Режими електричних мереж і систем електропостачання зі статичними тиристорними компенсаторами (методологія аналізу)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

УДК 621. 316. 761. 2

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Режими електричних мереж і систем електропостачання зі статичними тиристорними компенсаторами (методологія аналізу)

Спеціальність: 05. 14. 02 - Електричні станції, мережі і системи

Варецький Юрій Омелянович

Львів 1999

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

електропостачання неконвенційне навантаження

Актуальність проблеми. Стан та розвиток електроенергетики України в сучасних умовах, як і будь-якої іншої великої країни, не можна розглядати, не торкаючись проблем та тенденцій цієї галузі у світовому масштабі. Численні міжнародні та державні енергетичні конференції значну увагу приділяють тим проблемам, котрі виникають в електроенергетиці країн з так званою перехідною економікою. Вони звертають увагу на те, що дедалі настійливішими вимогами успішного функціонування та розвитку електроенергетики, як одного з основних елементів економіки будь-країни, є мінімізація втрат, підвищення надійності і якості електропостачання, ощадність енергоспоживання.

Успадкувавши після розвалу СРСР потужну і енергозатратну важку промисловість, неефективну систему розподілу та обліку електроенергії, Україна опинилася на фоні загальної економічної кризи у дуже важких «стартових» умовах. Не вдаючись у більш глибокий економічний аналіз, цілком очевидним у цих умовах є необхідність застосування в електроенергетиці засобів та заходів, що дозволяють забезпечувати якісне та надійне електропостачання з мінімальними технологічними витратами.

Важливою складовою проблеми забезпечення якості електроенергії в електричних мережах є застосування спеціально призначених для цього пристроїв. Одними з найбільш ефективних пристроїв підвищення якості електроенергії та регулювання режимів, що знайшли застосування в електричних системах, є статичні тиристорні компенсатори (СТК). Завдяки своїм фізичним властивостям вони можуть вирішувати багато проблем, пов'язаних з експлуатацією та функціонуванням електричних мереж, які живлять неконвенційні навантаження (потужні змінні навантаження, часто з нелінійними та несиметричними параметрами).

Досвід практичного застосування та дослідження СТК, нагромаджений багатьма відомими електротехнічними концернами (ABB, GENERAL ELECTRIC, GEUMONT SCHNEIDER, MITSUBISHI, SIEMENS, TOSHIBA, WESTINGHOUSE та інші) показав, що найбільш придатними для застосування у системах електропостачання неконвенційних навантажень є схеми СТК на базі керованих тиристорами шунтових реакторів, так званих тиристорно-реакторних груп (ТРГ), та паралельних фільтрів вищих гармонік, котрі прийнято називати фільтро-компенсуючим колом (ФКК). В Україні також здійснюється цілий спектр наукових досліджень та проектно-конструкторських розробок, повязаних з цим напрямом. Огляд літератури та результатів науково-дослідних робіт показує, що над проблемами цього напряму працюють в ІЕД НАН України, Національному технічному університеті України «КПІ», Приазовському державному технічному університеті, а також НДІ Енергомережпроект, Тяжпромелектропроект, ЗПО «Перетворювач» й інших організаціях.

Як і очікувалося, досвід експлуатації показав, що СТК надають нових властивостей електричним мережам і дозволяють суттєво покращити режими приєднаних навантажень. Поряд з цим виявилися нові проблеми, що потребували вивчення, дослідження та пояснення. Їх можна узагальнити наступними положеннями:

якою повинна бути доцільна силова схема СТК в конкретних застосуваннях?

якою повинна бути оптимальна структура системи регулювання СТК у конкретних застосуваннях?

як достовірно оцінити технічну ефективність СТК у електричних мережах різного призначення на стадії опрацювання конкретної схеми?

в якій мірі змінюється характер перехідних процесів у мережах з СТК, як вони впливають на експлуатаційні характеристики мережі та вибір обладнання СТК?

На розв'язання цих питань спрямовані наукові дослідження дисертаційної роботи.

Огляд періодичної науково-технічної літератури підтверджує широку практичну зацікавленість тематикою досліджень в області окреслених проблем в усьому світі. Так, робоча група ІЕЕЕ Working Group 79. 2 on SVC та робоча група CIGRE Working Group 38-01 ще у 1986 р. опубліковали перелік, що містить понад 400 статей та доповідей, надрукованих у періодичній науково-технічній літературі та повязаних зі згаданими проблемами. Останнім часом в журналах ІЕЕЕ серій PAS, PWRD, IA, електротехнічних журналах СНД та інших відомих спеціалізованих виданнях щороку друкується по 8-15 статей, присвячених різним аспектам досліджуваної проблеми. Все це вказує на актуальність теми досліджень.

Обєктом досліджень даної дисертаційної роботи є електричні мережі, що містять СТК і призначені для живлення потужних навантажень промислового, комунального та сільськогосподарського секторів, які окреслені вище як неконвенційні. У роботі розглядається тільки схема СТК, що складається з ФКК та ТРГ (загальноприйняті міжнародні скорочення FC та TCR, відповідно). Проблеми застосування статичних компенсаторів у магістральних електропередачах виходять за рамки цієї роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи пов'язана з одним із науково-дослідних напрямів кафедри електричних мереж та систем Львівської політехніки, який відображає понад 25-літній досвід розроблення, дослідження та експлуатації засобів нормалізації режимів електричних мереж. Результати, викладені в дисертації, отримані в процесі досліджень за угодами з ВЕО «Львівенерго», Донецьким та Новокузнецьким металургійними заводами, Лебединським ГЗК, а також держбюджетними темами, котрі виконувалися в рамках: міжвузівської цільової програми «Экономия электроэнергии» (Наказ Мінвузу СРСР № 703 від 1. 06. 1982 р.) ; координаційного плану науково-дослідних робіт вузів за проблемою «Потери электроэнергии и их компенсация» на 1981-85 рр., затвердженим наказом Мінвузу СРСР № 443 від 28. 04. 1980 р. ; республіканської програми «Внедрить устройства статических компенсаторов в распределительных электрических сетях, обеспечивающих повышение качества электроэнергии и снижение расхода ее на транспорт» (РН. 01. 13. Ц. 11) ; державної н/т програми «Розвиток перетворювальної техніки як засіб енерго- та ресурсозберігання, підвищення технічного рівня продукції машинобудування» (проект 39 «Зменшення втрат енергії в електричних мережах за допомогою СТК»).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розроблення методології аналізу режимів електричних мереж з СТК, спрямованої на створення системного підходу до проектування СТК для мереж і систем електропостачання неконвенційних навантажень. Досягнення поставленої мети потребувало здійснення досліджень у двох важливих взаємопов'язаних напрямах: створення методології дослідження експлуатаційних режимів мереж з огляду на розроблення оптимальних схем СТК та опрацювання методів аналізу впливу СТК на електричні мережі з різними типами навантажень.

Для досягнення поставленої мети розвязувалися наступні задачі:

розвиток теоретичних основ керування СТК, призначених для компенсації негативного впливу змінних несиметричних і нелінійних навантажень на електричні мережі;

опрацювання методів оцінки міри впливу СТК на режими електричних мереж з динамічними навантаженнями;

експериментальні дослідження процесів у електричних мережах із СТК;

створення та обгрунтування моделей електричних мереж із СТК для дослідження перехідних та стаціонарних режимів;

опрацювання на основі модельних та експериментальних досліджень методів оцінки характеристик стаціонарних і перехідних режимів електричних мереж із СТК;

опрацювання рекомендацій щодо вибору параметрів і режимів СТК для електричних мереж різного призначення.

Наукова новизна одержаних результатів

Розвинуто й узагальнено теоретичні основи керування СТК в мережах електропостачання змінних несиметричних і нелінійних навантажень. На відміну від інших підходів це дає можливість на основі єдиного системного підходу створювати оптимальні структури систем регулювання СТК в електричних мережах з різними типами навантажень залежно від вимог компенсації.

Сформульовано та обгрунтовано методи оцінки міри компенсації негативного впливу динамічних навантажень на електричні мережі за допомогою СТК, які порівняно з відомими методами, що оперують еквівалентними характеристиками, дозволяють враховувати дійсні фізичні характеристики СТК та властивості системи регулювання.

Розвинуто методологію дослідження процесів у мережах з ізольованою нейтраллю, які містять СТК, під час замикань на землю. Вперше запропоновано оцінку перенапруг на обладнанні СТК під час замикань на землю здійснювати на основі методу частотного розділення процесів, що дозволяє враховувати особливості конструкції СТК та характеристики мережі.

Розроблено принципи побудови та структуру математичної моделі для дослідження режимів електричних мереж із СТК та динамічними навантаженнями. На відміну від існуючих моделей це дозволяє створювати ефективні машинні макети як елементи гнучких систем автоматизованого проектування та навчання, котрі адекватно відображають процеси в колах керування та силової схеми.

На основі розроблених моделей та здійснених експериментів встановлено характерні особливості комутаційних режимів мереж із СТК, які визначають критичні фактори вибору параметрів обладнання СТК. На основі порівняння з традиційною методикою показано необхідність та порядок врахування цих факторів під час проектування схем СТК для мереж різного призначення.

Запропоновано методику вибору параметрів демпфуючих кіл для різних схем тиристорно-реакторних груп СТК. Відмінність її від традиційних методик полягає у можливості прийняття оптимальних проектних рішень залежно від особливостей конструкції ТРГ і параметрів мережі.

Виявлено причини й подано пояснення явища субгармонічного резонансу в мережах з ізольованою нейтраллю, показано його особливості у мережах з СТК. Запропоновано методику оцінки умов виникнення та існування субгармонічного резонансу. Вказані способи його ідентифікації та усунення.

Отримані результати є новим внеском у методологію аналізу електричних мереж високої напруги, який повязаний з використанням ефективних засобів компенсації, що в повній мірі вписуються у загальну світову тенденцію розвитку електроенергетичних систем: формування так званих Гнучких Систем Електропередачі Змінного Струму (англ. FACTS).

Практичне значення одержаних результатів

Отримані в дисертаційній роботі теоретичні результати та принципи побудови систем регулювання СТК дозволили створити машинні моделі для дослідження режимів електричних мереж із СТК та різними типами навантажень. На основі цих моделей створено комплекс навчальних машинних макетів, що використовується в учбовому процесі.

Результати дослідження стаціонарних та перехідних процесів у мережах різного призначення, які містять СТК, широко використовуються в практиці проектування інституту «Тяжпромелектропроект» (Москва).

Машинні моделі та методику розрахунку параметрів і режимів СТК використано в процесі опрацювання проекту компенсації реактивної потужності для тягових підстанцій ВАТ «Лебединський ГЗК» і ВАТ «Михайловський ГДК» (Російська Федерація).

Результати дослідження замикань на землю в мережах з СТК, методики вибору оптимальних параметрів демпфуючих кіл та коригування параметрів фільтрів використано в процесі проектування схеми СТК для підстанції 110/35/10 кВ «Тересва» Закарпаттяобленерго.

Технічні рішення, що запропоновані на основі отриманих результатів досліджень та захищені патентами на винаходи, використано в процесі проектування схеми СТК для Донецького металургійного заводу.

Результати дослідження субгармонічного резонансу використано під час створення пристроїв захисту трансформаторів напруги в мережах з ізольованою нейтраллю, технічна новизна яких підтверджена патентами України на винаходи. Ці пристрої впроваджено на діючих підстанціях енергосистем України.

На основі запропонованих у роботі методик вибору обладнання та оцінки ефективності застосування СТК було здійснено техніко-економічне обгрунтування встановлення СТК на тягових підстанціях ряду гірничо-видобувних комбінатів Росії, на основі якого (за участю автора) відбувалися тендерні переговори з концернами SIEMENS та ABB стосовно постачання обладнання СТК.

Особистий внесок. У роботах опублікованих у співавторстві автору належать: [8-12, 22, 27, 29, 47, 49, 51, 52] - постановка задачі досліджень, участь в дослідженнях, аналіз результатів; [13] - машинна модель та методика дослідження; [14, 20, 23, 24, 25, 50, 54, 58, 59] - обгрунтування схеми, розрахунок параметрів СТК та режимів роботи; [15-17, 19, 28] - теоретичне обгрунтування принципів регулювання СТК та вимірювання параметрів режиму; [18] - методика розрахунку потужності демпфуючих кіл; [21, 26] - участь у налагоджувальних роботах та експериментах, аналіз результатів; [30] - опрацювання моделі СТК; [31, 39] - структурна схема регулятора та принципи вимірювання параметрів регулювання; [32] - принцип координації РПН трансформатора та регулятора СТК; [33] - принципова схема СТК; [34, 42, 43] - вибір параметрів системи електропостачання; [35, 38] - принципова схема під'єднання ТРГ; [36, 37] - принцип побудови та структурна схема захисту; [40, 41] - принципи вимірювання складових струму; [44] - принципи вимірювання параметрів режиму; [48, 53] - методика визначення впливу СТК на мережу; [55-57] - математичні моделі системи регулювання, результати досліджень та їх узагальнення.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи оприлюднені на: Всесоюзній нараді «Расчет, учет и анализ потерь электроэнергии в электрических сетях и мероприятия по их снижению», Москва, 1982 р. ; Конференції «Повышение качества электрической энергии в промышленных электрических сетях», Москва, 1982 р. ; Всесоюзній науковій конференції «Моделирование электроэнергетических систем», Баку, 1982 р. ; ІV Респуб-ліканській науково-технічній конференції «Современные проблемы энергетики. Преобразование, стабилизация параметров и транспорт электроэнергии», Київ, 1985 р. ; ІІ i ІІІ симпозіумах «Metody matematyczne w elektroenergetyce», Закопане, 1988, 1993 рр. ; ІІІ Республіканській науково-технічній конференції «Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике», Харків, 1988 г. ; Міжнародному симпозіумі «Systemy elektroenegetyczne - eksploatacja i rozwj», Вроцлав, 1989 р. ; 1 Всесоюзному науково-технічному симпозіумі «Электроснабжение и электрооборудование дуговых электропечей», Тбілісі, 1988 г. ; Всесоюзній науково-технічній конференції «Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах и системах электроснаб-жения промышленных предприятий и транспорта», Дніпропетровськ, 1990 р. ; ІІІ Міжнародній науковій конференції «Эффективность и качество электро-снабжения промышленных предприятий», Маріуполь, 1994 р. ; 9-th Power Systems Conference, Санкт-Петербург, 1994 р. ; Міжнародній науково-технічній конфе-ренції, присвяченій 150-річчю з дня народження І. Пулюя, Львів, 1995 р. ; 1 Між-народній науково-технічній конференції «Математичне моделювання в електро-енергетиці та електротехніці», Львів, 1995 р. ; Міжнародній науковій конференції «Energetyka przyszoci: Tendencje, kierunki, metody», Ченстохова, 1995 р. ; 6 та 7 Міжнародних симпозіумах «Short circuit currents in power systems», Льєж, 1994 р., Варшава 1996 р. ; 14 та 15 Міжнародних конференціях «Electromagnetic phenomena in nonlinear circuits», Познань, 1996 р. ; Льєж, 1998 р. ; 3 та 4 Міжнародних наукових конференціях «Prognozowanie w elektroenergetyce», Ченстохова, 1996 р., 1998 р. ; Міжнародній геофізичній конференції «Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками», Санкт-Петербург, 1996 р. ; 4 Міжнародній конференції «Electric power quality and utilization», Краків, 1997 р. ; 1 Міжнародній конференції «Safe power electronic systems», Варшава, 1998 р. ; 9 Міжнародній конференції «Elektroenergetika'98», Кошіце, 1998 р., а також семінарах та конференціях державного університету «Львівська політехніка».

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи відображені у 78 публікаціях (9- одноосібних), серед яких 33 статті у науково-технічних виданнях, 16 авторських свідоцтв, 29 доповідей та тез у матеріалах конференцій.

Обсяг та структура дисертації. Рукопис складається зі вступу, шести розділів, висновків по роботі, списку літератури з 211 найменувань, додатків, що підтверджують впровадження результатів. Дисертацію викладено на 300 сторінках, у тому числі вона містить 80 ілюстрацій та 16 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан проблеми та обгрунтовано задачі досліджень, дається загальна характеристика дисертації.

У першому розділі здійснено аналіз досвіду застосування СТК у мережах різного призначення. Застосування СТК як розв'язання багатьох проблем експлуатації електричних мереж пов'язане з розповсюдженою дилемою: вкладені інвестиції - отриманий результат. Причому її позірна простота у багатьох випадках наштовхується на цілий спектр тих чи інших техніко-економічних оцінок, що є визначальними в конкретних випадках. З однієї сторони - це система національних норм якості та вимог до режиму, що формують міру необхідності застосування засобів компенсації, а з другої - можливості вибраної схеми СТК та її регулювання, іншими словами фактори, котрі віддзеркалюють ефективність вибраного рішення. Досвід експлуатації електричних мереж показує, що економічно доцільним є застосування СТК в:

системах електропостачання потужних електродугових печей та прокатних станів;

тягових мережах відкритих кар'єрів та електротранспорту;

мережах живлення потужних асинхронних приводів (шахти, аграрні райони тощо) ;

розгалужених мережах загального призначення, що експлуатуються в ожеледних районах.

Звертаючись до перерахованих мереж, можна означити коло проблем, які супроводжують в тій чи іншій мірі їх експлуатацію та вимагають застосування засобів нормалізації:

зміна режимів споживання, що характеризуються швидкостями від декількох десятків на секунду до одиниць на годину;

низький коефіцієнт потужності навантаження;

змінний характер несиметрії;

нелінійність навантаження;

значна частота обмерзання проводів повітряних ЛЕП у зоні експлуатації СТК.

Наслідки цих впливів проявляються у:

зниженні економічності та надійності мереж;

невідповідності параметрів режиму вимогам норм якості;

погіршенні робочих характеристик, а часто і пошкодженні обладнання та апаратури, що живиться від цих мереж.

Здійснено класифікацію мереж за характеристиками експлуатаційних режимів, котрі визначають умови застосування та структуру СТК.

Сформульовано вимоги до схем СТК та систем їх регулювання для мереж різного призначення. Показано, що структура СТК потребує індивідуального опрацювання для конкретних випадків застосування. Це торкається як силової схеми так і системи керування. Тому для досягнення надійної та ефективної експлуатації мережі з СТК необхідним є ретельне вивчення їх взаємовпливу як в стаціонарних, так і в перехідних режимах. Опрацювання методології аналізу таких мереж покладено в основу наукових досліджень дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячений теоретичним основам побудови систем регулювання та обгрунтуванню вибору давачів параметрів регулювання СТК для мереж електропостачання змінних несиметричних навантажень.

Методи і способи опису властивостей енергетичних процесів у колах з несинусоїдними струмами і напругами до цього часу не мають однозначного трактування. Тому, незважаючи на твердження про те, що відомі у теперішній час визначення складових повної потужності вирішують усі проблеми в усіх застосуваннях, треба сподіватися на продовження дебатів у цьому напрямі ще і в майбутньому. У цій ситуації треба погодитися з думкою, що актуальним є окреслення практичних вимог до опису складових потужності, котрі, базуючись на сучасному розумінні теорій потужності, є найбільш відповідними у конкретних застосуваннях. У роботі здійснено аналіз основних теорій потужності, а також показані їх позитивні сторони та недоліки з погляду задач побудови структур систем швидкодіючої компенсації реактивної потужності, доцільного вибору параметрів регулювання.

Показано, що поряд з традиційними уявленнями, які базуються на інтегральному трактуванні складових потужності, енергетичні процеси в трифазних колах зі змінними параметрами часто вигідно описувати на основі теорії миттєвої реактивної потужності, що витікає з поняття миттєвих просторових векторів. Просторові вектори та в кожний момент часу визначають значення фазних напруг uA, uB, uC та струмів iА, iB, iC. У той же час ці вектори можуть бути описані в ортогональних координатах 0, , . Визначаючи для просторових векторів у кожний момент часу активну та реактивну потужності навантаження як їх скалярний та векторний добутки відповідно, одержимо у матрично-векторній формі:

Якщо, наприклад, у рівнянні (1) струми та напруги характеризують несиметричне та нелінійне навантаження, то миттєві потужності будуть містити постійні та змінні складові. Tобто:

Складові характеризують несиметрію, нелінійність та реактивну потужність. Компенсуючи їх, можна добитися відповідної нормалізації режиму.

У роботі здійснено обгрунтування принципів побудови структур систем регулювання статичних компенсаторів з врахуванням їх фізичних властивостей для мереж електропостачання динамічних навантажень. Використовуючи запропонований узагальнений підхід до формулювання принципів регулювання СТК, можна отримати рівняння компенсації у різних координатних базисах. Вибір форми запису визначається вимогами конкретних застосувань. Це пов'язано з такими проблемами як показники спотворення струмів та напруг у системі електропостачання, структура та характеристики давачів параметрів режиму, фізичні властивості силової схеми статичного компенсатора. Зокрема, використовуючи миттєві характеристики потужності навантаження за (2), рівняння компенсації відносно необхідних міжфазних реактивних потужностей компенсатора можемо подати у вигляді:

де - амплітуди синусних та косинусних складових та за (2), відповідно.

Подібно можна отримати співвідношення між параметрами компенсатора та параметрами режиму навантаження у фазних координатах (струми, потужності) чи координатах Фортеск'ю.

У третьому розділі даються методи оцінки впливу СТК на режими електричних мереж.

Компенсація коливань реактивної потужності. Однією з проблем компенсації впливу швидкозмінних навантажень на мережу є забезпечення бажаної швидкодії компенсатора. Особливо актуальним це стає у випадку таких навантажень як дугові сталеплавильні печі (ДСП), що характеризуються екстремальними швидкостями зміни параметрів режиму. В реальних умовах завжди існує певний час запізнення компенсації , котрий зумовлений принципами вимірювання та обробки параметрів регулювання, а також особливостями силової схеми СТК. Аналіз вказує на співрозмірність швидкостей зміни параметрів навантаження та параметрів компенсатора. Тому, зі збільшенням частоти коливань f реактивної потужності навантаження, що характеризується певною амплітудою Qf, при заданому буде зростати величина нескомпенсованих коливань реактивної потужності системи Qsf. У роботі опрацьовано метод оцінки нескомпенсованих коливань реактивної потужності у мережі з СТК, що базується на порівнянні комплексних амплітуд гармонічних складових спектрів коливань реактивних потужностей навантаження та СТК. У цьому випадку відносні залишкові коливання реактивної потужності мережі запропоновано визначати як функцію частоти:

(4)

де - відносна потужність СТК.

На рис. 1 показані залежності відносних залишкових коливань реактивної потужності від їх частоти при різних значеннях . Можна переконатися, що, починаючи з деякої граничної частоти fгр, компенсатор буде підсилювати коливання реактивної потужності, і чим більшим є запізнення компен-сації, тим нижчим є значення граничної частоти. Це, природно, погіршує ефект компенсації в цілому.

Компенсація коливань напруги. Нормування коливань напруги здійснюється за мірою впливу коливань світлового потоку (флікеру) ламп розжарювання на зір людини. Тому ефективність компенсації коливань напруги за допомогою СТК повинна оцінюватися з урахуванням особливостей нормування коливань напруги. Для оцінки ефективності застосування СТК з метою зниження флікеру пропонується метод, який базується на наступних припущеннях:

процес коливань реактивної потужності (напруги) навантаження є стаціонарним і апроксимується певною неперервною частотною характеристикою в межах аналізованого спектру;

відомі частотні характеристики елементів аналізованої системи;

розглядається лінійна однофазна модель системи.

Враховуючи ці припущення, ефективність застосування СТК можемо оцінити за відносними еквівалентними залишковими коливаннями напруги:

(5)

У цьому співвідношенні доза флікеру для некомпенсованої системи визначається у вигляді:

(6)

а для компенсованої:

(7)

де Uf, Uk f - частотні спектри коливань напруги у некомпенсованій та компенсованій системах, відповідно; gf - амплітудно-частотна характеристика чутливості зорового аналізатора.

Так подане значення компенсованого флікеру дозволяє, в принципі, скористатися частотною характеристикою СТК (RU) в процесі оцінки ефективності його застосування в мережах живлення будь-яких навантажень за умови, що ми маємо характерні частотні спектри коливань напруги в мережах живлення цих навантажень (Uf).

На основі цього методу, можемо здійснити оціночний аналіз, використовуючи частотну апроксимацію всіх елементів системи електропостачання. На рис. 2 показаний приклад функціо-нальної схеми системи електро-постачання ДСП для дослідження впливу СТК на флікер напруги в точці спільного під'єднання. Усі блоки функціональної схеми реалізують передатні функції елементів принципової схеми у частотному полі р = j2f. З урахуванням викладених співвідношень передатна функція усієї системи може бути подана в наступній формі:

(8)

де - передатні функції СТК та його регулятора, електричної мережі, паралельно під'єднаного навантаження, відповідно.

Тоді значення компенсованого флікеру напруги можна подати у вигляді:

(9)

де Wg (p) - передатна функція зорового аналізатора.

На рис. 3 наведені результати розрахунку для випадку використан-ня регулятора пропорційного типу з різними значеннями часу запізнення компенсації 1. Оцінюючи резуль-тати, можна стверджувати, що очікувати високої міри компенсації флікеру напруги можливо тільки у випадку дуже малого еквівалентного часу затримки дії компенсації 1. По осі ординат відкладено величину залишкового флікеру Сk, що визначається за формулою (5), а по осі абсцис - відносну потужність СТК. За умови, що 1=0 можна досягнути максимального зниження коливань на 80% при Qk /Sе. к. з. = 1, 0, але вже при 1 = 5 мс і Qk /Sе. к. з. 0, 9 воно не перевищує 65%.

Компенсація змінної несиметрії. Разом із застосуванням СТК у мережах живлення динамічних навантажень, у більшості випадків, поряд з проблемою стабілізації напруги (відхилень та коливань) доводиться рахуватися з необхідністю симетрування режиму. У випадку змінних навантажень методи оцінки ефективності симетрування напруги за допомогою СТК повинні враховувати запізнення компенсації, оскільки чим швидшими є зміни навантаження, тим нижчою стає ефективність компенсації несиметрії.

Для оцінки залишкової несиметрії у системі електропостачання з СТК опрацьовано частотний метод, що використовує відоме еквівалентування змінного несиметричного навантаження сумою змінного трифазного симетричного та змінного однофазного навантажень. У цьому випадку задача симетрування змінного трифазного навантаження може бути розглянута на основі параметричних схем Штейнмеца, що формуються умовно неперервно з заданим запізненням відносно змін однофазного навантаження. У процесі аналізу здійснена оцінка залишкової несиметрії струму в еквівалентній схемі при запізненні дії СТК в межах 5... 15 мс. Врахування більшого часу запізнення не викликає практичного зацікавлення, оскільки, як показано вище, еквівалентне запізнення компенсації більше від 15 мс не може бути прийнятим для СТК, які проектуються за умовою зниження флікеру від електродугових печей. Показано, що максимальне відносне значення коефіцієнта зворотної послідовності струму в компенсованій системі електропостачання можна оцінювати наступною частотною функцією:

(10)

де =2f - колова частота модулюючих коливань струму еквівалентного однофазного навантаження; - час запізнення компенсації; m - глибина модуляції коливань.

На рис. 4 наведені залежності максимальних значень k2І max як функцій частоти коливань навантаження, що відбуваються з заданим значенням глибини модуляції m, у випадку запізнення компенсації = 5, 10, 15 мс. Ці залежності є характеристикою відносної залишкової несиметрії струмів, що має місце у системі електропостачання з СТК.

Регулювання напруги в мережі. Розглянуто особливості керування режимом СТК для забезпечення умов регулювання напруги в електричній мережі. Даються способи визначення параметрів регулювання в залежності від вимог регулювання напруги на шинах підстанції та характеристик електричної мережі. В умовах підстанції з регульованими трансформаторами плавне регулювання напруги на вторинних шинах доцільно організувати, використовуючи РПН цих трансформаторів. Запропоновано спосіб здійснення раціональної координації між величиною ступеня перемикання РПН, бажаним статизмом регулювання та потужністю СТК. Потужність СТК, що встановлюється на підстанції, вибирається з урахуванням ряду факторів і є в задачі регулювання напруги величиною визначеною. Враховуючи це, показана методика вибору бажаного ступеня перемикання РПН для забезпечення заданого статизму регулювання СТК.

Спосіб регулювання СТК у мережі з метою забезпечення заданого закону регулювання впливає і на енергетичні характеристики мережі. Здійснено аналіз змін статизму регулювання на зміни втрат енергії в мережі. Це дає можливість під час вибору коефіцієнта статизму регулювання СТК з метою підтримування певного закону зміни напруги на шинах підстанції, крім врахування вимог мережі, яка живиться від шин вторинної напруги підстанції, врахувати вплив характеристики регулювання на енергетичні показники мережі високої напруги.

Четвертий розділ присвячений моделюванню стаціонарних режимів систем електропостачання неконвенційних навантаженнь з СТК. Тут наведені також результати здійснених машинних екпериментів і запропонована методика оцінки ефективності застосування СТК у цих мережах із врахуванням дійсних фізичних характеристик елементів системи регулювання. У проектуванні дискусійною є проблема: наскільки обгрунтованими є оцінки ефективності застосування СТК у реальних мережах на основі функційних схем, котрі використовують спрощені однофазні моделі елементів? Важливим також є питання про характеристики регуляторів різної структури у конкретних схемах СТК. Розроблені принципи побудови машинних моделей СТК та мереж із неконвенційними навантаженнями дозволяють досліджувати ефективність різних схем СТК та структур їх регуляторів у мережах різного призначення. На рис. 5 наведена структурна схема моделі системи електропостачання швидкозмінного несиметричного навантаження, яка використана в дослідженнях. В аналізованій системі електропостачання досліджено вплив СТК на коливання напруги у випадку використання в його схемі регуляторів розімкненого типу, побудованих на основі різних алгоритмів з давачами параметрів режиму, які формують вихідні сигнали на наступних принципах вимірювання:

миттєвого значення активної складової струму (давач RC)

, (11)

інтегрального значення струму (давач IC)

(12)

активної потужності (давач AP)

(13)

Для наочності у виразах (11) - (13) прийняте допущення синусоїдності напруги на шинах. Складові сигналів IRC, IIC, IAP з індексом 1 означають корисний сигнал, а з індексом d - сигнал спотворення. На цих принципах вимірювання опрацьовані машинні моделі давачів, які враховують також несинусоїдність напруги.

Зміни струмів (потужностей) ДСП відбуваються, в першу чергу, за рахунок зміни активних опорів дуг та, в меншій мірі, параметрів контура живлення. В машинній моделі системи електропостачання зміни режиму навантаження імітуються через відповідні зміни фазних активних опорів у послідовних активно-індуктивних колах:

, (14)

де ri - амплітуди окремих гармонік зміни еквівалентних активних опорів, що викликають відповідні зміни реактивної потужності на характерних частотах коливань в межах 1... 25 Гц.

Опрацьована машинна модель для дослідження режимів роботи СТК у мережах електропостачання швидкозмінних нелінійних навантажень дозволяє врахувати як характеристики навантаження так і особливості системи регулювання. Результати розрахунку, отримані у вигляді миттєвих значень координат режиму, далі подаються у вигляді частотних характеристик СТК, тобто частотних залежностей міри зниження коливань напруги у системі електропостачання за допомогою СТК даного типу. Частотна характеристика СТК «вбирає у себе» всі особливості силової схеми та системи регулювання даного типу СТК і є найбільш ілюстративним відображенням його ефективності, що особливо привабливо з огляду на проектну оцінку. На рис. 6 зображені частотні характеристики досліджуваної схеми СТК з різними типами давачів, а також, для порівняння, наведені характеристики узагальненого статичного компенсатора з еквівалентними часами запізнення компенсації 5 та 10 мс, що отримані на основі структурної однолінійної заступної схеми, розглянутої в 3 розділі. Останні є безвідносними щодо типу системи регулювання і дають можливість оцінити співвідношення між спрощеними та адекватними частотними характеристиками СТК. Аналізуючи результати досліджень, можна зробити висновок, що використання давачів інтегрального типу забезпечує вищу ефективність СТК. Зі збільшенням вмісту гармонік у струмі навантаження можна спостерігати більш суттєву перевагу давачів потужності інтегрального типу. Подана у такому вигляді міра впливу СТК на коливання напруги в системі електропостачання використана в запропонованій методиці оцінки залишкового флікеру.

Опрацьовані принципи моделювання систем регулювання СТК дозволяють отримати адекватні характеристики ефективності застосування СТК. Показано, що часові характеристики швидкодії не можуть бути відображенням ефективності застосування СТК.

На основі здійснених досліджень запропоновані та запатентовані схеми систем регулювання СТК та давачів параметрів режиму, що дозволяють реалізувати швидкодіючу компенсацію коливань напруги.

П'ятий розділ присвячений дослідженню процесів, що супроводжують замикання на землю в електричних мережах з СТК. Схеми СТК, котрі використовуються в мережах електропостачання неконвенційних навантажень, як правило, комплектуються обладнанням, що під'єднується безпосередньо до шин 6-35 кВ підстанцій. Часто до цих шин через кабельні чи повітряні лінії під'єднується і навантаження. Як відомо, мережі 6-35 кВ працюють з ізольованими або резонансно-заземленими нейтралями. Замикання на землю у таких мережах може бути причиною виникнення небезпечних перенапруг на обладнанні СТК. Особливо небезпечними є перенапруги, які виникають як наслідок нестійких (повторних) замикань на землю. Часто вони супроводжуються повторно-нестійкими дугами у місці пошкодження.

Для дослідження на машинній моделі впливу зовнішніх відносно до СТК перенапруг на роботу його обладнання прийнята гіпотеза М. Белякова, яка в певній мірі відображає особливості реального процесу під час повторно-нестійких замикань на землю. На величину перенапруг у процесі замикання на землю впливає ряд факторів: активні опори елементів мережі, величина міжфазних ємностей, наявність трансформаторів напруги. Aдекватне їх врахування дозволило отримати реальні величини амлітуд та згасання перенапруг. Рівні перенапруг під час замикань на землю визначаються високочастотними вільними складовими процесу. Показано, що у випадку однофазного замикання на землю ефект витіснення у струмопроводах може бути врахований за частотою вільних коливань, яку наближено можна оцінити за виразом:

(15)

де Ік. з. - струм трифазного короткого замикання на шинах підстанції, Із - струм однофазного замикання на землю у приєднаній мережі.

Значна увага при моделюванні процесів, пов'язаних з замиканнями на землю, приділена адекватності відтворення характеристик трансформаторів напруги. Для відтворення в машинній моделі адекватної характеристики намагнічування прийнято алгоритм, що використовує експериментальні характеристики неробочого ходу трансформаторів, задані у вигляді U=g (I). Оскільки в моделі розрахунок здійснюється у миттєвих координатах, то дається необхідний у цьому випадку алгоритм перерахунку характеристики U=g (I) до характеристики =f (i).

Для оцінки рівня перенапруг на тиристорах ТБ запропонована спрощена модель, яка експериментально обгрунтована на повній адекватній моделі. Оскільки перехідна напруга на вимкненому тиристорі в перехідному режимі є сумою вимушеної напруги основної частоти та вільної складової високої частоти, яка виникає в результаті замикання на землю, то доцільно розглянути процес їх формування як суму двох відповідних процесів. Це відображає ідею запропонованого методу оцінки перенапруг у цьому випадку. Отримана таким чином спрощена модель дозволяє здійснювати оцінку високочастотної складової перехідної напруги на вимкненому плечі ТБ під час однофазного замикання на землю у мережі. Розраховуючи при = 1 у вказаній схемі амплітудно-частотну характеристику, можемо отримати залежність кратності високочастотної складової напруги на тиристорах відносно цієї ж складової на шинах від частоти вільних коливань у вигляді:

, (16)

де - високочастотні складові перехідних напруг на шинах підстанції та плечі ТБ, відповідно, для частоти f.

На рис. 7 показані осцилограми перенапруг у досліджуваній схемі, отримані на повній моделі, а на рис. 8 залежності коефіцієнта KТ від частоти вільних коливань при різних довжинах (lK) кабеля АСБ-10-2 (3240), який з'єднує шунтовий реактор та тиристорний блок досліджуваної схеми СТК, отримані на спрощеній моделі. Ці залежності показують, що з ростом частоти власних коливань у схемах без демпфуючих кіл зростає кратність перехідної перенапруги на тиристорах відносно цієї ж складової на шинах. Причому чим більша довжина кабеля тим кратність вища. Встановлення демпфуючих ланок на виводах ТБ дозволяє обмежувати перехідні перенапруги на тиристорах. В загальному ж, потрібно зазначити, що при опрацюванні схем ТРГ для конкретних підстанцій потрібно намагатися розташовувати шунтові реактори і тиристорні блоки на недалекій відстані один від одного, уникаючи таким чином збільшення вхідних ємностей ТБ. У протилежному випадку необхідно збільшувати потужність демпфуючих ланок.

Відомо, що оптимальні параметри демпфуючої ланки повинні відповідати мінімальним втратам в активному опорі за умови забезпечення бажаної допустимої амплітуди викиду комутаційної напруги після вимкнення тиристора та максимально допустимої швидкості наростання цієї напруги. В роботі запропонована методика вибору оптимальних параметрів демпфуючих ланок в залежності від умов експлуатації СТК. Ємність демпфуючої ланки бажано вибирати мінімальною для заданого демпфування, оскільки власне вона визначає величину втрат. З іншого боку, співвідношення між величинами ємності демпфуючої ланки CD та вхідної ємності ТБ Cвх визначає величину ударного коефіцієнта. Тому вхідна ємність ТБ Cвх визначає мінімально необхідне значення ємності демпфуючої ланки.

Показано, що активний опір демпфуючої ланки, який необхідний для забезпечення заданого коефіцієнта демпфування kD, можемо вибрати за співвідношенням:

, (17)

де RD, CD - параметри демпфуючої ланки для заданої схеми ТРГ;

m1 - коефіцієнт, що залежить від схеми з'єднань ТРГ та демпфуючої ланки;

LR - індуктивність фази ТРГ;

, с - параметри еквівалентного коливального контура, створеного ТРГ та демпфуючою ланкою.

У випадку відносно високих власних частот перехідного процесу, що виникає під час повторно-нестійких замикань на землю в мережі, демпфуючі ланки суттєво обмежують наведені на тиристорах зовнішні перенапруги. Якщо потрібно добитися більшого демпфування при відносно низьких власних частотах перехідного процесу, то необхідно збільшувати демпфуючу ємність. Ця залежність може прослідкуватися за рис. 8. Таким чином, встановлення демпфуючих ланок у схемі ТРГ повинно враховувати вимоги демпфування як комутаційних перенапруг, так і перенапруг, що виникають під час зовнішніх замикань на землю чи інших пошкоджень у мережі.

Повторно-нестійкі замикання на землю в приєднаній мережі є також причиною значних перенапруг на фільтрових реакторах ФКК. Оскільки нейтральна точка фільтра незаземлена, то до поздовжньої ізоляції фільтрового реактора буде прикладатися тільки високочастотна складова перехідної напруги, що певним чином ділиться між елементами фільтра. На основі запропонованого методу розділення процесів для оцінки перехідної напруги на фільтровому реакторі у фазі з замиканням на землю отримано співвідношення:

(18)

і, відповідно, для «здорових» фаз:

. (19)

У цих виразах: f - частота власних коливань перехідного процесу у мережі при однофазному замиканні на землю; fF - частота настроювання фільтра.

Аналізуючи ці вирази, можна рекомендувати формулу (18) для оцінки перенапруг на фільтрових реакторах у випадку замикань на землю у приєднаній мережі.

Амплітуда перенапруги на фільтрових реакторах залежить від двох факторів: частоти настроювання фільтра та частоти власних коливань під час однофазного замикання на землю, яка, в свою чергу, визначається величиною усталеного значення струму однофазного замикання на землю. На рис. 9 показані залежності відносних максимальних значень амплітуд перенапруг на фільтрових реакторах від відносної частоти настроювання фільтрів. З наведених залежностей видно, що більш небезпечними для фільтрових реакторів є замикання на землю в мережах з відносно великими струмами замикання на землю. Причому в таких мережах незначним є вплив трансформаторів напруги на зменшення амплітуди високочастотної складової перехідної напруги на шинах підстанції.

Як встановлено дослідженнями, рівень спрацювання вентильних розрядників на шинах 10... 35 кВ підстанцій практично не впливає на рівень перенапруг на тиристорах ТРГ. Оскільки потужність розсіювання нелінійних обмежувачів (варисторів), котрі встановлюються паралельно до кожного тиристора плеча ТБ є незначною, зовнішні перенапруги значної кратності, як показує досвід, можуть спричиняти пошкодження варисторів, а потім і тиристорів. У роботі пропонується методика вибору додаткових метал-оксидних розрядників, що враховує конструктивні особливості ТРГ та демпфуючих ланок. Тільки у такому випадку можна чекати надійної, тривалої експлуатації ТБ, не вкладаючи додаткових засобів у запаси по тиристорах.

Одним з найбільш поширених та неприємних наслідків під час замикань на землю є пошкодження трансформаторів напруги. У деяких мережах ця проблема є особливо гострою, про що свідчить статистичний аналіз. Вихід з ладу трансформатора напруги (трьох фаз чи однієї), який використовується як давач напруги для регулятора СТК, є причиною неправильної роботи або вимкнення системи компенсації в цілому.

На основі аналізу пошкоджень трансформаторів напруги, які мали місце в діючій електричній мережі, та відповідних модельних досліджень показано, що причиною цих пошкоджень є субгармонічний резонанс, який збуджується тимчасовими замиканнями на землю у мережі з ізольованою нейтраллю за певних співвідношень її параметрів. На рис. 10 показані машинні осцилограми, що ілюструють виникнення субгармонічних коливань. Напруга в нейтралі силового трансформатора має частоту приблизно рівну половині промислової (0, 5f0). Ця напруга додається з напругами фаз А, В, С, що обумовлює різний характер їх спотворень. Як показали дослідження, усталений режим субгармонічних коливань супроводжується повільно змінною напругою нульової послідовності, частота якої залежить від параметрів схеми і знаходиться у межах 1, 6... 5 Гц. Ця складова є причиною періодичної зміни форми напруги як у нейтралі, так і у фазах, проте має відносно малу величину. Середнє за період повторення діюче значення первинного струму трансформатора напруги ЗНОМ-35 під час субгармонічного резонансу в досліджуваній схемі складає 0, 3 А, що більш ніж на порядок перевищує допустиме значення його струму навантаження.

Факт існування субгармонічного резонансу черговий персонал підстанції може спостерігати за приладами, що контролюють фазну напругу, оскільки діючі значення всіх трьох фазних напруг зростають практично до величини лінійної напруги і стрілки приладів коливаються з частотою напруги нульової послідовності нижчої частоти. Показано, що макси-мальне значення струму однофазного замикання на землю, при якому можливе підтримання субгармонічного резонансу в мережі за умови заданої напруги, визначається індуктивним опором насичення первинної обмотки ТН, значенням коефіцієнтів k0 (характеристика магнітної системи ТН) та km (відносне максимальне потокозчеплення) :

 (20)

Для прикладу, в мережі 35 кВ з трансформатором ЗНОМ-35 (k0=1, 3) за умови номінальної напруги усереднене для трьох фаз значення максимального потокозчеплення буде оцінюватися величиною km=2, 5. Тоді максимальне значення струму замикання на землю, для якого у мережі буде підтримуватися субгармонічний резонанс, складає 2, 0А.

У шостому розділі розглянуто комутаційні режими, що мають місце у мережах з СТК і супроводжують нормальну експлуатацію таких мереж. Як показує досвід та здійснені дослідження, для забезпечення надійної та тривалої експлуатації обладнання СТК і мережі необхідно знати їх властивості та взаємодію у перехідних режимах, а також прийняти відповідні технічні рішення для обмеження дії супроводжуючих перенапруг та надструмів.

В мережах з СТК визначальний вплив на системи захисту мережі та СТК, їх конструкцію та системи регулювання мають наступні комутації:

ввімкнення та вимкнення потужних трансформаторів;

ввімкнення та вимкнення фільтрів вищих гармонік СТК;

ввімкнення та вимкнення потужних навантажень, зокрема асинхронних двигунів.

Під час ввімкнення трансформатора виникають перехідні струми, котрі прийнято називати кидками струмів намагнічування (КСН). Вони мають значні величини, які часто досягають 6... 8 кратних значень відносно номінального струму трансформатора, і тривають декілька секунд. Ввімкнення пічних трансформаторів може бути причиною підвищеної пошкоджуваності трансформаторів мережі через надмірні динамічні навантаження на кріплення їх обмоток. Парні гармоніки у струмах ввімкнення можуть призводити до перенапруг у системах електропостачання ДСП з СТК, якщо на якійсь з наявних частот виникає різко виражений паралельний резонанс у випадку слабкої міри демпфування.

Найбільш характерними мережами з огляду на застосування СТК, у яких струми ввімкнення мають значні величини і спричиняють значні динамічні та електромагнітні збурення, є системи електропостачання потужних та надпотужних ДСП. Частота комутацій пічних трансформаторів визначається технологічним режимом виплавлення металу і може досягати 30... 40 раз на добу. Дослідження виконано на машинній моделі реальної системи електропостачання, показаної на рис. 11. Крім того, у цій системі електропостачання були здійснені експерименти, що дали змогу зафіксувати біля 50 процесів увімкнень пічного трансформатора. В результаті отримано характеристики процесів, що супроводжують ввімкнення.

Струми ввімкнення трансформаторів містять широкий спектр гармонік. Особливістю цього спектру є його зміна протягом часу згасання струму ввімкнення. На рис. 12 наведена машинна осцилограма струму ввімкнення трансформатора і відповідні часові залежності амплітуд 1, 2, 3 гармонік цього струму, одержані в результаті аналізу Фур'є в послідовних періодах (так званого квазі-аналізу Фур'є). Звідси видно, що величини амплітуд окремих гармонік мають різний характер зміни з плином часу. Протягом часу згасання струму ввімкнення вони можуть в певні періоди спадати, а в інші - зростати. Тривалість таких періодів визначається загальним часом згасання струму ввімкнення. Потужність компенсації у цих мережах є такою, що резонансні частоти знаходяться в межах 2... 8 гармонік, величини яких є суттєвими у струмі ввімкнення. У випадку виникнення тимчасового резонансу на певних частотах під час ввімкнення трансформатора відбувається перевантаження окремих фільтрів, а також можуть виникати перенапруги на шинах. Нехтуючи незначною різницею у формі струму, можна стверджувати, що амплітуда струму однозначно визначається амплітудою індукції, причому не має різниці, яким чином вона досягнута. Користуючись таким підходом, можемо вважати амплітуду струму ввімкнення у кожний період робочої частоти протягом перехідного процесу незалежною від передісторії. У роботі проаналізовано залежності гармонік струму ввімкнення пічного трансформатора у досліджуваній системі електропостачання як функції амплітуди струму ввімкнення, за якими можна прослідкувати як змінюються амплітуди окремих гармонік струму зі зміною амплітуди струму ввімкнення. З цих залежностей ясно видно, що в деяких режимах увімкнення максимальні амплітуди струмів окремих вищих гармонік можуть мати місце тільки через деякий час після початку ввімкнення, який визначається процесом згасання струму ввімкнення. На рис. 13 наведені осцилограми ввімкнення пічного трансформатора у системі електропостачання зі схемою ФКК, наведеною на рис. 11. Ілюстративність цих осцилограм полягає у тому, що на них виразно видно характер зміни струму та напруги другої гармоніки у колі фільтра цієї гармоніки. Як показали дослідження, ввімкнення пічного трансформатора у цій же системі електропостачання у випадку під'єднання до шин підстанції тільки КБ потужністю 30 МВА, що передбачалася для компенсації реактивної потужності як альтернативний варіант, призводить до перехідного паралельного резонансу на 6 гармоніці.

Дослідження системи електропостачання ДСП, обладнаної повітряними вимикачами виявило суттєві рівні перенапруг як на шинах підстанції, так і на стороні пічного трансформатора, котрий вимикається. Вимкнення пічного трансформатора супроводжується такими процесами як однофазні «зрізи» струмів у камерах вимикача, вимушені (віртуальні) одночасні обриви струмів у трьох фазах. Крім того, особливістю таких вимкнень є багатократні повторні пробиття міжконтактних проміжків вимикача, що породжує так зване явище «ескалації перенапруг». В результаті модельних експериментів було встановлено:

...