Экспериментальное исследование параметров и режимов линии электропередачи с управляемой продольной компенсацией

Задача управления параметрами и режимами электрических сетей – одна из наиболее актуальных задач электроэнергетики. Для этой цели пред­ ложено много видов устройств, которые получили международное название FACTS-оборудование (Flexible Alternating Current Transmission Systems).

В [1, 2] предложено и исследовано новое устройство из разряда FACTS-оборудования. Оно состоит из конденсаторной батареи (УПК) и фазо­ регулирующего трансформатора (ФРТ), соединенных параллельно, и получило название УПКФРТ. Это устройство может быть включено как про­ дольно, так и поперечно в ветви и узлы электриче­ ской сети и позволяет в широком диапазоне изме­ нять режимные параметры сети при регулирова­

нии угла фазорегулятора.

Основные соотношения. В [1, 2] рассмотрен частный случай включения УПКФРТ в линию электропередачи в качестве управляемой продоль­ ной компенсации, как показано на ðèñ. 1. Схема замещения самого УПКФРТ представлена на ðèñ. 2.

Для обобщенных параметров четырехполюсников УПКФРТ (À, Â, Ñ, D ), участков линии до

(À1, Â1, Ñ1, D1) и после (À2, Â2, Ñ2, D2) него, а также для электропередачи в целом (Àý, Âý, Ñý, Dý) ïîëó­

чены следующие выражения:

À = (Zê + Zô + Y02ZêZô)G; D = (Zê + Zô + Y01ZêZô)G;

Ñ = [2(1 – cos ) + (Y01 + Y02)(Zê + Zô) + Y01Y02Zê Zô]G;

e j

G Zê Zô e j ;

Âý = À1 (ÀÂ2 + ÂD2) + Â1(ÑÂ2 + DD2);

Ñý = Ñ1(ÀÀ2 + ÂÑ2) + D1(ÑÀ2 + DÑ2);

Dý = C1(ÀÂ2 + ÂD2) + D1(ÑÂ2 + DD2),

– шунты фазорегулятора; å j – коэффициент транс­ формации фазорегулятора; – угол, вводимый фа­ зорегулятором.

Напряжение Uí è òîê Ií в начале электропере­ дачи связаны с напряжением Uê и током Iê в конце электропередачи известными соотношениями для четырехполюсника

Ií = CýUê + DýIê .

Проведенные исследования [1, 2] показали, что при регулировании угла фазорегулятора в ВЛ с УПКФРТ изменяются в широком диапазоне как обобщенные (1), так и волновые параметры экви­ валентного четырехполюсника электропередачи. При этом появляется возможность регулировать в широком диапазоне и параметры режима ВЛ с УПКФРТ.

В исследованиях, проведенных ранее, показа­ но, что УПКФРТ позволяет: увеличить пропуск­ ную способность электропередачи в 1,5 – 2 раза; изменять эквивалентную волновую длину; вести

режим минимума потерь или режим эквивалент­ ной натуральной мощности; поддерживать режим с постоянным углом ; регулировать генерацию (Qê > 0) или потребление (Qê < 0) реактивной мощности в узлах примыкающей сети; обходиться без реакторов холостого хода; перераспределять потоки мощности в неоднородных сетях. При этом сделан вывод, что из-за различного характера из­ менения параметров целесообразно разбить кон­ денсаторную батарею на две части, чтобы иметь возможность обеспечения двух сочетаний между сопротивлениями конденсатора Õê и фазорегулято­ ра Õô. Сочетания Õê > Õô используются при сред­ них и больших нагрузках, а сочетания Õê < Õô ис­ пользуются при малых нагрузках вплоть до холо­ стого хода.

Для подтверждения сделанных выводов были проведены экспериментальные исследования па­ раметров и режимов ВЛ с УПКФРТ на трехфазной физической модели Московского энергетического института. Для моделирования принят оригинал ВЛ класса 500 кВ длиной 400 км (по 200 км до и

10 – 6 Ñì êì; b0 = 3,91 10 – 6 Ñì êì.

Параметры оригинала конденсатора класса 500 кВ приняты согласно справочнику по высоковольтным конденсаторам, при этом активное со­ противление округлено до 1 Ом:

при сочетании Õê > Õô: Rê1 = 1 Îì; Õê1 = 70 Ом; при сочетании Õê < Õô: Rê2 = 1 Îì; Xê2 = 20 Ом. Параметры оригинала фазорегулятора приняты

равными: Rô = 1 Îì; Õô = 50 Îì; gô = 0,2 10 – 4 Ñì; bô = 0,6 10 – 4 Ñì.

Целесообразность использования именно та­ ких соотношений между параметрами элементов ВЛ с УПКФРТ обоснована для электропередачи класса 500 кВ в теоретических исследованиях

[1, 2].

Модель линии и выбор масштабов модели­ рования. Схема модели ВЛ с УПКФРТ в середине

представлена на ðèñ. 3. Она состоит из генератора, поддерживающего постоянное напряжение |Uí|; четырех ячеек; заменяющих линию (каждая ячей­ ка моделирует 100 км линии); конденсатора; фазо­ регулятора с добавочным сопротивлением; шин

бесконечной мощности с постоянным напряжени­

åì |Uê|.

Сопротивление ячейки линии, моделирующей 100 км, Rì = 0,335 4 = 1,34 Îì, Xì = 5,64 4 = = 22,56 Îì.

Масштаб модели по сопротивлению mZ; вычисленный по сопротивлениям оригинала (ор) и моде­ ли (мод) линии длиной 100 км, получился близким к единице и равен

Ïðè Uìîä = 943 В получим масштаб по напря­ жению mU оригинала и модели

Тогда масштаб по мощности mS будет равен

При выбранном масштабе по сопротивлению mZ и принятой емкостной проводимости линии оригинала длиной 100 км (b0 100) определим ем­ костную проводимость Âì и емкость Ñì одной ячейки линии модели

Bì = mZb0 100 = 1,2899 3,91 10 – 6 100 = = 504,3 10 – 6 Ñì;

ì1,6 ìêÔ.

314

Ñучетом округления емкости до Ñì = 1,6 ìêÔ

емкостная реальная проводимость ячейки линии получилась равнойì 1,606 10 6C

Bì = Cì = 1,6 314 10 – 6 = 502,4 10 – 6 Ñì.

Активная проводимость ячейки линии модели с учетом tg = 0,01 для выбранных типов конден­ саторов получилась равной

Предельную мощность самой линии оригинала и модели длиной 400 км (без УПКФРТ) можно оценить по выражениям

Натуральная мощность самой линии (без УПКФРТ) оригинала и модели равна соответст­

венно Ðí.îð = 916 ÌÂò è Ðí.ì = 4 êÂò.

Модель конденсатора. Как отмечалось ранее; для оригинала рассматривались два значения сопро­ тивления конденсаторной батареи: Õê1îð = 70 Îì è

Õê2îð = 20 Îì.

Согласно выбранному масштабу по сопротив­ лению (mZ = 1,2899) найдем необходимые сопро­ тивления и емкости конденсатора в модели

Емкостные сопротивления в модели, соответ­

Активное сопротивление конденсатора модели с учетом tg = 0,008 для выбранных типов кон­ денсаторов равно

Rê1ìîä = tg Xê1ìîä = 0,008 53,9 = 0,43 Îì;

Rê2ìîä = tg Xê2ìîä = 0,008 15,53 = 0,124 Îì.

Модель фазорегулирующего трансформато­ ра на напряжение 1000 В была создана в Институ­ те энергетики Академии наук Молдовы. Фазорегу­ лятор представляет собой трехфазный трехобмоточный трансформатор с первичными W1, вторич- ными W2 и регулировочными W0 обмотками.

Для определения параметров схемы замещения фазорегулятора (Rô, Õô, gô, bô) были проведены опыты холостого хода и короткого замыкания при различных углах . Эти параметры были усреднены для пяти значений угла = 0; 6,7; 14,4; 20,8; 26,9 градусов. У модельного ФРТ средние параметры получились равными: Rô = 3,312 Îì; Õô = 1,586 Îì; Gô = 0,323 10 – 3 Ñì; Âô = 0,472 См, т.е. индуктивное сопротивление Õô получилось меньше активного Rô, а индуктивный шунт bô сравним с активным шунтом gô.

Кроме этого, сопротивление ФРТ модели (Õô = 1,586 Ом) получилось намного меньше, чем

лись на условиях моделирования и проведения эк­ спериментов.

Согласно выбранному масштабу по сопротив­ лению (mZ = 1,2899) индуктивное сопротивление ФРТ модели должно быть равным

36 – 37 Ом; поэтому для увеличения сопротивле­ ния ветви ФРТ модели была добавлена индуктив­ ная катушка с сопротивлением Rg = 2,16 Îì, Õg = 36 Ом, включенная последовательно с ФРТ.

Таким образом, средние параметры ветви ФРТ модели (ФРТ плюс добавочная катушка) состави­ ли:

Rô.ìîä = Rô.ñð + Rg = 3,312 + 2,16 = 5,472 Îì;

Xô.ìîä = Xô.ñð + Xg = 1,586 + 36 = 37,585 Îì;

сильной степени компенсирует суммарную емко­

снижает пропускную способность электропереда­ чи модели по сравнению с оригиналом.

Таким образом, если модели линии и конденса­ торной батареи более или менее соответствуют па­ раметрам их оригиналов, то модельный фазорегу­ лятор оказался слишком отличным от оригинала.

Это объясняется особенностью отличия конст­ рукции трансформаторных устройств, выполненных на разные классы напряжения. В данном слу­ чае масштаб по напряжению составил 500 000 1000 = 5000, т.е. при классе напряжения 1000 В габариты ФРТ не позволяют достичь пара­ метров, соответствующих габаритам ФРТ класса 500 кВ. Однако включение добавочной катушки последовательно к ФРТ-модели позволило при­ близить параметры ФРТ ветви к оригиналу и про­ вести эксперименты с хорошим согласованием ве­ личин, определенных расчетным и экспериментальным путем.

Результаты экспериментальных исследова­ ний. Экспериментальные исследования проводи­ лись на созданной трехфазной физической модели с параметрами, приведенными ранее согласно схе­ ме модели ðèñ. 3: генератор – ВЛ с УПКФРТ – шины бесконечной мощности.

Сначала на основе серии опытов холостого хода и короткого замыкания в зависимости от углабыли определены обобщенные параметры УПКФРТ (À, Â, Ñ, D ) и параметры всей электро­ передачи (Aý, Bý, Cý, Dý), которые с погрешностью 5 – 20% совпали с аналогичными параметрами, вычисленными по выражениям (1). Далее были исследованы режимы модели ВЛ с УПКФРТ при углах = 0; 6,7; 14,4; 20,8; 26,9 градусов при изме­ нении активной мощности в конце Ðê = 0 7 êÂò è Ðê = 0 11 кВт для двух сочетаний сопротивлений конденсатора и фазорегулятора:

Õê = 53,9 Îì > Õô = 37,58 Îì

è

Õê = 15,53 Îì < Õô = 37,58 Îì.

Измерялись токи, напряжения, активные и реактивные мощности во всех точках модели, пред­ ставленной на ðèñ. 3. Эксперименты подтвердили сделанные основные выводы при теоретических исследованиях режимов ВЛ с УПКФРТ, приведенных в [1, 2]. На ðèñ. 4 показаны лишь основные характеристики режимов ВЛ с УПКФРТ в виде круговых диаграмм, полученные эксперименталь­ но (пунктирные линии) и расчетным путем (сплошные линии) согласно выражениям, приведенным в [1, 2], и параметрам модели. При экспе­ риментах и расчетах угол принимался равным 0°; 6,7°; 14,4°; 20,8°; 26,9°, а передаваемая актив­ ная мощность Ðê изменялась:

1)Ðê = 0 7 кВт при сочетании Õê > Õô, что в 7 4 = 1,75 раза больше; чем натуральная мощ­ ность самой линии модели.

2)Ðê = 0 11 кВт при сочетании Õê < Õô, что в 11 4 = 2,75 раза больше, чем натуральная мощ­ ность самой линии модели.

Это говорит о том, что рассмотрены режимы ВЛ с УПКФРТ с увеличенной в 1,75 и в 2,75 раза передаваемой мощностью, так как обычно по ли­ ниям оригинала класса 500 кВ не передается мощ­ ность, больше натуральной. Максимальная пропу­ скная способность электропередачи в целом со­

ставляет 12,3 кВт, что в 12,3 4 = 3,1 раза больше натуральной мощности самой линии и соответст­ вует соотношению Õê < Õô и углу = 26,9° для данного рассмотренного диапазона изменения угла.

Íà ðèñ. 4 представлены круговые диаграммы, т.е. изменение реактивной мощности в конце Qê от активной Ðê при разных углах : для сочетания

ðèñ. 4, á. Круговые диаграммы получены (как обычно принято) при поддержании постоянного модуля напряжения по концам электропередачи Uí = Uê = const. Этот рисунок подтверждает вывод о том, что в ВЛ с УПКФРТ при регулировании угла возможно глубокое регулирование реактив­ ной мощности Qê как в сторону увеличения гене­ рации (Qê 0) ïðè Õê > Õô, так и в сторону увели­ чения потребления (Qê 0) ïðè Õê < Õô. Таким об­ разом, при заданной активной мощности можно добиться необходимого уровня реактивной мощ­ ности, диктуемого или условиями режима в самой электропередаче (например, при минимуме потерь в ВЛ с УПКФРТ), или условиями режима в примыкающей энергосистеме (например, для обеспе­ чения необходимого уровня напряжений в узлах или потерь в сети).

Возможно также ведение режима эквивалент­ ной натуральной мощности электропередачи, ког­ да при изменении Ðê реактивная мощность будет равна нулю. Из ðèñ. 4 видно, что разница между экспериментальными и расчетными значениями реактивной мощности составляет 5 – 20%.

Измерениями также была подтверждена воз­ можность передавать разную активную мощность Ðê при постоянстве угла (в том числе при= const = 0). Это свойство важно при использова­ нии ВЛ с УПКФРТ в качестве гибкой межсистем­ ной связи и при исследовании ее статической устойчивости.

Кроме того, можно выявить закон управления углом для обеспечения режима минимума по­ терь в электропередаче. Такой оптимальный закон управления углом îïò получается и при численной оптимизации аналитического выражения для по­ терь, что рассмотрено ранее в [1, 2].

Теоретические и экспериментальные исследо­ вания перераспределения активных и реактивных

мощностей между конденсатором и фазорегулято­ ром УПКФРТ показали, что возможны режимы, когда активные мощности (Ðêîí, Ðôðò) имеют один знак (т.е. текут в одну сторону) и разный знак (т.е. в контуре УПКФРТ протекает циркулирующая мощность). При устранении циркулирующей мощности, т.е. когда Ðêîí è Ðôðò имеют один и тот же знак, регулированием угла возможно добить­ ся (кроме режима минимума потерь) еще трех сле­ дующих режимов:

1) Pêîí = 0; Pôðò Pê + P 2 (конденсатор раз­ гружен; т.е. через него не течет активная мощ­

ность);

2)Ðêîí = Pôðò Pê 2 + P 2 (конденсатор и фа­ зорегулятор загружены одинаково);

3)Ðôðò = 0; Pêîí Pê + P 2 (фазорегулятор раз­ гружен, т.е. через него не течет активная мощ­

ность). Здесь Ð – это потери активной мощности в ВЛ с УПКФРТ.

Проведенные экспериментальные исследова­ ния режимов ВЛ с УПКФРТ полностью подтверж­ дают качественные зависимости их изменения при регулировании угла . Количественные отличия в пределах 2 – 25% расчетных и экспериментальных значений обусловлены неточностью определения параметров модельных линий, конденсатора и фа­ зорегулятора. Особенно повлияла на расхождение неточность установки на модели угла для обес­ печения заданных в расчетах значений (0; 6,7; 14,4; 20,8; 26,9°).

Исследования показывают, что чувствитель­ ность режимных параметров ВЛ с УПКФРТ к зна­ чению угла очень высока и составляет десятые доли градуса при Õê > Õô è 1° ïðè Õê < Õô. Так, при изменении угла на 1° потоки мощности в самом УПКФРТ меняются на 3 – 7 %. Отличие добротно­ сти по сопротивлениям и проводимостям оригина­ ла и модели в ВЛ с УПКФРТ приводит к разному количественному перераспределению активных и

реактивных мощностей между линией, конденса­ тором и фазорегулятором. Ввиду этого использо­ вание созданной модели ВЛ с УПКФРТ для коли- чественных оценок возможно при учете погрешности в пределах 3 – 25%, тогда как для качествен­ ного анализа режимов эта модель вполне пригод­ на.

Выводы

1.Рассчитаны параметры и собрана физиче­ ская модель ВЛ с УПКФРТ, состоящая из моделей линии, конденсаторной батареи и фазорегулирую­ щего трансформатора.

2.Проведено экспериментальное исследова­ ние параметров и режимов модели ВЛ с УПКФРТ

при различных углах и различных передаваемых мощностях Ðê для двух сочетаний сопротивлений конденсатора и фазорегулятора (Õê > Õô è Õê < Õô).

3.Проведено сравнение экспериментальных и расчетных значений режимных параметров моде­ ли, подтверждающее хорошее качественное совпа­ дение зависимостей их изменения, а также под­ тверждающее ранее сделанные выводы о возмож­ ности глубокого регулирования режимами ВЛ с УПКФРТ.

4.Созданную трехфазную модель можно реко­ мендовать для дальнейших исследований нормальных, особых, несимметричных и переходных режимов ВЛ с УПКФРТ.

Список литературы

1.Chiorsac M. V., Soldatov V. A., Kalinin L. L. A phase shifting controlled series compensation for HV transmission systems. – Very high voltage networks symposium, Sibiu Romania, 1995, June, p. 89.

2.Киорсак М., Солдатов В., Зайцев Д. Гибкие линии электро­ передачи с продольно-емкостной компенсацией и фазоповоротным трансформатором. Кишинев: АН Молдовы, 1997.