автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Анализ режимных характеристик управляемых линий электропередачи с распределенной продольной емкостной компенсацией

На правах рукописи

Некукар Амир Реза у

АНАЛИЗ РЕЖИМНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УПРАВЛЯЕМЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ПРОДОЛЬНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические

системы

АВТОРЕФЕРАТ Диссертация на соискание учёной степени кандидата

технических наук

~ О ?пю

Москва-2010

004615887

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

Скопинцев Владимир Алексеевич

Кандидат технических наук Голов Павел Валерьевич

Ведущая организация ОАО «ФСК ЕЭС»

Защита состоится к*/а X 2010 г. в ч. оо мин. на заседании диссер-

тационного совета Д 212.157.03 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу:

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д./у, аудитория Г- 2-с'о

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

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

Автореферат разослан /6 Мз Ыр Л 2010 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.03

к.т.н., доцент " БеРДНикЕ.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы:

Современное состояние энергетики в промышленно-развитых странах арактеризуется следующими тенденциями:

• продолжающимся ростом нагрузок, определяемым развитием экономики этих стран;

• 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 сложности в обмене мощностью и энергией между отдельными энергетическими компаниями и электроэнергетическими системами;

• 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 обесточивалию крупных регионов.

К числу наиболее острых проблем настоящего времени можно отнести ерегруженность распределительных сетей крупных промышленных регионов, еэкономичное распределение нагрузки между сетями различных классов тпряжения, недостаточная пропускная способность некоторых межсистемных вязей.

Возникли существенные затруднения, связанные с сооружением новых 1иний, из-за ужесточения экологических требований и необходимости вести троительство в освоенных регионах с уже сложившейся инфраструктурой нергетических и иных коммуникаций, что создает трудности с отводом земли под рассы линий.

В настоящее время управляемые линии электропередачи рассматриваются как дно из наиболее эффективных средств для решения упомянутых выше задач.

К числу управляемых устройств, получивших сейчас применение в агистральных элегаропередачах напряжением 400-765 кВ, относятся установки родольной емкостной компенсации (УПК). Такие управляемые устройства, которые югут быстро изменять свое сопротивление в соответствии с изменением режима истемы, сооружены в США, Швеция, Бразилии, Индии. Как показывает опыт ксплуатации таких электропередач, управляемая продольная компенсация является ффективным средством нормализации режима системы и повышения ее инамической устойчивости.

На этих электропередачах, как правило, емкостное сопротивление, еобходимое для получения заданной степени компенсации, сосредоточено не на дной из подстанций, а распределено вдоль линии на нескольких подстанциях. Такая

компенсация называется распределенной. Характерной особенностью упомянутых выше электропередач является отсутствие шунтирующих реакторов на выводах конденсаторных батарей.

Необходимо отметить, что в технической литературе, как зарубежной, так и изданной в России и Иране, данные о режимных характеристиках электропередач с распределенной продольной емкостной компенсацией практически отсутствуют. Поэтому получение этих характеристик и их анализ представляет научный и практический интерес.

В работе рассматриваются одиночные линии 500 кВ без промежуточных подстанций с двумя установками продольной емкостной компенсации, одна из которых управляемая.

Целью работы является:

• анализ режимных характеристик нормальных рабочих режимов протяженных пиний электропередачи с распределенной управляемой продольной емкостной компенсацией;

• определение расстояния между двумя УПК, оптимального как с точки зрения наибольшей пропускной способности, так и напряжений на выводах конденсаторных батарей;

• нахождение условий, при которых сооружение УПК возможно без применения шунтирующих реакторов

Конкретные способы создания управляемой продольной емкостной компенсации, в работе не рассматривались.

Методы исследований:.

Поставленные в работе задачи решались на основе теории электрических цепей, математического моделирования, а также экспериментальным исследованием на лабораторном стенде. Расчеты выполнялись с применением ЭВМ.

Основные научные результаты и их новизна заключаются в следующем:

1. Получены характеристики нормальных режимов линий различной длины с двумя УПК, одна из которых управляемая. Это позволяет определить условия работы оборудования таких электропередач.

2. Показано, что для линий 500 кВ длиной свыше 500 км существуют оптимальные расстояния между двумя УПК, соответствующие наибольшей пропускной способности линии. Однако напряжения на выводах конденсаторных батарей (КБ) в этом случае могут быть выше допустимых значений;

3. Установлено, что изменяя расстояние между двумя УПК и степень компенсации можно обеспечить условия, в которых напряжения на выводах КБ будут ниже допустимых значений во всех нормальных режимах.

4. Рассмотрено две схемы расположения УПК на линии (симметрично относительно ее центра и асимметричное расположение УПК).

Показано, что вторая схема обеспечивает большую пропускную способность протяженных линий длиной 1000 км и более при напряжениях на выводах КБ, не превышающих допустимых значений.

5. Показано, что увеличивая степень компенсации в режимах холостого хода и малых нагрузок можно снижать напряжение в средней зоне линии, а также на выводах КБ

6. Учет эквивалентных сопротивлений передающей и приемной электрических систем приводит к повышению напряжения на шинах передающей и приемной подстанций, а также на выводах КБ, поэтому необходима стабилизация напряжения на этих шинах.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

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

• проверкой полученных результатов другими известными методиками, не использованными в диссертации;

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

Практическая ценность.

Результаты работы могут быть использованы научно-исследовательскими и проектными организациями в дальнейших исследованиях по применению управляемых установок распределенной продольной емкостной компенсации, в том числе и для линий других классов напряжения. Они также могут быть использованы при сопоставлении различных способов повышения пропускной способности линий электропередачи в процессе их проектирования и эксплуатации.

Апробация работы.

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

• четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ (ТУ), 2008;

• шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ (ТУ), 2010.

По теме диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем диссертационной работы:

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы из 73 наименований и трех приложений. Диссертационная работа изложена на 174 стр., содержит 63 рис., 35 таблиц. Общий объем составляет 215 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении определена актуальность работы, сформулированы ее цели, перечислены использованные методы решения поставленных задач, 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 нахождению оптимального размещения двух установок продольной емкостной компенсации (УПК) на линиях разных длин при изменяющейся степени компенсации. В работе рассматривались одноцепные линии 500 кВ с проводами ЗхАС-400/51 без промежуточных подстанций в диапазоне длин, характерных для этого класса напряжения (300-1400 км).

Наибольшая мощность, которая может быть передана по реальной компенсированной линии, определяется выражением

(1)

й, й,

где СД, и\ - напряжения по концам линии; В.„р - коэффициенты эквивалентного четырехполюсника, замещающего компенсированную линию; к3 - коэффициент запаса по статической апериодической устойчивости.

Определяющей величиной здесь является модуль коэффициента В3, значение которого зависит от длины линии, места расположения УПК на линии и степени ее компенсации. Поэтому при нахождении оптимального расположения двух УПК следует найти условия, при которых коэффициент Вэ будет иметь минимальное значение, что соответствует наибольшей пропускной способности линии при заданной степени компенсации. Схема исследуемой электропередачи приведена на рис. 1.

и, и, и«, Хк1 ^ и»

^—н К-^ШКЭ

а)

и* и,, Хк1 У- и» №. и, и,

Ьг^-^-к Iй мм 13 | тЧ

Рис. 1. Электропередача с двумя установками продольной емкостной компенсации: а - схема электропередачи; б - схема замещения электропередачи

Эта схема содержит две УПК, одна из которых управляемая. В схеме имеется два типа элементов: с сосредоточенными и распределенными параметрами. Для учета распределенных параметров участков линии и упрощения расчетов при нахождении ее обобщенных параметров в работе был использован метод эквивалентного четырехполюсника (рис. 2).

0-.1

а1 в1 с1 01г

хи и, ц и» и* 13

4НИЧ-&4Н1-+&ИН

Н"аэ вР, I Сэ 0э Г

Рис. 2. Участки электропередачи, представленные четырехполюсниками: а - схема электропередачи, б - эквивалентный четырехполюсник

б)

Параметры эквивалентного четырехполюсника определялись из уравнения

(2)

Л, в _|1 ¿1 а. 1 Ха 42 1 Хк1 А & 1 хл

с, й, 1° 1 С, & 0 1 йг 0 1 С3 & 0 1

Здесь не учтены шунтирующие реакторы на выводах УПК, поскольку одна из задач данной работы заключается в нахождении условий, при которых напряжения на выводах УПК не превышают допустимых значений и шунтирующие реакторы не требуются.

Коэффициенты четырехполюсников элементов, входящих в состав рассматриваемой электропередачи, определялись по известным методикам с учетом местоположения каждой УПК. В работе рассматривалось изменение коэффициентов эквивалентного четырехполюсника при симметричном перемещении обеих УПК от центра линии к ее концам.

Для случая, когда внутренние сопротивления передающей и приемной систем не учитываются, выражение для коэффициента В3 имеет вид:

2 - л (3)

В, = ¡-2Ь -%1пЯ-]-(Xкх +Х4г)-созЛ1.со5(Л1 +

1.соэ Л^тЛг:

где Я,,- - волновая длина участка линии.

При учете внутренних сопротивлений обеих систем выражение для коэффициента Вэ имеет значительно более сложный вид и здесь не приводится.

Оптимальное расстояние между двумя УПК определялось диапазоном значений Ь Рч), при которых В-, имеет минимальные значения. Общий вид зависимостей В3 =/(/,2) для разных длин линий приведен на рис. 3.

73.4 71.8 70.2

66.5 67

65.4 63.8 62.2

I Be2 (X2 > 160 6 — . 59

jM(W)bs8 |Bt5(U)|542

49.4 47.8 46.2

44.6

39.8 3Í.2

36.6

2

cz —

— — 4

j

5

— - - .

1

JB£(M)I

|Bs3(12)| Jbo4(M)| JB«5(W)|

|Be6(M)|

120 117.68 115.36 113.04 110.72 108.4 106.08 103.76 101.44 99.12 96.8 94.48 92.16 89 84 87.52 85.2 82.88 80.56 78.24 75.92 73.6

0 0.062 0.125 0.187 0.25 0.312

68.96 66.61 64.32 62

|Be5(U)|,78': 7" 1174,1

i У

8- —1

J

9--- — i — / /

/

/

У

/

4 . ... . i — - 4

5

.....т

0.1040.2080.313 0.4170.521 «

О 0.208 0.417 0.625 0.834 1.042

а) б) в)

Рис. 3. Зависимость коэффициента Вэ ОТ рйССТОЯНИЯ А. 2 между двумя УПК для реальной линии длиной 300 км (я), 500 км (б) и 1000 км (в); 1 - кс= 0.2; 2~кс= 0.3; 3-кс=0Л; 4-кс= 0.5; 5~кс= 0.6

Подобные зависимости были получены для идеализированных и реальных линий. Их анализ позволяет сделать следующие выводы.

• Для линий 300-500 км значение коэффициента Вэ мало зависит от расстояния между двумя УПК. Диапазон изменения этого коэффициента для линии длиной 300 км составляет 1-2%, для линий длиной 500 км - 2-5%. При тех степенях компенсации, которые целесообразны для линий этих длин (ограничением является допустимая мощность по нагреву проводов) изменение коэффициента Вэ практически значительно меньше. Это говорит о том, что для таких линий расстояние между УПК (с точки зрения повышения пропускной способности) не играет существенной роли. УПК могут быть сооружены как в центре линии, так и по ее концам. Тем не менее, такие расстояния, соответствующие условию В3 = min, в работе были определены.

• Для линий длиной 1000 и 1400 км при изменении расстояния между УПК проявляется явно выраженный минимум коэффициента В-,. Анализ показывает, что оптимальное расстояние между УПК для этих линий составляет ориентировочно от 100 до 200 км в зависимости от степени компенсации. Влияние активного сопротивления проводов в данном случае не проявляется, и оптимальные расстояния между УПК для реальных линий остаются практически такими же.

В работе было проанализировано влияние эквивалентных сопротивлений передающей и приемной энергосистем на оптимальные расстояния между УПК. Показано, что для линий длиной до 500 км учет эквивалентных сопротивлений изменяет значения коэффициента Вэ. Однако характер изменения и диапазон изменения этих значений таковы, что явно выраженный минимум здесь отсутствует. Поэтому УПК можно сооружать на любом расстоянии друг от друга, также как и без учета этих сопротивлений.

Для линий длиной 1000 и 1400 км возможные значения внешних сопротивлений будут много меньше индуктивного сопротивления самой линии, что приводит к незначительным изменениям коэффициента Вэ, Поэтому условия оптимальной расстановки УПК по линии не изменяются.

В третьей главе определяются режимные параметры электропередачи при расположении двух УПК на оптимальном расстоянии друг от друга, найденном в предыдущей главе. К их числу относятся напряжения на выводах конденсаторных батарей (КБ), напряжение в средней тичке линии, а также значения реактивных мощностей по концам всех участков линии. Эти параметры определялись для всего возможного диапазона передаваемых активных мощностей от холостого хода до наибольшей нагрузки при различных степенях компенсации.

Для определения параметров режима в узловых точках линии был использован метод эквивалентного четырехполюсника.

В соответствии с этим методом параметры режима в узловых точках определялись как

и*« -D„U\-Bn'h,

■1т=-С„и^ + А„1и (4)

• • •

S кп .

• • •

Здесь Им, /w, Sw - параметры режима конца п - го четырехполюсника, который

соединен с интересующей нас точкой; Ui, 1\ - параметры режима начала линии; Ап, Вп, С„, Dn - параметры эквивалентного четырехполюсника между началом линии и интересующей нас точкой.

Для решения поставленных задач была разработана программа в среде Mathcad. С ее помощью были получены характеристики нормальных режимов работы идеализированных и реальных линий длиной 300, 500, 750, 1000 и 1400 км при неизменных напряжениях на шинах передающей и приемной подстанций.

Анализ полученных характеристик показывает, что для линий длиной 300 км напряжения на выводах КБ оказываются меньше предельно допустимого значения 525 кВ во всем диапазоне передаваемых активных мощностей и степеней компенсации. При этом зависимости напряжений на выводах КБ от передаваемой мощности имеют падающий характер. Этот вывод справедлив как для идеализированных, так и для реальных линий указанной длины.

Для идеализированной линии длиной 500 км напряжения на выводах КБ и напряжение в средней точке линии в нормальных режимах также будут ниже

допустимых значений. Однако при небольшом повышении напряжения (на 5-6%) на шинах передающей и приемной подстанций напряжения на выводах КБ будут превышать допустимые значения.

Для реальной линии 500 км при увеличении передаваемой мощности (при небольших степенях компенсации) напряжения на выводах КБ снижаются, но при увеличении степени компенсации до 60% одно из этих напряжений начинает возрастать, и при некотором значении передаваемой мощности оно превышает допустимое значение, чего нет в идеализированной линии. При ограничении степени компенсации до 40%, что вполне достаточно для такой линии по условиям пропускной способности, напряжения на выводах КБ для линий указанной длины не превышают допустимых значений.

На рис. 4 приведены зависимости реактивных мощностей начала идеальной и реальной линий от передаваемой активной мощности при различных степенях компенсации. В реальной линии эта реактивная мощность стекает с линии в значительно более широком диапазоне активной мощности, чем в идеальной. Кроме того, абсолютные значения этой мощности также больше. При увеличении степени компенсации это различие возрастает. В то же время, в режиме больших нагрузок потребление реактивной мощности оказывается меньше, чем в идеальной линии. Все это необходимо учитывать при выборе компенсирующих устройств на передающей подстанции. Аналогичные расчеты были проведены и для приемного конца линии.

Q, Мвар

/

1

У

3 Р,.'

0 .А. _ №""13 >3 171 ¡7 20

а) 6)

Рис. 4. Реактивная мощность начала идеальной линии (а) и реальной линии (б) в функции Р\ при разных степенях компенсации: 1 - кс = 0,3; 2-кс = 0,4; 3 -кс = 0,6

Для линий длиной 750 и 1000 км напряжения на выводах КБ оказываются больше допустимых значений практически во всех рабочих режимах, за исключением режима больших нагрузок. Для линий длиной 1400 км эти напряжения превышают допустимое значение во всех режимах. Напряжения в средней точке таких линий в режиме холостого хода и малых нагрузок также превышают допустимые значения. Все это делает невозможным сооружение УПК без выполнения мероприятий по снижению этих напряжений. Одним из мероприятий по снижению напряжения в средней точке линии может служить увеличение степени компенсации в режимах холостого хода и малых нагрузок,

хотя это и не диктуется соображениями по повышению пропускной способности линии.

В работе было проанализировано влияние изменения напряжения на шинах передающей и приемной подстанций на значения напряжений на выводах КБ. Напряжения на шинах подстанций изменялись в пределах возможных эксплуатационных изменений от номинального до наибольшего расчетного, равного 520 кВ. Установлено, что в режимах холосто хода и малых нагрузок повышение напряжений на шинах подстанций влечет за собой повышение напряжений на выводах КБ. При напряжениях на шинах подстанций свыше 506— 508 кВ напряжения на выводах КБ становятся выше допустимого значения. Отсюда следует, что с целью предупреждения роста напряжений на выводах КБ необходимо ограничить возрастание напряжений на шинах подстанций путем установки на этих шинах (не на выводах КБ) соответствующих компенсирующих устройств. Такие устройства будут также необходимы для решения другой задачи - обеспечение требуемого баланса реактивной мощности на шинах подстанций. Этот баланс будет определяться условиями передающей и приемной системы для каждого конкретного случая.

Достоверность результатов, полученных в третьей главе, подтверждается экспериментом на лабораторном стенде, на котором была смоделирована линия 500 кВ длиной 1000 км с двумя УПК, расположенными симметрично относительно центра линии.

На основании исследований, проведенных в третьей главе, могут быть сделаны следующие выводы.

• Продольная емкостная компенсация линий 500 кВ длиной до 300 км включительно как распределенная, так и сосредоточенная, может быть выполнена без применения шунтирующих реакторов на выводах КБ по условиям нормальных режимов.

• Продольную емкостную компенсацию линий длиной до 500 км включительно можно сооружать, без использования шунтирующих реакторов, включенных на выводы КБ, при условии выполнения ограничений по степени компенсации и по значению напряжений на шинах передающей и приемной подстанций.

• Для линий длиной более 500 км при расстоянии между двумя установками, соответствующем условию В3 = min, напряжения на выводах КБ и в средней точке линии в нормальных режимах будут превышать допустимые значения, что требует разработки мероприятий по их снижению.

• Активные сопротивления проводов оказывают заметное влияние на значения напряжений на выводах КБ, поэтому эти сопротивления должны всегда учитываться при расчете нормальных режимов таких линий.

В четвертой главе исследовалось изменение напряжения на выводах КБ при изменении значений /2 от нуля, что соответствует расположению двух УПК в центре линии, до /2 = L, когда УПК размещены по концам линии.

При изменении расстояния между двумя УПК будут изменяться параметры всех трех участков линии, место установки УПК, и, следовательно, параметры эквивалентного четырехполюсника. Поэтому должны изменяться, параметры режима отдельных участков линии, напряжения на выводах КБ и ее пропускная способность. Для расчета этих параметров была разработана программа в среде МаЛсаё, блок-схема которой приводится на рис. 5.

Рис.5. Блок-схема программы по расчету параметров режима линии при изменении длины второго участка

Расчеты проводились для различных режимов: холостой ход, средние нагрузки (Р = РШГ), большие нагрузки (Р = Рка). Расчеты позволили выявить следующие особенности изменения напряжений на выводах КБ при увеличении расстояния между УПК.

В режимах холостого хода и малых нагрузок напряжения на всех выводах снижаются. При этом для линий длиной 300 и 500 км эти зависимости расположены ниже допустимого значения при всех значениях I2. Для линий 750 км эти напряжения также снижаются, но при расстояниях между УПК меньше половины длины линии они остаются выше допустимого значения и переходят границу допустимого при увеличении этого расстояния до 300-500 км (рис. 6, а).

550 540 530 [Udopl 520 lUc2m| 3-й 530 1 Udopl 520 IvSTuL«

114 4

'S- Г-. О j • \

N. > ÄH-» juJ.] 4M iä 470 460 У s /

1 /

|Cc4j bt't, № <70 s

r.-£~'

50------45'Г-----

0 ISO 300 450 600 7J0 0 130 JOO «30 Ш 750

а) б)

Рис. 6. Зависимости напряжения на КБ от длины второго участка h для линии 750 км при, к = 0,3; а-Р = 0,б-Р = 1400МВт

Для линий длиной 1000 и 1400 км эти зависимости подобны зависимостям линии 750 км, но пересекают границу допустимого при больших расстояниях между УПК. Для линий 1000 км это расстояние составляет 800 - 850 км, для линий 1400 км - около 1200 км. Последнее свидетельствует о том, что в режимах малых нагрузок условия, при которых напряжения на выводах КБ будут меньше допустимых, для протяженных линий могут соблюдаться только при расположении УПК по концам таких линий.

В режиме средних нагрузок (Р = Pim) напряжения на выводах КБ для линий 500 км длиной ниже допустимого при любом расстоянии между УПК. Для линий 750 км длиной эти зависимости при малых расстояниях между УПК идут выше допустимого значения. При возрастании этого расстояния они становятся меньше допустимого значения. При этом граница пересечения допустимого значения возрастает с увеличением степени компенсации.

Аналогичные зависимости получены и для линии длиной 1000 км. Однако граница будет при /2= 850 км. Для компенсированной линии длиной 1400 км режим Р = РКШ - это режим передачи наибольшей мощности.

В режиме наибольших нагрузок увеличение расстояния между УПК приводит к изменению напряжения на выводах КБ. При этом на разных выводах наблюдается неравномерное изменение напряжения. На некоторых выводах напряжения сначала снижаются, затем начинают медленно увеличиваться. Но на

одном из выводов напряжение возрастает сразу, как только УПК начинают отдаляться друг от друга. Степень возрастания этого напряжения определяется значением передаваемой мощности и степенью компенсации. При некотором расстоянии между УПК это напряжение становится больше допустимого. Граница пересечения этих зависимостей определяется степенью компенсации и передаваемой мощностью. Для линий длиной 500 и 750 км характер кривых идентичен, но при различных значениях мощностей, степеней компенсации и расстояний между УПК (рис. б, б).

Характерной особенностью зависимостей, представленных на рис. 6 является то, что они пересекают прямую, соответствующую допустимому значению напряжения (525 кВ), при разных значениях величины /2 - для режима холостого хода при меньшем значении этой величины, для режима наибольшей нагрузки при большем. В результате образуется некоторая зона расстояний между УПК, в которой напряжения на выводах КБ будут ниже допустимого значения во всем диапазоне передаваемых по линии мощностей. Аналогичная зона имеется и для линий длиной 500 км.

Следует отметить, что величина таких зон во многом определяется степенью компенсации. При ее увеличении эта зона сужается и может исчезнуть, поэтому необходимо вводить ограничение по степени компенсации. Для линий длиной 500 км такая зона имеет длину 180-200 км при степени компенсации до 40%, для линий длиной 750 км - 500-530 км при степени компенсации до 50%. Это говорит о том, что для линий этих длин УПК целесообразно размещать на указанных выше расстояниях друг от друга. Приведенные здесь степени компенсации позволяют передавать активную мощность, равную допустимой по нагреву проводов, для линии длиной 500 км (2000 МВт) и несколько меньшую для линии длиной 750 км (1800 МВт).

В работе были рассчитаны режимные параметры таких линий при следующих расстояниях между двумя УПК: 200 км для линий длиной 500 км, 520 км для линий длиной 750 км. Расчеты показывают, что напряжения на выводах КБ не превышают допустимых значений во всем диапазоне передаваемых активных мощностей.

Напряжение в средней точке линии также находится в допустимых пределах. Для линии длиной 750 км исключение составляет режим малых нагрузок, где при малой степени компенсации (20%) наблюдается незначительное превышение этого напряжения (527, 528 кВ) над допустимым. В работе дается рекомендация решения этой задачи для конкретной линии с учетом климатических характеристик трассы и условий возникновения короны путем изменения конструкции фазы или увеличения степени компенсации до 30%.

В работе рассмотрена целесообразность применения для линий длиной 750 км степени компенсации 60%. Показано, что применение этой степени приведет не к увеличению, а к уменьшению пропускной способности линии, поскольку это вызовет увеличение напряжения на выводах КБ. Для нормализации этих напряжений передаваемую мощность требуется уменьшить до значений, которые могут быть обеспечены и при меньших степенях компенсации без отрицательных последствий.

Для линий длиной 1000 и 1400 км характеристики изменения напряжений на выводах КБ таковы, что УПК следует сооружать только на концевых подстанциях, чтобы напряжения на выводах КБ не превышали допустимое значение.

Для линии длиной 1000 км при сооружении УПК на концевых подстанциях, напряжения на КБ в режиме холостого хода становятся меньше допустимых. При возрастании нагрузки линии до натуральной мощности напряжения на КБ снижаются еще больше и при степени компенсации 30% они равны иКЕ = 490+500 кВ.

Увеличение передаваемой по линии активной мощности до 1040 МВт приводит к резкому возрастанию напряжения на одном из выводов КБ. Однако при упомянутой степени компенсации значение этого напряжения еще не достигает критической величины и равно 520 кВ. Это говорит о том, что при передаваемой мощности не более Рй5 = 1040 МВт возможна работа линии с УПК на концевых подстанциях.

При дальнейшем росте Степени компенсации И увеличении Передаваемой мощности напряжения на выводах КБ становятся больше допустимого значения, и поэтому требуются мероприятия по их ограничению. Для конкретной линии окончательное решение в этом случае должно определяться ролью такой линии в электроэнергетической системе и той активной мощностью, которая должна по ней передаваться.

Для столь протяженной линии большое значение имеет напряжение в средней точке этой линии в режимах холостого хода и малых нагрузок. Расчеты показывают, что при наличии управляемой продольной компенсации это напряжение может быть снижено до допустимых значений путем увеличения степени компенсации в данных режимах до 40-50%, хотя этого по условиям пропускной способности не требуется.

Таким образом, при рассматриваемом расположении двух УПК, соотношении их степеней компенсации и отсутствии шунтирующих реакторов по линии длиной 1000 км можно передать мощность не более 1040 МВт. Это, примерно, на 30% больше мощности, которую можно передать по некомпенсированной линии. В случае, если по данной линии требуется передать большую мощность, необходимо искать другие решения. В качестве таких решений могут быть рассмотрены: применение шунтирующих реакторов на выводах КБ, увеличение количества УПК, изменение расположения УПК и изменение степеней компенсации по сравнению с принятыми ранее.

В работе рассмотрены увеличение количества УПК до трех и изменение схемы их расположения на линии. При этом все УПК рассматривались как управляемые. Первоначально было принято симметричное расположение УПК относительно центра линии - две УПК по концам линии, одна в ее центре. Общая степень компенсации поровну разделена между УПК.

Было проанализировано значение напряжений на выводах всех УПК при перемещении двух УПК от концов линии к ее центру. Анализ проводился для режима холостого хода, когда напряжения на выводах КБ имеют наибольшие значения. Этот анализ показал, что самое высокое напряжение на выводах КБ, превышающее допустимое значение, будет при расположении всех УПК в центре

линии и наименьшее, меньше допустимого, при расположении двух УПК по ее концам. Эта схема и была принята для дальнейшего рассмотрения.

Расчеты режимных параметров для этой схемы для основных режимов при различных степенях компенсации показали, что возможно отказаться от одной УПК, расположенной в конце линии. Изменяя степени компенсации двух оставшихся УПК - в начале линии и в ее центре, можно обеспечить условия, при которых напряжения на выводах КБ не превышают допустимых значений во всех режимах. При этом пропускная способность линии возрастает до 1370 МВт.

Параметры режима рассматриваемой линии имеют следующие особенности. Допустимые значения напряжений на выводах КБ в режиме холостого хода могут быть получены при повышении степени компенсации первой УПК до 35%. При этом вторая УПК, расположенная в центре линии, должна быть зашунтирована (современное оборудование и схемы УПК предусматривают такую возможность).

В режиме холостого хода и малых нагрузок наблюдаются значительные стоки реактивной мощности, особенно в начале линии. Зто объясняется большой длиной линии и наличием в ее начале мощной КБ, включенной последовательно.

Значительное потребление реактивной мощности линией от приемной системы в режимах больших нагрузок. Вопросы компенсации стоков реактивной мощности или ее потребления должны решаться в каждом конкретном случае с учетом требований передающей и приемной систем. Очевидно, на концевых подстанциях данной электропередачи потребуется установить компенсирующие устройства, которые одновременно будут способствовать стабилизации напряжения на шинах этих подстанций.

Линия длиной 1400 км имеет те же характерные особенности, что и линия длиной 1000 км, но меньшую пропускную способность. Для этой линии зоны, где можно размещать УПК (при их симметричном расположении относительно центра) также находятся по концам линии. В этом случае, при соответствующей степени компенсации, напряжения на КБ не будут превосходить допустимых значений. Расчеты по приведенной выше методике показывают, что наибольшая мощность, которую можно передать по этой линии составляет 850 МВт, что на 23% больше мощности, которую можно передать по некомпенсированной линии. Увеличение передаваемой мощности приводит к возрастанию напряжений на выводах КБ сверх допустимых значений.

Кроме того, параметры режимов характеризуются следующими особенностями: большие стоки реактивной мощности в начале и конце линии в режимах холостого хода и малых нагрузок, значительные мощности УПК, большие потери активной мощности в проводах линии на нагрев. Поэтому рассматриваемая выше схема для увеличения передаваемой мощности по такой линии не может быть использована

В качестве возможного решения рассмотрена схема с тремя УПК, аналогичная той, что рассматривалась для линии длиной 1000 км.

Расчеты режимов для этой схемы применительно к линии длиной 1400 км показали, что в данном случае также можно иметь только две УПК, одна из которых расположена в начале линии, другая в ее середине. Режимные характеристики для разных значений передаваемой мощности и степеней

компенсации, при которых эти режимы могут быть осуществлены, приведены в работе.

Анализ результатов расчетов показывает, что все напряжения на выводах КБ находятся в допустимых пределах. Пропускная способность возрастает до 1400 МВт, что в два раза превышает пропускную способность некомпенсированной линии. Однако при этом возникают большие потери активной мощности на нагрев проводов. Это снижает КПД линии до 71%. С учетом возможных потерь на корону эта величина будет еще меньше, что вряд ли приемлемо.

Реактивная мощность по концам линии имеет весьма большие значения. В начале линии наблюдается сток реактивной мощности во всех режимах от холостого хода до режима наибольших нагрузок. Это объясняется как генерацией этой мощности самой линией, так и генерацией емкостью УПК, расположенной в начале линии. В конце линии наблюдаются сток реактивной мощности с линии в режимах малых нагрузок и значительное потребление этой мощности в режимах больших нагрузок. Для ее компенсации потребуются компенсирующие устройства, мощность которых следует определять для каждого конкретного случая с учетом возможностей передающей и приемной систем.

Следует также учесть большие мощности УПК. В режиме наибольших нагрузок суммарная мощность двух УПК составляет 3,8 Гвар, что, несомненно, отразится на их экономических показателях.

В четвертой главе работы также проанализировано влияние эквивалентных сопротивлений передающей и приемной систем, приведенных к напряжению шин концевых подстанций, на параметры режима линий. При этом сопротивления двух систем были приняты одинаковыми, что не изменило существа дела.

В работе были рассчитаны основные параметры режимов линий длиной от 500 до 1400 км при изменении значений сопротивлений этих систем в диапазоне от нуля до 50 Ом. Расчет проводился для трех основных режимов: режима холостого хода, передачи натуральной мощности и режима наибольших нагрузок. Для линий длиной 500 и 750 км расчеты проводились для схемы с двумя УПК, симметрично расположенными относительно центра линии. При этом расстояние между УПК принималось оптимальным по условию минимума напряжений на выводах КБ: для линии 500 км /2 = 200 км, для линии 750 км /2 = 520 км. Для линий длиной 1000 и 1400 км расчеты проводились для схемы, в которой одна УПК расположена в начале линии, другая - в центре. Степени компенсации принимались различными для разных режимов.

Анализ результатов расчетов показал, что внешние сопротивления оказывают заметное влияние на режим компенсированной линии. В режимах холостого хода и малых нагрузок они превышают напряжения в начале и конце линии, а также напряжения на выводах КБ. В режимах больших нагрузок они снижают эти напряжения и увеличивают угол 8 между напряжениями двух систем. Поэтому следует принимать меры к стабилизации напряжений в начале и конце линии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

¡.Получены и проанализированы характеристики нормальных режимов линий электропередачи с двумя УПК с целью последующего определения состава основного оборудования при проектировании таких электропередач.

2. При наличии двух УПК на линиях длиной 500-1400 км существуют оптимальные расстояния между ними, соответствующие наибольшей пропускной способности линии. Для линий длиной 300 км такие расстояния не выявлены и УПК могут располагаться произвольно.

3. При размещении двух УПК на оптимальном расстоянии между ними для линий длиной более 500 км напряжения на выводах конденсаторных батарей (КБ) в режимах холостого хода и малых нагрузок будут больше допустимых значений, что требует применения мероприятий по их снижению.

4. Выявлена зависимость изменения напряжений на выводах КБ от расстояния между УПК и определены расстояния, при которых эти напряжения не превышают допустимых значений во всех режимах при рассмотренных степенях компенсации.

5. Для линий длиной 1000 и 1400 км такие расстояния равны длине линии, то есть УПК должны быть расположены по концам линий. Однако пропускная способность таких линий оказывается сниженной.

6. Значительное увеличение пропускной способности линий 1000 и 1400 км можно получить, применяя иную схему расположения двух управляемых УПК на линии - одна в начале линии, другая в ее середине. Выбором степени компенсации для каждой из них можно снизить напряжения на выводах КБ до допустимых значений во всех нормальных режимах.

7. Учет эквивалентных сопротивлений передающей и приемной систем приводит к повышению напряжения на шинах передающей и приемной подстанций и на выводах КБ, поэтому необходима стабилизация напряжения на этих шинах, для чего необходимо использовать соответствующие компенсирующие устройства.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1.Некукар А.Р., Рыжов Ю.П. Режимные характеристики линии с управляемой распределенной продольной компенсацией // Сб. док. XIV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Тез. докл. в 3-х т. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. с. 253.

2. Некукар А.Р., Рыжов Ю.П. Анализ режимных характеристик управляемых линий электропередачи // Сб. док. XVI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Тез. докл. в 3-х т. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. с. 356.

3. Некукар А.Р. Анализ размещения устройств продольной емкостной компенсации на линии электропередачи 500 кВ длиной 1000 км (на фарси). Научный электронный журнал.// Под ред. представительства министерства образования Ирана в Москве, http://www.danesh.ru/? 2010, № февраль-март. с. 954

4. Некукар А.Р. Выбор расположения установок распределенной продольной емкостной компенсации на линии электропередачи // Вестник МЭИ 20Ю.№ 4 с 5-11.

Подписано в печать Ц //. ЮГ. Зак. Ub~ Тир. Ю0 П л Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

Введение.

1. Управляемые (гибкие) линии переменного тока.

1.1. Возможные пути управления мощностью, передаваемой по линии.

1.2. Существующие способы и устройства для повышения пределов передаваемой мощности.

1.3. Регулирующие устройства с применением силовой электроники, включаемой в сеть параллельно.

1.3.1. Полупроводниковые приборы, применяемые в устройствах силовой электроники.

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

1.3.3. Статические компенсаторы с использованием преобразователей напряжения.

1.4. Управляемая продольная емкостная компенсация.

1.5. Фазоповоротные устройства.

1.6. Типы управляемых линий.

1.7. Статические компенсаторы и управляемые линии электропередач, используемые в практике.

1.8. Современные направления научных исследований в области управляемых линий переменного тока.

1.9. Задачи исследований в диссертации.

2. Анализ оптимального размещения двух устройств продольной емкостной компенсации на линии электропередачи.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Исходные положения.

2.3. Математическая модель компенсированной линии.

2.4. Определение оптимального расположения УПК на линии различной длины

2.5. Оптимальное расположение УПК на линии без учета внешних сопротивлений (х31 = х52 = 0).

2.6. Влияние внешних сопротивлений на оптимальное расположение УПК на линии.

3. Анализ режимных характеристик линии е двумя УПК, расположенными на оптимальном расстоянии друг от друга.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Метод и алгоритм решения задачи.

3.3. Расчеты параметров режима идеализированных и реальных линий 500 кВ различных длин.

3.3.1. Режимные характеристики компенсированной линии длиной 300 км

3.3.2. Идеализированная линия длиной 500 км.

3.3.3. Реальная линия длиной 500 км.

3.3.4. Параметры режима линий длиной свыше 500 км.

3.4. Эксперимент на лабораторном стенде.

4. .Анализ режимных характеристики линий при изменении расстояния между установками продольной компенсации.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Параметры режима линий при изменении длины второго участка от нуля до полной длины линии (0 < /2 < Z).

4.2.1. Линии длиной 500 км.

4.2.2. Линии длиной 750 км.

4.2.3. Линии длиной 1000 км.

4.2.4. Линии длиной 1400 км.

4.3. Влияние внешних сопро гивлений на режимные параметры реальной линии

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

• продолжающимся ростом нагрузок, определяемым развитием экономики этих стран;

• 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 сложности в обмене мощностью и энергией между отдельными энергетическими компаниями и электроэнергетическими системами;

• 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.

К числу наиболее острых проблем настоящего времени можно отнести перегруженность распределительных сетей крупных промышленных регионов, неэкономичное распределение нагрузки между сетями различных классов напряжения, недостаточная пропускная способность некоторых межсистемных связей.

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 создает 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;

• 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 60-х годов XX столетия в ряде стран, в том числе и СССР [13, 33, 35, 45]. 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.

Значительный вклад в развитие этого направления внесен Московским энергетическим институтом, Всесоюзным электротехническим институтом (ВЭИ), Горьковским и Львовским политехническими институтами и рядом других организаций. Аналогичные исследования велись и за рубежом. В США, Канаде и Швеции и других странах были введены в работу статические источники реактивной мощности с вентильным управлением

Мощным импульсом в развитии концепции техники 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 работы по исследованию, разработке и . внедрению специальных устройств для линий электропередач переменного тока,, позволяющих решить, упомянутые, выше задачи. Высокие значения рабочих параметров тиристоров, их; управляемость и надежность обеспечили быстрое регулирование параметров режима электрической: сети; требуемое при решении многих системных задач. Электропередачи, оснащенные такими: устройствами, получили название гибких электропередач (РЭП).

С 1992 г. в США при Институте инженеров электротехники и,электроники (ШЕЕ) функционирует специальная рабочая группа, задача которой состоит в отслеживании и; координации разработок по ГЭП и их применению в энергосистемах. В соответствии с проведенной, силами это» группы систематизацией существующих разработок была предложена следующее определение 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 по f 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, фазорегулирующие трансформаторы (ФРТ), управляемые реакторы и другие.

Регулятор гибких электропередач (FACTS Controller) - силовая электронная система или другое статическое оборудование, которые обеспечивают управление одним или несколькими 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.

К числу управляемых устройств, получивших сейчас применение в магистральных электропередачах напряжением 400 — 765 кВ' относятся установки продольной емкостной компенсации (УПК). Такие управляемые устройства, где УПК может быстро изменять свое сопротивление в соответствии с изменением режима системы, сооружены в США, Швеции, Бразилии, Индии. При этом, как правило, на этих электропередачах емкостное сопротивление, необходимое для получения заданной степени компенсации, сосредоточено не на одной из подстанций данной электропередачи, а распределено вдоль линии на нескольких подстанциях. Такая компенсация ниже называется' распределенной. Как показывает опыт эксплуатации таких электропередач, управляемая продольная компенсация является эффективным средством нормализации режима системы и повышения ее динамической устойчивости.

Необходимо отметить, что в технической литературе, как зарубежной, так и изданной в России и в Иране, данные о режимных характеристиках таких электропередач практически отсутствуют.

Целью работы является:

• анализ режимных характеристик протяженных линий электропередачи с распределенной управляемой продольной емкостной компенсацией;

• определение расстояния между двумя УПК, оптимального как с точки зрения наибольшей пропускной способности, так и напряжений на выводах конденсаторных батарей;

• нахождение условий, при которых сооружение УПК возможно без применения шунтирующих реакторов

Конкретные способы создания управляемой продольной компенсации, 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 лабораторном стенде.

Основные научные результаты и их новизна заключаются в следующем:

1. Получены характеристики нормальных режимов линий различной длины с двумя УПК, одна из которых управляемая. Это позволяет определить условия работы оборудования таких электропередач.

2. Показано, что для линий -500 кВ длиной свыше 500 км существуют оптимальные расстояния между двумя УПК, соответствующие наибольшей пропускной способности линии. Однако напряжения на выводах конденсаторных батарей (КБ) в этом случае могут быть выше допустимых значений;

3. Установлено, что изменяя расстояние между двумя УПК и степень компенсации можно обеспечить условия, в которых напряжения на выводах КБ будут ниже допустимых значений во всех нормальных режимах.

4. Рассмотрено две схемы расположения УПК на линии (симметрично относительно ее центра и асимметричное расположение УПК). Показано, что вторая схема обеспечивает большую пропускную способность протяженных линий длиной 1000 км и более при напряжениях на выводах КБ, не превышающих допустимых значений.

5. Показано, что увеличивая степень компенсации в режимах холостого хода и малых нагрузок можно снижать напряжение в средней зоне линии, а также на выводах КБ

6. Учет эквивалентных сопротивлений передающей и приемной электрических систем приводит к повышению напряжения на шинах передающей и приемной подстанций, а также на выводах КБ, поэтому необходима стабилизация напряжения на этих шинах.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

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

• проверкой полученных результатов другими известными методиками, не использованными в диссертации.

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

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

• четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ (ТУ), 2008;

• шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ (ТУ), 2010.

По теме диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы.

Содержание работы

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

Во второй главе рассматривается управляемая линия с двумя УПК, расположенными друг от друга на некотором расстоянии симметрично относительно центра линии. Дана математическая модель этой линии. Получены значения коэффициентов эквивалентного четырехполюсника, определяющих пропускную способность идеальной и реальной линий. Определены оптимальные расстояния между двумя УПК, соответствующие наибольшей пропускной способности линии, и проанализировано влияние на них внешних сопротивлений.

В третьей главе рассмотрены режимные характеристики линий различной длины от 300 до 1400 км при расположении двух УПК на оптимальном расстоянии друг от друга, определенном в гл. 2. Определены значения напряжений на выводах КБ и в средней точке линии в различных режимах и при различных степенях компенсации. Проанализировано влияние активного сопротивления проводов и напряжения на шинах концевых подстанций на эти показатели режима.

В четвертой главе проанализированы параметры режима линий различной длины при симметричном перемещении двух УПК от центра линии к ее концам. Найдены условия, при которых напряжения на выводах УПК не превышают допустимых значений во всех режимах. Показано, что для линий большой длины (1000 и 1400 км) для соблюдения этих условий и повышения пропускной способности линии требуется иная схема расположения УПК. Установлено, что для соблюдения этих условий требуется стабилизация напряжения на передающей и приемной подстанциях.

Выводы по главе 4

1. При симметричном перемещении двух УПК из центра линии к ее концам напряжения на выводах КБ изменяются: в режимах холостого хода и малых нагрузок они снижаются, в режимах больших нагрузок некоторые из них возрастают и могут превысить допустимое значение.

2. Для линий длиной 500 и 750 км существуют оптимальные расстояния между УПК, при которых напряжения на выводах КБ будут меньше допустимого значения во всех режимах от холостого хода до режима больших нагрузок. Для линий 500 км это расстояние составляет 180-200 км, для линий 750 км - 515-520 км. При сооружении УПК на указанных расстояниях друг от друга применения шунтирующих реакторов на выводах КБ не требуется.

3. Для линий 1000 и 1400 км при симметричном, относительно центра линии, расположении УПК оптимальным является расположение этих установок по концам линии. Однако с целью снижения напряжений на выводах КБ в этом случае необходимо значительно снижать передаваемую мощность.

4. Переход к иной схеме расположения УПК для линий 1000 и 1400 км и увеличение степени компенсации позволяет значительно повысить их пропускную способность без применения шунтирующих реакторов на выводах КБ.

5. Внешние сопротивления оказывают заметное влияние на режим компенсированной линии. В режимах холостого хода и малых нагрузок они провышают напряжения в начале и конце линии, а также напряжения на выводах КБ. В режимах больших нагрузок они снижают эти напряжения и увеличивают угол 8 между напряжениями двух систем. Поэтому следует принимать меры к стабилизации напряжений в начале и конце линии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

1. Получены и проанализированы характеристики нормальных режимов линий электропередачи с двумя УПК с целью последующего определения состава основного оборудования при проектировании таких электропередач.

2. При наличии двух УПК на линиях длиной 500-1400 км существуют оптимальные расстояния между ними, соответствующие наибольшей пропускной способности линии. Для линий длиной 300 км такие расстояния не выявлены и УПК могут располагаться произвольно.

3. При размещении двух УПК на оптимальном расстоянии между ними для линий длиной более 500 км напряжения на выводах конденсаторных батарей (КБ) в режимах холостого хода и малых нагрузок будут больше допустимых значений, что требует применения мероприятий по их снижению.

4. Выявлена зависимость изменения напряжений на выводах КБ от расстояния между УПК и определены расстояния, при которых эти напряжения не превышают допустимых значений во всех режимах при рассмотренных степенях компенсации.

5. Для линий длиной 1000 и 1400 км такие расстояния равны длине линии, то есть УПК должны быть расположены по концам линий. Однако пропускная способность таких линий оказывается сниженной.

6. Значительное увеличение пропускной способности линий 1000 и 1400 км можно получить, применяя иную схему расположения двух управляемых УПК на линии - одна в начале линии, другая в ее середине. Выбором степени компенсации для каждой из них можно снизить напряжения на выводах КБ до допустимых значений во всех нормальных режимах.

7. Учет эквивалентных сопротивлений передающей и приемной систем приводит к повышению напряжения на шинах передающей и приемной подстанций и на выводах КБ, поэтому необходима стабилизация напряжения на этих шинах, для чего необходимо использовать соответствующие компенсирующие устройства.

1. Веников В.А. Электрические системы. Т.З. Передача энергии переменным и постоянным токам высокого напряжения / В.А. Веников, В.В. Худяков, Н.Д. Анисимова; под общ. ред. В.А. Веникова, М.: Высшая школа, 1972.

2. Зарудский Г.К. Исследование протяженных электропередач сверхвысокого напряжения при глубокой компенсации параметров электропередачах СВН / Автореферат диссертации на соискание ученой сгеп. к.т.н. Москва, 1970 г.

3. Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения. М.: Издательский дом МЭИ, 2007,

4. Электротехнический справочник. Т. 3. Производство, передача и распределение электрической энергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ. В.Г. Герасимова и др. (гл. ред. А.И Попов) 9-е изд., испр. и доп, - М.: Издательство МЭИ, 2004.

5. Веников В.А. Дальние электропередачи переменного и постоянного тока: учеб. пособие для вузов / В.А. Веников, Ю.П. Рыжов. М.: Энергоатомиздат, 1985.

6. Лабораторный практикум по дисциплине Передача и распределение электрической энергии. Установившиеся режимы дальних электропередач СВН. Быков А.Б, Зарудский Г.К, Зуев Э.Н, и др. / под ред. Зарудского Г.К. М.: Издательсво МЭИ, 1992.

7. Дальние электропередачи 500 кВ: сб. ст. / под общ. A.M. Некрасова и С.С. Рокотяна. М.: Энергия, 1964.

8. Справочник по проектированию электерических сетей / под ред. Д.Л. Файбисовича. М.: изд-во НЦ ЭНАС, 2005.

9. Латыпов. Д. Д. Исследование режимов и устойчивости электроэнергетической системы, содержающей управляемую электропередачу // автореферат диссертации на соискание ученой степ, к.т.н. Москва, 2009.

10. П.Евдокунин Г., Николаев Р., Искаков А и др., Фазоповоротный трансформатор впервые в СНГ применен в Казахстане. Новости электротехники. 2009. №5.

11. Брянцев A.M., Долгополов А.Г., Лурье А.И. Впервые в сети 500 кВ введен в эксплуатацию новый управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор мощностью 180 MB А // Электричество. 2006. № 8.

12. В.Н. Ивакин, Н.Г. Сысоева, В.В. Худяков. Электропередачи и вставки постоянного тока и статические тиристорные компенсаторы / Под ред. В.В. Худякова. М.: Энергоатом из дат, 1993.

13. Мисриханов М.Ш., Ситников В.Ф. Опыт внедрения технологии FACTS за рубежом // Энергохозяйство за рубежом. 2007. № 2.

14. Мисриханов М.Ш., Ситников В.Ф. Опыт внедрения технологии FACTS за рубежом // Энергохозяйство за рубежом, 2007. № 3.

15. Алексеев В.А. Гибкое управление линиями электропередачи переменного тока / Энергохозяйство за рубежом. 2007. № 1.

16. Антонов A.B., Киракосов В.Г., Кочкин В.И и др. Статический тиристорный компенсатор на подстанции 500 кВ Ново-Анжерская / Вестник ВНИИЭ, 2004.

17. Алексеев Б.А. Электрические сети противостоят авариям. // Энергоэксперт. 2009. № 9

18. R. Dass. Achieving versatile power sharing between the USA and Mexico / PEI, 2008. April.

19. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. стат. под ред. A.M. Брянцева- М.: Знак, 2004.

20. Кощеев Л.А., Шлайфштейн В.А. Характеристики и области применения устройств с использованием преобразователей напряжения в системах электропередачи / Электричество. 2003. № 8.

21. Рыжов Ю.П., Моти Бирджанди А.А. Режимные характеристики линии переменного тока с векторным регулированием // Электричество. 2005. № 9.

22. Рекламный проспект фирмы ABB «TCSC Thyristor Controlled Series Capacitors».

23. Hingorani N.G., Gyudgyi L. Understanding FACTS concepts and technology of flexible AC transmission systems // IEEE Press, 2000.

24. Y.H. Song, A.T. Johns . Flexible ac transmission systems // ГЕЕ Power and energy series 30.

25. Рекламный проспект фирмы ABB «The ABB Static Var Compensator».

26. Веников В.А,, Жуков JI.A. Регулирование электрических систем дальних передач. Повышение их устойчивости при помощи управляемых источников реактивной мощности // Электричество. 1967. № 6.

27. Толстое Ю.Г., Скороваров В.Е., Бако В.Н. и др., Инвертор напряжения, работающий на противо-э.д.с.//Электричество. 1972. № 12.

28. Худяков В.В., Чванов В.А. Управляемый статический источник реактивной мощности//Электричество. 1969.

29. Gyudgyi L , Dynamic Compensation of AC Transmission Lines by Solid-State Synchronous Voltage Sources // IEEE Transaction on Power Delivery, № 2, April 1994.

30. Веников B.A., Жуков JI.A., Карташев И.И., Рыжов Ю.П. Статические источники реактивной мощности в электрических системах. М: Энергия, 1975.

31. Gyudgyi 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, С A July 1994.

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

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

34. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы / Под ред. A.M. Брянцева. М.: Знак, 2004.

35. Donnelly M.K. , Smith J.R. , Johnson R. M., Hauer J.F., Adapa R. , Control of Dynamic Brake to reduce Turbine Generator Shaft Transient Torques // IEEE Transactions on Power Systems, February 1993, pp. 67 73

36. Gyudgyi L., Schauder C.D., Sen K.K., Static Synchronous Series Compensator: A Solid State Approach to the Series Compensation of Transmission Lines // Paper to be presented at IEEE/PES Winter Meeting, Baltimore, MD, January 1966, pp.123-131.

37. Lie T.T., Hailong Hui, Optimal dispatch in pool market with FACTS devices // IEEE Power Society General Meeting, Colorado, USA, 6-10, June 2004, pp.367 375 .

38. Веников B.A., Управляемые электропередачи переменного тока повышенной пропускной способности // Электричество, № 12, 1969.

39. Седигазаде М., Шаянфар Г.А. Калантар М. Динамическая устойчивость при повышении пропускной способности электропередачи на район Фарс и Бушер Ирана // Доклад на меж. конф. Power system, ICEE, 1998 (на персидском языке).

40. Постолатий В.М. и др., Управляемые самокомпенсирующиеся ЛЭП // Сборник АН МССР отд. энерг. кибернетики, 1980.

41. Рыжов Ю.П., Бумагин Ю.Н., Современные пути создания управляемых линий электропередачи // Вестник МЭИ, № 4, 1999.

42. Ивакин В.Н., Ковалев В.Р., Худяков В.В. Гибкие электропередачи переменного тока // Электротехника, № 8, 1996.

43. Кочкин В.И., Шакарян Ю.Г., Режимы работы управляемых линий электропередачи // Электричество, № 9, 1997.конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. Москва, 1998, Т.4.

44. Гупта С.Ф. К вопросу о выборе установок продольной емкостной компенсации на линиях // Автореферат диссертации на соискание учен, степ. канд. техн. наук, ЭЭС, МЭИ, 1966,

45. Ярных JI.B. Исследование управляемых электропередач // Авторефервт диссертация на соискание ученой степ. канд. техн. наук, ЭЭС, МЭИ, 1972.

46. Кочкин В.И., Дементьев Ю.А., Управляемые линии электропередачи // Электрические станции, № 2,1999, С.31 38.

47. Кочкин В.И., Пешков М.В. и др., Линии электропередачи с параллельной и последовательной компенсацией реактивной мощности II Вестник ВНИИЭ. 2004.

48. Электрические системы. Том. 2 Режимы работы электрических систем и сетей // Под ред. В.А.Веникова. М.: Высшая школа, 1975.

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

50. Gyudgyi L , Unified A. , Power flow control concept for FACTS // IEE proceeding 5-th Int. conf. " AC and DC power transmission " ,London , 17-20 sept. 1991, pp. 124- 131.

51. Gygugyi L , Advanced static VAR compensator using gate turn-off thyristors for utility applications (USA) // CIGRE , paper № 23-203,1990, pp.1 8.

52. Paserba, J.J., et aL, "Thynstor-Contiolled Series Compensation Prototype Installation al the Slatt 500 kV Substation," IEEEIPES Summer Meeting, Paper No. 94 SM 476-2 PWRD, 1994.

53. Vithayathil, J.J., "Case Studies of Conventional and Novel Methods of Reactive Power Control on an AC Transmission System," CIGRE Paper 38-02, 1986.

54. Group 14. 18, C1GRJE. 1997

55. Christl. N., et al., "Advanced Series Compensation with Variable Impedancc," EPRl Conference on Flexible AC Transmission Systems (FACTS): The Futuie of High Voltage Transmission. Cincinnati. OH. November 14-16.1990.

56. Christl, N., et al., "Advanced Series Compensation (ASC) with Thyristor-Controlled Impedance." CIGRE Paper 14/37/38-05, 1992.

57. Gribel J., et al., "Brazilian North-South Interconnection-Application of Thyristor-Controlled Series Compensation (TCSC) to Damp Inter Aiea Oscillation Mode." CIGRE Paper № 14-101, 1998.

58. Piwko, R.J., et al., "The Slatt Thyristor-Controlled Capacitor Project-Design, Installation, Commissioning and System Testing," CIGRE Paper 14-104, 1994.

59. Hedin., R.A., et al., "SSSR Characteristics of Alternative Types of Series Compensation Schemes, "lEEEll'ES Summer Meeting, Paper No. 94 SM 534-8 PWRS, 1994.

60. Bowler. C.F.J., et al., "FACTS and SSSR-Focus on TCSC Application and Mitigation of SSR Problem," Proceedings of Flexible AC Transmission Systems (FACTS) Conference, Boston. MA, May 1992

61. Agrawal B.I., et al. "Advanced Scries Compensation (ASC) Steady-Stale, Transient Stability, and Subsynchronous Resonance Studies," Proceedings of Flexible AC Transmission Systems /FACTS) Conference, Boston, MA, May 1992.

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

63. Дементьев Ю.А., Кочкин В.И., Мельников А.Г., Применение управляемых статических компенсирующих устройств в электрических сетях // Электричество, № 9, 2003.73. www.siemens.corn