Беляев Андрей Николаевич
доктор технических наук, профессор

© Беляев А.Н., кафедра «Электрические системы и сети», СПбГПУ, 2012 г.

О себе

Научные исследования

Применение устройств управляемой поперечной компенсации на транзитных электропередачах класса 500 кВ

выдержки из статьи Беляев А.Н., Евдокунин Г.А., Смоловик С.В., Чудный В.С. О применении устройств управляемой поперечной компенсации для транзитных электропередач класса 500 кВ // Электричество, № 2, 2009, с.2-13.

 

Рост генерирующих мощностей, потоков мощности по электропередачам и усложнение энергосистем предъявляет все новые требования к устройствам и системам, обеспечивающим повышение пределов передаваемых мощностей, демпфирование качаний мощности, поддержание напряжения в сети, перераспределение потоков мощности. Обусловлено это рядом следующих обстоятельств:

Эти проблемы возникли во всем мире и, в частности, в России уже давно, в связи с чем при формировании больших энергообъединений всегда принимались меры по устранению указанных недостатков. В частности, в ЕЭС СССР были разработаны принципы и осуществлено повсеместное внедрение автоматического регулирования возбуждения (АРВ) синхронных генераторов (в том числе и сильного действия), позволившее частично или полностью исключить влияние внутренних сопротивлений генераторов на пропускные способности примыкающей к ним сети переменного тока. Были также сформулированы принципы поперечного регулирования реактивной мощности, реализованные установкой коммутируемых реакторов на ВЛ высших классов напряжения, а также установкой синхронных компенсаторов. В последнее время в дополнение к ним в качестве регулируемых устройств компенсации реактивной мощности используются статические тиристорные компенсаторы (СТК) и управляемые шунтирующие реакторы (УШР).

Шунтирующие реакторы традиционной конструкции (ШР) обеспечивают компенсацию зарядной мощности высоковольтных линий, ограничивают коммутационные перенапряжения при односторонних подключениях и отключениях ВЛ, способствуют гашению дуги короткого замыкания в цикле ОАПВ. Это отлаженные устройства, характеризующиеся сравнительно небольшими потерями (0,3%) и наименьшей среди устройств компенсации реактивной мощности удельной расчетной стоимостью.

Вместе с тем известно, что во многих случаях установка ШР, решая поставленные перед ними задачи, оказывает неблагоприятное влияние на пропускную способность линий электропередачи, а также приводит к повышенным потерям активной мощности в сетях. Это обусловлено в значительной степени невозможностью их частой коммутации из-за низкой эксплуатационной надежности реакторных выключателей и их недостаточного коммутационного ресурса и проявляется в наибольшей степени в протяженных линиях электропередачи, не имеющих достаточно сильных подпоров напряжения вдоль трассы. Наиболее ярко это проявилось в схеме ВЛ 1150 кВ Экибастуз-Кокчетав-Кустанай, пропускная способность которой из-за использования в качестве устройств компенсации реактивной мощности шунтирующих реакторов составила лишь около 40% ее натуральной мощности. По некоторым оценкам, побочные неблагоприятные эффекты проявляются у 30% ШР, установленных в сетях 500 кВ. В этих случаях рекомендуются к установке управляемые устройства компенсации реактивной мощности, шунтирующие же реакторы рассматриваются при этом как некоторые базовые объекты, на которые ориентируются при оценке как уровня потерь, так и стоимости новых устройств. Основной недостаток обычных линейных реакторов состоит в том, что для ограничения перенапряжений при разрыве линии они должны быть постоянно включены независимо от загрузки линии. Наличие включенных реакторов, как отмечалось, ведет к снижению пропускной способности.

Управляемые реакторы наиболее перспективны как средства поперечной компенсации в протяженных линиях высших классов напряжения. Их основное назначение – потребление избыточной реактивной мощности линии электропередачи с целью нормализации уровней напряжений. При этом использование УШР позволяет:

 

На сегодняшний день наиболее проработанными конструкциями управляемых реакторов являются:

В сетях РАО ЕЭС России и сопредельных государств отмечается высокая потребность в управляемых реакторах как для установки на линиях высших классов напряжения взамен ШР, так и для установки в распределительных сетях с подключением к шинам 110-220 кВ, либо к третичным обмоткам автотрансформаторов. Следует указать, что на сегодняшний день в эксплуатации находится один реактор трансформаторного типа (420 кВ, 50 МВАр, Индия), около пятидесяти управляемых подмагничиванием УШР (более двадцати реакторов 110 кВ, 25 МВАр, девять – 220 кВ, 100 МВАр, два – 330 кВ, 180 МВАр, более десяти – 500 кВ, 180 МВАр). В частности, в 2009 году были введены в работу три УШР мощностью 180 МВАр на транзитной электропередаче 500 кВ ОЭС республики Казахстан.

 

В результате проведенных исследований были сформулированы следующие основные рекомендации и выводы:

1. Весь диапазон рабочих режимов транзитных электропередач 500 кВ может быть обеспечен только за счет плавного изменения потребления реактивной мощности устройств управляемой поперечной компенсации (УУПК) на промежуточных подстанциях. Выполнения дополнительных коммутаций ШР в этом случае не потребуется, а предел передаваемой мощности (а, соответственно, и предельно допустимый рабочий режим) при таких условиях не уменьшается.

2. Определен оптимальный состав управляемых устройств поперечной компенсации на промежуточных подстанциях транзитных электропередач. Показано, что, если считается возможным уменьшение напряжения до уровня 475 кВ (или выполнение дополнительных коммутаций неуправляемых устройств) в широком диапазоне рабочих режимов транзита, то достаточно установить по одному УУПК на каждой ПС, там где существует необходимость их использования. Однако, если такой низкий уровень напряжения не является целесообразным (прежде всего из-за увеличения потерь мощности), то необходимо увеличение объема УУПК. Их совместная работа с реакторами традиционной конструкции не ухудшает технико-экономические показатели электропередач 500 кВ по сравнению с гипотетическим вариантом применения только управляемых устройств и является достаточным условием оптимальной работы транзитов в рабочем диапазоне схемно-режимных условий.

3. Коммутация ШР «по мощности» транзита является простым и удобным в диспетчерском управлении средством регулирования напряжения, однако не может считаться наиболее эффективной. Показано, что коммутация ШР «по напряжению» на его шинах или по факту выведения из работы УУПК, установленного на той же ПС, позволяет более эффективно регулировать напряжение по транзиту, тем самым, снижая суммарные потери мощности в сети.

4. При наличии на ПС управляемых устройств коммутацию ШР лучше производить «по напряжению» (или по сигналу выведения УУПК из работы), поскольку в противном случае (коммутация «по мощности») возникает ситуация значительного недоиспользования установленной мощности УУПК.

5. Уставки напряжений в системах регулирования УУПК на промежуточных подстанциях транзитных электропередач должны быть сравнительно высокими и находиться в диапазоне 515-520 кВ. При приближении к предельным режимам наклон кривой напряжения значительно увеличивается и при отсутствии коммутаций ШР сильное падение напряжения может привести к потере устойчивости транзита.

6. Проведенные исследования показывают, что в большинстве случаев нет необходимости в высокой точности поддержания уровня напряжений на шинах промежуточных ПС за счет плавного изменения потребляемой УУПК реактивной мощности. В этой связи рекомендуемое значение статизма регулирования УУПК составляет величину порядка 5%.

7. Установка и настройка УУПК в совокупности с управлением возбуждением эквивалентных синхронных генераторов значительно уменьшает влияние ближайших к границе устойчивости вещественных корней характеристического полинома, определяющих апериодическую устойчивость системы, тем самым обеспечивая увеличение запаса статической устойчивости.

8. Колебательная устойчивость транзита не ухудшается от внедрения управляемых устройств поперечной компенсации даже со значительными коэффициентами усиления (статизм регулирования 1%), в то время как качество напряжения на всех промежуточных ПС улучшается весьма существенно.

9. Полученные результаты свидетельствуют о сравнительно небольшом влиянии постоянной времени УУПК на колебательные свойства системы (в пределах 10% при изменении постоянной времени устройства в 10 раз). Поэтому разработка специальных и дорогостоящих мероприятий, направленных на уменьшение (вплоть до 0,01 сек.) эквивалентной постоянной времени системы регулирования УУПК, не является целесообразной.

10. Показано, что применение регулирования УУПК по отклонению тока линии электропередачи позволяет при точной настройке получить степень устойчивости, равную или более высокую, чем при регулировании по отклонению напряжения. Однако, область настройки является крайне узкой и выбор коэффициентов регулирования по току, обеспечивающих допустимые показатели устойчивости при изменении схемно-режимных условий, весьма затруднен. Изложенное не позволяет рекомендовать этот вид регулирования для транзитных электропередач со значительными изменениями перетоков активной мощности.

11. Возможным средством улучшения демпферных свойств рассматриваемых систем является введение в закон управления УУПК, по аналогии с АРВ-СД синхронных генераторов, ряда стабилизующих параметров, например, отклонение частоты напряжения в точке подключения реактора. Получаемые при помощи метода D-разбиения настроечные параметры УУПК по частоте обладают чрезвычайно высокой степенью робастности (то есть слабой зависимостью от изменения режима работы) и могут быть рекомендованы для управления во всем диапазоне передаваемых по транзиту мощностей. При этом достигается улучшение показателей демпфирования по сравнению со случаем применения неуправляемых устройств компенсации более чем в 2 раза.

12. Установка управляемых устройств компенсации не приводит к ухудшению динамических свойств рассматриваемых электропередач и, в то же время, позволяет улучшить качество напряжения на шинах промежуточных ПС в послеаварийных режимах.

13. Исследования динамической устойчивости транзитных электропередач при наиболее тяжелых повреждениях (двухфазных на землю коротких замыканиях с последующим неуспешным АПВ и отключением поврежденной цепи) показывают, что системы обладают достаточным запасом динамической устойчивости и дополнительных мероприятий по ее улучшению в большинстве случаев не требуется.