Выбор места установки и законов регулирования устройств продольной емкостной компенсации для повышения устойчивости электроэнергетической системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина Иваново, Российская Федерация

Выбор места установки и законов регулирования устройств продольной емкостной компенсации для повышения устойчивости электроэнергетической системы

М.В. Зотова

E-mail: MariZotowa@yandex.ru

Аннотация

продольный электроэнергетический тиристорный компенсация

Известным мероприятием по повышению пропускной способности линий электропередачи сверхвысокого напряжения является применение управляемых устройств продольной компенсации. Кроме того такие управляемые устройства положительно влияют на запас по апериодической статической устойчивости системы, что сейчас стало особенно важным в связи с ростом нагрузки и последними аварийными ситуациями в энергосистеме России. В связи с этим актуальной задачей является разработка математической модели электроэнергетической системы с целью повышения устойчивости электроэнергетических систем на основе выбора места установки и параметров закона регулирования устройств продольной компенсации с тиристорным управлением с учетом автоматических регуляторов возбуждения на синхронных генераторах электростанции.

Ключевые слова -- электроэнергетическая система; устройство продольной емкостной компенсации; распределенная продольная компенсация; пропускная способность линии; автоматическое регулирование возбуждения.

Abstract

Selection of controlled series compensation devices installation sites and law of control to improve the stability of electric power system

M.V. Zotova

Ivanovo State Power Engineering University

Ivanovo, Russian Federation

E-mail: MariZotowa@yandex.ru

A well-known measure to increase the power line capacity of ultra-high voltage transmission lines is the usage of controlled series compensation device. In addition, such controlled elements have a positive effect on the static stability margins of the system. Nowadays this issue has become particularly important due to the latest accidents in the Russian electric power system. In connection with this, the actual task is to develop mathematical model of the electric power system in order to increase the stability of electric power systems based on the choice of the installation site and the parameters of the law of regulation longitudinal compensation devices with thyristor control, taking into account automatic excitation control devices which are installed at the synchronous generators of the power.

Key words -- electric power system; controlled series compensation devices; distributed controlled series compensation; power line capacity; automatic excitation control.

В настоящее время большое внимание уделяется повышению пропускной способности линий электропередачи, что объясняется ростом нагрузки, соответствующим возрастанием перетоков активной мощности по линиям. Одним из путей решения этой задачи для протяженных линий является применение устройств продольной компенсации (УПК), которые не получили большого применения в России, но достаточно широко применяются в мировой практике [1].

Известны два пути выполнения продольной емкостной компенсации - сосредоточенная компенсация и распределенная. Одним из недостатков, присущих сосредоточенной компенсации, является повышение напряжения на выводах УПК, что вынуждает применять шунтирующие реакторы (ШР). Однако если распределить емкостное сопротивление вдоль линии электропередачи можно добиться снижения напряжения на выводах УПК и в некоторых случаях установка реакторов может не потребоваться.

Целью работы является повышение устойчивости электроэнергетических систем на основе выбора места установки и законов регулирования двух и трех управляемых УПК.

Исследуемая электроэнергетическая система (ЭЭС) состоит из электростанции, представленной эквивалентным генератором, связанной линией электропередачи, имеющей одно, два или три УПК с регулируемой емкостью, с мощной приемной системой, представленной шинами неизменного напряжения и частоты (рис. 1).

Рис. 1. Исследуемая электроэнергетическая система

Одной из основных задач работы является повышение устойчивости электроэнергетической системы, поэтому рассматривается регулируемое устройство продольной компенсации, степень компенсации которого возрастает с ростом передаваемой мощности и наоборот. Для этой цели в работе предложена следующая форма функциональной зависимости сопротивления управляемой емкости от тока [2]:

, (1)

где I ? ток через УПК, кА, ? сопротивление УПК; Ом, , где f ? частота переменного тока, Гц; K₁, K₂ ? коэффициенты, характеризующие зависимость.

На рис. 2 представлены зависимости емкостного сопротивления от тока при различных параметрах регулирования.

Рис. 2. Зависимость емкостного сопротивления от тока: 1 - К₂ = 0; 2 - К₂ = 2; 3 - К₂ = 4; 4 - К₂ = 6; 5 - К₂ = 8; 6 - при фиксировании Х_УПК(I)

Одними из наиболее распространенных управляемых устройств продольной компенсации, обеспечивающими возможность регулирования потока мощности в линиях электропередачи, являются тиристорные устройства продольной компенсации (ТУПК), получившие в англоязычной литературе название Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) [3]. Эти устройства работают на основе схемы, предусматривающей регулирование тока в реакторе с помощью встречно - параллельно включенных тиристоров. Упрощенная схема участка линии электропередачи с устройством продольной компенсации с тиристорным управлением изображена на рис. 3.

Рис. 3. Схема замещения участка линии с ТУПК: Р - реактор; Т₁, Т₂ - 1-ый и 2-ой тиристоры соответственно; (U_v - U₃) - напряжение на вентильной фазе; (U₂ - U₃) - фазное напряжение УПК; X₂ - индуктивное сопротивление реактора; X_c - емкостное сопротивление батареи конденсаторов; i_c - фазный ток батареи конденсаторов; i_v1 ,i_v2 - фазный ток 1-го и 2-го тиристора соответственно; i₂- ток через тиристорную группу

Для выбора параметров основного оборудования устройства и получения закона его управления необходимо получить функциональную зависимость между эквивалентным сопротивлением УПК и углом отпирания тиристоров б. Разложение кривых тока и напряжения на вентилях в ряд Фурье дает значение амплитуд гармоник тока и напряжений. С учетом параллельно соединенного конденсатора получено выражение для эквивалентного сопротивления УПК (2):

(2)

Из выражения (2) с помощью метода наименьших квадратов, была получена зависимость :

(3)

где A и B - коэффициенты, зависящие от параметров реактора и конденсатора устройства продольной компенсации.

При подстановке (1) в (3) был получен закон регулирования угла отпирания тиристоров :

(4)

Полученный закон регулирования позволяет проводить исследования с целью формирования требований к параметрам и характеристикам данного устройства для повышения пропускной способности линии электропередачи сверхвысокого напряжения и улучшения устойчивости исследуемой электроэнергетической системы [2].

В работе рассматривались линии электропередачи напряжением 500 кВ с проводами марки 3хАС_500/64 длиной от 300 до 1000 км со степенью компенсации индуктивного сопротивления линии до 60%. Анализ проводился для линий с одной, двумя и тремя установками продольной емкостной компенсации, которые могут быть как управляемыми, так и неуправляемыми.

Результаты расчетов показали, что с увеличением сопротивления УПК и длины линии для достижения наибольшей пропускной способности линии по устойчивости, необходимо располагать УПК дальше от центра линии. Для линий длиной до 500 км предельная передаваемая мощность мало зависит от расстояния между УПК и явный максимум в этом случае отсутствует. Диапазон изменения предельной мощности для линии длиной 300 км составил 1-2%, а для линий длиной 500 км ? 2-5% [1]. Это говорит о том, что для линий длиной до 500 км расстояние между УПК с точки зрения повышения пропускной способности линии не играет существенной роли, и УПК могут быть сооружены как в центре линии, так и в любой другой ее точке. А для линий длиной свыше 500 км при изменении расстояния между УПК такой максимум уже более явно выражен.

Для оценки уровней напряжений были проанализированы графики распределения напряжений вдоль линии длиной 500, 800 и 1000 км со степенью компенсации 30, 40, 60%при установке в линии двух и трех УПК. Результаты расчета показали, что для линии длиной 500 км напряжения во всех точках линии не выходит за рамки допустимого, но уже при больших длинах напряжения превышают допустимое значение, что требует мероприятий по их снижению [3].

Анализ статической устойчивости и расчеты статических характеристик исследуемой ЭЭС (рис. 1) выполнены по разработанной математической модели исследуемой системы с учетом электромагнитных переходных процессов в ее элементах с двумя и тремя устройствами продольной емкостной компенсации [4].

Использование управляемых УПК увеличивает пропускную способность линии и оказывает благоприятное влияние на режимы при изменении передаваемой мощности по линии в широком диапазоне [5]. Применение нерегулируемых УПК создает трудности по обеспечению допустимого режима напряжения при различных перетоках мощности и приводит к проблемам сохранения устойчивости работы ЭЭС. Поэтому особое значение приобретает использование управляемых УПК, степень компенсации которого возрастает с ростом передаваемой мощности.

Произведены расчеты для рассматриваемой ЭЭС с учетом передаваемой мощности по линии от минимального до максимального значения по условиям устойчивости. Расчеты производились с целью определения места установки двух и трех УПК как с точки зрения повышения предельной передаваемой мощности, так и улучшения режима по уровню напряжения. Построены угловые характеристики активной мощности для 1000 км с одним, двумя и тремя УПК и степенью компенсации до 60% от индуктивного сопротивления линии с учетом и без учета автоматического регулирования возбуждения (АРВ).

Результаты расчета показали, что при использовании одного регулируемого УПК, установленного в центре линии, для поддержания уровня напряжений в допустимых пределах требуется установить по три реактора слева и справа от УПК. На рис. 4 представлены угловые характеристики активной мощности для одного УПК без учета АРВ, а на рис. 5 ? с учетом АРВ генераторов.

Рис. 4. Угловые характеристики активной мощности без учета АРВ для одного регулируемого УПК с законом регулирования: 1 - [Ом]; 2 - [Ом]; 3 - [Ом]; 4 - [Ом]

Рис. 5. Угловые характеристики активной мощности с учетом АРВ для одного регулируемого УПК с законом регулирования: 1 - [Ом]; 2 - [Ом]; 3 - [Ом]; 4 - [Ом]

При установке двух УПК (с той же суммарной степенью компенсации) необходимо поддерживать расстояние между ними не менее 300 км и достаточно по одному реактору слева и справа от каждого УПК. При установке трех УПК необходимо поддерживать расстояние между ними не менее 350 км и достаточно по одному реактору слева и справа от УПК, установленного в центре линии.

Угловые характеристики активной мощности для двух регулируемых УПК с расстоянием между ними 300 км без учета АРВ представлены на рис. 6, а с учетом АРВ генераторов ? на рис. 7.

Анализ статических характеристик показал, что использование двух управляемых УПК позволяет увеличить предел передаваемой мощности электропередачи (по сравнению с одним управляемым устройством в центре линии электропередачи). Без учета АРВ генераторов предельная передаваемая мощность по устойчивости возрастает на 20%, а с учетом АРВ она становится равной предельной передаваемой мощности по нагреву. Кроме того, установка двух и трех УПК позволяет использовать меньшее количество реакторов и поддерживать напряжение на выводах УПК и вдоль линии электропередачи сверхвысокого напряжения в допустимых пределах [5].

Рис. 6. Угловые характеристики активной мощности без учета АРВ для двух регулируемых УПК с законом регулирования: 1 - [Ом]; 2 - [Ом]; 3 - [Ом]; 4 - [Ом]

Рис. 7. Угловые характеристики активной мощности
с учетом АРВ для двух регулируемых УПК с законом регулирования: 1 - [Ом]; 2 - [Ом]; 3 - [Ом]; 4 - [Ом]

Построены угловые характеристики активной мощности для трех УПК, установленных на расстоянии 350 км друг от друга. Это расстояние является оптимальным с точки зрения допустимости режима по уровню напряжения. Для поддержания уровня напряжений в допустимых пределах допустимых пределах требуется установить по одному реактору слева и справа от центрального УПК. Угловые характеристики активной мощности для трех УПК с расстоянием между ними 350 км без учета АРВ представлены на рисунке 3.5, а с учетом АРВ генераторов ? на рисунке 3.6.

Рис. 8. Угловые характеристики активной мощности без учета АРВ для трех УПК с законом регулирования: 1 - [Ом]; 2 - [Ом]; 3 - [Ом]

Рис. 8. Угловые характеристики активной мощности с учетом АРВ для трех УПК с законом регулирования: 1 - [Ом]; 2 - [Ом]

По выполненным в работе исследованиям можно сделать следующие выводы:

1. Распределенная продольная компенсация позволяет снизить напряжения на выводах УПК по сравнению с сосредоточенной компенсацией.

2. На линиях напряжением 500 кВ и длиной более 500 км существуют оптимальные расстояния между двумя и тремя УПК, соответствующие наибольшей пропускной способности линии. Для линий длиной 300 км такие расстояния не выявлены и УПК могут располагаться в любой точке линии.

3. Применение нерегулируемых УПК создает трудности по обеспечению допустимого режима напряжения при малых значениях передаваемых мощностей. В связи с этим особое значение приобретает использование управляемых УПК, степень компенсации которого возрастает с ростом передаваемой мощности и уменьшается при снижении передаваемой мощности.

5. Анализ угловых характеристик активной мощности показал, что при установке двух и трех управляемых УПК в линии по сравнению с установкой одного управляемого УПК с той же суммарной степенью компенсации индуктивного сопротивления линии предел передаваемой мощности по устойчивости с учетом АРВ генераторов возрастает до предела передаваемой мощности по нагреву, а без учета АРВ увеличивается на 10% и 15% соответственно.

Список литературы

[1] Рыжов Ю.П., Некукар А.Р. О возможности сооружения на линиях СВН устройств продольной емкостной компенсации без шунтирующих реакторов на выводах конденсаторных батарей. - Электричество, 2012, № 1.

[2] Голов. В. П. Применение регулируемой компенсации линии электропередач / Изв. Вузов, Энергетика.-1978, № 6.-С. 3-8.

[3] Christl, N. Advanced Series Compensation (ASC) with Thyristor-Controlled Impedance." CIGRE Paper 14/37/38-05, 1992.

[4] Del Rosso, A.D., C.A. Canizares, and V.M. Dona,. A study of TCSC controller design for power system stability improvement. IEEE Trans, Power Systs, 2003, pp.1487-1496.

[5] Устойчивость электроэнергетической системы из двух электрических станций с регулируемой продольной компенсацией / В. П. Голов [и др.] // Вестн. ИГЭУ. - 2012. - Вып. 5. - С. 26-31.

References

[1] Ryzhov Yu.P., Nekukar A.R. O vozmozhnosti sooruzhenija na linijah SVN ustrojstv prodol'noj emkostnoj kompensacii bez shuntirujushhih reaktorov na vyvodah kondensatornyh batarej [On the possibility of constructing longitudinal capacitive compensation devices on SHV lines without shunt reactors on the terminals of capacitor banks]. - Jelektrichestvo, 2012, № 1.

[2] Golov V.P. Primenenie reguliruemoj kompensacii linii jelektroperedachi [Use of an adjustable compensation of the power line] / Izv. Vuzov, Jenergetika.-1978, № 6.-P. 3-8.4.

[3] Christl, N. Advanced Series Compensation (ASC) with Thyristor-Controlled Impedance." CIGRE Paper 14/37/38-05, 1992.

[4] Del Rosso, A.D., C.A. Canizares, and V.M. Dona,. A study of TCSC controller design for power system stability

[5] Golov, V.P., Martirosyan, A.A., Moskvin, I.A., Vinogradova, A.A. Ustojchivost' elektrojenergeticheskoj sistemy iz dvukh elektricheskih stancij s reguliruemoj prodol'noj kompensatsiey [Stability of electrical power engineering system consisting of two electrical power stations with controlled series compensation]. Vestnik. IGEU, 2012, issue 5, pp. 26-31].

Размещено на Allbest.ru