Комплексное управление перетоками мощности в системах электроснабжения

Батраков, Руслан Викторович

Электротехнические комплексы и системы

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Комплексное управление перетоками мощности в системах электроснабжения

кандидата технических наук: Батраков, Руслан Викторович
город: Липецк
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.09.03

Диссертация по электротехнике на тему «Комплексное управление перетоками мощности в системах электроснабжения»

Автореферат диссертации по теме "Комплексное управление перетоками мощности в системах электроснабжения"

На правах рукописи

Батраков Руслан Викторович

КОМПЛЕКСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕТОКАМИ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк-2013

005545173

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Теличко Леонид Яковлевич.

Официальные оппоненты:

Зайцев Александр Иванович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры «Электропривод, автоматика и управление в технических системах».

Плащанский Леонид Александрович - кандидат технических паук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», профессор кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий».

Ведущая организация - ОАО «Черметавтоматика» (г. Москва).

Защита диссертации состоится 28.03.2014 г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, ул. Московская, 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан « ау » января 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время актуальными, не в полной мере решенными, проблемами в электроэнергетике являются: перегруженность транзитных и распределительных электрических сетей крупных районов и промышленных узлов; неэкономичное перераспределение потоков мощности в транзитной и распределительной электрической сети разных классов номинальных напряжений; непропорциональная загрузка сетей низкого номинального напряжения относительно сстси высокого; в ряде регионов с сосредоточенными узлами нагрузки и генерации, относительно небольшой длиной питающих ЛЭП существуют превышения токов короткого замыкания в электрической сети выше отключающей способности коммутационного оборудования установленного на станциях и подстанциях данных районов. Кроме того образование транзитных перетоков в электрической сети приводит к токовым перегрузкам одних транзитных ЛЭП при не дозагрузке других питающих ЛЭП, что создает неоптимальное распределение потоков мощности в таких сетях.

Нерешенность этих проблем приводит к необходимости повышения пропускной способности существующей транзитной электрической сети, особенно в ремонтных и послеаварийных режимах, получения управляемости электрических сетей, снижения токов короткого замыкания. Все имеющиеся разработки устройств направленные на гибкое управление потоков мощности в настоящее время имеют ограниченное внедрение и использование в энергосистемах разных стран. Это в первую очередь связано со сложностью схем, основанных на силовой полупроводниковой технике, значительными затратами на разработку, строительство и эксплуатацию таких устройств.

В литературных источниках отсутствуют сведения по комплексному управлению перетоками мощности в системах электроснабжения, поэтому получение управляемости транзитной электрической сети с одновременной возможностью ограничения токов короткого замыкания на данный момент является актуальной задачей.

Целью работы является исследование и ликвидация токовых перегрузок, ограничение токов короткого замыкания и снижение длительности переходного процесса при коротких замыканиях в транзитных электрических сетях 35-220 кВ путем комплексного управления перетоками мощности.

Идея работы заключается в применении управляемого трансформатора, первичная обмотка которого включается в рассечку ЛЭП для ликвидации токовых перегрузок посредством инжекции напряжения в рассечку ЛЭП с регулированием фазы напряжения и его модуля, а ограничение токов короткого замыкания в сети - посредством изменения индуктивного сопротивления управляемого трансформатора.

Научная новизна:

- предложен способ комплексного управления перетоками мощности и ограничения токов короткого замыкания в транзитных электрических сетях 35-220 кВ отличающийся от известных тем, что в рассечке ЛЭП используется регулируемое инжектируемое напряжение и регулируемое индуктивное сопротивление, позволяющие управлять перетоками мощности, ликвидировать токовые перегрузки и ограничивать токи короткого замыкания в транзитных электрических сетях.

- предложено устройство, реализующее способ комплексного управления перетоками мощности и ограничения токов короткого замыкания в транзитных электрических сетях 35-220 кВ, основанное на использовании оригинального управляемого трансформатора, отличающегося от известных тем, что в его первичной обмотке, включенной в рассечку ЛЭП, напряжение и индуктивное сопротивление регулируются за счет двух вторичных обмоток, подключенных через ти-ристорные ключи к двум трансформаторам связи, один из которых включен на линейное напряжение двух других фаз, а другой на фазное напряжение той фазы, в которой установлена первичная обмотка управляемого трансформатора, что позволяет управлять перетоками мощности, ликвидировать токовые перегрузки и ограничивать токи короткого замыкания в транзитной электрической сети 35-220 кВ.

— получена математическая модель трехфазной электрической сети 35-220 кВ с трехфазным управляемым трансформатором, отличающаяся от известных тем, что она учитывает включение первичной обмотки управляемого трансформатора в рассечку ЛЭП, подключение двух вспомогательных трансформаторов связи, а так же два контура регулирования тока посредством тиристорных ключей, управляемых измерительно-логическим блоком, который контролирует напряжение, ток транзитной электрической сети и токи в контурах регулирования.

— разработана инженерная методика, основанная на использовании данных полученных с помощью моделей транзитных электрических сетей 35-220 кВ, что позволяет получить индивидуальные параметры управляемых трансформаторов удовлетворяющих требованиям ликвидации токовых перегрузок и ограничения токов короткого замыкания.

Практическая ценность состоит в том, что предложенный способ регулирования с помощью управляемого трансформатора позволяет выполнить быстродействующее управление перетоками активной, реактивной мощности для ликвидации токовых перегрузок линий электропередач и ограничения токов короткого замыкания в транзитной и распределительной электрической сети 35220 кВ. Разработанные математические модели трехфазной электрической сети 35-220 кВ с трехфазным управляемым трансформатором, а так же инженерная методика расчета параметров управляемого трансформатора, позволяют определить требуемые параметры и места установки управляемого трансформатора для

любых транзитных электрических сетей 35-220 кВ. На примере Липецкой энергосистемы определены параметры и места установки управляемых трансформаторов для решения проблем токовых перегрузок ЛЭП 110, 220 кВ и проблем превышения токов короткого замыкания в сети 110 кВ.

Методы и объект исследования. Использовались методы математического моделирования, математической статистики и инженерного эксперимента. Поставленные в работе задачи решались с помощью математического моделирования в специальных программных комплексах:

- математическое моделирование и программирование выполнялось с помощью интегральной математической системы для научно-технических расчётов «МаЛаЬ»;

- анализ установившихся режимов проводился в специализированном программном комплексе «Иаз1г\Уш»;

- анализ переходных процессов и динамической устойчивости проводился в специализированном программном комплексе «Мустанг»;

- анализ токов короткого замыкания проводился в специализированном программном комплексе «ТКЗ».

Достоверность результатов и выводов подтверждена результатом исследования электроэнергетических режимов реальной электрической сети 110, 220 кВ, с использованием положений теории электрических сетей, математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов расчетов с экспериментальными и статистическими данными, полученными при работе энергосистемы Липецкой области/Выполнено сравнение результатов диссертационной работы в нескольких программных комплексах, получены идентичные результаты в пределах допустимой погрешности.

Реализация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы внедрены в качестве рекомендаций при проведении перспективных разработок в ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Разработки внедрены в учебный процесс ЛГТУ по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» при выполнении практических и лекционных работ по дисциплине «Электроснабжение промышленных предприятий», «Релейная защита и автоматика».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технической конференции посвященной 35-летию кафедры электропривода (Липецк, 2009), П Международной научно-технической конференции "Электроэнергетика глазами молодёжи" (Самара, 2011), III Международной научно-технической конференции "Электроэнергетика глазами молодёжи" (Екатеринбург, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ, из них пять в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка включающего 160 наименований и семи приложений. Общий объём диссертации - 187 страниц, в том числе 129 страниц основного текста, 58 рисунков, 38 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, отмечена научная новизна и практическая ценность результатов исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе раскрыта актуальность диссертационной работы, проведен анализ многочисленных публикаций, посвященных исследованиям устройств управления потоками мощности и использованию устройств управления мощностью в электроэнергетике. Рассмотрены устройства: предназначенные для регулирования и стабилизации напряжения в узлах электрической сети; позволяющие изменять реактивное сопротивление линии; предназначенные для изменения угла фазового сдвига между напряжениями по концам линии; позволяющие осуществлять комбинированное воздействие на линию: регулировать напряжение по величине, изменять фазный угол между напряжениями по концам линии. Проведен анализ устройств FACTS первого и второго поколения, передач и вставок постоянного тока, используемых в российской и зарубежной практике и рассматриваемых в литературе. Показаны способы включения, типы, область применения таких устройств с возможным регулированием параметров электрической сети и проанализированы имеющиеся недостатки устройств, ограничивающие их внедрение и использование. Так же рассмотрено развитие и применение силовой полупроводниковой техники в устройствах управления потоками мощности. Применение устройств управления мощностью, способа их включения зависит от решаемых задач и связаны со степенью регулирования потоков мощности и напряжения, обеспечением статической и динамической устойчивости, ограничением токов короткого замыкания. В данной главе уделено внимание вопросу управления потоками мощности в транзитной электрической сети, а именно решению проблем токовых перегрузок транзитных ЛЭП и ограничению токов короткого замыкания, так же поставлены задачи исследования и предложено решение проблем токовых перегрузок и ограничения токов короткого замыкания в транзитных сетях решить с помощью применения управляемых трансформаторов устанавливаемых в рассечку перегружаемых ЛЭП.

Результаты выполненного анализа позволили сформулировать и решить следующие задачи диссертационного исследования:

1. Решение проблемы токовых перегрузок в электрических сетях с помощью установки устройств управления мощностью и как следствие повышение пропускной способности транзитных электрических сетей в целом.

2. Ограничение токов короткого замыкания в электрических сетях, и как следствие снижение длительности переходного процесса при коротких замыканиях, сохранения синхронной динамической устойчивости генераторов вблизи короткого замыкания посредством установки комплексного устройства регулирования потоков мощности в распределительных электрических сетях.

3. Разработка оригинального устройства для комплексного управления потоками мощности в транзитных электрических сетях 35-220 кВ с использованием силовой электроники в цепях управления, которое обладает простотой выполнения, высокой надежностью и низкой стоимостью по сравнению с имеющимися аналогами.

4. Исследование проблем токовых перегрузок, превышения токов короткого замыкания свыше отключающей способности установленного коммутационного оборудования с определением конкретных мест установки устройств комплексного регулирования перетоков мощности в транзитных электрических сетях 35-220 кВ. Определение критериев применения предложенного устройства комплексного управления потоками мощности в транзитных и распределительных электрических сетях 35-220 кВ.

5. Разработка инженерной методики расчета параметров и алгоритма управления комплексного устройства регулирования перетоков мощности, используемого для ликвидации токовых перегрузок и ограничения токов короткого замыкания в транзитных электрических сетях 35-220 кВ.

6. Определение технико-экономического эффекта от применения устройств комплексного управления перетоками мощности в транзитных электрических сетях как альтернатива строительству ЛЭП для снятия токовых перегрузок и замены коммутационных аппаратов для удовлетворения требований отключающей способности по токам короткого замыкания.

Во второй главе проведен анализ и исследование электрических режимов питающей транзитной и распределительной электрической сети на примере Липецкой энергосистемы. Определены токовые перегрузки ЛЭП 110, 220 кВ и коммутационные аппарата подстанций и станций, не проходящих по отключающей способности к токам короткого замыкания. Анализ режима работы распределительной электрической сети позволяет выявить проблемы токовых перегрузок транзитных ЛЭП, максимальную величину токовых перегрузок, падения напряжения в ремонтных и аварийных режимах работы, максимальные величины токов короткого замыкания и долю растекания токов короткого замыкания по каждой транзитной ЛЭП. Полученные данные в результате исследования ре-

жимов работы электрической сети необходимы для определения места установки управляемого трансформатора и будут являться исходными данными для определения параметров управляемого трансформатора, удовлетворяющего требованиям ликвидации токовых перегрузок и ограничения токов короткого замыкания в распределительной электрической сети. Данный метод применим для любой транзитной электрической сети 35-220 кВ и результаты анализа являются исходными данными для определения параметров управляемого трансформатора.

В третьей главе в программе визуального моделирования МаиаЬ проведены исследования по работе управляемого трансформатора при ликвидации токовых перегрузок и ограничении токов короткого замыкания в транзитной и распределительной электрической сети 35-220 кВ. Приведено математическое описание, модель трехфазной электрической сети 110-220 кВ, а так же модель трехфазного управляемого трансформатора.

Рассматриваемую проблему предлагается решить с помощью применения управляемых трансформаторов (УТ) устанавливаемых в рассечку перегружаемых ЛЭП. Устройство представляет собой регулируемое инжектируемое напряжение и индуктивное сопротивление, включенное в рассечку линии, тем самым появляется возможность управления перетоками мощности и обеспечения передачи заданного уровня активной и реактивной мощности между узлами транзитной электрической сети в условиях значительных колебаний нагрузки. Режим работы УТ заключается в следующем: первичная обмотка (ПО) (рисунок 1) подключается в рассечку линии. Вторичная обмотка В1 соединяется в звезду с заземленной нейтралью и замкнута через трансформатор связи Т1 управляющим блоком ТБ1 с применением тиристоров с регулируемыми углами управления. Вторичная обмотка В2 соединяется в звезду с заземленной нейтралью и замкнута через трансформатор связи Т2 управляющим блоком ТБ2 с применением тиристоров с регулируемыми углами управления. Первичная обмотка трансформатора Т1 включена на линейное напряжение двух других фаз (рисунок 2) и осуществляет добавку вектора напряжения Диь Как следует из векторной диаграммы (рисунок 2) в этом случае вектор добавочного напряжения ДИ] создаваемым трансформатором Т1 направлен под прямым углом по отношению к вектору исходного напряжения Первичная обмотка трансформатора Т2 подключается на фазное напряжение, в результате получим добавочное напряжение Диг совпадающее по фазе с регулируемым (рисунок 2). В зависимости от угла управления тиристоров ТБ1 и ТБ2 ток во вторичных обмотках В1 и В2 изменяется от нуля до номинального. Путем быстрого изменения угла управления тиристоров его ток можно изменять за полпериода промышленной частоты во всем диапазоне регулирования, изменяя при этом значение векторов напряжений Ди^™^

Ли^акс и ДигмшГ" Дигыакс. а так же индуктивное сопротивление УТ включенного последовательно с ЛЭП (рисунок 2).

Рисунок 1 - Схема управляемого трансформатора

Такой УТ является безынерционным, потери мощности в нем соизмеримы с трансформатором такой же мощности. В результате работы УТ одновременно изменяются фаза напряжения и его модуль так называемое продольно-поперечное регулирование и его индуктивное сопротивление, включенное в рассечку линии.

В режиме полностью проводящих тиристорных блоков вторичных обмоток, напряжение первичной обмотки трансформатора минимально (Диутми„) и

определяется напряжением короткого замыкания трансформатора. Чем меньше напряжение короткого замыкания, тем меньше минимальное фазосдвигагощее напряжение. Закрытые тиристоры соответствуют номинальному напряжению (ДЦутмакс)- Соответственно управляемый трансформатор представляет собой индуктивную катушку с довольно большим сопротивлением с повышенным падением напряжения. Номинальное напряжение трансформатора ограничивается допустимым падением напряжения на нем (рисунок 2).

Сопротивление трансформатора (хутмакс) должно удовлетворять условиям снятия токовой перегрузки ЛЭП и ограничения токов короткого замыкания в ремонтных и аварийных режимах. Инжектируемое напряжение Идут должно удовлетворять условиям снятия токовой перегрузки ЛЭП, демпфирования напряжения и регулирования токовой загрузки ЛЭП. Параметры УТ необходимо выбирать из двух граничных условий: работа при номинальном и минимальном напряжении. Увеличение номинального напряжения УТ приводит к значительному увеличению максимального угла сдвига. Номинальное напряжение УТ ограничивается допустимым падением напряжения на нем:

Для требуемого напряжения на выходе УТ и разных номинальных напряжений иуТном были определены максимальные и минимальные углы сдвига (5Макс. Змин) для распределительной сети 220,110 кВ. В зависимости от требуемой настройки УТ с помощью изменения инжектируемого напряжения (идут) можно добиться желаемого перетока в ЛЭП, или при изменениях тока в каждой фазе поддерживать требуемое напряжение иДуТ. Передаваемая по ЛЭП активная мощность и ток от инжектируемого напряжения ийут могут быть определены по выражениям:

1 =

и,-и4ЭТ-и2

ДХлэп+Хут)

Р =

и, и2 БИ! 5

Хлэп + Хут

При работе УТ и регулировании фазового угла 5, можно эффективно управлять перетоками активной мощности и использовать УТ для повышения динамической устойчивости, обеспечения демпфирования колебаний мощности,

а также минимизации перегрузок и снижения напряжений после действия возмущений. При рассмотрении УТ в качестве регулирования фазового угла 6 активная мощность Р„ по ЛЭП с УТ будет иметь вид:

р = ————31п(5 + о).

° Хлэп + Хут 4 '

Для исследования влияния а на активную мощность Р получим следующее выражение:

ар и,и, ч и,и2 г.—ггл—\

— =-2—соз(6 + а) =-!—а—лД-зтЧб + а). (1)

до Хлэп+Хут 11 ' Хлэп+Хут ' V '

Из (1) получим:

8Р_ да

и,и.

Хлэп + Хут )

1-1

1и2 _р2

При работе обоих блоков ТБ1 и ТБ2 УТ может рассматриваться в качестве источника синхронного напряжения с регулируемыми амплитудой и и углом р, включенного в ЛЭП последовательно. Источник напряжения осуществляет перераспределение как активной, так и реактивной мощности инжектируя в линию напряжение ид^ с управляемыми амплитудой и углом сдвига фаз р. Ток и передаваемая активная и реактивная мощности определяются выражениями:

1 и^5+иАУТе^-и2

.¡(Хлэп+Хут)

Р =_Щ—Вт5+ 5т(б + р);

Хлэп + Хуг Хлэп+Хут 4 ;

__Ц!и1_Со35--У?-+ соз(5 + р).

Хлэп + Хут Хлэп + Хут Хлэп + Хут

На примере электрической сети 220,110 кВ Липецкой энергосистемы исследована работа УТ при ликвидации токовых перегрузок в электрических сетях, а так же работа УТ при ограничении токов короткого замыкания в сети.

С помощью предложенной схемы управляемого трансформатора осуществляется принцип параметрического регулирования, происходит управление перетоками мощности за счет ее перераспределения в транзитной электрической сети. УТ способен ликвидировать токовые перегрузки транзитных ЛЭП в ре-

монтных и аварийных режимах. Появляется возможность более широкого использования характеристик ЛЭП и трансформаторов, а так же дальнейшего увеличения нагрузок узла за счет использования запасов мощности недозагружен-ных линий и тем самым повысить надежность электроснабжения потребителей.

С помощью выполненного моделирования УТ в среде Ма^аЬ определены параметры и места установки УТ, удовлетворяющие условиям ликвидации токовых перегрузок ЛЭП и ограничения токов короткого замыкания в сети, на примере реальной электрической сети 220,110 кВ Липецкой энергосистемы.

Было проведено моделирование трехфазных коротких замыканий в электрической сети без УТ и с применением УТ. При коротких замыканиях УТ способен ограничивать в электрических сетях токи короткого замыкания существенно уменьшая длительность переходного процесса. В соответствии с уравнением Парка-Горева в операторной форме для синхронной машины, для контуров по продольной оси получим:

где Xd и Xq - синхронное индуктивное сопротивление по продольной и поперечной оси; Xf и Rf— индуктивное и активное сопротивления обмотки возбуждения; XId, R|d и Xiq, Rlq - сопротивления соответственно продольных и поперечных демпферных контуров; Xad и - сопротивления взаимоиндукции между обмоткой якоря и контурами ротора по продольной и поперечной осям.

Характеристическое уравнение имеет следующий вид:

Au4 (р) = Xd^d (р) + Xad^if (р) + XadA¡ld (р) ;

Auf (р) = pX^jAij, (р) + (pXf + Rf) Aif (р) + pXrfAiu (р); О = pX^Aij (р) + pX^Aif (р) + (PXld + Rld) Aild (p).

Для контуров по поперечной оси машины:

Aud(p)=-XqAiq(p)-XaqAiIq(p); О = pX^Ai, (р) + (PXlq + Rlq) Ailq (р),

(2)

Решая (2) получим:

„ +Гм)(1 + д') d Í '

_ _CI? +iíd)(1-q')

где я = 1--!—

(т; +ти)-

а =

( V'2

Х'ГХ'

■и У

Выражение для действующего значения продольной периодической составляющей тока при коротком замыкании за УТ будет иметь вид:

-ч(0)

Р..

+Хлзп +Хур X, + Хя)п + Хуг ^

+(-

Е„/п\

ЧУ")

^ + ХЛЭП+ХУ

е:

4(0)

I V , "V

'^¿П т Лпэп т ЛУТ

I ■>

"д- цд(о)

\л|)тл]ШтлУ:

Т'й ~Та1с1 „ Та

(1 | -Та1Д е тз

где Т., = Х<,|<1

1и0

Х„

— постоянная времени поодольного лемпЛеоного кон-

чл -'мл

тура, обусловленная его потоком рассеяния.

Действующее значение поперечной периодической составляющей тока при коротком замыкании за УТ описывается выражением:

е:

■<}о

К + ХЛЭП + ХУТ

'14

гттр Т' -Т ХЧ +ХЛЭП+ХУТ где 1ц - 1ц0

Хч + хлэп + ХУТ

Результирующее действующее значение 1т периодической составляющей тока короткого замыкания в произвольный момент времени от синхронной машины за УТ будет иметь вид:

I2 4- Т2

'ск ^ V"

Достигаемый результат при установке управляемых трансформаторов заключается в уменьшении количества замены коммутационных аппаратов, не проходящих по отключающей способности к токам короткого замыкания. Определены параметры и места установки УТ удовлетворяющие условиям ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях до допустимых пределов. Переходный процесс активной и реактивной мощности при работе УТ в результате перегрузки ЛЭП представлен на рисунке 3. Переходный процесс при работе УТ с Ли контура Т1, Ди контура Т2 и результирующее Ди УТ представлен на рисунке 4.

.....................i- , МНт

Q, МВЛр

о 0,05 0.1 0,15 0,2 0,25 0,3, с

Рисунок 3 - Переходный процесс активной и реактивной мощности при работе УТ

8000 4000

-'¡ООО -SOOO 8000 4000

-4000 -8000 МО4 0,5 0

-0,5 -1 -1,5

щштi .........! -К..........Л у.............J||/..............\JU......i ШчШтй

-1—_i_ ЁштМ тжшт

i i i 1 i

о 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3, с

Рисунок 4 - Переходный процесс при работе УТ с AU-Tl, AU-T2 и AU УТ

Эквивалентная модель в Matlab участка сети с УТ и модель подключения Т1 и Т2 УТ представлена на рисунке 5. Пофазное включение УТ в рассечку ЛЭП и переходные процессы тока статора генератора и скольжение генератора при трехфазном коротком замыкании в сети 110 кВ вблизи ТЭЦ представлены на рисунке 6.

=01

Г?

1LL_

kbB

г-Ф—,

№1

tffizüa

иг

№

ша

Рисунок 5 - Эквивалентная модель в Matlab участка сети с УТ и подключение УТ

? ? J?

-ЕЗч-

LSTTT .

j! "X —«з>

ъ t=

24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

-btO

-: 1,2

0,8 0,4 •0 -0,4 -0,8 -1,2

_-1,6

-2,0 .......-2,4

9 10, с

Рисунок 6 - Модель в Matlab подключения Т1 и Т2 УТ и переходные процессы тока статора генератора и скольжение генератора при трехфазном коротком замыкании

По результатам проведенною исследования разрабоган алгоритм работы системы автоматического управления (рисунок 7) и методика расчета параметров (ри-сукок 8) комплексного устройства регулирования потоков мохцности (управляемы!! трансформатор), используемого для ликвидации токовых перегрузок и ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях 35-220 кВ. Рассмотрен выбор магнитных параметров обмоток УТ для обеспечения максимального быстродействия при коротком замыкании. Так же выполнен анализ сравнения потерь активной мощности в транзитной электрической сети с УТ и без УТ Липецкой энергосистемы.

В четвертой главе рассмотрена экономическая эффективность от применения управляемого трансформатора. Приведены затраты на строительство ЛЭП 110 кВ, затраты на замену коммутационного оборудования района ОАО «НЛМК» запитанного от ПС 220 кВ Новая, ПС 220 кВ Северная, затраты на строительство управляемого трансформатора, затраты на строительство устройств FACTS используемых для управления потоками мощности. Экономический эффект от внедрения управляемого трансформатора по мероприятиям ликвидации токовых перегрузок составил 88,161 млн. руб., по мероприятиям ограничения токов короткого замыкания составил 37,510 млн. руб.

<й> (p)(§j

1тБ) - Г(ОТБ))

1"ГБ2 = Г(атБ2)

УТ I-

1 I I I ii.

ЛЭП

@-Чпрд1— -oj-o-f

Измерительно-логическая часть с формированием управляющих воздействий

ПРМ

ВОЛС (ВЧ)

Iycr*= f (Юкр) Ulycr: Umhh ...имакс U2ycr: Umhh ...имакс

Рисунок 7 - Система автоматического регулирования УТ

^ Задаваемые параметры 1

Требуемые параметры: 1Н0М ТБ1, ТБ2; в ном Т1, Т2; Закон регулирования ТБ1, ТБ2

Фактические параметры:

Закон ре!улирования Т51: Р лэп ~ Г ПткО»

Ьв» ~ Г(ОТБ! мин ... ОтБ1макс)

I Требуемое регулирование 1 по ЛЭП: <3мин ... (¿макс

I кем ТБ2 8 аомТ2

Если условиям ограничения

ТКЗне удовлетворяет

1 Закон регулирования ТБ2:

О ЛЭП ~ ? (1гБ2);

1тБ2= f (ОтБ2мин ... ОтБЗмакс)

{Закон регулирования: { |1ты;1ты —» МИН |

■рссср!и1 по услсг.:"с 1, ограничения ТКЗ

Рисунок 8 - Инженерная методика расчета параметров управляемого трансформатора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе реализовано новое решение актуальной научной задачи по ликвидации токовых перегрузок и ограничению токов короткого замыкания в транзитной и распределительной электрической сети. Проблему токовых перегрузок и ограничение токов короткого замыкания предлагается решить с помощью применения оригинальных управляемых трансформаторов устанавливаемых в рассечку ЛЭП. Главным преимуществом управляемых трансформаторов является использование силовой электроники в цепях управления, а не на стороне высокого напряжения, простота, высокая надежность и низкая стоимость устройства.

В процессе проведенных исследований в работе получены следующие основные научно-практические результаты:

1. Разработан оригинальный управляемый трансформатор для ликвидации токовых перегрузок и ограничения токов короткого замыкания в электрической сети, основанный на включении первичной обмотки в рассечку ЛЭП и подключении двух вторичных обмоток через тиристорные ключи к вспомогательным трансформаторам связи.

2. Применение управляемого трансформатора обеспечивает снижение длительности переходного процесса при коротких замыканиях с сохранением синхронной динамической устойчивости генераторов вблизи короткого замыкания.

3. Разработанное оригинальное устройство для комплексного управления перетоками мощности в транзитных электрических сетях 35-220 кВ, использующее управляемый трансформатор в ЛЭП и силовые тиристорные ключи в

цепях управления с двумя контурами регулирования, обладает простотой выполнения, высокой надежностью и низкой стоимостью по сравнению с имеющимися аналогами.

4. Определены конкретные места установки управляемых трансформаторов в транзитных электрических сетях 35-220 кВ, основанные на проведенном анализе транзитных электрических сетей с выявленными проблемами токовых перегрузок транзитных ЛЭП, превышения токов короткого замыкания свыше отключающей способности установленного коммутационного оборудования. Определены критерии применения предложенного устройства комплексного управления потоками мощности в транзитных и распределительных электрических сетях напряжением 35-220 кВ.

5. Разработана инженерная методика расчета параметров и алгоритм управления комплексного регулирования перетоков мощности с использованием управляемого трансформатора, позволяющая получить индивидуальные параметры управляемых трансформаторов удовлетворяющих требованиям ликвидации токовых перегрузок и ограничения токов короткого замыкания.

6. При применении управляемого трансформатора в транзитной электрической сети определен технико-экономический эффект, на примере конкретных энергорайонов Липецкой области, в размере 88,131 млн. руб. от его применения как альтернатива строительству ЛЭП для снятия токовых перегрузок и 37,510 млн. руб. от его применения как альтернатива замене коммутационных аппаратов для удовлетворения требований отключающей способности по токам короткого замыкания.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Теличко, Л.Я. Повышение надежности электроснабжения за счет перераспределения потоков мощности в транзитных связях / Л.Я. Теличко, Р.В. Батраков // Вестник Воронежского Государственного Технического Университета ТЗ. - 2007. - №8. - С. 184-187.

2. Теличко, Л.Я. Координация потоков мощности в сетях переменного тока с применением управляемых трансформаторов / Л.Я. Теличко, Р.В. Батраков // Вестник Воронежского Государственного Технического Университета Т.4. — 2008.-№7.-С. 24-28.

3. Теличко, Л Л. Параметрическое регулирование напряжения в узлах нагрузки питающей сети / ЛЛ. Теличко, Р.В. Батраков // Сборник статей научно-технической конференции 3 июля 2009 ЛГТУ к 35-летию кафедры ЭП. - 2009. - С. 87-95.

4. Теличко, Л.Я. Параметрическое регулирование потоков мощности линий электропередач с применением управляемой продольной компенсации /

Л.Я. Теличко, РЛ. Батраков // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2010. - №3. - С. 60-64.

5. Теличко, ЛЛ. Комплексное управление потоками мощности в системах электроснабжения / ЛЛ. Теличко, Р.В. Батраков // Конференция Орел (МИК-2011) Сборник материалов IX - ой Международной научно-практической интернет-конференции.-2011.-С. 151-154.

6. Батраков, Р.В. Ликвидация токовых перегрузок в транзитной электрической сети с помощью управляемых трансформаторов / Р.В. Батраков /7 Конференция Екатеринбург, III Международная молодежная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи». - Т1- 2012. - С. 433-438.

7. Теличко, ЛЛ. Регулирование потоков мощности в электрической сети с помощью управляемых трансформаторов / Л.Я. Теличко, Р.В. Батраков // Электротехнические комплексы и системы управления. — 2012. - лМ. - С. 10-16.

8. Теличко, Л .Я. Моделирование управляемого трансформатора как способ регулирования потоков мощности в электрической сети / ЛЛ. Теличко, РЛ. Батраков // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2013. - №1. - С. 3-10.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в следующем: в [1] проведено исследование и анализ промышленных районов энергосистемы Липецкой области, определены транзитные ЛЭП 110, 220 кВ имеющие токовые перегрузки. В [2] предложено оригинальное устройство комплексного управления потоками мощности в транзитной электрической сети - управляемый трансформатор (УТ) для ликвидации токовых перегрузок и система управления УТ. В [3,4] проведено моделирование работы УТ при коротких замыканиях, показана возможность ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях, проведен анализ длительности переходного процесса. В [4] определены углы сдвига для разных номинальных напряжений УТ. В [5,6] разработана математическая модель управляемого трансформатора, разработан алгоритм управления устройства по требуемому закону регулирования в зависимости от изменения передаваемой активной и реактивной мощности, напряжений в узлах и требования ликвидации токовых перегрузок и ограничения токов короткого замыкания. В [6] разработана методика расчета параметров управляемого трансформатора применимая ко всем транзитным и распределительным электрическим сетям 35-220 кВ. В [7,8] получены требуемые параметры транзитной электрической сети 110-220 кВ с УТ, определены места установки и технические характеристики предлагаемого устройства. В [8] дополнительно исследованы вопросы ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях 35-220 кВ с применением УТ.

Подписано в печать 10. 01.2014. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № . Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение издательства ЛГТУ. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

Текст работы Батраков, Руслан Викторович, диссертация по теме Электротехнические комплексы и системы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201456553

Батраков Руслан Викторович

КОМПЛЕКСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕТОКАМИ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Л.Я. Теличко

Липецк - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................ 5

1 УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКАМИ МОЩНОСТИ................................. 14

1.1 Принципы устройств управления потоками мощности.................. 14

1.2 Существующие типы устройств управления потоками мощности.... 20

1.3 Использование устройств управления мощностью в электроэнергетике.................................................................... 33

1.4 Использование силовой полупроводниковой техники в

устройствах управления мощностью............................................ 36

ВЫВОДЫ................................................................................ 42

2 АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.. 44

2.1 Анализ электрических режимов района Липецкой ТЭЦ-2............. 44

2.2 Анализ электрических режимов промышленного узла ОАО «НЛМК»................................................................................ 50

2.3 Анализ электрических режимов транзитной сети 220-500 кВ Липецкой энергосистемы..................................................................... 56

2.4 Анализ токов короткого замыкания промышленного узла ОАО

«НЛМК»................................................................................ 58

ВЫВОДЫ................................................................................ 67

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ УПРАВЛЯЕМОГО ТРАНСФОРМАТОРА........................ 69

3.1 Математическое описание и модель управляемого трансформатора............................................................................................. 69

3.2 Исследование управляемого трансформатора при ликвидации то-

новых перегрузок в электрических сетях......................................... 85

3.3 Исследование управляемого трансформатора при ограничении токов короткого замыкания в электрических сетях............................. 88

3.4 Методика расчета параметров управляемого трансформатора и алгоритма автоматического регулирования для ликвидации токовых перегрузок и ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях 35-220 кВ.................................................... ЮЗ

3.5 Анализ потерь активной мощности в транзитной электрической сети с управляемыми трансформаторами.......................................... 113

выводы!................................................................................ 115

4 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОТ ПРИМЕНЕНИЯ

УПРАВЛЯЕМОГО ТРАНСФОРМАТОРА............................................................................117

4.1 Затраты на строительство ЛЭП 110кВ..........................................................................117

4.2 Затраты на замену коммутационного оборудования района ОАО «НЛМК»..............................................................................................................................................................123

4.3 Затраты на строительство управляемого трансформатора............................123

4.4 Затраты на строительство устройств FACTS............................................................124

4.5 Экономический эффект от внедрения управляемого

трансформатора..............................................................................................................................................125

ВЫВОДЫ............................................................................................................................................126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................127

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................................................................130

ПРИЛОЖЕНИЕ №1 Анализ режима работы электрической сети узла

«Липецкая ТЭЦ-2 - Правобережная»..........................................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ №2 Анализ режима работы электрической сети узла

«РП-1- ТЭЦ НЛМК»................................................................................................................................156

ПРИЛОЖЕНИЕ №3 Анализ режимов работы транзитной сети 220 кВ

от ПС 500 кВ Липецкая до ПС 500 кВ Борино................................. 161

ПРИЛОЖЕНИЕ №4 Анализ токов короткого замыкания в электрической сети района ОАО «НЛМК».................................................. 165

ПРИЛОЖЕНИЕ №5 Переходные процессы при работе управляемого

трансформатора....................................................................... 175

ПРИЛОЖЕНИЕ №6 Анализ потерь активной мощности в транзитной

электрической сети 110-500кВ без УТ и с учетом установки УТ.......... 180

ПРИЛОЖЕНИЕ №7 Практическое применение результатов диссертационной работы........................................................................ 184

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Существующая энергетика Российской Федерации характеризуется следующими особенностями:

- существенная доля выработавших нормативный срок эксплуатации и низкий темп обновления электросетевого и генерирующего оборудования;

- относительный рост нагрузок в последние годы;

- снижение требований к качеству и надежности изготавливаемого генерирующего и электросетевого оборудования как альтернатива снижения стоимости;

- сложность с выделением земли под строительство ЛЭП и объектов электроэнергетики, особенно в районах со сложной электрической сетью крупных городов и промышленных узлов;

- недостаточная загрузка сетей высокого напряжения ввиду наличия шунтирующей транзитной сети более низкого напряжения и ее перегрузка;

- отсутствие нормативных документов определяющих допустимые токовые перегрузки ЛЭП и должного мониторинга электрических сетей с целью увеличения пропускной способности электрической сети в допустимых пределах;

- с появлением в электроэнергетике рыночных отношений, желаемая загрузка станций не всегда приводит к рациональному перераспределению потоков мощности в транзитных электрических сетях;

- значительная удаленность генерирующих мощностей на наиболее дешевых энергоносителях, расположенных в отдельных районах от крупных узлов нагрузки.

В настоящее время актуальными, не в полной мере решенными, проблемами в электроэнергетике являются:

- перегруженность транзитных и распределительных электрических сетей крупных районов и промышленных узлов,

- неэкономичное перераспределение потоков мощности в транзитных и распределительных электрических сетях разных классов номинальных напряжений;

- непропорциональная загрузка сетей низкого номинального напряжения относительно сетей высокого, и их недостаточная развитость;

- в ряде регионов с сосредоточенными узлами нагрузки и генерации, относительно небольшой длиной питающих ЛЭП существуют превышения токов короткого замыкания в электрической сети выше отключающей способности коммутационного оборудования установленного на станциях и подстанциях данных районов.

Высокая плотность электрических сетей в развитых регионах и существенные экологические требования привели к сложностям в реконструкции и строительстве новых ЛЭП и подстанций. Серьезные затраты по замене морально устаревшего оборудования подстанций и медленный переход распределительных сетей на более высокие классы напряжений для передачи требуемых мощностей в крупные узлы нагрузки. Это приводит к образованию транзитных перетоков по параллельным сетям разных классов напряжений, имеющих проблемы токовых перегрузок одних транзитных ЛЭП электрических сетей при не дозагрузке других питающих ЛЭП, что приводит к неоптимальному распределению потоков мощности в таких сетях. В связи, с чем повышение пропускной способности существующих транзитных электрических сетей, особенно в ремонтных и послеаварийных режимах, управляемость электрических сетей, снижение токов короткого замыкания являются одними из актуальнейших задач современной электроэнергетики. Разработки по управлению потоками мощности в электрической сети, повышение ее пропускной способности, регулирование уровней напряжения в узлах нагрузки, по фазное симметрирование мощности и напряжений, ограничения токов короткого замыкания с использованием быстродействующих устройств, в том числе и с применением силовой полупроводниковой техники, были начаты еще в первой половине прошлого века. Этой теме уделялось большое внимание в

ряде стран: СССР, США, Канада, Япония, Германия, Великобритания, Швеция и другие [1-9]. Исследовались и совершенствовались преобразовательные схемы, так же ввиду отсутствия достаточно мощных запираемых тиристоров, на этапах развития полупроводниковой техники и использования способа искусственной коммутации имелась возможность генерации реактивной мощности в сеть [10]. Первые источники реактивной мощности с использованием тиристорных групп в цепи реакторов или конденсаторных батарей с регулируемой выдачей или потреблением реактивной мощности в сеть назывались -статическими тиристорными компенсаторами (СТК), начали использоваться с 1970 годов [11-16]. Эти разработки и исследования привели к созданию ряда статических устройств с использованием управляемых вентилей способных генерировать и потреблять реактивную мощность, а так же работающих в комбинированном режиме, направленном на демпфирование колебаний напряжения в узлах нагрузки электрической сети. С разработкой запираемых тиристоров появились новые схемы СТК основанные на многофазном преобразователе (инверторе) напряжения с запираемыми тиристорами, питаемыми от источника постоянного напряжения в виде батареи конденсаторов, получивших название - статические синхронные компенсаторы (СТАТКОМ). Перечень таких устройств приведен в [17-18]. Увеличение пропускной способности ЛЭП без свойств управляемости в [19] предлагалось решить с помощью сооружения линии повышенной натуральной мощности за счет изменения конструкции фаз, но на данный момент требуемого опыта эксплуатации таких линий еще нет. Так же в [20-33] прорабатывалось увеличение пропускной способности электроэнергетической сети с помощью, так называемых УСЛ -управляемые самокомпенсирующиеся линии электропередач (УСЛ). При применении передач УСЛ есть проблема с избыточной зарядной мощностью и поддержанием требуемых уровней напряжения ЛЭП при передаче активной мощности.

В Российской, а ранее в Советской литературе можно встретить термин гибкие (управляемые) линии электропередачи переменного тока - ГЭП. Ис-

следованиям в области ГЭП способствовало развитие с 1980 годов силовых полностью управляемых тиристоров, силовых транзисторов, что позволило применять и использовать более гибкие схемы с применением силовой полупроводниковой техники с возможностью регулирования как продольных, так и поперечных параметров электрической сети. Развитие силовой преобразовательной техники на базе запираемых тиристоров, полевых транзисторов, биполярных транзисторов с изолированным затвором способствовало в последние десятилетия расширить разработку и внедрение управляемых устройств для ЛЭП переменного тока. Увеличение номинальных напряжений и токов единичных полупроводниковых устройств и их надежности позволили обеспечить быстродействие, управляемость электрической сети в большом диапазоне передаваемых мощностей и решить ряд поставленных задач. В иностранной литературе, а в частности в США можно встретить терминологию гибких электропередач, электропередач постоянного тока, вставок постоянного тока способных управлять потоками мощности в электрической сети имеющих аббревиатуру - Flexibility of Electric Power Transmission, электропередачи переменного тока, основанные на применении всевозможных регуляторов с использованием силовой полупроводниковой техники получили название - Flexible Alternative Current Transmission System (FACTS), сами регуляторы или система направленная на изменение параметров электрической сети имеют аббревиатуру - FACTS Controller. Упомянутые выше устройства и системы направленные на управление потоками мощности рассматриваются как эффективные средства решать ряд поставленных задач и проблем связанных с управлением потоками мощности, регулированием напряжения, увеличением статической и динамической устойчивости систем электроснабжения, однако в настоящий момент они ограниченно внедряются и имеют существенные затраты на ввод в работу и эксплуатацию. Основным устройством, послужившим развитию технологий FACTS, является статический компенсатор на современной силовой полупроводниковой технике. Гибкие линии электропередачи в российской и зарубежной литературе рассмотрены в [34-103]. Так же

управление потоками мощности в электрической сети можно осуществить за счет установки вставок или линий постоянного тока, выполненные на современной силовой полупроводниковой технике. Опыт ввода передач на постоянном токе в российской и зарубежной практике начинается с 50-х годов прошлого столетия и представлен в [104-106].

Все имеющиеся разработки в российской и зарубежной литературе направленные на устройства управления потоков мощности в настоящее время имеют узкое внедрение и использование в энергосистемах разных стран. Это в первую очередь связано со сложностью схем, основанных на силовой полупроводниковой технике и как следствие значительной стоимостью таких устройств и их обслуживание. В литературных источниках отсутствуют сведения по комплексному управлению перетоками мощности в системах электроснабжения, поэтому получение управляемости транзитных электрических сетей с одновременной возможностью ограничения токов короткого замыкания на данный момент является актуальной задачей.

Задачи работы:

Научная новизна:

- предложен способ комплексного управления перетоками мощности и ограничения токов короткого замыкания в транзитных электрических сетях

35-220кВ отличающийся от известных тем, что в рассечке ЛЭП используется регулируемое инжектируемое напряжение и регулируемое индуктивное сопротивление, позволяющие управлять перетоками мощности, ликвидировать токовые перегрузки и ограничивать токи короткого замыкания в транзитных электрических сетях.

Похожие работы

Электротехника
05.09.00