ЭНЕРГОСИСТЕМЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ

До последнего времени преобразовательные подстанции передач и вставок постоянного тока (ППТ и ВПТ) создавались исключительно с использованием принципа преобразования тока на базе применения тиристорных вентилей. При этом они выполняли и с успехом продолжают выполнять возлагавшиеся на них функции, а именно, осуществляют дальний транспорт электроэнергии, обеспечивают переброску электроэнергии через большие водные пространства, объединяют несинхронно работающие энергосистемы и т.д.

Вместе с тем, существуют условия, в которых применение преобразователей тока с тиристорными вентилями оказывается затруднительным и даже невозможным. К таким условиям относятся схемы с низким отношением короткого замыкания на шинах преобразовательных подстанций, схемы многоподстанционных передач постоянного тока с резко различающимися установленными мощностями преобразовательных подстанций, работа передачи постоянного тока на автономную нагрузку.

Существуют еще две особенности, к устранению которых стремятся разработчики объектов постоянного тока. Одна из них заключается в том, что преобразователи, выполненные на традиционных тиристорах, принципиально являются потребителями реактивной мощности, что вызывает необходимость в условиях дефицита реактивной мощности оснащать преобразовательные подстанции дополнительными элементами (конденсаторными батареями, синхронными компенсаторами).

Вторая особенность – это неспособность инверторов такого типа поддерживать нормальные коммутации вентилей в условиях внезапного снижения напряжения на стороне переменного тока, что при возникновении КЗ в примыкающей к инвертору сети вызывает кратковременные полные сбросы мощности ППТ. И хотя такие сбросы не представляют, как правило, опасности для устой- чивости энергосистем, их исключение, безусловно, желательно.

Перечисленные обстоятельства явились стимулом для разработки преобразовательных подстанций нового типа, выполненных на базе полностью управляемых вентилей (ПУВ), призванных решить все названные проблемы. При этом работы велись как в традиционном для передач постоянного тока направлении преобразования тока [1], так и в новом для них направлении, основанном на принципе преобразования напряжения. Этот последний принцип известен достаточно давно [2, 3], однако отсутствие мощных полупроводниковых приборов с приемлемыми характеристиками тормозило его внедрение в области электроэнергетики. Достижения последнего времени в создании управляемых вентилей (GTO, IGCT, IGBT) привели к тому, что среди преобразователей на ПУВ именно преобразователи, основанные на принципе преобразования напряжения, стали довольно интенсивно использоваться в мировой энергетике для сооружения объектов малой и средней мощности. На этом принципе уже построены компенсаторы реактивной мощности, полу- чившие наименование STATCOM, вставки и кабельные передачи постоянного тока. Сооружение всех этих объектов базируется на общей, так называемой, Light технологии; ведущей корпорацией в части развития этого направления является ABB. Для всех этих объектов характерно использование высокочастотного широтно-импульсного управления.

В данной статье рассмотрены особенности установившихся и переходных режимов вставок (ВПТ) и передач (ППТ) постоянного тока, выполненных на основе преобразователей напряжения. Большая часть исследований проведена на электродинамической модели НИИПТ, на основе которой были созданы физические модели ВПТ и ППТ.

Работа ВПТ в связанной системе. Схема модельной установки, включающей ВПТ с широтноимпульсным управлением преобразователями (ШИМ), изображена на рис. 1. Модель включает два преобразовательных моста, выполненных на

основе транзисторов IGBT c антипараллельными диодами, один из которых (ÏÍ1 ) работает в режиме поддержания постоянства выпрямленного напряжения Ud (управляется регулятором напряжения ÐÍ ), другой (ÏÍ2 ) – в режиме поддержания постоянства активной мощности (управляется регулятором активной мощности ÐÌ ). Кроме того, схема содержит накопительные емкости на стороне постоянного тока Cd1 – Cd2, токоограничивающие реакторы на стороне переменного тока L1 è L2, силовые фильтры, настроенные на подавление гармоник несущей частоты Ô1 è Ô2, трансформаторы преобразовательной подстанции Òï1 è Òï2. ВПТ подключена с обеих сторон к сети переменного тока, включающей модели линий электропередачи Õâí и модельные синхронные генераторы.

С точки зрения установившихся режимов ВПТ на преобразователях напряжения может рассматриваться как совокупность двух взаимосвязанных по активной мощности электронных генераторов ЭДС промышленной частоты, регулируемой по фазе и амплитуде, подключенных к примыкающим энергосистемам через сопротивления, определяемые их токоограничивающими реакторами, трансформаторами и линиями связи. При этом активная мощность преобразователя

где – угол между ЭДС преобразователя Åïð и ЭДС эквивалентного генератора примыкающей энергосистемы Åñ; X – суммарное сопротивление между указанными ЭДС.

В соответствии с таким представлением предельная пропускная способность сетей, примыкающих к преобразователям ВПТ,

где индекс “к” равен 1 или 2 в зависимости от рассматриваемой, отправной или приемной, энергосистемы.

Экспериментальные исследования, выполненные в схеме ðèñ. 1, подтвердили их способность в нормальных режимах:

êпрактически безынерционному управлению перетоком активной мощности, в том числе и с возможностью осуществления реверса;

êуправлению реактивной мощностью, в том числе и с возможностью ее генерации;

êработе в условиях малых отношений короткого замыкания (ОКЗ) и даже на автономную нагрузку.

Исследования переходных процессов показали, что в отличие от ВПТ на традиционных вентилях короткие замыкания на стороне переменного тока не могут стать причиной нарушения коммутаций преобразователей, что, впрочем, не означает невозможности в этих процессах появления кратковременных полных сбросов мощности ВПТ. Вместе с тем, на основании исследований установлено, что принятые при проведении экспериментов системы регулирования ВПТ недостаточ- ны для их нормального функционирования. При такой системе в условиях внезапного снижения пропускной способности связи ниже уставки РМ возможно возникновение неустойчивых режимов, подобных асинхронному ходу синхронных машин (ðèñ. 2). Кроме того, по принципу своего действия устройства, выполненные на преобразователях напряжения, могут подвергаться значительным перенапряжениям, обусловленным даже весьма кратковременными нарушениями баланса мощности, поступающей со стороны выпрямителя и отдаваемой в сторону инвертора. С другой стороны, они могут подвергаться и сверхтокам. В частности, ха-

рактер изменения токов в процессе нарушения устойчивости ВПТ изображен на ðèñ. 3. При этом необходимо иметь в виду, что транзисторы IGBT, на основе которых создано большинство зарубежных установок рассматриваемого типа, располагают крайне низкими перегрузочными способностями.

Все это указывает на то, что непременной составной частью устройства на преобразователях напряжения помимо режимного регулирования должна быть быстродействующая система их управления, регулирования и защиты, осуществляющая свои функции за периоды и даже доли периода промышленной частоты. Достигается это прежде всего использованием управления на основе высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Выполненные исследования переходных процессов позволили сформулировать принципы управления ВПТ на ПУВ при системе преобразования напряжения в переходных режимах, в том числе имеющие целью предотвращение перегрузок оборудования по току и напряжению.

Источником возникновения сверхтоков могут быть как ЭДС самих преобразователей в условиях, например, КЗ в примыкающих энергосистемах (возможны и режимные перегрузки, в частности, при внезапном выделении ВПТ на автономную нагрузку), так и внешние ЭДС в условиях возникающего в переходных режимах снижения выпрямленного напряжения ВПТ.

В случае КЗ или внезапной перегрузки со стороны примыкающих энергосистем управление прежде всего должно воздействовать на снижение ЭДС соответствующего преобразователя ВПТ путем изменения коэффициента модуляции. Управление значением выпрямленного напряжения недопустимо, так как при этом ликвидация перегрузки по току с одной стороны ВПТ может привести к

недопустимому увеличению тока с другой (уже от внешних источников ЭДС). При несимметричных КЗ должно быть осуществлено пофазное разделение управлением коэффициентами модуляции. В противном случае ограничение сверхтока в аварийной фазе может привести к появлению сверхтоков в здоровых фазах (от внешних ЭДС).

В случае появления сверхтоков из-за снижения выпрямленного напряжения, очевидно, дальнейшее снижение ЭДС преобразователей бессмысленно. Напротив, при этом следует принять меры к восстановлению выпрямленного напряжения. Таким образом, не существует однозначной связи между появлением сверхтока и способом его устранения.

Поскольку одной из вероятных причин как снижения выпрямленного напряжения (с соответствующим нарастанием токов), так и его повышения до недопустимых значений является нарушение устойчивости работы ВПТ (см. ðèñ. 3), следует принять меры по предотвращению такого характера развития процесса. В качестве возможной меры может быть использовано автоматическое управление уставкой регулятора мощности. Такое управление способно обеспечить сохранение устойчивости при возникновении проблем как на отправном, так и на приемном концах ВПТ. Однако его использование предполагает необходимость выявления аварийного возмущения и дозировки управляющих воздействий.

Принципиально существует возможность в случае возникновения проблем с устойчивостью преобразователя, регулирующего переток мощности, обеспечить сохранение устойчивого режима с использованием лишь местной информации. Это может быть реализовано введением ограничения на выходной сигнал регулятора мощности (РМ) по факту, например, достижения им некоторого зна-

Наряду с относительно медленными процессами нарастания токов и выпрямленного напряжения, в ходе которых регуляторы интегрального типа в состоянии предотвратить возникновение сверхтоков и перенапряжений, могут иметь место весьма быстрые процессы, обусловленные, например, близкими КЗ, при которых быстродействие основных каналов регулирования может оказаться недостаточным. Для этой цели в регуляторах должны быть предусмотрены форсировочные каналы.

Наконец, ВПТ на ПУВ при системе преобразования напряжения должна быть оснащена защитами от сверхтоков и перенапряжений, действующими на запирание преобразователей. Длительность запирания, обусловленного возникновением близкого КЗ, может быть весьма непродолжительной, ВПТ может быть повторно введена в работу немедленно по факту отключения короткого замыкания. Кратковременный сброс мощности ВПТ в случае работы защиты создаст динамический пе-

При оснащении ВПТ описанной системой управления становится принципиально невозможным и асинхронный ход на связях преобразователей ВПТ с примыкающими энергосистемами. Возможными длительными динамическими возмущениями остаются лишь внезапные снижения перетоков мощности, обусловленные снижением пропускных способностей примыкающих к ВПТ связей.

Указанные особенности ВПТ на ПУВ при системе преобразования напряжения означают, что электропередача, имеющая в своем составе такое устройство, не нуждается во введении сколько-ни- будь значительных запасов устойчивости. Это не значит, что запас устойчивости в исходном установившемся режиме может отсутствовать, но он может быть ограничен, например, лишь нормативными требованиями к послеаварийным режимам линий переменного тока

Работа ВПТ на автономную нагрузку. В ка- честве одного из достоинств передачи и вставок постоянного тока, выполненных на основе преобразователей напряжения, является их способность к работе на автономную нагрузку. Наличие такого режима может быть предусмотрено нормальной схемой питания потребителей или явиться следствием динамического возмущения, приводящего к потере связи узлов нагрузки с генераторами приемной энергосистемы.

Íà ðèñ. 4 приведены процессы при отключе- нии линии, посредством которой ВПТ была связана с эквивалентным генератором приемной системы, в режимах, когда остающаяся нагрузка больше (ðèñ. 4, à ) и меньше (ðèñ. 4, á ) исходной загрузки ВПТ. Остановимся на характере изменения частоты на шинах питаемой от ВПТ нагрузки. В первом из рассмотренных процессов первоначаль-

но произошло снижение частоты примерно на 0,6 Гц, во втором – повышение примерно на 0,5 Гц, что обусловлено реализованной на физиче- ской модели ВПТ простейшей системой регулирования ее мощности.

В соответствии с уравнением (1) мощность может регулироваться путем изменения угла , который в свою очередь определяется как

ãäå Å – приращение частоты ЭДС преобразователя, рад/с.

В соответствии с приведенными выражениями на физической модели реализован простейший регулятор мощности, описываемый уравнением вида:

ãäå Ðçàä – уставка регулятора по активной мощности, ед. мощности (Вт, МВт и т.д.); Êð – коэффициент усиления регулятора, рад/с/ед. мощности.

Принцип работы регулятора состоит в следующем. В установившемся режиме, когда Ðçàä = Ðï, выходной сигнал регулятора равен нулю и никаких воздействий на режим работы преобразователя не происходит. При изменении уставки или мощности преобразователя регулятор формирует сигнал на изменение частоты преобразователя, значение и знак которого определяются соотношением (4). Например, при увеличении уставки по мощности из исходного установившегося режима регулятор формирует сигнал на увеличение частоты ЭДС преобразователя. При неизменном значе- нии и фазе напряжения приемной энергосистемы относительный угол в соответствии с выражением (3) начнет увеличиваться. Одновременно в соответствии с уравнением (1) будет увеличиваться и мощность преобразователя Ðï. По мере приближения значения Ðï к новому значению уставки выходной сигнал регулятора будет уменьшаться и в новом установившемся режиме частота ЭДС преобразователя вернется к исходному значению.

Как следует из изложенного, непременным условием работы данной системы регулирования является наличие помимо ЭДС преобразователя еще и напряжения шин приемной энергосистемы. В условиях выделения нагрузки на автономный режим работы, очевидно, реализованный регулятор мощности прекращает свою работу. Единственным результатом работы системы регулирования становится поддержание частоты ЭДС преобразователя на уровне, отличающемся от номинального значения на величину Å.

В условиях постоянства Ðçàä и постоянства мощности преобразователя Ðï, определяемой зна- чением выделившейся на автономный режим нагрузки, Å в соответствии с выражением (4) также является постоянной величиной. Причем, в зависимости от соотношения Ðçàä è Ðï эта величина может быть любого знака. В процессе, приведенном на ðèñ. 4, à, в связи с увеличением загрузки ВПТ при переходе на автономный режим питания нагрузки отклонение Å от номинального уровня отрицательно, что соответствует снижению частоты. В процессе, приведенном на ðèñ. 4, á, имеет место обратная картина.

Очевидно, для исключения работы нагрузки при неноминальной частоте следует в этих условиях производить замену регулирования мощности на регулирование частоты. Замена может быть осуществлена отключением сигнала Å от системы управления преобразователем. Такая операция, выполнявшаяся через 1 – 1,5 с после выхода на автономный режим в обоих процессах, приведенных на ðèñ. 4, обеспечила восстановление частоты преобразователя на номинальном уровне.

Проведенный эксперимент подтвердил таким образом как способность ВПТ на преобразователях напряжения к питанию автономной нагрузки, так и к выходу на этот режим в ходе динамического переходного процесса.

Возникновение режима автономной нагрузки возможно не только со стороны инвертора, но и со стороны выпрямителя ВПТ. В этом случае неизбежно кратковременное погасание ВПТ, после чего ее работа будет восстановлена уже в реверсивном режиме.

Режимы работы ППТ. Для общности в каче- стве передачи постоянного тока была рассмотрена трехподстанционная ППТ, принципиальная схема которой и схема ее подключения к энергосистеме

Гибридные схемы ППТ и МППТ. Под гибридными схемами в данном исследовании понимались схемы, сформированные путем сочетания традиционных тиристорных преобразователей, выполненных по принципу преобразования тока, и преобразователей на полностью управляемых вентилях (ПУВ), выполненных по принципу преобразования напряжения. Интерес к таким схемам проявляется в тех случаях, когда потребность в регулировочных характеристиках, обеспечиваемых преобразователями напряжения, возникает лишь на части подстанций ППТ (МППТ).

Например, для выдачи электроэнергии от удаленной электростанции в район потребления с использованием ППТ нет необходимости: во-пер- вых, в обеспечении реверсивности предназначенной для этого электропередачи; во-вторых, нет, как правило, проблем с регулированием напряжения на отправном конце, поскольку с этим справляются генераторы электростанции. Следовательно, при сооружении такой передачи можно не использовать на отправном конце дорогостоящие преобразователи напряжения, характеризующиеся еще и повышенными потерями, и обойтись традиционной тиристорной схемой преобразования. В то же время на приемном конце по тем или иным причи- нам (низкое ОКЗ, проблемы с реактивной мощностью и т.д.) преобразователь напряжения может оказаться весьма эффективным. Таким образом, в этом случае напрашивается вариант ППТ именно гибридного типа.

Потребность в гибридных схемах МППТ может также возникнуть в связи с тем, что в МППТ традиционного типа существует ограничение на соотношение мощностей отдельных подстанций (подстанции с относительно малой установленной мощностью включать в состав МППТ не рекомендуется). Появление подстанций на преобразователях напряжения снимает эту проблему, становится возможным подключение к сети постоянного тока сколь угодно малой нагрузки, работающей как в условиях сколь угодно слабого примыкания, так и в автономном режиме.

Создание МППТ с использованием исключительно преобразователей напряжения, как показано ранее, не может быть рекомендовано из-за проблем, возникающих в процессе ликвидации КЗ на стороне постоянного тока. Поэтому в тех случаях, когда, например, лишь одна из подстанций МППТ нуждается в свойствах, предоставляемых преобразователями напряжения, представляет интерес гибридное исполнение МППТ.

В качестве примера реализации МППТ такого типа была рассмотрена трехподстанционная ППТ (ðèñ. 5), в которой две крайние преобразовательные подстанции выполнены по традиционной схеме, а промежуточная – на основе преобразователя напряжения. В указанной МППТ одна из традиционных подстанций обеспечивает поддержание вы-

прямленного напряжения, подстанция на преобразователях напряжения осуществляет регулирование местных подстанционных режимных параметров: мощности или частоты (в зависимости от типа примыкающей энергосистемы), а также напряжения на стороне переменного тока.

В этой схеме был экспериментально исследован процесс режимного изменения выпрямленного тока (и мощности) промежуточной подстанции на преобразователях напряжения. При этом преобразователь тока, работающий в инверторном режиме и регулируемый на постоянство угла погасания, посредством изменения своего тока обеспечи- вает балансирование режима МППТ. При этом вторая традиционная подстанция, работающая в выпрямительном режиме, поддерживает постоянство своего выпрямленного тока. При наличии центрального регулятора балансирующие функции может выполнять любая подстанция.

Поскольку для МППТ с преобразователями напряжения наибольшие проблемы, как было показано ранее, представляют КЗ на стороне постоянного тока, именно такое возмущение было принято в качестве расчетного для рассматриваемой гибридной МППТ. В этом случае с использованием автоматики перевода выпрямителя в инверторный режим (ПИР) удается осуществить АПВ передачи постоянного тока после ликвидации КЗ. В ходе этого переходного процесса выпрямленное напряжение на промежуточной подстанции снижается до нуля, что сопровождается увеличением реактивного тока, протекающего через вентили преобразователя напряжения.

Если при этом ток не превышает допустимого значения (например, при слабом примыкании ПН к энергосистеме, где такое примыкание выступает как положительный фактор), нормальный режим промежуточной подстанции восстанавливается одновременно с нормализацией остальных преобразователей МППТ.

В случае появления токовых перегрузок последует работа защит, действующих на снятие управляющих импульсов, и возникнет необходимость в отключении ПН со стороны переменного тока. Коммутация типа отключение – включение одного выключателя, к тому же на терминале сравнительно малой мощности, не представляет такой уж неосуществимой задачи, как проведение такой операции одновременно на всех подстанциях МППТ в случае использования преобразователей напряжения на всех подстанциях. Более того, в условиях нереверсивной нагрузки даже этот недостаток может быть устранен включением в рассечку между преобразователем напряжения и линией постоянного тока диодного блока, исключающего возможность протекания тока в сторону линии. Установка такого блока сопряжена с дополнительными затратами и потерями, однако при малой мощности подстанции может представить интерес.