автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка численно-аналитических моделей управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов для анализа электромагнитных процессов в нормальных и аварийных режимах электрических сетей

На правах рукописи

-с

КАРПОВ Виктор Николаевич

РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ УПРАВЛЯЕМЫХ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ ШУНТИРУЮЩИХ РЕАКТОРОВ ДЛЯ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В НОРМАЛЬНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические

системы

г 1 МАР 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2012

005050896

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-технический центр Федеральной Сетевой Компании Единой Энергетической Системы» (ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»),

Научный руководитель: кандидат технических наук

Киселёв Алексей Николаевич

Официальные оппоненты: Зеленохат Николай Иосифович

доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт» (НИУ «МЭИ»)

Ивакин Виктор Николаевич

кандидат технических наук, ОАО Холдинговая компания «Электрозавод», заместитель директора по науке и инновационным программам

Ведущая организация: ОАО «Институт «Энергосетьпроект»

Защита состоится 17 апреля 2013 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 512.002.01 при ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» по адресу: 115201, г. Москва, Каширское ш., д. 22, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НТЦ ФСК

ЕЭС».

Автореферат разослан «Й.» марта 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., с.н.с.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов (УШРП) в энергосистемах России было начато в 1997 г. и в перспективе предполагается только его расширение. Возможность плавного регулирования индуктивного сопротивления УШРП позволяет автоматизировать процесс стабилизации напряжения, разгрузить коммутационное оборудование, а при наличии высокой скорости набора/сброса потребляемой реактивной мощности появляется возможность использования УШРП в качестве основного средства компенсации ёмкостных токов в послеаварийных режимах работы сети.

Однако по результатам эксплуатации и системных испытаний ряда управляемых реакторов было выявлено повышенное содержание в сетевых токах УШРП гармонических составляющих, низкая скорость изменения потребляемой реакторами реактивной мощности в послеаварийных режимах работы сети, случаи повреждений вентильных преобразователей.

Для определения особенностей протекания электромагнитных процессов в УШРП необходим подробный анализ работы реакторов в различных режимах, определяемых сетью. Наиболее эффективным инструментом для решения подобных задач является математическое моделирование. Точные математические модели позволяют исследовать различные аварийные возмущения, как в сети, так и в самом устройстве.

Вопросам работы управляемых шунтирующих реакторов (УШР) в энергосистемах России и ближнего зарубежья посвящено множество работ. В частности этими вопросами занимались М.С. Либкинд, Л.И. Дорожко, A.M. Брянцев, А.Г., Долгополов, А.И. Лурье, Г.А. Евдокунин, М.А. Бики, Г.Н. Александров, В.П. Лунин, C.B. Смоловик и др. Вопросам разработки математических моделей УШР и расчёта электромагнитных переходных процессов в реакторах посвящены работы М. Ебадиана, А.Р. Лучко, С.И. Гусева, Г.М. Мустафы и др.

Вместе с тем, вышеуказанные работы направлены в основном на решение задач расширения интеграции УШР в электроэнергетические системы (ЭЭС), отыскания новых схемотехнических решений и областей применения реакторов, а также технико-экономического обоснования применения УШР в ЭЭС.

В связи с этим Филиалом ОАО «НТЦ электроэнергетики» - ВНИИЭ (ныне ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС») по заказу ОАО «ФСК ЕЭС» была выполнена научно-исследовательская работа (НИР) «Исследование сравнительной эффективности применения современных устройств регулирования реактивной мощности в сетях различных классов напряжения». Результаты, полученные в диссертации, послужили основой упомянутой НИР, состоящей из двух этапов:

- «Разработка цифровой модели УШР без отдельной обмотки подмагничивания, исследование режимов работы УШР в нормальных и аварийных режимах работы сети»;

- «Классификация средств компенсации реактивной мощности (СКРМ) на основе анализа разрабатываемых средств компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в России и за рубежом. Разработка цифровой модели УШР с отдельной обмоткой подмагничивания, исследование режимов работы УШР в нормальных и аварийных режимах работы сети».

В дальнейшем результаты работы использовались при разработке программы системных испытаний и технических требований к УШР, а также стандарта организации на управляемые устройства компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения и перетоков мощности.

Целью работы является разработка численно-аналитических моделей УШРП и исследование с их помощью электромагнитных процессов е реакторах 500 кВ различных конструкций в нормальных и аварийных режимах работы электрических сетей.

Достижение цели исследования предполагает решение следующих основных задач:

- анализ особенностей конструкций и областей применения УШРП;

- разработка численно-аналитических моделей УШРП двух подтипов с учётом особенностей их конструкций;

- разработка на основе численно-аналитических моделей УШРГ расчётных цифровых моделей;

- разработка аналитической модели УШРП 500 кВ с отдельной обмотан подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;

- расчёт и анализ электромагнитных процессов, определяемые областями применения реакторов, в УШРП 500 кВ различных конструкций;

- верификация разработанных моделей УШРП путём сопоставлени: результатов расчётов с результатами системных испытаний УШРП 500 кВ установленного на подстанции (ПС) «Таврическая» Омского предприяти; Магистральных электрических сетей (МЭС) Сибири.

Методы исследования. При решении поставленных зада-использованы методы теории электрических цепей, расчёта индуктивносте] трансформаторов и реакторов, теории матриц, линейной алгебры, теорга дифференциальных уравнений и компьютерного моделирования.

Научная новизна основных результатов диссертационной работ! состоит в следующем:

- разработаны численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различны конструкций для использования в стандартных пакетах прикладных програм! моделирования электрических цепей, позволяющие повысить устойчивость точность численного моделирования УШРП, а также уменьшить время расчёта;

- разработана аналитическая модель УШРП 500 кВ с отдельно обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимо работы реактора;

- исследованы электромагнитные процессы в УШРП 500 к] различных конструкций в нормальных, а также симметричных несимметричных аварийных режимах работы электрических сетей.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- использованием классических положений теоретической электротехники и математики;

- корректностью выполнения всех теоретических построений;

- сопоставлением результатов, полученных расчётным путём, с экспериментальными данными.

Научные положения, выносимые на защиту.

-численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различных конструкций;

-аналитическая модель УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;

-способ аналитического определения обратной матрицы индуктивностей системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в сложных магнитносвязанных цепях;

-результаты теоретического анализа, компьютерного моделирования и экспериментальных исследований электромагнитных процессов в УШРП 500 кВ. ^

Праю-ическая значимость основных результатов диссертационной работы:

- полученные в работе результаты использовались при разработке и проведении системных испытаний управляемого шунтирующего реактора на ПС 500 кВ «Таврическая» Омского предприятия МЭС Сибири в рамках НИР по договору между ОАО «ФСК ЕЭС» и Филиалом ОАО «НТЦ электроэнергетики» - ВНИИЭ в части требований к рабочим и регулировочным характеристикам УШРП, а также к его работе в динамических режимах;

- материалы работы применялись при разработке технических требований к управляемому тиристорными вентилями шунтирующему реактору 3x60 Мвар, 500 кВ в рамках НИР по договору между ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» в части требований к основным характеристикам реактора;

- результаты, полученные в работе, использовались при разработке стандарта организации (СТО 70238424.29.240.99.003-2009 «Управляемые устройства компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения и перетоков мощности. Условия создания. Нормы и требования») в части требований к быстродействию УШР;

- разработанные цифровые модели УШРП 500 кВ различных конструкций позволяют рассчитывать переходные, в том числе несимметричные, режимы работы ЭЭС, содержащих УШРП;

- методика, использованная при разработке численно-аналитических моделей УШРП, может применяться при решения широкого круга прикладных электротехнических задач.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- II Всероссийском конкурсе молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики (Дивноморск, 2007);

- XVI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010);

- научных семинарах и заседаниях кафедры техники и электрофизики высоких напряжений (ТЭВН) Московского Энергетического института (МЭИ);

- заседаниях научно-технического совета (НТС) ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено

в 5 печатных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, содержащего 67 наименований, и 3 приложений. Текстовая часть изложена на 153 страницах (рисунков 110, таблиц 1) и 59 страницах приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, даётся общая характеристика работы, формулируются цели и задачи исследований

Проведённый в первой главе анализ особенностей конструкций и требований к рабочим характеристикам УШРП, определяемых областями применения реакторов, показал следующее.

Возможность непрерывного изменения индуктивного сопротивления ТИР в широких пределах существенно расширяет их возможности и позволяет повысить надёжность и экономическую эффективность работы ЭЭС, а также продлить сроки службы электрооборудования. Однако использование УШР помимо нормальных, также и в послеаварийных режимах работы ЭЭС ведёт к ряду дополнительных требований к рабочим характеристикам реакторов, в частности к высокому быстродействию и сохранению управляемости.

История создания управляемых реакторов берёт своё начало с 30-х годов XX века. С тех пор принципы управления и конструкции управляемых реакторов претерпели кардинальные изменения. Появилось два новых научных направления, связанных с управляемыми шунтирующими реакторами трансформаторного типа (УИ1РТ) и УШР с подмагничиванием (УШРП).

Одними из основных технических особенностей УШРП являются: задействование области насыщения кривой намагничивания стали; применение бронестержневых магнитопроводов с подразделённым (расщеплённым) стержнем специальной конструкции; значение напряжения короткого замыкания 50% и более; подключение маломощного и относительно низковольтного вентильного преобразователя ко вторичной обмотке или между эквипотенциальными в нормальном режиме работы точками электромагнитной части (ЭМЧ); использование компенсационной обмотки (КО) для фильтрации высших гармоник в сетевом токе.

УШРП получили широкое распространение в ЭЭС России, и в перспективе видится лишь расширение их интеграции в Единую национальную электрическую сеть (ЕНЭС). Класс напряжения и номинальная мощность УШРП постоянно растут, появляются более современные конструкции и подтипы реакторов. Наиболее перспективными конструкциями

УШРП на сегодняшний день являются реакторы 500 кВ с отдельной обмоткой

подмагничивания и без неё. „ vlIIt)n

По результатам эксплуатации и системных испытании ушш установлено, что эти устройства успешно стабилизируют напряжение сети в нормальных режимах работы в условиях слабозагруженных воздушных линии. Однако для ряда реакторов были выявлены низкая скорость изменения потребляемой реактивной мощности в послеаварийных режимах работы сети, повышенное содержание в сетевых токах гармонических составляющих, отказы вентильных преобразователей.

Вторая глава посвящена разработке численно-аналитических и цифровых моделей УШРП, а также аналитической модели реактора для

анализа установившихся режимов.

Магнитный поток обмотки на ферромагнитном сердечнике обычно представляется в виде потока рассеяния и потока в сердечнике. Тогда индуктивность обмотки можно представить в виде суммы двух составляющих: L = L +L„, обусловленных соответствующими магнитными потоками. При работе УШРП в отличие от неуправляемых реакторов или силовых трансформаторов задействуется область насыщения кривой намагничивания стали, что приводит к нелинейной зависимости значений L„ от тока.

' Дифференциальное уравнение, описывающее электромагнитные процессы в обмотке реактора, записывается следующим образом

L di/dt + Ri = и,

где L, R, i и и - индуктивность, активное сопротивление, ток и напряжение обмотки соответственно. В соответствии с приведённым уравнением в схеме замещения УШРП его обмотки можно представить в виде управляемых источников тока (рисунок 1, а)). Блок-схема представления дифференциального уравнения в операторной форме показана на рисунке 1, б).

(v)-«- ¡=Л<о, и)

I—1

□чшЬ

М-

а) 5)

Рисунок 1 - Расчётная схема замещения (а) и блок-схема представления дифференциального уравнения обмотки УШРП в операторной форме (б)

Математическую модель УШРП можно создать, заменив каждую из секций обмоток реактора управляемым источником тока. Однако подобный подход приводит к появлению особых разрезов (разрезов, все ветви которых

представляют собой источники тока).

При расположении одинаковых секций обмотки (с собственными

индуктивностями =£2 =1) на стержне одна под другой и допущении о

параллельности силовых линий магнитного поля стержню в пределах окна магнитопровода, в любой момент времени с каждой из секций сцепляется один и тот же магнитный поток и коэффициент их магнитной связи К равен единице. Тогда величина взаимной индуктивности таких секций (Л/,2) будет равна их собственным индуктивностям

\Ма\ = К^1Щ = 1 (1)

и дифференциальные уравнения секций будут линейно зависимыми.

Наличие особых разрезов в схеме замещения электрической цепи и алгебраические связи между отдельными уравнениями приводят к тому, что совместная система дифференциальных уравнений, составленная из уравнений секций обмоток УШРП и описывающая электромагнитные процессы в реакторе, является вырожденной. Это, в свою очередь, ведёт к невозможности или высокой сложности получения численного решения подобной системы непосредственно. В результате для решения системы дифференциальных уравнений УШРП с применением стандартных пакетов прикладных программ моделирования электрических цепей требуется выполнение предварительных аналитических преобразований данной системы, т.е. разработка численно-аналитических моделей УШРП.

В большинстве методов численного интегрирования дифференциальных уравнений, а также в современных средствах компьютерного моделирования процессов в электрических цепях используется запись уравнений (систем уравнений) в стандартной форме Коши:

Л/Л = Ь'х(и-Кх1). (2)

Для перехода к данной форме записи требуется обращение матрицы индуктивностей Ь. Однако преобразованная система дифференциальных уравнений УШРП, как правило, является плохо обусловленной (число обусловленности по спектральной норме может достигать 105). Численное обращение подобных матриц приводит к необходимости многократного увеличения точности расчёта на каждом шаге и резкому росту погрешности и времени расчёта. Точные (прямые) методы обращения не применимы для плохо обусловленных систем.

На рисунке 2, а) показана электрическая схема замещения фазы УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой управления (ОУ), совмещающей выполнение функций КО. Одноимённые зажимы обозначены звёздочками и применена следующая система индексов:

- первый индекс соответствует типу обмотки (сетевая - «с», управления -«у», компенсационная - «к»);

- второй индекс - стержню магнитопровода (первый - «I», второй - «II»);

- третий индекс - секции обмотки стержня (первая - «1», вторая - «2»).

Рисунок 2 - Электрическая схема замещения фазы УШРП с отдельной ОУ, совмещающей функции КО (а) и система контурных токов (б)

Составляющие системы уравнений (2), описывающей электромагнитные процессы в фазе УШРП, в матричной форме будут иметь следующий вид

" 4 М1 Л/, -мп ч 4/2 0 0 0 о" Ч

щ МП2 0 0 'у., 0 0 0 0 муп

мх Кг ^ 0 0 'у* 0 0 ^ 0 0 , и = %

-К 0 0 ^ мн12 0 0 0 0

0 0 мт 2 V 0 0 0 0

С учётом (1) |М112| = £У1, \Ми]2\ = Ьуи система уравнений становится вырожденной с рангом 3. Использование системы контурных токов по рисунку 2, б), позволяет исключить зависимые переменные (г3 -¡2 + '4) и представить составляющие преобразованной системы уравнений в виде

к 2(м1-м11) 2М," "»1 Х/2 0 о" «с

ь = Л/.-М,, 5 ' <2 0 2Лу ЛУ "у

м,+мп Фу.-^У,,) Л. 0 0 ."к

Это даёт возможность записать составляющие совместной системы уравнений трёх фаз УШРП в виде блочных матриц с окаймлением

ь =

А. 0

О А»

О О

с„ с.

о о

Ас С.

В» в.

и =

К'

о о о

о

К'

о о

о о

К'

о

Я" К" Л"

ЗЛ„

1 а "и/

1 ь У — и»

и =

ие

с

' 4 0

' В* =2 'Мп >

Ми-Мп„ 2 (¿Уи+0. А».

1Г =

0" Ч»" с*

Л. ' и» = .V 'о,

с* =|ми+м1и

К' =

Х/2 о

О 2 Я,

к = а,Ь,с -фазыУШРП.

е-' =

X 0 0 " "в;

где А = 0 А. 0 > в = В»

0 0

в этом случае задачу определения обратной матрицы индуктивностей Ь (размерностью п*п) при помощи формулы Фробениуса можно свести к задаче определения т обратных матриц А, (размерностью (п-\)/тх(п-\)/т, где/и -количество фаз УШРП, описываемых исходной системой уравнений) и алгебраическим операциям с матрицами

Га-' + А"1 X В X Н"1 хС X А"1 -А-'хВхН -Н1 хСхА1 Н"1

с = [с„ с4 с л

> б = Э, Н = 5-СхА'ХВ.

При этом число обусловленности по спектральной норме матриц А* будет на

1-2 порядка меньше, чем у исходной матицы Ь, что помимо возможности использования точных (прямых) методов обращения способствует увеличению устойчивости и точности численного решения системы дифференциальных уравнений, а также уменьшению времени расчёта.

При разработке численно-аналитических моделей УШРП было исследовано влияние учёта боковых ярм магнитопровода реактора на скорость и точность расчёта его цифровых моделей. Установлено, что с учётом боковых ярм возникает необходимость учёта в моделях УШРП взаимоиндукгивной связи между обмотками соседних стержней. Это ведёт к описанию математической модели не дифференциальными, а алгебро-дифференциальными уравнениями и на каждом шаге интегрирования, помимо прочего, требуется нахождение потокораспределения в магнигопроводе в результате решения системы нелинейных уравнений, составленных по законам Кирхгофа для магнитнои цепи. Последнее, в свою очередь, приводит к значительному усложнению моделей УШРП и увеличению длительности их расчёта при несущественном увеличении его точности. Поэтому при разработке расчётных моделей УШРП допустимо считать боковые ярма бронестержневого магнитопровода не насыщающимися во всём диапазоне изменения магнитного потока.

Аналитическая модель УШРП с отдельной ОУ для исследования установившихся режимов работы реактора разрабатывалась в виде

аналитических выражений временных зависимостей токов и напряжений обмоток реактора, записанных в параметрической форме относительно состояния насыщения стержней магнитопровода.

Пусть кривая намагничивания стали состоит из двух линейных

участков. Напряжение сети имеет вид мс(г) = С/см5т(о/+^), где со = 2гс!Т -круговая частота; у/ - фазовый сдвиг относительно сетевого тока. В напряжении иу(0, прикладываемом к ОУ, отсутствуют гармонические пульсации. При работе УШРП стержни его магнитопровода могут пребывать в насыщенном или ненасыщенном состояниях в зависимости от значений переменного и постоянного магнитных потоков. Установлено, что каждая смена магнитных состояний стержней сопровождается интервалом времени Д, в течение которого оба стержня находятся в ненасыщенном состоянии. Величина этого интервала времени уменьшается от 7У2 до близкого к нулю значения по мере изменения режима работы УШРП от холостого хода (XX) до номинального соответственно. Период напряжения сети можно разбить на 4 интервала в соответствии с характерными магнитными состояниями стержней и ввести следующую систему индексов:

1) ненасыщены оба стержня - 00, / е (0, А);

2) насыщен первый и ненасыщен второй стержень - 10, / е (Д, Г/2);

3) ненасыщены оба стержня- 00 , г е(т/2,Т/2 + А);

4) ненасыщен первый и насыщен второй стержень - 01 г е (Г/2 + Д, т). Высокая добротность УШРП позволяет пренебречь активными сопротивлениями секций сетевой обмотки (СО) и решить для этого случая систему дифференциальных уравнений реактора аналитически, получив набор интервальных функций токов обмоток реактора (период функции тока ОУ составляет половину периода функции тока СО)

«V

1-е

£_

к.

■М)

1-е

с,

(,-д)

я„

|соз(ю/+^)-т0 зт(е;г + '//)"[«, (а)соз(|//)- аг (д)зт(у/)]е

М)

«с1о(')=-

и*

\(ьСа +1С1 )со$(со1 + ц/)-^ - ¿с, )со5(аД + ^)]+

7 (Л=_3-_\ги С05{т + ¥)МС - £с )соз(®Д + у/)-{ь - Ь )соб(^)]- Аг[(уо(д)-I,(о)}

где Rm = 2Ry - эквивалентное активное сопротивление ОУ; L3a0, Lc0 и , 4, - эквивалентная индуктивность ОУ и индуктивность секции СО при ненасыщенном состоянии обоих стержней и переходе одного из стержней в насыщенное состояние соответственно; К, т0, т{ - постоянные коэффициенты, определяемые конструкционными параметрами УШРП;

а, (Д) = cos(ü>a) - т0 sin (юД), а2 (д) = sin(í»A) + т0 cos(©A).

Кривые токов обмоток УШРП, построенные с помощью полученных зависимостей для номинального режима работы реактора, показаны на рисунке 3.

2000|iv>A 1S00

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -300і

Рисунок 3 - Токи обмоток УШРП в номинальном режиме работы

Таким образом, разработана модель УШРП с отдельной обмоткоГ подмагничивания, позволяющая получать аналитические зависимости токов і напряжений обмоток реактора для различных установившихся режимов работы.

В третьей главе выполнен анализ результатов численноп моделирования симметричных и несимметричных установившихся і переходных процессов в УШРП 500 кВ двух конструкций: с отдельно!" обмоткой подмагничивания и без неё.

По результатам анализа электромагнитных процессов в УШРП бе. отдельной обмотки подмагничивания в установившихся режимах работа установлено, что статическая характеристика реактора имеет линейны)" характер, несинусоидальность сетевого напряжения не влияет на процессы і нём, а зависимость коэффициента искажения сетевого тока от режима работа УШРП является нелинейной, практически всюду превышая в 2^3 раз величину, установленную в технических требованиях. При работе УШРП замкнутой КО в неполнофазном режиме возможно появление опасны: перенапряжений и токов.

В симметричных динамических режимах работы реактора возможны дв типа переходных процессов. Если магнитное состояние стержней УШРІ соответствует восстанавливающейся системе напряжений, то регулировани его реактивной мощности осуществляется плавно, без каких-либо броско токов. Для таких режимов работы УШРП, как включение и 1&г) на смежно: линии, характерно возникновение неуправляемого переходного процег

характеризующегося значительными пульсациями токов в обмотках и в преобразователе. Так, если до момента возникновения короткого замыкания (КЗ) реактор работал в режиме XX, то при восстановлении напряжения в сетевом токе УШРП могут появиться пульсации с амплитудой в 2,2 раза больше номинальной, а кратность тока КО достигать 5,3. При этом в нейтралях реактора имеют место перенапряжения кратностью порядка 3,0 (без учёта действия защитных аппаратов).

При работе УШРП в несимметричных динамических режимах в зависимости от вида режима варьируются броски токов, величины перенапряжений в нейтральных точках и длительность переходного процесса. Наиболее тяжёлым с точки зрения повышения сетевых токов является при работе УШРП до аварии в номинальном режиме - токовые перегрузки доходят при этом до 2,4, а затухание возмущения наблюдается лишь по прошествии (8,5^-9) с. С точки зрения перенапряжений - наиболее неблагоприятно (кратность без учёта действия защитных аппаратов составляет 2,9), а наибольшие броски тока КО проявляются при Л^1,1' в номинальном режиме работы реактора (кратность порядка 7,1).

Анализ электромагнитных процессов в УШРП с отдельной обмоткой подмагничиванш выполнялся для двух схемотехнических исполнений реактора: с СО, расщеплённой на секции по стержням, и единой СО, охватывающей оба стержня. По результатам проведённого анализа установлено, что время полного набора мощности реакторов данного подтипа в форсированном режиме составляет (0,25-4),3) с, а в режиме автоматического поддержания напряжения в замкнутом контуре регулирования — (2-^2,5) с при статизме регулирования 1%. С ростом статизма время переходного процесса увеличивается. Аналогичные результаты получены для случая полного сброса мощности УШРП с единой СО.

Исследованы переходные процессы в аварийных режимах работы сети: при близком Л53) на смежной линии и А41' на линии с реактором. Показано, что при КЗ на смежной линии вид переходных процессов зависит от момента восстановления напряжения. В неблагоприятных случаях даже при работе УШРП в режиме, близком к XX, возникают длительные неуправляемые переходные процессы, которые могут негативно влиять на динамическую устойчивость системы. При Л*1' и закорачивании ОУ реакторов две фазы УШРП, подключенные к неповреждённым фазам линии, эквивалентны линейным реакторам с мощностью приблизительно в 2 раза большей номинальной мощности фазы.

Показано, что из-за особенностей схемы УШРП с расщеплённой СО и нелинейных свойств преобразователя регулирование мощности реактора данного исполнения возможно лишь в сторону увеличения её значения. Длительность процесса уменьшения мощности от номинальной до XX определяется исключительно конструкционными параметрами ЭМЧ УШРП, не зависит от величины ЭДС преобразователя и составляет более 10 с. При этом при попытке форсированного снижения потребляемой реактивной мощности в УШРП с расщеплённой СО возможно появление перенапряжений порядка 35 кВ

(без учёта действия защитных аппаратов) длительностью Д' около 280 мкс на выводах вентильного преобразователя класса напряжения 1 кВ (рисунок 4).

363432 30 28 26 24 22 <Э 20 - 1« ->Ч6 14 12 10

\

\/

\/

А'

\

,0 1—2—3—3—5—5—I—5 У

-Ші) /

ІЛ

уср

п и 14 і; І» ія

Ї, мс

Рисунок 4 - Напряжение на выводах ОУ УШРП в режиме форсированного снижения потребляемой реактивной мощности

В четвёртой главе выполнен анализ результатов системных испытани УШРП 500 кВ с отдельной ОУ и единой СО, установленного на П< «Таврическая» Омского предприятия МЭС Сибири. Осуществлен

верификация цифровых моделей УШРП.

По результатам системных испытаний установлено, что УШРП 5ии к) на ПС «Таврическая» успешно стабилизирует напряжение сети в нормальны режимах работы в условиях слабозагруженных ВЛ 500 кВ. При включении и XX вне зависимости от наличия подмагничивания УШРП потребляе реактивную мощность, близкую к номинальному значению, в течеш переходного процесса продолжительностью до нескольких секунд.

Подключение УШРП к шинам 500 кВ ПС вызывает увеличен! коэффициента 11-й гармонической составляющей напряжения сети и мож( приводить к выходу его значения за пределы, установленные ГОСТ 13109-9 При изменении мощности УШРП в диапазоне регулирования 5-я гармониі сетевых токов превышает значение, определяемое техническими требованиями.

Возникновение в динамических режимах работы внутренш повреждений системы подмагничивания УШРП обуславливает необходимое её доработки с учётом возможных перенапряжений, возникающих щ нарушении «эквипотенциальное™» в месте подключения.

Выполнена верификации разработанных моделей УШРП в результа сопоставления расчётных зависимостей с результатами системных испытан] аналогичного реактора в одних и тех же режимах. На рисунке 5 представлеї расчётные и экспериментальные осциллограммы сетевых токов УШРП 500 кЕ отдельной ОУ и единой СО в установившихся режимах работы, а на рисунке б процессы включения того же реактора на XX без и с предварительнь подмагничиванием (расчётные кривые показаны серым цветом).

20г Юг

1 =6 А

А ^

'200 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.....~ 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

и г, с

ЗООг-

ш

/

• - Ч1 =133 А

V с /

...............ГУ-Ц. 1с=33 л ГУЧ.

-50ь.

Г

„ 150

; ок

—"•150 V

-зооь

"V

=167 А

ЧС

Ч........,

О 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 1,с I, с

300

.У

/- -"67 А

Д!

7

: / "-150 /

..'"X I =200А

\ / \ С ; /

\ / N . У

О 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 и и

400;----------г—------------------------......—

'-Г-Ч...... ....., I - 100Л /1

/ ^ . / 4 с /

. О / :......\ ;-■ \

^ 200 ^ О'

-400'-

I =233 А

О 001 0 02 0.03 0.04 0.05 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 1.с I. с

Рисунок 5 - Мгновенные значения сетевого тока УШРП 500 кВ с отдельной ОУ в различных установившихся режимах работы

.200

---200 -зоос

200, « О ¿•200 '"400

0.05

0.1 0.15 0.2 0.25 и

\\м\<т

0.05

0.15

0.2 025

0.05

0;

200: ^ о1 ^-•200 -400

1 "ЛШЛ

0.05 0.1 0.15

1С

0.2 0.25

шш

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

1.С

1\1\1\!\!

0.05

0.1 0.15 и

0.25

0.1 0.15 02 0.25 и

Рисунок 6 - Мгновенные значения сетевого тока УШРП 500 кВ с отдельной ОУ при его включении на XX без и с предварительным подмагничиванием

Некоторое расхождение кривых установившихся режимов отмечается лишь в режимах, близких к XX, когда в сетевых токах УШРП преобладают высшие гармоники, точный учёт которых возможен лишь при подробном

представлении вентильного преобразователя в модели реактора и точном

воспроизведении режима сети.

Отличие экспериментальных зависимостей от расчётных в переходных режимах наблюдается в основном лишь в значениях апериодической составляющей. Этот факт может объясняться тем, что реальная электрически сеть представляет собой сложный колебательный контур. На течение переходного процесса при изменении параметров одного узла сет* существенное влияние оказывают параметры всех остальных узлов, приводя I возникновению дополнительных свободных составляющих в токах I напряжениях по сравнению с процессами в упрощённых схемах замещения сети.

В остальном во всём диапазоне изменения реактивной мощносп реактора наблюдается хорошее соответствие расчётных и экспериментальны; зависимостей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Выполнен анализ конструкций и областей применения УШР1 различных подтипов. По результатам анализа установлены общие технически особенности управляемых подмагничиванием реакторов: задействование рабочих режимах области насыщения кривой намагничивания стал! применение бронестержневых магнитопроводов с подразделённьп (расщеплённым) стержнем специальной конструкции; значение напряжени короткого замыкания 50% и более; подключение маломощного и относительн низковольтного вентильного преобразователя ко вторичной обмотке ил между эквипотенциальными в нормальном режиме работы точками ЭМ1 использование КО для фильтрации высших гармоник в сетевом токе и Д1 Установлено, что использование УШРП в качестве линейных реакторов системообразующих сетях ведёт к требованию их высокого быстродействия сохранения управляемости в динамических режимах работы.

Определено, что системы дифференциальных уравнений, описываюцц электромагнитные процессы в УШРП, зачастую являются вырожденными. Это, свою очередь, ведёт к невозможности или высокой сложности получена численного решения подобных систем непосредственно и к необходимое: выполнения предварительных аналитических преобразований данных систем, т. к разработке численно-аналитических моделей УШРП для применен) стандартных пакетов прикладных программ моделирования электрических цепей Разработан способ аналитического определения обратной матрии индуктивностей системы дифференциальных уравнений, описывающ] электромагнитные процессы в сложных магнитносвязанных цепях, основаннь на использовании метода контурных токов и формулы Фробениуса д обращения блочных матриц с окаймлением.

Разработаны численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различи! подтипов для анализа электромагнитных процессов. При этом исследова] влияние учёта боковых ярм бронестрежневого магнитопровода УШРП скорость и точность расчёта цифровых моделей. Установлено, что п]

разработке расчётных моделей УШРП допустимо считать боковые ярма не насыщающимися во всём диапазоне изменения магнитного потока.

На основе численно-аналитических моделей УШРП 500 кВ различных подтипов разработаны цифровые расчётные модели реакторов в среде Ма^аЫБтшНпк. Разработана аналитическая модель УШРП с отдельной ОУ для исследования установившихся режимов работы реактора.

При помощи расчётных цифровых моделей УШРП 500 кВ различных подтипов, а также аналитической модели УШРП с отдельной ОУ выполнен анализ различных электромагнитных процессов в реакторах. По результатам анализа установлено, что регулировочные характеристики УШРП рассматриваемых конструкций близки к линейным, несинусоидальность сетевого напряжения не влияет на процессы в реакторах, а степень несинусоидальности сетевых токов зависит от режима работы УШРП. При работе УШРП с замкнутой КО в неполнофазном режиме возможно появление опасных перенапряжений и токов. Время полного набора и сброса мощности УШРП в режиме автоматического поддержания напряжения в замкнутом контуре регулирования составляет несколько секунд, а в форсированном режиме - (0,25-0,3) с. В УШРП 500 кВ с отдельной ОУ и расщеплённой СО длительность переходного процесса снижения потребляемой реактивной мощности определяется исключительно добротностью ЭМЧ данного реактора, а при попытке форсированного снижения реактивной мощности на выводах вентильного преобразователя класса напряжения 1 кВ возможно появление перенапряжений около 35 кВ (без учёта действия защитных аппаратов) длительностью приблизительно 280 мкс.

В симметричных динамических режимах работы реакторов возможны два типа переходных процессов, определяемых соответствием/несоответствием восстанавливающейся системы напряжений магнитному состоянию ЭМЧ УШРП. В переходных режимах работы в обмотках УШРП возможно появление бросков токов, а на выводах вентильных преобразователей - опасных перенапряжений. Переходные процессы при этом являются длительными и неуправляемыми. В момент восстановления напряжения при в сети УШРП начинает потреблять реактивную мощность, близкую к номинальной вне зависимости от предыдущего режима работы, что может привести к снижению динамической устойчивости энергосистемы. При Х<1) и закорачивании ОУ реактора две фазы УШРП, подключенные к неповреждённым фазам линии, эквивалентны линейным реакторам с мощностью приблизительно в 2 раза большей номинальной мощности фазы.

Проведён анализ результатов системных испытаний УШРП 500 кВ, установленного на ПС «Таврическая» Омского предприятия МЭС Сибири. Установлено, что УШРП 500 кВ успешно стабилизирует напряжение сети в нормальных режимах работы в условиях слабозагруженных ВЛ 500 кВ. При включении на XX вне зависимости от наличия подмагничивания УШРП потребляет реактивную мощность, близкую к номинальному значению, в течение переходного процесса, продолжительность которого может составлять несколько секунд. Возникновение в динамических режимах работы

внутренних повреждений системы подмагничивания УШРП обуславливает необходимость её доработки с учётом возможных перенапряжений, возникающих при нарушении «эквипотенциальное™» в месте подключения.

Выполнена верификация разработанных моделей УШРП с отдельной ОУ в установившихся и динамических режимах работы в результате сопоставления расчётных зависимостей с результатами системных испытаний. Установлено, что разработанные модели УШРП достоверно отражают электромагнитные процессы в устройстве.

По результатам проведённого исследования можно рекомендовать разработанные цифровые модели УШРП 500 кВ различных конструкций к использованию для целей расчёта переходных, в том числе несимметричных, процессов в цепях с УШРП, определения требований к УШР, а также оптимизации функциональных параметров реакторов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих источниках:

1. Карпов В.Н., Киселёв А.Н. Разработка модели управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора // П-я Всероссийская конференция по итогам конкурса молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики. Секция II. - Дивноморск. - 2007. - С. 312 - 313.

2. Гусев С.И., Карпов В.Н., Киселёв А.Н., Кочкин В.И. Результаты системных испытаний шинного управляемого шунтирующего реактора 500 кВ на подстанции «Таврическая» // Электрические станции. -2009. - №7. - С. 46 - 53.

3. Карпов В.Н. Разработка расчётной модели управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора // XVI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Том 3. - Москва. - 2010 - С. 493 - 494.

4. Карпов В.Н. Анализ электромагнитных процессов в управляемом подмагничиванием шунтирующем реакторе с помощью расчётной модели // XVI Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Том 3. - Москва. - 2010. -С. 494 - 496.

5. Карпов В.Н., Киселёв А.Н. Разработка численно-аналитических моделей УШР с подмагничиванием // Электричество. - 2012. - №8. - С. 7 - 19.

Подписано в печать ■'12,0^.12>. Формат60x84/16. Усл.печл. 1,250. Тираж -ЮРэкз. Заказ № 22.

Типография ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС». 115201, г. Москва, Каширское ш., д. 22, корп. 3

Открытое акционерное общество «Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы»

(ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»)

На правах рукописи

04201354979

КАРПОВ Виктор Николаевич

Разработка численно-аналитических моделей управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов для анализа электромагнитных процессов в нормальных и аварийных режимах

электрических сетей

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические

системы

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н. Киселёв А.Н.

Москва-2012

Оглавление

Введение..........................................................................................................................5

1 Анализ конструкций и областей применения УШР........................................10

1.1 Современные и перспективные области применения ШР.........................10

1.1.1 ШР в энергосистемах..............................................................................10

1.1.2 Преимущества управляемости ШР.......................................................13

1.2 Анализ внедрения и модификации конструкций УШР..............................14

1.2.1 Модификация конструкций УШР.........................................................14

1.2.2 УШРП с отдельной обмоткой подмагничивания................................20

1.2.3 УШРП без отдельной обмотки подмагничивания..............................24

1.3 Опыт эксплуатации УШРП...........................................................................27

2 Разработка расчётных моделей УШРП.............................................................31

2.1 Основные положения.....................................................................................31

2.2 Обоснование допущений...............................................................................33

2.2.1 Общие допущения..................................................................................33

2.2.2 Эквивалентирование вентильного преобразователя...........................35

2.2.3 Анализ влияния магнитных сопротивлений боковых ярм магнитопровода на параметры расчёта............................................................37

2.3 Определение индуктивностей обмоток УШРП...........................................41

2.4 Разработка численно-аналитических моделей УШРП без отдельной обмотки подмагничивания.....................................................................................44

2.4.1 Общие положения...................................................................................44

2.4.2 Разработка модели фазы УШРП...........................................................45

2.4.3 Разработка трёхфазной модели УШРП................................................48

2.5 Разработка численно-аналитических моделей УШРП с отдельной обмоткой подмагничивания...................................................................................51

2.5.1 Разработка модели фазы УШРП...........................................................51

2.5.2 Разработка модели фазы УШРП с ОУ, совмещающей функции КО 52

2.5.3 Разработка модели фазы УШРП с учётом боковых ярм магнитопровода...................................................................................................55

2.5.4 Разработка трёхфазной модели УШРП................................................57

2.6 Разработка цифровых моделей УШРП........................................................59

2.6.1 Особенности использованной среды компьютерного моделирования59

2.6.2 Разработка цифровых моделей УШРП без отдельной обмотки подмагничивания................................................................................................62

2.6.3 Разработка цифровых моделей УШРП с отдельной обмоткой подмагничивания................................................................................................63

2.7 Разработка аналитической модели УШРП с отдельной обмоткой подмагничивания и расщеплённой СО.................................................................65

2.7.1 Общие положения...................................................................................65

2.7.2 Разработка модели УШРП для анализа установившихся режимов .. 66

3 Анализ электромагнитных процессов в УШРП...............................................75

3.1 Электромагнитные процессы в УШРП без отдельной обмотки подмагничивания....................................................................................................75

3.1.1 Анализ установившихся симметричных режимов работы.................75

3.1.2 Анализ установившихся несимметричных режимов работы.............77

3.1.3 Анализ переходных симметричных режимов работы........................81

3.1.4 Анализ переходных несимметричных режимов работы....................90

3.2 Электромагнитные процессы в УШРП с отдельной обмоткой подмагничивания....................................................................................................94

3.2.1 Анализ установившихся режимов работы...........................................94

3.2.2 Анализ переходных симметричных режимов работы........................96

3.2.3 Анализ процессов форсированного изменения мощности................99

3.2.4 Анализ переходных несимметричных режимов работы..................110

4 Анализ экспериментальных данных и верификация расчётных моделей УШРП......................................................................................................................... 118

4.1 Анализ результатов системных испытаний УШРП..................................118

4.1.1 Анализ показателей качества электроэнергии (ПКЭ).......................118

4.1.2 Характеристики УШРП при ступенчатом изменении мощности ... 120

4.1.3 Быстродействие УШРП в режиме стабилизации напряжения........122

4.1.4 Проверка быстродействия УШРП в режиме стабилизации тока .... 126

4.1.5 Работа УШРП в динамических режимах...........................................128

4.2 Верификация разработанных моделей УШРП..........................................134

4.2.1 Сопоставление зависимостей установившихся режимов.................134

4.2.2 Сопоставление зависимостей динамических режимов.....................138

Заключение................................................................................................................142

Список сокращений и условных обозначений.......................................................145

Список литературы...................................................................................................147

Приложение А Цифровые модели УШРП.....................................................154

Приложение Б Результаты расчётов...............................................................163

Приложение В Результаты системных испытаний УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания.....................................................................................206

Введение

Актуальность темы. Внедрение управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов (УШРП) в энергосистемах России было начато в 1997 г. и в перспективе предполагается только его расширение. Возможность плавного регулирования индуктивного сопротивления УШРП позволяет автоматизировать процесс стабилизации напряжения, разгрузить коммутационное оборудование, а при наличии высокой скорости набора/сброса потребляемой реактивной мощности появляется возможность использования УШРП в качестве основного средства компенсации ёмкостных токов в послеаварийных режимах работы сети.

Однако по результатам эксплуатации и системных испытаний ряда управляемых реакторов было выявлено повышенное содержание в сетевых токах УШРП гармонических составляющих, низкая скорость изменения потребляемой реакторами реактивной мощности в послеаварийных режимах работы сети, случаи повреждений вентильных преобразователей.

Для определения особенностей протекания электромагнитных процессов в УШРП необходим подробный анализ работы реакторов в различных режимах, определяемых сетью. Наиболее эффективным инструментом для решения подобных задач является математическое моделирование. Точные математические модели позволяют исследовать различные аварийные возмущения, как в сети, так и в самом устройстве.

Вопросам работы управляемых шунтирующих реакторов (УШР) в энергосистемах России и ближнего зарубежья посвящено множество работ. В частности этими вопросами занимались М.С. Либкинд, Л.И. Дорожко, A.M. Брянцев, А.Г., Долгополов, А.И. Лурье, Г.А. Евдокунин, М.А. Бики, Г.Н. Александров, В.П. Лунин, C.B. Смоловик и др. Вопросам разработки математических моделей УШР и расчёта электромагнитных переходных процессов в реакторах посвящены работы М. Ебадиана, А.Р. Лучко, С.И. Гусева, Г.М. Мустафы и др.

Вместе с тем, вышеуказанные работы направлены в основном на решение задач расширения интеграции УШР в электроэнергетические системы (ЭЭС), отыскания новых схемотехнических решений и областей применения реакторов, а также технико-экономического обоснования применения УШР в ЭЭС.

В связи с этим Филиалом ОАО «НТЦ электроэнергетики» - ВНИИЭ (ныне ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС») по заказу ОАО «ФСК ЕЭС» была выполнена научно-исследовательская работа (НИР) «Исследование сравнительной эффективности применения современных устройств регулирования реактивной мощности в сетях различных классов напряжения». Результаты, полученные в диссертации, послужили основой упомянутой НИР, состоящей из двух этапов:

- «Разработка цифровой модели УШР без отдельной обмотки подмагничивания, исследование режимов работы УШР в нормальных и аварийных режимах работы сети»;

- «Классификация средств компенсации реактивной мощности (СКРМ) на основе анализа разрабатываемых средств компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в России и за рубежом. Разработка цифровой модели УШР с отдельной обмоткой подмагничивания, исследование режимов работы УШР в нормальных и аварийных режимах работы сети».

В дальнейшем результаты работы использовались при разработке программы системных испытаний и технических требований к УШР, а также стандарта организации на управляемые устройства компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения и перетоков мощности.

Целью работы является разработка численно-аналитических моделей УШРП и исследование с их помощью электромагнитных процессов в реакторах 500 кВ различных конструкций в нормальных и аварийных режимах работы электрических сетей.

Достижение цели исследования предполагает решение следующих основных задач:

- анализ особенностей конструкций и областей применения УШРП;

- разработка численно-аналитических моделей УШРП двух подтипов с учётом особенностей их конструкций;

- разработка на основе численно-аналитических моделей УШРП расчётных цифровых моделей;

- разработка аналитической модели УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;

- расчёт и анализ электромагнитных процессов, определяемых областями применения реакторов, в УШРП 500 кВ различных конструкций;

- верификация разработанных моделей УШРП путём сопоставления результатов расчётов с результатами системных испытаний УШРП 500 кВ, установленного на подстанции (ПС) «Таврическая» Омского предприятия Магистральных электрических сетей (МЭС) Сибири.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, расчёта индуктивностей трансформаторов и реакторов, теории матриц, линейной алгебры, теории дифференциальных уравнений и компьютерного моделирования.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:

- разработаны численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различных конструкций для использования в стандартных пакетах прикладных программ моделирования электрических цепей, позволяющие повысить устойчивость и точность численного моделирования УШРП, а также уменьшить время расчёта;

- разработана аналитическая модель УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;

- исследованы электромагнитные процессы в УШРП 500 кВ различных конструкций в нормальных, а также симметричных и несимметричных аварийных режимах работы электрических сетей.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- использованием классических положений теоретической электротехники и математики;

- корректностью выполнения всех теоретических построений;

- сопоставлением результатов, полученных расчётным путём, с экспериментальными данными.

Научные положения, выносимые на защиту.

- численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различных конструкций;

- аналитическая модель УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;

- способ аналитического определения обратной матрицы индуктивностей системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в сложных магнитносвязанных цепях;

- результаты теоретического анализа, компьютерного моделирования и экспериментальных исследований электромагнитных процессов в УШРП 500 кВ.

Практическая значимость основных результатов диссертационной работы:

- полученные в работе результаты использовались при разработке и проведении системных испытаний управляемого шунтирующего реактора на ПС 500 кВ «Таврическая» Омского предприятия МЭС Сибири в рамках НИР по договору между ОАО «ФСК ЕЭС» и Филиалом ОАО «НТЦ электроэнергетики» -ВНИИЭ в части требований к рабочим и регулировочным характеристикам УШРП, а также к его работе в динамических режимах;

- материалы работы применялись при разработке технических требований к управляемому тиристорными вентилями шунтирующему реактору 3x60 Мвар, 500 кВ в рамках НИР по договору между ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» в части требований к основным характеристикам реактора;

- результаты, полученные в работе, использовались при разработке стандарта организации (СТО 70238424.29.240.99.003-2009 «Управляемые устройства компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения и перетоков мощности. Условия создания. Нормы и требования») в части требований к быстродействию УШР;

- разработанные цифровые модели УШРП 500 кВ различных конструкций позволяют рассчитывать переходные, в том числе несимметричные, режимы работы ЭЭС, содержащих УШРП;

- методика, использованная при разработке численно-аналитических моделей УШРП, может применяться при решения широкого круга прикладных электротехнических задач.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- II Всероссийском конкурсе молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики (Дивноморск, 2007);

- XVI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010);

- научных семинарах и заседаниях кафедры техники и электрофизики высоких напряжений (ТЭВН) Московского Энергетического института (МЭИ);

- заседаниях научно-технического совета (НТС) ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 5

печатных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, содержащего 67 наименований, и 3 приложений. Текстовая часть изложена на 153 страницах (рисунков 110, таблиц 1) и 59 страницах приложений.

1 Анализ конструкций и областей применения УШР

1.1 Современные и перспективные области применения ШР

1.1.1 ШР в энергосистемах

Обеспечение качества электроснабжения потребителей и, в частности, поддержание величины напряжения в заданных пределах требует регулирования соотношения между активной и реактивной составляющими мощности.

При работе линий электропередачи (ЛЭП) в режиме передачи натуральной мощности происходит полная компенсация зарядной мощности, генерируемой рабочей ёмкостью ЛЭП, за счёт реактивной мощности, потребляемой собственной индуктивностью ЛЭП. В этом случае напряжения вдоль ЛЭП практически одинаковы, а потери электроэнергии в процессе транзита - минимальны. Уменьшение нагрузки ЛЭП ведёт к нарушению баланса её реактивной мощности и к генерации реактивной мощности в сеть. В связи с этим, слабонагруженные ЛЭП выступают в качестве одного из основных источников реактивной мощности в сети.

Увеличение реактивной мощности в сети приводит к повышению напряжений узлов. Это вызывает неблагоприятные последствия, связанные с выходом из строя оборудования из-за повреждения его изоляции, повышенными потерями электроэнергии, увеличением уровня помех в каналах связи, необходимостью отключения ЛЭП для уменьшения общей зарядной мощности линий, что, в свою очередь, приводит к большим дополнительным потерям электроэнергии [1].

Использование для компенсации избыточной реактивной мощности в сети синхронных генераторов (СГ) в режиме недовозбуждения вызывает снижение устойчивости их работы и ускоренный износ [2]. Применение для тех же целей современных синхронных компенсаторов возможно, однако к существенным сложностям и длительному периоду недоиспользования приводит вывод этих устройств в ремонт. Между тем, в отличие от баланса активной мощности баланс реактивной мощности является местным критерием, существенно различным для каждого узла нагрузки и ступени напряжения. По этой причине обеспечение

и

баланса реактивной мощности необходимо не только в целом в энергосистеме, но и в отдельных её узлах. В связи с этим наиболее экономичным способом компенсации зарядной мощности ЛЭП является применение шунтирующих реакторов (ШР), устанавливаемых непосредственно в месте её генерации.

Шунтирующий реактор представляет собой катушку индуктивности, подключаемую в электрическую сеть параллельно ЛЭП и компенсирующую ёмкостные токи за счёт своей индуктивности. ШР используются в качестве одного из основных средств компенсации реактивной мощности в нормальных режимах работы электрических сетей (11СН-750) кВ. Постоянно подключенные ШР эффективно сниж�