Управляемые (гибкие) линии переменного тока

9.7. Управляемые (гибкие) линии переменного тока

Передача и распределение  электрической энергии осуществляется в настоящее время в основном по линиям переменного тока. Интенсивное  строительство этих линий во второй половине XX в. в развитых странах привело к тому, что строить новые линии стало весьма затруднительно, главным образом, из-за проблем, связанных с отводом земли. В то же время продолжающийся рост нагрузки в сложнозамкнутой сети требует увеличения пропускной способности существующих линий электропередач и управления их режимами. В таких сетях возможны режимы, когда требуется   принудительное  распределение  мощности между отдельными линиями. Поэтому в последние годы интенсивно обсуждается вопрос о возможных путях решения этой задачи.

В настоящее время разработан ряд устройств, позволяющих изменять сопротивление линии переменного тока и управлять потоком мощности по ней, причем выполнять это практически безынерционно. Линии, оснащенные такими устройствами, получили название гибких линий. В англоязычной литературе они называются «Flexible Alternating Current Transmission Systems — FACTS».

Гибкие линии позволяют:

повысить пропускную способность  существующих линий вплоть до теплового  предела по нагреву проводов;

обеспечить принудительное распределение мощности между линиями в сложной неоднородной сети в соответствии с требованиями диспетчера;

повысить устойчивость системы.

Следует отметить, что начало работ в этом направлении было положено еще в 60-х годах XX в., когда в ряде стран, в том числе и нашей, были развернуты исследования по статическим источникам реактивной мощности, обладающим большим быстродействием. Эти устройства позволяли стабилизировать  напряжение  в  отдельных узлах  электроэнергетических систем и тем самым способствовать повышению пропускной способности линий электропередач и устойчивости систем. Были исследованы различные типы таких устройств и созданы опытно-промышленные образцы некоторых из них.

Однако широкому внедрению  этих устройств в то время препятствовало отсутствие необходимой элементной базы — силовых электронных ключей (запираемых тиристоров, силовых транзисторов). В настоящее время такие полупроводниковые приборы разработаны и имеют достаточно высокие параметры. Это позволяет создать устройства, которые могут применяться для решения многих задач электроэнергетики.

Известно, что активная мощность, передающаяся по линии переменного тока, определяется следующим выражением (без учета активных сопротивлений проводов)

где Ul и U2 — напряжения по концам линии, или точнее, в тех узлах сети, к которым она подключена; х_л — реактивное сопротивление линии; δ— фазовый угол сдвига между напряжениями (U1, и U2

На рис. 9.16 приведены  векторная диаграмма и угловая  характеристика линии — зависимость передаваемой мощности от угла 5, которая представляет собой синусоиду. Амплитуда этой синусоиды Рmах определяет максимальную мощность, которая может быть передана по линии в соответствии с ее электромагнитными свойствами; величина Рнб — наибольшая мощность, передаваемая по линии с учетом коэффициента запаса по статической устойчивости связываемых систем. Здесь же пунктиром показана угловая характеристика для линии большей длины; из нее следует, что максимальная мощность, которая может быть передана по такой линии, уменьшается. На рис. 9.16 также указаны величины Р₀ и δ₀ — мощность и угол исходного режима.

Необходимо отметить, что  активная мощность всегда передается от опережающего вектора напряжения к отстающему.

Отсюда следует, что управление передаваемой по линии мощностью может осуществляться следующими путями:

изменением в допустимых пределах и стабилизация на заданном уровне напряжений в узлах сложной  сети, к которым подсоединена линия; регулирование этих напряжений позволяет  изменять мощность. передаваемую по линии;

а)    б)

Рисунок 9.16. Зависимость мощности, передаваемой по линии от угла σ: 
а – линия и ее векторная диаграмма; б – угловая характеристика линии

 

изменением реактивного сопротивления линии;

изменением угла фазового сдвига между  напряжениями по концам линии;

комбинацией этих способов.

В соответствии с этим все устройства, способные управлять мощностью и пропускной способностью линий переменного тока, могут быть  разделены на четыре типа.

К первому из них относятся устройства, предназначенные для регулирования и стабилизации напряжения в соответствующих узлах электрической сети или же в промежуточных точках линий.

Ко второму типу устройств относятся  устройства, позволяющие изменять реактивное сопротивление линии. Поскольку  последнее является, главным образом, индуктивным сопротивлением, то оно может быть изменено путем последовательного включения в линию емкости или последовательного введения в линию напряжения, эквивалентного напряжению на этой емкости.

К третьему типу устройств относятся  устройства, предназначенные для изменения угла фазового сдвига между напряжениями по концам пинии (угла δ). Такой сдвиг может быть выполнен путем введения в каждую фазу линии дополнительного регулируемого напряжения ДСК, сдвинутого на угол ±90 эл. град, по отношению к напряжению данной фазы. Результирующее напряжение на выходе такого устройства сдвинется на угол, определяемый величиной вводимого напряжения, в сторону опережения или запаздывания. В результате угол δ будет увеличен или уменьшен. В первом случае это приведет к увеличению передаваемой по линии мощности, во втором - ее уменьшению.

К четвертому типу устройств, регулирующих мощность и пропускную способность  линий переменного тока, относятся  устройства, позволяющие осуществлять комбинированное воздействие на линию — регулировать напряжение по величине, изменять фазный угол между напряжениями по концам линии и сопротивление линии. Такое воздействие может Быть осуществлено путем последовательного введения в линию некоторого дополнительного напряжения ΔU_к, фаза которого по отношению к напряжению начала линии может изменяться от 0 до 360 эл. град.

Рассмотрим возможности технической  реализации упомянутых выше типов устройств.

Устройства, способные решать некоторые  из перечисленных выше задач, применяются в электроэнергетике давно. Однако они не вполне соответствующих современным требованиям. К ним относятся синхронные компенсаторы (СК),  предназначенные для стабилизации  напряжения в узлах электрической сети, к которым они подключены, и установки продольной емкостной компенсации (УПК) линий, применяющиеся для уменьшения индуктивного сопротивления последних.

Синхронный компенсатор —  синхронная машина, идентичная по конструкции  синхронному генератору, но, в отличие  от него, без турбины на одном  с ним валу и, следовательно, без активной нагрузки. Синхронный компенсатор способен работать как в режиме генерации реактивной мощности (основной режим), так и ее потребления, и предназначен для стабилизации напряжения в узле электрической сети, к которому он подключен. Синхронные компенсаторы достаточно широко используются в электроэнергетических системах, однако для решения перечисленных выше задач они не вполне пригодны в силу относительно большой по сравнению с новыми устройствами электромагнитной инерционности, а также сложности изготовления и обслуживания.

Установки продольной компенсации  также получили применение в электроэнергетике  ряда стран для увеличения пропускной способности линий электропередач.

С этой целью в линию последовательно  включается конденсатор с сопротивлением x_с, которое, имея обратный знак по отношению к индуктивному сопротивлению линии, вычитается из последнего, в результате чего эквивалентное сопротивление линии уменьшается

х_экв=х_л-х_с

что равноценно уменьшению длины линии.

На практике этот конденсатор представляет собой конденсаторную батарею (КБ), включенную последовательно в каждую фазу линии и изолированную от земли. Обычно сопротивление КБ выбирается так, чтобы компенсировалось не все индуктивное сопротивление линии, а лишь какая-то его часть. Эта компенсированная часть общего сопротивления линии, отнесенная к общему сопротивлению, называется степенью компенсации линии.

В рабочих режимах линии, особенно при ее малых нагрузках, напряжение на выводах КБ может повышаться и  существенно превосходить допустимые пределы. Для избежания этого на выводы КБ обычно включаются шунтирующие реакторы.

До последнего времени УПК выполнялись  нерегулируемыми, однако для изменения  пропускной способности данной линии  в различных режимах и для перераспределения потоков мощности между линиями сложной сети требуется регулируемая продольная компенсация. Причем управление сопротивлением линии должно осуществляться в темпе процессов, происходящих в электроэнергетической системе. Поэтому ни СК, ни обычные УПК не могут рассматриваться в качестве средств для создания гибких линий.

Разработанные к настоящему времени  приборы силовой электроники  позволяют по-иному подойти к  решению ряда задач электроэнергетики. С их помощью могут быть созданы быстродействующие устройства, предназначенные для регулирования режимов электрических сетей.

В статических источниках (компенсаторах) реактивной мощности, о которых говорилось выше, а также в созданных позднее фазоповоротных устройствах и регулируемых УПК в качестве регулирующего элемента используются обычные тиристоры, что придает этим устройствам высокое быстродействие. Это позволяет рассматривать их в качестве средств, пригодных для создания управляемых линий.

Статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ) основаны на использовании управляемых реакторов и конденсаторных батарей (рис. 9.17, а). При параллельном их включении мощность всего устройства равна алгебраической сумме мощностей реактора и КБ.

Q_Σ=Q_p-Q_КБ

Изменяя мощность реактора или КБ, можно изменять мощность всего стройства. При этом можно получить как генерацию, так и потребление реактивной мощности таким устройством.

Если рассматривать регулируемый реактор и нерегулируемую КБ, то при равенстве их установленных  мощностей результирующая мощность будет равна нулю. В процессе регулирования реактора его мощность снижается, и результирующая мощность будет носить емкостной характер, В пределе, когда мощность реактора будет близка к нулю, в сеть будет выдаваться только мощность КБ, т.е. эта схема может работать только в режиме генерации реактивной мощности. Статическая характеристика такого устройства приведена на рис. 9.17, б. Если данное устройств должно работать как в режиме генерации, так и потребления реактивной мощности, соотношение между мощностями реактора и КБ надо изменить. Мощность реактора в данном случае должна быть больше мощности КБ, например, Q_p=2Q_КБ. В этом случае результирующая мощность будет изменяться в диапазоне -1≤Q_Σ≤1 (рис.9.17,в).

       а)      б)          в)

Рис 9.17. СКРМ с параллельным соединением  реактора и конденсаторной бетареи: а – схема СКРМ; б - статистическая характеристика при Q_p=Q_КБ; в – статистическая характеристика при Q_p=2Q_КБ

Рис. 9.18. Регулирование элементов  СТК с помощью тиристорных ключей:  
а — управление мощностью реактора; б — диаграмма токов и напряжений;  
в — управление мощностью конденсаторной батареи

Управление мощностью реактора может осуществляться плавно с помощью  управляемого тиристорного ключа VS1—VS2 (рис. 9-18, а) или же путем подмагничивания всего сердечника реактора или отдельного его участка. Реактор, управляемый тиристорным ключом, обладает высокой скоростью изменения мощности и большой глубиной регулирования, что важно при резких изменениях напряжения сети.

Статические компенсаторы, где реактор регулируется с помощью  тиристорного ключа, получили название статических тирнсторных компенсаторов (СТК). Большим недостатком такого регулирования является несинусондальность тока реактора, что вынуждает принимать меры по компенсации токов высших гармоник (рис. 9.18, б). Реакторы с подмагничиванием участка сердечника, разработанные в России, лишены этого недостатка и имеют высокую скорость изменения мощности и большую глубину регулирования. В настоящее время разработаны такие реакторы на напряжения до 500 кВ и мощностью до нескольких десятков мегавар на фазу. Они с успехом могут быть использованы для решения последней задачи.

Регулирование мощности конденсаторной батареи может осуществляться только ступенчато, в отличие от плавного изменения мощности реактора. Для этого батарея должна быть разделена на несколько секций (3—4) разной мощности, и каждая из этих секций включается в работу с помощью тиристорного ключа (рис. 9.18, в). Секция остается в работе, пока в этом сохраняется потребность, при исчезновении этой потребности секция с помощью того же ключа выводится из работы. При этом обеспечивается высокое быстродействие и синусоидальность тока конденсаторной батареи.

При правильном выборе числа  секций батареи и соотношения  их мощностей можно обеспечить ступень регулирования мощности батареи 9— 10 % и менее, что практически не будет сказываться на стабилизации напряжения в узле, где она подключена. Такие управляющие устройства для конденсаторных батарей были разработаны в нашей стране еще в 60-х годах, а в конце 80-х годов XX в. была выпущена опытная серия. За рубежом также был создан целый ряд СТК как с управляемым реактором, так и с управляемой конденсаторной батареей (США, Канада, Швеция и др.).