Применение фазоповоротных устройств для увеличения пропускной способности электрической сети и оптимизации перетоков активной мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение фазоповоротных устройств для увеличения пропускной способности электрической сети и оптимизации перетоков активной мощности

Х.А. Узденов, Р.Ш. Альжанов

Состояние вопроса: Пропускная способность контролируемых сечений зачастую ограничена высокой загрузкой линий электропередач более низкого напряжения, в то время как линии электропередач более высокого класса напряжения остаются недогруженными. В этом случае наиболее экономичным и эффективным способом увеличения допустимых перетоков активной мощности в контролируемых сечениях является перераспределение перетоков активной мощности параллельных ЛЭП путем разгрузки сети более низкого напряжения и загрузкой сети более высокого напряжения. Это возможно при использовании фазоповоротных устройств. В настоящее время в ЕЭС России фазоповоротные устройства не используются, однако имеют большой потенциал для применения.

Материалы и методы: Для оценки эффективности применения фазоповоротных устройств использовалась математическая модель энергосистемы и фазоповоротного устройства в ПК RastrWin. Расчёты проводились в расчётной модели, сформированной по результатам контрольных измерений на час максимума нагрузок.

Результаты: Моделирование изменения угла сдвига фаз напряжения в начале и в конце ЛЭП с помощью фазоповоротного устройства в ПК RastrWin показало перераспределение потоков активной мощности между параллельно работающими ЛЭП различных уровней напряжения при различных углах сдвига фаз. При этом электрическая сеть более низкого напряжения разгружается за счёт загрузки электрической сети более высокого напряжения. Это в свою очередь создаёт предпосылки для увеличения МДП в контролируемых сечениях, а также положительно отражается на уменьшении потерь электроэнергии при её транспортировке.

Выводы: В связи со сложившейся сложной экономической ситуацией в стране и связанного с ней сокращения электросетевого строительства, развивать электроэнергетику необходимо повышением управляемости электрических сетей путем применения усовершенствованных технических средств. Поэтому применение фазоповоротных устройств наиболее актуально, так как позволяет повысить пропускную способность электрических сетей, надежность и экономичность их работы.

Ключевые слова: фазоповоротное устройство, перераспределение перетоков активной мощности, МДП.

Background: Capacity of controlled sections is often limited to high loading of power lines of more low voltage while power lines of more high-class tension remain underloaded. In this case the most economic and effective way of increase in admissible overflows of active power in controlled sections is redistribution of overflows of active power of the parallel high voltage lines by unloading of a network of more low voltage and loading of a network of more high voltage. It is possible when using the phase-shifting devices. Now in United Power System of Russia phase-shifting devices aren't used, however have high potential for application.

Materials and methods: For determination of efficiency of application the phase-shifting devices the mathematical model of a power supply system and the phase-shifting devices in the RastrWin personal computer was used. Calculations were carried out in the settlement model created by results of control measurements in an hour of a maximum of loading.

Results: Modeling of change of an angle of shift of phases of tension at the beginning and at the end of a power line by means of the phase-shifting devices in the RastrWin personal computer has shown redistribution of streams of active power between in parallel the working power lines of various levels of tension at various angles of shift of phases. At the same time the electric network of more low voltage unloads due to loading of an electric network of more high voltage. It in turn creates prerequisites for increase in the maximum power flow in controlled sections, and also is positively reflected in reduction of losses of electric energy at her transportation.

Conclusions: In connection with the developed difficult economic situation in the country and the related reduction of electronetwork construction, it is necessary to develop power industry increase of controllability of electric networks by application of advanced technical means. Therefore application the phase-shifting devices most actually as allows to increase the capacity of electric networks, reliability and profitability of their work.

Key words: the phase-shifting devices, redistribution of overflows of active power, maximum power flow.

В связи со сложной экономической ситуацией в России сокращается финансирование нового электросетевого строительства и одним из перспективных направлений развития электроэнергетики является повышение управляемости электрических сетей с применением инновационных технических средств. Технический прогресс не стоит на месте, постоянно развивается и будущее, как энергетики России, так и всего мира, однозначно связано с развитием интеллектуальных сетей. Ведущие мировые компании ведут активные разработки в этом направлении и в перспективе, с вводом новых технологий, мы сможем эффективней решать накопившиеся проблемы в отрасли.

Одной из насущных проблем энергосистем является ограничение пропускной способности электрической сети в связи с высокой загрузкой линий электропередачи более низкого напряжения, в то время как линии электропередачи более высокого класса напряжения остаются недогруженными. Так, для большого количества контролируемых сечений АО «СО ЕЭС» максимально допустимые перетоки активной мощности (МДП) и аварийно допустимые перетоки активной мощности (АДП) ограничиваются допустимой токовой нагрузки электросетевого оборудования.

Зачастую, из-за ограничений пропускной способности электрической сети в проблемных энергорайонах в послеаварийных схемах в период максимума нагрузок возникает опасность выхода параметром электроэнергетического режима из области допустимых значений. Это в свою очередь может привести к повреждению оборудования и прекращению электроснабжения на длительное время большого объема нагрузки социально важных потребителей и потребителей, с опасным технологическим производством. Для недопущения этого необходимо либо развивать электрическую сеть, либо вводить в работу новые генерирующие мощности в проблемных энергорайонах. Оба варианта требуют больших капиталовложений и в период сокращения инвестиционных программ энергетических компаний их реализация трудноосуществима.

Применение фазоповоротных устройств (фпу)

Для решения указанной выше проблемы наиболее экономичным и эффективным способом увеличения пропускной способности электрической сети является перераспределение перетоков активной мощности параллельных линий электропередачи (ЛЭП) путем разгрузки сети более низкого напряжения и загрузкой сети более высокого напряжения. Это возможно при использовании ФПУ.

В настоящее время в единой энергетической системе России ФПУ не используются, однако ведутся научные разработки в этом направлении, и имеется большой потенциал для их применения. В мировой практике ФПУ уже давно разработаны и применяются в таких развитых странах, как Соединенные Штаты Америки, Канада, Великобритания, Франция, Бельгия, Нидерланды. На территории стран Содружества Независимых Государств ФПУ реализовано в Казахстане, на ВЛ 500 кВ Житикара - Ульке, которая соединяет Северный Казахстан и Актюбинскую область.

Работа ФПУ основана на компенсации сдвига фазового угла в линии электропередачи и в общем случае состоит из двух отдельных трансформаторов: параллельного и последовательного (рис.1). Первичная обмотка параллельного трансформатора выполняется по схеме «треугольник», за счет чего организуется трехфазная система напряжений, сдвинутых по отношению к фазным напряжениям источника на 90°. Вторичная обмотка может быть выполнена в виде изолированных фаз с блоком отпаек, центр которого заземлен. Фазы вторичной обмотки через выход переключателя блока отпаек соединяются с первичной обмоткой последовательного трансформатора, которая обычно выполняется по схеме «звезда» с заземленной нейтралью. Вторичная обмотка последовательного трансформатора выполняется в виде изолированных фаз, которые включаются последовательно в рассечку соответствующих по фазе проводов линии и добавляют к вектору напряжения источника сдвинутую по фазе на 90° компоненту. Следовательно, общее напряжение на входе линии становится равным сумме вектора напряжения источника питания и вектора квадратурной составляющей, вносимой ФПУ, то есть изменяет свою фазу. В зависимости от положения переключателя блока отпаек можно изменять амплитуду и полярность вектора квадратурной составляющей, вносимой ФПУ, и таким образом регулировать величину угла сдвига между векторами напряжения на входе и выходе линии в функции от режима работы линии.

Схема ФПУ

Мощность P в цепи (рис.2), содержащей ЛЭП и ФПУ, определяется по выражению (1):

(1)

где U1, U2 - напряжения по концам ЛЭП;

ХЛЭП - индуктивное сопротивление ЛЭП;

- угол между векторами напряжений U1 и U2;

ц - угол между векторами напряжений U?1 и U2.

Схема ЛЭП с ФПУ

Перетоки мощности при перераспределении по параллельным ветвям ЛЭП в схеме рис. 3, определяются выражениями (2) и (3):

(2)

(3)

Схема двух ЛЭП с ФПУ

Из анализа векторных диаграмм (рис.4) следует, что для обеспечения принудительного перераспределения мощности по параллельным ветвям ЛЭП с помощью ФПУ необходимо, чтобы вектор U?1 отставал от вектора U2.

Векторная диаграмма напряжений ЛЭП с установленным ФПУ

Физически это объясняется тем, что при росте нагрузки в первой ветви угол между напряжениями U1 и U?1 растет, и при заданном направлении мощности вектор напряжения U1 должен опережать U?1. Таким образом, для того, чтобы обеспечить равенство углов по параллельным ветвям 1 и 2, необходимо с помощью ФПУ повернуть угол между напряжениями U?1 и U2 до такой величины, чтобы было достигнуто искомое равенство углов между напряжениями U1 и U2.

Для практической наглядности эффективности применения ФПУ рассмотрено условное контролируемое сечение «Южное», в состав которого входят 2 ВЛ 500 кВ и 3 ВЛ 220 кВ (рис. 5), пропускная способность ЛЭП указана в таблице 1. Выдача активной мощности осуществляется из избыточной энергосистемы №1 в дефицитную энергосистему №2. Смоделирована схема с установкой ФПУ на обеих ВЛ 500 кВ. Расчёты электроэнергетических режимов проводились в ПК RatrWin3, ФПУ моделировалось посредством включения в соответствующие ветви комплексного коэффициента трансформации: КT/r, КT/i, - вещественная и мнимая составляющие коэффициента трансформации.

фазоповоротное устройство аварийный энергосистема

Схема условного контролируемое сечение «Южное» пропускная способность лэп

В нормальном режиме перетоки активной мощности в контролируемом сечении распределяются по ЛЭП в соответствии с их физическими характеристиками. В таблице 2 наглядно показано, как перераспределяются перетоки активной мощности по ВЛ 500 кВ и ВЛ 220 кВ в различных схемах, как с применением ФПУ (цФПУ=4,1 эл. град.), так и без применения ФПУ. По результатам видно, что кроме разгрузки сети более низкого напряжения, также очевиден эффект уменьшения потерь активной мощности в сети.

Перетоки активной мощности и потери в сети для схемы без ФПУ и с учётом применения ФПУ

Для условного контролируемого сечения «Южное» также были проведены расчёты МДП и АДП в схеме с применением ФПУ и в схеме без применения ФПУ. Критерием определения МДП и АДП в контролируемом сечении «Южное» является допустимая токовая нагрузка ВЛ 220 кВ, входящих в сечение. Результаты расчётов показывают, что применение ФПУ для нормальной и ремонтных схем позволяет заметно увеличить значения МДП и АДП. Это в свою очередь имеет большое значение для Системного оператора при управлении электроэнергетическими режимами работы энергосистем.

Результаты расчёта МДП и АДП в контролируемом сечении «Южное» в схеме без использования ФПУ и в схеме с использованием ФПУ приведены в таблице 2 и таблице 3.

МДП и АДП в контролируемом сечении «Южное» без применения ФПУ

МДП и АДП в контролируемом сечении «Южное» с учётом применения ФПУ

Выводы

Подводя итоги проведённых расчётов необходимо отметить основные преимущества применения ФПУ в энергосистеме:

В различных схемах электрической сети позволяет увеличить значения МДП и АДП в контролируемых сечениях, где критерием определения допустимых перетоков активной мощности является допустимая токовая нагрузка электросетевого оборудования. Это несомненно позволяет улучшить управляемость и увеличить надёжность работы как локальных энергосистем, так Единой электроэнергетической системы России.

Позволяет при наименьших затратах материальных и трудовых ресурсов решать проблему «узких мест», ликвидировать перегрузку электросетевого оборудования. Угол сдвига фазы напряжения можно менять оперативно вручную, а так изменять её с помощью автоматики, что позволяет улучшить противоаварийную управляемость энергосистем.

Позволяет заметно снизить потери активной мощности и оптимизировать работу электрической сети, что является одной главных и приоритетных задач электроэнергетики. Путём плавного изменения угла сдвига фаз напряжения в начале и в конце линии, можно обеспечить переток активной мощности по ЛЭП, равный натуральной мощности.

Позволяет производить плавку гололёда на проводах без отключения ЛЭП путем перераспределения перетоков активной мощности в сети. В отличие от традиционных способов перераспределения перетоков активной мощности, в схеме с применением ФПУ для создания необходимых для плавки гололеда токов не нужно отключать нормально включённое электросетевое оборудование на смежных энергообъектах. Также перераспределение перетоков активной мощности с помощью ФПУ позволит плавно изменять токовую нагрузку ЛЭП и предотвратить налипание гололёда на проводах.

Таким образом, в настоящее время есть все предпосылки для технического перевооружения электрических сетей, что совпадает с курсом повышения энергетической эффективности стратегической для государства отрасли. Модернизация оборудования и инновационное развитие электроэнергетики даст толчок для роста во всех отраслях промышленности и обеспечит укрепление энергобезопасности России.

Список литературы

1. Добрусин Л.А., Тенденции применения фазоповоротных трансформаторов, Силовая Электроника - 2012. - №4 С.60-66.

2. Калюжный А.Х. ,Управление потоками мощности в электрических сетях с помощью фазоповоротных трансформаторов, Электричество - 1986. - №11. - С. 12-18.

3. Ахметов И.М., Разработка релейной защиты фазоповоротного устройства с тиристорным коммутатором для ЛЭП 220 кВ: дисертация на соискание учёной степени кандидата технических наук: 05.14.02, ОАО «Энергетический институт им. Кржижановского» - 2014. - С. 12-14.

4. Стандарт организации «Правила определения максимально допустимых и аварийно допустимых перетоков активной мощности в контролируемых сечениях диспетчерского центра ОАО «СО ЕЭС», СТО 59012820.27.010.001-2013 - ОАО «СО ЕЭС» - 2013.

5. Dobrusin L.A., Tendentsii primeneniya fazopovorotnykh transformatorov [Trends in the use phase-shifting transformers], Silovaya Elektronika-2012. - №4 - pp.60-66

6. Kalyuzhnyy A.Kh., Upravleniye potokami moshchnosti v elektricheskikh setyakh s pomoshch'yu fazopovorotnykh transformatorov [Power flow management in networks with the help of phase-shifting transformers], Elektrichestvo - 1986. - №11. - pp.12-18.

7. Akhmetov I.M., Razrabotka releynoy zashchity fazopovorotnogo ustroystva s tiristornym kommutatorom dlya LEP 220 kV [Development relaying phase rotation device with a thyristor switch for the 220 ??kV transmission line], disertatsiya na soiskaniye uchonoy stepeni kandidata tekhnicheskikh nauk: 05.14.02 , OAO « Energeticheskiy institut im. Krzhizhanovskogo» - 2014. - pp. 12-14 .

8. Standart organizatsii «Pravila opredeleniya maksimal'no dopustimykh i avariyno dopustimykh peretokov aktivnoy moshchnosti v kontroliruyemykh secheniyakh dispetcherskogo tsentra OAO «SO EES» STO 59012820.27.010.001-2013 [The organization standart The rules for determining the maximum permissible and emergency admissible active power flows in controlled sections of the dispatch center], OAO «SO EES» - 2013 .

Размещено на Allbest.ru