28.4. Повышение энерогоэффективности энергосистем путём применения вставок и передач постоянного тока

В электропередачах постоянного тока (ППТ) отсут­ствуют многие факторы, свойственные электро­передачам переменного тока и ограничивающие пропускную способность. Предельная мощность, пе­редаваемая по ЛЭП постоянного тока, больше, чем у аналогичных ЛЭП переменного тока. Ограниченность применения ППТ связана, главным образом, только с техническими трудностями создания эффективных недорогих устройств для преобразования переменно­го тока в постоянный (в начале линии) и постоянного тока в переменный (а конце линии).

С помощью ППТ (ВПТ) осуществляется несин­хронная связь между энергосистемами, обеспечива­ющая возможность независимого регулирования ча­стоты в каждой из них. Нарушения режима (короткие замыкания, сбросы мощности, набросы нагрузки) в одной из объединенных энергосистем практически не сказываются на работе другой. Через ППТ (ВПТ) мо­гут объединяться энергосистемы, работающие с раз­личной номинальной частотой (50 и 60 Гц) или разной идеологией поддержания частоты (а случае ее равенства, например, ВПТ Россия - Финляндия);

• Быстродействующее регулирование преобразователей ППТ и ВПТ позволяет практически безынерционно изменять величину тока и направление потока мощности, благодаря чему такая связь свободна от нерегулируемых перетоков мощности и способна осуществлять передачу электроэнергии по заданной программе. Законы регули­рования могут быть выбраны с большой степенью независимости от изменений режима (уровней напряжения, частоты) в связываемых энергосистемах. При необходи­мости специальные регуляторы могут использоваться, например, для поддержания частоты, демпфирования субгармонических колебаний, повышения устойчивости параллельных ВЛ переменного тока и т. д.

• Повышается статическая и динамическая устой­чивость объединяемых энергосистем (примеры энер­госистем США, Индии и Китая).

• Объединение энергосистем переменного тока или ввод дополнительной мощности в энергосистему через ППТ (ВПТ) не приводит к увеличению токов КЗ.

• Для длинных ВЛ (наиболее длинная из постро­енных ВЛ ППТ имеет длину 1730 км) нет ограничений передаваемой мощности по условиям нарушения устойчивости. Технические пределы нагрузки для воз­душных и кабельных линий определяются только условиями теплового режима.

• По сравнению с ЛЭП переменного тока линии по­стоянного тока имеют в 1,5 раза меньшую зону отчуж­дения земли для трассы линии.

• ППТ обладают существенным по сравнению с ЛЭП переменного тока преимуществом в части надеж­ности, так как вероятность одновременного отключе­ния обоих полюсов ППТ более чем на порядок ниже вероятности отключении трехфазной линии.

• При передаче электроэнергии через широкие водные преграды (более 40-50 км) применение ППТ с подводным кабелем не имеет альтернативы.

• ППТ предпочтительны для присоединения к энергосистемам генераторов с нестабильным уров­нем генерации (ветропарки, солнечные и другие установки генераторов).

Повышение энерогоэффективности энергосистем с использованием ППТ и ВПТ заключается в следующих положениях.

1. Применение ППТ и ВПТ позволяет повысить про­пускную способность параллельных связей на пере­менном токе. Иллюстрацией этого является рис 28.16 и 28.17, где показан эффект уменьшения угла передачи пере­менного тока с помощью регулирования мощности ППТ

Рисунок 28.16 Схема выдачи мощности от электростанции с радиальными линиями ППТ и ВЛ переменного тока

Рисунок 28.17 Повышение устойчивости ВЛ переменного тока с помощью регулирования ППТ

2. При передаче мощности по ППТ от удаленных ГЭС (или ПЭС) применение управляемых преобразо­вателей, питающихся от гидроагрегатов, позволяет использовать эффект изменяемой частоты гидроа­грегата, заключающийся в повышенном на несколько процентов КПД гидротурбины при работе ее с из­меняемой частотой. Такой эффект рассматривается, в частности, для применения на будущей Эвенкийской ГЭС, в схеме выдачи мощности которой пред­полагается использовать ППТ. Паводковая дешевая мощность от ГЭС при этом может передаваться на значительные расстояния так, как это, например, про­исходит на ППТ Волгоград- Донбасс и, в принципе, может быть приемлемо для запертой мощности Саяно- Шушенской ГЭС.

3. Для России, с её многочисленными часовыми по­ясами, применение дальних широтных ППТ позволяет использовать эффект разновременности суточных максимумов по поясам и, следовательно, повышать энергоэффективностъ установленной генерирующей мощности, снижая необходимость пиковых резервов.

Известно, что в линии постоянного тока отсутствуют потери, прису­щие ВЛ переменного тока, связанные с необходимым перетоком реактивной мощности, а также поверхностным эффектом проводов на промышленной частоте. Потери мощности не превосходят 10% от омических потерь в проводах.

К настоящему времени в мире действует около 100 объектов постоянного тока общей мощностью около 78 ГВт.

Достижения классической технологии ППТ и ВПТ связаны с работами, проведенными в СССР (НИИПТ, ВЭИ), Швеции (ABB), Германии (Siemens), Японии (Toshiba).

В немалой степени конкуренция в производстве оборудования ППТ между СССР и странами Запада способствовала строительству и вводу в эксплуата­цию в 1964-87 гг. самой большой в нестоящее вре­мя в мире ППТ Itaipu в Бразилии. Эта ППТ мощно­стью 6,3 ГВт состоит из двух биполярных линий по 3,15 ГВт длиной примерно по 800 км каждая, с на­пряжением между полюсами ±600 кВ.

Из числа построенных ВПТ по суммарной уста­новленной мощности преобразователей в настоящее время самой большой в мире является Выборгская выпрямительно-инверторная подстанция (ВИП) элек­тропередачи 330/400 кВ Россия - Финляндия. Мощ­ность всей линии после ввода в 2000 г. 4-го преобра­зовательного блока достигла 1400 МВт.

Широкое применение (известно более 20 объ­ектов) получили кабельные ППТ. В России первый практический опыт работы кабеля при постоянном на­пряжении был получен с пуском в 1950 г. ППТ Кашира - Москва. На этой линии применялся кабель общей длиной 30 км, с помощью которого, в частности, преодолевались и реки.

Наибольшую протяженность кабельного участка имеют ППТ между Швецией и Германией - 250 км и ППТ Basslink (Австралия) - 290 км. Ведутся проектные работы по более протяженным кабельным ППТ. Так, в Малайзии (проект Bakun) намечено построить ППТ напряжением ±500 кВ общей длиной 1330 км и самым длинным кабельным участком 670 км.

Наиболее мощная подводная КЛ постоянного тока с пропускной способностью 2,0 ГВт связывает энергосистемы Великобритании и Франции. Ее длина 70 км, номинальное напряжение ± 270 кВ.

Для применения ППТ в единой энергосистеме Рос­сии (ЕНЭС) существуют объективные предпосылки, исходящие из указанных выше преимуществ ППТ:

• большая протяженность территории страны;

• неравномерное распределение энергоресурсов и промышленности (наибольшие запасы минерально­го топлива и гидроресурсов - в Сибири, наибольшее сосредоточение населения и промышленности - в Ев­ропейской части);

• большое число удаленных от центров потребле­ния перспективных створов для сооружения ГЭС;

• формирование ЕНЭС в виде крупных региональ­ных объединений, связанных между собой сравни­тельно «слабыми» связями.

В перспективных планах роль ППТ в ЕНЭС свя­зана с необходимостью транспорта электроэнергии из энергоизбыточных регионов Сибири в Центр и Юг России в связи с:

• снижением выработки электроэнергии на тепло­вых электростанциях (ТЭС) Центра из-за ожидаемого снижения объемов поставки газа (например, дефицит газа в 2015 году ожидается на уровне 33 млрд м³);

• увеличением использования угольных ТЭС Канско-Ачинского бассейна и возможное строительство ТЭС на тугнуйских и ургальских углях;

• намеченными работами по достройке Бурейской ГЭС, строительству Южно-Якутского гидро­энергетического комплекса, Богучанской ГЭС и Тугурской приливной электростанции;

• разностью в ценах электроэнергии, произведенной в Центре и Сибири;

• необходимостью резерва мощности для обеспе­чения надежного энергоснабжения Центра, целена­правленного управления режимами ЕНЭС.

В отличие от межсистемных связей переменного тока ППТ обеспечивают:

• возможность наиболее эффективного централи­зованного управления режимами большого по мощ­ности и протяженного энергообъединения;

• локализацию аварий в энергообъединении и возможность реализации максимальной аварийной взаимопомощи энергосистем, не ограниченной усло­виями устойчивости;

• снижение объема использования средств противоаварийной автоматики, соответственно, отключе­ний потребителей;

• возможность параллельной работы энергоси­стем без необходимости предварительного приведе­ния их к единому стандарту качества частоты и единым условиям аварийного регулирования, что особенно существенно при организации связей с энергоси­стемами других государств;

• отсутствие стохастических колебаний мощности и возможность объединения сколь угодно мощных энергосистем связями относительно малой пропуск­ной способности с возможностью наращивания ее по мере необходимости;

• наиболее благоприятные условия функциониро­вания межрегиональных и межгосударственных опто­вых рынков электроэнергии и мощности.

Интерес к передаче постоянного тока подтвержда­ется примерами использования ППТ и ВПТ в быстроразвивающихся Китае и Индии.

Важными основаниями к использованию ППТ для связи России с энергосистемами других государств являются:

• наличие в стране избыточных неиспользованных гидроресурсов, особенно в Сибири;

• сложности объединения на переменном токе с крупными зарубежными энергообъединениями из-за различий в системах регулирования частоты и мощно­сти, других систем автоматики, различий в системах оперативного управления и нормативной базе и др.;

• большие расстояния, затрудняющие созда­ние синхронных связей с энергосистемами стран, расположенных к югу от границ с Россией (энерго­объединение Среднеазиатских республик бывшего СССР, энергосистемы Китая, Кореи, Ирана, Турции и других стран);

• наличие широких водных преград (при связи, на­пример, с энергосистемами Японии и Турции).

В настоящее время на связях ЕНЭС с зарубежными энергосистемами эксплуатируются ППТ Волгоград-Донбасс (Россия-Украина) и ВПТ Россия-Финляндия.

На сегодняшний день в связи со строительством ЛАЭС-2 наиболее вероятным проектом является ППТ Ленинградская АЭС-2 - ПС Выборгская и реконструк­ция ПС Выборгская.