Управление потоками активной мощности в сетях 110-765 кВ


Техника управления потоками 4

Кросс-трансформаторная технология и продольно-поперечное регулирование

В предыдуших статьях была рассмотрена роль маршрутизации в качественном совершенствовании сетей 110 -765 кВ. В частности, маршрутизация позволяет избежать необходимости размыкания контуров, выполняемых для устранения неадекватных транспортных потоков в сетях 110 и 220 кВ, существенно снизить потери в сети. Также было отмечено, что в 70-е годы для этих целей была развернута широкая программа применения систем трехкаскадных автотрансформаторов с продольно-поперечным регулированием (ППР). В настоящее время ППР оснащены всего лишь несколько подстанций в сетях 750 кВ в Украине и одна подстанция 750 кВ в России.

Более широкое применение систем ППР было остановлено их двумя принципиальными недостатками: первый — вынужденное негативное воздействие ППР своего корзинообразного участка сети на предыдущий корзинообразный участок сети и второй — разземление нейтрали автотрансформаторов 500/220 или 750/330 для включения регулировочного трансформатора, то есть нарушение правила заземления нейтралей трансформаторов в сетях напряжением 220 кВ и выше.

В итоге, несмотря на свою высокую эффективность в современных континентальных сетях электропередач, принудительная маршрутизация потоков активной мощности применена в виде исключения лишь в некоторых наиболее мощных участках сетей СНГ, выполненных по проектным проработкам 70-х годов. При этом суточное ППР ступеней регулировочных трансформаторов не производится во избежание создания аварийных ситуаций. Предложенная в 90-х годах кросс-трансформаторная технология (КТТ) свободна от указанных недостатков ППР, более универсальна и ее эффективность хорошо исследована различными расчетными методами независимыми группами исследователей. Широкомасштабное применение КТТ в сетях 110-765 кВ должно обеспечить снижение сетевых потерь на 40-50 % и позволить ввести в работу вынужденно отключенные замыкающие «кольца» участки сетей 110 и 220 кВ. Оно также создаст благоприятные условия для построения недостающих участков линий, рационально замыкающих в «кольца» многие из ныне тупиковых линий электропередачи. В целом, густые слои сетей линий средней и малой мощности будут очищены от неадекватных транспортных потоков, что повысит устойчивость к системным авариям при внезапном отключении магистральных линий. Для начала внедрения КТТ необходимо спроектировать и изготовить опытный и головные образцы КТ на напряжение 220 кВ с электромагнитной мощностью 60 МВА для сетей 500-220 кВ, спроектировать и построить головную кросс-подстанцию и замкнуть разомкнутые «кольца» сетей 110 кВ нескольких обширных сетевых районов, потоки активной мощности которых будут маршрутизироваться кросс-подстанцией. В феврале 1996 г. на Научно-техническом Совете РАО «ЕЭС России» был предложен объект для размещения головной кросс-подстанции — подстанция 220 кВ Костромской станции.

При разработке этого предложения были учтены дополнительные требования персонала самой станции по ограничению токов коротких замыканий на шинах 220 кВ. Кросс-подстанция Костромской станции перераспределит потоки между слоями сети сверхвысокого напряжения группы регионов, примыкающих к узлу Костромской ГРЭС — Костромской, Ярославской, Ивановской, Владимирской и Нижегородской областей. Несмотря на положительное решение Совета 1996 г., практических подвижек в реализации предложения не произошло. Косвенной причиной является то, что в сетях 110 кВ указанных регионов широко применяется размыкание контуров. Таким путем устраняются неадекватные транспортные потоки критической величины, и, на первый взгляд, можно обойтись без дальнейшего перераспределения транспортных потоков. Прямой причиной замораживания внедрения КТТ является нежелание проектировщиков вникать в вопросы практического применения КТТ как технологии, относящейся к технологии интеллектуальных сетей.

Специалисты-проектировщики единой национальной электрической сети, еще недавно продвигавшие устройства ППР для улучшения условий работы замкнутых сетей [2-11], вот уже 10 лет отказываются от предметного рассмотрения аналогичной по задачам и лишенной недостатков ППР технологии КТТ. Под давлением руководства РАО «ЕЭС России» для рассмотрения теоретического обоснования КТТ и плана строительства головной подстанции Федеральная Сетевая Компания провела 16.01.2004 г. совещание с авторами предложения и заинтересованными институтами. Вскоре стало ясно, что совещание было задумано, проведено и оформлено как ширма для заранее заготовленного отказа в предметном рассмотрении КТТ.

Это полностью подтвердили прошедшие после совещания три года, за которые не сделано ни шага по освоению КТТ, и в то же время предприняты резкие шаги по отстранению авторов проекта от работ по теме КТТ.

Непригодность устройств силовой электроники для маршрутизации потоков активной мощности в континентальных сетях электропередач

Системы силовой электроники для гибких электропередач переменного тока — FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems) представляют собой сильноточные полупроводниковые системы в комплекте с системами автоматического управления, предназначенные для повышения гибкости (быстродействующей управляемости) электропередач переменного тока. Иными словами, FACTS это разнообразные автоматизированные устройства силовой электроники для линий электропередачи переменного тока. Поэтому, рассматривая применение технологии FACTS для большой электроэнергетики следует иметь в виду, что сами сетевые структуры гибких передач, содержащие необходимые ЛЭП и подстанции, должны существовать вне FACTS как объект их приложения, определяющий требования к конкретным устройствам из ряда FACTS. Это заслуживает специального рассмотрения.

Различные известные устройства силовой электроники для электроэнергетики были представлены как нечто единое целое под общим именем FACTS в 1988 г. Н.Г. Хингорани [12] . В дальнейшем основу устройств с брендом FACTS составил компенсатор реактивной мощности на отключаемых тиристорах или биполярных транзисторах с изолированным затвором типа Statcom. Его полупроводниковая часть — двенадцатипульсный инвертор напряжения с накопительным конденсатором на стороне постоянного тока. Два таких инвертора в единой схеме регулятора потока мощности (РПМ) были предложены Д. Джуджи в качестве управляемого канала отбора энергии от узла сети и ввода ее последовательно в линию — устройство UPFC (Unified Power Flow Controller). Схема обеспечивает регулирование как активного, так и реактивного потока в линии [13]. К 1993 г. концепция FACTS вселяла большие надежды ее создателям [14]. Однако уже к 1996 г. стало ясно, что основу для дальнейшего внедрения силовой электроники в электроэнергетику составят преобразователи частоты и передачи (чаще, вставки) постоянного тока [15]. Несмотря на временные успехи UPFC [16], их внедрение в континентальные сети электропередачи (КСЭ) затормозилось.

Наибольшим промышленным успехом за полтора десятилетия в направлении UPFC является создание испытательного стенда в Южной Корее. О стенде доложено на конференции CИГРE 2004 как о первой в мировой электроэнергетике действующей установке UPFC, созданной отделением НИОКР Siemens в южнокорейской энергосистеме Кангджин 345/154 кВ. Установка включена на специально образованной под нее промежуточной подстанции двухцепной ЛЭП 154 кВ [17]. Статус установки — испытательный стенд в составе четырех Statcom по 40 МВА или одного устройства UPFC мощностью 80 МВА. На стенде ведется накопление опыта действия установки при КЗ, моделирования различных устройств FACTS. Результаты эксплуатации будут предоставлены энергетикам, планирующим ввод в эксплуатацию FACTS в своих сетях. Для того чтобы улучшить характеристики UPFC как устройства для энергосистем, немецкие (Siemens) и южно-корейские специалисты пошли дальше Л. Джуджи: в одном UPFC они включают четыре Statcom, чтобы преодолеть ряд свойств простого двухблочного UPFC, несовместимых с требованиями работы в КСЭ. Возможно и дальнейшее усовершенствование UPFC. Поскольку токи линии трансформируются последовательным трансформатором UPFC и затем проходят через десятки полупроводниковых приборов, возможны быстродействующие контактные устройства для защиты полупроводниковых приборов при перегрузках и коротких замыканиях в сети. Однако главное негативное свойство остается и для четырехблочного UPFC и при его быстродействующем контактном шунтировании. Это свойство — потеря функции квадратурной ЭДС при токах, превышающих даже на короткое время (порядка долей секунды) токи расчетного режима. Отказ от этой функции необходим для предотвращении выхода из строя полупроводников, тогда как для маршрутизации потоков типовой сети это свойство — принципиальный недостаток.

Техника управления потоками 1 Сложность, стоимость, габариты приемлемой по надежности подстанции UPFC в несколько десятков раз превышают эти показатели для подстанции кросс-трансформаторов. Следовательно, для маршрутизации потоков активной мощности в КСЭ сильноточный UPFC практически непригоден. Сделать основные участки КСЭ из негибких гибкими должна кросс-трансформаторная технология транспортирования электроэнергии. Для этого в составе кросс-подстанций должны быть как базовые модули с нерегулируемыми параметрами, так и регулируемые модули, расставленные, например, так, как показано на схеме рис. 5 [1]. В этой схеме базовый модуль КТ обеспечивает компенсацию средней для всех отходящих линий 500 кВ величины квадратурного напряжения, а регулировочные модули КТ обеспечивают индивидуальные, то есть гибкие дополнения к квадратурной ЭДС базового модуля.

Теоретически для повышения быстродействия можно было бы заменить регулировочные модули КТ устройствами UPFC c достаточно большой перегрузочной способностью. Соответствующие требования могли бы быть обеспечены за счет увеличения числа полупроводников на порядок относительно количества, достаточного для обеспечения номинального режима. Но тогда бы стоимость этих устройств, да и габариты подстанции увеличилась бы во многие десятки раз относительно кросс-подстанций.

Недостатки технология размыкания контуров как альтернативы маршрутизации

Необходимость размыкания контуров наиболее удачно пояснил один из ведущих советских специалистов по сетям и системам Н.М. Мельников [8]. Приведем выдержки из этого пояснения. «Преимущества замкнутых сетей, заключающиеся в большей надежности электроснабжения, лучшем качестве электроэнергии и большей экономичности, часто нарушаются из-за неоднородности сетей.

Техника управления потоками 2

Простейшая неоднородная замкнутая цепь, состоящая только из двух параллельных ветвей с сопротивлениями Z= R+ jX и Z= R= jX при условии D= X/R, D> D, которое можно считать признаком неоднородности… Практически это соответствует случаю, когда к сети одного номинального напряжения, упрощенно отраженного одной ветвью Z, при развитии системы подключена линия более высокого номинального напряжения, отраженная ветвью Z. При этом допустимый ток I ветви Z может оказаться ограниченным по условиям нагрева проводов. В этом случае ветвь Z, хотя и предназначена для значительного увеличения пропускной способности сети, фактически не дает желаемого эффекта». То есть ветвь Z должна быть разомкнута. Следует отметить, что потери в сети, создаваемые неадекватными транспортными потоками, при размыкании отдельных контуров могут не только не снижаться, но даже увеличиваться.

К такому выводу подводят результаты расчета типового участка сети [1]. Дело в том, что в сетях Центра на одну линию 500 кВ приходится, как правило, 3-4 расчетных линии 220 кВ и 4-6 расчетных линий 110 кВ. Практически это означает, что имеются одна-две линии 220 кВ, идущие вдоль трассы линии 500 кВ с несущественными удалениями, и от 4 до 6 реальных линий 220 кВ, настолько удаленных от этой трассы, что при расчете и приведении к расчетным линиям 220 кВ их учитываем с коэффициентом 1/2 как две или три, а не 4 или 6. Что касается линий 110 кВ, то они, как правило, по направлению весьма далеки от направления трассы 500 кВ. Поэтому размыкание одной-двух из трех-четырех линий 220 кВ и двух-четырех из 4-6 линий 110 кВ снижает выигрыш в потерях всего участка сети несущественно и может даже увеличивать потери при некоторых неблагоприятных соотношениях чисел линий в «дне корзинки» [1].


При внимательном рассмотрении проблемы размыкания на примере электропередачи с несколькими транзитными подстанциями (рис. 1) становятся ясными негативные следствия размыкания, а именно:

– величины нагрузок существенно меняются в течение суток, семидневной недели, от сезона к сезону и при этом слабо коррелированны между собой;

– диспетчеры размыкают менее надежные (в смысле интервала времени от последнего ремонтного обслуживания линий и др.) участки, а не рассчитанные по специализированным методикам;

– суточный, недельный и т.п. график каждой из нагрузок переменный, и моменты максимумов и минимумов нагрузок потребителей смещены во времени;

– при большой транспортной составляющей потока участка с близким к нулю током в «замкнутой» ЛЭП может и не быть; в этом случае линию надо не разомкнуть, а просто снизить транспортную составляющую до адекватной величины;

– так называемое размыкание означает вывод из эксплуатации участка ЛЭП;

– при авариях на тупиковых линиях возможен ввод в работу резервной линии с противоположной стороны, но он занимает заметное время, поэтому при размыкании в десятки и сотни раз возрастает вероятность нарушения производства, работающего в автоматическом режиме, у потребителей на транзитных подстанциях;

– при наложении аварий на период ремонтных работ возникают длительные перебои в электроснабжении потребителей, подключенных к тупиковой линии.

Техника управления потоками 3 Часто ЛЭП, идущие навстречу с противоположных концов, проектировщики и строители вообще не замыкают, имея в виду проблему размыкания контуров. Тогда и резервного ввода не может быть. На практике величины нагрузок на транзитных подстанциях при реальном размыкании далеки от расчетного случая. Но если до размыкания к каждой из них энергия поступала с двух сторон, то теперь — только с одной. Именно поэтому размыкание ведет к значительному росту фактических потерь относительно расчетных и к ухудшению качества электроснабжения по ряду показателей (см. табл.). Уместно говорить о «ползучем» разрушении нижних слоев сети вследствие постепенного нарастания год от года числа разомкнутых ЛЭП. Этот процесс на практике происходит следующим образом.

После ввода в эксплуатацию каждая ЛЭП отключается многократно, исходя из диспетчерских, ремонтных и других соображений. Плановый ремонт относительно скоротечен, и через несколько дней ЛЭП можно вводить в рабочий режим. Но вариант работы «с разомкнутым контуром», то есть без данного или смежного участка ЛЭП, более удобен для служб, ответственных за размыкание. Поэтому он сохраняется даже в режимах, когда тепловых перегрузок проводов «замкнутой» ЛЭП уже не возникает. Возвращаясь к состоянию КСЭ при аварийном отключении одной из мощных линий, следует иметь в виду переход большей части ее потока в относительно густую часть сети среднеи маломощных линий нижерасположенных (по уровню напряжения) слоев сети. При этом нужно различать два состояния принимающей аварийные потоки густой части сети: первое состояние — при естественном потокораспределении, второе — при применении КТТ.

При естественном потокораспределении в предаварийном режиме линии указанной густотой части сети оказываются загруженными неадекватными транспортными потоками, а часть из линий выведена из работы ранее при плановом размыкании контуров, до момента аварии. При применении кросс-трансформаторной маршрутизации в доаварийном режиме было выполнено перераспределение потоков между слоями сети путем перевода транспортных потоков из среднего и нижнего слоев в верхний слой, образованный магистральными линиями. В результате, аварийные перетоки слабее нагружают густую часть сети. Поэтому в первом случае, без маршрутизации КСЭ добавочная аварийная нагрузка ведет к быстрому выходу из работы аварийно загруженных линий густой сети или последовательному (типа падающих костей цепочки домино) отключению их защитами, что и приводит к катастрофическому развитию аварии. Во втором случае развитие аварии откладывается за счет поддержания целостности среднего и нижнего слоев сети благодаря действию форсирования возбуждения синхронных машин и статических источников реактивной мощности, что дает диспетчеру время для проведения направленного изменения режима сети с целью ее соответствующей разгрузки.

Графическое отображение состояний сети для иллюстрации сказанного представлено в виде сферических векторных диаграмм [18] слоев трехслойной сети на рис. 2. Радиусы сфер пропорциональны напряжениям слоев, широты узлов (точек на поверхностях сфер) – фазовым углам установившегося режима, долготы —удалению от центра аварии КСЭ в одном из направлений. Сферы на рис. 2 несут мнемоническую нагрузку: объем прямо пропорционален пропускной способности типовой линии слоя сети при оптимальном потокораспределении, а поверхность — при естественном. Радиусы сфер пропорциональны плотностям токов транспортных потоков при оптимальном потокораспределении. Пробелы в поверхностях отражают пробелы в сети при отключении линий и их взаимное расположение по слоям. Центр аварии расположен в центре пробела в верхней сфере.

Социальное и экономическое значение перехода от технологии размыкания контуров к маршрутизации на базе кросс-трансформаторной технологии

В настоящее время две трети населения России проживает в небольших городах и поселках городского типа. Их электроснабжение обеспечивается от многоподстанционных ЛЭП 110 и реже 220 кВ. Размыкание этих ЛЭП ведет к существенному ухудшению показателей бесперебойности и качества электроэнергии для этих потребителей и росту потерь в сети. К тому же, как указано в таблице, размыкание ведет к резкому увеличению вероятности кратковременной потери питания и вызванному этим негативному воздействию на работу предприятий и комфортность жизни населения.В сущности, технология размыкания контуров существенно ухудшает качество электроснабжения указанной части населения страны. Поэтому применению технологии размыкания контуров надлежит объявить решительную борьбу и рассматривать ее как одну из стратегических задач отечественной электротехники сетей сверхвысокого напряжения. Борьба с размыканием контуров — комплексная задача. Для ее решения должны быть созданы благоприятные условия: мониторинг размыканий, полноценные базы расчетных данных, отработанные программы расчета установившихся режимов и их оптимизации и, наконец, обеспеченная реализация в сети головных проектов оборудования, создающего условия для предотвращения вынужденного размыкания.

Для перехода от технологии размыкания контуров к маршрутизации сетей на базе кросс-трансформаторной технологии необходима комплексная работа исследователей, проектировщиков и эксплуатационников по оценке степени повышения бесперебойности электроснабжения и снижению потерь в сетях в случае применения новой технологии. Следует отметить, что: 1) достигаемое при новой технологии существенное энергосбережение при передаче электроэнергии на значительные расстояния становится все более актуальным в связи с Киотским Протоколом и 2) обеспечиваемое при широком применении технологии полноценное использование техногенной среды, формируемой отчужденными трассами линий 110-765 кВ, является одной из важных экологических задач общества в XXI веке. В первые десять лет внедрения КТТ можно ограничиться строительством кросс-подстанций при крупных электростанциях. К их числу относятся все 24 станции мощностью выше 2000 МВт и порядка одной трети станций мощностью от 1000 до 1999 МВт.

Таким образом, надо построить всего 40 кросс-подстаций. На них должно быть установлено приблизительно 80 базовых КТ, включаемых последовательно с автотрансформаторами связи верхнего и среднего слоев сети, и 120 регулировочных КТ, включаемых по направлениям отходящих сетей. Электромагнитная мощность каждого базового КТ по предварительной оценке лежит в диапазоне от 40 до 70 МВА, регулировочных КТ — в 1,5 раза меньше. Класс напряжения трансформаторов (и класс главной изоляции всех обмоток каждого из них) 330 или 220 кВ. Срок окупаемости комплексной кросс-подстанции — 2,2 года. Оценочный расчет окупаемости выполнен только по экономии на потерях, приблизительно по 10-15 МВт на подстанцию, и стоимости электроэнергии у потребителя 1,5 руб/кВт•ч. Такие важнейшие показатели национальной сети, как улучшение бесперебойности и снижение вероятности системных аварий, неоценимы.

ВЫВОДЫ

1. Борьбу с размыканием контуров в сетях 110 и 220 кВ следует рассматривать как одну из стратегических задач отечественной электротехники сетей сверхвысокого напряжения. Менеджеры электроэнергетики должны создать благоприятные условия для решения этой задачи: мониторинг размыканий, полноценные базы расчетных данных, отработанные программы расчета установившихся режимов и их оптимизации и, наконец, реализацию в сети головных проектов оборудования, создающего условия для предотвращения вынужденного размыкания.

2. Для внедрения разработанной технологии КТТ необходимо приступить к проектированию и строительству головной кросс-трансформаторной подстанции и наладить серийное производство кросстрансформаторов на напряжение 220 и 330 кВ и электромагнитную мощность 40-70 МВА с выпуском за пятилетие планового внедрения до 200 штук.

3. Применение кросс-трансформаторной технологии гарантирует малый срок окупаемости средств поэтапной модернизации сети.


Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: