Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Технология передач и вставок постоянного тока. Ч.1. Общие принципы технологии передач и вставок постоянного тока. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕДАЧ И ВСТАВОК

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Часть 1. Общие принципы технологии передач

и вставок постоянного тока

Рекомендовано в качестве учебного пособия

Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета

Издательство

Томского политехнического университета

2018

УДК 621.3.024(075.8) ББК 31.261.5я73 Т38

Авторы

Р.А. Уфа, Н.Г. Лозинова, О.В. Суслова,

М.В. Андреев, Н.Ю. Рубан, А.А. Суворов

Технология передач и вставок постоянного тока. Часть 1.

Т38

Общие принципы технологии передач и вставок постоянного тока : учебное пособие / Р.А. Уфа, Н.Г. Лозинова, О.В.

Суслова и др. ; Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2018. – 99 с.

ISBN 978-5-4387-0809-4 (ч. 1) ISBN 978-5-4387-0808-7

В пособии представлено описание назначения и принципов действия пе-

редач и вставок постоянного тока. Приведены основные схемы, оборудование, принципы управления и регулирования передач и вставок постоянного тока. Дана краткая информация по системам управления и регулирования, включая схемы на базе преобразователей тока и напряжения.

Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», и магистров, обучающихся по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».

УДК 621.3.024(075.8) ББК 31.261.5я73

Рецензенты

Кандидат технических наук,

доцент кафедры электрических систем и сетей СПбПУ

В.С. Чудный

Кандидат технических наук,

профессор кафедры промышленной электроники ТУСУРа

В.Д. Семенов

Кандидат технических наук

начальник отдела моделирования и исследования управляемых передач

переменного и постоянного тока

Центра качества электроэнергии АО «НТЦ “ФСК ЕЭС”»

А.М. Матинян

ISBN 978-5-4387-0809-4 (ч. 1) ISBN 978-5-4387-0808-7

политехнического университета, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................... 5

1. Передачи и вставки постоянного тока

на базе преобразователей тока ............................................................... 9

1.1. Основные принципы действия и схемы ............................................ 9

1.2. Основное оборудование преобразовательной подстанции .......... 20

1.2.1. Преобразователь ...................................................................... 21

1.2.2. Преобразовательный трансформатор ................................... 22

1.2.3. Сглаживающий реактор на стороне постоянного тока ....... 23

1.2.4. Силовые фильтры высших гармоник на стороне

переменного тока .................................................................... 23

1.2.5. Другие компоненты оборудования

преобразовательной подстанции ........................................... 24

1.3. Принципы

1.3.1. Основные функции системы автоматического

1.3.2. Общая структурная схема системы регулирования ............ 35

1.3.3. Основные алгоритмы функционирования подсистем ........ 38

управления и регулирования ППТ (ВПТ) ................... 25

регулирования ......................................................................... 25

1.3.1.1. Управление мощностью ППТ (ВПТ) ...................... 25

1.3.1.2. Угловые характеристики преобразователей ........... 26

1.3.1.3. Особенности коммутационных процессов

в инверторном преобразователе и вытекающие из них требования к величине угла отключения

вентилей ...................................................................... 27

1.3.1.4. Регулирование выпрямленного напряжения .......... 30

1.3.1.5. Управление токами преобразователей .................... 30

1.3.1.6. Ограничение напряжений на вентильных обмотках преобразовательных трансформаторов .. 33

1.3.1.7. Участие САР в операциях по отключению и

включению преобразователей .................................. 33

1.3.1.8. Перечень основных функций САР. ......................... 34

1.3.3.1. Подсистема регулирования мощности .................... 38

1.3.3.2. Подсистема регулирования тока .............................. 40

1.3.3.3. Подсистема регулирования угла отключения ........ 42

1.3.3.4. Программное изменение углов включения

преобразователей ....................................................... 47

1.3.3.5. Устройство формирования

импульсов управления .............................................. 47

1.3.3.6. Подсистемы, воздействующие на переключение

ответвлений трансформаторов ................................ 50

1.4. Система защиты и автоматики ППТ и ВПТ на базе

преобразователей тока ....................................................................... 53

1.4.1. Основные задачи системы защиты и автоматики ............... 53

1.4.2. Система ликвидации аварий в ППТ (ВПТ) .......................... 54

1.4.2.1. Отключаемые элементы ППТ (ВПТ) ...................... 54

1.4.2.2. Основные виды аварий

на стороне постоянного тока .................................... 55

1.4.2.3. Система ликвидации аварий на

стороне

постоянного тока ....................................................... 58

1.4.3. Структурная схема системы защиты

и автоматики (СЗА)................................................................. 59

1.4.4. Принцип действия и основное алгоритмы

функционирования защит и автоматики .............................. 66

1.4.4.1. Защиты преобразователя

(блока или полюса подстанции) ............................... 66

1.4.4.2. Защита линии постоянного тока .............................. 68

1.4.4.3. Защиты и автоматика распредустройства

средней точки и заземляющих линий .................... 68

1.4.4.4. Автоматика преобразовательной ветви (АВ) ......... 70

1.4.4.5. Автоматика

управления полуцепью (АУП) ........... 70

2. Передачи и вставки постоянного тока

на базе преобразователей напряжения ............................................... 72

2.1. Основные принципы действия и схемы .......................................... 72

2.2. Основное оборудование преобразовательной подстанции ........... 78

2.3. Система управления преобразовательного комплекса

на базе преобразователя напряжения .............................................. 80

2.4. Системы защиты высоковольтных преобразовательных

комплексов на основе преобразователей напряжения ................... 86

Вопросы и задания для самоконтроля ................................................... 90

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................... 91

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ....... 92

ГЛОССАРИЙ ............................................................................................... 94

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................... 92

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что подавляющая часть электрической энергии распределяется в радиусе 300…400 км вокруг центров ее производства, т. е. на расстояниях, соответствующих безусловной целесообразности применения линий электропередачи переменного тока (ЛЭП). В этой связи по массовости использования передачи постоянного тока никогда не смогут конкурировать с ЛЭП переменного тока. Тем не менее существуют свои области применения объектов постоянного тока.

Одна из них включает передачи электроэнергии на дальние расстояния. Как известно, по сравнению с передачами переменного тока передачи постоянного тока (ППТ) требуют повышенных затрат на сооружение подстанций, но линейная часть у них дешевле, что предопределяет экономическую целесообразность их использования при расстояниях, превышающих некоторую так называемую «критическую длину», при которой затраты на передачу электроэнергии переменным и постоянным током равны [1, 2].

Широко известно преимущество постоянного тока перед переменным при создании кабельных линий, предназначенных, например, для преодоления водных преград.

В ряде случаев определяющую роль в решении вопроса о выборе рода тока играет способность ППТ между электроэнергетическими системами (ЭЭС).

В последнее время много внимания уделяется минимизации земельных наделов, отчуждаемых под трассы ЛЭП. С этих позиций линии постоянного тока обладают существенными преимуществами перед линиями переменного тока, требуя существенно более узкой полосы отчуждения под трассу.

В перечне специфических свойств ППТ нельзя действующее регулирование их преобразователей, позволяющее практически безынерционно изменять передаваемую мощность [3, 4]. Законы регулирования могут быть выбраны исходя из условий выполнения заданной программы или в зависимости от изменения режима энергосистем. В последнем случае они могут использоваться, например, для поддержания частоты или демпфирования колебаний тока и

Существенное значение может приобрести и тот факт, что при связи двух систем переменного тока посредством ППТ в случае короткого замыкания (КЗ) в одной из систем отсутствует подпитка места КЗ со стороны другой системы переменного тока, то есть использование ППТ не сопровождается увеличением токов КЗ.

осуществлять несинхронную связь

не отметить и быстро-

напряжения в ЭЭС.

Вместе с тем следует указать на ограничение, накладываемое сетью переменного тока на мощность примыкающей ППТ (речь идет о традиционных передачах с тиристорными преобразователями, инверторах, ведомых сетью). Это ограничение сводится к тому, что по условиям устойчивости отношение короткого замыкания (ОКЗ), определяемое как отношение мощности КЗ на шинах инверторной подстанции к мощно

сти ППТ, должно быть не менее 2 [5]. В противном случае потребуются дополнительные затраты на дооснащение преобразовательной подстанции синхронными компенсаторами.

Общие положительные стороны передач и постоянного тока, которые способствуют их применению в качестве межсистемных связей:

1) возможность наиболее эффективного централизованного

управления режимами большого по мощности и протяженного энергообъединения;

локализация аварий в энергообъединении и возможность реализации максимальной аварийной взаимопомощи ЭЭС, не ограниченной условиями устойчивости;

3) снижение объема использования средств противоаварийной ав-

томатики, в том числе отключение потребителей;

4) возможность параллельной работы ЭЭС без необходимости

предварительного приведения их к единому стандарту качества частоты и единым условиям аварийного регулирования, что особенно

суще-

ственно при организации связей с ЭЭС других государств;

5) отсутствие стохастических колебаний мощности и возможность

объединения сколь угодно мощных ЭЭС связями относительно малой пропускной способности с возможностью наращивания ее по мере необходимости;

6) ППТ обеспечивают наиболее благоприятные условия функцио-

нирования межрегиональных и межгосударственных оптовых рынков электроэнергии и мощности.

Согласно

отчету CIGRE (Conseil International des Grands Réseaux Electriques – Международный Совет по большим электрическим системам высокого напряжения), в настоящее время в мировой электроэнергетике проектируются, строятся и уже эксплуатируются более 200 ППТ и ВПТ [6], в том числе две ВПТ в российских ЭЭС.

Первым коммерческим проектом ППТ суммарной мощностью

60 МВт с использованием ртутных электронных ламп считается проект «Эльба» (1941

г.), предназначенный для электроснабжения г. Берлина от гидростанции на реке Эльба по линии постоянного тока (115 км) [7]. Первый ВПТ на тиристорной схеме (преобразователь тока) был введен в эксплуатацию в 1972 г. на реке Эил в Нью-Брансуике (Канада), обеспе-

чивая двунаправленную асинхронную взаимосвязь в юго-восточной части канадской ЭЭС [8, 9].

В России первая вставка постоянного тока с декабря 1981 г. успешно работает в составе электропередачи 330/400 кВ Россия–Финляндия. Выборгская выпрямительно-инверторная подстанция мощностью 1065 МВт обеспечивает экспорт электроэнергии (до 4 млрд кВтч ежегодно) из системы Ленэнерго в энергосистему Финляндии, входящую

в состав НОРДЭЛ – энергообъединения стран Скандинавского полуострова [10, 11].

Развитие силовой полупроводниковой техники способствовало разработке новых схем ВПТ со статическими преобразователями напряжения (СПН) на базе силовых быстродействующих полностью управляемых полупроводниковых транзисторов (IGBT), свойства которых открывают новые возможности по эффективному использованию ВПТ для решения широкого спектра задач [12]:

1) независимое регулирование активной и реактивной

мощности,

включая реверс;

2) демпфирование низкочастотных колебаний в ЭЭС и повышение

колебательной устойчивости их функционирования;

3) возможность работы в несимметричной сети, например во вре-

мя неисправности сети переменного тока или при наличии существенно несимметричных нагрузок с возможностью ее симметрирования;

4) применимость в слабых сетях переменного тока и сетях с пас-

сивными нагрузками.

Кроме того, устройства на базе СПН служат основой для создания мощных сложно замкнутых сетей постоянного тока.

На данный момент для «большой энергетики» сложилось несколько видов типовых схем:

1) для ППТ и ВПТ на базе статических преобразователей тока

(СПТ) чаще используются 12-пульсные мостовые схемы преобразователей;

2) для

ППТ и ВПТ на базе СПН применяются различные схемы. Мощные ППТ и ВПТ высокого напряжения в период с 1997 по 2012 г. строились на основе СПН, имеющих двухуровневую или трехуровневую топологию схем с заземленной средней точкой (Neutral Point Clamped Converter) [13]. Однако СПН, построенные на основе двухуровневых и трехуровневых схем, имеют сравнительно высокие потери мощности (2…3 %)

и низкий уровень перегрузки. Максимально достигнутая пропускная способность СПН на основе двухуровневой схемы – 500 МВт при напряжении постоянного тока ±200 кВ. СПН используются преимущественно в составе кабельных ППТ пропускной

способностью до 350 МВт при напряжении постоянного тока ±150 кВ. Последняя ППТ с применением СПН на основе двухуровневой схемы была введена в эксплуатацию компанией АВВ в 2012 г. (ППТ EastWest). Начиная с 2010–2013 гг. для ППТ и ВПТ на СПН применяются только преобразователи, имеющие модульную многоуровневую структуру – ММНП. Преобразовательные подстанции (ПП) с применением ММПН занимают меньшую

площадь по сравнению с ПП на базе СПТ, но имеют более сложную систему управления. Потери мощности в ММПН составляют около 1 %, что сопоставимо с уровнем потерь в преобразователях тока. Кратковременная перегрузочная способность составляет порядка 1,1…1,3 о. е. ММПН широко используются в составе преимущественно кабельных ППТ пропускной способностью до 1,4 ГВт при классах напряжения до 500 кВ, а также в составе ППТ с воздушными линиями.

Ведутся работы по совершенствованию схем ММПН и управления ими с целью уменьшения потерь мощности, увеличения пропускной способности и классов напряжении, возможности отключения токов КЗ на стороне постоянного тока без отключения преобразователей [12].

1. ПЕРЕДАЧИ И ВСТАВКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

НА БАЗЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТОКА

1.1. Основные принципы действия и схемы

Повышение требований к надежности и экономичности электроснабжения вынуждает искать новые методы и средства эффективного управления режимами работы электроэнергетических систем (ЭЭС). При недостаточности управляемости основных элементов ЭЭС даже новые средства автоматики не позволят решить все проблемы. Более того, усложнение и неоднородность электрических сетей затрудняют управление потоками активной и реактивной мощности по определенному закону. Таким требованиям по управляемости в полной мере отвечают электропередачи постоянного тока (ППТ) и вставки постоянного тока (ВПТ). Из всего теоретического многообразия управляемых электрических связей ППТ и ВПТ можно отнести к наиболее хорошо разработанным и освоенным. При этом ВПТ ППТ с линией электропередачи нулевой длины.

В состав классической ППТ входят две преобразовательные подстанции и соединяющая их линия электропередачи – воздушная или кабельная линия постоянного тока (рис. 1.1).

является, по сути, особым видом

Рис. 1.1. Принципиальная схема ППТ (а) и условное обозначение

тиристорного вентиля (б):

, П2 – преобразовательные подстанции;

, Ud2 – выпрямленные напряжения подстанционных

– выпрямленный ток электропередачи; Знаки выпрямленных напряжений: + – в режиме передачи от П1 к П2; (+) – в режиме передачи от П2 к П1

– примыкающие энергосистемы переменного тока;

преобразователей;

Преобразование переменного тока в постоянный (режим выпрямления) и постоянного тока в переменный (режим инвертирования) осуществляется в настоящее время полупроводниковыми управляемыми вентилями – тиристорными вентилями, которые проводят ток только в одном направлении – от анода (А) (положительного электрода) к катоду (К) (отрицательному электроду) – при подаче электрического сигнала на электрод управления (ЭУ)

в те промежутки времени, когда на аноде вентиля напряжение выше, чем напряжение на катоде. Изменение направления передачи энергии называется реверсом ППТ (ВПТ). Реверс осуществляется изменением знаков напряжения на полюсах преобразователей при неизменном направлении выпрямленного тока I

ППТ выполняются на большие мощности и напряжения, и поэтому в качестве схемы преобразования применяется трехфазная шестипульсная (за период данной частоты переменного тока) мостовая схема, обладающая наиболее высокими технико-экономическими показателями (рис. 1.2).

Общепринято три вентиля, у которых объединены аноды, называть анодной группой вентилей. Три вентиля с объединенными катодами называются

катодной группой вентилей. Обе группы образуют два полюса моста. Участок схемы между точкой присоединения фазового провода и полюсом моста называется плечом моста. При высоком выпрямленном напряжении преобразовательного моста плечо представляет собой последовательное соединение многих единичных тиристоров, т. к. они в настоящее время могут быть изготовлены на рабочее

напря-

жение не более 8,0…10,0 кВ.

Рис. 1.2. Схема подключения 6-импульсного преобразователя

1 / 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]