Управляемые реакторы в качестве силовых элементов ФВПТ

Подробности
Категория: Подстанции

Александров Г.Н. (СПбГТУ, С-Петербург), Зайцев С.Г., Бл а годы ре в В.И.
(ОАО «Ленэнерго», С-Петербург)

  1. Постановка задачи.

Изменившиеся в последние годы политические и экономические условия в России оказали самое непосредственное влияние на энергетику. Нынешняя ситуация в энергетике страны показывает, что популярные в 70- 80ые годы некоторые глобальные проекты, как например, магистральные сверхдальние передачи постоянного тока, столкнувшись с рядом трудностей как технического, так (в основном) и экономического характера, значительно утратили свою популярность [1,2,3]. В то же время создались новые предпосылки для использования силовых полупроводников не только в передачах и вставках постоянного тока (ППТ и ВПТ), но и в альтернативных более дешевых устройствах, выполняющих практически те же функции, что и ППТ (возможность несинхронной связи электрических систем переменного тока, разделение энергосистем по токам короткого замыкания, раздельное регулирование частоты и напряжения в объединяемых системах). Такие разработки ведутся как за рубежом, так и в нашей стране [4,5], и одной из причин, вызвавших поиск новых эффективных схем в этом направлении, явилась остающаяся высокая стоимость силовых полупроводников.
Альтернативным ППТ и ВПТ вариантом управляемой связи энергосистем являются электромеханические вставки переменного тока (ЭВПТ) на основе асинхронизированных синхронных электромеханических преобразователях частоты (АС ЭМПЧ) [6,7]. Такие вставки уступают ВПТ по КПД, но имеют меньшую удельную стоимость, не создают высших гармоник и являются механическим накопителем энергии, что благоприятно сказывается на процессах в связываемых сетях при больших возмущениях.
Одним из возможных вариантов управляемой связи является ферромагнитная вставка переменного тока (ФВПТ), которая по своему принципу действия более близка к фазоповоротным трансформаторам (ФПТ) или статическим преобразователям частоты трансформаторного типа. Последние же могут осуществлять прямую связь и обмен мощности между электроэнергетическими системами с различными номинальными значениями частоты переменного тока, поскольку в состав управляемых связей входят фазовые преобразователи трансформаторного типа с круговым преобразованием фазы напряжения [8]. Отличие ФВПТ от ФПТ состоит в том, что непосредственного поворота фазы напряжения они не производят, а меняют свое индуктивное сопротивление в зависимости от сдвига векторов напряжений объединяемых с их помощью систем [9]. Процесс изменения индуктивного сопротивления устройств аналогичен управляемым реакторам, которые позволяют менять свое сопротивление в больших диапазонах с приемлемым быстродействием [10].
На рис.1 приведены пример силовой схемы, векторные диаграммы и угловые характеристики одного из вариантов такой ФВПТ [11,12]. Для передачи мощности в условно положительном направлении (Р+) попеременно подмагничивают реакторные группы Р1,Р2,РЗ в интервалы изменения угла 5 (угол между векторами напряжений объединяемых систем), когда активная мощность (согласно угловой характеристике) данной реакторной группы имеет условно положительное направление (Р+). Для передачи мощности в условно отрицательном направлении (Р-) попеременно подмагничивают реакторные группы Р2,РЗ,Р1 в интервалы изменения угла 8, когда активная мощность (согласно угловой характеристике) данной реакторной группы имеет условно отрицательное направление (Р-).

2. Принцип действия.

Однолинейная схема связи двух энергосистем посредством ФВПТ приведена на рис.2а. Для выяснения принципа действия ФВПТ рассмотрим передачу мощности между двумя энергосистемами (С1 и С2) по аналогии с обычной линией электропередачи переменного тока (ЛЭП). Для упрощения анализа будем считать величины напряжений Uj и U2 одинаковыми Ui=U2=U, а также пренебрежем активным сопротивлением вставки, что не отразится на правильности выводов. Индуктивное сопротивление ФВПТ обозначим X. В первом приближении будем считать, что X может принимать два значения: Xl=Xmin=const; X2=Xmax=const, которые являются постоянными и могут меняться по величине только скачком от XI до Х2 и наоборот под воздействием системы управления (СУ) ФВПТ. Будем считать также напряжения энергосистем С1 и С2 заданными в форме гармонических функций соответствующих частот.
Пусть система С1 является избыточной, а С2 - дефицитной, тогда поток активной мощности будет направлен от С1 к С2. В синхронном режиме связи энергосистем вектор напряжения U2 системы С1 опережает вектор напряжения U2 системы С2 на угол 5=50 (см. рис.2.6, 2в). Ток через устройство определяется выражением
а)
где AU - модуль векторной разности между напряжениями U1 и U2, который при
U1=U2=U равен

Рис.1. Пример силовой схемы (а), векторные диаграммы (б) и угловые характеристики активной мощности (в) реакторной вставки переменного тока.

Рис. 2. Однолинейная схема (а), векторная диаграмма (б) и угловые характеристики активной и реактивной мощностей при отсутствии управления и постоянстве сопротивления ФВПТ (в).


Рис. 3. Диаграммы работы ФВПТ при передаче активной мощности между несинхронными энергосистемами.
При чисто индуктивном сопротивлении вектор тока ФВПТ отстает от вектора AU на угол 90 электрических градусов, а, следовательно, отстает от напряжения Uj на угол 8/2 и опережает U2 тоже на угол 8/2 (см. Рис.2б).
Легко показать, что передаваемая через ФВПТ активная мощность Р при отсутствии управления определяется выражением

(3)
а потребляемая реактивная мощность Q

(4)
Зависимости (3), (4) принято называть угловыми характеристиками мощностей ФВПТ по аналогии с угловыми характеристиками обычной линии электропередачи переменного тока, связывающей две энергосистемы (см. рис.2в). У ЛЭП сопротивление X неизменно на периоде изменения угла 5, поэтому угловая характеристика активной мощности имеет вид синусоиды, а реактивной мощности - косинусоиды. В синхронном режиме работы, когда частота системы С1 равна частоте f2 системы С2 и угловые частоты со j = 2Trfi и со2 = 2nf2 вращения векторов \]1 и U2 одинаковы, активная мощность, передаваемая по связи, не превышает предела передачи

Таким образом, угловые характеристики мощностей ФВПТ при отсутствии управления и принятых допущениях, аналогичны характеристикам обычной линии электропередачи переменного тока.
При значительных возмущениях в системах (короткие замыкания, резкие сбросы
или набросы нагрузки, отключения генерирующих мощностей), вызывающих нарушение устойчивой работы линии связи, может наступить асинхронный ход. Данный режим характеризуется различными угловыми скоростями вращения векторов и U2 (за счет разницы и f2), то есть один вектор (предположим U2) вращается относительно другого (UL) со скоростью, определяемой выражением
(5)
При этом угол 8 постоянно увеличивается
(6)
а передаваемая активная мощность изменяет знак, и за период вращения U2 относительно \]1 ее величина равна нулю.
Для осуществления передачи активной мощности в несинхронном режиме необходимо с помощью специальных мероприятий воздействовать на величины, входящие в выражение (3).
ФВПТ позволяет осуществлять однонаправленный переток активной мощности в течение периода угла 8. Если в моменты, близкие к углами = (о± 180е-и), где п = 1,2,3..., (то есть когда Р меняет знак на рис.З), определяемые системой управления, быстро изменять индуктивное
сопротивление X ферромагнитной вставки от Xmin до Хшах (и наоборот в зависимости от необходимого направления перетока активной мощности), то в результате осуществляется однонаправленный переток активной мощности при несинхронной работе объединяемых энергосистем.

3. Математическое описание ферромагнитной вставки переменного тока.

При исследовании ФВПТ на основе управляемых реакторов, выяснилось, что нет необходимости математически описывать все устройство, а достаточно смоделировать связь одной фазы первой энергосистемы с тремя фазами второй энергосистемы. Процессы передачи электроэнергии по другим фазам протекают аналогично, а энергетические показатели всей установки определяются с учетом всех трехфазных групп реакторов.
Расчетная схема замещения реакторной ФВПТ приведена на рис.4. Для упрощения математической модели принято, что токи подмагничивания постоянны во времени, при этом уменьшается число уравнений системы, так как уравнения по второму закону Кирхгофа для цепей подмагничивания не составляются. Это допустимо при расчете и анализе статических характеристик установки.
При математическом описании ФВПТ принимались следующие допущения, не искажающие истинную картину явлений: объединяемые энергосистемы являются источниками напряжения бесконечной мощности, индуктивности рассеяния и активные сопротивления обмоток реакторов постоянны, не учитываются потери на гистерезис и вихревые токи в стали магнитопроводов реакторов, источники подмагничивания моделируются источниками тока с бесконечно большим внутренним сопротивлением.
Для схемы рис. 4 по второму закону Кирхгофа можно записать систему уравнений соединений:
(7)
(8)
(9)
где:
w - число витков обмотки реактора (принято для всех фаз и обмотки подмагничивания одинаковым);
S - площадь поперечного сечения магнитопровода одной фазы реактора (принято для всех фаз одинаковым); иы, U2т - амплитуды напряжений объединяемых систем;

Рис. 4. Расчетная схема замещения одной группы реакторов ФВПТ.


Рис. 5. Расчетные угловые характеристики активной и реактивной мощностей для одной фазы реакторной ФВПТ при отсутствии (а) и наличии (б) управления устройством.
cosφa>1 - угловые частоты объединяемых систем;
(Р\»(Р2 начальные фазы напряжений объединяемых систем; z,,z'2,zз - токи в силовых обмотках реакторов;
ВХ,В2,ВЪ - индукции магнитного поля;
La,r- соответственно индуктивность рассеяния и активное сопротивление силовых
обмоток реакторов.
Дополнительно к системе уравнений (7)-(9) составляются уравнения, описывающие характеристики каждого нелинейного элемента, то есть связь индукций магнитного поля В1,В2,В3 с силовыми токами z,,t'2,i3 и токами подмагничивания *0i>Wo3- Для этого используется аппроксимация характеристики намагничивания выражением:
(10)
где Н - напряженность магнитного поля;
коэффициенты, определяемые из характеристики
намагничивания.
Кроме того, используются уравнения по закону полного тока, определяющие связь напряженности с токами:
(id
где / - средняя длина магнитопровода.
Учитывая (10) - (11), система уравнений нелинейных элементов запишется в виде:
(12)
Система уравнений (12) совместно с (7) - (9) образуют независимую систему уравнений, описывающих процессы в реакторной ФВПТ. Проведя преобразования, и обозначив
(13)
где
(14)
(15)
перейдем к записи уравнений в форме Коши:
(16)
Система уравнений (16) содержит в правой части алгебраические выражения, являющиеся функциями трех зависимых переменных: z., z,,z3J и четырех независимых переменных: i01, i02, i03, t. Данная система решается на ЭВМ численными методами. В результате решения определяются токи в реакторах устройства, с помощью которых рассчитываются основные энергетические характеристики ФВПТ - активная и реактивная мощности.
На рис.5 приведены расчетные угловые характеристики активной и реактивной мощностей для одной фазы реакторной ФВПТ при отсутствии (а) и наличии (б) управления устройством. На рис. 6 показаны расчетные угловые зависимости активной и реактивной мощностей устройства, состоящего из трех групп реакторов (по рис.1), при управлении устройством по закону типа «меандр», показанному на рис.З. Зависимости, приведенные на рис. 5, 6, построены по результатам математического моделирования для макетного образца.
Адекватность математической модели подтверждена испытаниями макетного образца ФВПТ, опытные статические угловые характеристики которого совместно с расчетными для данного образца приведены на рис. 7.

  1. Ожидаемые преимущества и недостатки ФВПТ.

Ниже приводятся ожидаемые преимущества и недостатки ферромагнитных вставок переменного тока рассматриваемого типа, полученные по результатам математического моделирования и экспериментов на макетных образцах.
Преимущества ФВПТ:

  1. низкая удельная стоимость относительно вставок постоянного тока;
  2. большой срок службы, так как основными элементами являются трансформаторные или реакторные модули;
  3. возможности достаточно длительной работы с перегрузкой;
  4. высокая надежность;
  5. низкие эксплуатационные и ремонтные затраты.

Недостатки ФВПТ:

  1. сравнительно большие (по сравнению с полупроводниковым) потери в элементах преобразователя;
  2. высокое удельное потребление реактивной мощности с каждой стороны устройства;
  3. генерация высших гармоник в сеть;
  4. необходимость использования форсировок системы управления и подмагничивания и увеличение в связи с этим установленной мощности подмагничивания.

Последний недостаток очень сильно сказывается при увеличении диапазона изменения частоты скольжения Af свыше 2 - 3 Гц, что резко снижает эффективность использования ФПЧ в этом диапазоне. Рассмотрим данный недостаток несколько подробнее.
В связи с ограниченным быстродействием элементов ФВПТ (в частном случае управляемых реакторов) передаваемая мощность через устройство

Рис. 6. Расчетные угловые характеристики активной (а) и реактивной (б) мощностей устройства, состоящего из трех групп реакторов (по рис.1), при управлении устройством по закону типа «меандр», показанному на рис.3..


Рис. 7. Расчетные и экспериментальные угловые характеристики мощностей макетного образца реакторной ФВПТ.
существенно зависит от разности частот объединяемых систем (Af), т.к. при больших значениях Af устройство не успевает менять с заданной зависимостью свое индуктивное сопротивление, а, следовательно, передавать требуемую активную мощность (Р+ или Р-). Таким образом, динамические свойства ФВПТ в основном определяются скоростью протекания процессов изменения токов в обмотках подмагничивания устройства. Угловые характеристики, приведенные на рис.6, являются идеальными, т.е. построенными в предположении мгновенного изменения сопротивления X устройства (в данном конкретном случае зависящего от степени подмагничивания реакторов ФВПТ) в моменты перехода угловой характеристики активной мощности реакторной группы через ноль. Но реальные процессы в установке имеют определенную длительность, обусловленную постоянной времени цепей подмагничивания, что существенно сказывается на основных технико-экономических показателях ФВПТ.
Для получения необходимых величин передаваемой однонаправленной активной мощности из одной разночастотной системы в другую с помощью ФВПТ, как и для получения необходимого быстродействия управляемых реакторов [10,13], требуется форсировка подмагничивания (то есть увеличение установленной мощности системы подмагничивания ), а т.к. необходимая кратность форсировки может быть значительной, то и затраты в систему подмагничивания с увеличением Af, все существеннее будут сказываться на общих затратах в ФВПТ. Кроме того, недостаточное быстродействие существенно сказывается на величине средней передаваемой активной мощности (Рср.) через ФВПТ (с увеличением Af она резко падает), тогда как средняя потребляемая устройством реактивная мощность (Qcp.) при этом возрастает. Это ведет к прогрессивному росту удельного потребления реактивной мощности ФВПТ (tg ф ср. = Qcp/Pcp), а, следовательно, к увеличению удельных затрат в компенсирующие устройства для ФВПТ.
Приблизительный характер изменения средних мощностей ФВПТ и tg ф ср. от разности частот объединяемых энергосистем при различных кратностях форсировки подмагничивания показан на рис.8. Приблизительный ход зависимостей удельных капитальных затрат на ФВПТ, а также общий ожидаемый характер изменения приведенных затрат для различных вариантов выполнения вставки (ВПТ, ЭВПТ, ФВПТ) в функции Af приведены на рис.9.

  1. Возможные перспективы применения ФВПТ.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту схемы и принципа действия ФВПТ, в отечественной и зарубежной литературе до настоящего времени отсутствуют сведения о практическом применении в энергетике таких устройств. Одной из главных причин этого, кроме вышеуказанных

Рис. 8. Приблизительный характер изменения средних мощностей ФВПТ (а) и tgcpcp. (б) от разности частот объединяемых энергосистем при различных кратностях форсировки подмагничивания п.


Рис. 9. Приблизительный ход зависимостей удельных капитальных затрат на ФВПТ (а) и общий ожидаемый характер изменения приведенных затрат (б) для различных вариантов выполнения вставки (ВПТ, ЭВПТ, ФВПТ) в функции Af.
недостатков ФВПТ, являлось отсутствие серийно выпускаемых мощных управляемых реакторов и трансформаторов с системами управления, обеспечивающими необходимое быстродействие регулирования индуктивности.
В последнее время рядом предприятий России и Украины налажено производство управляемых подмагничиванием реакторов для электрических сетей 110 - 500 кВ [10], которые вполне могут быть использованы в качестве силовых элементов ФВПТ.
Большое потребление реактивной мощности с каждой стороны устройства в ряде случаев не может быть существенным недостатком ФВПТ, так как в последнее время, в энергосистемах наблюдаются избытки реактивной мощности, требующие как раз устройств-потребителей. Проведенные специалистами Энергосетьпроекта и ВНИИЭ [14] расчеты установившихся электрических режимов и переходных процессов в сетях 750-330 и 550-220 кВ региона ЕЭС России на интервале времени до 2010 г. показали, что в течение всего рассматриваемого периода будет сохраняться неполная загрузка указанных системообразующих сетей и связанная с этим необходимость компенсации избытков зарядной мощности ЛЭП. Следовательно, актуальна проблема компенсации избытков зарядной мощности, которая должна решаться в сетях каждого класса напряжения.
Проблема снижения высших гармоник в ФВПТ может быть решена известными схемными вариантами, а также применением фильтров [15].
Проведенные с участием авторов многолетние исследования характеристик нескольких типов ФВПТ по рассмотренной выше реакторной схеме [11,12] и некоторым аналогичным [16,17], позволяют сделать вывод о возможности применения указанных устройств для связи электрических систем, как при синхронной, так и при несинхронной (до определенной разности частот - не более 5 Гц) связи электрических систем наряду со вставками постоянного тока и электромеханическими вставками переменного тока.

Список литературы

  1. Кощеев Л.А. Электропередачи постоянного тока. Нужны ли они России? «Электричество», 1999, № 3.
  2. Александров Г.Н. Дискуссия по статье Кощеева Л.А. Электропередачи постоянного тока. Нужны ли они России? «Электричество», 1999, №11.
  3. Зайцев С.Г. Дискуссия по статье Кощеева Л.А. Электропередачи постоянного тока. Нужны ли они России? «Электричество», 1999, № 11.
  4. Гершенгорн А.И. Применение силовой электроники для управления системами передачи электроэнергии. "Электрические станции", 1993г., №4.
  5. Кочкин В.И., Дементьев Ю.А. Управляемые линии электропередачи. "Электрические станции", 1999г., № 2.
  6. Алексеев Б.А., Мамиконянц Л.Г., Шакарян Ю.Г. Регулирование режимов работы электроэнергетических систем с помощью асинхронизированных - синхронных машин. - Электрические станции, 1998, № 12.
  7. Зеленохат Н.И. Электромагнитное секционирование крупных гидроэлектростанций. - Известия АН. Энергетика. 1999, № 2.
  8. Калинин Л.П., Войтовский А.В., Агунов М.В. Статический преобразователь частоты трансформаторного типа. - В кн.: Управляемые электропередачи. - Кишинев: Штиинца, 1986, с. 55-64.
  9. Зайцев С.Г., Лысов Ю.А. К вопросу об использовании трехфазных трансформаторов для несинхронного объединения энергосистем. Рук. деп. в Информэнерго. № 1543 ЭН-Д85, 1985.
  10. Брянцев А.М., Базылев Б.И., Бики М.А., Уколов С.В., Долгополов А.Г., Лурье А.И., Евдокунин Г. А., Славин Г. А. Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы - новое электротехническое оборудование. «Электротехника», 1999, № 7.
  11. Патент          США кл. 307-20 (В62 d 55/14) №3567954, приор 28.08.68 Япония.Устройство для регулирования перетока мощности между двумя системами., Опубликован 02.03.71 в Официальном бюллетене по материалам патентных ведомств США, 1(9), 02.03.71, том 884, с. 123.
  12. Патенты       Японии № 47-28489, № 47-28490 кл. 58А2, (Н 02J 3/06) Статический преобразователь частоты с изменяющимися индуктивностями., Опубликованы 02.07.72 Изобретения за рубежом, вып. 31, 21.11.72, с.54.
  13. Александров              Г.Н. Передача электрической энергии переменным током. - М.: Знак, 1998.
  14. Дмитриева  Г.А., Макаровский С.Н., Поздняков А.Ю. и др. Перспективы применения асинхронизированных турбогенераторов в европейской зоне ЕЭС России. "Электрические станции", 1997, № 8.
  15. Александров              Г.Н. Адаптивные системы регулирования реактивной мощности в электрических сетях. "Изв.АН Энергетика", 1998, № 5.
  16. АС  502445 СССР Устройство для объединения энергосистем / Зеккель А.С., Кощеев Л.А. - Заявл. 25.06.74; опубл. 05.02.76, бюл.№
  17. АС  556591 СССР Устройство для объединения энергосистем / Зеккель А.С., Кощеев Л.А., Набутовский И.Б., Суханов В.М. Заявл. 25.11.75; опубл. 15.04.77, бюл.№ 14.

Еще по теме: