11.3. Схемы электропередач и вставок постоянного тока

Структурные схемы ППТ и ВПТ приведены на рис. 11.1. В электропередачах постоянный ток используется лишь для транспорта электрической энергии от удаленной электростанции в приемную систему или из одной системы в другую. Для этого электрическая энергия переменного тока, вырабатываемая генераторами передающей системы, должна быть сначала преобразована в энергию постоянного тока, в таком виде передана по линии, затем снова преобразована, но уже в энергию переменного тока и передана в приемную систему.

В схеме, где используется вставка постоянного тока, транспорт энергии на расстояние осуществляется на переменном токе. Причем обычно это расстояние сравнительно невелико, так как ВПТ используется для связи примыкающих друг к другу систем. Постоянный ток здесь играет лишь роль звена, которое полностью развязывает соединенные системы по частоте и, с этой точки зрения, делает их не зависящими друг от друга.

Преобразование электрической энергии осуществляется преобразователями П₁ и П₂, связанными с передающей и приемной системами. Преобразователь, который преобразует энергию переменного тока от передающей системы в энергию постоянного тока, называется выпрямителем. Другой преобразователь, который получает энергию от выпрямителя и преобразует ее в энергию переменного тока, отдавая эту энергию в приемную систему, называется инвертором.

Преобразователи обладают свойством реверсивности: при необходимости изменения направления передачи мощности выпрямитель становится инвертором, а инвертор — выпрямителем. В зависимости от типа преобразователя реверс мощности осуществляется или за счет изменения полярности преобразователя, или путем изменения направления тока при сохранении его полярности.

Схема замещения передачи постоянного тока для установившегося режима приведена на рис. 11.2. В этой схеме выпрямитель представлен ЭДС Е_в, а инвертор противоЭДС Е_и. Выпрямитель и инвертор связаны между собой через сопротивление линии R_л. Важно отметить, что и ЭДС, и противоЭДС — величины не постоянные, они могут практически мгновенно меняться под воздействием регулирующих устройств независимо друг от друга. Это придает электропередаче свойство глубокой управляемости, поскольку при этом также изменяется передаваемая мощность и, при необходимости, ее направление.

Ток в линии определяется выражением

 

(11.1)

 

мощность, отдаваемая выпрямителем в линию постоянного тока,

 

(11.2)

 

мощность, получаемая инвертором от линии,

 

(11.3)

 

В этих выражениях индексом d обозначены ток I_d, напряжения U_d1, U_d2, мощности P_d1, P_d2, относящиеся к постоянному току (direct — прямой). Здесь r_в и r_и — внутренние сопротивления выпрямителя и инвертора соответственно, эти сопротивления определяются сопротивлениями элементов систем переменного тока, приведенными к стороне постоянного тока.

Для выпрямителя направления ЭДС и тока совпадают. Это говорит о том, что выпрямитель является генератором электрической энергии по отношению к линии постоянного тока. В то же время по отношению к передающей системе он является потребителем этой энергии.

В инверторе направления тока и противоЭДС противоположны. Это говорит о том, что инвертор потребляет энергию от линии постоянного тока и генерирует ее в приемную систему.

При этом выполняются условия

 

(11.4)

 

Эти свойства являются общими для цепей постоянного тока, и рассматриваемая схема не исключение. Аналогичные соотношения имеются для генераторов и двигателей постоянного тока, работающих совместно. Генератор, потребляя энергию от приводного двигателя, передает ее в цепь постоянного тока, а двигатель, потребляя энергию от цепи постоянного тока, передает ее машине (орудию). При этом сохраняются направления ЭДС и тока, показанные на рис. 11.2, и соотношения между ЭДС и напряжением линии. Важно отметить, что для изменения тока в линии, а следовательно, и мощности от нуля до номинального значения достаточно изменять Е_в и Е_и на незначительную величину, обычно в пределах 8—10 % номинального.

В рассматриваемой схеме звеном, соединяющим выпрямитель и инвертор, является линия электропередачи, которая может иметь различные длину и исполнение. Возможные способы выполнения линий постоянного тока рассматриваются ниже. Применительно к вставке постоянного тока в данной схеме замещения будет отсутствовать линия, но соотношения (11.1)—(11.4) сохраняют свою силу. В этом случае сопротивления линий переменного тока, подходящих к вставке, будут включены в величины r_в и r_и.

В настоящее время в качестве преобразователей в электропередачах и вставках постоянного тока повсеместно используются статические управляемые вентильные преобразователи. Эти преобразователи могут быть двух типов — преобразователи с неполностью управляемыми вен­тилями и преобразователи с полностью управляемыми вентилями.

К первому типу относится известная трехфазная мостовая схема (рис. 11.3, а). В этой схеме в качестве вентилей используются обычные тиристоры, у которых контролируется только момент их открытия путем подачи маломощного управляющего импульса на их управляющий элек­трод. Закрываются такие вентили при переходе протекающего в них тока через нуль, что происходит под воздействием иных факторов (не за счет подачи управляющего сигнала). Такие преобразователи обладают свойст­вами преобразователей тока. Трехфазная мостовая схема была исполь­зована при сооружении почти всех существующих ППТ и ВПТ.

К другому типу преобразователей относятся преобразователи, в кото­рых используются полностью управляемые вентили — силовые транзисторы или запираемые тиристоры (рис. 11.3, б). В этих полупроводни­ковых приборах, в отличие от неполностью управляемых вентилей, контролируется как момент открытия, так и момент закрытия путем воздействия на их систему управления. Кроме того, в схему входят и неуправляемые диоды. Такие преобразователи получили название пре­образователи напряжения (ПН). Эта схема обладает иными, значи­тельно улучшенными, энергетическими характеристиками, чем схема на рис. 11.3, а. Нумерация тиристоров (1—6) и диодов (1’ —6') соответ­ствует очередности их работы.

Принцип действия преобразователя напряжения основан на следую­щем. Из постоянного напряжения, неизменность которого обеспечива­ется конденсатором, с помощью соответствующих законов управления вентилями, формируется несинусоидальное переменное напряжение на вентильной обмотке трансформатора. Вектор основной гармоники этого напряжения может изменять свое значение и фазу по отношению к век­тору напряжения сети.

Если вектор напряжения преобразователя отстает от вектора напряже­ния сети, преобразователь потребляет энергию из сети, т.е. осуществля­ется режим выпрямителя, если опережает — преобразователь генерирует энергию в сеть, т.е. осуществляется режим инвертирования. Если напря­жение преобразователя по своему значению больше напряжения сети, преобразователь генерирует реактивную энергию в сеть, если меньше — преобразователь потребляет реактивную мощность из сети.

Иными словами, преобразователь напряжения, в какой-то степени, подобен синхронной машине.

Для придания напряжению и сетевому току формы, близкой к синусои­дальной, используется широтно-импульсная модуляция, благодаря которой выходное напряжение преобразователя формируется из последователь­ности высокочастотных импульсов разной длительности и полярности. Длительность этих импульсов изменяется так, что их среднее значение за период соответствует заданной форме кривой (синусоида, треугольник и др.). Более подробно работа этой схемы описана в гл. 12 настоящего учебника.

Сопоставляя два типа преобразователей между собой, можно отме­тить следующие их различия:

преобразователь первого типа может работать как выпрямителем, так и инвертором, но при переходе из одного режима в другой у него меня­ется полярность выпрямленного напряжения, в то время как полярность тока остается неизменной. У преобразователя второго типа при переходе из режима выпрямления в режим инвертирования меняется направление (полярность) тока, но полярность напряжения не изменяется;

преобразователь первого типа при работе как в режиме выпрямления, так и в режиме инвертирования потребляет из сети значительную реак­тивную мощность и имеет сугубо несинусоидальную форму тока фазы сети, что принуждает применять фильтрокомпенсирующие устройства

(ФКУ) достаточно большой мощности. Преобразователь второго типа в обоих режимах может генерировать или потреблять реактивную мощ­ность, что исключает необходимость применения мощных компенсирую­щих устройств. При этом форма тока фазы сети близка к синусоидаль­ной, что значительно уменьшает мощность фильтров;

при использовании преобразователя первого типа короткое замыкание в цепи выпрямленного тока (в самом преобразователе или в линиях) может быть отключено закрытием тиристоров путем снятия с них управ­ляющих импульсов; у преобразователей второго типа этого сделать нельзя из-за наличия в его схеме неуправляемых диодов. Если в составе электропередачи или вставок постоянного тока используют два преобра­зователя второго типа (один в качестве выпрямителя, другой — инвер­тора), то короткое замыкание следует отключать двумя выключателями в цепи переменного тока — со стороны выпрямителя и инвертора,

у преобразователя первого типа в цепи выпрямленного тока включен реактор, предназначенный для сглаживания пульсаций этого тока; у пре­образователя напряжения такого реактора нет, но между полюсами вклю­чен конденсатор, что необходимо по условиям работы вентилей преобра­зователя;

тиристоры в схеме преобразователя первого типа имеют меньшую стоимость и меньшие потери мощности, чем запираемые тиристоры или транзисторы в схеме преобразователя второго типа.

В настоящее время преобразователи напряжения разработаны на мощ­ность до 1000 МВт при напряжении 300 кВ. Сейчас сооружено несколько ВПТ и кабельных ППТ относительно небольшой мощности (200— 300 МВт). Эти преобразователи находятся еще на стадии исследований и опытной эксплуатации. Можно предположить, что в обозримой перспек­тиве мощные дальние ППТ будут сооружаться с использованием преоб­разователей первого типа с обычными тиристорами, поэтому в дальней­шем речь пойдет о преобразователях, выполненных по схеме рис. 11.3, а.

Современный мощный высоковольтный преобразовательный блок вклю­чает в себя не только преобразователь, но и ряд других элементов, состав­ляющих неотъемлемую часть этого блока. Рассмотрим их назначение.

Основным элементом преобразовательного моста являются вентили. В настоящее время в качестве вентилей используются высоковольтные тиристорные вентили (ВТВ), собранные из единичных тиристоров, включенных последовательно. Для современных тиристоров необходимо­сти в их параллельном соединении, как правило, нет. Более подробно конструкции ВТВ рассмотрены в § 11.3.

Каждый вентиль характеризуется следующими основными параметрами: