автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Управляемая поперечная компенсация для электропередач переменного тока

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛИ ЧЕНГУАНЬ

УПРАВЛЯЕМАЯ ПОПЕРЕЧНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05. 14. 02

- Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Г.А. Евдокунин

Санкт-Петербург - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ .......................... 4

1. ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СЕТЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА................... 9

1.1. Воздушные линии электропередачи повышенной натуральной мощности................. 9

1.2. Регулируемые устройства компенсации реактивной мощности.......................15

1.3. Проблемы дальних линий электропередачи

переменного тока и их решение . . . .......32

2. АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ РЕЖИМОВ ДАЛЬНЕЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ СЕТИ БЕЗ УЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ.................38

2.1. Математические модели элементов электропередачи

при анализе статической устойчивости..........38

2.2. Статическая устойчивость режимов дальней электропередачи с управляемыми

шунтирующими реакторами...............42

2.3. Статическая устойчивость режимов дальней электропередачи с управляемыми шунтирующими реакторами и синхронными компенсаторами.......49

2.4. Статическая устойчивость режимов электропередачи

в послеаварийном режиме...............56

2.5. Выводы.........................60

Стр.

3. АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕГУЛИРУЕМЫХ СВЕРХДАЛЬНИХ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ АНАЛИТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ......62

3.1. Особые свойства цепочечной сверхдальней управляемой электропередачи, обнаруживаемые

при анализе установившихся режимов работы......62

3.2. Исследование статической устойчивости режимов сверхдальних линий электропередачи с управляемыми реакторами для схемы ШБМ - линия - ШБМ.......68

3.3. Исследование статической устойчивости режимов сверхдальних линий электропередачи с синхронными компенсаторами для схемы ШБМ - линия - ШБМ .... 73

3.4. Выводы ........................ 78

4. АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ РЕЖИМОВ ДАЛЬНЕЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ СЕТИ С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ................80

4.1. Математические модели элементов электропередачи при анализе статической устойчивости системы

в среде АТР-ЕМТР..................80

4.2. Математические модели элементов электропередачи при анализе статической устойчивости в среде "МаЙаЬ". ... 86

4.3. Анализ условий работы устройств регулирования реактивной мощности в сети, односторонне

питаемой от шин бесконечной мощности.........90

4.4. Выводы ........................127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................129

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.........132

ВВЕДЕНИЕ

Начиная с практики экономической реформы и открывающий к внешней стороне, электроэнергетика продолжила расти быстрым темпом. К концу 1997 г. общая установленная мощность генераторов достигла 250 гВт, среди которой 75% составляет тепловая энергия, 24% составляет гидроэнергия , 1% составляет ядерная энергия. Общая вырабатываемая энергия достигла 1,000 тВт*ч. Таким образом Китай по установленной мощности занимает третье место и по вырабатываемой энергии занимает второе место в мире.

Наряду с быстрым ростом установленной мощности интенсивно развивалось строительство новых линий электропередач. К концу 1996 г. общая длина линий электропередач классом 220 кВ и выше достигла 122270 км, среди них общая длина линий 220 кВ - 102417 км; ЗЗОкВ - 6218 км; 500 кВ - 13635 км.

В течение 90-ых годах выработка энергии в Китае хранила высокий темп роста и средняя ежегодная скорость роста вырабатываемой энергии равна примерно 9.6% с 1991 г. по 1997 г., однако, согласно прогнозу спроса энергии, ежегодная скорость роста генерируемой энергии должна держаться около 8% в течение 1996 - 2000 г.г.. Общее количество ежегодная вырабатываемая энергия в 2000 г. достигнет к 1,4 тВт*ч и общая установленная мощность должна добраться к 290 - 300 гВт. Параллельно этим нужно увеличить общую длину ВЛ классом напряжения 220 кВ и выше до 171200 км, среди них длину В Л увеличить до 27200 км.

Выше показанный перспектив развития электроэнергетики вполне выполнимый, если учитывать то, что Китай имеет богатые гидроресурсы и уголь. Потенциальные запасы угля оценивают приблизительно 4500 миллиарда тонн, а годные для использования гидроресурсы составляют 378 гВт. Однако месторасположение этих ресурсов крайне неравномерно, почти 90% запасов угля расположено в западных регионах Китая, более 70% гидроресурсов сконцентрировано в юго-западе Китая, а центры нагрузки находятся в юго-восточных побережьях. Стоит отметить, что строящая в настоящее время гидростанция

"три ущелья", установленная мощность которой состоит 18.2 гВт, находится на расстоянии более чем 1100 км от города Шанхай, куда следует передать энергию. В энергосистемах Китая также имеются четыре гидростанции мощностью 32.56 МВт, расположенные в верхнем течении реки Лш1га, которые передают энергию соответственно на расстояние более чем 2000 км, 1200 км, 1000 км в три крупные энергосистемы. Несомненно, что в дальнейшем развитии энергетики требуется усовершенствование техники передачи большой энергии на дальних расстояниях и одной из главных задач является создание дальних линий электропередач с повышенной пропускной способностью.

В долгое время наиболыне широко применяемым способом повышения пропускной способности электропередачи является использование поперечной компенсации в виде мощных шунтирующих реакторов и конденсаторных батарей. При изменении режима электропотребления в суточном или сезонном разрезе времени для удержания режимных параметров в заданном диапазоне допустимых или оптимальных изменений предусматривается коммутация реакторов и конденсаторных батарей или дробление их по мощности. Подобное решение приводит к увеличению габаритов подстанций, удорожанию стоимости оборудования, снижению общей системной надежности, большим эксплуатационным расходам. По этим причинам очень часто такое решение вообще не реализуется и шунтирующие реакторы и конденсаторные батареи остаются практически неотключаемыми. В свою очередь, последнее решение ведет к дополнительному увеличению потерь энергии и снижению пропускной способности участков сети. Для дальних электропередач по условиям устойчивости и недопустимости значительных колебаний напряжения и реактивной мощности коммутации, например, шунтирующих реакторов практически невозможны. По этой причине в ряде зарубежных проектов параллельно неотключаемым реакторам появляются статические тиристорные компенсаторы (СТК), что ведет фактически как минимум к удвоению мощности компенсирующих устройств. И, наконец, одной из серьезных проблем применения неуправляемых устройств поперечной компенсации является проблема ограничения коммутационных пе-

ренапряжений, возникающих при включениях и отключениях конденсаторных батарей и реакторов, решение которой требует существенных затрат на средства ограничения перенапряжений.

В этих условиях обоснование целесообразности и эффективности применения того или иного регулируемого устройства поперечной компенсации разработка требований к системе их управления является актуальной задачей.

Предлагаемая диссертационная работа посвящена разработке методов анализа оценки работоспособности устройств регулируемой поперечной компенсации и обоснование требований к системе автоматического регулирования их мощности в различных условиях применения.

Основными задачами исследования в настоящей работе являются:

- Разработка методики аналитического обоснования режимных особенностей сверхдальних линий электропередачи и устойчивости работы регуляторов управляемых устройств, установленных на линии;

- Разработка методики создания компьютерных моделей регулируемых устройств и их систем регулирования на базе элементарных блоков управляемых источников тока и напряжения и произвольного вида передаточных функций;

- Формулирование требований к системам регулирования управляемых шунтирующих реакторов и регулируемых инверторов в простых схемах электропередачи;

- Выяснение причины неустойчивости режимов электропередачи с воздушной линией длиной 1 > 2400...2600 км и рассмотрение разных вариантов преодоления неустойчивости работы регуляторов реакторов для этих линий;

5. Проведение анализа электромеханической и электромагнитной устойчивости дальних электропередач с учетом переходных процессов во всех элементах электропередачи.

В первой главе работы дается аналитический обзор литературы по методам и средствам повышения пропускной способности электропередач церёмен-ного тока. Коротко изложен принцип построения компактной линии; правила

конструирования; преимущества при использовании линии с повышенной натуральной мощностью и области их применения. В этой главе также дана классификация регулируемых устройств компенсации реактивной мощности типа синхронного компенсатора (СК), статического тиристорного компенсатора (СТК), статических компенсаторов инверторного типа, управляемых или насыщающихся шунтирующих реакторов. Были изложены общие технические требования к этим устройствам, их преимущества, недостатки и области применения. В работе затронуты вопросы об использовании следующих новых технологий для повышения пропускной способности электропередачи, как возможность использования линии с повышенной натуральной мощности; создание управляемых шунтирующих реакторов большой мощности на номинальное напряжение электропередачи; использование устройств для управления параметрами и режимами электропередачи переменного тока (технология FACTS - Flexible AC transmission line).

Вторая глава посвящена анализу статической устойчивости режимов дальней линии электропередачи при использовании математических моделей элементов сети без учета электромагнитных переходных процессов. Изучены влияния коэффициента усиления системы автоматического регулирования УШР коир, постоянной времени регулирования реактора Тр, коэффициента стабилизации по производной напряжения Kiup и постоянной времени регулирования по каналу стабилизации Tip на статическую устойчивость режимов электропередачи. В целях увеличения предельной передаваемой мощности вплоть до натуральной для линии длиной больше 3000 км было выполнено исследование параллельного включения УШР с синхронными компенсаторами. Найдены минимальные требуемые значения мощности СК для разных длин линии, при которых обеспечивается статическая устойчивость электросистемы от режима холостого хода до режима передачи натуральной мощности. Выполнена оптимизации электропередачи с УШР и СК.

Третья глава посвящена анализу нормальных режимов статической устойчивости режимов работы регулируемых сверхдальних электропередач ана-

литическими методами. В работе выполнен анализ уравнений установившихся режимов цепочечной схемы электропередачи ШБМ - линия - ШБМ с промежуточными статическими компенсаторами и с синхронными компенсаторами. Для обоих случаев выполнен анализ устойчивости установившихся режимов электропередачи на основе анализа знаков коэффициентов характеристического полинома и выяснена основная причина неустойчивости режимов электропередачи с воздушной линией длиной 1 > 2400.. .2600 км.

Четвертая глава посвящена анализу статической устойчивости режимов дальних электропередач при использовании математических моделей элементов сети с учетом электромагнитных переходных процессов. Разработана методика математического моделирования системы электропередачи с промежуточными управляемыми реакторами и управляемыми инверторами в среде "АТР" и "Matlab". С использованием математической модели управляемого реактора и управляемого инвертора выполнены исследования их регулирующих свойств в простейших схемах сети. Проведено исследование управляемого шунтирующего реактора в длинной цепочечной схеме электропередачи с двумя, тремя и пятью участками линии длиной по 600 км каждый в однофазной постановке задачи. Кроме того, для случая двух участков расчеты были повторены для варианта схемы, когда вместо одного из источников неизменного напряжения использовалась полная модель синхронного генератора с регулятором возбуждения пропорционального типа. В этой главе также выполнено исследование управляемого инвертора в длинной цепочечной линии электропередачи с четырьмя участками линии длиной по 800 км в однофазной постановке задачи.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по проведенным исследованиям.

ГЛАВА 1. ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СЕТЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1. Воздушные линии электропередачи повышенной натуральной мощности

Как показано в [45, 60, 61], воздушные линии электропередачи переменного тока широко распространены во всем мире как самое дешевое и надежное средство передачи электрической энергии. Однако, некоторые установившиеся традиции создания таких линий ограничивают их возможности, снижают эффективность электропередач и вынуждают использовать искусственные средства повышения их пропускной способности, такие как продольная емкостная компенсация индуктивного сопротивления линий, синхронные компенсаторы, статические тиристорные компенсаторы.

Практика проектирования обычных воздушных линий повсеместно сложилась так, что расстояния между составляющими в фазах оказались фиксированными и равными а = 0,4 - 0,6 м. Это обстоятельство, по всей видимости, объясняется тем, что для предотвращения механических колебаний проводов расщепленной фазы, их истирания и разрушения дистанционных распорок необходимо иметь расстояния между проводами не меньше а = (20 - 30) го, где г0 - радиус провода. Однако это ограничение снизу стало трактоваться как ограничение сверху и все конструкции расщепленных фаз стали выполняться в основном с а = 0,4 м.

Так как радиус расщепления гр связан с числом проводов п и расстоянием между ними (а) формулой

гр =а/(2*зш(я/п)) (1.1)

то по существу остался искомым лишь один параметр: или п, или гр. Такой подход, естественно, привел к выбору фазы с минимальным числом составляющих или с минимальным размером фазы (минимальный радиус гр), что не всегда оказывается экономично. Например, согласно ПУЭ, наименьшие допустимые расстояния между фазами ВЛ-500 в зависимости от стрелы провеса составляют d = 7 -7,5м. Эти расстояния могут быть значительно сокращены при жестком фиксировании фаз в пролете (с помощью изоляционных распорок), а также при глубоком ограничении внутренних перенапряжения (при снижении расчетной кратности перенапряжений Кп = Umax/UH.p.). Так, например, при Кп = 2,5 расстояние между фазами может быть снижено до 4,2 м, при Кп = 1,0 - до 3,3 м, при Кп = 1 - до 1,9 м. Однако, реально для ВЛ-500 реализовано расстояние между фазами d « 12м и среднее геометрическое расстояние между фазами dcp r = 12 -14 м. Это объясняется тем, что для того чтобы обеспечить минимальное число проводов (в данном случае п = 3) при а=0,4м пришлось увеличить междуфазное расстояние даже до большего значения, чем допустимые ПУЭ (7 - 7,5 м), иначе было бы не выполнено условие: наибольшее рабочее напряжение на линии должно быть по крайней мере на 10% ниже начального напряжения короны. Дополнительным ограничивающим фактором на пути создания ВЛ с уменьшенными междуфазными расстояниями является неудачная конструкция опор ВЛ, в которых заземленные - элементы конструкций (стойки опоры) находятся между фазами, в результате чего сумма изоляционных расстояний оказывается больше необходимых.

Однако будут открываться новые перспективы применения электропередачи переменного тока, если принимаем расстояние между составляющими в фазах (а) не только равным 0.4м, но и возможно большим, чем 0.4 м. Ряд публикаций СПбГТУ [4, 6, 10, 11, 12, 27, 39, 45, 56, 60, 61] доказали реальную возможность роста пропускной

способности электропередачи и ее натуральной мощности за счет сближения и дополнительного расщепления фаз.

Теоретическая основа увеличения натуральной мощности линии коротко излагается следующим образом. Так, при передаче по линии натуральной мощности ток в линии определяется выражением:

1н=^ = ^=С = ифусС = усЯ (1.2)

где 1н - ток, протекающий по линии; Цф - фазное напряжение на линии; ъъ - волновое сопротивление линии; Ь, С - индуктивность и емкость линии; ус - скорость света; д - заряд на проводе.

Для линии с одинаковыми проводами q определяется формулой

q = 27гs0r0E и Е < Едоп (1.3)

где г0 - радиус провода; Е - напряженность электрического поля на поверхности провода, Едоп - максимальная допустимая напряженность провода.

И наконец, натуральная мощность линии с п проводами в фазе выражается следующей формулой