При неизменном значении напряжения на приемном конце линии это приведет к значительным знакопеременным перетокам реактивной мощности. Это, в свою очередь, вызовет значительные потери активной мощности в линии,

возможные нарушения баланса реактивных мощностей в узлах систем, к которым подключена управляемая линия.

Кроме того, превышение напряжения в начале линии сверх допустимых значений невозможно по условиям работы оборудования подстанции, изоляции линии, коронирования проводов. Поэтому возникает задача по ограничению этого напряжения при сохранении достаточного диапазона регулирования передаваемой по линии активной мощности.

Следует отметить, что в имеющейся литературе подобная задача нигде не рассматривалась. В диссертации разработан метод ограничения напряжения в начале линии как сверху, так и снизу при сохранении достаточного диапазона регулирования активной мощности. Суть этого метода заключается в изменении значения напряжения в зависимости от угла его поворота. Этот метод иллюстрируется рис.3. На этом рисунке можно выделить четыре

Рис.3. Векторная диаграмма при ограничении напряжения 1][ сверху и снизу

зоны. В двух из них, ограниченных допустимыми значениями напряжения в начале линии С/доп тах И Цд0П т|„, величина Д{/ изменяется так, чтобы напряжение не превышало заданные значения. В двух других зонах напряжение Ш равно принятой величине и не изменяется. Изменение значения Д£/ осуществляется путем воздействия на режим преобразователя ПН2. Величина определяется на основании теоремы косинусов

Это уравнение было использовано при выводе выражений для определения законов изменения активной и реактивной мощностей, передаваемых по линии, и напряжения

Изменение напряжения и активной мощности в процессе регулирования при введении ограничения напряжения в начале линии приведено на рис.4.

В табл.2 даны диапазоны регулирования активной мощности при введении ограничения напряжения в начале линии.

(8)

Р'!, ¿Г 1 - Р=Рнат, 500 кВ, 500 км, Д{/=0,3

Р

Рис 4 Изменение активной мощности и напряжения в начале линии при ограничении напряжения £/| сверху и снизу. 1 и 2 - активная мощность и напряжение соответственно без ограничения напряжения, 3 и 4 -те же величины при ограничении напряжения

Таблица 2

Диапазоны регулирования активной мощности при ограничении напряжения

и\ в начале линии

Д(/=0,1 ЛС/=0,3 Д{/=0 6

Ртч Р,ш ОР Ртах р 1 ГО1П йР Ртах ИР

Ограничение напряжения 11[ сверху

0,2 Л„ 0,403 0 0,403 0,810 -0,392 1,2 1,303 -0,937 2,24

1,21 0,788 0,422 1,554 0,373 1,18 1,89 -0,225 2,115

1,5 Л,,, 1,698 1,281 0,417 1,953 0,851 1,02 2,165 0,231 1,93

Ограничение напряжения {/( сверху и снизу

0,2?»„ 0,403 0 0,403 0,810 -0,392 1,2 ¡,303 -0,937 2,24

Ртт 1,21 0,788 0,422 1,554 0,388 1,17 1,89 -0,196 2,09

1,698 1,281 0,417 1,953 0,932 1,02 2,165 0,391 1,77

Введение регулирования напряжения практически не изменяет возможный диапазон регулирования активной мощности, передаваемой по линии. Этот диапазон не зависит от значения начальной мощности и определяется максимальным значением Д1/. В то же время изменение мощности происходит в относительно узком диапазоне углов р (90-100) эл.град.

При введении ограничения напряжения и[ сверху и снизу снижаются перетоки реактивной мощности по линии, что облегчает обеспечение баланса

реактивных мощностей на шинах систем и приводит к снижению потерь энергии в линии.

Ограничения по минимально допустимому значению КПД, нагреву проводов и статической апериодической устойчивости были получены без учета ограничения по напряжению. Все эти ограничения обеспечиваются также изменением значения напряжения Д U путем воздействия на режим работы преобразователя ПН2.

При введении ограничения по минимально допустимому значению КПД можно использовать уравнение

ДР = Р/ - Рг - ^-(2cos0 - 2cos0cosS)+2cos8cosp - 2cos0cos(p+8))+

Отсюда при максимально допустимом значении ДР определяется значение AU, необходимое для снижения передаваемой мощности. Алгоритм расчета следующий.

Для каждого значения угла вычисляются потери активной мощности в линии. В случае, если они превышают заданное значение, уменьшается величина до тех пор, пока потери не снизятся до заданного значения. Для этого используется уравнение (9), где значение ДU подбирается методом простой итерации для каждого значения угла р.

При введении ограничения передаваемой мощности по условиям нагрева проводов использовалось равенство передаваемой мощности и предельно допустимой мощности по условиям нагрева проводов. Из этого равенства определяется требуемое значение AU. При этом можно использовать два алгоритма.

По первому из них для каждого значения определяется предельное значение и по этому значению определяются другие параметры режима линии. По второму - для каждого значения определяется мощность или ток линии и полученная величина сопоставляется с допустимой. Если мощность или ток линии превышают допустимые значения, то методом простой итерации подбирается величина при которой мощность или ток равны допустимым значениям. Оба эти метода были проверены, и по ним были получены одинаковые результаты.

При введении ограничения по статической апериодической устойчивости использовалось равенство передаваемой мощности и предельно допустимой мощности по условиям устойчивости для каждого значения угла В дальнейшем алгоритм расчета такой же, как при ограничении по нагреву проводов.

Сопоставление рассмотренных ограничений показывает, что для линий 500 кВ длиной 300 и 500 км единственно необходимое ограничение - это ограничение по напряжению. Максимальная мощность, которая может быть передана по этим линиям, не достигает предельных значений по нагреву про-

водов и статической устойчивости. КПД линии также выше минимально допустимого.

Для линии 1000 км необходимо введение ограничения передаваемой мощности по статической апериодической устойчивости в диапазоне углов от нуля до 80 эл.град. При этом ограничение мощности по устойчивости, как таковой, требуется лишь в диапазоне от 70 до 80 эл.град., т.к. в диапазоне углов р от нуля до 70 эл.град. устойчивость обеспечивается ограничением по напряжению, за счет которого передаваемая мощность в указанном диапазоне несколько ниже допустимого предела. Как показывает анализ аналогичных зависимостей при других значениях напряжения необходимость введения ограничений возникает при иных соотношениях параметров режима.

На основании изложенного может быть сделан вывод о том, что для рассматриваемых линий ограничение по напряжению обеспечивает практически все рассмотренные ограничения. Введение дополнительных ограничений по нагреву и устойчивости требуется лишь в редких случаях. При этом необходимо отметить, что введение дополнительных ограничений, кроме ограничений по напряжению, требуется лишь при достаточно больших значениях напряжения что в свою очередь определяется необходимым диапазоном изменения мощности, передаваемой по данной линии.

Для линий 220 кВ при для всех рассмотренных длин линий от

100 до 500 км нет необходимости вводить какие-либо ограничения, в том числе и ограничение по напряжению.

Сопоставление характеристик управляемых линий 500 кВ длиной 300 и 1000 км с приведенными выше характеристиками линий длиной 500 км показывает, что при увеличении длины линии при одинаковых значениях Аи возможный диапазон регулирования активной мощности снижается.

Активная мощность преобразователя ПН2 очень мало зависит от длины линии. В то же время его реактивная мощность заметно возрастает с уменьшением длины линии. Так, например, при,Д 11= 0,6 и отсутствии ограничения и[ максимальные значения (),[ равны: при длине линии 300 км - 1,7; 500 км - 1,22; 1000 км - 0,807 о.е. Это может объясняться двумя факторами: меньшей емкостью линии при малых ее длинах и увеличением при этом возможной передаваемой мощности.

Снижение напряжения ведет к уменьшению мощности Так, при снижении Дидо величины 0,3 мощности ^уменьшаются 2,5-3 раза. Однако при этом уменьшается и диапазон изменения передаваемой мощности. Вопрос о выборе необходимого диапазона изменения Д[/ необходимо решать в каждом конкретном случае.

В работе были также проанализированы характеристики управляемых линий 220 кВ в диапазоне длин км. Для этих линий в характерны те

же зависимости и тенденции, что и для линий500 кВ соизмеримых длин. Числовые значения характеристик линий 220 кВ в относительных единицах (по

отношению к своей натуральной мощности) очень близки к аналогичным значениям линий 500 кВ. Незначительные отличия объясняются более высокими активными сопротивлениями проводов по сравнению с линиями 500 кВ (рис.5)

.2 093, 3|

Рис 5 Активные мощности линий 220 и 500 кВ длиной 300 и 500 км

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные в работе исследования характеризуются следующими основными научными и практическими результатами:

1. Проанализированы характеристики управляемых линий двух типов: линий с управляемой продольной емкостной компенсацией и линий с векторным регулированием.

2. Определены значения предельно допустимых степеней продольной компенсации для линий 500 и 220 кВ в диапазоне длин, характерных для этих линий. При их определении учитывались технические ограничения (по статической апериодической устойчивости, нагреву проводов линий, напряжению на выводах УПК, допустимому значению КПД линии).

3. Показано, что на характеристики управляемой продольной компенсации заметное влияние оказывают внешние эквивалентные сопротивления систем, к шинам которых подключена данная линия, наличие или отсутствие реакторов на выводах УПК, а также законы их управления.

4. Рассмотрены три модели управляемой линии с векторным регулированием. Показано, что модель, в которой учитываются емкость линии и активные сопротивления проводов, дает наиболее правильные результаты, соответствующие физическим свойствам линии.

5. Получены режимные характеристики управляемой линии 500 кВ с векторным регулированием. Показано, что диапазон регулирования активной мощности, передаваемой по линии, определяется величиной напряжения, вводимого в линию с помощью последовательного трансформатора.

6. Определены мощность преобразователя ПН2, включенного на вторичную обмотку трансформатора, и значения активной и реактивной мощно-

стей в процессе регулирования. Показано, что максимальная полная мощность преобразователя определяется реактивной составляющей.

7. Проанализированы режимные характеристики управляемых линий 500 и 220 кВ различной длины. Показано, что эти характеристики (в относительных единицах по отношению к натуральной мощности линий) близки друг к другу. При этом активная мощность преобразователя очень мало зависит от длины линии, в то время как реактивная мощность зависит от длины линии, возрастая с ее уменьшением.

8. Показано, что напряжение в начале линии зависит от значения напряжения, вводимого в линию последовательной обмоткой трансформатора, и может значительно превышать допустимые значения. Разработан способ ограничения этого напряжения при сохранении желаемого диапазона регулирования.

9. Для линии с векторным регулированием разработаны методики учета ограничения передаваемой мощности по статической апериодической устойчивости, нагреву проводов и по допустимому КПД.

10. Показано, что в большинстве рассмотренных случаев ограничение по напряжению в начале линии является определяющим ограничением и может заменить собой другие ограничения.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Мотиэ Бирдженди А., Рыжов Ю.П. Определение диапазона изменения -пропускной способности линий электропередачи с управляемой продольной компенсацией с учетом технических ограничений // 9-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. - Москва, 2003. - Т.З. - С. 261-262.

2. Мотиэ Бирдженди А., Рыжов Ю.П. Технические ограничение при использовании управляемой продольной компенсации для оптимизации режима электроэнергетической сети // Материалы 3-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управления, качество и эффективность использования энергоресурсов»: докл. -Благовещенск: АмГУ, 2003. -Т.1. - С.145-151.

3. Мотиэ Бирдженди А., Рыжов Ю.П. Анализ условий работы управляемой продольной компенсации линий электропередач напряжением 220500 кВ // 10-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. - Москва, 2004. - Т .3. - С. 243-244.

4. Мотиэ Бирдженди А., Рыжов Ю.П. Технические ограничения управляемых линии электропередачи // Материалы 12-ой Иранской конференции соискателей в Европе "ICER04 "«Электроэнергия и электротехника»: докл. - Манчестер (Великобритания), 2004. - С. 110-111. (на английском языке).

20 »--24t

5. Мотиэ Бирдженди А., Рыжов Ю.П. Режимные характеристики управляемой линии переменного тока с объединенным регулятором потоков мощности // Материалы 3-ой Международной конференции "WSEAS " «Употребление электроэнергия "АЕЕ04 " »: докл. - Амстар (Мексика.), 2004. - С.385-391 (на английском языке).

6. Рыжов Ю.П., Мотиэ Бирдженди А. Возможные ограничения при использовании управляемой продольной компенсации в линиях электропередачи 220 - 500 кВ // Вестник МЭИ. - 2004. - № 5. - С.26-31.

7. Рыжов Ю.П., Мотиэ Бирдженди А. Влияние расчетной модели линии на характеристики управляемых (гибких) электропередач переменного тока // Вестник МЭИ. - 2004. - № 6. - С.119-124.

ЗякЛй Тир. 'М П.Л. подп. в печать 141 ¿fo

ПЦ МЭИ (ТУ), Красноказарменная ул., д. 13

Введение.

ГЛАВА 1. Возможные пути создания гибких линий.

1.1. Общие положения.

1.2. Возможность использования известных устройств.

1.3. Использование силовой электроники для создания управляемых линий.

1.4. Статические компенсаторы реактивной мощности.

1.4.1. Статические компенсаторы с использованием управляемых реакторов и конденсаторных батарей.

1.4.2. Статические компенсаторы с использование преобразователей напряжения.

1.5. Управляемая продольная емкостная компенсация.

1.6. Фазоповоротные устройства.

1.7. Возможные типы управляемых линий.

1.8. Статические компенсаторы и управляемые линии электропередач, ^ ^ используемые в практике.

1.9. Научно-исследовательские работы в области управляемых линий.

1.10. Задачи исследований в диссертации.

ГЛАВА 2. Анализ режимных характеристик линий с управляемой продольной компенсацией.

2.1. Постановка задачи.

2.1.1. Условия задачи.

2.1.2. Ограничение степени компенсации линии.

2.1.3. Схема исследуемой электропередачи и исходные данные.

2.2. Алгоритм расчета и принятые допущения.

2.3. Расчеты параметров режима для идеализированной и реальной 59 линий.

2.3.1. Идеализированная линия.

2.3.2. Реальная линия.

2.3.3. Методика выбора реакторов на выводах КБ.

2.3.3.1. По условию компенсации зарядной мощности линий.

2.3.3.2. По условиям допустимого напряжения на зажимах КБ.

2.3.4. Зависимость коэффициентов эквивалентного четырехполюсника от степени компенсации, а также собственных и взаимных сопротивлений.

2.4. Определение предельной степени компенсации по условиям нагрева проводов.

2.4.1. Реальная линия при отсутствии внешних сопротивлений

1=^2=0).

2.4.2. Учёт внешних сопротивлений Х3\ и Х&.

2.5. Напряжения на выводах КБ.

2.6. Определение предельно допустимой степени компенсации по величине КПД линии.

2.7. Анализ смещения точки включения УПК в один из концов ли

2.8. Достоверность исследований.

2.9.Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. Математические модели и режимные характеристики линии с векторным регулированием

3.1. Постановка задачи.

3.2. Схема линии с регулятором ОРПМ.

3.3. Математическая модель управляемой линии.

3.3.1. Математическая модель, в которой линия представлена только индуктивным сопротивлением (модель X).

3.3.2.Математическая модель реальной линии с учетом ее емкости и активного сопротивления проводов (модель Преал).

3.3.3.Математическая модель идеализированной линии ^ ^ ^ с учетом ее емкости (модель Пвд).

3.3.4. Уравнения трех математических моделей управляемой линии ^ в относительных единицах.

3 .3.5. Сопоставление математических моделей управляемой линии. 119 3.4. Структурная схема программы расчета параметров режима линии с

ОРПМ.

3.5. Круговые диаграммы линии с векторным регулированием.

3.5.1. Круговая диаграмма линии (модель X).

3.5.2. Круговая диаграмма линии (модель Пвд).

3.5.3. Круговая диаграмма линии (модель Преал) с учетом активного ^ сопротивления проводов.

3.6. Работа ОРПМ в режиме продольной емкостной компенсации.

3.7. Режимные характеристики управляемой линии с векторным регул и-рованием.

3.8. Учет сопротивления рассеяния последовательного трансформатора.

3.9. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. Учет технических ограничений для линии с векторным управлением. Влияние длины линии и класса напряжения 155 на характеристики ее режима и параметры управляющих устройств

4.1. Постановка задачи.

4.2. Ограничение напряжения U[ в начале линии.

4.2.1. Основные понятия.

4.2.2. Ограничение напряжения U[ при равенстве напряжений в начале линии и на шинах системы (U\— U[).

4.2.3. Ограничение напряжения в начале линии при превышении им допустимых значений (U{ > U\).

4.3. Другие технические ограничения.

4.3.1. Ограничение передаваемой мощности по коэффициенту полезного действия.

4.3.2. Ограничение передаваемой мощности по нагреву проводов линии.

4.3.3. Ограничение передаваемой мощности по статической апериодической устойчивости связываемых систем.

4.4. Сопоставление вводимых ограничений.

4.5. Влияние длины линии на параметры режима и мощность управляющих устройств.

4.6.Выводы по четвертой главе.

Актуальность проблемы. Современное состояние энергетики в про-мышленно-развитых странах характеризуется следующими тенденциями:

- продолжающимся ростом нагрузок, определяемым развитием экономики этих стран;

- большой плотностью электрических сетей различных классов напряжения;

- повышенными экологическими требованиями к объектам электроэнергетики, что вызывает определенные сложности в сооружении новых линий электропередач;

- объединением электрических сетей различных компаний в единые национальные энергосистемы;

- внедрением рыночных отношений в электроэнергетике, что вызывает не всегда предусмотренный диспетчерским графиком обмен мощностью и энергией между отдельными энергетическими компаниями, электроэнергетическими системами и крупными регионами;

- стремлением использовать наиболее дешевые источники электроэнергии, расположенные, как правило, в отдаленных районах;

- крупными авариями, возникающими обычно из-за слабости отдельных межсистемных связей и приводящими к обесточиванию крупных регионов.

Эти проблемы возникли не внезапно, они накапливались в течение многих десятилетий. К числу наиболее острых проблем настоящего времени можно отнести перегруженность распределительных сетей крупных промышленных регионов, неэкономичное распределение нагрузки между сетями более высокого номинального напряжения и низкого, слабость некоторых межсистемных связей, изменение перетоков мощности в связи с рыночными отношениями.

Темпы сооружаемых линий электропередач возрастали, из-за чего количество и протяженность линий достигли в развитых странах таких размеров, что строить новые стало затруднительно.

Возникли существенные затруднения, связанные с сооружением новых линий, из-за ужесточения экологических требований и необходимости вести строительство в освоенных регионах с уже сложившейся инфраструктурой энергетических и иных коммуникаций, что предопределяет трудности с отводом земли под трассы линий. Кроме того, в освоенных регионах в настоящее время сложилась ситуация, когда на сети относительно низких напряжений наложились сети более высоких напряжений. В результате сложилась многослойная структура сетей разных классов напряжения со сложными электрическими связями. Из-за различий в соотношении электрических параметров разных сетевых слоев происходит неоптимальное распределение потоков мощности между ними, когда более нагруженными оказываются сети низких классов напряжения, в то время как сети более высоких классов напряжения нагружены ниже своих возможностей.

Слабость некоторых межсистемных связей стала причиной крупнейших аварий, когда обесточивались целые регионы с населением в десятки миллионов человек. Такие аварии вызывают громадные убытки, а их ликвидация занимает значительное время. Примерами таких аварий могут служить аварии в США, Канаде, Западной Европе и других регионах мира, произошедшие в последние десятилетия. Поэтому повышение пропускной способности межсистемных связей, особенно в послеаварийных режимах, является одной из актуальнейших проблем современной электроэнергетики.

Развитие рыночных отношений в электроэнергетике накладывает свой отпечаток на распределение потоков мощностей, приводит к возникновению внеплановых перетоков в ущерб оптимальному режиму и вызывает сложности в управлении режимами электроэнергетических сетей и систем.

Поэтому вопросы повышения пропускной способности и управляемости электрических сетей за счет применения специальных технических средств в настоящее время весьма актуальны.

Эти средства должны обеспечить решение следующих задач:

- повышение пропускной способности отдельных линий или сети в целом;

- управление потоками активной и реактивной мощности по отдельным связям или сечениям сети, что позволяет снизить потери, обеспечить требования по балансу реактивной мощности и уровню напряжения в узлах, повысить статическую устойчивость системы;

- воздействие на особые режимы электрических сетей, связанные с включением или отключением элементов сети, самовозбуждением и самораскачиванием генераторов с целью улучшения характеристик этих режимов;

- осуществление симметрирования параметров сети в различных режимах, а также ограничение токов короткого замыкания;

- повышение надежности работы системы за счет применения быстродействующих устройств, например, с тиристорным управлением.

Исследования и разработки в области создания устройств, способных решать упомянутые задачи, были начаты в начале 50-х годов XX столетия [16] в ряде стран, в том числе и СССР. Это было началом развития техники гибких передающих систем (ГПС) переменного тока.

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 [7].

Разработкой, положившей начало этапу применения новых средств управления режимами электрических систем с использованием элементов силовой электроники, явился статический управляемый источник реактивной мощности (ИРМ) [7-9]. Один них, где использовались тиристорно-реакторные группы совместно с конденсаторной батареей, получил название статический тиристорный компенсатор (СТК)[2].

Значительный вклад в развитие этого направления внесен Московским энергетическим институтом, Всесоюзным электротехническим институтом (ВЭИ), Горьковским и Львовским политехническими институтами [3,7,9] 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 [10-25].

Мощным импульсом в развитии концепции техники ГПС 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 создателей аппаратуры ГПС.

В связи с прогрессом в развитии преобразовательной техники на базе новых силовых полупроводниковых приборов ведущие электротехнические фирмы мира резко активизировали в последние десятилетия работы в области исследования, разработки и внедрения специальных устройств для линий электропередач переменного тока, позволяющих решить упомянутые выше задачи. Высокие значения рабочих параметров тиристоров, их управляемость, надежность обеспечили требуемые при решении многих системных задач быстродействие и регулирование параметров режима энергосистемы в широких пределах. Электропередачи, оснащенные такими устройствами, получили название гибких электропередач (ГЭП) [6,9,26-37].

Следует отметить, что ряд упомянутых выше задач, в частности увеличение пропускной способности линий, может быть решен и другими средствами, например сооружением линий повышенной натуральной мощности (ПВН) с нетрадиционной конструкцией фазы. В этом направлении проведены серьезные научные проработки [38]. Однако необходимого опыта эксплуатации таких линий еще нет. Кроме того, следует учесть, что при этом теряется свойство управляемости.

С 1992 г, в США при Институте инженеров электротехники и электроники (IEEE) функционирует специальная рабочая группа, задача которой состоит в отслеживании и координации разработок по ГЭП и их применению в энергосистемах. В соответствии с проведенной силами этой группы систематизацией существующих разработок была предложена следующая классификация гибких электропередач.

Гибкие электропередачи (Flexibility of Electric Power Transmission) - электропередачи, способные изменять потоки мощности в электроэнергетической системе в нормальных эксплуатационных или переходных режимах с целью оптимизации режима и поддержания достаточной статической и динамической устойчивости. Это определение может быть отнесено не только к гибким линиям переменного тока, но и электропередачам постоянного тока, а также электропередачам переменного тока со вставкой постоянного тока.

Гибкая передающая система переменного тока (Flexible AC Transmission System - FACTS) - электропередающая система переменного тока, включающая в себя статические регуляторы, основанные на применении силовой электроники, и другие статические регуляторы, способные контролировать поток мощности при увеличении пропускной способности линии. Здесь следует обратить внимание на слова «другие статические регуляторы», подразумевающие, что в этой системе могут быть использованы и другие статические регуляторы, не основанные на использовании силовой электроники, например, фазорегулирую-щие трансформаторы (ФРТ), реакторы, управляемые изменением тока подмаг-ничивания и другие.

Регулятор гибких электропередач (FACTS Controller) - силовая электронная система или другое статическое оборудование, которые обеспечивают управление одним или более параметрами режима линии электропередачи.

В полном виде эта классификация имеет значительно более широкий объем, однако здесь она не приводится.

В настоящее время управляемые линии электропередачи в странах с развитой электроэнергетикой рассматриваются как одно из наиболее эффективных средств для решения упомянутых выше задач.

Целью работы являются:

- анализ технических характеристик линий с управляемой продольной компенсацией с учетом возможных технических ограничений;

- анализ технических характеристик линий, оснащенных так называемым объединенным регулятором потоков мощности (ОРПМ) или в англоязычной транскрипции - Unified Power Flow Controller (UPFC).

При этом, конкретные способы создания управляемой продольной компенсации, а также режимные характеристики преобразователей (углы управления вентилями) в работе не рассматривались.

Методы и средства исследований. Поставленные в работе задачи решались на основе теории электрических цепей, математического моделирования, а также экспериментальным исследованием на физической модели.

Основные научные результаты и их новизна заключаются в следующем:

- получены предельно допустимые степени продольной емкостной компенсации с учетом технических ограничений для линий 220 и 500 кВ в диапазоне длин, характерных для этих классов напряжения;

- проанализировано влияние внешних по отношению к линии сопротивлений (эквивалентного сопротивления системы, согласующих автотрансформаторов и др.) на допустимые степени компенсации;

- получена математическая модель линии с ОРПМ, где линия представлена П-образной схемой замещения; показано, что эта модель дает более точные результаты, чем применявшаяся до настоящего времени модель, где линия представлена только активным сопротивлением;

- получены режимные характеристики линий 500 и 220 кВ с ОРПМ в диапазонах длин, характерных для этих линий; определены возможные границы изменения активной мощности линий в процессе регулирования;

- показано, что регулирование мощности, передаваемой по линии, необходимо выполнять с учетом ограничения напряжения в начале линии; предложен алгоритм изменения режимов работы преобразователя, позволяющий поддерживать это напряжение в допустимых пределах при сохранении достаточного диапазона изменения активной мощности линии;

- найдены закономерности изменения мощности преобразователя в процессе регулирования мощности линии и установлены их предельные величины для разных линий, что дает возможность определить установленную мощность последовательного трансформатора;

- определены потери активной мощности в управляемой линии в диапазоне изменения передаваемой мощности;

- определены допустимые режимные характеристики управляемых линий различных классов напряжения и длин с учетом технических ограничений.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- использованием известных проверенных методик и уравнений, связанных с расчетами режимов линий;

- сопоставлением полученных результатов по характерным контрольным точкам с полученными ранее результатами в других исследованиях;

- проверкой полученных результатов другими известными методиками, не использованными в диссертации (пример: на стенде лаборатория ЭСС и программа "РЕЖИМ");

- сопоставлением результатов, полученных расчетным путем, с результатами, полученными на лабораторном стенде.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались отдельные ее части докладывались и обсуждались на:

1. Девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» ( 4-5 Марта 2003г., г. Москва, МЭИ (ТУ))

2. Третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управления, качество и эффективность использования энергоресурсов» (14-16 Мая 2003г., г. Благовещенск, АмГУ).

3. 3nd WSEAS International Conference on Applications of Electrical Engineering (AEE'04), May 12-15, 2004.,Amstar, Mexico.

4. Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2-3 Марта 2004г., г. Москва, МЭИ (ТУ))

5. 12nd Iranian Researchers Conference In Europe (IRCE), Engineering group, Electrical part, July 3-4, 2004., Manchester, United Kingdom.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе рассматриваются возможные пути создания управляемых линий электропередачи и различные устройства, которые могут быть использованы для этой цели. Дается анализ современного состояния проблемы и применения управляемых линий в электроэнергетике, ставятся задачи исследований в диссертации.

Во второй главе рассматривается управляемая линия с переменной степенью компенсации ее параметров, определяются предельные, допустимые по условиям технических ограничений, степени компенсаций управляемых линий различной длины 220 и 500 кВ. Дана математическая модель линии с управляемой продольной компенсацией. Найдены предельные степени компенсации с учетом технических ограничений для 9 различных типов линии электропередачи. Рассмотрены мероприятия по электропередачи. Рассмотрены мероприятия по нормализации параметров режима при изменении степени компенсации. Проанализировано влияние внешних сопротивлений на параметры режима управляемой линии.

В третьей главе рассматриваются технические характеристики управляемой линии с векторным регулированием. Разработана математическая модель этой линии, где собственно линия представлена П-образной схемой замещения с учетом активного сопротивления проводов. Показано, что такая модель дает более правильные результаты расчета режимов как самой линии, так и мощности преобразовательных устройств по сравнению с моделью, где линия представлена только продольным индуктивным сопротивлением.

Получены режимные характеристики управляемой линии - зависимости режимных параметров этой линии и параметров преобразователей в функции угла поворота вектора дополнительного напряжения, вводимого в линию.

Определены возможные диапазоны регулирования активной мощности и соответствующие им мощности преобразователей. Показано, что диапазон регулирования определяется начальным углом сдвига между напряжениями связываемых систем, который в процессе регулирования принимается неизменным, и значением модуля вектора напряжения первичной обмотки трансформатора. Показано, что максимальная полная мощность последовательного преобразователя определяется, главным образом, его реактивной мощностью.

В четвертой главе рассматриваются технические ограничения по напряжению в начале линии и по передаваемой мощности. Предложен алгоритм изменения вводимого в линию напряжения и, соответственно, мощности преобразователя, позволяющий поддерживать напряжение в начале линии в допустимых пределах. При этом сохраняется достаточный диапазон регулирования передаваемой по линии мощности.

Аналогичный алгоритм разработан для ограничения передаваемой мощности по условиям нагрева проводов или условиям устойчивости связываемых систем. Получены закономерности изменения мощности преобразователя при выполнении этих ограничений.

Кроме того, в этой главе получены характеристики управляемых линий 220 и 500 кВ различной длины. Получены закономерности изменения мощности преобразователей и возможного диапазона регулирования при изменении длины линии.

4.6. Выводы по четвертой главе 1. Впервые разработан метод, позволяющий поддерживать напряжение в начале управляемой линии в допустимых пределах как сверху, так и снизу при сохранении достаточного диапазона регулирования передаваемой мощности. б

ОЙ, Реальная лини» - 1 и »0 .3 - 2201В (500,9 00 1М ),500»В (500,300,1000 II) в

Рис.4.18. Зависимости полной мощности (а) активной (б), и реактивной (в) преобразователя ПН2 для линий 220 и 500 кВ различной длины в функции угла р: 1 - 220 кВ, 300 км; 2 - 220 кВ, 500 км; 3 - 500 кВ, 300 км; 4 - 500 кВ, 500 км; 5 - 500 кВ, 1000 км; б - 220 кВ, 100 км

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе проанализированы характеристики управляемых линий двух типов: линий с управляемой продольной емкостной компенсацией и линий с векторным регулированием. Определены значения предельно допустимых степеней продольной компенсации для линий 500 и 220 кВ в диапазоне длин, характерных для этих линий.

2. При определении допустимых степеней компенсации линий 500 и 220 кВ следует учитывать технические ограничения (по статической апериодической устойчивости, нагреву проводов линий, напряжению на выводах УПК, допустимому значению КПД линии).

3. Предельно допустимая степень компенсации управляемой линии определяется многими факторами: длиной линии, классом ее напряжения, величиной внешних сопротивлений, наличием реакторов на выводах УПК и законами их регулирования, ролью и местом данной линии в электроэнергетической сети. Поэтому вопрос о предельной степени компенсации следует решать комплексно для каждой конкретной линии.

4. Рассмотрены три модели управляемой линии с векторным регулированием. Модель, в которой учитываются емкость линии и активные сопротивления проводов, дает наиболее правильные результаты, соответствующие физическим свойствам линии. Для приближенных оценочных расчетов может быть использована модель, в которой активные сопротивления проводов не учитываются.

5. Получены режимные характеристики управляемой линии 500 кВ с векторным регулированием. Показано, что диапазон регулирования активной мощности, передаваемой по линии, определяется величиной напряжения, вводимого в линию с помощью последовательного трансформатора. Увеличение этого напряжения влечет за собой увеличение диапазона регулирования и наоборот.

6. Определена мощность преобразователя ПН2, включенного на вторичную обмотку трансформатора, и законы изменения активной и реактивной мощностей этого преобразователя в процессе регулирования.

7. В режиме наибольших нагрузок (Р>РНщ) и большом диапазоне регулирования необходимая мощность преобразователя ПН2 может быть соизмеримой с натуральной мощностью линии или превосходить ее, что может потребовать рассмотрения альтернативных решений (ППТ или ВПТ).

8. Напряжение в начале линии в процессе регулирования может значительно превышать допустимые значения. Впервые разработан способ ограничения этого напряжения при сохранении желаемого диапазона регулирования.

9. Режимные характеристики управляемых линий различных классов напряжения (220 и 500 кВ) и одинаковой длины близки друг к другу (в относительных единицах) при одинаковых значениях Аи. При этом активная мощность преобразователя ПН2 очень мало зависит от длины линии, в то врем как его реактивная мощность изменяется с длиной линии, возрастая с ее уменьшением.

10.Для линии с векторным регулированием разработаны методики ограничения максимальной передаваемой мощности по статической апериодической устойчивости, нагреву проводов и по допустимому КПД. В большинстве рассмотренных случаев ограничение по напряжению в начале линии является определяющим и может заменить собой другие ограничения.

1. Веников В.А., Жуков Л. А. Регулирование режима электрических систем и дальних передач и повышение их устойчивости при помощи управляемых источников реактивной мощности // Электричество, № в., 1967, С. 8 15 .

2. Худяков В.В., Чванов В.А. Управляемый статический источник реактивной мощности // Электричество, № 1., 1969, С. 38-45 .

3. Сиуда И,П. Предел передаваемой мощности и необходимая степень продольной компенсации линий электропередачи переменного тока, // Известия вузов, Энергетика, № 12., 1962, С. 25 27 .

4. Горев А.А. , Пропускная способность линии электропередачи трехфазного тока большой протяженности // Электричество, № 12,1951.,С.32 39 .

5. Постолатий В.М. и др., Управляемые самокомпенсирующиеся ЛЭП // Электрические линии передачи высоковольтные сборники, АН МССР отд. Энерг.Кибернетики, 1980, С.91 98 .

6. Бурк И.С. Продольная Компенсация линий электропередач // Электричество № 13, 1936 ,С.,9 13 .

7. Веников В.А., Жуков Л.А., Карташев И.И., Рыжов Ю.П. Статические источники реактивной мощности в электрических системах. М: Энергия, 1975, 136 с.

8. Статические компенсаторы реактивной мощности в электрических системах: Перевод тематического сборника Рабочей группы ИК 38 СИГРЭ / Под ред. И.И. Карта-шева. М: Энергоатомиздат, 1990.

9. Ивакин В.Н., Сысоева Н.Г. Худяков В.В. Электропередачи и вставки постоянного тока и статические компенсаторы // Под ред. В.В. Худякова М: Энергоатомиздат, 1993.

10. Gyugyi L , Dynamic Compensation of AC Transmission Lines by Solid-State Synchronous Voltage Sources // IEEE Transaction on Power Delivery, No. 2, April 1994., pp. 904 -911 .

11. Gyugyi L., Schauder C.D., Williams S.L., Reitman T.R., Torgerson D.R, Edris A , The Unified Power Flow Controller: A New Approach to Power Transmission Control // IEEEPES Summer Meeting, Paper 474-7 PWRD, San Francesco, CA July 1994.

12. Hingorani N.G., High power electronics and flexible ac transmission systems // IEEE Power Engineering Review, July 1989. pp. 3-4.

13. Gyugyi L , Dynamic Compensation of AC Transmission Lines by Solid-State Synchronous Voltege Sources // IEEE Transsaction on Power Delivery,No. 2,April 1994. , pp 904-911 .

14. LE DU A., Tontini G., Winfiled M., Which FACTS equipment for which need // CIGRE ,session paper 143738-08, Paris ,1992, pp.1 8 .

15. Brochu, Pelleetier P., Beauregard, Mori J. , The Inter phase Power Controller, A New Concept Managing Power Flow // IEEE Trans, on Power Delivery, Vol.9, October 1994., pp. 1956- 1962.

16. McDonald D.J., Ur Banek J. , Damsky B.L. , Modeling and testing of a thyristor for thyristor controlled series compensation (TCSC) // IEEE trans. Power Delivery № 1, Vol. 9, Jan. 1994., pp. 352-359.

17. Chiorsac M.V., Soldatov V.A., Kalinin L.P. , A phase shifting controlled series compensation for HV transmission systems // Very High Voltage Networks symposium, SI-BIU Romania, 1995, June, pp. 83 90 .

18. Karady , George G., Concept of a combined short circuit limiter and series compensator // IEEE trans. Power Delivery № 3, Vol. 6, 1991., pp. 1031 1037 .

19. Thomas D.W.P., Christopaulaes C., Ultra -high speed protection for series compensated lines // IEEE trans. Power Delivery № 1, Vol. 7, 1992., pp. 139 145 .

20. Karady G.G., Ortmeyer Th.H., Pilvelait B.R., Maratukulam D., Continuously regulated series capacitor // IEEE trans. Power Delivery № 3, Vol. 8,1993., pp. 1348 1354 .

21. Paserba J.J., Miller N.W. , Larsen E.V. , Piwko R.J. , A thyristor controlled series compensation model for power system analysis // IEEE trans. Power Delivery № 3, Vol. 10, July. 1995., pp. 1471 1478 .

22. Седигазаде M. , Шаянфар Г.А. , Калантар M. , Динамическая устойчивость при повышении пропускной способности электропередачи на район Фарс и Бухшер Ирана // Доклад на меж. конф. " Power system ", ICEE, 1998 , С. 233 241 ( На персидском языке ).

23. Fotuhi-Firouzabad М. ,Billinton R. , Faried S.O. , Subtransmission system reliability enhancement using a thyristor controlled series capacitor // IEEE trans. Power Delivery № 1, Vol. 15, Jan. 2000., pp. 443 449 .

24. Lashkar Ara A., Nabaviniaki S.A. , Comparison of the FACTS equipment operation and distribution systems // CIRED , 17th Inter. Conf. on Electricity Distribution »Barcelona , 12-15 May 2003., pp. 248 254 .

25. Kazemi А. , Badrzadeh В. , Modeling and simulation of SVC and TCSC to study their limits on máximum loadability point // Journal Electrical Power & Energy Systems " ELSEVIER", № 26 ,2004 , pp. 381 388.

26. M. Киорсак, В. Солдатов, Д. Зайцев. Гибкие линии электропередач с продольно-емкостной компенсацией и фазоповоротным трансформатором. Кишинев, Академия наук республики Молдова, 1997. 213 с.

27. Дорофеев В.В., Шакарян Ю.Г., Кочкин В.И. и др. Перспективы применения в ЕЭС России гибких (управляемых) электропередач переменного тока. Электрические станции, № 8, 2004, С. 10 13 .

28. Антонов А.В., Киракосов В.Г., Кочкин В.И. и др. Статический тиристорных компенсатор на подстанции 500 кВ «Ново-Анжерская». Вестник ВНИИЭ-2004, С.168 172

29. Gerben S. Optimal Location of Multi type FACTS Devices in a Power System // IEEE Trans, power systems № 3, Vol. 16, 2001., pp.421 - 428 .

30. Рыжов Ю.П., Бумагин Ю.Н., Современные пути создания управляемых линий электропередачи // Вестник МЭИ, № 4, 1999., С.48 51.

31. Ивакин В.Н., Ковалев В.Р., Худяков В.В., Гибкие электропередачи переменного тока // Электротехника, № 8, 1996., С. 16 21.

32. Кочкин В.И., Шакарян Ю.Г., Режимы работы управляемых линий электропередачи // Электричество, № 9, 1997.,С.28 35 .

33. Кочкин В.И. , Нечаев О.П. , Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий // Изд. НЦЭАС 2000,ISBN 5-93196-019-8, 458 с.

34. Дорофеев В.В. , Дементьев Ю. А. , Кощеев JI.A. и др. Перспективы применения технологии гибки (управляемых) систем электропередачи переменного тока // Доклад на конф. " Развития электроэнергия систем ОАО, Москва , 2003, www.rao-ees.ru.

35. Шакарян Ю., Гибкие (управляемые ) системы электропередачи переменного тока // профессиональный журнал, раздел Методические разработки, РАО ЕЭС России, осень 2003,С.76 79, www.rao-ees.ru/ru/journal.

36. Александров Г.Н., Электропередача переменного тока на основе компактных линий повышенной пропускной способности и управляемых шунтируюших реакторов // Электричество , № 6 , 1994, С.11 18.

37. Дальние электропередачи 500 кВ. // Сборник статей /Под ред. Некрасова A.M. , Ро-котяна С.С., М: Энергия , 1964, 251 с.

38. Хитров А.И. К вопросу оптимизации схемных и режимных параметров протяженных компенсированных электропередач // Диссертация на соискание ученой степени кандидата техн. наук., МЭИ , 1972, 131 с.

39. Зарудский Г.К. , Исследование протяженных электропередач сверхвысокого напряжения при глубокой компенсации параметров // Диссертация на соискание ученой степ. техн. наук, ЭЭС, МЭИ ,1970, 264 с.

40. Гупта С.Ф., К вопросу о выборе установок продольной емкостной компенсации на линиях //Диссертация на соискание учен. степ. канд. техн. наук., ЭЭС, МЭИ, 1966, 143 с.

41. Тауфик Мохсен. Улучшение динамической устойчивости электрических систем содержащих управляемые электропередачи. // Диссертация на соискание ученой степ, канд техн. наук., ЭЭС, МЭИ,1975, 136 с.

42. Ярных J1.B. , Исследование управляемых электропередач // Диссертация на соискание ученой степ. канд. техн. наук, ЭЭС, МЭИ, 1972, 142 с.

43. Олыиванг М.В., Савкин Д.А. Очищение развитых электросетей от неадекватных транспортных потоков с применением кросс-трансформаторов. Электро, № 5, 2003, С. 9-17.

44. Hingorani N.G., Gyudgyi L. Understanding FACTS concepts and technology of flexible AC transmission systems // IEEE Press, p.432, 2000. ,ISBN : 0-7803-3455-8.

45. Song Y.H. , Allan T.J. , Flexible ac transmission systems (FACTS)// IEE Press, 1999, ISBN: 0-85296-771-3, 592 p.

46. Думаневич А.Н.,Яквичик Н.И. , Силовое полупроводниковое приборостроение в начале XXI века // Электротехника, № 9, 2001, С.43 49.

47. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы /Под ред. A.M. Брянцева. М.: «Знак», 2004,264 с.50