Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология передач и вставок постоянного тока. Ч.1. Общие принципы технологии передач и вставок постоянного тока. Учебное пособие
.pdf
Рис. 1.12. Однолинейная схема преобразовательной подстанции
с применением преобразователей тока:
1 – высоковольтный вентиль; 2 – счетверенный вентиль; 3 – преобразовательный
трансформатор; 4 – сглаживающий реактор; 5 – фильтр гармоник на стороне
постоянного тока; 6 – фильтры гармоник на стороне переменного тока,
7 – фильтр нижних частот; 8 , 9 , 10, 11 – система выключателей
в распредустройстве постоянного тока
1.2.1. Преобразователь
Как было сказано выше, основой преобразовательной схемы служит шестипульсная мостовая схема, состоящая из шести тиристорных
вентилей. Вентиль преобразователя состоит из некоторого числа последовательно соединенных идентичных тиристорных ячеек (ТЯ) и анодных реакторов. Каждая тиристорная ячейка состоит из непосредственно
тиристора, модуля управления тиристором, демпфирующих и выравнивающих цепей,
присоединенных параллельно к тиристору. Демпфирующие цепи обеспечивают равномерное распределение напряжения по
компонентам вентиля. Они также служат для снижения величин напряжения и тока в переходных процессах при зажигании вентиля и восста-
21
новлении напряжения на нем. Ячейка управления тиристором обеспечивает формирование управляющего сигнала на управляющем электроде тиристора в нормальном и аварином режимах. Последовательно с ТЯ
или с вентильной секцией, состоящей из нескольких последовательно
соединенных ТЯ, устанавливаются насыщающиеся реакторы для ограничения скорости нарастания тока в первые моменты времени после
включения тиристора
, а также скорости изменения напряжения при отключенном состоянии тиристора. Несколько вентилей формируют многовентильный блок (МВБ). Как правило, в одном блоке содержатся четыре вентиля (счетверенный вентиль). Почти все современные
тиристорные вентили охлаждаются деоинизированной водой или смесью деионизированной воды и этиленгликоля.
1.2.2. Преобразовательный трансформатор
В схемах ВПТ применяются однофазные и трехфазные трансфор-
маторы с регуляторами напряжения под нагрузкой (РПН) [17, 18].
Назначение [17, 18]:
• подключение преобразователей к сетям переменного тока более
высокого класса напряжения;
• обеспечение сдвига векторов вторичного напряжения для
уменьшения влияния 5-й и 7-й гармоник (рис. 1.13);
• гальваническая развязка цепей постоянного и переменного тока;
• ограничение токов короткого замыкания;
• регулирование напряжения между преобразователем и системой
переменного тока.
В табл. 1.1 приведены возможные схемы преобразовательных
трансформаторов [19, 20].
Таблица 1.1
Преобразовательные трансформаторы
Количество обмоток Схема соединения
Однофазные двухобмоточные –
Однофазные трехобмоточные –
Трехфазные двухобмоточные Y/Δ, Y/Y
Трехфазные двухобмоточные
с расщепленной обмоткой
Y/Δ/Y
В случае, когда используются две обмотки (сетевая и одиночная
или сетевая), вторичная может быть выполнена с расщепленной обмоткой для подключения 12-пульсных схем и более. В случае применения
трехобмоточного трансформатора третья обмотка используется для
подключения фильтровых устройств [43–45].
22
Рис. 1.13. Схема соединения обмоток
1.2.3. Сглаживающий реактор на стороне постоянного тока
Сглаживающие реакторы предназначены для сглаживания пульсаций постоянного тока в линии ограничения скачкообразного нарастания
тока, предотвращения прерывания тока при малой нагрузке ППТ (ВПТ)
и ограничения токов короткого замыкания в линии постоянного тока.
Возможные схемы подключения реактора в ВПТ приведены на
рис. 1.11. Согласно [21] индуктивность реакторов, применяемых в схемах ВПТ, может составлять от 12 до 200 мГн. Данные значения могут
рассматриваться как максимальный диапазон изменения параметра индуктивности модели реактора. На практике производители оборудования указывают более узкие диапазоны. Например, компания Siemens
ограничивает значение индуктивности от 30 до 80 мГн [22]. Компания
GE вовсе отказывается от применения сглаживающих реакторов во
вставках постоянного тока.
1.2.4. Силовые фильтры высших гармоник
на стороне переменного тока
Фильтры высших гармоник на стороне переменного тока служат
для фильтрации токов высших гармоник, генерируемых преобразователями, а также для компенсации части реактивной мощности, потребляемой преобразователями [23, 24]. Схема подключения фильтра представлена на рис. 1.14.
Согласно [26, 27] используются схемы силовых фильтров высших
гармоник, представленные на рис. 1.15.
23
Рис. 1.14. Подключение силового фильтра высших гармоник
Рис. 1.15. Типы силовых фильтров высших гармоник:
а – резонансный фильтр, настроенный на одну частоту; б – широкополосный
фильтр; в – резонансный фильтр, настроенный на две частоты
а б в
1.2.5. Другие компоненты оборудования
преобразовательной подстанции
Фильтры высших гармоник на стороне постоянного тока предназначены для улучшения гармонического состава постоянного тока. Источники реактивной мощности компенсируют реактивную мощность,
потребляемую преобразователями, которая в нормальных установившихся режимах ППТ может достигать величины примерно 50 % от передаваемой по ППТ активной мощности.
Для минимизации влияния высокочастотных помех, генерируемых
преобразовательным оборудованием, на оборудование примыкающей
сети переменного тока используется фильтр нижних частот 7 (в зарубежной терминологии это устройство называется PLC-filter).
Выключатели 8 и 11 предназначены для переключения обратного
тока из земли в линию неиспользуемого полюса, если ППТ временно
функционирует в однополярном режиме. Выключатель 10 замыкается
24
при аварии на электроде или обратном проводе, обеспечивая временный
возврат тока через землю. Выключатель 9 используется для отвода постоянного тока от блокированного полюса на землю.
К основному оборудованию подстанции также должна быть отнесена система управления регулирования и защиты преобразователей.
1.3. Принципы управления и регулирования ППТ (ВПТ)
1.3.1. Основные функции системы
автоматического регулирования
1.3.1.1. Управление мощностью ППТ (ВПТ)
Отличительная особенность объектов постоянного тока заключается в том, что передаваемая по ним мощность определяется главным образом режимом работы преобразовательных подстанций, а именно моментами включения вентилей. Влияние на мощность амплитуды,
частоты и фазы напряжений переменного тока в точках присоединения
подстанций либо полностью отсутствует, либо весьма незначительно.
Поскольку моменты включения вентилей является непосредственно
управляемыми режимными параметрами преобразователей, появляется
возможность автономного управления мощностью ППТ (ВПТ).
В простейшем случае управление мощностью ППТ (ВПТ) производится в соответствии с плановыми графиками нагрузки.
Дополнительные возможности в части управления мощностью связаны с тем, что изменения моментов включения вентилей и, следовательно, нагрузки ППТ (ВПТ) может производиться с весьма большой
скоростью. Это позволяет использовать ППТ (ВПТ) в системе противоаварийной автоматики энергосистемы, для демпфирования электромеханических колебаний и для других специальных целей.
Управление мощностью ППТ (ВПТ), в соответствии с заданием, является важнейшей функцией системы автоматического регулирования.
Передачи и вставки постоянного тока, являясь мощными электроэнергетическими объектами, могут создавать опасные возмущения для
систем переменного тока. Это может происходить при аварийных отключениях преобразователей в результате нарушений, возникающих
как на самих подстанциях, так и на линии постоянного тока. Система
регулирования должна проектироваться таким образом, чтобы снижения мощности в этих случаях были наименьшими. Это достигается путем автоматического перераспределения нагрузки между преобразователями и использованием перегрузочной способности неповрежденного
оборудования.
25
В объектах постоянного тока могут возникать и кратковременные
сбросы мощности, вызываемые, например, короткими замыканиями в
системах переменного тока, сбоями в работе системы управления.
В этих ситуациях наибольшее значение имеет скорость восстановления
нагрузки ППТ (ВПТ) после ликвидации нарушения. Общая идеология
системы регулирования при проектировании каждого ее элемента
должна быть ориентирована на обеспечение минимального времени
восстановления нагрузки.
1.3.1.2. Угловые характеристики преобразователей
Кратко рассмотрим угловые характеристики преобразователей, их
влияние на условия работы высоковольтного оборудования и связанные
с ними требования к системе автоматического регулирования.
Угловыми характеристиками преобразователей являются:
• угол включения α;
• угол опережения β;
• угол отключения δ.
Значения угловых характеристик оказывают влияние на условия
работы высоковольтного оборудования ППТ (ВПТ): устройств фильтрации гармоник и компенсации реактивной мощности, преобразовательных мостов, включая схемы демпфирования, преобразовательных
трансформаторов и др. Параметры оборудования задаются некоторыми
номинальными значениями или номинальными диапазонами изменений
характеристик оборудования. Отклонения угловых характеристик от их
расчетных значений вызывает ряд недопустимых последствий: перегрузку оборудования по току, увеличение воздействующих напряжений,
увеличение вероятности нарушения нормального порядка коммутаций
вентилей.
Увеличение углов включения на выпрямителе и углов отключения
на инверторе приводит к снижению выпрямленного напряжения, увеличению потребления преобразователями реактивной мощности, увеличению амплитуд гармоник тока на стороне переменного тока и гармоник
напряжения на стороне постоянного тока, увеличению скачков напряжения в моменты отпирания и запирания вентилей. Отсюда следует, что
для улучшения условий работы оборудования необходимо снижать расчетные значения угловых характеристик. Вместе с тем ряд обстоятельств ограничивают возможность их уменьшения.
Ограничение углов включения на выпрямителе обусловлено двумя
основными факторами:
26
1. Для надежного отпирания вентилей необходимо, чтобы управ-
ляющие импульсы поступали на них в те моменты времени, когда анодные напряжения достигли определенной положительной величины.
В связи с этим в технике постоянного тока введено понятие минимально
допустимого угла включения выпрямителя α
. Как правило, α
min
min
, при-
нимаемся равным 5°.
2. Одна из функций системы регулирования состоит в поддержании
заданного тока преобразователей. Это достигается воздействием на моменты включения вентилей. Для того, чтобы в процессе регулирования
сохранялась возможность как уменьшения, так и увеличения напряжения, в стационарных режимах углы включения выпрямителя должны
превышать минимально допустимую величину α
min
.
Исходя из этих соображений, устанавливается диапазон длительно
допустимых значений углов включения выпрямителя. Нижняя граница
этого диапазона обычно принимается равной 8°…10°, а верхняя – не
превышает 18°. На систему регулирования возлагается задача поддержания углов включения выпрямителя в заданном диапазоне значений.
При авариях и выполнении коммутационных операций с преобразователями допускается кратковременный (как правило, не более 1 с)
выход углов включения за пределы длительно допустимых значений.
При нормальных условиях углы включения также могут выходить
за допустимые пределы в течение времени, исчисляемого минутами.
При этом система регулирования должна восстановить требуемые значения углов.
Границы допустимого диапазона, интервалы времени, в течение которых углы включения могут находиться вне его, точностные характеристики
должны включаться в Исходные данные для разработки СУРЗА.
1.3.1.3. Особенности коммутационных процессов
в инверторном преобразователе и вытекающие из них требования
к величине угла отключения вентилей
Коммутационные процессы в преобразователях протекают под
действием коммутирующих напряжений, создающих токи короткого
замыкания при отпирании вентилей (коммутирующими напряжениями
навивают линейные и фазные напряжения в точке подключения
устройств фильтрации гармоник тока). При достижении током короткого замыкания величины выпрямленного тока процесс коммутации заканчивается.
При синусоидальной форме коммутирующего напряжения уравнение, связывающее угол отключения вентилей инвертора с выпрямленным
током Id и амплитудой коммутирующего напряжения Umk, имеет вид
27
2
x
I
d
U
γ
mk
δ= β+
cos cos .
Наличие достаточного угла отключения является необходимым
условием нормального функционирования инвертора. Если по какойлибо причине к моменту перехода через ноль коммутирующего напряжения ток короткого замыкания не достигнет величины выпрямленного
тока, то возникнет нарушение коммутаций, называемое опрокидыванием инвертора.
Опрокидывание инвертора произойдет и в том случае, если коммутация закончится непосредственно перед переходом коммутирующего
напряжения через ноль. Это связано с тем, что для восстановления запирающих свойств тиристора после его отключения необходимо неко-
торое время δ0, в течение которого под действием отрицательного
напряжения происходит рассасывание объемных зарядов.
Величину δ0 называют углом безопасности, и она является минимально допустимым значением угла отключения вентилей.
Угол безопасности определяется свойствами тиристоров, из которых компонуется вентиль, и задается в исходных данных. Обычно его
величина составляет 5°, хотя после протекания сверхтоков, она может
существенно увеличиться.
Для снижения вероятности опрокидывания инвертора расчетное минимальное значение угла отключения принимается таким, чтобы с некоторым запасом оно превышало максимальную величину угла безопасности.
Обычно номинальный угол отключения принимается равным 15°…18°.
Коммутационная устойчивость инвертора
в переходных процессах. Влияние отношения короткого
замыкания на коммутационную устойчивость
Наличие запаса по углу отключения само по себе не обеспечивает
предотвращение нарушений коммутаций (коммутационную устойчивость инвертора). При неизменном угле опережения увеличение выпрямленного тока на 15…30 % по сравнению с исходной величиной или
снижение амплитуды напряжения на несколько процентов приводят к
нарушению коммутаций. В переходных процессах, например при авариях на стороне постоянного тока, коротких замыканиях в приемной
энергосистеме, ток и напряжение изменяются с большой скоростью и в
весьма широких пределах.
Решение задачи обеспечения коммутационной устойчивости требует особого внимания в ППТ (ВПТ), для которых характерно сильное
электромагнитное взаимодействие с приемной энергосистемой.
28
Степень электромагнитного взаимодействия оценивается с помощью показателя, называемого отношением короткого замыкания (ОКЗ).
В технике постоянного тока под ОКЗ понимают отношение мощности
трехфазного короткого замыкания энергосистемы в точке присоединения фильтров гармоник тока к номинальной мощности ППТ (ВПТ).
При значениях ОКЗ, превышающих 7…10, считается, что преобразовательная подстанция подключена к «сильной» энергосистеме и электромагнитное взаимодействие практически отсутствует. При более низких
ОКЗ считается, что подстанция подключена к «слабой» энергосистеме.
При низких ОКЗ токи преобразователей создают на элементах сети
переменного тока заметные падения напряжения. Поэтому напряжение
на шинах переменного тока преобразовательной подстанции оказывается зависящим от режима работы преобразователя. В идеальном установившемся режиме, когда углы опережения вентилей инвертора строго
одинаковы и выпрямленный ток неизменен, напряжения в точке присоединения устройств фильтрации гармоник тока (коммутирующие
напряжения) имеют синусоидальную форму.
Любое возмущение установившегося режима приводит к тому, что
форма коммутирующего напряжения начинает отличаться от синусоидальной. Изменения формы коммутирующего напряжения имеют место
также и при коммутационных операциях с элементами энергосистемы,
расположенными электрически близко от преобразовательной подстанции, и при коротких замыканиях в приемной системе.
Искажения напряжения оказывают существенное влияние на коммутационные процессы и могут приводить к значительному уменьшению углов отключения. Это связано с тем, что искажения формы
напряжения оказывают влияние на характер изменения тока короткого
замыкания, под действием которого происходит переход тока с одного
вентиля на другой. Кроме того, на величину угла отключения влияют
возникающие в этих случаях изменения моментов перехода через ноль
напряжений, прикладываемых к вентилям после их отключения. На основании изложенного формулируется еще одна из задач, решение которой возлагается на систему регулирования: система регулирования
должна в установившихся режимах поддерживать величину угла отключения равной номинальной величине и обеспечивать коммутационную устойчивость инвертора в переходах процессах.
На практике в некоторых случаях обеспечить коммутационную
устойчивость оказывается невозможным. Например, при близких от инверторной подстанции коротких замыканиях в энергосистеме напряжения могут снижаться вплоть до нулевого значения, поэтому опрокидывание инвертора неизбежно.
29
При нарушениях коммутации по этой и каким-либо другим причинам система регулирования должна обеспечивать наиболее быстрое
восстановление мощности ППТ (ВПТ) после устранения причины, вызвавшей нарушение коммутаций. Как правило, при формулировании
требований к САР указывается время, в течение которого мощность
ППТ (ВПТ) после нарушения достигает 90 % от исходного уровня.
1.3.1.4. Регулирование выпрямленного напряжения
Для снижения потерь и повышения КПД необходимо передавать
энергию при наиболее высоком выпрямленном напряжении.
В наибольшей степени это относится к электропередачам постоянного
тока, поскольку при достаточно большой длине линии потери в ней составляют значительную часть от общих потерь. С другой стороны, повышения напряжения (в некоторых случаях даже небольшие по величине) существенно ухудшают условия работы изоляции линейного и
подстанционного оборудования.
Система регулирования в стационарных режимах должна выделять
в цепи постоянного тока точку с наиболее высоким выпрямленным
напряжением и поддерживать его в заданном диапазоне.
На вставках постоянного тока падение напряжения на сглаживающем реакторе незначительно, поэтому управлять можно либо напряжением выпрямителя, либо напряжением инвертора. На двухконцевых передачах постоянного тока регулируемой величиной является
напряжение на линии постоянного тока у выпрямителя. На многоподстанционных передачах система регулирования должна определять,
в какой точке линии напряжение имеет максимальное значение.
Допустимый диапазон изменений выпрямленного напряжения,
время, в течение которого оно может находиться вне этого диапазона,
указывается в Исходных данных. Обычно допустимый диапазон составляет единицы процентов, а время – несколько минут.
1.3.1.5. Управление токами преобразователей
В объектах постоянного тока управление мощностью осуществляется путем изменения выпрямленного тока при практически неизменном ином напряжении. Поэтому система регулирования должна поддерживать такое значение тока, при котором мощность ППТ (ВПТ)
равна заданной величине.
В ВПТ передаваемая мощность определяется суммарным током
преобразовательных блоков. Как правило, нагрузка между блоками распределяется равномерно. Допускается возможность и неравномерной
загрузки, учитывающей текущее состояние оборудования блоков.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]