Анализ основных элементов активно-адаптивной сети

Элементы ААС являются определяющими в реализации технологии ААС на практике. Элементы ААС можно условно разделить на следующие группы:

1. Устройства регулирования (компенсации) реактивной мощности и напряжения, подключаемые к сетям параллельно, – поперечные компенсаторы.

2. Устройства регулирования параметров сети (сопротивление сети), подключаемые в сети последовательно, – продольные компенсаторы.

3. Устройства, сочетающие функции первых двух групп, – устройства продольно-поперечного включения или комбинированные компенсаторы.

4. Устройства ограничения токов КЗ.

5. Накопители электрической энергии.

6. Преобразователи рода тока.

Первые три группы устройств относят к технологии управляемых систем электропередачи переменного тока – Flexible Alternative Current Transmission System (FACTS). Отдельные типы устройств и технологии FACTS используются также в группах устройств 4, 5 и 6.

FACTS является одной из наиболее перспективных электросетевых технологий, суть которой состоит в том, что электрическая сеть из пассивного устройства транспорта электроэнергии превращается в устройство, активно участвующее в управлении режимами работы электрических сетей.

Благодаря этому удается «в темпе процесса» управлять значением пропускной способности линии электропередачи, перераспределять между параллельными линиями электропередачи потоки активной мощности, оптимизируя их в установившихся режимах и перенаправлять их по сохранившимся после аварий линиям электропередачи, не опасаясь нарушения устойчивости, тем самым обеспечивая повышение надежности электроснабжения потребителей.

Технология использования ААС открывает новые возможности по управлению мощностью и повышению пропускной способности как существующих, так и новых или усовершенствованных линий передач. Это обусловлено возможностями регуляторов гибких линий по управлению взаимосвязанными параметрами, влияющими на работу систем – последовательное и параллельное сопротивления, токи, напряжения, углы сдвига фаз.

4.1.Принцип действия и устройство статических поперечных
компенсаторов

Поперечная компенсация используется для увеличения пропускной способности и управления напряжением линий передачи.

К статическим синхронным компенсаторам относятся статические компенсаторы реактивной мощности (SVC) и статические синхронные компенсаторы (STATCOM).

Статический компенсатор реактивной мощности (СКРМ, Static Var Compensator – SVC ): параллельно включенный статический генератор или поглотитель реактивной мощности, предназначенный для управления определенными параметрами энергосистемы (как правило, напряжением на шине) посредством изменения значений емкостного или индуктивного тока на его выходе.

SVC является обобщающим термином для таких устройств, как:

· TCR (Thyristor-Controlled Reactor – реактор с тиристорным управлением);

· TSR (Thyristor-Switched Reactor – реактор с тиристорным переключением);

· TSC (Thyristor-Switched Capacitor – конденсатор с тиристорным управлением).

Размещение шунтирующего элемента в средней точке линии позволяет регулировать напряжение в этой точке, обеспечивая его равенство с напряжениями на концах линий, что в свою очередь приводит к повышению уровня передаваемой мощности.

Подключение поперечного компенсатора к концу линии параллельно нагрузке позволяет регулировать напряжение на этом конце с целью предотвращения нестабильности напряжения, вызванной колебаниями нагрузки или отключениями линий.

С помощью поперечной компенсации можно повысить пределы динамической устойчивости и улучшить демпфирование колебаний мощности путем управления потокораспределением мощности во время или после действия динамических возмущений.

Реактор с тиристорным управлением (TCR): параллельно включенная индуктивность с тиристорным управлением, эффективное реактивное сопротивление которой плавно изменяется с помощью управления частичной проводимостью тиристорного вентиля.

Простейший однофазный TCR показан на рисунке 1. Ток реактора может быть изменен от максимального значения до нуля методом управления углом регулирования. То есть продолжительность интервала проводимости регулируется задержкой закрытия тиристорного вентиля в зависимости от максимального значения напряжения в каждом полупериоде (рисунок 1). При  амплитуда максимальна, а при  – равна нулю, и во время этого полупериода ток не протекает. Подобный эффект может быть достигнут непосредственным изменением значения индуктивности.

 

Рисунок 1 – Реактор с тиристорным управлением

 

Реактор с тиристорным переключением (TSR) состоит из тех же элементов, но используется только при фиксированных значениях углов  и , т.е. обеспечивает либо полную проводимость, либо ее отсутствие. Реактивный ток  пропорционален прилагаемому напряжению. С помощью нескольких TSR можно обеспечить ступенчатое управление реактивной проводимостью.

TSR: параллельно включенная индуктивность с тиристорным управлением, эффективное реактивное сопротивление которой изменяется ступенчато с помощью полного открытия или полного закрытия тиристорного вентиля.

Максимальное значение передаваемой мощности может быть увеличено в два раза путем включения TSR или TCR в среднюю точку линии и обеспечения равенства напряжений на ее концах, как показано на рисунке 2.

 

 

Рисунок 2 – Линия с SVC в средней точке

 

Передаваемая мощность равна

                                      

Так как передаваемая мощность без SVC равна , то максимальная передаваемая мощность увеличивается в два раза от  до .

Из рисунке 1 можно увидеть, что управление по углу регулирования обуславливает несинусоидальную форму тока в реакторе. Таким образом, в дополнение к желаемому току основной гармоники (fundamental current) появляются также гармонические составляющие. При совпадении полупериодов положительных и отрицательных значений тока формируются только нечетные гармоники с амплитудами

      ,                                  

где

В трехфазных системах, как правило, используется соединение трех однофазных реакторов с тиристорным управлением по схеме треугольника. В симметричном режиме гармонические токи порядков, кратных трем (3-го, 9-го, 15-го и т.д.), циркулируют в пределах TCR и не уходят в систему. Амплитуды остальных гармоник, генерируемых реакторами, могут быть уменьшены различными методами.

Один из методов основан на использовании  параллельно включенных TCR, значения коэффициентов каждого из которых в -раз меньше требуемого общего значения. Управление реакторами происходит последовательно, т.е. управление с задержкой происходит только на одном из -реакторов, в то время как остальные работают в режиме либо полного открытия, либо полного закрытия в зависимости от требуемого общего значения реактивной мощности. Таким образом, происходит уменьшение амплитуды каждой гармоники в -раз в зависимости от максимального значения тока основной гармоники.

Дальнейшее уменьшение гармоник возможно за счет использования соединения по схеме треугольник трех или более TCR с подходящими сдвигами фаз напряжений. На практике используются 18 или более импульсные схемы, являющиеся более дорогими и сложными.

Если гармоники, генерируемые TCR, не могут быть сокращены за счет применения рассмотренных схем в достаточной степени, используются фильтры подавления гармоник. Как правило, такими фильтрами являются LC и LCR цепи, включенные параллельно с TCR и настроенные на подавление доминантных гармоник.

Конденсатор с тиристорным переключением (TSC): параллельно включенный конденсатор, эффективное реактивное сопротивление которого изменяется ступенчато с помощью полного открытия или полного закрытия тиристорного вентиля.

Схема однофазного TSC приведена на рисунке 3. Цепь TSC отключается при нулевом значении тока. В этот момент времени заряд конденсатора достигает своего максимального значения, которое в идеальном случае остается неизменным, а напряжение на закрытом тиристоре изменяется синфазно прилагаемому АС напряжению.

 

 

Рисунок 3 – Конденсатор с тиристорным переключением

 

Однако, как правило, вследствие постепенного разряда конденсатора при закрытии тиристора напряжение на его зажимах не остается постоянным. В целях минимизации динамических возмущений при подключении TSC необходимо осуществлять повторное его включение в момент равенства АС напряжения и напряжения на конденсаторе, т.е. когда напряжение на тиристоре равно нулю. Однако и в этом случае остаются переходные процессы, вызванные ненулевым значением  в момент включения, которые при отсутствии реактора приведут к возникновению мгновенного тока в конденсаторе ( ). Взаимовлияние между конденсатором и токо- (и ) ограничивающим реактором вызывает колебания тока и напряжения.

Из этих рассуждений следует, что метод управления углом регулирования не применим к конденсаторам. Переключение конденсаторов необходимо осуществлять в конкретный момент времени каждого периода при выполнении условий, обеспечивающих минимальные переходные процессы. Поэтому схема TSC способна обеспечивать только ступенчатое изменение реактивного тока (максимальное или нулевое значение). Таким образом, TSC может рассматриваться как единичная емкостная проводимость, которая либо подключена к системе, либо полностью отключена. Ток конденсатора изменяется в зависимости от прикладываемого напряжения. Для формирования более плавного изменения тока можно использовать несколько параллельно включенных TSC.

Статический синхронный компенсатор (ССК, Static Synchronous Compensator – STATCOM ), работающий в режиме поперечного SVC, значения емкостного или индуктивного тока на выходе которого могут изменяться с помощью независимого системного АС напряжения.

STATCOM является управляемым источником реактивной мощности. Он обеспечивает поддержание заданного значения напряжения посредством поглощения или возвращения реактивной мощности в точке включения без использования внешних реакторов или конденсаторных батарей большой мощности. На рисунке 4 приведена стандартная схема преобразователя напряжения.

 

 

Рисунок 4 – Статический синхронный компенсатор

 

DC напряжение от конденсатора  подается на преобразователь, на выходе которого формируются управляемые трехфазные напряжения с системной частотой. Управление перетоком реактивной мощности между преобразователем и АС системой осуществляется путем изменения амплитуды выходного напряжения . При превышении значения выходного напряжения  системного  формируется опережающий ток, т.е. STATCOM работает в емкостном режиме, и происходит генерация реактивной мощности. При уменьшении значения выходного напряжения ниже системного, формируется запаздывающий ток, и STATCOM работает в индуктивном режиме. В этом случае происходит поглощение реактивной мощности. При равенстве напряжений перетока мощности не происходит.

На практике в преобразователе происходят потери энергии. За счет внутренних потерь в преобразователе DC конденсатор расходует накапливаемую энергию. При отставании на малый угол выходных напряжений преобразователя от системных, происходит поглощение небольшого количества активной мощности из АС системы для компенсации внутренних потерь в преобразователе.

Для управления перетоком реактивной мощности путем увеличения или уменьшения напряжения на конденсаторе  можно также использовать механизм регулировки угла запаздывания фаз.

Вместо конденсатора может быть использован накопитель DC энергии. В этом случае с помощью преобразователя можно управлять перетоком как реактивной, так и активной мощности, что может быть использовано для эффективного демпфирования колебаний мощности, поддержания максимального значения требуемой мощности, а также обеспечения надежности передачи при критических нагрузках.

Вывод формулы для передаваемой активной мощности достаточно сложен. Используя переменные, определенные на рисунке 5 и законы Кирхгоффа, могут быть записаны следующие уравнения:

                                              ,                                          

                                                               .                                                            

 

                                          a)                                                                                                     б)

Рисунок 5 – Двухмашинная система с STATCOM

 

Приравнивая правые части (3) и (4), получим формулу для тока

                                          ,                                                  

откуда напряжение  определяется в виде:

         ,             

где  – напряжение на зажимах STATCOM при его отключении, т.е. при . Сдвиг  на  относительно  может быть использован для выражения  в виде

                                                             .                                                            

Выражение (6) может быть переписано следующим образом

                             .                         

Применяя закон синусов к диаграмме, показанной на рисунке 5 б), получим следующие два уравнения:

                                                      ,                                                            

                                              ,                                                   

откуда вытекает формула для :

                                                  .                                                         

Выражение для передаваемой активной мощности соответствует выражению

                         .                                      

Для исключения  применим закон косинусов:

          .                   

Подстановка (13) и (8) в (12) с выполнением некоторых алгебраических операций приводит к окончательной формуле определения передаваемой активной мощности:

           .                     

Зависимость передаваемой мощности от транспортного угла показана на рисунке 6.

 

Рисунок 6 – Зависимость передаваемой мощности STATCOM от транспортного угла

 

Электромашинным аналогом STATCOM является асинхронизированный компенсатор (АСК). АСК содержит на роторе две обмотки и специальную (векторную) систему регулирования возбуждения. АСК можно также отнести к базовым устройствам электромашинных элементов FACTS. АСК обеспечивает возможность регулирования реактивной мощности в пределах ± 100 %. Обладает способностью регулирования не только величины, но и фазы вектора напряжения. Обладает высокой перегрузочной способностью (двух-трехкратная перегрузка в течение 300 сек.). Возможна работа с переменной частотой вращения и маховиком с целью улучшения динамических свойств системы.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: