Малогабаритное устройство продольной компенсации как элемент системы управления режимами электрических сетей

МИНИСТЕРСТВО ОБАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»

Политехнический институт Факультет Энергетический

Кафедра «Электрические станции, сети и системы электроснабжения»

РАБОТА ПРОВЕРЕНА ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ

Рецензент, должность Заведующий кафедрой, д.т.н., профессор

/ И.О. Фамилия / / И. М. Кирпичникова /

« » 20 г. « » 20 г.

МАЛОГАБАРИТНОЕ УСТРОЙСТВО ПРОДОЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ КАК ЭЛЕМЕНТ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

(наименование темы работы)

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА ЮУрГУ – 13.03.02. 2018.14-108-1320 ВКР

(код направления, год, номер студенческого)

Консультант, должность Руководитель, к.т.н., профессор

/ И.О. Фамилия / / М. Е. Гольдштейн /

« » 20 г. « » 20 г.

Консультант, должность Автор

студент группы П-471

/ И.О. Фамилия / / Н. С. Кононов /

« » 20 г. « » 20 г.

Консультант, должность Нормоконтролер, к.т.н., доцент

/ И.О. Фамилия / / К. Е. Горшков /

« » 20 г. « » 20 г.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»

Институт Политехнический Факультет Энергетический

Кафедра Электрические станции, сети и системы электроснабжения Направление Электроэнергетика и электротехника

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой, д.т.н., проф.

________ / И. М. Кирпичникова /

«____» _______________ 2018 г.

ЗАДАНИЕ

на выпускную квалификационную работу студента Кононова Николая Сергеевича

(Ф.И.О. полностью)

Группа П-471

1. Тема выпускной квалификационной работы

Малогабаритное устройство продольной компенсации как элемент системы управления режимами электрических сетей

утверждена приказом по университету от 4 апреля 2018 г. № 580 2. Срок сдачи студентом законченной работы 13 июня 2018 г.

3. Исходные данные к работе

1. Схема и нагрузки потребителей района электрической сети 110 кВ;

2. Геометрические и физические параметры схемы электрических соединений района электрической сети 110 кВ;

3. Справочная и техническая литература;

4. Нормативные документы.

4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежа- щих к разработке вопросов)

1. Устройства, реализующие технологию гибких систем

электропередачи переменного тока и выбор наиболее эффективного с целью последующего внедрения в район электрической сети 110 кВ

2. Анализ исходной схемы района электрической сети 110 кВ:

анализ работы силовых трансформаторов, составление расчетной схемы замещения

3. Анализ режимов района электрической сети 110 кВ

4. Применение традиционных средств с целью нормализации режимов района электрической сети 110 кВ

5. Перспективы применения малогабаритных устройств продольной компенсации на базе преобразователей напряжения с целью нормализации режимов района электрической сети 110 кВ

6. Оптимизация и снижение потерь мощности в режимах наибольших наименьших нагрузок с помощью применения МУПК ПН

7. Оценка эффективности применения традиционных средств для нормализации режимов и малогабаритных устройств продольной

компенсации на базе преобразователей напряжения

5. Перечень графического материала (с точным указанием обязатель- ных чертежей, плакатов в листах формата А1)

Презентация по результатам работы

Всего _______ листов 6. Консультанты по работе, с указанием относящихся к ним разделов работы

Раздел Консультант

Подпись, дата Задание выдал

(консультант)

Задание принял (студент)

7. Дата выдачи задания 12 февраля 2018 г.

Руководитель работы / М. Е. Гольдштейн /

(подпись)

Задание принял к исполнению / Н. С. Кононов /

(подпись)

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН Наименование этапов

выпускной квалификационной работы

Срок выполнения этапов работы

Отметка руководителя о

выполнении 1. Поиск, систематизация и анализ

информации о современном состо- янии разработок и внедрении устройств, реализующих техноло- гию гибких систем передачи пере- менного тока

12.02.2018 г. – 30.03.2018 г.

2. Анализ исходной схемы района электрической сети 110 кВ: анализ работы силовых трансформаторов, составление расчетной схемы за- мещения

02.04.2018 г. – 13.04.2018 г.

3. Расчет и анализ режимов иссле- дуемого района электрической сети 110 кВ

16.04.2018 г. – 04.05.2018 г.

4. Нормализация режимов района электрической сети 110 кВ, оценка возможности внедрения малогаба- ритных устройств продольной компенсации на базе преобразова- телей напряжения

07.05.2018 г. – 28.05.2018 г.

5. Оформление пояснительной записки

04.06.2018 г. – 07.06.2018 г.

6. Разработка графической части 08.06.2018 г. – 12.06.2018 г.

Заведующий кафедрой / И. М. Кирпичникова /

(подпись)

Руководитель работы / М. Е. Гольдштейн /

(подпись)

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Лист

13.03.02.2018.108.00 ПЗ

Разраб. Кононов Н.С. Лит. Листов

АННОТАЦИЯ

Кононов Н. С. Малогабаритное устройство продоль- ной компенсации как элемент системы управления режима- ми электрических сетей. – Челябинск: ЮУрГУ, П; 2018, 71 страница, 38 иллюстраций, 24 таблиц, библиографический список – 13 наименований

Выпускная квалификационная работа выполнена в соответствии с заданием.

Во введении указана актуальность выбранной темы, обозначены задачи, объект и предмет исследования.

В первой части работы рассмотрены основные устройства гибких систем передачи переменного тока, применение которых позволит управлять перетоками мощности в исследуемом районе электрической сети и способствовать уменьше- нию загрузки по току перегруженных ЛЭП.

Во второй части проведен анализ режимов работы исследуемого района электрической сети и установленных в сети силовых трансформаторов, составле- на расчётная схема замещения. В результате анализа режимов выявлена необхо- димость в нормализации режимных параметров, проведены традиционные меро- приятия по их нормализации – усиление линий электропередачи.

В последней части работы с целью нормализации режимных параметров были применены малогабаритные устройства продольной компенсации на базе преобразователей напряжения (МУПК ПН). Проанализированы результаты расче- та режима, рассмотрена возможность оптимизации режимов и снижения потерь мощности в сети при помощи установленных устройств. Обоснована эффектив- ность применения МУПК ПН в исследуемом районе электрической сети 110 кВ.

В заключении на основе выполненной работы сделаны выводы.

В библиографическом списке приведен перечень литературы, использован- ной в ходе выполнения выпускной квалификационной работы.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ... 8

1 ГИБКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ... 9

1.1 Автономный инвертор напряжения ... 10

1.2 Преобразователь напряжения ... 15

1.3 Функции преобразователя напряжения в электрической сети ... 21

1.3.1 Статический компенсатор реактивной мощности ... 21

1.3.2 Фазоповоротные устройства ... 22

1.3.3 Устройства продольной компенсации ... 24

1.4 Выводы ... 27

2 АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАЙОНА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ... 28

2.1 Схема района электрической сети ... 28

2.2 Анализ работы силовых трансформаторов ... 30

2.3 Схема замещения района электрической сети ... 35

2.4 Расчет режима наибольших нагрузок ... 41

2.5 Расчет режима наименьших нагрузок ... 44

2.6 Расчет послеаварийного режима ... 47

2.7 Усиление линий электропередачи ... 52

2.8 Выводы ... 56

3 ПРИМЕНЕНИЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ УСТРОЙСТВ ПРОДОЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ... 57

3.1 Нормализация послеаварийного режима ... 57

3.2 Оптимизация режима наибольших нагрузок ... 63

3.3 Оптимизация режима наименьших нагрузок ... 66

3.4 Выводы ... 69

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ... 70

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ... 71

ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИЛОЖЕНИЕ А. Презентация по результатам работы ... 72

ВВЕДЕНИЕ

В электрических сетях современных электроэнергетических систем всё более широкое применение находят новые управляющие элементы. К ним относятся устройства управляемых (гибких) систем передачи перемен- ного тока, или, в соответствии с терминологией IEEE, Flexible AC Transmis- sion Systems (FACTS): статические компенсаторы реактивной мощности (СТАТКОМ), управляемые устройства продольной и поперечной компенса- ции, объединенные регуляторы потоков мощности (ОРПМ), фазоповоротные устройства, вставки постоянного тока и т.д. [3; 7-9].

Одной из последних разработок ОАО «ЭНИН» совместно с АО «НТЦ ФСК ЕЭС» является технология малогабаритных устройств продольной ком- пенсации (МУПК) для воздушных линий электропередачи, которая в насто- ящее время получила активное развитие в США и России [11].

По сравнению с традиционными устройствами продольной компенса- ции, МУПК обладают рядом преимуществ: простота монтажа и быстрота установки на ВЛ, мобильность.

Устройства, реализующие технологию FACTS позволяют решать ши- рокий спектр задач:

 увеличение пропускной способности ЛЭП переменного тока;

 поддержание требуемых напряжений в узлах потребления;

 управление перетоками мощности;

 снижение потерь мощности;

 повышение надежности и устойчивости энергосистем.

Учитывая стремление распределительных компаний снизить потери мощности в электрических сетях с одной стороны и существенное увеличе- ние стоимости строительства новых высоковольтных линий электропередачи [7] с другой, внедрение устройств FACTS может оказаться достаточно эф- фективным решением.

В задании на ВКР предложено рассмотреть перспективы применения УПК на базе преобразователей напряжения на основе анализа режимов райо- на электрической сети 110 кВ. Для этого предварительно рассмотрим эти устройства и их функциональные возможности, произведем выбор наиболее эффективного средства с целью последующего внедрения в существующий район электрической сети. Затем произведем анализ режимов района элек- трической сети и определим необходимость их нормализации. Нормализа- цию режимов произведем как традиционными средствами, так и внедрением малогабаритных устройств продольной компенсации, сравним эффектив- ность от их применения.

1 ГИБКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Под гибким управлением режимами работы ЛЭП понимают возмож- ность изменения передаваемой по ней активной мощности, а также сопут- ствующей реактивной мощности за счет воздействия на значения напряже- ний, полного сопротивления и угла электропередачи [7].

Рост электрических нагрузок в электрических сетях приводит к усложнению режимов их работы, возникает необходимость внедрения более прогрессивных технологий управления передачей электроэнергии в рабочих, аварийных и послеаварийных режимах. Требуется и строительство новых высоковольтных линий электропередачи, в связи с существенным увеличе- нием стоимости строительства которых встаёт вопрос увеличения пропуск- ной способности существующих ЛЭП [7]. Одним из решений является управление передаваемой мощностью, особенно в аварийных и послеаварий- ных режимах работы энергосистем.

Сегодня на базе силовых полупроводниковых приборов строятся вы- соконадежные (резервируемые, восстанавливаемые) силовые элементы управления, обладающие быстродействием, достаточным для управления нормальными и аварийными режимами энергосистем [3].

Известно, что передаваемая по линии без потерь активная мощность и потребляемая по её концам реактивная мощность в зависимости от угла пе- редачи  определяются как

 

1 2 л 1 2

л

sin ;

1 cos , P U U

X Q U U

X





 



  



, (1)

где U₁, U₂ – напряжения в начале и в конце ЛЭП соответственно;

Xл – индуктивное сопротивление ЛЭП;

 – угол между векторами U₁ и U₂.

Устройства на основе современной силовой электроники, созданные для управления работой электропередачи, способны одновременно воздей- ствовать на три указанных выше параметра, что повышает эффективность и обеспечивает гибкое управление режимами энергосистем [7].

Проведем более детальное рассмотрение этих устройств.

1.1 Автономный инвертор напряжения

Автономные инверторы – устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку. Нагрузкой автономного инвертора может быть единичный потребитель или разветвленная сеть потребителей [4].

Основой автономного инвертора является вентильное переключающее устройство, которое может выполняться по однофазным и трехфазным схе- мам. В качестве ключей в автономных инверторах служат транзисторы и од- но- или двух- операционные тиристоры.

Рассмотрим принцип работы однофазного АИН, схема которого изоб- ражена на рисунке 1.

+

–

Д4

Д1

Т4

Т1

Д2

Д3 Т2

Т3 R_н L_н

u_н

+ (–)

– (+)

E_d

Рисунок 1 – Схема главных цепей однофазного мостового АИН

Источник питания E автономного инвертора работает в режиме ис- точника напряжения. Нагрузка включается в диагональ моста, образованного тиристорами T₁ – T₄ и обратно включенными диодами Д₁ – Д₄. Диоды предназначены для пропускания тока активно-индуктивной нагрузки на ин- тервалах времени, когда ток имеет направление, обратное для тиристоров [4].

Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип формирования кривой выходного напряжения однофазного мостового АИН изображены на рисунке 2.

Формирование кривой выходного напряжения u_н требует поочеред- ного отпирания накрест лежащих тиристоров Т Т₁, ₂, Т Т₃, ₄ так, что каждый из них открыт в течение  180 . В установившемся режиме кривая тока i_н активно-индуктивной нагрузки симметрична и состоит из участков экспо- нент с постоянной времени  L_н R_н.

На интервале ₀ – ₁ проводят ток тиристоры Т Т₃, ₄. В момент вре- мени ₁ тиристоры Т Т₃, ₄ запираются, а тиристоры Т Т₁, ₂ отпираются. За счёт наличия индуктивности в цепи нагрузки ток i_н под действием э.д.с. са- моиндукции сохраняет на интервале ₀ – ₁ (после переключения тиристо- ров) прежнее направление. Поскольку тиристоры Т Т₃, ₄ заперты, а тиристо- ры Т Т, в таком направлении ток проводить не могут, ток нагрузки на этом

интервале проводят диоды Д Д₁, ₂. Отпиранием диодов вызывается измене- ние полярности выходного напряжения на нагрузке. Энергия, запасенная в индуктивности L_н на предыдущем этапе работы схемы, отдается в цепь ис- точника питания и нагрузки [4].

Т₁, Т2

Т₃, Т4

ωt

ωt

ωt

0 ωt

0 0 0

iн uн

iТ3, Т4

iТ1, Т2

iД1, Д2

iД3, Д4

id Id

Рисунок 2 – Временные диаграммы токов и напряжений, формируемых однофазным АИН

Таким образом, роль обратных диодов сводится к пропусканию реак- тивного тока нагрузки после переключения тиристоров.

В момент времени ₂ ток i_н становится равным нулю, диоды Д Д₁, ₂ переводятся в непроводящее состояние. Поскольку на тиристорах Т Т₁, ₂ управляющие импульсы поддерживаются в течение  180 , эти тиристоры с момента времени ₂ подключают нагрузку к источнику питания. Ток в нагрузке после перехода через нуль изменяет направление. Совпадение после момента времени ₂ знаков напряжения u_н и тока i_н означает, что нагрузка

В момент времени ₃ происходит очередное переключение тиристо- ров, связанное с запиранием тиристоров Т Т₁, ₂ и отпиранием тиристоров

3, 4

Т Т . Процессы протекают аналогично. На интервале времени ₃ – ₄ ток активно-индуктивной нагрузки проводят диоды Д Д₃, ₄, а на интервале ₄ –

5 – тиристоры Т Т₃, ₄. В последующем процессы в схеме повторяются.

Регулирование величины кривой выходного напряжения осуществля- ется путем изменения напряжения E.

АИН потребляет активную мощность как в режиме инвертирования, так и в режиме выпрямления. Реактивная же мощность может либо потреб- ляться, либо выдаваться в сеть, поэтому зона работы АИН ограничивается II и III квадрантами PQ-диаграммы (рисунок 3).

P

II Q III

I

IV I

IV

Рисунок 3 – Зона работы АИН на PQ-диаграмме

АИН порождает токи высших гармоник, поэтому осуществляются ме- роприятия по их снижению.

Содержание гармонических составляющих может быть существенно снижено при использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой кривая выходного напряжения инвертора формируется в виде им- пульсов, промодулированных по синусоидальному закону [4]. Кривая вы- ходного напряжения при использовании ШИМ изображена на рисунке 4.

π/2

3π/2

π ωt

u_н

Ed

2π

Рисунок 4 – Кривая выходного напряжения u_н при использовании ШИМ

Применение ШИМ обеспечивает преимущественное содержание в кривой выходного напряжения основной гармоники и минимальное содер- жание высших гармонических с близкими к основной гармонике частотами.

Регулирование выходного напряжения осуществляется изменением ширины выходных импульсов.

Регулирование выходного напряжения можно производить либо по цепи питания, либо с помощью самого инвертора путем изменения фазового сдвига сигналов управления одной пары тиристоров полумоста относительно сигналов управления другой пары при переключении тиристоров в каждом полумосте с указанными значениями углов  [4].

Рассмотрим принцип работы трехфазного АИН, схема которого изоб- ражена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема главных цепей трехфазного мостового АИН

Трёхфазные АИН выполняют по мостовой схеме, состоящей из шести тиристоров T₁ – T₆ и диодов Д₁ – Д₆. Диоды включены встречно- параллельно тиристорам и выполняют ту же функцию, что и аналогичные диоды в однофазной схеме.

Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип формирования кривой выходного напряжения трехфазного АИН изображены на рисунке 6.

Каждый тиристор проводит ток в течение  180 . Последователь- ность вступления тиристоров в работу соответствует порядку следования их номеров при относительном фазовом сдвиге в 60 . В любой момент времени одновременно проводят ток три тиристора, два из которых относятся к ка- кой-либо одной (катодной или анодной) группе, а один – к другой (соответ- ственно анодной или катодной) группе, то есть 123, 234, 345, 456 и так далее.

Кривая линейного напряжения состоит из импульсов с амплитудой E чередующейся полярности длительностью в 120 , разделенных паузой в 60 . Напряжения u_AB, u_BC, u_CA сдвинуты по фазе на угол в 120 . Импульсы

ляющих рассматриваемое линейное напряжение. Так, например, в кривой uAB импульсы напряжения положительной полярности получаются при от- крытых тиристорах Т₃ и Т₄, а импульсы напряжения отрицательной поляр- ности – при открытых тиристорах Т₁ и Т₆. Интервалам паузы соответствуют открытые состояния тиристоров общей группы (катодной или анодной) двух фаз, формирующих линейное напряжение [4].

Ed 0 ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

uAB

Т1

Т₂ Т₃ Т4

Т5

Т₆

1/3 Ed

2/3 Ed 0

uBC

0

uCA

0

uA

0

uB

0

uC

Рисунок 6 – Временные диаграммы напряжений, формируемых трехфазным АИН

Фазные напряжения u_A, u_B, u_C имеют вид ступенчатой кривой со значениями напряжения 1 3E и 2 3E.

Регулирование выходного напряжения инвертора производят приме- нением на входе инвертора управляемого выпрямителя или импульсного преобразователя постоянного напряжения [4].

1.2 Преобразователь напряжения

В отличие от автономного инвертора напряжения, преобразователь напряжения (ПН) работает в сети, в которой есть свои источники.

Рассмотрим схему ПН, которая представлена на рисунке 7.

Преобразователь состоит из шести плеч, включающих в себя встреч- но-параллельные запираемые тиристоры и обратные диоды.

1 3 5

A

Ud

B C

Id

4 6 2

Т1 Д1 Т3 Д3 Т5 Д5

Т4 Д4 Т6 Д6 Т2 Д2

Рисунок 7 – Схема главных цепей преобразователя напряжения

Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип формирования кривой выходного напряжения ПН изображены на рисунке 8.

Для управления тиристорами применяется система импульсно- фазового управления (СИФУ), которая обеспечивает длительность проводя- щего состояния каждого плеча в течение 180 (рисунок 8).

Импульсы управления поступают на запираемые тиристоры через 60 с очередностью 1-2-3-4-5-6. При таком управлении на зажимах A, B, C фор- мируется напряжение прямоугольной формы u_AB, u_BC, u_CA, первые гармо- ники фазного напряжения которых равны

A B C ПН

2

U U U U Ud

     , (2)

где U_d – напряжение источника постоянной ЭДС;

UПН – напряжение преобразователя [9].

Для построения векторных диаграмм токов и напряжений ПН соста- вим его эквивалентную схему замещения, подключенного через трансформа- тор к шинам подстанции с фазным напряжением U_S.

ωt

ωt

ωt

UA

Ud 0

uAB

Т1

Т2

Т3

Т₄ Т₅ Т6

0

uBC

0

uCA

Рисунок 8 – Временные диаграммы напряжений, формируемых ПН Трансформатор без учёта потерь и при условии приведения к одной ступени напряжения может быть представлен общим индуктивным сопро- тивлением X_S – сопротивлением связи между шинами подстанции и преоб- разователем напряжения. Схема замещения представлена на рисунке 9.

XS

US

IS

UПН

Рисунок 9 – Эквивалентная схема замещения ПН, подключенного через трансформатор к шинам подстанции

На рисунке 10 изображена векторная диаграмма токов и напряжений ПН в режиме потребления реактивной мощности.

Пусть напряжение преобразователя напряжения U_ПН совпадает по фазе с напряжением сети U_S. Тогда падение напряжения на сопротивлении

S S

I jX равно напряжению на преобразователе напряжения. Ток I_S по закону Ома будет отставать от падения напряжения, а значит и от напряжения сети на 90 что и соответствует режиму потребления реактивной мощности.

US

UПН I jX_{S S}

Q

IS ^

Рисунок 10 – Векторная диаграмма токов и напряжений ПН в режиме потребления реактивной мощности

На рисунке 11 изображена векторная диаграмма токов и напряжений ПН в режиме потребления активной мощности.

Пусть напряжение преобразователя напряжения U_ПН отстает по фазе от напряжения сети U_S на угол  . Тогда падение напряжения на сопротив- лении связи I jX_{S S} опережает напряжение сети на 90 . Ток I_S по закону Ома будет отставать от падения напряжения на 90 , а значит совпадает по фазе с напряжением сети, что и соответствует режиму потребления активной мощ- ности.

P

IS^

S S

I jX

UПН

US

Рисунок 11 – Векторная диаграмма токов и напряжений ПН в режиме по- требления активной мощности

На рисунке 12 изображена векторная диаграмма токов и напряжений ПН в режиме генерации активной мощности.

Пусть напряжение преобразователя напряжения U_ПН опережает по фазе напряжение сети U_S на угол  . Тогда падение напряжения на сопро- тивлении связи I jX_{S S} отстает от напряжения сети на 90 . Ток I_S по закону Ома будет опережать падение напряжения на 90 , а значит будет в противо- фазе с напряжением сети, что и соответствует режиму генерации активной мощности.

P

IS^

S S

I jX

UПН U^S

Рисунок 12 – Векторная диаграмма токов и напряжений ПН в режиме генерации активной мощности

На рисунке 13 изображена векторная диаграмма токов и напряжений ПН в режиме генерации реактивной мощности.

Пусть напряжение преобразователя напряжения U_ПН совпадает по фазе с напряжением сети U_S. Тогда падение напряжения на сопротивлении связи I jX_{S S} равно напряжению на преобразователе напряжения, взятому с обратным знаком в каждый момент времени. Ток I_S по закону Ома будет от- ставать от падения напряжения, а значит опережать напряжение сети на 90 , что соответствует режиму генерации реактивной мощности.

US

UПН

S S

I jX

Q

IS^

Рисунок 13 – Векторная диаграмма токов и напряжений ПН в режиме генерации реактивной мощности

Осуществляя регулирование моментами включения и отключения за- пираемых тиристоров, можно сформировать такое напряжение на преобразо- вателе напряжения U_ПН, которое будет сдвинуто по фазе на некоторый угол

 относительно напряжения сети U_S. Напряжение на преобразователе напряжения U_ПН может быть управляемо как по модулю, так и по фазе, и при этом независимо по трем фазам, поэтому потребляемая активная и реак- тивная мощности могут быть изменены независимо друг от друга.

Таким образом, зона работы ПН распространяется на все четыре квад- ранта PQ-диаграммы (рисунок 14).

Рисунок 14 – Зона работы ПН на PQ-диаграмме

Так же, как и АИН, ПН порождает гармоники, кратные 6k1, среди которых наибольший вклад вносят 5-я и 7-я гармоники, поэтому осуществ- ляются мероприятия по их снижению.

Одним из таких мероприятий является создание многоуровневых пре- образователей напряжения [9], схема которого изображена на рисунке 15.

P

Полюс 1

A I I/2 I/2

+ –

С_d

+

U_d/2 –

U_d/2

N N

Полюс 2

L

Рисунок 15 – Схема многоуровнего ПН

На рисунке 16 изображена диаграмма выходного напряжения много- уровнего ПН.

ωt u_н

π/2 π 3π/2 2π

U_d/4 U_d/2

–Ud/4

–Ud/2

Рисунок 16 – Диаграмма выходного напряжения u_н многоуровнего ПН Другим мероприятием является использование ШИМ, принцип рабо- ты которой был рассмотрен в п. 1.1.

1.3 Функции преобразователя напряжения в электрической сети

Рассмотренный выше преобразователь напряжения может использо- ваться как основной элемент при создании технических средств для гибких систем электропередачи.

Рассмотрим конкретные примеры его применения.

1.3.1 Статический компенсатор реактивной мощности

Статический компенсатор реактивной мощности (СТАТКОМ) реали- зуется на базе преобразователя напряжения, параллельно подключенного к шинам подстанции.

Из анализа работы ПН следует, что режим работы компенсатора реак- тивной мощности характеризуется углом  , равным нулю (рисунок 13).

В реальных схемах СТАТКОМ в качестве источника постоянного напряжения U_d используется конденсаторная батарея C_d, напряжение на ко- торой изменяется кратковременным переводом ПН в выпрямительный или инверторный режим. Вследствие этого в токе I_d появляется постоянная со- ставляющая, которая заряжает или разряжает батарею до нужного напряже- ния [9].

Схема СТАТКОМ изображена на рисунке 17.

1 3 5

A

Ud

B

C

Id

4 6 2

Т1 Д1 Т3 Д3 Т5 Д5

Т4 Д4 Т6 Д6 Т2 Д2

+ – Сd

IA

IB

IC

L_S U_S

U_ПН

Рисунок 17 – Схема СТАТКОМ

СТАТКОМ позволяет регулировать величину и фазу напряжения в электрической сети.

1.3.2 Фазоповоротные устройства

Управление передаваемой по линии мощностью может осуществлять- ся изменением фазного узла сдвига между напряжениями по концам линии.

Фазоповоротные устройства (ФПУ) воздействуют на угол передачи  и соответственно на изменение передаваемой по линии мощности. В про- стейшем случае ФПУ состоит из двух трансформаторов: параллельного Т₁ и последовательного Т₂.

На рисунке 18 изображена схема фазоповоротного устройства.

U1 Т2 U2 Xл U3

Т1

Рисунок 18 – Схема фазоповоротного устройства

Последовательный трансформатор Т₂ создаёт вектор дополнительно- го напряжения в линии, перпендикулярно направленного к вектору U₁, что изменит углы с ₁ на ₂ (рисунок 19).

δ1

U1

U2

U3

δ2

U

Рисунок 19 – Векторная диаграмма напряжений Угол между напряжениями по концам линии

2 1

     . (3)

Угол  может регулироваться как по значению, так и по знаку, по- этому угол ₂ может изменяться в сторону как увеличения, так и уменьше- ния [12].

Величина передаваемой мощности по воздушной линии будет напря- мую зависеть от изменения ₂. В том случае, когда угол ₂ увеличивается, то согласно формуле (1) мощность будет расти, при уменьшении – снижаться.

При этом угол ₁ между напряжениями U₁ и U₃ остается неизменным.

ФПУ не изменяет амплитуду синусоиды и поэтому не повышает про- пускную способность линии [7].

1,0

90 180 δ, эл. град P

Δδ P2

P1

δ1

Рисунок 20 – Зависимость передаваемой по линии мощности от угла передачи 

Электромеханические переключатели могут быть заменены средства- ми силовой электроники (рисунок 21).

X_л Т1

U1

ПН

U2 U3

Рисунок 21 – Схема фазоповоротного устройства на базе преобразователя напряжения

В отличие от классической схемы реализации ФПУ, где изменение угла  осуществлялось путем изменения отпаек понижающего трансфор- матора, здесь изменение угла  осуществляется с помощью преобразовате- ля напряжения.

1.3.3 Устройства продольной компенсации

К устройствам продольной компенсации (УПК) относят установки продольной емкостной компенсации, предназначенные для компенсации ча- сти продольного индуктивного сопротивления линии с целью увеличить её пропускную способность [12]. В простейшем случае для этого используется батарея статических конденсаторов (БСК), включаемая последовательно в каждую фазу линии.

Для ЛЭП на рисунке 22 построим векторную диаграмму токов и напряжений при использовании УПК. Векторная диаграмма токов и напря- жений без применения УПК аналогична векторной диаграмме для ЛЭП. При введении УПК в рассечку ЛЭП, её индуктивное сопротивление компенсиру- ется, уменьшается составляющая падения напряжения в реактивном сопро- тивлении ^I₂^





УПК X

R XC

U1 U2

Рисунок 22 – Схема электропередачи с УПК

U2Ф

 

2 C

I  X X I2X U1Ф

1Ф УПК

U

I2R

2

IP

I2 2

IQ

Рисунок 23 – Векторная диаграмма ЛЭП при использовании УПК

Продольная компенсация, кроме повышения пропускной способности линии, позволяет перераспределять мощность между параллельными линия- ми электропередачи за счет изменения сопротивления ВЛ [6].

Особое значение приобретает использование малогабаритных устройств продольной компенсации, выполненных с возможностью крепле- ния на проводе воздушной линии электропередачи без нарушения его це- лостности.

Малогабаритные устройства продольной компенсации (МУПК) – устройства силовой электроники, обеспечивающие управляемое воздействие на реактивную составляющую сопротивления ЛЭП. Технология МУПК для

воздушных линий электропередачи в настоящее время получила активное развитие в США и России [11].

Эти устройства могут быть использованы для решения широкого спектра задач, в частности, перераспределения потоков мощности между от- дельными параллельно работающими линиями или сечениями; симметриро- вания фаз; повышения пропускной способности, устойчивости и надежности работы электрической сети; уменьшения потерь энергии.

Конструктивное исполнение МУПК позволяет производить его мон- таж без разрыва провода воздушной линии, что делает устройства МУПК мобильными. Устройства могут демонтироваться и перемещаться на другие линии, число устройств может увеличиваться или уменьшаться в соответ- ствии с техническими требованиями по регулированию потоков мощности [11]. Рассмотрим принцип работы МУПК, структурная схема которого изоб- ражена на рисунке 24.

Рисунок 24 – Структурная схема малогабаритного устройства продольной компенсации

В корпусе МУПК размещен трансформатор, сердечник которого охва- тывает провод ВЛ. К вторичной обмотке трансформатора подключены две параллельные цепи с конденсаторами, коммутируемые соответствующими двунаправленными тиристорными ключами.

Источником энергии для источника питания (ИП) собственных нужд МУПК является ВЛ. Энергия отбирается от линии и запасается в ИП. ИП обеспечивает питание контроллера, который управляет ключами VS, VS1, VS2 и нормально замкнутым контактом S, сравнивая показания датчика тока (ДТ) линии с заданными уставками по току.

Управление также может быть реализовано по командам централизо- ванной системы управления, поступающим через модуль связи, снабженный антенной.

МУПК может находиться в пяти состояниях (режимах) [11]. В первом режиме контакт S замыкает вторичную обмотку накоротко и МУПК не влия- ет на работу линии. Поскольку обмотка трансформатора короткозамкнута, сопротивление, которое МУПК вносит в линию, близко к нулю и не влияет на ее параметры.

В остальных режимах, которым соответствует разомкнутое состояние контакта S и ключей VS, МУПК вносит в линию то или иное реактивное со- противление в зависимости от состояния ключей VS1, VS2, управляемых кон- троллером. При разомкнутых ключах VS1 и VS2 в линию вносится индуктив- ное сопротивление X_, равное сопротивлению индуктивности намагничива- ния трансформатора.

В остальных трех режимах продольной компенсации включен один из ключей VS1 или VS2 или оба ключа. При этом в линию вносится эквивалент- ное индуктивное сопротивление X_экв, определяемое величиной X_ и сум- марной емкостью конденсаторов C1 и C2 [11].

Таким образом, в линию электропередачи можно вносить сопротивле- ние как индуктивного, так и ёмкостного характера, изменяя суммарную ем- кость конденсаторов путем коммутации тиристорных ключей.

Однако, изменение реактивной составляющей эквивалентного сопро- тивления ЛЭП в таком случае осуществляется дискретно.

Реализовать непрерывное изменение реактивной составляющей мож- но с помощью МУПК, выполненного на базе преобразователя напряжения.

Структурная схема МУПК ПН изображена на рисунке 25.

Рисунок 25 – Структурная схема малогабаритного устройства продольной компенсации на базе преобразователя напряжения