Управляемые (гибкие) линии переменного тока

Управляемую продольную компенсацию  линии можно осуществить, если изменить сопротивление конденсатора, включенного в линию. Это можно сделать двумя способами.

Первый из них предполагает включение  или отключение отдельных секций, из которых состоит конденсаторная батарея, с помощью тиристорных ключей. При этом сопротивление КБ будет меняться и, следовательно, будет изменяться и степень компенсации линии.

По второму способу параллельно  КБ включается управляемый реактор. Сопротивление реактора и диапазон его изменения выбираются м образом, чтобы во всем этом диапазоне эквивалентное  сопротивление схемы оставалось емкостным и большим, чем сопротивление собственно КБ. При изменении сопротивления реактора меняется эквивалентное емкостное сопротивление схемы и, как следствие, степень компенсации линии. Управление таким реактором может осуществляться с помощью тиристорных ключей, как это показано выше, или другими способами.

При изменении степени компенсации  линии любым способом будут изменяться и напряжения на выводах КБ, оставаясь практически всегда выше допустимых значении. Отсюда следует, что шунтирующие реакторы, включенные на эти выводы, также должны быть регулируемыми.

К третьему типу устройств, позволяющих  управлять мощностью, передаваемой но линии, относятся устройства, способные  изменять фазный угол между напряжениями по концам линии — фазоповоротные устройства (ФПУ). Такие устройства включаются в начале линии последовательно в каждую фазу.

Для создания ФПУ используется то обстоятельство, что напряжение каждой фазы сдвинуто по отношению к междуфазному напряжению двух других фаз на 90 эл. град. Схема ФПУ состоит из двух трансформаторов. Один из них представляет собой возбуждающий трансформатор, первичные обмотки которого соединены в треугольник и включены на меж дуфазные напряжения шин, к которым подключена данная линия. К его вторичным обмоткам при соответствующих сочетаниях фаз подключаются с помощью тиристорных ключей первичные обмотки второго трансформатора, который и является собственно фазосдвигающим. Вторичные обмотки последнего включены последовательно в каждую фазу линии. Соединения обмоток этих двух трансформаторов предусматривают сдвиг на 90 эл. град, между напряжением данной фазы и напряжением последовательной обмотки.

В результате напряжение в начале линии представляет сумму двух напряжений — напряжения фазы и напряжения последовательной обмотки, сдвинутого по отношению к напряжению фазы на 90 эл. град.

Угол δ' между напряжениями по концам линии равен

δ' = δ ± Δδ

Угол Δδ может регулироваться как по величине, так и по знаку. Поэтому угол δ' может изменяться в желаемых пределах как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, а значит будет изменяться и передаваемая по линии мощность. При увеличении угла 5' мощность будет увеличиваться, при уменьшении — уменьшаться. В то же время угол 6 между напряжениями U₁ и U₂ будет оставаться неизменным.

Изменение угла Δδ производится средствами силовой электроники. Вторичная обмотка возбуждающего трансформатора состоит из нескольких отдельных секций, каждая из которых имеет разное количество витков, и, следовательно, разное напряжение. Каждая из этих секций подключена к двум тиристорным ключам, один из которых работает при одной полярности секции, другой — при ее противоположной полярности. Через тиристорные ключи каждая из секций связана с первичной обмоткой трансформатора, включенного последовательно в линию.

Если напряжения секций соотносятся, например, как 1 : 3 : 5, то, используя различные  комбинации включенных секций, можно  иметь семь различных ступеней регулирования  угла сдвига выходного напряжения для  каждой полярности.

Блоки тиристорных ключей имеют систему управления, на ВХОД которой полаются измеряемые величины (угол сдвига напряжений, мощность линий и др.) и заданные значения регулируемых величин (уставки), на выход — система команд на включение соответствующих комбинаций тиристорных ключей.

Рассмотренные выше устройства —  СТК, управляемая УПК, ФПУ — способны управлять мощностью и пропускной способностью линии, однако каждое из них способно решать только одну задачу.

Для создания управляемой (гибкой) линии  необходимо использовать весь комплекс рассмотренных устройств, что скажется на экономических показателях линии и затруднит управление этим комплексом. Целесообразно иметь одно устройство, которое совмещало бы в себе выполнение всех упомянутых функций.

Разработка новой элементной базы — запираемых тиристоров и силовых транзисторов — позволило создать новый тип преобразователей, которые по своим характеристикам существенно отличаются от аналогичных характеристик традиционных преобразователей, выполненных на обычных тиристорах.

Главные отличия состоят в том, что эти преобразователи, работая  в режимах выпрямителя или инвертора, могут как потреблять, так и генерировать реактивную мощность, т.е. работать во всех четырех квадрантах плоскости Р - Q (Р — активная, Q — реактивная мощности). Кроме того, они потребляют из сети или генерируют в сеть ток, форма которого очень близка к синусоиде. Все это исключает дорогостоящие мероприятия по компенсации реактивной мощности и существенно облегчает фильтрацию токов высших гармоник по сравнению с традиционными преобразователями.

С помощью таких преобразователей могут быть созданы устройства с  новыми функциональными возможностями, например, с векторным регулированием, когда напряжение в узле сети регулируется не только по величине, но и по фазе. Это позволяет комплексно и наиболее оптимально распределять потоки мощности в сложной неоднородной электрической сети и решать другие задачи управления режимами данной сети. Поэтому такие преобразователи рассматриваются в качестве основы для создания управляемых линий переменного тока.

Схема нового преобразователя приведена  на рис. 9.19. Как можно видеть, он состоит  из двух встречно включенных мостов. Один мост собран на неуправляемых диодах, в другом используются полностью  управляемые вентили -- запираемые тиристоры или силовые транзисторы. Нумерация Диодов и тиристоров соответствует порядку их открытия. На полюсы преобразователя включен конденсатор, обеспечивающий постоянство напряжения на выходе моста, которое с помощью управляемых вентилей преобразуется в переменное напряжение заданной частоты. Поэтому такой преобразователь называют преобразователем напряжения и частоты (ПНЧ)

Рис 9.19. Схема ПНЧ: 
1—6 — полностью управляемые вентили; 1'— 6' — неуправляемые диоды

Преобразователь включается в сеть через трансформатор. При этом первичная обмотка трансформатора может подключаться к сети двумя способами: параллельно в узле сети и последовательно в фазы линии.

Рассмотрим возможные пути использования  этих преобразователей для создания управляемых линий.

Преобразователь П через трансформатор включен параллельно в узле сети, к которому подключена линия (рис. 9.20, а). В этом случае преобразователь, не имея нагрузки в цепи постоянного тока, работает в режиме генерации или потребления реактивной мощности, стабилизируя напряжение в этом узле сети на заданном уровне. Иными словами, он выполняет роль синхронного компенсатора или СТК, являясь их улучшенным аналогом.   Его статическая характеристика идентична характеристике, приведенной на рис. 9.17, в. В этом случае такой преобразователь называют параллельным регулятором потоков мощности или статическим компенсатора» (СТАТКОМ). Отметим, что СТАТКОМ может использоваться не только в схемах управляемых линий, но и в других случаях, когда требуется стабилизировать напряжение в узлах сети.

Рассмотрим случай, когда первичная  обмотка трансформатора, через который  преобразователь связан с сетью, включена последовательно в фазу линии (рис. 9.20, о). Причем, такое включение  может быть выполнено в любой точке линии: в ее начале, конце или на промежуточной подстанции. Здесь преобразователь, работая в режимах генерации или потребления реактивной мощности с помощью последовательной обмотки трансформатора, вводит в линию некоторое регулируемое напряжение ΔU_к, сдвинутое по отношению к току линии на ±90 эл. град., что эквивалентно включению емкости (+) или индуктивности (-).

Рис. 9.20. Возможные способы включения преобразователя и сеть: 
в — СТАТКОМ; 6 — управляемая продольная компенсация; в — фазоповоротное устройство и универсальный регулятор потоков мощности

Изменение величины ΔU_к будет эквивалентно изменению общего сопротивления линии, что в свою очередь будет увеличивать или уменьшать ее пропускную способность. Это изменение будет регулируемым в зависимости от режима системы. При этом величина ΔU_к должна изменяться пропорционально току линии, аналогично изменению напряжения на конденсаторах УПК. В этом случае во всех режимах работы линии будет сохраняться заданная степень компенсации. При необходимости степень компенсации может изменяться по заданному закону, что также должно найти отражение в значении AUK. Поэтому в данном случае преобразователь должен быть оснащен регулятором, где входными величинами должны быть ток линии и закон изменения степени компенсации, а выходными — углы управления тиристорами преобразователя.

Введение в линию дополнительной индуктивности может оказаться  полезным в режимах малых нагрузок дня компенсации избыточной зарядной мощности линии. Отметим, что и в  этом случае из-за указанного выше угла сдвига напряжения AUK по отношению к току, активная мощность преобразователя равна нулю.

Таким образом, подобное включение  преобразователя в линию аналогично применению управляемой УПК. В этом случае преобразователь называют последовательным регулятором потоков мощности.

Фазоповоротное устройство также может быть создано путем  введения в начале линии через  последовательную обмотку трансформатора регулируемого напряжения ΔU_к, сдвинутого на угол ±90 эл. град, по отношению к напряжению начала линии U₁. Однако при этом будет появляться некоторая активная мощность, поскольку угол вводимого напряжения ΔU_к по отношению к току будет отличаться от 90 эл. град. Значение этой мощности будет определяться углом между током и напряжением фазы, т.е. определяться режимом линии, а знак — знаком угла напряжения ΔU_к. При сдвиге ΔU_к на угол +90 эл. град, потребуется введение активной мощности в линию, при сдвиге на -90 эл. град. – отбор активной мощности. Поэтому, преобразователь, подключенный к линии, должен работать в одном случае в режиме инвертора, в другом — выпрямителя.

Для замыкания контура  обмена активной мощностью между линией и шинами, куда она подключена, требуется второй преобразователь, включенный на те же шины и связанный с первым по цепи постоянного тока (рис. 9.20, в). Эти два преобразователя П₁, и П₂, образуют вставку постоянного тока, подключенную к липни, но ее мощность меньше мощности, передаваемой по линии.

Рис. 9.21. Векторная диаграмма пиши при действии универсального регулятора потоков мощности

Если вводить в линию напряжение ΔU_к, фаза которого будет изменяться от 0 до 360 эл. град, по отношению к напряжению U₁, то мы получим регулятор, который может выполнять все ранее перечисленные функции (рис. 9.21). Такой регулятор в литературе получил название универсальный регулятор потоков мощности (УРПМ). В англоязычной литературе — UPFC (Unified Power Flow Controller).

Поскольку здесь, как и  в случае ФПУ, фаза вводимого напряжения ΔU_к по отношению к току линии будет отличаться от 90 эл. град., то необходимы обмен активной мощностью между линией и шинами и, следовательно, вставка постоянного тока. Поэтому, схемы ФПУ и УРПМ идентичны (рис. 9.20, в).

Преобразователь П₁ выполняет основную функцию путем введения в линию через последовательный трансформатор напряжения ΔU_к. Значение этого напряжения может изменяться как по амплитуде, так и по фазе по отношению к току линии. Амплитуда и фаза его будут определять необходимые величины и знаки активной и реактивной мощности этого преобразователя. За счет изменения режима работы преобразователя П₁, фаза вектора ΔU_к может изменяться в диапазоне от 0 до 360 эл. град., поэтому изменяется и угол между напряжениями по концам линии и передаваемая по ней активная мощность.

Здесь можно отметить три наиболее характерных режима работы такого устройства: вектор ΔU_к, совпадает с напряжением U₁, что означает режим регулятора напряжения; вектор ΔU_к сдвинут по отношению к напряжению U₁ на ±90 эл. град., что соответствует режиму ФПУ; вектор ΔU_к сдвинут по отношению к току фазы липни на ±90 эл. град., что равноценно режиму УПК (рис. 9.21).

Параллельный   преобразователь  П₂ осуществляет подачу активной мощности к П₁, или ее отвод по связи постоянного тока. Кроме того, он обеспечивает независимую поперечную компенсацию линии за счет генерации или потребления реактивной мощности, обеспечивая стабилизацию напряжения в узле сети, к которому подключена данная линия.

Таким образом, УРПМ сочетает в себе свойства сразу трех аппаратов: статического компенсатора реактивной мощности, установки продольной компенсации и фазоповоротного устройства, что дает возможность регулировать потоки как активной, так и реактивной мощности. Поэтому УРПМ может эффективно демпфировать качание мощности в линии и применяться для управления потоками мощности в слабых межсистемных связях.

Устройства УРПМ могут  быть установлены на двух или нескольких системообразующих линиях различных классов напряжения. В этом случае управление перетоками мощностей по этим линиям должно осуществляться единым регулятором, что даст возможность оптимизировать распределение мощностей по этим линиям и повысить надежность работы электроэнергетической системы.