Перспективы применения в ЕЭС России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока

Актуальными проблемами функционирования ЕЭС России являются:

1. Недостаточная пропускная способность межсистемных и системообразующих линий электропередачи, ограничивающая возможность удовлетворения требованиям свободного рынка электроэнергии при соблюдении условий надежного энергоснабжения. В настоящее время ограничена возможность параллельной работы ОЭС Сибири с европейской частью ЕЭС, ограничена выдача мощности из Тюменской энергосистемы на Урал, недостаточны пропускные способности ряда сече- ний между ОЭС Центра и ОЭС Северного Кавказа, со странами Закавказья, отсутствуют возможности осуществления параллельной работы ОЭС Сибири и ОЭС Востока и др. В ближайшей перспективе возможны ограничения в сечениях ОЭС Центра и ОЭС Средней Волги, в ОЭС Северо-За- пада.

Имеются ограничения по выдаче “запертых” мощностей ряда электростанций (Печорской ГРЭС, Кольской АЭС и др.).

2.Слабая управляемость электрических сетей

èнедостаточный объем устройств регулирования напряжения и реактивной мощности, как следствие этого, – повышенные до опасных значений уровня напряжения в сетях в периоды сезонного и суточного снижения нагрузки. Часто для нормализации уровней напряжения практикуется вынужденное отключение системообразующих линий электропередачи напряжением 330 – 750 кВ, что снижает надежность работы ЕЭС.

новой технологии – гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока, содержащих современные многофункциональные устройства, объединенные общепринятым термином “FACTS” (заглавные буквы термина “Гибкие системы передачи переменного тока” на английском языке).

Устройства и технология FACTS основаны на передовых достижениях современной силовой электроники и устройств на их основе, а также комплексов, состоящих из электрических машин переменного тока и преобразователей частоты, микропроцессорных систем управления.

Технология гибких систем электропередачи FACTS охватывает все сегменты электроэнергети- ческого хозяйства: генерацию, транспорт электроэнергии и ее потребление.

Устройствами, обеспечивающими реализацию этой технологии являются:

управляемые статические преобразователи на базе современной силовой электроники, в том числе в сочетании с различного рода накопителями (сверхпроводниковыми, индуктивными, емкостными, маховичными и др.);

активные фильтры; комплексы, состоящие из электрических ма-

шин переменного тока и статических преобразователей частоты, включенных либо в статорную, либо в роторную, либо статорную и роторную цепи электрической машины.

Традиционные и хорошо известные из литературы иные средства регулирования напряжения и

мощности по параллельным линиям электропередачи различного класса напряжения и, как следствие этого, – недоиспользование существующих электрических сетей, рост потерь в сетях, увели- чение затрат на передачу энергии. Такая ситуация имеет место в ряде ОЭС, в частности, в сетях 330 220 110 кВ энергосистем Северо-Запада, в сетях 500 220 110 кВ ОЭС Центра (Мосэнерго) и других сетях.

Наиболее оптимально и комплексно указанные проблемы могут быть решены при применении

способности, такие как шунтирующие реакторы, управляемые шунтирующие реакторы, синхронные и статические компенсаторы реактивной мощности, устройства продольной емкостной компенсации линии электропередачи и другие средства, имеют лишь некоторые (отдельные) функции, присущие устройствам FACTS.

Устройства FACTS обладают принципиально новой функциональной возможностью – векторным регулированием в энергосистемах, когда по заданным законам регулируется не только значе-

iD

ние, но и фазный угол напряжения в заданном узле энергосистемы.

Векторное регулирование позволяет комплексно и наиболее оптимально решать проблемы повышения пределов передаваемой по линиям электропередачи мощности вплоть до предела по нагреву проводов, принудительно распределять мощности в сложной неоднородной электрической сети в соответствии с требованиями диспетчера, регулировать напряжения в широких пределах.

Статические устройства FACTS основываются на базе современной силовой электроники, так называемых, полностью управляемых приборах (GTO-тиристоры, IGBT-транзисторы и др.) и микропроцессорной техники.

Основой этих устройств является, так называемый, преобразователь напряжения (ПН), принципиальная схема которого показана на ðèñ. 1.

Не останавливаясь на принципе действия ПН, что описано в [1], отметим лишь ту особенность этого преобразователя, что он обеспечивает как регулирование значения выходного напряжения

Uk, òàê è åãî ôàçû k.

Преобразователь напряжения может через согласующий трансформатор включаться как параллельно в линию электропередачи, так и последовательно.

Параллельно включаемый ПН называется СТАТКОМ (или СТАТКОН) и является аналогом синхронного компенсатора.

Последовательно включаемый ПН называют устройством управляемой продольной компенсации (УПК), а устройство, состоящее из СТАТКОМ и УПК, – объединенным регулятором потока мощности (ОРПМ). Схема включения этих устройств показана на ðèñ. 2.

Являясь статическим аналогом синхронного компенсатора, СТАТКОМ выгодно отличается от последнего бóльшим быстродействием, более высоким КПД, отсутствием вращающихся масс. В настоящее время наблюдается тенденция повсеместной замены синхронных компенсаторов (СК) на

статические тиристорные компенсаторы (СТК). Однако для, так называемых, “слабых” электриче- ских сетей применение СТК взамен СК либо невозможно, либо невыгодно. СТАТКОМ позволяет осуществлять такую замену. Кроме того, по сравнению с СТК СТАТКОМ обеспечивает обмен реактивной мощностью между фазами сети. Благодаря этому СТАТКОМ способен как генерировать, так и потреблять реактивную мощность. Поэтому, хотя мощность преобразователя СТАТКОМ на (20 30)% больше мощности тиристорного преобразователя СТК, но мощность реакторов СТАТКОМ

ность же реакторов и конденсаторов СТК, как известно, составляет 100% мощности устройства.

Площадь, занимаемая СТАТКОМ, меньше площади, занимаемой СТК.

При изменении напряжения сети СТАТКОМ автоматически и мгновенно изменяет реактивную мощность. Он обладает большим быстродействием, чем СТК.

Последовательно включаемые в линию электропередачи ПН-устройства (УПК) изменяют с требуемым1 быстродействием эквивалентное сопротивление линии электропередачи и воздействуют тем самым на пропускную способность линии электропередачи, доводя теоретически этот предел до предела по нагреву проводов (ðèñ. 3) без нарушения условий устойчивости.

При наличии в сечении линий электропередачи различного класса напряжений УПК, будучи установленным в одной из линий электропередачи (обычно в линию более низкого класса напряжения), обеспечивает заданное перераспределение потоков активной мощности между линиями.

В установившихся режимах такое регулирование позволяет осуществить оптимальное потокораспределение мощности и снижение потерь электроэнергии, в аварийных и послеаварийных режимах, например, при отключении одной из линий электропередачи, обеспечивает передачу максимально возможного по условиям нагрева значения мощности по оставшейся в работе линии электропередачи.

Íà ðèñ. 4 показана осциллограмма быстрого перевода потока мощности из одной линии электропередачи в другую.

1 Возможно достичь этого изменения практически мгновенно.

P

x = xë – k

2

P2

x = xë

P1 1

Объединенный регулятор потоков мощности (ОРПМ) синтезирует в одном устройстве свойства СТАТКОМ и УПК.

Два СТАТКОМ, объединенные общим звеном постоянного тока и включаемые в рассечку линий электропередачи, связывающих две электрические системы, представляют собой вставку постоянного тока (ВПТ) нового типа, имеющую преимущества перед традиционной, заключающиеся в отсутствии дополнительных источников реактивной мощности, некритичности к мощности связываемых электрических систем.

СТАТКОМ может также являться базовым устройством между сетью и накопителем энергии (например, емкостным). Такое устройство способно регулировать не только реактивную, но и активную мощность, что повышает надежность энергоснабжения потребителей при перерывах питания (авариях). Оно может устанавливаться как на подстанциях электрических сетей, так и непосредственно у потребителей.

Активные фильтры представляют собой основанные на базе ПН фильтрокомпенсирующие устройства, которые способны, в отличие от традиционных, компенсировать практически все высшие гармоники, возникающие в электрических сетях, и обеспечивать тем самым высокое качество электрической энергии.

Управляемые статические преобразователи описанных ранее исполнений в последние 5 – 7 лет получают за рубежом большое развитие и практическое применение (США, Канада, Бразилия, Южная Корея, Япония, КНР, Европа и др.). Организовано производство основных видов этих устройств. Некоторые характерные сведения (да-

P0

леко не полные) о внедренных устройствах FACTS приведены в таблице.

В нашей стране рядом научно-исследователь- ских институтов (ВНИИЭ, НИИПТ и др.) накоплен определенный научный задел в области создания таких устройств, созданы и испытаны макетные образцы, однако реальное производство пока отсутствует.

Из электромашиновентильных комплексов находят применение и имеют перспективу комплексы, состоящие из специальных машин переменного тока (выполненных по типу асинхронных машин с фазным ротором) и преобразователей частоты в роторной цепи. В этих комплексах мощность преобразователя частоты не превышает (5 10)% мощности машины, поэтому они экономически существенно выгоднее комплексов, содержащих преобразователи частоты в статорной цепи, мощность которых составляет 100% мощности машины.

Эти комплексы называют асинхронизированными машинами (АСМ). Асинхронизированные турбо- и гидрогенераторы (АСТГ, АСГГ) и компенсаторы (АСК), как и ПН, обеспечивают возможность векторного регулирования в энергосистемах. Применение АСГ на электростанциях позволяет распространить технологию гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока на электростанции, обеспечивая как нормализацию уровней напряжения на шинах электростанции и вблизи нее без применения дополнительных устройств регулирования реактивной мощности, так и повышение устойчивой и надеж-

U1

ÀÑÌ

Ïp

ной работы электростанции, содержащей синхронные и асинхронизированные генераторы.

Структурная схема АСГ показана на ðèñ. 5.

На ОАО “Электросила” с участием ВНИИЭ разработана серия АС-турбогенераторов мощностью 110 – 350 МВт с полностью водяным и 110 – 200 МВт с полностью воздушным охлаждением.

Головной образец первого в мировой практике АС-турбогенератора мощностью 110 МВт с полностью воздушным охлаждением внедрен в декабре 2003 г. на ТЭЦ-22 Мосэнерго. В 1985 и 1990 гг. на Бурштынской ГРЭС были внедрены, разработанные совместно ПО “Электротяжмаш” (г. Харьков), ВНИИЭ, ПО “Уралэлектротяжмаш” (г. Екатеринбург), впервые в мировой практике АС-турбо- генераторы мощностью 200 МВт с водородно-во- дяным охлаждением, которые до сих пор успешно эксплуатируется.

Асинхронизированные компенсаторы (АСК) являются электромашинными аналогами УПК и СТАТКОМ, выполняя те же функции, что и их статические аналоги.

В отличие от статических устройств они обладают меньшим быстродействием, несколько меньшим КПД, но не содержат в кривых тока и напряжения высших гармоник, что свойственно стати- ческим полупроводниковым устройствам, обладают большей перегрузочной способностью, имеют некоторые преимущества в динамике благодаря полезному использованию инерции вращающихся масс этих машин.

АСК могут включаться как параллельно, так и последовательно в электрическую сеть. В первом случае они являются аналогами СТАТКОМ, во втором – аналогом УПК.

Íà âàëó ÀÑÊ (ðèñ. 6, K – компенсатор) может устанавливаться маховик Ì, обеспечивающий интенсивное демпфирование колебаний активной мощности.

Подобная схема компенсатора мощностью 60 МВ А была создана и успешно внедрена япон-

ской фирмой “Тошиба” в энергосистеме острова Окинава (Япония) [2].

Определение рациональной области применения в электрических сетях тех или других устройств FACTS, их рационального сочетания – задача предстоящих научных исследований.

Применение технологии FACTS позволяет благодаря повышению степени устойчивости энергосистем в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах пересмотреть (упростить) принципы создания систем противоаварийного управления и релейной защиты, упростить требования к системам автоматического регулирования напряжения синхронных генераторов электростанций.

Технология и устройства FACTS – это придание энергосистемам принципиально новых возможностей в части обеспечения управляемости и надежности энергоснабжения потребителей, остро необходимых, в частности, при переходе к рыноч- ным отношениям. Применение их позволит электроэнергетике России выйти на самые передовые позиции в мире.

Задачей отечественной промышленности наряду с продолжением освоения производства асинхронизированных машин, безусловно, является создание отечественных устройств FACTS: УПК, CTATKOM, ОРПМ. Приказом ¹ 448 от 19 VIII 2003 г. РАО “ЕЭС России”, подписанным его председателем А. Б. Чубайсом, предусмотрен широкий объем работ по созданию и внедрению этих устройств в единой национальной сети ЕЭС России. Создан Координационный совет во главе с председателем правления ОАО “ФСК ЕЭС” А. Н. Раппопортом, головной организацией по на- учному сопровождению работ назначен ВНИИЭ.

Список литературы

1.Кочкин В. И., Нечаев О. П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2000.

2.Алексеев Б. А., Мамиконянц Л. Г. Регулирование режимов работы электроэнергетических систем с помощью асинхроннизированных машин. – Электрические станции, 1998, ¹ 12.