автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Устойчиовсть электроэнергетической системы с регулируемой продольной компенсацией

На правах рукописи

Москвин Илья Александрович

УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПРОДОЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005547959

Г1 о гм /

Иваново-2014

005547959

Работа выполнена в ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина»

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Голов Валерий Павлович Официальные оппоненты:

Куликов Александр Леонидович, доктор технических наук, Нижегородское предприятие магистральных электрических сетей - филиал ОАО «ФСК ЕЭС», директор;

Серов Вячеслав Ананьевич, кандидат технических наук, доцент, представительство ОАО «СО ЕЭС» в Ивановской области, ведущий эксперт

Ведуи(ая организация

ОАО Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт по проектированию энергетических систем и электрических сетей «Энерго-сетьпроект», г. Москва

Защита состоится «27» июня 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.064.01, созданного при ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина», по адресу: 150003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, корпус Б, ауд. 237.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, ученый совет ИГЭУ. Тел.: (4932) 38-57-12,26-98-61 факс: (4932) 38-57-01, e-mail: uch sovet@ispu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ. Диссертация размещена http://ispu.ru/files/Moskvin 01-04-2014.pdf Автореферат размещен на сайте ИГЭУ www.ispu.ru

Автореферат разослан «И » 6 J.ÜL 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.064.01, доктор технических наук, доцент

Бушуев Евгений Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время режимы работы электроэнергетической системы (ЭЭС) России характеризуются существенным изменением потоков мощности по дальним линиям электропередачи сверхвысокого напряжения (ДЛЭП СВН). Этот факт, а также все возрастающие трудности по отводу земли под строительство новых линий электропередачи (ЛЭП) требуют повышения их управляемости и пропускной способности. Необходимость обеспечения эффективности и надежности функционирования электроэнергетической системы в данных условиях предъявляет повышенные требования к обеспечению и повышению пределов ее статической и динамической устойчивости, а также повышению пределов передаваемой мощности ЛЭП СВН.

Установка на линии продольной ёмкостной компенсации (УПК) приводит к уменьшению эквивалентного волнового сопротивления и эквивалентной волновой длины, что позволяет существенно улучшить естественные параметры линии. В случае выполнения равномерно распределенной продольной компенсации возможно ее применение без шунтирующих реакторов. Однако такое решение нереально. Поэтому установки продольной компенсации, исходя из требований обеспечения допустимых уровней напряжения, всегда применяются в сочетании с шунтирующими реакторами. Кроме того, в ряде случаев это позволяет повысить эффективность продольной компенсации. Принципиально использование продольной компенсации позволяет передать любую мощность на любое расстояние. Но обычно решение ограничено технико-экономическими соображениями. Исследованию устройств и характеристик компенсированных электропередач, а также оптимизации их параметров и режимов было посвящено большое количество работ таких ученых, как В. А. Веников, Л. Г. Мамиконянц, В. А. Строев, Г. Н. Александров, А. А. Рагозин, Ю. Г. Шакарян, С. В. Смоловик и др. Основными выводами этих исследований являются: нецелесообразность настройки линий на нулевую длину и признание допустимой степени компенсации, не превышающей 50 %. Последнее обосновывается существенным возрастанием токов короткого замыкания, ухудшением КПД передачи, значительным ростом мощности конденсаторов и реакторов, трудностями осуществления релейной защиты, ухудшением режима по напряжению, опасностью возникновения самовозбуждения и самораскачивания и рядом других факторов. Следует отметить, что именно с проблем, возникающих при продольной компенсации индуктивного сопротивления линий свыше 50 %, за рубежом зародилась технология гибких систем передачи переменного тока.

Находящиеся в эксплуатации установки продольной компенсации показали их высокую надежность и эффективность для повышения пропускной способности и устойчивости. Надежность УПК достигла уровня таких элементов, как выключатель, трансформатор, линия и т.д.

Важность и актуальность требований к увеличению пропускной способности линий высокого напряжения, к решению проблемы компенсации реактивной мощности в современных ЭЭС и к увеличению пределов устойчивости системы привели к развитию теории управляемых электропередач или так называемых активно-адаптивных сетей. К устройствам, на основе которых строятся данные

сети, кроме прочего, относятся управляемые устройства продольной компенсации (УУПК).

Мировая практика насчитывает как минимум два вида УУПК с плавным регулированием:

- тиристорные установки продольной компенсации (ТУПК) на основе схемы, предусматривающей регулирование тока в реакторе с помощью встречно-параллельно включенных тиристоров, получившей в англоязычной литературе название Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC);

— УПК на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов (УПКС), получивших в англоязычной литературе название Static Synchronous Series Compensator (SSSC).

Кроме того, существуют специальные ёмкостные элементы, имеющие рассматриваемую в данном исследовании зависимость ёмкостного сопротивления от тока линии.

Наибольшее распространение на данный момент получили ТУПК, ввиду относительно низкой стоимости и простой схемы установки. Имеется возможность перехода в индуктивный режим («антикомпенсации») без физического явления резонанса в LC-контуре, что может быть действенным средством ограничения токов короткого замыкания. УПКС имеет более высокое быстродействие, что положительно влияет на систему в переходных режимах, однако их стоимость и потери выше. Следует также отметить, что при одинаковой степени компенсации ёмкость конденсаторных батарей может быть значительно ниже в случае УПКС, как и ток через конденсаторы и вентили. В целом УПКС является более подходящим решением для регулируемой продольной компенсации. Зачастую УПК разбивается на две части, одна из которых управляемая, а другая неуправляемая. В последнее время предлагается к использованию так называемая «гибридная» схема продольной компенсации, при которой блок УПК с управляемой частью включается в одну фазу, а две другие имеют постоянную степень компенсации. Данная схема экономически более выгодна, чем при использовании ТУПК или УПКС во всех трех фазах. Кроме того уменьшение в три раза тиристорных вентилей и другого регулирующего оборудования положительно сказывается на надёжности схемы. В состав УУПК включены все необходимые защиты: от повышения напряжения на выходных зажимах устройства, от превышения тока, протекающего через конденсаторы, а также защита, действующая на ограничение сопротивления Хупк или его обращение в ноль.

Регулируемые УПК позволяют не только увеличивать пропускную способность ЛЭП, но и положительно влияют на устойчивость системы в целом. Кроме того, УУПК способно поддерживать напряжения в узлах сети в допустимых пределах при малых перетоках мощности.

В последнее время актуальность данной работы возросла в связи с появлением необходимости выдачи больших потоков мощности с крупных электростанций, например с Саяно-Шушенской ГЭС. Кроме того, главным условием надежности функционирования ЭЭС является обеспечение статической и динамической устойчивости. В последние годы произошло снижение запаса статической устойчивости из-за отставания ввода новых генерирующих мощностей, а

также выбытия отработавшего свой ресурс оборудования на фоне роста потребления электроэнергии.

Целью настоящей работы является исследование пропускной способности ЛЭП и устойчивости ЭЭС с регулируемой продольной компенсацией.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

1. Формирование математической модели электроэнергетической системы из двух электростанций с УУПК.

2. Исследование характеристик установившихся режимов исследуемой ЭЭС при различных законах регулирования УПК.

3. Анализ влияния регулируемого УПК на апериодическую и колебательную статическую устойчивость ЭЭС.

4. Формирование методики определения областей устойчивости исследуемой электроэнергетической системы в зависимости от параметров регулируемого УПК.

5. Анализ влияния характеристик УПК на показатели динамической устойчивости.

6. Выбор параметров закона регулирования УПК с учетом возможных ограничений при сохранении положительного влияния УУПК.

Основные методы научных исследований. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, а именно: методы математического моделирования электроэнергетических систем, методы совместного решения дифференциальных и алгебраических уравнений, а также систем нелинейных уравнений (численные методы), методы анализа устойчивости ЭЭС, вычислительный эксперимент.

Научная новизна и значимость полученных результатов состоит в следующем:

1. Разработаны математические модели электроэнергетической системы из двух электрических станций с регулируемым устройством продольной компенсации, позволяющие проводить расчеты как установившихся, так и переходных режимов, анализ статической и динамической устойчивости.

2. Разработана методика определения областей устойчивости исследуемой электроэнергетической системы по параметру регулирования УПК.

3. Предложен подход к выбору характеристики регулирования УПК, позволяющий сохранить возможности улучшения статической и динамической устойчивости без колебательных нарушений статической устойчивости.

4. Доказана возможность использования повышенной степени продольной компенсации за счет ее регулирования без нарушения устойчивости ЭЭС.

5. Выявлена возможность нарушения колебательной статической устойчивости исследуемой ЭЭС при улучшении апериодической статической и динамической устойчивости. Данное нарушение устраняется выбором характеристики УПК с использованием предложенной методики определения областей устойчивости.

Достоверность результатов обеспечивается за счет корректного применения теории электромеханических переходных процессов, численных методов и методов математического моделирования и подтверждаются их совпадением с

результатами, полученными с применением других методик и программных продуктов, а также сравнением результатов расчетов по моделям различной степени детализации.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы.

Соответствие диссертации формуле специальности: «...проводятся исследования по развитию и совершенствованию теоретической... базы электроэнергетики с целью... ее транспортировки... в необходимом для потребителей количестве...».

Соответствие диссертации области исследования специальности:

- п. 6: «Разработка методов математического... моделирования в электроэнергетике»;

- п. 7: «Разработка методов расчета установившихся режимов, переходных процессов и устойчивости электроэнергетических систем»;

- п. 10: «Теоретический анализ и расчетные исследования по транспорту электроэнергии переменным... током, включая проблему повышения пропускной способности транспортных каналов».

Практическая ценность. Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработаны и внедрены программы расчета установившихся и переходных режимов, а также программа утяжеления режима исследуемой ЭЭС.

2. Выработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров закона регулирования УПК в целях улучшения устойчивости ЭЭС.

3. Предложена методика определения областей устойчивости исследуемой ЭЭС по параметру регулирования УПК.

4. Выводы и результаты, сделанные в работе, могут использоваться для создания реальных устройств регулирования УПК с необходимыми характеристиками.

. Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс Ивановского государственного энергетического университета на кафедре «Электрические системы», а также могут быть использованы при проектных и проектно-изыскательских работах в области электроэнергетики. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель ЭЭС, состоящей из двух генераторных станций, с регулируемым УПК, используемая для анализа влияния компенсации рассматриваемого типа на установившиеся и переходные режимы.

2. Требования к параметрам закона регулирования УПК для стационарных и переходных режимов, обеспечивающие увеличение пропускной способности и улучшение устойчивости исследуемой системы без резонансных переходов и колебательного нарушения устойчивости.

3. Методика определения областей устойчивости исследуемой электроэнергетической системы в зависимости от параметров регулируемого УПК. Личный вклад автора заключается в формулировке цели и конкретных

задач исследования, разработке математических моделей, формировании алгоритмов и программ расчета переходного процесса, установившегося режима и программы утяжеления режимов для исследования влияния регулируемого УПК

на переходные и стационарные режимы, анализе и обобщении полученных результатов, подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- на региональных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «ЭНЕРГИЯ - 2010», «ЭНЕРГИЯ - 2011», «ЭНЕРГИЯ - 2012» (г. Иваново, ИГЭУ);

- на международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «ЭНЕРГИЯ - 2013» (г. Иваново, ИГЭУ);

- на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVII Бенардосовские чтения)» (г. Иваново, ИГЭУ).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 11 работах: 4-х научных статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень рекомендуемых изданий ВАК РФ, а также в 7 тезисах докладов конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 75 наименований. Основной текст включает 125 страниц, содержит 39 рисунка, 2 таблицы и два приложения.

Работа выполнялась в рамках государственного задания высшим учебным заведениям в части проведения научно-исследовательских работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, отражена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дается общая характеристика работы.

В первой главе представлена математическая модель исследуемой ЭЭС, которая состоит из двух электростанций, представленных эквивалентными генераторами, работающих на общую нагрузку, и связанных линией электропередачи, имеющей регулируемое УПК (рисунок 1). На рисунке 2 представлена схема замещения исследуемой ЭЭС.

Рисунок 1 - Исследуемая электроэнергетическая система

Такое представление электрической системы дает возможность анализировать влияние регулируемого УПК на установившиеся режимы, переходные процессы и устойчивость исследуемой системы, позволяя тем самым формулировать основные требования к характеристикам регулируемого УПК и системам их управления. Кроме того, все выводы, сделанные для двухмашинной системы, могут быть распространены на электрические системы любой сложности.

Использована следующая формула функциональной зависимости сопротивления управляемой емкости от тока: 106

МУ-

0)

где

I-ток через УПК, o.e.;

-ЯупкО) - сопротивление УПК, o.e.;

К и Кг — коэффициенты, характеризующие зависимость Xyrnfl), определение которых является первоочередной задачей при проведении расчетов.

Данная аналитическая зависимость достаточно близка к реально возможной характеристике сопротивления регулируемого УПК и достаточно проста для анализа влияния регулируемого УПК на режимы и устойчивость исследуемой ЭЭС. С другой стороны, она является нелинейной функцией, крутизна которой в различных точках может легко изменяться с помощью соответствующего коэффициента (рисунок 3). Другими словами, данная зависимость удовлетворяет практическим и расчетным требованиям.

2.15

2.05

1.95

а! 1.85

о

1 1.75

Ч

1.ЬЬ

1.55

1.45

1.35

/

-/

-

-1

--2

---3

--5

.......6

0.24

0.34

0.44

1, o.e.

0.54

0.64

Рисунок 3 - Зависимость ёмкостного сопротивления от тока: прямая 1 - Кг = 0; кривая 2-Кг = 2; кривая 3 - Кг = 4; кривая 4-Кг = 6; кривая 5-Кг = 8; кривая 6 - при фиксировании Хупк(0

Основными элементами рассматриваемой ЭЭС являются: синхронные генераторы, трансформаторы, линия электропередачи, регулируемое в функции тока ёмкостное сопротивление УПК. Математическое описание ЭЭС составляется на основе уравнений для её отдельных элементов и связи их между собой. При составлении модели будем исходить из наиболее детального математического описания, позволяющего анализировать влияние различных факторов на результаты расчетов режимов.

Таким образом, полная математическая модель исследуемой ЭЭС состоит из 65 нелинейных дифференциальных и алгебраических уравнений (без учета автоматического регулирования возбуждения генераторов). Данная система является моделью, которая учитывает как электромагнитные переходные процессы в элементах ЭЭС, так и электромеханический переходный процесс. С помощью полученной модели ЭЭС возможно анализировать как переходные, так и установившиеся режимы.

Также в первой главе представлена компактная форма записи уравнений, описывающих ЭЭС, и рассмотрен алгоритм расчёта переходных электромеханических процессов в исследуемой системе.

Вторая глава посвящена исследованию установившихся режимов электроэнергетической системы с регулируемым устройством продольной компенсации.

Расчет установившихся режимов системы выполнен по полной математической модели с помощью специально разработанной программы. Построение статических характеристик системы осуществлялось по программе утяжеления режимов, причем для выявления всех особенностей влияния регулируемого УПК на режимы и статические характеристики исследуемой системы утяжеление осуществлялось по различным режимным параметрам.

На рисунке 4 показана зависимость модуля падения напряжения в связи Щ1)\ для различных законов регулирования УПК. На рисунке 5 приведены угловые характеристики мощности._____________

Рисунок 4 - Зависимости \Щ1)\ для различных законов регулирования УПК: кривая \-Кг= 0; кривая 2 -К-> = 9,3; кривая 3 — ЛГ2 = 12

®21> тад-

Рисунок 5 - Угловые характеристики активной мощности исследуемой системы: кривые 1, 1' — Аг = 0; кривые2,2'-Кг = 9,3; кривые 3,У-К%= 12; кривые 4,4' - при фиксировании Хупк(О

Некоторые угловые характеристики имеют форму петли. Это обусловлено тем, что зависимость \N(!)\ определена не для всех значений N в диапазоне взаимных углов $21 от 0° до 180°. Участку а — b зависимости \N(I)\ соответствует участок а — Ь петлеобразной угловой характеристики Р\(62\) и а' — Ь' характеристики Р2(621), а участку Ъ — с зависимости \N(I)\ - участки b-cnb'-c' характеристик (620 и Р2(б21) соответственно. Точки b и ¿'угловых характеристик соответствуют точке b зависимости \N(I)\. Значение экстремального тока зависимости \N(l)\ определяется из соотношения ^ = 0. Таким образом, зависимость

д!

модуля падения напряжения в связи \N(I)\ позволяет идентифицировать рабочие части угловых характеристик активной мощности генераторов, которые соответствуют условию ^П > q угловые характеристики Р\(б2\) и Рг(5ц) показыва-31

ют увеличение предельного по статической устойчивости взаимного угла 52i в зависимости от закона регулирования сопротивления Хущ/1), а также увеличение предела передаваемой мощности по сравнению с нерегулируемым сопротивлением. Особый интерес представляет петлеобразный вид зависимостей Р,(5и) и PifSid* обусловленный, как отмечалось выше, тем, что ветвь а - Ъ - с зависимости \N(I)\ не достигает значения iVmax, соответствующего углу 180° между векторами ЭДС генераторов. Это явление имеет место в силу феррорезонанс-ного характера зависимости \N(I)\. Однако этого можно избежать, если выбрать закон регулирования соответствующим образом, а именно: коэффициент при токе должен быть таким, чтобы зависимость \N(I)\ участком а - b - с достигала значения Если в некоторый момент времени отключать регулирование ёмкостного сопротивления (фиксировать Хупк при максимальном его значении, со-

ответствующем устойчивому режиму), можно значительно увеличить предел передаваемой мощности (кривые 4, 4' на рисунке 5). Проведешюе изучение влияния закона управления регулируемого устройства продольной ёмкостной компенсации на характеристики установившихся режимов рассматриваемой электрической системы показало его эффективность в плане повышения пределов передаваемой мощности (около 30 % для каждой станции по сравнению с УПК обычного типа).

Анализ полученных статических характеристик свидетельствует, что система не критична к самому закону регулирования ёмкостного сопротивления в УПК. Другими словами, должна обеспечиваться возрастающая зависимость Хушф с определенной крутизной, а конкретное математическое выражение может определяться возможной реализацией регулирующего устройства. Следует также отметить, что «нижние» ветви петлеобразных угловых характеристик являются рабочими частями характеристик для возможных рабочих режимов системы.

Анализ напряжений на выводах УПК показал нежелательность появления режимов с резонансными переходами, т.к. это ведёт к значительному превышению предельно допустимых значений напряжения в этих узлах. С другой стороны, наглядно проиллюстрирована способность регулируемого УПК поддерживать режимные параметры в заданных границах при передаче мощности, изменяющейся в широком диапазоне, особенно при малых перетоках мощности, что являлось существенном недостатком при использовании нерегулируемого УПК (рисунок 6).

700 600

и 500

ж

и

I 400

и

|зоо

с

= 200 100

0 -I-,-1-—I

о 50 100 150

град.

Рисунок 6 - Напряжения на выводах УПК: кривая 1 - U4 без УУПК; кривая 2 -U5 без УУПК; кривая 3 - U4 с УУПК; кривая 4-U5c УУПК

Кроме того, в данной главе рассмотрено использование УШР на выводах УПК в целях ограничения напряжения в узлах их подключения.

В третьей главе приведены результаты исследований апериодической и колебательной статической устойчивости исследуемой ЭЭС.

Получено аналитическое выражение для свободного члена характеристического уравнения для анализа влияния компенсации рассматриваемого типа на апериодическую устойчивость системы:

1 ер, 1

т.п д5г\

8Ц_

81 дХ„

дХУ1Ж 81

1 5Р, 1 дР[

Т.и ^упк

^упк

81 дХ,

УПК

гди 81

1 8Рг _ 1 тл д321

эр;

ТЛ д321

(2)

На рисунке 7 приведены кривые изменения свободного члена характеристического уравнения для рассматриваемой системы. С увеличением коэффициента К2 характеристики Хупк(0 смена знака свободного члена характеристического уравнения (2) происходит при больших значениях взаимного угла ¿2ь что говорит о положительном влиянии регулируемого УПК на апериодическую статическую устойчивость системы. Анализ влияния закона регулирования ёмкости в УПК показал увеличение взаимного угла между векторами ЭДС генераторов по критерию сохранения апериодической статической устойчивости более чем на 30°.

-1

.......з

---4

20 40 60 80 !б0 120 140 5ги град.

Рисунок 7 - Изменение значений свободного члена с„ характеристического уравнения рассматриваемой системы для различных законов регулирования Хупк(0'- кривая 1 -Лупк(1)=согкГ, кривая 2 - для закона регулирования

-Гупх(Л =

10"

<»„•(32,9-4

; кривая 3 -хтуЛГ)=-

(38.8-8 / /В) 2В

; кривая 4 -

10'

Рассмотрено влияние изменения частоты на режимы и статическую апериодическую устойчивость исследуемой ЭЭС, в результате показана незначительность данного влияния.

Частные производные режимных параметров ЭЭС определялись численным методом с помощью отношений соответствующих приращений по полной математической модели.

Анализ колебательной статической устойчивости исследуемой системы проведен посредством вычислительного эксперимента при полном математическом моделировании. В ходе исследования последовательно увеличивалась сте-

пень компенсации и изменялся закон регулирования ёмкости в УПК посредством изменения коэффициента К2. При приближении к границе нарушения колебательной устойчивости в системе наблюдались процессы, представленные на рисунке 8. Это разновидность неустойчивости режима, проявляющаяся в виде самовозбуждения и самораскачивания, которые могут происходить совместно при увеличении степени продольной ёмкостной компенсации. АРВ сильного действия (АРВ СД) генераторов позволяет устранить колебания режимных параметров и значительно увеличить степень компенсации индуктивного сопротивления линии электропередачи без нарушения колебательной устойчивости. На рисунке 9 приведены те же кривые, с той же степенью компенсации и с тем же законом регулирования УПК, но с применением АРВ СД. На основании результатов исследования были определены границы устойчивости в зависимости от степени компенсации и параметров закона регулирования УПК (рисунок 10).

Ъс

Рисунок 8 - Изменение взаимного угла между векторами ЭДС генераторов и тока через УПК по времени (степень компенсации 95 % от Хп, Кг = 4)

0.982 0.98 . 0.978 « 0.976 Я 0.974 0.972 0.97 0.968

10

15

Ъс

0.41

в

о' 0.39

0.37 0.35

5 10

Ъс

15

Рисунок 9 - Изменение взаимного угла между векторами ЭДС генераторов и тока через УПК по времени с учетом АРВ СД (степень компенсации 95 % от

Хъ А'2 = 4)

2.4 2.3 2.2 2.1

* 1

о 1

I" 1.8 1.7 1.6

1.5

О 2 4 6 8 10 12

*г

Рисунок 10 - Области колебательной устойчивости исследуемой ЭЭС: кривая 1 - без АРВ; кривая 2-е АРВ СД

Из рисунка 10 видно, что при степени компенсации индуктивного сопротивления линии до 80 % (Хупк = 1,6) с регулируемым УПК не наблюдается нарушения колебательной статической устойчивости во всем диапазоне возможных рабочих режимов, т.е. регулируемое УПК не приводит к появлению колебательной неустойчивости. Однако при значительных перетоках мощности ёмкостное сопротивление может принимать значение, близкое к границе зоны нарушения колебательной устойчивости. Имеет место противоречие в выборе параметров регулирования УПК с точки зрения улучшения апериодической статической и динамической устойчивости, с одной стороны, и устранения явлений самовозбуждения и самораскачивания - с другой. Анализ предельных режимов показал, что такое отрицательное влияние регулируемого УПК на колебательную статическую устойчивость наблюдается при высоких значениях степени компенсации. Такая степень компенсации не применяется в практике эксплуатации электрических систем. Как показали исследования, даже при таких высоких степенях компенсации при совместном выборе законов регулирования управляемого УПК и АРВ можно устранить отрицательное влияние регулируемого УПК на колебательную статическую устойчивость. Эффект от АРВ, заключающийся в возможности увеличения степени продольной компенсации, составил 12,5% (при #2 = 3).

Вычислительный эксперимент позволяет точно определять диапазон изменения параметров регулирования УПК, которые не приводят к нарушению устойчивости исследуемой ЭЭС. Однако этот способ является достаточно трудоемким и требует значительных временных затрат. В связи с этим необходима методика, позволяющая достаточно просто, пусть и с некоторой потерей точности, определять возможные диапазоны варьирования параметров регулирования УПК, не приводящие к колебательным нарушениям устойчивости. Другими словами, необходим метод получения возможных значений К2, при которых наблюдается положительный эффект от регулируемого УПК на исследуемую ЭЭС, а именно: увеличение предела передаваемой мощности, улучшение апериодиче-

ской статической и динамической устойчивости и нет отрицательного влияния на режим, т.е. не наблюдается колебательного нарушения устойчивости ЭЭС, вызванного самим законом регулирования УПК.

Сформирована упрощенная математическая модель исследуемой ЭЭС: 2 1

VI

"Г 21

: Р —Р Т1 Э1'

ГлА + ¥21='П"?Э 2'

Гс102рЕд2+Е^2 = Ейе2' / = /(£

(3)

21

V ЕЕ1 УПК

где /—ток через УПК.

После линеаризации системы (3) и ее преобразования составлен характеристический определитель и получено характеристическое уравнение четвертого порядка:

■р3+а2

р2+аз

(4)

Запишем характеристическое уравнение (4) в следующем виде: ГКр)=Щр)+К2Ц(р) = 0. (5)

Необходимо провести £>-разбиение по оси Къ Используя метод ¿»-разбиения по одному параметру (в нашем случае параметр - коэффициент К2 регулирования УПК), можно определить диапазон его изменения, соответствующий сохранешпо устойчивости исследуемой ЭЭС. На рисунке 11 приведены области устойчивости исследуемой ЭЭС для исходного установившегося режима с исходной степенью продольной компенсации.

-600.00-

Рисунок 11 - Граница О-разбиения приЛ"упк= 1,6 о.е.

Так как реальный смысл имеют только действительные положительные значения К2, то устойчивость исследуемой системы в точке исходного установившегося режима обеспечивается при следующих условиях:

0<А"2<28.

В целях проверки полученного претендента на область устойчивости подставим Л*2 из данной области в характеристическое уравнение и посчитаем корни. Для Кг = 10 получили следующие корни характеристического уравнения: р1 = -232,657; р2 =-110,16; р34 = -0,5491 ± 5,0081. Таким образом, получен диапазон изменения параметра регулируемого УПК, при котором сохраняется устойчивость исследуемой системы. Другими словами, получена методика определения диапазона изменения параметра регулируемого УПК в целях выбора его оптимального значения, позволяющего, с одной стороны, оказывать максимально положительный эффект на пропускную способность, статическую апериодическую и динамическую устойчивость, а с другой — не приводить к колебательному нарушению устойчивости.

Следует отметить, что при приближении режима исследуемой системы к границе колебательного нарушения устойчивости, т.е. с ростом степени продольной компенсации, диапазон изменения параметра К2 сужается. Следует также заметить некоторое отличие полученных результатов при расчете по вышеуказанной методике и по полной модели (рисунок 10), что связано с допущениями, принятыми при составлении системы (3). Оптимальным алгоритмом является получение некоторого диапазона изменения параметра К2 по упрощенной модели, а затем его проверка и уточнение при полном моделировании.

Показано, что при использовании регулируемого УПК не наблюдается колебательного нарушения устойчивости во всех возможных режимах и диапазонах регулирования со степенью компенсации, применяемой при эксплуатации ЭЭС. При увеличении степени компенсации вплоть до границы колебательного нарушения устойчивости отрицательное влияние закона регулирования УПК может быть устранено с помощью АРВ СД генераторов.

Четвертая глава посвящена исследованию динамической устойчивости и обеспечению требуемого качества переходных процессов исследуемой системы, содержащей две электростанции, связанные линией электропередачи с регулируемым устройством продольной компенсации. В ходе исследования были рассмотрены следующие вопросы:

1. Выявление особенностей расчета переходных процессов в электрической системе с регулируемым УПК при «больших» возмущениях.

2. Сравнение переходных процессов в электрической системе при различных характеристиках закона регулирования УПК.

3. Анализ влияния коэффициентов регулирования УПК на динамическую устойчивость и качество переходных процессов.

Основной задачей было — прояснить возможный технический эффект применения такого рода регулирования с точки зрения повышения динамической устойчивости системы, а также выявить характеристики УПК, обеспечивающие наилучшее качество переходных процессов.

Для современных исследований переходных процессов и устойчивости ЭЭС характерно использование полных математических моделей и максимально сложных расчетных схем, что в основном связано с возросшими возможностями вычислительной техники. Кроме того, в связи с использованием регулируемого УПК, ёмкостное сопротивление которого мгновенно изменяется в зависимости от тока линии, целесообразно проводить анализ динамической устойчивости исследуемой электрической системы по полной математической модели, приведенной в первой главе.

Анализ динамической устойчивости исследуемой системы проведен при «больших» возмущающих воздействиях двух видов: сбросы/набросы активной мощности генераторов станций и короткие замыкания, которые выбраны как наиболее типичные возмущения для нагруженных межсистемиых связей.

Чтобы выявить влияние характеристики регулируемого УПК на переходные процессы, все результаты расчетов сравнивались с переходным процессом при постоянной степени компенсации, что осуществлялось введением коэффициента К2 = 0 в соотношение (1). Результаты расчётов переходного процесса по полной математической модели с учетом электромагнитных переходных процессов в статорных цепях и элементах электропередачи представлены на рисунке 12.

1.05

1.03 -

1.01

0.99 -

¿0.97 -to

^ 0.95 К? 0.93 -0.91 -0.89 -0.87 -■

0.85 -0

Рисунок 12 - Изменение угла между векторами ЭДС генераторов при изменении мощностей турбин СМ: кривая 1 -ХУПк(I)=const\ кривая 2 - для закона регулирования хупк(П=10 13г<>-11-I yz,; кРивая 3 ~ для закона регулирования

*угас(')=—„.."Г, .Л V ; кривая 4 - для закона регулирования

ü)q '(3j,о-О* I' ig )• Zjj

А- m 'О*

щ, .07.3-7-f-/()-Zt

Зависимости взаимного угла между векторами ЭДС генераторов по времени для различных характеристик Хупк(Ь> задаваемых с помощью коэффициента К2 в уравнение (1), при одинаковом возмущении исходного режима показывают различный характер переходного процесса для различных коэффициентов регулирования. Анализ кривых изменения взаимного угла между векторами ЭДС генераторов в переходном режиме при отсутствии резонансных переходов показал

существенное влияние на переходный процесс наличия в УПК управляемой ёмкости, при которой величина сопротивления ХУПК([) зависит от тока линии, а следовательно, от передаваемой мощности. Особенно очевидным положительное влияние регулируемой ёмкости становится в первом цикле качаний, о чем можно судить по величине вылета взаимного угла, которая уменьшается с ростом коэффициента К2.

На рисунке 13 приведен переходный процесс исследуемой системы с регулируемым УПК и АРВ генераторов станций. Очевидно, что АРВ, особенно АРВ сильного действия, позволяет быстро перейти к новому установившемуся режиму и положительно влияет на динамическую устойчивость системы. Использование регулируемой ёмкости в УПК позволяет повысить качество переходных процессов, вследствие чего переход к новому установившемуся режиму, который наблюдается при меньшем значении взаимного угла между векторами ЭДС генераторов, происходит практически без качаний. Все это говорит о положительном влиянии совместного регулирования УПК и АРВ на динамическую устойчивость системы.

Рисунок 13 - Взаимный угол между векторами ЭДС генераторов в двухмашинной ЭЭС при «большом» возмущении: кривая 1-е АРВ пропорционального действия; кривая 2-е АРВ сильного действия; кривая 3 - при совместном регулировании АРВ сильного действия и УПК

Рассмотрено влияние регулируемой продольной компенсации на динамическую устойчивость исследуемой ЭЭС при трёхфазном коротком замыкании на одной из параллельных цепей второй линии длительностью 0,12 с с последующим ее отключением. С этой целью определена предельная передаваемая мощность второй станции (опорной) по критерию динамической устойчивости, а также предельное время отключения. Последовательно утяжелялся исходный режим, после чего моделировалось трёхфазное КЗ при различных значениях коэффициента регулирования УПК К2. Расчёты производились с помощью вычислительного эксперимента по полной математической модели.

На рисунке 14 приведен переходный процесс при указанном выше возмущающем воздействии и одинаковом исходном установившемся режиме, которому соответствовал угол ¿21 = 66°. При значении К2 = 0 динамическая устойчивость системы нарушается, при К2 = 1 — сохраняется, что свидетельствует о по-

ложительном влиянии регулируемого УПК на запас динамической устойчивости исследуемой системы.

350

зоо

. 250 |гоо

к?150

100

50 0

0 2 4 6 8 10

Ьс

Рисунок 14 - Изменение взаимного угла между векторами ЭДС генераторов исследуемой системы при трёхфазном КЗ: кривая 1 - Кг = 0; кривая 2 -Кг = 1

В данном случае очевидно, что применение управляемой ёмкости в УПК увеличивает предел передаваемой мощности по условию сохранения динамической устойчивости.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Сформирована математическая модель ЭЭС из двух генераторных станций, содержащая межсистемную связь с регулируемым УПК, для которой проведён комплекс исследований, направленных на повышение пропускной способности ЛЭП, улучшение статической и динамической устойчивости ЭЭС с регулируемыми в функции тока линии (передаваемой по линии мощности) УПК, что позволяет считать такую ЛЭП активно-адаптивным элементом ЭЭС.

2. Анализ статических характеристик исследуемой системы показал возникновение нежелательных явлений, эквивалентных резонансным, при определенных характеристиках закона регулирования УПК. Сформулированы требования к параметрам закона регулирования УПК, позволяющие избежать резонансных переходов. Использование регулируемого УПК на линии электропередачи позволяет существенно увеличить предел передаваемой мощности (до 30 % для каждой станции по сравнению с нерегулируемым УПК), а также способно поддерживать режимные параметры в допустимых пределах в широком диапазоне изменения передаваемой по линии мощности.

3. Показано положительное влияние регулируемого УПК на статическую апериодическую и динамическую устойчивость исследуемой ЭЭС.

4. Предложена методика определения областей устойчивости исследуемой электроэнергетической системы по параметру коэффициента регулирования УПК, позволяющая исключить колебательное нарушение статической устойчивости.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ По перечню рецензируемы* изданий ВАК

1. Москвиной. А. О численном моделировании некоторой электроэнергетической системы / И. А. Москвин, С. Н. Чадов // Вестн. ИГЭУ. - 2010. - Вып. 3. - С. 79-81.

2. Устойчивость электроэнергетической системы из двух электрических станций с регулируемой продольной компенсацией / В. П. Голов, А. А. Мартиросян, И. А. Москвин, А. А. Виноградова // Вестн. ИГЭУ. - 2012. - Вып. 5. - С. 26-31.

3. Москвин, И. А. Расчет характеристик установившихся режимов электроэнергетической системы с регулируемым устройством продольной компенсации I В. П. Голов, А. А. Мартиросян, И. А. Москвин //Вестн. ИГЭУ.-2012.-Вып. 6.-С. 18-22.

4. Москвин, И. А. Колебательная статическая устойчивость электроэнергетической системы с межсистемной связью, содержащей регулируемое устройство продольной компенсации / И. А. Москвин // Вестн. ИГЭУ. - 2013. - Вып. 5. - С. 46-50.

Публикации в других изданиях

5. Москвин, И. А. Математическая модель многомашинной электроэнергетической системы в простейшем представлении / И. А. Москвин // Электроэнергетика: материалы V регион, науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «ЭНЕРГИЯ - 2010» / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2010.-Т. III.-С. 24-28.

6. Москвин, И. А. Интегрирование систем дифференциальных уравнений при наличии связей (алгебраических) / И. А. Москвин // Электроэнергетика: материалы VI регион, науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «ЭНЕРГИЯ - 2011» / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2011.-Т. П1.-С.4-6.

7. Москвин, И. А. Параллельная реализация уравнений Горева - Парка / И. А. Москвин // Электроэнергетика: материалы VI регион, науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «ЭНЕРГИЯ - 2012» / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2011. - Т. III. - С. 57-59.

8. Москвин, И. А. К вопросу об устойчивости электроэнергетических систем с регулируемой продольной компенсацией / И. А. Москвин // Энергия инновации - 2012: материалы отчетной конф. молодых ученых ИГЭУ / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2013. - Т. I. - С. 124— 127.

9. Москвин, И. А. Применение устройств продольной ёмкостной компенсации в передачах переменного тока / И. А. Москвин, Д. Н. Кормилицын // Электроэнергетика: материалы междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «ЭНЕРГИЯ - 2013» / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2013. - Т. Ш. - С. 3-4.

10. Москвин, И. А. Самовозбуждение в электроэнергетической системе из двух электрических станций с регулируемой продольной компенсацией / В. П. Голов, И. А. Москвин // Вестн. Рос. нац. комитета СИГРЭ: сб. докл. / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2013.-Вып. 1,-С. 280-281.

11. Москвин, И. А. Устойчивость электроэнергетических систем с регулируемой продольной компенсацией / И. А. Москвин // Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVII Бенардосовские чтения): сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. / Иван. гос. энерг. ун-т; Академия электротехн. наук РФ. - Иваново, 2013. - Т. 1. - С. 207-209.

МОСКВИН Илья Александрович УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПРОДОЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать еис/кормхг 60x84 '/,6. Печать плоская. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ № /f¿'. ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В .И. Ленина». Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ В.И. ЛЕНИНА»

На правах рукописи

04201459116 Москвин Илья Александрович

УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПРОДОЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Голов Валерий Павлович

Иваново - 2014

Содержание

Введение...........................................................................................................................4

1. Математическая модель электроэнергетической системы с регулируемым УПК.......................................................................................................13

1.1. Введение............................................................................................................13

1.2.1 Математическое описание переходных процессов в синхронных генераторах..............................................................................................................15

1.2.2 Математическое описание регулируемого емкостного сопротивления в УПК................................................................................................18

1.2.3 Математическое описание переходных процессов в элементах

ЭЭС с регулируемой емкостью в УПК....................................................................19

1.3. Представление полной модели ЭЭС в компактном виде.............................26

1.4. Особенности алгоритма расчета переходных электромеханических процессов в исследуемой системе............................................................................29

1.5. Выводы по главе...............................................................................................31

2. Исследование установившихся режимов электроэнергетической

системы с регулируемым устройством продольной компенсации..........................32

2.1. Введение............................................................................................................32

2.2. Особенности математической модели расчета установившихся режимов и статических характеристик исследуемой ЭЭС....................................33

2.3. Исходные данные и их влияние на результаты расчета установившегося режима..........................................................................................38

2.4. Особенности расчета установившихся режимов и статических характеристик исследуемой электрической системы с регулируемым УПК 42

2.5. Характеристики установившихся режимов и их анализ..............................45

2.6. К вопросу об использовании УШР для регулирования напряжения

на выводах УПК.........................................................................................................54

2.7. Выводы по главе...............................................................................................58

3. Статическая устойчивость электроэнергетической системы с регулируемым устройством продольной компенсации............................................59

3.1. Введение............................................................................................................59

3.2. Анализ предельных режимов исследуемой ЭЭС по критерию апериодической статической устойчивости............................................................61

3.3. Влияние изменения частоты на режимы и устойчивость

исследуемой ЭЭС.......................................................................................................69

3.4. Выбор характеристик УПК по условию обеспечения колебательной устойчивости...............................................................................................................76

3.5. Выводы по главе...............................................................................................94

4. Динамическая устойчивость ЭЭС из двух электрических станций с регулируемым устройством продольной компенсации............................................95

4.1. Введение............................................................................................................95

4.2. Особенности расчетов переходных процессов в электрической

системе с регулируемым УПК..................................................................................97

4.3. Выбор характеристик УПК по условию улучшения устойчивости и характеристик установившегося режима................................................................99

4.4. Выводы по главе.............................................................................................116

Заключение...................................................................................................................117

Библиографический список........................................................................................118

Приложение 1...............................................................................................................126

Параметры исследуемой электроэнергетической системы.................................126

Приложение 2...............................................................................................................128

Сравнение результатов расчета установившегося режима исследуемой системы......................................................................................................................128

Введение

В настоящее время режимы работы электроэнергетической системы (ЭЭС) России характеризуются существенным изменением потоков мощности по дальним линиям электропередачи сверхвысокого напряжения (ДЛЭП СВН). Этот факт, а также все возрастающие трудности по отводу земли под строительство новых линий электропередачи (ЛЭП), требует повышения их управляемости и пропускной способности. Необходимость обеспечения эффективности и надежности функционирования электроэнергетической системы в данных условиях предъявляет повышенные требования к обеспечению и повышению пределов ее статической и динамической устойчивости, а также повышению пределов передаваемой мощности ЛЭП СВН. В общей проблеме устойчивости в настоящее время задачи обеспечения статической устойчивости успешно решаются, и ограничивающим фактором здесь является обеспечение заданных пределов динамической устойчивости и высокого качества переходных процессов при «больших» возмущениях. В то время как статическая устойчивость обеспечивается, как правило, современными средствами регулирования возбуждения, задача управления переходными процессами при «больших» возмущениях более серьезна, поскольку требует применения мощных эффективных быстродействующих систем регулирования, обладающих большим диапазоном изменения управляющих сигналов, способных интенсивно влиять на потоки мощности в переходных процессах [1].

Мероприятия по повышению устойчивости электрических систем можно условно разделить на три группы:

1. Мероприятия, направленные на изменение параметров и регулирование режимных характеристик генерирующих агрегатов электрических систем (автоматическое регулирование возбуждения, применение асинхронизированных машин, регулирование турбин).

2. Мероприятия, направленные на изменение параметров и характеристик электропередачи (изменение конструкции ЛЭП и компенсация реактивного сопротивления линии).

3. Мероприятия, направленные на изменение параметров и характеристик узлов электрических систем (электрическое торможение, регулируемые синхронные компенсаторы, статические ИРМ и управляемые шунтирующие реакторы).

Характерной чертой мероприятий первой группы является отсутствие существенных капиталовложений при их реализации. Кроме того, каждое из этих мероприятий имеет четко выраженную область наиболее эффективного применения. Так, для обеспечения статической устойчивости системы наиболее целесообразно применение АРВ сильного действия, которые кроме того, улучшают динамическую и результирующую устойчивость. Применение регулирования турбины позволяет заметно увеличить пределы динамической устойчивости турбоагрегатов и может применяться в тех случаях, когда действие АРВ оказывается недостаточным. Из сказанного следует необходимость в общем случае комплексного подхода к выбору этих мероприятий.

Основное назначение мероприятий второй группы состоит в увеличении пропускной способности линий электропередачи. Значительный экономический эффект от применения этих мероприятий окупает те, как правило, большие капиталовложения, которые связаны с их внедрением. Эти мероприятия оказывают влияние на устойчивость системы, особенно значительное в случае применения регулируемых устройств компенсации. Максимальный эффект (по улучшению устойчивости) для электрической системы может быть получен при совместном использовании мероприятий первой и второй группы.

Мероприятия третьей группы предназначены, в основном, для обеспечения устойчивости электрической системы в тех случаях, когда мероприятия первой и второй группы недостаточно эффективны. Причем, если электрическое торможение предназначено для обеспечения динамической устойчивости, то

регулируемые синхронные компенсаторы и статические ИРМ могут улучшать также и статическую устойчивость. Реализация мероприятий этой группы связана с заметными капиталовложениями.

Вообще не следует противопоставлять различные мероприятия, каждое из них может иметь свою рациональную область применения: во многих случаях целесообразно сочетание различных мероприятий.

Важность и актуальность требований к увеличению пропускной способности линий высокого напряжения, к решению проблемы компенсации реактивной мощности в современных ЭЭС, и к увеличению пределов устойчивости системы - все это привело к развитию теории управляемых электропередач или, так называемых, активно-адаптивных сетей [2].

Пропускная способность длинных линий определяется их волновыми параметрами и с ростом длины линии существенно снижается. Минимальной пропускной способностью обладают линии длиной 1500 км, предельная мощность которых равна натуральной мощности линии. Дальнейшее увеличение длины линии приводит к повышению предельной мощности, однако передача ее не может быть реализована по условию допустимых уровней напряжения. Указанное требование остается справедливым и для линий меньшей длины, но обуславливает необходимость компенсации избыточной реактивной мощности в системе. Возникает необходимость применения на дальних передачах шунтирующих реакторов определенной мощности, которые могут устанавливаться по концам передачи и в промежуточных точках линии. Наличие реакторов несколько расширяет возможности дальних передач, позволяя осуществлять передачу натуральной мощности на большие расстояния. Однако во всех случаях применение реакторов приводит к снижению передаваемой активной мощности по сравнению с естественным пределом по линии и поэтому не может рассматриваться как эффективное средство увеличения пропускной способности.

Установка на линии продольной емкостной компенсации (УПК) приводит к уменьшению эквивалентного волнового сопротивления и эквивалентной волновой длины, что позволяет существенно улучшить естественные параметры линии. В случае выполнения равномерно распределенной продольной компенсации возможно ее применение без шунтирующих реакторов. Однако такое решение нереально. Поэтому установки продольной компенсации, исходя из требований обеспечения допустимых уровней напряжения, всегда применяются в сочетании с шунтирующими реакторами. Кроме того, в ряде случаев это позволяет повысить эффективность продольной компенсации. Принципиально использование продольной компенсации позволяет передать любую мощность на любое расстояние. Но обычно решение ограничено технико-экономическими соображениями. Исследованию устройств и характеристик компенсированных электропередач, а также оптимизации их параметров и режимов было посвящено большое количество работ [3]. Основными выводами этих исследований являются: нецелесообразность настройки линий на нулевую длину и признание допустимой степени компенсации не превышающей 50 %. Последнее обосновывается существенным возрастанием токов короткого замыкания, ухудшением к.п.д. передачи, значительным ростом мощности конденсаторов и реакторов, трудностями осуществления релейной защиты, ухудшением режима по напряжению, опасностью возникновения самовозбуждения и самораскачивания и рядом других факторов. Следует отметить, что именно с проблем, возникающих при продольной компенсации индуктивного сопротивления линий свыше 50 %, за рубежом зародилась технология гибких систем передачи переменного тока [4].

Находящиеся в эксплуатации установки продольной компенсации показали их высокую надежность и эффективность для повышения пропускной способности и устойчивости. Надежность УПК достигла уровня таких элементов, как выключатель, трансформатор, линия и т.д. [5].

В качестве приоритетных направлений научно-технического прогресса в энергетическом секторе по направлению "Электроэнергетика" Энергетическая стратегия России на период до 2030 года, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, кроме прочих выделяет следующие:

- создание высокоинтегрированных интеллектуальных системообразующих и распределительных электрических сетей нового поколения в Единой энергетической системе России (интеллектуальные сети - Smart Grids);

- создание электрического транзита ультравысокого напряжения постоянного и переменного тока Сибирь-Урал-Европейская часть России;

- развитие силовой электроники и устройств на их основе, прежде всего различного рода сетевых управляемых устройств (гибкие системы передачи переменного тока - FACTS) [6].

Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) (США) устройствами FACTS называет систему, содержащую статические регуляторы, основанные на применении силовой электроники, и предназначенную для повышения пропускной способности линий электропередачи, а также управления потоками активной и реактивной мощности в ЭЭС. Сутью данной технологии является увеличение передаваемой мощности по уже существующим линиям электропередачи при помощи регулируемых продольной и поперечной компенсации: статических тиристорных компенсаторов (СТК), компенсаторов на запираемых тиристорах (СТАТКОМ) и установок продольной емкостной компенсации (УПК). При этом предполагается передача по линиям мощности больше натуральной при токовой нагрузке вплоть до допустимого тока по условию нагрева проводов [7, 8].

К таким устройствам, кроме прочего, относятся управляемые устройства продольной компенсации (УУПК).

В управляемых УПК используются различные виды регулирования [9]:

- ступенчатое (путём шунтирования части конденсаторных батарей через механические или тиристорные выключатели);

- плавное.

Мировая практика насчитывает как минимум два вида УУПК с плавным регулированием:

- тиристорные установки продольной компенсации (ТУПК) на основе схемы, предусматривающей регулирование тока в реакторе с помощью встречно-параллельно включенных тиристоров, получившей в англоязычной литературе название Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) [10];

- УПК на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов (УПКС), получивших в англоязычной литературе название Static Synchronous Series Compensator (SSSC) [11].

Кроме того, существуют специальные емкостные элементы, имеющие рассматриваемую в данном исследовании зависимость емкостного сопротивления от тока линии [12].

Наибольшее распространение на данный момент получили ТУПК, ввиду относительно низкой стоимости и простотой схемы установки. Имеется возможность перехода в индуктивный режим («антикомпенсации») без физического явления резонанса в LC-контуре, что может быть действенным средством ограничения токов короткого замыкания [13]. УПКС имеет более высокое быстродействие, что положительно влияет на систему в переходных режимах, однако их стоимость и потери выше. Следует также отметить, что при одинаковой степени компенсации емкость конденсаторных батарей может быть значительно ниже в случае УПКС, как и ток через конденсаторы и вентили. В общем и целом УПКС является более подходящим решением для регулируемой продольной компенсации [14].

Зачастую УПК разбивается на две части, одна из которых управляемая, а другая неуправляемая. В последнее время предлагается к использованию так

называемая «гибридная» схема продольной компенсации, при которой блок УПК с управляемой частью включается в одну фазу, а две другие имеют постоянную степень компенсации. Данная схема экономически более выгодна, чем при использовании ТУПК или УПКС во всех трех фазах. Кроме того уменьшение тиристорных вентилей и другого регулирующего оборудования в три раза положительно сказывается на надежности схемы [15].

В состав УУПК включены все необходимые защиты и противоаварийная автоматика: от повышения напряжения на выходных зажимах устройства, от превышения тока, протекающего через конденсаторы, форсировка продольной компенсации (ФК) линии электропередачи [62], а также защита действует на ограничение сопротивления Хупк или его обращение в ноль. В настоящее время активно ведутся работы по совершенствованию управления и защиты ЛЭП, оснащенных подобными устройствами. Одним из способов, обеспечивающим повышение быстродействия и селективности защиты, является выделение однородных участков электропередачи, на каждом из которых действуют отдельные защиты с соответствующими согласованными характеристиками срабатывания [58].

Регулируемые УПК позволяют не только увеличивать пропускную способность ЛЭП, но и положительно влияют на устойч�