Комплексное управление потоками мощности в транзитной электрической сети
Филиал ЕЭС» Липецкое РДУ
В распределительных сетях ряда энергосистем часто встречаются с проблемой токовых перегрузок транзитных линий электропередач (далее ЛЭП) и трансформаторов в ремонтных и аварийных режимах при недозагрузке других транзитных линий питающих узел нагрузки. Непропорциональность распределения мощности по питающим ЛЭП связана с рядом особенностей таких сетей, например разная длина и сечение, наличие крупных генерирующих мощностей выдача мощности которых осуществляется по транзитным линиям. На рисунке 1 представлен энергоузел г. Липецка получающий питание по четырем ЛЭП 110 кВ и одному автотрансформатору (АТ) 220/110 кВ с рассматриваемой проблемой. Особенность режима электроснабжения узла заключается в том, что при относительно большой генерации Липецкой ТЭЦ-2 происходит непропорциональное распределение мощности по питающим линиям и автотрансформатору (75% от потребления всего узла приходится на двухцепную ВЛ от Липецкой ТЭЦ-2 и 25% на АТ Сокол и двухцепную ВЛ от ПС 220 кВ Правобережная). При отключении одной из параллельных линий от Липецкой ТЭЦ-2 вторая перегружается на 25% в то время как другие питающие ЛЭП и АТ загружены на 21÷28% (рисунок 2).
Варианты решения этой задачи, обсуждаются достаточно часто, особенно когда появляются перспективные предложения и возможности их технической реализации. С широким применением силовой полупроводниковой техники, ведутся интенсивные разработки устройств, выполненных на базе мощных полностью управляемых вентилей [1]. Чаще предлагаются и внедряются так называемые устройства Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS) – гибких система передачи переменного тока применяемые за рубежом [2,3]. Такие устройства рассматриваться не столько в качестве конкурентов устройствам традиционного типа, сколько в качестве новых объектов, имеющих собственную область использования.
Рисунок 1 – Энергоузел г. Липецка
Рисунок 2 – Аварийное отключение ВЛ 110 кВ Липецкая ТЭЦ-2 - Сокол
Рассматриваемую проблему предлагается решить с помощью применения управляемых трансформаторов (УТ) устанавливаемых в рассечку перегружаемых ЛЭП. Устройство представляет собой регулируемое индуктивное сопротивление, включенное в рассечку линии, тем самым появляется возможность управления перетоками мощности и обеспечения передачи заданного уровня активной мощности между узлами транзитной электрической сети в условиях значительных колебаний нагрузки.
Режим работы УТ заключается в следующем: первичная обмотка (ПО) (рисунок 3) подключается в рассечку линии. Вторичная обмотка В1 соединяется в звезду с заземленной нейтралью, т. е. обмотки в фазах работают независимо и замкнуты через трансформатор связи Т1 управляющими блоком ТБ1 с применением тиристоров с регулируемыми углами зажигания.
Рисунок 3 – Схема управляемого трансформатора
Вторичная обмотка В2 соединяется в звезду с заземленной нейтралью и замкнуты через трансформатор связи Т2 управляющими блоком ТБ1 с применением тиристоров с регулируемыми углами зажигания. Для подавления высших гармонических составляющих в токе предназначена компенсационная обмотка соединенная по схеме треугольника с подключением фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ).
Первичная обмотка трансформатора Т1 включена на линейное напряжение двух других фаз (рисунок 4) и осуществляет добавку вектора напряжения ΔU1. Как следует из векторной диаграммы (рисунок 5) в этом случае вектор добавочного напряжения ΔU1 создаваемым трансформатором Т1 направлен под прямым углом по отношению к вектору исходного напряжения U1. Первичная обмотка трансформатора Т2 подключается на фазное напряжение, в результате получим добавочное напряжение ΔU2 совпадающее по фазе с регулируемым (рисунок 4, рисунок 5). В зависимости от угла зажигания тиристоров ТБ1 и ТБ2 ток во вторичных обмотках В1 и В2 изменяется от нуля до номинального. Путем быстрого изменения угла зажигания тиристоров его ток можно изменять за полпериода промышленной частоты во всем диапазоне регулирования, изменяя при этом значение векторов напряжений ΔU1мин÷ ΔU1макс и ΔU2мин÷ ΔU2макс и соответственно индуктивное напряжение УТ включенного последовательно с ЛЭП (рисунок 5).
Рисунок 4 – Принципиальная схема подключения УТ
Рисунок 5 – Векторная диаграмма управляемого трансформатора
Такой УТ является безинерционным. Потери мощности в таком УТ такие же, как в трансформаторе той же мощности. Содержание высших гармонических составляющих в токе сетевой обмотки не превышает – 2% от номинального тока во всем диапазоне его регулирования. В результате работы УТ одновременно изменяются фаза напряжения и его модуль так называемое продольно-поперечное регулирование и его индуктивное сопротивление, включенное в рассечку линии. В режиме короткого замыкания – полностью проводящие тиристорные блоки вторичных обмоток напряжение первичной обмотки трансформатора минимально (ΔUУТмин) и определяется напряжением короткого замыкания трансформатора. Чем меньше напряжение короткого замыкания, тем меньше минимальное фазосдвигающее напряжение. Запертые тиристоры соответствуют номинальному напряжению (ΔUУТмакс). Соответственно управляемый трансформатор представляет собой индуктивную катушку с довольно большим сопротивлением с повышенным падением напряжения. Номинальное напряжение трансформатора ограничивается допустимым падением напряжения на нем (рисунок 6).
Рисунок 6 – Схема замещения УТ
Сопротивление трансформатора (хУТмакс) должно удовлетворять условиям снятия токовой перегрузки ЛЭП и оборудования подстанций в аварийных режимах. Параметры УТ необходимо выбирать из двух граничных условий: работа при номинальном и минимальном напряжении. Увеличение номинального напряжения УТ приводит к значительному увеличению максимального угла сдвига. Для требуемого напряжения на выходе УТ и разных номинальных напряжений UУТном максимальные и минимальные углы сдвига (δмакс, δмин) для распределительной сети 110 кВ представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Максимальные и минимальные углы сдвига для разных номинальных напряжений УТ
U1/U2, о. е. | 1,02 | 1,05 | 1,10 | 1,15 | 1,20 |
UУТном, кВ | 21 | 33 | 46 | 54 | 60 |
δмакс, град | 11,360 | 17,480 | 24,800 | 29,400 | 33,430 |
δмин, град (при UУТкз% = 10%) | 1,150 | 1,810 | 2,650 | 3,230 | 3,780 |
На примере электрической сети 110 кВ питающей узел г. Липецка (ВЛ 110 кВ Липецкая ТЭЦ-2 - Сокол имеет длину 10,2 км) рассмотрена работа УТ, результаты расчетов сведены в таблицу 2.
Таблица 2 – Результаты расчетов перетоков по транзитной ЛЭП 110 кВ Липецкая ТЭЦ-2 – Сокол при работе УТ
х(Л+УТ)/хЛ, о. е. | Р/Рисх, о. е. | Q/Qисх, о. е. | Uнач ЛЭП/ Uкон ЛЭП, о. е. | % загрузки ЛЭП 110 кВ Липецкая ТЭЦ-2 - Сокол | % загрузки ЛЭП 110 кВ от ПС 220 кВ Правобережная | % загрузки АТ Сокол |
3,8 | 0,6 | 0,94 | 1,039 | 76 | 31 | 49 |
Продолжение Таблицы 2
3,3 | 0,6 | 0,97 | 1,037 | 82 | 29 | 47 |
2,5 | 0,7 | 1,02 | 1,034 | 92 | 27 | 42 |
1,8 | 0,8 | 1,04 | 1,031 | 106 | 24 | 36 |
1,3 | 0,9 | 1,02 | 1,029 | 117 | 22 | 32 |
1,0 | 1,0 | 1,00 | 1,027 | 125 | 21 | 28 |
Кроме ликвидации аварийных перегрузок линий в кратковременном и длительных режимах УТ способны демпфировать колебания перетоков мощности по ЛЭП при переходных процессах в сетях. В процессе развития энергосистемы и введения новых электрических связей возрастают уровни токов короткого замыкания на шинах станций и подстанций. В некоторых случаях это ведет к необходимости замены коммутационных аппаратов с большей отключающей способностью токов короткого замыкания. Работа связей ТЭЦ с системой через УТ может оказаться экономически обоснованным решением этой проблемы, поскольку устройство обладает свойствами безинерционного изменения индуктивного сопротивления. При коротких замыканиях на стороне внешнего присоединения УТ способно, при заданных дополнительных настройках, автоматически ограничивать токи короткого замыкания в электрических сетях и уменьшить длительность переходного процесса, существенно облегчая условия работы электроэнергетического оборудования: разъединителей, выключателей, трансформаторов, генераторов и т. д.
Для примера рассмотрена работа УТ в распределительной сети 110 кВ Липецкой энергосистемы. Моделировалось трехфазное короткое замыкание (КЗ) на ВЛ 110 кВ Липецкая ТЭЦ-2 – Сокол. Переходный процесс турбогенераторов Липецкой ТЭЦ-2 (ток статора генератора, скольжение генератора) при трехфазном КЗ на шинах 110 кВ ПС Сокол без УТ представлены на рисунке 7, с УТ – рисунке 8.
Рисунок 7 – Ток статора генератора и скольжение генератора при трехфазном КЗ в сети 110 кВ вблизи ТЭЦ без УТ
Рисунок 8 – Ток статора генератора и скольжение генератора при трехфазном КЗ в сети 110 кВ вблизи ТЭЦ с учетом работы УТ
Как видно из графиков ток статора генератора при трехфазном коротком замыкании снижается в 2,5 раза (23,7 кА - без УТ, 9,6 кА - с УТ). Отсутствие УТ приводит к значительному приращению угла 
, что сопровождается увеличением скольжения (smax=2,8% - без УТ, smax=0,32% - с УТ), приводящее к возникновению асинхронного хода генератора при длительном КЗ. Таким образом при наличии УТ, можно говорить о снижении последствий переходного процесса и сохранении синхронной динамической устойчивости генератора.
Выводы: С помощью предложенной схемы управляемого трансформатора осуществляется принцип параметрического регулирования, происходит управление перетоками мощности за счет ее перераспределения в транзитной электрической сети. Быстродействующий УТ обеспечивает безинерционное регулирование перетоков активной мощности в распределительных сетях. УТ способен ликвидировать токовые перегрузки транзитных ЛЭП в ремонтных и аварийных режимах, при коротких замыканиях способен ограничивать токи короткого замыкания в электрических сетях существенно уменьшая длительность переходного процесса. Появляется возможность более широкого использования характеристик ЛЭП и трансформаторов, а так же дальнейшего увеличения нагрузок узла за счет использования запасов мощности недозагруженных линий, и тем самым повысить надежность электроснабжения потребителей.
Список использованных источников
1. , Ковалев применения силовой преобразовательной техники в электроэнергетике // Электричество. 2001. №9. С.30-37.
2. Hingorani N., Gyugyi L. Understanding FACTS, concepts and technology of flexible alternative current transmission system. IEEE Press, 2000.
3. Суд. HVDC and FACTS controllers. Применение статических преобразователей в энергетических системах. М.: НП «Научно-инженерное информационное агенство», 20с.
