Диаграмма теории регулирования статкома. FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems) — гибкие системы передачи переменного ток

Параллельно подключенный к шинам ПС преобразователь напряжения может выполнять функции компенсатора реактивной мощности, называемого в зарубежной практике Statcom (Статком).
Как следует из рассмотрения режимов работы ПН, режим работы компенсатора характеризуется углом управления.
В реальных схемах (рис. 1) в качестве источника постоянного напряжения используется конденсаторная батарея Cd, напряжение на которой изменяется кратковременным переводом преобразователя в выпрямительный или инверторный режим, вследствие чего в токе id появляется постоянная составляющая, которая заряжает или разряжает батарею до нужного напряжения. Отметим, что в традиционных СТК осуществляется обмен электромагнитной энергии между сетью и реактивными элементами (конденсаторы и реакторы), что требует равенства мощности его элементов и компенсирующей мощности. В ПН и Статкоме тиристорный коммутатор осуществляет обмен реактивной мощности между фазами, что значительно снижает установленную мощность реакторов и конденсаторной части.

Рис. 1. Схема Статкома
Так, мощность реакторов составляет 15-20%, а конденсаторов - около 10% мощности компенсатора. В сетевом токе одномостового ПН содержатся гармоники, кратные 6ft ± 1, среди которых наибольшими являются 5-я и 7-я гармоники. Их устранение осуществляется несколькими путями:
организацией многомостовых 12-фазных (два преобразователя) или 24-фазиых (четыре преобразователя) схем, в которых преобразователи к емкости С(1 подключаются параллельно;
созданием многоуровневых преобразователей, форма напряжения которых соответствует 12-фазной схеме;
введением широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в систему управления, которая по специальному алгоритму делает два дополнительных переключения запираемых тиристоров, образуя разрывы в ступенях фазного напряжения.
Возможна конструкция вентиля, блоки управления тиристорных ячеек которого питаются от силового напряжения на вентиле (рис. 2). Быстродействие Статкома
иллюстрируется осциллограммой перехода реального одномостового компенсатора из режима генерации в режим потребления реактивной мощности (рис. 3). Продолжительность перехода составляет менее 20 мс.

Рис. 2. Питание блоков управления

В начале 80-х годов в АО ВНИИЭ была разработана научно- методическая основа расчетов параметров элементов Статкома, а также создан экспериментальный образец мощностью 1,7 Мвар на напряжение 10 кВ. Проведенные экспериментальные исследования этой установки подтвердили высокую эффективность данного класса преобразователя при использовании в качестве компенсатора реактивной мощности.
Работы в этом направлении проводились и ведутся в США и Японии. Научно-технический центр корпорации Westinghouse Electric с участием института EPRI и энергокомпании TVA разработал и создал эксперимепталыю-промышлеппую установку Statcom. Установка включена в эксплуатацию в ноябре 1995 г. на подстанции Sullivan в Tennessee Valley Authority (TVA).
Статком содержит восемь параллельных преобразователей мощностью 12,5 Мвар каждый, образующих 48-пульсную схему, что позволяет получать практически синусоидальную форму трехфазного напряжения компенсатора. Общая мощность компенсатора ±100 Мвар, диапазон регулирования 200 Мвар. Статком через трансформатор 5,1/161 кВ подключен к шинам 161 кВ подстанции. Номинальное выпрямленное напряжение на конденсаторе преобразователей, подключенных к нему параллельно, составляет 6,6 кВ.

Рис. 3. Осциллограмма переходного процесса Статкома
Каждый вентиль инвертора состоит из пяти последовательно соединенных модулей - один из них избыточный. Запирание тиристоров автоматически выполняется так, чтобы обеспечивалось равномерное распределение напряжений между тиристорами. Тиристоры имеют номинальное напряжение 4 500 В и ток 4 000 А (максимум отключаемого тока) и охлаждаются водой. Общее число тиристоров 200. Общая занимаемая установкой площадь имеет размеры 30X16 м.
Подстанция Sullivan расположена на периферии энергетического региона, обслуживаемого TVA, и имеет достаточно слабые связи с системой по сети 500 кВ. Шины 500 кВ подстанции связаны с шинами 161 кВ через трансформатор мощностью 1 200 MB*А. Подстанцию питают также четыре линии 161 кВ. В периоды малых нагрузок наблюдается повышение напряжения на шинах 500 кВ из-за зарядной мощности сети, а в периоды максимальных нагрузок Напряжение на шинах 161 кВ оказывается пониженным. Установленный на подстанции Статком обеспечивает необходимый диапазон регулирования реактивной мощности. Устранение колебаний напряжения с помощью Статкома позволило резко снизить число переключения устройств РПН на трансформаторах 500 кВ, что Существенно снизило их повреждаемость.
Для расширения диапазона изменения реактивной мощности Статком дополнен конденсаторной батареей 84 Мвар, которая управляется с помощью выключателя общей системой регулирования.

Развитие электроэнергетических сетей неизбежно оборачивается двумя проблемами. Во-первых, получившаяся сложнозамкнутая и многоуровневая система не может функционировать без жестких механизмов управления (автоуправления). Во-вторых, дальнейшее развитие системы требует вовлечения новых земель, что в условиях введения частной собственности на землю, оказывается весьма дорогим удовольствием. В сложившихся условиях весьма многообещающе выглядит идеология интеллектуальных сетей (Smart Grid), которая позволяет обеспечить управляемость и повысить передающую способность сетей. Ряд специалистов уже высказались в том ключе, что повышение интеллектуальности (управляемости) сетей является малобюджетной альтернативой строительства новых Л.Э.П.. Собственно, с некоторых пор движение в сторону управляемых сетей стало официально объявленной политикой российских сетевиков. 29 мая 2006 г. появился приказ РАО «ЕЭС России» №380 «О создании управляемых линий электропередачи и оборудования для них».

Что такое FACTS

В лексиконе российских энергетиков понятие «управляемые линии» фактически тождественно термину «гибкие линии» или FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems - гибкие системы передачи переменного тока). В свою очередь FACTS можно считать подсистемой «умных линий» SmartGrid. Чаще всего SmartGrid разделяют на следующие направления:1) Экономически эффективные технологий малой и средней генерации, включая альтернативные источники.2) Новое поколение устройств автоматизации (АСУ ТП, РЗА и пр.).3) Информационно-технологических системы для центров управления энергосистем.4) Активное электротехническое сетевое оборудование (FACTS), способное гибко менять характеристики передачи или преобразования электрической энергии с целью оптимизации режимов сети сразу по нескольким критериям: пропускная способность, уровень технологических потерь, устойчивость, перераспределение потоков мощности, качество электрической энергии и пр.В данной статье разговор пойдет только о последней (по списку, но не по значимости) составляющей умных сетей – об оборудовании для гибких линий (они же FACTS). Его применение позволяет повысить пропускную способность линий (по некоторым оценкам – до 20%), обеспечить устойчивую работу энергетические системы, обеспечить заданные диспетчером параметры сети, что предотвращает потери электрической энергии (до 40%). FACTS.Как замечает заместитель генерального директора, научный руководитель ОАО «НТЦ электроэнергетики», научный руководитель ВНИИЭ Юрий Шакарян , управляемые электропередачи, благодаря высокому быстродействию силовой электроники, способны воздействовать на происходящие в электроэнергетических системах процессы в режиме on-line, благодаря чему электропередачи превращаются из пассивных средств транспорта электрической энергии в активные устройства управления режимами работы.Юрий Шакарян предлагает такой вариант деления устройств FACTS на группы:- различного рода статические преобразователи в электропередачах переменного тока;- вставки постоянного тока и электропередачи постоянного тока;- электромашинные комплексы, состоящие из электрических машин переменного тока или ТС в комбинации с устройствами силовой электроники.В данной статье рассматриваются только статические устройства – то есть представители первых двух групп. Всего существует несколько десятков устройств FACTS: статические синхронные компенсаторы, управляемые реакторы и конденсаторные батареи как с тиристорным, так и с механическим переключением и т.д. Наиболее же распространены сегодня устройства компенсации реактивной мощности, а так же устройства, выполняющие несколько функций, одной из которых опять же является компенсации реактивной мощности.Снижение перетоков реактивной мощности в сети позволяет снизить потери активной энергии и напряжения, регулировать напряжение в энергосистеме, снизить загрузку Л.Э.П. и ТС. К устройствам компенсации реактивной мощности относится следующее оборудование: кондесаторные батареи (БСК); шунтирующие реакторы; фильтры высших гармоник; статические тиристорные компенсаторы (СТК) и пр.

Управляемые шунтирующие реакторы

Управляемые шунтирующие реакторы (УШР) – наиболее широко внедряемые устройства FACTS. УШР обеспечивают регулирование напряжения (реактивной мощности) в режиме реального времени.В простейшем виде реактор – это катушка индуктивности, потребляющая реактивный ток индуктивного характера. УШР – это переменное индуктивное сопротивление, плавно регулируемое подмагничиванием ферромагнитных элементов магнитной цепи. Данное устройство дополнительно выполняет функции полупроводникового ключевого прибора, что достигается за счет работы магнитной системы реактора в области глубокого насыщения. На холостом ходу реактора величина потребляемой реактивной мощности не превышает 3% номинального значения. Для увеличения загрузки реактора необходимо дополнительное подмагничивания магнитной системы. Оно происходит при подключении регулируемого источника постоянного напряжения к обмоткам управления (находятся на стержнях, установленных по два на фазу). Поток подмагничивания, в соседних стержнях направлен в разные стороны. Его нарастание вызывает насыщение стержней в соответствующие полупериоды тока, что в свою очередь, приводит к возникновению и возрастанию тока в сетевой обмотке. Изменение величины тока подмагничивания приводит к изменению тока сетевой обмотки, за счет чего обеспечивается плавное изменение уровней напряжения в точке подключения УШР и величина потребляемой им реактивной мощности.Шунтирующие реакторы компенсируют избыток реактивной мощности, снижают ее переток, при этом уменьшается ток в линиях, снижаются активные потери. В транзитных сетях с резко переменным графиком нагрузки, кроме того сокращается число коммутаций неуправляемых устройств. Помимо оптимизации режима работы сетей, результатом работы УШР становится увеличение срока службы оборудования. Наибольший эффект установки УШР проявляется в сетях 220 килоВ и выше на межсистемных Л.Э.П. с реверсивными перетоками активной мощности, загрузка которых в течение суток может меняться от нуля до предельно допустимой по пропускной способности.

Рис. 1 УШР на подстанции «Кудымкар» сетей Пермэнерго

Статические компенсаторы реактивной мощности Статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ) основаны на использовании управляемых реакторов и конденсаторных батарей. При параллельном их включении мощность всего устройства равна алгебраической сумме мощностей реактора и конденсаторной батареи (рис. 2). Весьма полезным свойством компенсаторов реактивной мощности на базе УШР является возможность подключения в точку необходимой компенсации реактивной мощности без использования промежуточных устройств. Это особенно важно для создания гибких линий электропередач с применением плавно-регулируемых устройств компенсации реактивной мощности по концам линии. Перспективно использование СКРМ в сетях с реверсивными перетоками активной мощности, в системах со слабыми межсистемными связями и в протяженных распределительных сетях.

Рис. 2 Принципиальная схема СКРМ на базе УШР

Статические тиристорные компенсаторы Статические компенсаторы, где реактор регулируется с помощью тиристорного ключа, получили название статических тиристорных компенсаторов (СТК). Эти устройства могут работать как на выдачу, так и на потребление реактивной мощности. Регулирование реактивной мощности происходит плавно и в широких пределах. С другой стороны, при работе тиристорных ключей возникают высшие гармоники, что требует введения в схему фильтров. Кроме того, СТК неэффективны в слабых сетях.Применение СТК в энергосистеме позволяет решить проблему изменения реактивного тока и сгладить колебания напряжения в узлах нагрузки и непосредственно у потребителя. Срок окупаемости затрат на СТК составляет в среднем от 0,5 до 1 г.. Например, применение СТК на одном из российских металлургических предприятий увеличило коэффициент мощности нагрузки с 0,7 до 0,97, снизило колебания напряжения питающей сети в 3 раза, снизило время одной плавки металла со 150 мин. до 130 мин. и удельный расход электрической энергии на тонну выплавленной стали на 4%.

Рис. 3 СТК российского производства в Анголе

СТАТКОМ

СТАТКОМ – статический компенсатор реактивной мощности. Он предназначен для регулирования реактивной мощности в широких пределах (плюс-минус 100%). СТАТКОМ отличается от описанного выше СКРМ иным устройством, увеличенным набором функций и улучшенными характеристиками. Упрощенно, СТАТКОМ, это преобразователь напряжения на управляемых силовых тиристорах (или транзисторах), включенный через ТС параллельно линии в узле сети, к которому подключена линия (рис. 4). Принцип работы СТАТКОМ идентичен принципу работы агрегатов бесперебойного питания: из напряжения источника постоянного тока за счет широтно-импульсной модуляции и использования фильтра гармоник формируется синусоидальное напряжение частотой 50 Гц±3 Гц. Главное свойство СТАТКОМ – способность генерировать ток любой фазы относительно напряжения сети. То есть СТАТКОМ обеспечивает регулирование значения выходного напряжения и его фазы. Регулирование происходит за счет изменения реактивной мощности, потребленной или выданной в сеть.

Рис. 4 Схема СТАТКОМ

Специалисты считают, что сегодня СТАТКОМ – наиболее совершенное статическое устройство FACTS. Он обладает высоким быстродействием, малым содержанием высших гармоник, малыми габаритами, может использоваться в любых электрических сетях. Использование СТАТКОМ позволяет не только регулировать напряжение, но и увеличивать пропускную способность сети, оптимизировать потоки мощности, улучшать форму кривой напряжения и т.д. Модификация СТАТКОМа – активный фильтр – позволяет компенсировать все высшие гармоники в сетях.

Рис. 5 Внешний вид СТАТКОМ

Фазоповоротные устройства

Фазоповоротное устройство (ФПУ) воздействует на угол передачи и соответственно на изменение передаваемой по линии мощности. Простейшая схема ФорсПУ (рис. 6) состоит из двух ТС: параллельного Т1 и последовательного Т2, создающего вектор дополнительного напряжения в линии, перпендикулярно направленного к вектору U1, что формирует фазовый сдвиг по отношению к основному напряжению на некоторый регулируемый угол. Вариант ФорсПУ с тиристорным управлением обладает быстродействием, способен влиять не только на распределение потоков активной мощности, но и на пределы динамической устойчивости.

Рис. 6 Схема фазоповоротного устройства

При включении в сеть ФорсПУ, электроэнергия распределяется по линиям электропередач пропорционально косинусу разности фазовых углов напряжения на входе и выходе линии. Там, где между двумя точками существуют параллельные цепи с разной емкостью, прямое управление величиной фазового угла позволяет контролировать распределение потока электрической энергии между ними, предотвращая перегрузки.Следует заметить, что ФорсПУ принципиально отличается от описанных выше статических тиристорных компенсаторов (СКРМ, СТК, СТАТКОМ). Хотя все эти устройства изменяют передаваемую по линии мощность, но они воздействуют на разные параметры. Статические компенсаторы воздействуют на напряжение, а ФорсПУ – на угол передачи.

Вставки постоянного тока

Вставка постоянного тока (ВПТ) – это преобразовательная ПС, в которой инверторы (устройства для преобразования постоянного тока в переменный) и выпрямители находятся в одном месте. ВПТ предназначена для преобразования переменного тока в постоянный и последующего преобразования постоянного тока в переменный исходной или иной частоты. Вставки постоянного тока используются для: соединения магистральных линий различной частоты или двух электрических сетей той же самой номинальной частоты, но разных нефиксированных фазовых сдвигов.Самая известная в Рф и самая крупная в мире (передаваемая мощность – 1400 МВт) вставка постоянного тока установлена на подстанции Выборгская (Ленинградская область), построенной специально для передачи электрической энергии в Финляндию. На энергообъекте установлены четыре блока комплектных выпрямительно-преобразовательных устройств (КВПУ) по 350 МегаВт. В отличие от большинства других ВПТ, устройство в Выборге может передавать электроэнергию только в одну сторону – от энергетические системы Рф в энергосистему Финляндии.

По сравнению с СТК и другими традиционными устройствами компенсации реактивной мощности СТАТКОМ имеет ряд преимуществ:

Лучшие динамические характеристики;
Возможность поддержания номинального емкостного выходного тока при низком напряжении системы, что, в свою очередь, обеспечивает более высокую динамическую устойчивость передачи по сравнению с СТК;
Благодаря высокой частоте переключения приборов, СТАТКОМ может осуществлять активную фильтрацию гармонических токов нагрузки;
Требует меньше места для установки (приблизительно в два раза по сравнению с СТК);
Меньший уровень активных потерь.

Теория СТАТКОМа

СТАТКОМ представляет собой управляемый источник напряжения (УИН) с внутренним сопротивлением, практически равным нулю. Его подключение к сети производится через линейный реактор, обеспечивающий преобразование разности напряжений сети и УИН в выходной ток СТАТКОМа, т.е. превращения источника напряжения в источник тока (рис.1).

Рис. 1. Однолинейная схема подключения СТАТКОМа к сети

Векторная диаграмма напряжений, иллюстрирующая режимы работы СТАТКОМа, показана на рисунке 2. В режиме потребления реактивной мощности выходное напряжение преобразователя меньше напряжения линии и находится с ним в фазе. В режиме генерации - выходное напряжение преобразователя больше напряжения на линии и так же в фазе с ним.

Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений в различных режимах работы СТАТКОМа

1. Одноуровневый СТАТКОМ

Одноуровневый СТАТКОМ с подключением к шинам 6-10 кВ через понижающий трансформатор. Такие устройства используются в распределительных сетях промышленных предприятий и энергосистем для решения локальных задач улучшения показателей качества электроэнергии, симметрирования нагрузки и компенсации реактивной мощности.

Пример однолинейной схемы одноуровневого СТАТКОМа представлен на рис 3. Схема включает в себя трехфазный инвертор напряжения с номинальным напряжением 550 - 600 В, понижающий трансформатор, сетевой фильтр и коммутационную аппаратуру.

Рис.3. Однолинейная схема СТАТКОМа

Перечень основного оборудования, комплекта поставки СТАТКОМ

Наименование	Кол-во	Стандарт
Трехфазный инвертор напряжения на основе полностью управляемых вентилей с использованием широтно-импульсной модуляции с жидкостным охлаждением для быстрого контроля реактивной мощности	1	IEC 146-2 IEC61800-3 EN 50178
Трехфазный реактор со стальным сердечником	1	IEC289
Трехфазный сетевой фильтр	1	EN60831
Трехфазный разъединитель между трансформатором и инвертором	1	EN62271
Система управления и защиты для симметрирования напряжения, защиты, контроля и т.д.	1	EN 60439-1 EN60529
Шкаф для размещения оборудования позиций 1.1-1.5 с двухсторонним доступом, освещением и цепями питания (4000х1000х2300мм, общий вес поз.1.1-1.6: 5500 кг)	1	IEC 439-1
Шкаф системы жидкостного охлаждения с двумя насосами и теплообменным агрегатом типа «вода-вода» (2100х950х1800 мм, вес 1200 кг)	1	--
Трехфазный силовой трансформатор сухой с естественным воздушным охлаждением внутренней установки	1	IEC 76

В комплект поставки оборудования СТАТКОМ также входят

комплектующие и материалы для монтажа внутренних соединений преобразователя;
запасные части на время проведения пуско-наладочных работ;
комплект эксплуатационной документации на оборудование СТАТКОМ

Система управления СТАТКОМа

Система управления СТАТКОМа осуществляет непрерывный контроль сетевого напряжения и тока нагрузки, осуществляет симметрирование активной мощности, компенсацию реактивной мощности нагрузки и стабилизацию напряжения на шинах среднего напряжения, а также мониторинг состояния оборудования СТАТКОМа и его защиту в аварийных ситуациях.
Система управления поставляется в шкафном исполнении.
Класс защиты шкафа от попадания твердых предметов и воды - IP 31 по ГОСТ 14254-96.
Цвет шкафа - RAL 7035.

Ширина 1200 мм
Глубина 1000 мм
Высота 2300 мм
Вес 500 кг

Система водяного охлаждения

Основными параметрами, контролируемыми автоматикой системы охлаждения, являются:

температура теплоносителя,
проводимость теплоносителя
расход теплоносителя
давление в контуре охлаждения тиристорного преобразователя (инвертора)
Класс защиты шкафа системы охлаждения от попадания твердых предметов и воды - IP 31 по ГОСТ 14254-96

Предварительные габаритные размеры шкафа:

Ширина 950 мм
Глубина 2100 мм
Высота 1793 мм
Вес, не более 1000 кг

Условия эксплуатации:

2. Многоуровневый СТАТКОМ

Многоуровневые СТАТКОМы подключаемые непосредственно на шины среднего напряжения от 6 до 35 кВ. Многоуровневые СТАТКОМы применяются для снижения вредного воздействия на сеть мощных быстропеременных нагрузок типа дуговых сталеплавильных печей и повышения динамической устойчивости в сетях высокого напряжения.

На рисунке 4 в качестве примера показана фаза 7-ми уровневого преобразователя на базе Н-моста и форма его выходного напряжения в режиме генерации реактивной мощности. Для каскадного многоуровневого инвертора полное выходное напряжение является суммой выходных напряжений отдельных модулей H-мостов. Каждое отдельное выходное напряжение получается с использованием ШИМ модуляции со сдвигом фазы коммутации для каждого моста. Особенностью данной конфигурации преобразователя является то, что при увеличении класса напряжения, а, следовательно, и числа последовательно включенных Н-мостов, форма выходного напряжения все более приближается к идеальной синусоиде.

Рис. 4. Фаза 7-ми уровневого преобразователя на базе Н-моста и форма выходного напряжения в режиме генерации реактивной мощности.

С появлением мощных высоковольтных полностью управляемых приборов типа IGCT и IGBT началось внедрение нового типа устройств, называемых СТАТКОМ (статический синхронный компенсатор), задачей которых является улучшение качества электроэнергии и повышение эффективности систем ее передачи и распределения за счет компенсации реактивной мощности , регулирования напряжения и повышения устойчивости работы энергосистем. По сравнению с СТК и другими традиционными устройствами компенсации реактивной мощности СТАТКОМ имеет ряд преимуществ, приведенных ниже:
. Лучшие динамические характеристики;
. Возможность поддержания номинального емкостного выходного тока при низком напряжении системы, что, в свою очередь, обеспечивает более высокую динамическую устойчивость передачи по сравнению с СТК;
. Благодаря высокой частоте переключения приборов, СТАТКОМ может осуществлять активную фильтрацию гармонических токов нагрузки;
. Требует меньше места для установки (приблизительно в два раза по сравнению с СТК);
. Меньший уровень активных потерь.

1 Теория СТАТКОМа

Рис. 1. Однолинейная схема подключения СТАТКОМа к сети

Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений в различных режимах работы СТАТКОМа

Наша компания производит два типа СТАТКОМа:
. Одноуровневые типа D-СТАТКОМ с подключением к шинам 6-10 кВ через понижающий трансформатор. Такие устройства используются в распределительных сетях промышленных предприятий и энергосистем для решения локальных задач улучшения показателей качества электроэнергии, симметрирования нагрузки и компенсации реактивной мощности.
. Многоуровневые бестрансформаторные СТАТКОМы, подключаемые непосредственно на шины среднего напряжения от 6 до 35 кВ. Многоуровневые СТАТКОМы применяются для снижения вредного воздействия на сеть мощных быстропеременных нагрузок типа дуговых сталеплавильных печей и повышения динамической устойчивости в сетях высокого напряжения. .

Описание D-СТАТКОМа

Пример однолинейной схемы D-СТАТКОМа представлен на рис 1. Схема включает в себя трехфазный инвертор напряжения с номинальным напряжением 550 - 600 В, понижающий трансформатор, сетевой фильтр и коммутационную аппаратуру.

Рис.1. Однолинейная схема СТАТКОМа

Перечень основного оборудования, входящего в объем поставки комплекта СТАТКОМ, приведен в таблице 1.

Таблица 1.

	Наименование	Кол-во	Стандарт
1.1	Трехфазный инвертор напряжения на основе полностью управляемых вентилей с использованием широтно-импульсной модуляции с жидкостным охлаждением для быстрого контроля реактивной мощности	1	IEC 146-2 IEC61800-3 EN 50178
1.2	Трехфазный реактор со стальным сердечником.	1	IEC289
1.3	Трехфазный сетевой фильтр.	1	EN60831
1.4	Трехфазный разъединитель между трансформатором и инвертором	1	EN62271
1.5	Система управления и защиты для симметрирования напряжения, защиты, контроля и т.д.	1	EN 60439-1 EN60529
1.6	Шкаф для размещения оборудования позиций 1.1-1.5 с двухсторонним доступом, освещением и цепями питания (4000х1000х2300мм, общий вес поз.1.1-1.6: 5500 кг)	1	IEC 439-1
1.7	Шкаф системы жидкостного охлаждения с двумя насосами и теплообменным агрегатом типа «вода-вода» (2100х950х1800 мм, вес 1200 кг)	1
2	Трехфазный силовой трансформатор сухой с естественным воздушным охлаждением внутренней установки	1	IEC 76

В комплект поставки оборудования СТАТКОМ также входят

комплектующие и материалы для монтажа внутренних соединений преобразователя;
запасные части на время проведения пуско-наладочных работ;
комплект эксплуатационной документации на оборудованиеСТАТКОМ

Система управления СТАТКОМа

Ширина 1200 мм
Глубина 1000 мм
Высота 2300 мм
Вес 500 кг

Примерный вид шкафов тиристорного преобразователя (инвертора) с системой управления представлен на рис. 2.

Рис.2. Внешний вид шкафов тиристорного преобразователя (инвертора) и системы управления СТАТКОМ.

Система водяного охлаждения

Система водяного охлаждения СТАТКОМ оборудована двумя насосами, один из которых является резервным, фильтрами грубой и тонкой механической очистки деионизированной воды, а также средствами измерения и контроля основных параметров теплоносителя.
Основными параметрами, контролируемыми автоматикой системы охлаждения, являются:
- температура теплоносителя,
- проводимость теплоносителя,
- расход теплоносителя,
- давление в контуре охлаждения тиристорного преобразователя (инвертора).
Класс защиты шкафа системы охлаждения от попадания твердых предметов и воды - IP 31 по ГОСТ 14254-96.
Предварительные габаритные размеры шкафа:

Ширина 950 мм
Глубина 2100 мм
Высота 1793 мм
Вес, не более 1000 кг

Условия эксплуатации:
Высота над уровнем моря: не более 1000 м
Климат: континентальный
Мин/Макс. температура окружающей среды:
для оборудования внутренней установки: +20°С/+30°C
Уровень загрязнения: средний
Уровень влажности: 30-100%, без конденсата

Описание многоуровневого СТАТКОМа

В случае прямого (бестрансформаторного) подключения СТАТКОМа к сетям среднего класса напряжения применяются многоуровневые преобразователи. Одним из таких преобразователей является преобразователь на основе Н-мостов. Важнейшим достоинством данной конфигурации является её модульность, что позволяет легко производить масштабирование СТАТКОМа при переходе к различным уровням напряжения и облегчает условия эксплуатации и обслуживания электроустановки.
На рисунке 1 в качестве примера показана фаза 7-ми уровневого преобразователя на базе Н-моста и форма его выходного напряжения в режиме генерации реактивной мощности. Для каскадного многоуровневого инвертора полное выходное напряжение является суммой выходных напряжений отдельных модулей H-мостов. Каждое отдельное выходное напряжение получается с использованием ШИМ модуляции со сдвигом фазы коммутации для каждого моста. Особенностью данной конфигурации преобразователя является то, что при увеличении класса напряжения, а, следовательно, и числа последовательно включенных Н-мостов, форма выходного напряжения все более приближается к идеальной синусоиде.

Рис. 1. Фаза 7-ми уровневого преобразователя на базе Н-моста и форма выходного напряжения в режиме генерации реактивной мощности.

Пилотный проект многоуровневого СТАТКОМа был реализован в 2011 г. в энергосистеме China Southern Power Grid. Установка, содержащая 2 СТАТКОМа, была смонтирована на ПС 500 кВ энергосистемы China Southern Power Grid (Китай).
В таблице 1 представлены основные характеристики установки.

Каждая фаза преобразователя содержит 26 последовательно соединенных модулей HBMU, два из которых являются избыточными. Предусмотрено автоматическое шунтирование поврежденного модуля при его отказе. На рис.2-а приведена топология СТАТКОМА. Принцип смещенной ШИМ-модуляции обеспечивает эквивалентную частоту коммутации 10 кГц при частоте коммутации одного моста 400 Гц, что минимизирует содержание высших гармоник в выходном напряжении и токе, форма которых приведена на рис.2-б.

Рис. 2. Топология СТАТКОМа (а) и форма выходного тока и напряжения (б)

Фаза преобразователя, состоящая из 26 модулей HBMU (фото на рис. 3) монтируется в виде одной конструкции и помещается внутри одного контейнера. Там же размещается система жидкостного охлаждения. Общая система управления установлена в отдельном контейнере. Два преобразователя с фазными реакторами подключаются к сети 500 кВ через специальный трансформатор 500/35 кВ.

Рис. 3. Фото одной фазы преобразователя

Рис. 4. Общий вид установки

Функциональные испытания пилотного образца, включающего два СТАТКОМа на напряжение 35 кВ и номинальную мощность ±100 Мвар, дали следующие результаты:

. Время отклика (задержки) на ступенчатое изменение уставки не превышает 4 мс;
. Полное восстановление работы СТАТКОМА происходит через 0,26 сек после пробоя любого моста.
. Суммарный уровень высших гармоник до 50 порядка в выходном токе составил около 1,2%.
. Суммарные потери не превысили 2,1 МВт или 1,05% от полной реактивной мощности установки.

Аналитика - Электрические сети

Какова роль управляемых устройств компенсации реактивной мощности типа СТАТКОМ, кем они производятся и где применяются?

Член семьи FACTS

По мнению экспертов, актуальность применения устройств компенсации реактивной мощности в энергетике очевидна, а высокая роль этих установок неоднократно доказывалась. Все устройства компенсации реактивной мощности можно классифицировать на статические и динамические: к статическим относятся одиночные конденсаторы, батареи статических конденсаторов (БСК), фильтры гармоник; к динамическим — управляемые, регулируемые устройства, входящие в понятие FACTS (Flexible AC Transmission System) — системы гибкого регулирования передачи электроэнергии переменного тока.

«FACTS позволяют отслеживать мгновенные характеристики энергообмена и создавать тот или иной режим компенсации, — рассказывает Александр Ильин, территориальный менеджер группы высоковольтных коммутационных аппаратов компании АББ. — К ним относятся асинхронные компенсаторы (АК), устройства управляемой продольной компенсации (УПК), статические тиристорные компенсаторы (СТК) и устройства типа СТАТКОМ, которые отличаются от классического СТК тем, что управляются IGBT, то есть биполярными транзисторами с изолированным затвором, а не IGCT - управляемыми тиристорами. Применение IGBT позволяет сократить установленную реактивную мощность установки примерно в два раза, и время реагирования системы, что в свою очередь, позволяет такой установке бороться с так называемым «фликер - эффектом» (ненормативные отклонения и колебания частоты сети и напряжения — Прим. ред.)».

На сегодняшний день интерес к системам FACTS и, в частности к СТАТКОМ, связан с постепенной интеллектуализацией энергосистем. В активно-адаптивных, или «умных», сетях такие характеристики FACTS, как широкие рабочие диапазоны регулирования и высокое быстродействие, становятся особенно востребованными. Специалисты отрасли полагают, что использование динамических устройств компенсации реактивной мощности может помочь в решении таких актуальных проблем, как недостаточная пропускная способность линий, слабая управляемость сетей, неоптимальное распределение потоков мощности по параллельным линиям и т.д.

СТК АББ в Магнитогорске на ММК, 35 кВ, 0/180 Мвар (фото предоставлено АББ)

«Требования к эффективности эксплуатации сетей сегодня растут, при этом увеличение мощности уже ограничено, а дистанционная передача реактивной мощности нереальна — требуется локальная компенсация, — отмечает Шэнь Фэй, д.т.н., директор центра разработок СТАТКОМ, Sieyuan Electric Co. (Китай). — Зачастую источники генерации находятся далеко от центра нагрузки, дистанционная передача электроэнергии требует решений, которые гарантируют стабильность и контроль напряжения с помощью компенсации реактивной мощности.

В распределительных сетях существует большой объем индуктивной нагрузки, которая потребляет огромную реактивную мощность и влечет за собой увеличение потерь в распределительных системах; потребители распределительных сетей часто сталкиваются с нелинейной нагрузкой и волновой нагрузкой, которая не только ведет к недостаточной компенсации или перекомпенсации реактивной мощности и последующему повышению потери из-за тока реактивной мощности, но и создает соответствующие колебания напряжения, влияющее на безопасность всех потребителей, подключенных к данной сети. Технология динамической компенсации реактивной мощности на основе IGBT призвана удовлетворить растущие требования потребителей к качеству электроэнергии, не смотря на существующие проблемы».

Однако СТАТКОМ интересен с точки зрения систем не только переменного, но и постоянного тока. На сегодняшний день в Единой энергосистеме России СТАТКОМ внедряется в первую очередь именно для создания вставок постоянного тока. Далее мы подробнее поговорим об этом.

СТАТКОМ или СТК?

В ряде публикаций отмечается, что на сегодняшний день СТАТКОМ — наиболее совершенное устройство компенсации реактивной мощности, своего рода вершина эволюции. К его преимуществам относят многофункциональность, высокое быстродействие, малое содержание высших гармоник, малые размеры, позволяющие до двух раз сократить занимаемую площадь по сравнению с СТК.

СТАТКОМ показывает куда меньшую вероятность появления резонансных явлений, а при снижении напряжения переходит в режим постоянного источника тока, обеспечивая постоянное выходное напряжение, в отличие от систем СТК. Также к плюсам СТАТКОМ относят возможность поддержания номинального емкостного выходного тока при низком напряжении системы, что, в свою очередь, обеспечивает более высокую динамическую устойчивость передачи по сравнению с СТК.

Несмотря на многочисленные преимущества, первые сообщения о которых появились еще в конце 1990-х гг., пока рано говорить о том, что СТАТКОМ стал широко распространенным явлением. По всей вероятности, причиной тому высокая стоимость устройства. Более того, для ряда применений в нем просто нет острой необходимости. Существует мнение, что применение СТАТКОМ вместо СТК в электрических сетях не так актуально, как его внедрение в сетях резко переменных нагрузок промышленных предприятий, к примеру, металлургических.

«Для большинства потребностей энергосистемы России не требуется применения СТАТКОМ, ведь время реакции установки СТК вполне достаточно для решения задач энергетики, — считает Александр Ильин. — Качественные СТК способны обеспечить баланс мощности между двумя энергосистемами, контроль уровня напряжения и его стабилизацию, повышение качества электроэнергии, увеличение надежности системы, сокращение потерь и др. Подобное оборудование применимо практически в любой отрасли энергетики: будь то железнодорожный электрифицированный транспорт, заводы с резкопеременной нагрузкой или нефтедобыча. СТАТКОМ — более дорогое исполнение, и по-настоящему он необходим, когда стоит задача бороться с выраженным фликер-эффектом, однако такое требование в конкурсах встречается крайне редко. Также СТАТКОМ актуален, если необходимо сократить площадь установки».

СТАТКОМ на российском рынке

Сложность оборудования и отсутствие широкого рынка сбыта сказывается на количестве игроков рынка, и все же несколько компаний занимается темой СТАТКОМ в России. Это крупные международные производители — АББ, Сименс, Альстом. Азиатские, в частности китайские компании предпринимают попытки выхода на российский рынок, из наиболее известных можно назвать Hitachi. К счастью, есть и российские компании, предлагающие СТАТКОМ. В некоторых случаях отечественные производители используют оборудование зарубежных поставщиков, дополняя его своим программным обеспечением.

Первый пилотный образец отечественного устройства мощностью 50 Мвар был разработан ОАО «НТЦ электроэнергетики» ФСК ЕЭС совместно с ООО «НПЦ Энерком-Сервис». Устройство было задумано как базовый элемент для создания инновационных систем компенсации реактивной мощности и управления потоками электроэнергии, включая современные линии электропередачи и вставки постоянного тока. По словам разработчиков, отечественный СТАТКОМ отличается от зарубежных аналогов тем, что в нем использованы только транзисторные вентили. Такой подход создает возможность более гибкого управления и дополнительного снижения потерь.

СТК в Нефтедобыче, Греция, 135кВ, -8/+36Мвар (фото предоставлено АББ)

Пилотный образец устройства был предназначен для установки на ПС 330/400 кВ «Выборгская» для повышения надежности работы вставки постоянного тока, предназначенной для экспорта электроэнергии в Финляндию.

Другая вставка постоянного тока создается в Забайкальском крае на ПС 220 кВ «Могоча» для несинхронной связи энергосистем Сибири и Востока, на сегодняшний день работающих изолировано. СТАТКОМ сюда поставляет ООО «НПЦ Энерком-Сервис». Оборудование данного производителя закладывалось и на других объектах, в частности при проектировании ВЛ 500 кВ Усть Кут — Нижнеангарская с ПС 500 кВ Нижнеангарская.

«При выполнении расчетов электрических режимов и устойчивости энергосистем мы неоднократно учитывали вставки постоянного тока, в том числе вставки постоянного тока мощностью 200 МВт для создания несинхронной связи энергосистем Сибири и Востока, выполненные на базе СТАТКОМ, разработанном ООО «НПЦ Энерком-Сервис», — сообщает Алексей Жидков, главный инженер Сибирского института проектирования энергетических систем Департамента электрических сетей ЗАО «Сибирский ЭНТЦ»

Другой российский производитель — ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ» предлагает два типа СТАТКОМ. Первый — одноуровневые D-СТАТКОМ с подключением к шинам 6-10 кВ через понижающий трансформатор. Они предназначены для улучшения качества электроэнергии, симметрирования нагрузки и компенсации реактивной мощности в распределительных сетях промышленных предприятий. Второй тип — многоуровневые бестрансформаторные СТАТКОМ, подключаемые непосредственно на шины среднего напряжения 6-35 кВ. Такие устройства применяются для снижения воздействия на сеть мощных быстропеременных нагрузок и повышения динамической устойчивости в сетях высокого напряжения.

В предложении Hitachi также фигурирует D-STATCOM. Устройство позиционируется как компактный источник или приемник реактивной мощности, контролирующий напряжение в сети.

СТАТКОМ производства АББ носит товарное имя SVC Light. Компания активно занимается производством устройств с использованием технологии FACTS с 1972 г., за это время ввела более 500 установок по всему миру. АББ обладает собственными заводами по производству силовой полупроводниковой электроники (IGBT, IGCT), конденсаторов и т.д. и поставляет оборудование вместе с программным обеспечением собственной разработки.

СТАТКОМ на ПС 220 кВ Могоча в Забайкальском крае (фото ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»)

В поисках своего места

В завершении краткие комментарии наших экспертов, относительно роли СТАТКОМ в развитии современных, в том числе интеллектуальных, энергосистем.

По мнению Шэнь Фэя, статические устройства динамической компенсации реактивной мощности (СТАТКОМ) в настоящее время — важнейший элемент в составе системы гибкой передачи переменного тока, которая уже успешно эксплуатируется в США, Германии, Японии и Китае.

«Не только СТАТКОМ, но и полноценная установка СТК представляет собой «умную сеть», позволяющая в реальном времени следить за состоянием сети, вовремя реагировать и влиять на протекающие в ней процессы, исключая негативные последствия влияния резкопеременной нелинейной нагрузки», — убежден Александр Ильин.

«Как и в отношении любого инновационного оборудования, позволяющего поддерживать в сложных режимных условиях требуемый уровень и качество напряжения и мощности, повышать пропускную способность электропередач, регулировать перетоки мощности, перспективы СТАТКОМ видятся в возможности решения задач электросетевого комплекса на качественно новом уровне», — считает Алексей Жидков.

Сейчас сложно говорить о том, какое место займут СТАТКОМ в российских электросетях в будущем. На сегодняшний день оборудование применяется точечно — на участках с «особыми потребностями», и пока нет никаких свидетельств в пользу того, что устройство существенно подешевеет и станет повсеместно применяемым. Будет ли данное высокотехнологичное решение и дальше использоваться только в узкоспециализированных нишах, покажет время.

Иван Благодатский

На заставке: СТК Light® (СТАТКОМ) в металлургии (фото предоставлено АББ)

От редакции: По мнению некоторых экспертов, сотрудничающих с сайт, подходы и терминология, использованные в статье, являются спорными. Кроме того, специалисты ряда российских компаний не смогли дать свои комментарии по теме на момент опубликования. Если вы хотите выразить свое мнение или поспорить с автором, обращайтесь в редакцию, которая будет рада предоставить вам возможность публично высказать свою точку зрения.