АНАЛИЗ МИРОВОГО ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ ФАЗОСДВИГАЮЩИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

АННОТАЦИЯ

В данной статье приводится обзор состояния проблемы применения фазосдвигающего трансформатора (ФСТ) в электрических сетях высокого напряжения, исследуется отечественный и зарубежный опыт применения ФСТ.

Ключевые слова: фазосдвигающий трансформатор (ФСТ), электроэнергетические системы, сетевые компании, управление перетоками мощности, угол регулирования.

В США и Канаде фазосдвигающие трансформаторы применяются уже очень давно в составе различных энергетических объединений, их эффективность подтверждается опытом эксплуатации, краткие характеристики применяемых ФСТ представлены в [1]. В основном они применяются для реализации следующий функций [2]:

1. увеличение резерва трансформаторной мощности подстанций;
2. уменьшения взаимовлияния линий в электрической сети;
3. управления потоками мощности в линиях;
4. удаления льда на линиях электропередачи.

В Великобритании для регулирования перетоков мощности по состоянию на 2010 год введено в работу 15 ФСТ, что позволило повысить пропускную способность основной сети 275 и 400 кВ [3, 4]. В Великобритании работают три основные сетевые компании: National Grid (NGET), Scott и Gidro. Компания NGET является ведущей, она готовит семилетний план развития электроэнергетики [4]. В соответствии с ним состав линий и их конфигурация практически не изменятся, но существенно увеличиваются средства управления потоками активной и реактивной мощности. Еще шесть ФСТ будут размещены в 275 кВ сетях других сетевых компаний.

Согласно [5], полного управления этими трансформаторами не осуществляется. В нормальных режимах ФСТ работают при номинальных настройках, при аварийных ситуациях ФСТ могут принимать участие в ликвидации аварии согласно предварительно разработанным сценариям, однако при этом может возникнуть вероятный набор непредвиденных обстоятельств. Это связано с тем, что в сценариях заложено, что в аварийной ситуации будут задействованы только определенные ФСТ на данном участке сети, при этом автоматическое управление ФСТ отсутствует и регулирование ФСТ происходит вручную. Стоит также отметить, что хоть в Великобритании и применяются программы по оптимизации режимов с целью определения максимальной передаваемой мощности сечений или иных связей, снижения потерь и др., данные алгоритмы не принимают во внимание ФСТ с целью его наиболее эффективного использования. Основными проблемами, с которыми столкнулись исследователи при решении данной задачи являются [5]:

1. изменение параметров ФСТ в одной части ЭЭС влияет на другие, особенно, эта проблема актуальна если речь идет о межгосударственных связях;
2. низкое быстродействие уже установленных механических ФСТ (переключения занимают до 20 минут, что в аварийных ситуациях недопустимо);
3. ФСТ при возможности влияния на потоки активной мощности не может полностью контролировать переток в заданной линии, так значение перетока зависит не только от конфигурации всей сети, но и от баланса потребления и генерации по разным концам транзитных линий.

Для решения данных проблем активно ведутся исследования и идут работы по совершенствованию координации работы ФСТ при помощи моделирования сети и разработки методов оптимизации с учетом ФСТ [5].

Особый интерес для исследования представляет энергосистема Нидерландов, которая имеет пять межсистемных линий, связывающих ее с энергосистемами Бельгии и Германии (рисунок 1 [6]). Южный регион является более густонаселенным, что приводит к тому, что импорт мощности вызывает перегрузки линий, находящихся на юге страны, особенно на линии Maasbracht-Rommerskirchen/Siersdorf, в то время как межсистемная линия Meeden-Diele, находящаяся на самом севере страны, оказывается недогруженной. Это приводит к ограничению передачи мощности по межсистемным линиям, что снижает их эффективность. Вариант решения проблемы постройкой дополнительной линии электропередач был отклонен ввиду организационных сложностей, так как необходимо получение разрешения от соседних системных операторов, на что требуется большое количество времени.

В результате рассмотрения различных вариантов решения проблемы, наилучшим оказался вариант, предполагающий установку ФСТ. В 2002 и 2003 году были установлены два симметричных ФСТ с подключением через два трансформатора с диапазоном регулирования ±30° и номинальной мощностью 1000 МВ·А. На немецкой стороне также установлен ФСТ с диапазоном регулирования ±12° и номинальной мощностью 1200 МВ·А. Их установка в городе Meeden позволила увеличить импорт в северной части страны, распределив нагрузку межсистемных линий более равномерно.

Рисунок 1. Межсистемные связи Нидерландов

Франция имеет большой опыт разработки и внедрения ФСТ в собственные электрические сети, а также электрические сети других государств (таблица 1).

ФСТ выполняются как в виде отдельного устройства, так и в комплекте с автотрансформатором, и обычно имеют переключатель ответвлений под нагрузкой, который позволяет изменять величину тока линии в определенных пределах во время работы.

По терминологии авторов [7], стратегия управления потоками мощности в сети состоит в следующем:

1. «лечебный режим»: ФСТ в нормальном режиме работает с малым сдвигом по фазе. В случае если одна из линий внезапно отключается, сдвиг по фазе автоматически изменяется, чтобы не допустить отключения перегруженных ЛЭП;
2. «профилактический режим»: ФСТ в нормальном режиме работает с постоянным сдвигом фазы и перераспределяет потоки мощности, чтобы повысить КПД существующей электрической сети.

Таблица 1.

ФСТ, установленные во французской энергосистеме

Исследования потоков мощности в пограничном районе Бельгии и Франции показали, что линия 220 кВ между подстанций RTE Chooz и подстанцией Elia Monceau может быть значительно перегружена в случае отказов на других межнациональных линиях электропередачи. Важность этой линии для индустриального района Charleoi обусловила необходимость принять специальные меры, чтобы предотвратить перегрузки [6]. По результатам моделирования различных вариантов было принято решение установки ФСТ номинальной мощность 400 МВ·А и диапазоном регулирования от «минус» 15° до «плюс» 3°.

Либерализация рынка электроэнергии и возрастающая доля энергии, вырабатываемой на ветровых и солнечных электростанциях, существенно увеличили перетоки мощности между странами.

По этой причине в Бельгии планировалась установка двух ФСТ в 2007 и 2008 году, которые необходимы для получения полного контроля над межсистемными линиями. Также по вышеописанной причине системные операторы Нидерландов и Германии приняли решение об усилении межгосударственных связей. Данный вариант был принят к исполнению, т.к. установка дополнительного ФСТ и модернизация существующего оказалось невыгодной [6].

В Японии предлагается использование ФСТ для решения проблемы перегрузки линий из-за широкого внедрения солнечных электростанций. В [8] предложен метод, основанной на чувствительности линий к потокам активной мощности. На различных моделях было показано, что применение ФСТ для ЭЭС с широким внедрением солнечных установок является эффективным способом решения вышеописанной проблемы.

Западная зона ЕЭС Казахстана имеет электрическую связь с северной зоной по трем существующим ВЛ 220 кВ объединенной энергосистемы Урала – Актюбинский энергоузел. Вышеуказанные ЛЭП проходят в основном по территории России. РАО «ЕЭС России» и ПАО «ФСК ЕЭС» не дали согласия на транзит мощности от Экибастузских ГРЭС в западную зону ЕЭС Казахстана по указанным ВЛЭП. Ввиду растущего дефицита мощности в Актюбинском энергоузле правительство Казахстана приняло решение о строительстве ВЛ 500 кВ Северный Казахстан – Актюбинская область, которая прошла по территории республики [9]. Однако данная линия протяженностью почти 500 км из-за неоднородности сети, вызванной линиями юга России, оказалась минимально загруженной. В связи с этим возникла необходимость в установке ФСТ, который мог бы позволить регулировать передаваемую мощность по вышеописанной электропередаче. Таким образом, на территории СНГ впервые была реализована установка ФСТ межсистемной связи 500 кВ Северный Казахстан – Актюбинская обл. Расчеты электрических режимов, проведенные в [9], с учетом примыкающих сетей ОЭС Сибири и ОЭС Урала, показали, что для оптимального перетока мощности по ВЛ 500 кВ необходим угол регулирования ФСТ, составляющий 20°.

В сетях ЕЭС России [10, 11] ФСТ практически не применяется, несмотря на большой потенциал их использования. Актуальность применения этой техники в нашей стране очень высокая – прежде всего с точки зрения снижения потерь в сети, которые составляют около 13,2% [12].

Впервые в России фазосдвигающий трансформатор был введен в опытную эксплуатацию в апреле 2019 года на Волжской ГЭС – филиале ПАО «РусГидро» [13].

В результате воздействия ряда факторов, в числе которых снижение потребления Волгоградского алюминиевого завода и прекращение экспорта электроэнергии на Украину через передачу постоянного тока Волгоград – Донбасс, Волжская ГЭС столкнулась с проблемой ограничения пропускной способности прилегающей электрической сети в связи с высокой загрузкой линий электропередачи более низкого напряжения (110 – 220 кВ) и недогруженными линиями электропередачи более высокого класса напряжения (500 кВ). Кроме того, ситуацию усугубляет ожидаемое к 2023 году увеличение установленной мощности этой ГЭС с 2671 МВт до 2744,5 МВт в результате ее модернизации. Из-за ограничений пропускной способности электрической сети 220 кВ в районе размещения ГЭС возникала опасность выхода параметров электрического режима энергосистемы из области допустимых значений в послеаварийных режимах, приводящая к необходимости ограничения выдачи мощности этой электростанции.

Рисунок 2. Схема ФСТ в Главной схеме Волжской ГЭС

ФСТ типа ТДЦТНФ-195260/220-У1 был установлен на ОРУ-220 кВ возле автотрансформаторной группы 10Т. Он используется совместно с трехфазной группой АТ 10Т однофазных автотрансформаторов типа АОДЦТН-267000/500/220-УХЛ1 для изменения (регулирования) под нагрузкой угла между векторами линейных напряжений сети 220 кВ и сети 500 кВ от 2,62 до 13,70 эл. град. Оперативная схема ФСТ в главной схеме Волжской ГЭС изображена на рисунке 2 [13].

Ввиду большой стоимости такого оборудования, как ФСТ, необходимо максимально эффективное его использование, поэтому необходима разработка алгоритмов по определению оптимальных мест установки ФСТ и определения значения оптимального угла регулирования, так как при неправильном управлении ФСТ, их установка является нецелесообразной.

Список литературы:

1. Hill A.T., Eitzmann M.A., Eilts L.E., Richardson R.H. Thyristor-control of an existing phase shifter // EPRI Confidential -2010, pp. 1-13.
2. Brochu J., Beauregard F., Cloutier R., Bergeron A., Garant., Sirois F., Henderson M.I. Innovative applications of phase-shifting transformers supplemented with series reactive elements. Cigre 2006, A2-203.
3. Зарубежные энергообъединения / А.Ф. Бондаренко, Н.В. Лисицын, Ф.Я. Морозов и др.; Под ред. В.А. Семенова. М.: Изд-во НЦ ЭНАС. 2001.
4. Belivanis M., Bell K.R.W. Use of Phase-shifting transformers on the Transmission Network in Great Britain. Universities Power Engineering Conf. (UPEC), 2010 45^th International. 2010. pp. 1 - 5.
5. M. Pöller and M. Bradley, "Network operation in UK," in Netzregelung und Systemführung, Munich, Germany, 2008.
6. Verboomen J., Spaan F. J., Schavemaker P.H. Method for Calculating Total Transfer Capacity by Optimising Phase Shifting Transformer Settings // CIGRE 2008 pp.1-111.
7. Hurlet P., Riboud J.-C., Margoloff J., Tanguy A. French experience in phase-shifting transformers. Cigre 2006, A2-204.
8. Yuki Kawaura, Sho Yamanouchi, Miki Ichihara, Shinich Iwamoto, Yo Suetsugu, Tomoyuki Higashitani, "Phase-shifting transformer application to power-flow adjustment for large-scale PV penetration", Region 10 Conference (TENCON) 2016 IEEE, pp. 3328 - 3331, 2016.
9. Фазоповоротный трансформатор впервые в СНГ применен в Казахстане / Е. Евдокунин, Р. Николаев, А Искаков и др. // Новости электротехники. 2007. № 6 (48). C. 38 - 41.
10. Ольшванг М.В. Особенности кросс-трансформаторной технологии транспортирования энергии по сетям 110–765 кВ // Электро. 2004. №2. С. 6 - 12.
11.  Добрусин Л.А. Тенденции применения фазоповоротных трансформаторов в электроэнергетике // Силовая электроника. 2012. № 4. С. 60 - 66.
12. Справочник по проектированию электрических сетей. Под ред. Д.Л. Файбисовича. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2012.
13. Пушкаренко В.М., Николаева С.И. Фазоповоротный трансформатор, установленный на Волжской ГЭС // Студенческий форум: электрон. научн. журн. 2019. № 16(67).