ВЛИЯНИЕ ФАЗОСДВИГАЮЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА НА ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В РЕЖИМЕ ПЕРЕДАЧИ МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОЙ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

INFLUENCE OF THE PHASE-SHIFTING TRANSFORMER ON CHANGE OF VOLTAGE IN THE MODE OF TRANSFER OF THE MAXIMUM ALLOWED ACTIVE POWER

Ramis Bulatov

master’s degree, National Research Institute «MPEI»,

Russia, Moscow

Maxim Burmeyster

master’s degree, National Research Institute «MPEI»,

Russia, Moscow

Alexey Kochergin

master’s degree, National Research Institute «MPEI»,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В данной статье описан фазосдвигающий трансформатор. Это устройство, позволяющее осуществлять преднамеренное поперечное регулирование напряжения. Рассмотрена практическая задача регулирования напряжения в режиме передачи максимально допустимой активной мощности с помощью фазосдвигающего комплекса.

ABSTRACT

In this article the phase-shifting transformer is described. This device allowing to carry out deliberate cross regulation of voltage. The practical problem of regulation of voltage in the mode of transfer maximum allowed active power by means of a phase-shifting complex is considered.

Ключевые слова: управляемые системы электропередачи, фазосдвигающий трансформатор, управление перетоками мощности, угол регулирования.

Keywords: the operated systems of an electricity transmission, phase shifting transformer, power flow control, control angle.

Современное состояние энергетики в промышленно-развитых странах характеризуется следующими тенденциями: продолжающимся ростом концентрированных нагрузок; повышенными экологическими требованиями к объектам электроэнергетики, что накладывает запрет на строительство новых линий электропередач на определенной территории; объединением электрических сетей различных компаний в единые энергосистемы; внедрением рыночных отношений в электроэнергетике; крупными авариями, возникающими, как правило, в следствии слабости отдельных межсистемных связей.

Очень важно отметить, что практически все электрические схемы развитых стран имеют сложно замкнутый характер, что означает множество источников генерации и узлов нагрузки, связанных между собой линиями электропередачи различных классов напряжения. С каждым годом данная проблема лишь набирает обороты. Изначально простые радиальные схемы, с увеличением числа потребителей, ветвятся, усложняются и расширяются, а для соблюдения необходимого уровня надежности, они замыкаются, преобразуются в кольцевые. При этом зачастую в одном контуре оказываются линии различных классов напряжения, что значительно сказывается на загрузке этих линий.

Наиболее неблагоприятный случай –передача мощности на значительные расстояния по линиям различных классов напряжения. Из-за несоответствия индуктивных сопротивлений ветвей их активным сопротивлениям возникают проблемы с пропускной способностью сечения, состоящих из таких линий. Потокораспределение мощностей в сети получается невыгодным: в то время как одна из ветвей (меньшего номинального напряжения) загружена полностью, вторая (большего номинального напряжения) не загружена. В соответствии с [1] за период 2019-2024 года планируется ввести в эксплуатацию 9053 километров линий электропередачи напряжением 220-750 киловольт, что также повлечет за собой усложнение сети, увеличение замкнутости.

Одной из наиболее перспективных электросетевых технологии является применение управляемых систем электропередачи FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems). Суть технологии состоит в том, что электрическая сеть из пассивного устройство транспорта электроэнергии превращается в устройство, активно участвующее в управлении режимами работы электрических сетей. Применение устройств FACTS позволит в ряде случаев отказаться от сооружение новых линий электропередач за счёт большей загрузки уже существующих [2].

Одним из известных и применяемых элементов, относящихся к технологии управляемых систем переменного тока, то есть к FACTS-оборудованию (Flexible Alternating Current Transmission Systems), является фазосдвигающий трансформатор. Это устройство, позволяет осуществлять преднамеренное поперечное регулирование напряжения, в результате чего изменяется угол между векторами напряжение по концам электропередачи (в которую включен ФСТ) и, как следствие, происходит желаемое изменение мощности, передаваемой по электропередачи, вне зависимости от параметров шунтирующих связей.

Фазосдвигающий трансформатор способен перераспределять потоки мощности, оптимизируя их для снижения потерь мощности или по какому-либо другому критерию. Он помогает перенаправлять потоки мощности от производителя к потребителю в рыночных условиях по заранее заданному маршруту, обходя "узкие" места. Также отмечено, что получен положительный опыт применения ФСТ при организации плавки гололеда [3]. Помимо этого, применение фазосдвигающего трансформатора предусматривается при сооружении управляемых самокомпенсирующихся воздушных линий, изменяя угол регулирования, которого можно существенно снизить индуктивное сопротивление электропередачи [4].

Управление передаваемой по линиям электропередачи мощностью может осуществляться за счет изменения угла сдвига фаз между напряжениями по концам линии. Для этой цели могут использоваться фазосдвигающие устройства (ФСУ) – устройства, состоящие из двух трансформаторов [5]. Фазосдвигающий трансформатор, включенный последовательно в линию передачи (рисунок 1а), вводит к напряжению  в начале линии повышающее напряжение , перпендикулярное к нему. В результате результирующее напряжение  за ФСТ сдвигается по фазе на угол , тогда как угол мощности линии равен ( + ) (рисунок 1б). В этом случае формула, описывающая поток активной мощности, принимает следующий вид:

где  и  - модули напряжения на передающем и принимающем концах линии, соответственно;  - угол мощности (разность фаз между  и );  - реактивное сопротивление линии,  - реактивное сопротивление ФСТ,  - угол ФСТ (разница фаз между напряжениями на клеммах ФСТ).

Изменение напряжения  вызывает изменение угла  и, следовательно, также изменение линейного потока . Напряжение  можно регулировать в диапазоне от отрицательных значений до положительных значений, что приводит к увеличению или уменьшению угла мощности, соответственно, и, таким образом, мощности .

Рисунок 1. Управление потоком активной мощности с использованием ФСТ: а) принципиальная схема, б) векторная диаграмма для линии с ФСТ

Рассмотрена практическая задача регулирования напряжения с помощью фазосдвигающего комплекса (ФСК), состоящего из автотрансформатора с устройством регулирования напряжения под нагрузкой и фазосдвигающего трансформатора.

Описанное устройство установлено на Волжской ГЭС и на подстанции Ульке в Казахстане, на примере последней исследовано влияние ФСТ на изменение напряжения в нормальном режиме с максимально допустимой передаваемой мощностью.

Значение допустимого перетока активной мощности в контролируемом сечении по данному критерию в соответствии с [6] должно определяться по формуле:

где  – предельный по статической апериодической устойчивости переток активной мощности в контролируемом сечении, МВт;  – амплитуда нерегулярных колебаний активной мощности в контролируемом сечении, МВт.

Фрагмент схемы энергосистемы представлен на рисунке 2. Ветвь с ФСТ находится между узлами 1790 и 1777 – узлы подстанции Ульке 500 и 220 кВ соответственно. При исследовании учитывалась полная схема, состоящая из 917 узлов и 1418 ветвей, однако для наглядности на графику выведены 12 узлов и 19 ветвей.

Рисунок 2. Фрагмент схемы энергосистемы в исходном режиме

Данная схема примечательна тем, что ветвь 1777-1790 представляет из себя фазосдвигающий комплекс со следующими параметрами: сопротивлением; коэффициент трансформации по действительной части, задается самим автотрансформатором и отпайками РПН (таблица 1); коэффициент трансформации по мнимой части, задается изменением отпаек ФСТ (таблица 2). Конструкция данного устройства представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Конструкция устройства ФСТ

Таблица 1.

Значения вещественного коэффициента трансформации в зависимости от номера отпайки РПН АТ

Таблица 2.

Значения мнимого коэффициента трансформации в зависимости от номера отпайки ФСТ

Для предложенной схемы предельная мощность определялась пошаговым добавлением генерации активной мощности (утяжелением) в узле 868 до тех пор, пока не нарушалась сходимость режима. Графика предельного режима приведена на рисунке 4. Графика режима с максимально допустимой передаваемой мощностью представлена на рисунке 5.

Рисунок 4. Фрагмент схемы энергосистемы в предельном режиме

Рисунок 5. Фрагмент схемы энергосистемы при максимально допустимом режиме работы

Далее, для каждой отпайки ФСТ была определена предельная передаваемая активная мощность, затем по выражению (2) рассчитана максимально допустимая мощность, при которой записывались значения напряжений по концам ветви 1777-1790. Указанные расчеты проделаны при номинальном коэффициенте трансформации автотрансформатора (0,46) и для значений, полученных при смещении на  отпайку РПН АТ.

На рисунке 6 показано изменение напряжения по концам ветви 1777‑1790 при изменении угла регулирования фазосдвигающего трансформатора. Для наглядности, зависимости изменения напряжения в узлах 1790 и 1777 выведены на один график, но построены по разным осям абсцисс.

Можно сказать, что при увеличении угла регулирования от нуля до пяти градусов, напряжения можно увеличить, затем происходит снижение напряжения в узле класса напряжения 500 кВ, что связанно с принудительным направлением бо́льшей мощности из узла 1777 в узел 1790, что в свою очередь увеличивает потери напряжения в ветви.

Также видно, что для наиболее эффективного управления напряжением необходимо регулировать не только отпайками ФСТ, но и РПН АТ.

Рисунок 6. Изменение напряжения по концам ветви 1777-1790 при изменении угла регулирования фазосдвигающего трансформатора

Список литературы:

1. Приказ Минэнерго России от 28.02.18 № 121 "об утверждении схемы и программы развития единой энергетической системы России на 2018 - 2024 годы".
2. Технологии и технические средства управления режимами электроэнергетических систем. Учебное пособие для вузов / Под. ред. Ю.В. Шарова. М.: Инновационное Машиностроение, 2017. С. 184-217.
3. Шкапцов В.А. Системы прогнозирования и мониторинга сброса гололеда [Текст] / Шкапцов В.А. // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение. 2011. № 1. С. 24-28.
4. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения: учебник для вузов / Ю.П. Рыжов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007.- 488 с.: ил.
5. ПАО «ФСК ЕЭС»: [Электронный ресурс]. URL: http://www.fsk-ees.ru/innovation/intelligent_network/new_types_of_power_equipment_of_substations_and_overhead_power_lines/fazopovorotnye_unit_fpu/ (дата обращения: 24.05.19).
6. Приказ Минэнерго РФ от 03.08.2018 N 630 «об утверждении требований к обеспечению надежности электроэнергетических систем, надежности и безопасности объектов электроэнергетики и энергопринимающих установок «Методические указания по устойчивости энергосистем».