Реактивная мощность - это технические потери электроэнергии, вызванные электромагнитными процессами в сетях. Недостаток её вызывает повышенный нагрев проводников и создает избыточную нагрузку на сеть, в результате чего источник электроэнергии работает в усиленном режиме. Если средства компенсации мощности не предусмотрены, то за потребление реактивной энергии из сети приходится переплачивать значительные суммы.

Существенные реактивные нагрузки становятся причиной понижения напряжения в электросети и ухудшения качества электропитания. Помимо того, чрезмерно нагружаются линии электропередач и трансформаторное оборудование, в результате чего увеличиваются капитальные затраты на обустройство и эксплуатацию электрораспределительных станций.

Исторический обзор решений для динамической компенсации реактивной мощности с начала применения переменного тока для передачи электроэнергии до наших дней

Передача электрической энергии с использованием переменного тока началась еще в конце 19 века, заменяя существовавшие небольшие локальные системы постоянного тока. При расширении локальных систем энергоснабжения и обеспечении передачи на дальние расстояния возникали различные проблемы с управлением напряжением и стабильностью, связанные в первую очередь с небалансом реактивной мощности в системах. Для управления напряжениями стационарной системы в основном использовалась коммутируемая компенсация реактивной мощности (шунтирующие конденсаторы и шунтирующие реакторы). Динамический способ основывался на вращающихся машинах, например синхронных компенсаторах.

В середине 60-х годов 20 века появились первые статические компенсирующие устройства реактивной мощности, то есть реакторы, управляемые постоянным током (ртутные вентили) и устройства, управляемые тиристорами (конденсаторы с тиристорным управлением, реакторы с тиристорным управлением).Малое время отклика, низкие потери и меньшие требования к техническому обслуживанию сняли многие ограничения, присущие вращающимся машинам и устройствам, управляемым постоянным током. Оценка рабочих потерь имеет своим результатом всё большее увеличение использования статических конденсаторных установок реактивной мощности, состоящих из комбинаций ветвей конденсаторов и реакторов с тиристорным управлением. Эти шунтирующие устройства совместно с последовательными конденсаторами с тиристорным управлением составили основу гибких систем передачи переменного тока (FACTS). FACTS позволяет более эффективно использовать системы передачи благодаря улучшенному динамическому управлению напряжением системы с одной стороны и более высокой пропускной способностью с другой стороны. В системах передачи переменного тока в настоящее время установлены статические конденсаторные установки реактивной мощности общей мощностью более 100 000 МВА.

В устройствах FACTS стали использоваться новые силовые электронные приборы (GTO, IGCT, IGBT), которые позволяют использовать преобразователи тока и напряжения для обеспечения быстродействующей компенсации реактивной мощности. На основе дальнейшего развития систем управления, совершенствования полупроводниковых приборов и новых технологий преобразователей напряжения в настоящее время компенсация реактивной мощности является ключевым фактором для надёжной передачи энергии переменного тока. В данной статье вашему вниманию предлагается обзор положений в области систем передачи от начала применения первых УКРМ до существующего в настоящее время положения. Также сравниваются ранние решения и современные устройства, приводятся основные факторы и этапы совершенствования установок и обсуждаются преимущества современных устройств.

Передача энергии переменного тока началась в конце 19 века. Развитие шло от низких уровней напряжения и ограниченных районов до больших расстояний, высоких мощностей и всё более возрастающего напряжения передачи. На рис. 1 приводится примерная картина возрастания напряжения систем передачи от года к году.

Генерация электрической энергии и её потребители обычно не находятся близко друг от друга. Большие города и большие промышленные регионы часто получают электроэнергию от источников, находящихся на большом расстоянии. Составляющие системы и нагрузка включают в себя источники реактивной мощности (конденсаторы и катушки индуктивности), которые оказывают влияние на профиль напряжения сети и стабильность системы. Линии передачи высоковольтных систем (735 кВ) могут иметь до 200 Мвар емкостной мощности на длину 100 км. Кабельные соединения могут давать даже большую реактивную мощность. Большие нагрузки, содержащие электрические дуговые печи или мощные приводы, могут иметь до 100 Мвар индуктивной реактивной мощности. Без соответствующей компенсации реактивной мощности в длинных линиях передачи могут наступить критические условия работы системы из-за сильных колебаний напряжения и проблем со стабильностью. Эти проблемы могут быть решены с помощью схем параллельной и последовательной компенсации.

Активная мощность

Если нагрузка чисто резистивная, без индуктивных или емкостных компонентов (реактивной мощности), например, электрический нагреватель, кривые напряжения и тока пересекают координатную ось (проходят через ноль) в одной точке (рис. 1.1).

В этом случае говорят, что напряжение и ток находятся «в фазе». Точки кривой мощности (P) рассчитывается как произведение мгновенных значений напряжения (V) и тока (I). Эта кривая имеет частоту в 2 раза выше частоты напряжения питания и полностью находится в положительной области, так как произведение двух отрицательных чисел является положительным числом, так же, как, естественно, произведение двух положительных чисел.

Рис. 1.1. Кривые напряжения, тока и мощности для чисто резистивной нагрузки (φ = 0°)

В этом случае:

(-V) · (-I) = (+P)

Активная или полезная мощность определяется как составляющая мощности, которая преобразуется в другую форму (например, тепло, свет, механическую энергию) и регистрируется счётчиком электроэнергии. При чисто резистивной или омической нагрузке она вычисляется путём перемножения эффективных значений напряжения [V] и тока [I]:

P (Вт) = V (В) · I (А)

Активная и реактивная мощность

На практике, однако, чисто резистивные нагрузки не являются типичными, обычно также имеется и индуктивная составляющая. Это относится ко всем потребляющим электроэнергию устройствам, принцип работы которых основан на использовании магнитного поля, к примеру, электродвигателям, дросселям, трансформаторам. Также реактивный ток необходим для процессов коммутации в силовых преобразователях. Ток, используемый для создания и изменения магнитного поля, не рассеивается, а циркулирует туда и обратно как реактивный ток между генератором и потребителем.

Как показано на рисунке 1.2, кривые напряжения и тока уже не проходят через ноль в одной точке, а имеется смещение фазы. При индуктивной нагрузке ток отстаёт от напряжения, а при емкостной – ток опережает напряжение. При расчёте мгновенных значений мощности по формуле (P) = (V)·(I) теперь получаются отрицательные значения, если один из множителей отрицательный.

В этом примере фазовый сдвиг φ = 45°. Это соответствует индуктивному cosφ = 0,707. Как видим, часть кривой мощности находится в отрицательной области.

Активная мощность в этом случае определяется по формуле:

P (Вт) = V (В) · I (А) · cosφ

Реактивная мощность

Чисто индуктивная реактивная мощность потребляется двигателями и трансформаторами, работающими без нагрузки (если пренебречь потерями в меди, железе и, при их наличии, потерями на трение). Можно считать, что имеют чисто емкостную реактивную мощность, так как они имеют очень низкие потери (менее 0,05%).

Если напряжение и ток имеют сдвиг по фазе на 90°, одна половина кривой мощности находится в положительной области, а другая – в отрицательной (рис. 1.3). Активная мощность равна нулю, так как положительная и отрицательная области уравновешивают друг друга.

Реактивная мощность определяется как мощность, которая циркулирует между генератором и нагрузкой на частоте питающего напряжения для обеспечения нарастания и спада магнитного поля.

Q (вар) = V (В) · I (А) · sinφ

Полная мощность

Значение полной мощности является основным параметром при выборе номинальных параметров сетей энергоснабжения. На полную мощность системы должны рассчитываться генераторы, трансформаторы, распределительные устройства, предохранители, автоматические выключатели и проводники.

Значение полной мощности – это результат произведения значений напряжения и тока без учёта фазового сдвига.

S (Вт) = V (В) · I (А)

Полная мощность определяется как векторная сумма активной и реактивной мощностей.

Рис. 1.4. Треугольник мощностей

Коэффициент мощности (cosφ и tgφ)

Удобным параметром для определения активного и реактивного компонентов мощности, напряжения и тока является косинус угла сдвига фаз (фазовый угол) между током и напряжением. В электротехнической практике этот параметр получил название «коэффициент мощности».

Коэффициент мощности (cos) фазового угла φ при полной нагрузке маркируется на электрических машинах.

cosφ = P/S(Вт) / (ВА)

Тангенс (tg) фазового угла φ удобен для выражения отношения реактивной мощности к активной.

tgφ = Q/P(Вт) / (ВА)

Два следующих выражения показывают соотношение между косинусом и тангенсом фазового угла φ.

Так как система распределения электроэнергии должна быть рассчитана на полную мощность, предпринимаются усилия для снижения её значения. Если параллельно потребителю электроэнергии установлены конденсаторы соответствующей величины, реактивный ток циркулирует между конденсатором и потребителями. Это значит, что этот дополнительный ток не протекает по остальной части распределительной сети. Если, таким способом, достигнут коэффициент мощности, равный единице, через систему распределения протекает только активный ток.

Реактивная мощность QC, скомпенсированная конденсатором, - это разность между индуктивной реактивной мощностью до компенсации Q1 и реактивной мощностью после компенсации Q2, то есть

QC (вар) = P (Вт) · (tgφ1 – tgφ2)

Рис. 1.5. Треугольник мощностей, иллюстрирующий действие компенсации реактивной мощности

Необходимость компенсации реактивной мощности

Реактивный ток, циркулирующий между генератором энергоснабжающей компании и потребителем, преобразуется в тепловую энергию в системе распределения электроэнергии, то есть создаётся дополнительная нагрузка на генераторы, трансформаторы, кабели и распределительное устройство.

Это приводит к потерям электроэнергии и падению напряжения. Если доля реактивного тока высока, имеющиеся сечения проводников не могут полностью использоваться для передачи полезной энергии, возможно, их нужно соответственно увеличить.

С точки зрения энергоснабжающей компании низкий коэффициент мощности приводит к увеличению затрат на инвестиции и обслуживание, и эти дополнительные затраты перекладываются на тех, кто за них ответственен, то есть на потребителей с низким коэффициентом мощности. Поэтому в дополнение к счётчику активной энергии устанавливается счётчик реактивной энергии.

Рис. 1.6. Активная и реактивная мощность в системе распределения электроэнергии без компенсации реактивной мощности

Рис. 1.7. Активная и реактивная мощности в системе распределения электроэнергии c компенсацией реактивной мощности

Преимущества компенсации реактивной мощности

• Эффективное использование:
  • генераторов (энергоснабжающей компании);
  • трансформаторов;
  • кабельной сети;
  • распределительного устройства.
• Пониженные потери
• Меньше падение напряжения

Следовательно - более низкая стоимость электроэнергии!

Выгода применения установки компенсации реактивной мощности

Огромное количество потребителей электроэнергии постоянно нагружает сеть реактивной составляющей потребляемой мощности, причем эта нагрузка постоянно возрастает. Внедрение компенсирующих устройств реактивной мощности позволяет повысить надежность электропитающих сетей и увеличить пропускную способность энергосистемы.

Среди целого ряда преимуществ от применения устройств компенсации реактивной мощности можно выделить пять главных:

• Экономия энергопотребления

Внедрение компенсирующих устройств реактивной мощности дает существенный экономический эффект. Снижение уровня энергопотребления может составить до 40-50% от общего объема. При таких объемах срок окупаемости систем компенсации мощности составит не более одного года.

• Увеличение срока службы оборудования

Средства компенсации увеличивают срок службы силовых трансформаторов, поскольку их использование снижает нагрузку на оборудование. Использование установок компенсации также снижает нагрузку на линии передач и нагрев проводов, что позволяет использовать токоведущие жилы меньшего сечения.

• Экономия затрат на устройство подводящих электросетей

На этапе проектирования и строительства новых зданий монтаж системы компенсации реактивной мощности позволяет существенно сэкономить на обустройстве распределительной электросети.

• Улучшение качества энергоснабжения

Применение средств компенсации реактивной мощности дает возможность подавить сетевые помехи, избежать глубокой просадки напряжения и минимизировать несимметрию фаз. Кроме того, системы компенсации в составе пассивных фильтров позволяют снизить уровень высших гармоник.

• Отсутствие штрафов

Устройство компенсации реактивной мощности позволяет избежать штрафных санкций от поставщика электроэнергии за ухудшение показателей коэффициента мощности.

Поперечная компенсация реактивной мощности

В настоящее время используются коммутируемые конденсаторные установки для поперечной компенсации реактивной мощности и конденсаторные установки с непрерывным управлением. Емкостная мощность линий передачи или кабельной сети частично компенсируется параллельным шунтом из подключенных к линии реакторов, индуктивные нагрузки компенсируются шунтирующими конденсаторами. Линейные реакторы постоянно подключены к линиям передачи, чтобы обеспечить постоянную компенсацию в широком рабочем диапазоне. Шунтирующие конденсаторы обычно разделены на ступени для компенсации промежуточных нагрузок. Непрерывное управление реактивной мощностью ранее было возможно только с помощью регулирования возбуждения генераторов или специальных синхронных конденсаторных установок. Первые устройства статической компенсации строились на основе насыщенных реакторов, следующими были тиристорные установки. Основой последних устройств компенсации реактивной мощности стали преобразователи напряжения, использующие сначала запираемые тиристоры (GTO), а сейчас биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

A. Синхронные компенсаторы

Поведение синхронного компенсатора определяется влиянием МДС возбуждения на реактивную мощность. В некоторых случаях с целью экономии средств для управления реактивной мощностью используются старые генераторы, демонтированные с турбин. Вновь изготовленные синхронные компенсаторы использовались в конкретных местах системы для улучшения профиля напряжения и увеличения мощности короткого замыкания особенно в точке подключения высоковольтных вставок постоянного тока. Время отклика машин было улучшено с внедрением систем возбуждения с управлением с помощью тиристоров. На рис. 2 показана схема подключения синхронного компенсатора к системе высокого напряжения.

На рис. 3 показана вольт-амперная рабочая характеристика. Наклон характеристики зависит от реактивного сопротивления двигателя и его сетевого трансформатора. Изменение опорного напряжения приводит к работе синхронного компенсатора в перевозбуждённом или недовозбуждённом режиме, то есть он отдаёт (как ёмкость) или поглощает (как индуктивность) реактивную мощность. Он реагирует сам, то есть без управляющего воздействия, и обеспечивает поддержание напряжения вне рабочей характеристики в установившемся режиме в условиях переходного процесса.

B. Статические компенсаторы на основе насыщающихся реакторов

Эти первые статические компенсаторы строились из статических (неподвижных) компонентов, то есть конденсаторов и реакторов. Реакторы работали в области насыщения, ограничивая при этом изменения напряжения. На рис. 4 показано устройство такого компенсатора и его рабочие характеристики.

Насыщающийся реактор (SR) обычно выполняется на 9-стержневом стальном магнитопроводе для нейтрализации гармоники третьего порядка. Наклон характеристики SR уменьшается благодаря конденсатору Cs, подключенному последовательно. Параллельно им подключен шунтирующий конденсатор Cp, который обеспечивает емкостной характер устройства. В правой части рис. 4 показана характеристика каждого компонента (SR, Cs и Cp), суммарная характеристика SR и Cs (SR+Cs) и окончательная характеристика SR+Cs+Cp после параллельного подключения Cp. Насыщающиеся статические компенсаторы по существу реагируют на изменения напряжения системы. Регулировка опорного напряжения производится при помощи переключателя ответвлений сетевого трансформатора. Демпфирующие фильтры подключаются параллельно конденсатору Cs для устранения возможности феррорезонанса совместно с защитой от перенапряжения конденсатора. Общий рабочий диапазон может быть установлен ступенчатым переключением шунтирующих конденсаторов. Статический компенсатор нормально работает в условиях симметричного напряжения системы.

C. Статические компенсаторы реактивной мощности

Статические конденсаторные установки составлены из статических компонентов (индуктивностей и емкостей), с быстродействующим управлением с помощью полупроводниковых устройств (тиристоров). Преимуществами статических компенсаторов по сравнению с синхронными компенсаторами являются более низкие требования к техническому обслуживанию (нет движущихся частей),простое трёхфазное или однофазное управление, другие опциональные возможности управления, а также меньшая стоимость при тех же номинальных параметрах. На рис. 5 показано типовое устройство статического компенсатора.

Необходимая емкостная мощность для системы может быть установлена в емкостных ветвях, которые могут быть фиксировано подключенными к шине низкого напряжения или коммутируемыми с помощью тиристорных вентилей (конденсаторы с тиристорной коммутацией). Фиксированные ветви обычно настраиваются с помощью последовательных реакторов для фильтрации гармоник. Индуктивная мощность устанавливается в одной фазе или комбинациях трёхфазных реакторов, которые плавно регулируются с помощью тиристорных вентилей. Ветви подключены к высоковольтной системе через специальный трансформатор. Трансформатор изменяет напряжение системы до уровня, оптимального для работы тиристора.

Ветви реакторов с тиристорным управлением (TCR)

Ветви реакторов с тиристорным управлением содержат реакторы, которые управляются по углу с помощью тиристорных ключей. Три однофазные ветви соединяются в треугольник для уменьшения генерации гармоник, кратных трём, при симметричной работе.

Ветви конденсаторов с тиристорной коммутацией (TSC)

Ветви конденсаторов с тиристорной коммутацией содержат конденсаторы и токоограничивающие реакторы и коммутируются с помощью тиристорных ключей. Ветви могут соединяться треугольником или звездой. При соединении звездой один ключ становится лишним и может не приниматься во внимание в одной из трёх фаз. При использовании тиристоров с таким же номинальным током, как для TCR, номинал ветви будет соответственно ниже.

Тиристоры

Развитие технологий тиристоров большой мощности создало основу использования электронных устройств большой мощности в энергосистемах.

Процесс совершенствования тиристоров (см. рис. 6) начался в 70-х годах. Токопроводящая способность мощных тиристоров ступенчато возрастала от 800 А (эфф.) до 4000 А (эфф.) при использовании кремниевых подложек с диаметром от 40 до 125 мм. При этом величина максимально допустимого обратного напряжения увеличилась с 1,6 до 8 (10) кВ. Следующий этап дальнейшего увеличения номинальных токов тиристоров ожидается с 2009 г.

Конфигурации статической конденсаторной установки

Вначале в статических конденсаторных установках для соответствия условиям работы различных цепей, управляемых тиристорами, они устанавливались параллельно. Последовательное подключение тиристоров обуславливалось напряжением шины низкого напряжения (обычно до 36 кВ). 12-пульсное подключение использовалось для разделения ветвей, управляемых тиристорами, и уменьшения тока короткого замыкания цепи каждого вентиля, а также чтобы избежать 6-пульсных гармонических искажений в системе. На рис. 7 показан типовой статический компенсатор реактивной мощности в 12-пульсном соединении, использующий только одну ветвь TCR и фиксированную емкостную ветвь (FC).

Конфигурации TCR/TSC

Конфигурации статических компенсаторов изменялись со временем по мере повышения номинальных токов и в связи с обсуждающимися далее факторами, связанными с потерями, занимаемой площадью и мобильностью.

Потери

Величины потерь в статических компенсаторах с конфигурацией TCR/FC показаны на рис.8. Значение потерь не включает в себя нагрузку, потери трансформатора, потери реактора с тиристорным управлением и реактора фильтра, диэлектрические потери конденсаторов, потери в ключах, как в стационарном режиме, так и при переключении, потери в оборудовании охлаждения (трансформатор и вентили) и во вспомогательном оборудовании.

Средняя величина рабочих потерь в статических компенсаторах с конфигурацией TCR/FC составляет около 0,5 – 0,7% номинальной емкостной мощности. На рис. 9 показан график рабочих потерь установки с конфигурацией TCR/TSC/FC.

Средняя величина рабочих потерь в статических компенсаторах конфигурации TCR/TSC/FC составляет около 0,5 – 0,7% номинальной емкостной мощности компенсатора. Стоимость конфигурации компенсатора TCR/TSC/FC выше, чем конфигурации TCR/FC за счёт дополнительной стоимости конденсаторов с тиристорной коммутацией. Из-за того, что статический компенсатор должен работать основную часть времени при нуле на выходе, чтобы быть готовым к быстрому поддержанию напряжения при нештатных ситуациях в системе, стоимость потерь должна определяться в рабочей области.

Возможна следующая методика оценки:

Pveval = Pv1 x t1 + Pv2 x t2 + … + Pvn x tn, где
Pveval – значение общих рабочих потерь,
Pv1, 2, n – средние потери в рабочем диапазоне 1, 2, n для периодов работы t1, t2, tn.

Суммарное время работы – до 8760 часов за год. Стоимость потерь определяется умножением Pveval на конкретную стоимость потерь ($/кВт) у потребителя, величина которой зависит от поставщика электроэнергии от 1500 до 8000 $/кВт.

Общая стоимость компенсации реактивной мощности состоит из стоимости инвестиций (составные части, установка) и стоимости потерь. Решение статического компенсатора конфигурации TCR/TSC/FC может оказаться более экономичным, чем более простое – TCR/FC. Последние установки статических компенсаторов реактивной мощности в основном имели конфигурации TCR/TSC/FC.

Занимаемая площадь

Несмотря на то, что конфигурации TCR/TSC/FC требуют больше места, так как имеют больше ветвей, требования по площади размещения могут быть уменьшены более чем на 50% (в настоящее время – до 8 м2/Мвар) по сравнению с ранними конструкциями. Требования по занимаемой площади также могут использоваться в качестве критерия оценки.

Мобильность

Процессы либерализации и приватизации могут приводить к изменениям потоков в некоторых высоковольтных системах в течение короткого времени. Некоторые ранее установленные конденсаторные установки реактивной мощности могут оказаться больше не эффективными в данном месте, и может потребоваться их установка в другой точке системы. Возможность перемещения установки также может быть использована в качестве критерия при оценке общей стоимости.

Переход от аналогового управления к цифровому

Со временем происходил переход от чисто аналоговых систем управления и защиты к цифровым системам. Преимуществами цифровых систем являются отсутствие дрейфа параметризации и сигнализации, программное управление функциональностью, графическое конфигурирование, самодиагностика и модульное построение. Современные системы управления конденсаторных установок имеют многообразные функции и позволяют полностью интегрироваться в систему. На рис. 10 показана схема блока управления, включающего в себя различные функции управления и замкнутую петлю обратной связи.

Выделенная на рисунке часть схемы показывает прохождение сигнала управления напряжением. Сигнал управления напряжением может быть модулирован быстродействующим сигналом управления для подавления качаний мощности (POD) в случае серьёзных проблем со стабильностью после аварии системы. Замедленное действие тракта управления реактивной мощностью помогает статической конденсаторной установке оперировать из заданной оптимальной рабочей точки, например 0 Мвар. Из этой оптимальной рабочей точки конденсаторная установка сможет быстро отдавать или поглощать реактивную мощность в критических условиях работы системы.

D. Преобразователи напряжения

Идея применить самокоммутирующиеся преобразователи для статической компенсации реактивной мощности долго обсуждалась перед созданием в 70-е годы 20 века первой конструкции на тиристорах со специальной схемой для ускорения коммутации. В принципе, могут быть использованы преобразователи с фиксированным постоянным напряжением или током. Тем не менее, при поддержке других отраслей, например, систем электроприводов, стал доступен широкий ряд полупроводниковых приборов с управляемым запиранием и полным максимальным обратным напряжением. В первых экспериментальных образцах статических компенсаторов STATCOM на базе преобразователей напряжения были использованы запираемые тиристоры (GTO).

На векторной диаграмме, на рис. 11, показан емкостной характер работы. Фаза и амплитуда тока могут регулироваться изменением VVSC. Для данного напряжения системы VN регулируется напряжение преобразователя VVSC, чтобы получить ток IN, который может находиться внутри зоны, обозначенной «максимальный ток преобразователя». Если пренебречь потерями, можно считать, что ток опережает напряжение или отстаёт от напряжения на 90°. Значение максимального тока симметрично при опережении или отставании по фазе. В широком диапазоне изменения напряжения системы ток может оставаться неизменным. Эта функция графически представлена на рис. 12, где сравниваются вольт-амперные характеристики STATCOM и статические конденсаторные установки. В условиях низкого напряжения STATCOM может обеспечить большую мощность, чем СКРМ, а при перенапряжении максимальная выходная мощность STATCOM меньше.

Развитие технологий преобразователей напряжения для компенсации реактивной мощности было нацелено на следующие задачи: улучшение поддержания работы системы в случае понижения напряжения, повышение скорости отклика при компенсации фликеров, создание более компактных и мобильных конструкций, уменьшение взаимного влияния гармоник с системой энергоснабжения. В настоящее время предлагается много технических решений, которые сводятся к концепции мультипреобразования, высоковольтным ШИМ-преобразователям или многоуровневым преобразователям. Причины сложившейся ситуации и перспективы можно увидеть из истории развития. В первых преобразователях напряжения количество последовательно соединённых запираемых тиристоров было ограничено в основном тем, что нельзя было обеспечить равномерное распределение напряжений между отдельными тиристорами. Это приводило к тому, что выходная мощность одиночного преобразователя была мала. Также высокие потери при коммутации препятствовали эффективному использованию широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для получения синусоидальной формы тока. Эти ограничения были впервые преодолены сочетанием нескольких преобразователей при использовании подавления гармоник с помощью магнитных цепей.

Позднее появились полупроводниковые приборы с улучшенной коммутационной способностью. С внедрением коммутируемых по затвору запираемых тиристоров (IGCT) были созданы мощные преобразователи с номинальными мощностями до 10 МВА. С использованием высоковольтных биполярных транзисторов постоянного тока с изолированным затвором (IGBT) были созданы вентили на 300 кВ, что дало возможность реализации одиночных преобразователей диапазона 100 МВА.

В преобразователях на IGBT выходной синусоидальный ток формируется с помощью ШИМ с высокой частотой коммутации (в килогерцовом диапазоне). Кроме того факта, что высокая частота коммутации ведёт к значительным потерям преобразователя, наличие крутых фронтов высокого напряжения dv/dt требует применения специального оборудования для предотвращения воздействия высокой частоты и принятия мер по ограничению электромагнитных помех.

Дальнейшее увеличение предложения полупроводников высокой мощности и эффективных систем управления позволяют сегодня преодолевать проблемы, связанные с высокой частотой коммутации высоковольтных вентилей. Системы преобразования, появившиеся в последнее время, имеют модульное построение и генерируют выходное напряжение переменного тока, близкое к синусоидальному с большим количество уровней напряжения (многоуровневые преобразователи).

На рис. 13 показана конфигурация однофазного преобразователя, используемого для компенсации реактивной мощности. Три таких устройства могут быть соединены в треугольник. Напряжения и токи многоуровневых преобразователей аналогичны напряжениям и токам синхронных компенсаторов, но многоуровневые преобразователи имеют намного меньшие времена отклика. Благодаря сниженному взаимному влиянию гармоник с подключенной системой многоуровневые преобразователи на преобразователях напряжения по сравнению с другими типами статических компенсаторов имеют меньше компонентов и проще встраиваются в системы энергоснабжения. Потери энергии многоуровневого преобразователя значительно меньше по сравнению с преобразователями других типов, но всё-таки несколько больше, чем у компенсаторов на тиристорах.

На сегодняшний день общая мощность установленных статических компенсаторов составляет около 110 000 Мвар, из них мощность преобразователей напряжения, применяемых для систем передачи, достигает около 4000 Мвар.

Продольная компенсация реактивной мощности

Электростанции по экономическим причинам не строятся близко к нагрузкам, то есть выработанная энергия должна транспортироваться на большие расстояния. На рис. 14 показана зависимость напряжения на конце линии 345 кВ от передаваемой активной мощности для трёх величин длины линии (100, 200 и 300 км). Натуральная мощность этой линии – 410 МВт.

Чем длиннее линия, тем меньше максимальная передаваемая мощность. Электрическая длина линии может быть увеличена при установке последовательных конденсаторов. Этот принцип раньше использовался для компенсации импеданса трансформаторов, чтобы улучшить параметры напряжения при больших изменениях нагрузки, подключенной на стороне низкого напряжения.

A. Фиксированные последовательные конденсаторы

Последовательные конденсаторы могут быть установлены на обоих концах линии или в средней точке. Основное внимание уделяется профилю напряжения вдоль линии при передаче электроэнергии. Степень компенсации обычно не превышает 70% импеданса линии. Фиксированные последовательные конденсаторы могут быть установлены как один основной блок или в субблоках, чтобы обеспечить возможность ступенчатой адаптации степени компенсации для различных условий работы системы.

B. Последовательные конденсаторы с тиристорным управлением

В некоторых приложениях часть фиксированных последовательных конденсаторов может быть дополнена параллельными реакторами с тиристорным управлением, которые допускают плавное регулирование в пределах определённого диапазона угла управления. На рис. 15 показана установка с такими последовательными конденсаторами с тиристорным управлением и её возможная характеристика управления импедансом.

Последовательные конденсаторы с тиристорным управлением имеют ограниченный рабочий диапазон угла управления от около 150° до 180°. Продолжительность работы в индуктивном диапазоне невозможна из-за слишком больших токов тиристоров. Допустима только работа в режиме полной проводимости реактора, управляемого тиристором.

C. Преобразователи напряжения

Установки STATCOM с преобразователями напряжения, установленные последовательно в линию, формируют унифицированный контроллер потока мощности. В других станциях такие последовательно подключенные конфигурации преобразователей напряжения устанавливаются для целей распределения потоков мощности или нагрузки между параллельными линиями (трансформируемый статический компенсатор). Преимуществом установки последовательной компенсации реактивной мощности с преобразователем напряжения является возможность управления в индуктивной области.

Подведем итоги

Динамическая компенсация реактивной мощности с управлением при помощи силовой электроники обеспечивает улучшение работы систем передачи и теперь является признанным средством компенсации реактивной мощности среди других устройств.

Большое разнообразие технологий FACTS обеспечивает надёжные решения для большинства имеющихся и возникающих вновь требований при передаче электроэнергии.

Комбинация динамических и обычных коммутируемых устройств компенсации часто приводит к экономичным решениям для работы в установившемся режиме и при переходных процессах в электрической системе. FACTS на основе преобразователей напряжения будут использоваться более широко, особенно в диапазоне малых и средних мощностей.

В ближайшем будущем, вероятно, для преодоления имеющихся ограничений при работе систем передачи потребуется большее количество конденсаторных установок компенсации реактивной мощности, которые рассматриваются как важное средство для повышения стабильности системы и защиты от перебоев энергоснабжения.

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.

накладывается переменный поток сетевой обмотки, то результирующий поток смещается в область насыщения стержней магнитопровода. В свою очередь, насыщение стержней приводит к появлению тока в сетевой обмотке. При вводе или выводе энергии из контура управления возникает переходный процесс увеличения или уменьшения сетевого тока и соответственно потребляемой реактором реактивной мощности.

Рисунок 3.8. Схема УШР с подмагничиванием

Регулирование тока сетевой обмотки реактора производится по пропорциональному закону, в котором угол управления тиристорами источника выпрямленного тока изменяется по линейному закону в зависимости от рассогласования между заданным напряжением уставки и напряжением в точке подключения реактора.

Рисунок 3.9. Регулирование тока сетевой обмотки

Существует четыре основных вида подмагничивания реакторов:

1. Реакторы с продольным подмагничиванием – управляющий постоянный магнитный поток совпадает по направлению с переменным рабочим потоком, такие реакторы имеют резко нелинейные вольт-амперные характеристики, причем степень нелинейности возрастает с уменьшением подмагничивания.

2. Реакторы с поперечным подмагничиванием – управляющий магнитный поток направлен перпендикулярно переменному рабочему потоку. При этом характеристики намагничивания по продольной оси симметричны относительно начала координат. Реакторы такого типа имеют практически линейные вольт-амперные характеристики, наклон которых определяется током управления. Кроме того отсутствие прямой электромагнитной связи между ОУ и СО облегчает получение высокого быстродействия. Поэтому поперечное подмагничивание имеет ряд преимуществ перед продольными, однако уступает в эффективности намагничивания (приращение реактивной мощности на единицу напряжения управляющего поля).

3. Реакторы с продольно-поперечным подмагничиванием – имеют участки как с продольным, так и с поперечным подмагничванием, что позволяет получить оптимальную функциональность по отношению к реакторам с только продольным или только поперечным подмагничиванием.

4. Реакторы с кольцевым подмагничиванием – по конструктиву близки к электрической машине с заторможенным ротором. Регулировочные характеристики реактора аналогичны характеристикам реактора с продольным подмагничиванием и имеют существенную нелинейность. К недостаткам таких реакторов относится: невозможность пофазного управления и сложность изготовления.

Области работы магнитной системы УШРП на кривой намагничивания электротехнической стали определяются степенью намагничивания постоянным током (рисунок 3.10).

Диаграммы, поясняющие принцип действия и основные режимы работы УШРП приведены на рисунке 3.11. При отсутствии тока подмагничивания реактора формируемый магнитный поток близок к синусоидальному, поскольку магнитная система работает на начальном участке кривой намагничивания. В результате в сетевой обмотке реактора наводится противодействующая ЭДС и мощность потребляемая реактором из сети не превышает 3–5% от номинального значения.

По мере намагничивания магнитной цепи реактора происходит смещение по кривой намагничивания в область насыщения, в результате чего уменьшается амплитуда изменения потока, а следовательно и противодействующая ЭДС в сетевой обмотке и реактор загружается по реактивной мощности.

В режиме полного насыщения (максимальный постоянный ток в обмотке управления) магнитная система УШРП работает на участке насыщения и создаваемая противоэдс минимальна.

Ток фазы I

Ток управления I

Магнитные потоки Ф, Ф2

Рисунок 3.11. Осциллограммы физических величин УШРП с изменением степени намагничивания во времени

Рисунок 3.12. УТРТ

Схема УТРТ близка к схеме УШРТ, отличается тем, что ректоры LR совмещены с индуктивностью рассеяния согласующего трансформатора T. Таким образом, трансформатор имеет индуктивность рассеяния равную 100 %. Ток

трансреактора регулируется изменением углов управления одной равнозначной по мощности тиристорной группой.

В другой модификации УТРТ используется многоступенчатый принцип изменения реактивной мощности, однако, реакторы основанные на данной схеме в настоящее время не выпускаются.

УШРВ представляет собой упрощенную модификацию УШРТ, тиристорные вентили которого заменены на более дешевые вакуумные выключатели.

Рисунок 3.13. УШРВ.

Принцип действия УШРВ следующий. При изменении напряжения на шинах ПС автоматический регулятор АР с помощью распределителя управляющих воздействий РУВС подключает или отключает тем ступенями необходимое количество реакторных секций, воздействуя тем самым на потребляемую реактивную мощность и обеспечивая поддержание напряжения в заданных уставкой пределах.

Регулятор имеет два канала:

Медленно действующий – обеспечивающий минимальное число коммутаций и отрабатывающий только два максимума суточного графика нагрузки.

Быстродействующй – реагирующий на существенное увеличение напряжения или на команду внешней автоматики, например при гашении дуги в паузе ОАПВ.

LRo – дополнительный реактор в нейтрали трансформатора, для гашения дуги подпитки, при этом включаются все реакторы Q2 и размыкается треугольник Q3 (КБ отсутствует).

Второй вариант гашения аналогичен УШРТ отключаютя выключатели Q2 неповрежденных фаз и отключением выключателя Q3 в треугольник вводится КБ.

Лекция 4 Поперечный компенсатор второго поколения FACTS устройств

Статический синхронный компенсатор (СТАТКОМ) или static synchronous compensator (STATCOM) – это устройство на базе статического преобразователя, работающее в качестве статического компенсатора реактивной мощности, чей емкостный или индуктивный выходной ток может изменяться независимо от переменного напряжения сети.

СТАТКОМ является одним из основных устройств FACTS, на его основе могут быть реализованы вставки постоянного тока и различные комбинированные устройства продольно-поперечной и продольно-продольной компенсации . При этом, СТАТКОМ может быть реализован и на основе источника напряжения (предпочтительно), и на основе источника тока.

Рисунок 4.1. СТАТКОМ на базе источника напряжения и источника тока

Устройство СТАТКОМ в общем случае содержит (см. рисунок 4.2):

- статический преобразователь, способный работать в различных режимах потребления и генерации активной и реактивной мощности и обычно располагающийся в закрытом помещении (красный);

- согласующий трансформатор для подключения к шинам высокого напряжения (желтый);

- звено постоянного тока (выпрямленного напряжения), обеспечивающее стабильность тока (напряжения) для реализации модуляции синусоидальных токов (напряжений) (голубой);

- пассивные фильтры (зеленый).

Рисунок 4.2. Вставка постоянного тока на базе двух СТАТКОМ

Существуют различные схемы реализации СТАТКОМ. Один из возможных вариантов СТАТКОМ с преобразователем напряжения представлен на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3. Упрощенная принципиальная схема СТАТКОМ

Для определения функциональных возможностей СТАТКОМ необходимо рассмотрение принципа работы силового оборудования. Рассматривая принципиальную схему, стоит отметить следующее:

- имеющиеся в составе СТАТКОМ фильтры не оказывают существенного влияния на его характеристики с точки зрения описания процессов протекающих в СТАТКОМ, и их роль будет рассмотрена позднее;

- статический преобразователь формирует напряжение близкое к гармоническому в довольно широком спектре частот (вплоть до частоты коммутации вентилей) и может быть замещено источником ЭДС при условии пренебрежения потерями;

- реактор и трансформатор без учета потерь могут быть представлены индуктивным сопротивлением – сопротивлением связи между шинами подстанции и статическим преобразователем.

Таким образом, схема замещения СТАТКОМ (рисунок 4.4) аналогична схеме замещения синхронной электрической машины. А поскольку сходными также являются и характеристики этих устройств, то становится понятна и причина названия данного статического устройства – статический синхронный компенсатор.

Рисунок 4.4. Схема замещения СТАТКОМ

Полная мощность устройства определяется по выражению

S = 3 С sin α − j3С cos α −С ,

а поскольку напряжение статического преобразователя может быть управляемо как по модулю, так и по фазе, и при этом независимо по трем фазам, то потребляемая активная и реактивная мощности могут быть изменены независимо друг от друга. Таким образом, СТАТКОМ может работать в четырех квадрантах, но лишь кратковременно, поскольку потребление или генерация активной энергии ведет к ее накоплению или отбору из конденсаторных батарей на стороне выпрямленного напряжения,

то есть изменению напряжения и выход его за допустимые пределы. Векторные диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип действия СТАТКОМ приведены на рисунке 4.5.

I SjX LS

I SjX LS

I SjX LS

I SjX LS

Рисунок 4.5. Векторные диаграммы напряжений и токов СТАТКОМ

1 – генерация реактивной мощности;

2 – потребление активной мощности;

3 – генерация активной мощности;

4 – потребление реактивной мощности.

Длительное потребление или генерация активной мощности СТАТКОМ возможна только в случаях, если он является составляющей комбинированного устройства компенсации или вставки постоянного тока, либо в случае, когда на стороне выпрямленного напряжения установлен накопитель энергии, например аккумуляторная батарея.

С учетом вышесказанного диаграмма мощности, определяющая области допустимой работы СТАТКОМ – степень участия СТАТКОМ в управлении режимами, приведена на рисунке 4.6.

Область допустимой длительной работы СТАТКОМ ограничена номинальным значением тока и напряжения на стороне выпрямленного напряжения статического преобразователя. В кратковременных режимах допускается превышение тока выше номинального вплоть до двукратного, что положительно сказывается на влиянии СТАТКОМ на режим энергосистемы в аварийных и послеаварийных режимах их работы.

Размер: px

Начинать показ со страницы:

Транскрипт

1 На правах рукописи Пешков Максим Валерьевич Разработка и исследование системы управления статическим компенсатором реактивной мощности типа СТАТКОМ для электроэнергетических систем Специальности: «Электростанции и электроэнергетические системы» «Силовая электроника» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2009 г.

2 Работа выполнена в филиале ОАО «НТЦ электроэнергетики» - «ВНИИЭ», г. Москва. Научный руководитель: Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник Кочкин Валерий Иванович. доктор технических наук, старший научный сотрудник Челазнов Александр Алексеевич доктор технических наук, профессор Розанов Юрий Константинович Ведущая организация: ОАО НИИПТ «Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения» Защита диссертации состоится 28 апреля 2009 г. в на заседании диссертационного совета Д при Открытом акционерном обществе «Научно-технический центр электроэнергетики» (ОАО «НТЦ электроэнергетики») по адресу: , г. Москва, Каширское шоссе, д. 22 корп. 3. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д по адресу: , г. Москва, Каширское шоссе, 22 корп. 3, ОАО «НТЦ электроэнергетики». С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке филиала ОАО «НТЦ электроэнергетики» - «ВНИИЭ» Автореферат разослан марта 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д д.т.н. Новиков Н.Л. 2

3 Общая характеристика работы Актуальность. Научно-технический прогресс в области систем передачи электроэнергии развивается в направлении повышения их управляемости, устойчивости и надежности при обеспечении высокого качества энергоснабжения потребителей. Наиболее оптимально и комплексно указанные цели могут быть достигнуты путем применения технологии гибких (управляемых) линий электропередачи переменного тока (FACTS), содержащих современные многофункциональные устройства и, в частности, устройства регулирования реактивной мощности - СТАТКОМ. СТАТКОМ представляет собой управляемое статическое устройство, выполненное по схеме преобразователя напряжения (ПН), включенное в электрическую сеть параллельно. На базе СТАТКОМ могут быть реализованы другие устройства FACTS: вставка постоянного тока (ВПТ), управляемая продольная компенсация (УПК), объединенный регулятор потоков мощности (ОРПМ), компенсаторы активно- реактивной мощности (КАРМ). Вопросу разработки алгоритмов управления СТАТКОМ посвящено много работ отечественных и зарубежных авторов: Казачков Ю.А., Иванов А.В., Климов В.И., Крутяков Е.А., Левин В.Н., Зиновьев Г.С., Попов В. И., Кобзев А.В., N.G. Hingorani, A. Nabae, I. Takahashi, H. Akagi и других авторов. Между тем, в опубликованных работах указанных авторов не раскрыты все аспекты функционирования преобразователя напряжения, подключенного к электроэнергетической сети по схеме СТАТКОМ. Алгоритмы управления таким преобразователем должны, с одной стороны, обеспечивать высокие показатели качества работы преобразователя в установившихся режимах (низкие потери, удовлетворяющий требованиям ГОСТ гармонический состав напряжения), а, с другой стороны, обеспечивать работоспособность и высокое быстродействие СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах сети. Кроме того, актуальной является задача разработки алгоритмов симметрирования напряжения в электрической сети средствами СТАТКОМ. Целью работы является разработка и исследование алгоритмов системы управления СТАТКОМ, предназначенного для регулирования напряжения на подстанциях электроэнергетических систем в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах сети и симметрирования напряжения в точке подключения. Алгоритмы системы управления должны обеспечивать СТАТКОМ соответствие предъявляемым к нему со стороны электроэнергетических систем требованиям по быстродействию, уровню высших гармоник тока, генерируемых в электрическую сеть, и уровню потерь в собственном оборудовании СТАТКОМ. 3

4 Достижение цели предполагает решение следующих основных задач: - разработка алгоритмов независимого регулирования активной и реактивной мощности и алгоритмов симметрирования сетевого напряжения средствами СТАТКОМ; - разработка алгоритмов быстродействующего управления преобразователем напряжения; - разработка алгоритмов уменьшения потерь в преобразователе напряжения СТАТКОМ; - разработка цифровой модели преобразователя напряжения, подключенного к сети по схеме СТАТКОМ, и модели системы управления для исследования разработанных алгоритмов управления СТАТКОМ в электроэнергетических системах; - исследование работы СТАТКОМ в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах электроэнергетической системы; - исследование влияния основных параметров алгоритмов управления СТАТКОМ на гармонический состав напряжения и на уровень электрических потерь в преобразователе напряжения. Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории электроэнергетических систем, электрических цепей, линейной алгебры, элементы дифференциального и интегрального исчисления, методы математического моделирования. Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем: - разработан алгоритм быстродействующего управления СТАТКОМ, выполненного на базе преобразователя напряжения нового типа; - разработаны алгоритмы снижения потерь в вентилях преобразователя; - разработан алгоритм симметрирования напряжения в точке подключения средствами СТАТКОМ; - разработана цифровая модель «Узел», включающая модель электрической сети и модель СТАТКОМ, для исследования работы СТАТКОМ. Разработана цифровая модель «Тепло» системы IGBT-модуль/охладитель для расчета потерь в вентилях и тепловых процессов протекающих в них; - проведены исследования работы СТАТКОМ с разработанной системой управления в нормальных и аварийных режимах электроэнергетической системы, которые подтвердили эффективность СТАТКОМ при регулировании и симметрировании напряжения в точке подключения, а так же показали высокое 4

5 быстродействие СТАТКОМ, достаточное для устойчивой работы СТАТКОМ в аварийных режимах энергосистемы; - разработана методика расчета тепловых процессов в вентилях преобразователя с определением пиковых значений температур кристаллов полупроводниковых приборов. - проведена оптимизация параметров алгоритмов системы управления СТАТКОМ с целью получения баланса между качеством гармонического состава генерируемого в сеть тока и уровнем потерь в преобразователе. Конкретное личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Основные результаты диссертационной работы получены лично автором. Достоверность полученных результатов подтверждается: - использованием классических положений теоретической электротехники и математики; - корректностью выполнения теоретических построений; - совпадением результатов с экспериментальными данными. Практическая значимость основных результатов диссертационной работы. Разработанные алгоритмы управления преобразователем напряжения используются в системе управления преобразователем напряжения в составе быстродействующих компенсаторов реактивной мощности типа СТАТКОМ 50Мвар, 15,75кВ, а так же могут использоваться для управления и другими устройствами FACTS. Материалы отдельных глав использовались в научно-исследовательских работах, проводимых по договорам ВНИИЭ с ОАО «ФСК ЕЭС»: «Разработка ТЗ на СТАТКОМ мощностью 50 Мвар напряжением 15,75 кв и основные виды его силового оборудования. Разработка, изготовление и испытание узлов силовой части СТАТКОМ. Разработка технических решений на устройства силового оборудования.», «Разработка, изготовление и испытание макетов СУРЗА. Разработка технических решений на узлы микропроцессорной системы управления(сурза). Разработка рабочей документации на силовое оборудование СТАТКОМ.» Разработанная цифровая модель преобразователя напряжения может найти применение при проектировании устройств FACTS на базе преобразователя напряжения для выбора и уточнения параметров основного оборудования, при отладке алгоритмов управления и защитных комплексов, а также при настройке их параметров и уставок в процессе пусконаладочных работ в СТАТКОМ в электроэнергетических системах. 5

6 Разработанная методика расчета тепловых процессов и потерь в вентилях преобразователя позволяет определять параметры системы охлаждения для них. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: - конференция молодых специалистов электроэнергетики РАО ЕЭС (г. Москва, 2003 г.); - всероссийской конференции по итогам конкурса молодых специалистов организаций НПК ОАО РАО «ЕЭС России» (с. Дивноморское, 2005 г.); - конференция «Разработки молодых специалистов в области электроэнергетики 2008» (г. Москва сентябрь 2008). Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, содержащего 50 наименований. Текстовая часть изложена на 159 страницах содержательной части (рисунков 78,таблиц 4) Краткое содержание работы Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируются задачи, решению которых посвящена диссертация, формулируется цель диссертации, излагаются подход и методы исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы. В первой главе проведен обзор существующих средств компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в электрических сетях: традиционные устройства и устройства на основе новых технологий гибких линий электропередачи переменного тока. Приведена общая классификация устройств компенсации и отмечено особое место в ней СТАТКОМ, поскольку он может использоваться в качестве базового блока при создании целого ряда современных многофункциональных устройств FACTS. Произведен выбор структуры преобразователя напряжения для СТАТКОМ, сформулированы требования к СТАТКОМ и к его системе управления. Поставлена задача исследований по разработке системы управления СТАТКОМ. СТАТКОМ как источник реактивной мощности осуществляет: повышение пропускной способности электрических сетей разного класса напряжения; поддержание напряжения на подстанциях в протяженных и сильно загруженных сетях в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах; ограничение коммутационных перенапряжений; симметрирование напряжений; 6

7 Работа СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах сети предъявляет к его системе управления (СУ) жесткие требования по быстродействию регулирования реактивной мощности и реакции СТАТКОМ на возмущения, возникающие в сети (к.з. и коммутации линий). Система управления должна обеспечивать в данных режимах работу СТАТКОМ без аварийных отключений. Поскольку предполагается использование СТАТКОМ как в качестве самостоятельного устройства, так и в качестве базового элемента при создании других устройств FACTS, то целесообразно иметь универсальное решение по схеме СТАТКОМ, которое позволит использовать его для указанных устройств FACTS без значительных переработок. На рис.1 изображена усовершенствованная схема мостового трех уровневого 18ти вентильного преобразователя напряжения СТАТКОМ, предложенная специалистами ВНИИЭ отдела 5, которая отвечает поставленному требованию универсальности и обеспечивает максимальную единичную мощность СТАТКОМ в сравнении с другими известными мостовыми схемами. Рис. 1 Схема инновационного мостового трехуровневого 18ти вентильного преобразователя для СТАТКОМ 7

8 Выбор новой схемы преобразователя СТАТКОМ подразумевает и разработку новых алгоритмов управления для него. СТАТКОМ как источник реактивной мощности, имея лучшие статические и динамические характеристики по сравнению с традиционным СТК, должен иметь сопоставимый с ним уровень гармоник тока и потерь. Удовлетворительный гармонический состав напряжения на выходе выбранного преобразователя можно получить, применяя алгоритмы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотой коммутации много большей частоты сети. Более высокая частоты коммутации позволяет улучшить гармонический состав напряжения на выходе преобразователя и дает возможность применять менее мощный фильтр для подавления высших гармоник в области частоты коммутации. Однако увеличение частоты коммутации вентилей приводит к росту потерь в них, что должно учитываться при выборе ее оптимальной величины. Примерно 80% электрических потерь в СТАТКОМ составляют потери, выделяемые в вентильной части преобразователя. Они определяют один из важнейших эксплуатационных показателей СТАТКОМ его КПД, а также перегрузочную способность СТАТКОМ. Возможность форсировки реактивной мощности как в СК является важным свойством СТАТКОМ при решении задач поддержания напряжения на подстанциях в аварийных и послеаварийных режимах сети. Уровень потерь в вентилях для выбранной схемы преобразователя напряжения во многом определяется применяемым алгоритмом ШИМ и его параметрами. В связи с чем, актуальной является разработка алгоритмических средств снижения потерь в вентилях преобразователя и оптимизация параметров алгоритма ШИМ с целью поиска компромисса между уровнем электрических потерь и уровнем генерируемых в сеть высших гармоник тока. Другой задачей СТАТКОМ в части улучшения показателей качества электроэнергии является симметрирование сетевого напряжения. Система управления СТАТКОМ должна включать в себя соответствующие алгоритмы. СТАТКОМ позволяет обеспечить раздельное управление активной и реактивной мощностями, что имеет принципиальное значение для устройств КАРМ, ОРПМ, ВПТ, выполненных на базе СТАТКОМ. В случае использования СТАТКОМ в качестве компенсатора реактивной мощности, канал управления активной мощностью используется в СТАТКОМ для регулирования напряжения стороны постоянного тока преобразователя. Суммируя вышесказанное можно сформулировать требования к системе управления СТАТКОМ, которая должна: - осуществлять независимое регулирование активной и реактивной мощности и включать в себя алгоритмы симметрирования сетевого напряжения; 8

9 - обеспечивать высокое быстродействие СТАТКОМ в переходных режимах и его работоспособность в аварийных и послеаварийных режимах электроэнергетической системы; - обладать средствами снижения электрических потерь в преобразователе СТАТКОМ; - обеспечивать приемлемое качество гармонического состава тока на выходе СТАТКОМ. Анализ существующих систем управления показал их несоответствие поставленным требованиям, из-за отсутствия единого решения, сочетающего высокое быстродействие в динамике с хорошими показателями качества в установившихся режимах. Во второй главе рассмотрены разработанные принципы управления СТАТКОМ, включающие алгоритмы широтно-импульсной модуляции и алгоритмы уменьшения числа коммутаций вентилей преобразователя. Получены следующие аналитические выражения для активной и реактивной мощности СТАТКОМ:, (1) (2) где U 1 и U 2 амплитуды прямой и обратной последовательности напряжения в точке подключения СТАТКОМ, I 1 и I 2 - амплитуды прямой и обратной последовательности фазного тока СТАТКОМ, γ - угол между напряжением сети и фазным током СТАТКОМ по прямой последовательности, β-угол между напряжением сети и фазным током СТАТКОМ по обратной последовательности. Из (1) и (2) следует, что управление активной и реактивной мощностью может проводиться ортогональными векторами фазного тока, независимо друг от друга. Работа СТАТКОМ поясняется на векторной диаграмме, изображенной на рис.2. В сети в общем случае присутствует прямая и обратная последовательность напряжения. Поддержание уровня напряжения в точке подключения осуществляется путем генерации/потребления в сеть реактивного тока прямой последовательности и создания регулируемого вектора напряжения, а уменьшение амплитуды обратной последовательности напряжения сети осуществляется за счет потребления реактивного тока обратной последовательности, и создания вектора. Реализация алгоритмов управления показана на приведенной на рис.3 блок схеме системы управления СТАТКОМ. 9

10 Рис. 2 Векторная диаграмма работы СТАТКОМ Рис.3 Блок схема алгоритмов управления СТАТКОМ 10

11 Блок «вычислитель параметров напряжения сети» определяет значения амплитуд прямой U 1 и обратной последовательности U 2 напряжения сети и их фазы α и β относительно эталонного вектора. Блоки Г1 и Г2 являются генераторами эталонных единичных синусоид и косинусоид прямой последовательности, которые используются в abc\dq преобразовании фазных напряжений сети по формулам: где a,b,c мгновенные значения фазных напряжений сети, а, (3) Значения d и q фильтруются интегральным фильтром второй гармоники Ф2. Блок Б1 вычисляет амплитуду и фазу прямой последовательности напряжения по усредненным значениям d и q. Блок Б2 определяет проекции вектора обратной последовательности на эталонные вектора синуса и косинуса. Блок Б3 вычисляет амплитуду и фазу обратной последовательности напряжения. Блок «регулятор напряжения сети на шинах ПС» осуществляет регулирование амплитуды прямой последовательности напряжения. Уставка реактивной мощности СТАТКОМ задается пропорциональным регулятором по закону: (U U) рад. Qmax Q = уст 1 U, (4) где U уст уставка напряжения прямой последовательности;u 1 напряжение прямой последовательности сети; Q max = 3 U уст I max - максимальная мощность, выдаваемая преобразователем, I max максимально допустимый фазный ток преобразователя. Статизм регулятора определяется максимальным отклонением напряжения U от напряжения уставки. Блок «регулятор несимметрии напряжения сети» представляет собой пропорциональный регулятор, на выходе которого формируется уставка тока симметрирования I 2. Блок «регулятор напряжения стороны постоянного тока преобразователя U d» состоит из блока вычисления уставки напряжения Ud (ВУН КБ) и регулятора активной мощности (ПИ). Регулирование напряжения стороны постоянного тока преобразователя СТАТКОМ позволяет уменьшить уровень потерь и частоту выходов из строя полупроводниковых приборов высоковольтных вентилей. 11

12 Уставка напряжения на стороне постоянного тока преобразователя в блоке ВУН КБ вычисляется по формуле Ud = U Л / k M, где k M коэффициент модуляции преобразователя напряжения, а U Л максимальное из линейных напряжений преобразователя, рассчитанных по формулам:. (5), (6), (7) где U i1 и U i2 амплитуды прямой и обратной последовательности первой гармоники напряжения на выходе преобразователя в установившемся режиме: U i1 =U 1 +I q ωl, (8) U i2 =U 2 +I 2 ωl, (9) где L индуктивность фазных реакторов СТАТКОМ. По разности реального напряжения на КБ и уставки, регулятор активной мощности формирует уставку активной мощности СТАТКОМ P. Регулятор активной мощности представляет собой ПИ регулятор. Блок «генератор уставок фазных токов» по уставкам активной, реактивной мощности и по уставке симметрирующего тока формирует мгновенные значения ожидаемого фазного тока уставки фазных токов, по уравнениям:, где Iq - модуль реактивной составляющей фазного тока прямой последовательности, Ip - модуль активной составляющей фазного тока прямой последовательности, I 2 -модуль симметрирующего тока. Вычисленные уставки фазных токов далее подаются в блок алгоритмов ШИМ и алгоритмы уменьшения числа коммутаций вентилей преобразователя (АУЧК). В разработанных алгоритмах применяется новый подход к управлению СТАТКОМ, при котором он работает в режиме квази источника тока. Такое управление обеспечивает СТАТКОМ высокое быстродействие и устойчивость по току, что позволяет ему успешно функционировать в переходных режимах, включая и режимы внешних коротких замыканий. Режим квази источника тока, 12

13 обеспечивается алгоритмом токовой широтно-импульсной модуляции. В данном алгоритме ШИМ импульсы управления рассчитываются таким образом, чтобы формируемое на фазных реакторах L преобразователя напряжение создавало на расчетном такте заданную производную фазных токов i (рис.4). Тем самым, обеспечивается равенство реального фазного тока i Ф и уставки фазного тока i УСТ на границах расчетного такта. Такое управление преобразователем приближает СТАТКОМ к управляемому источнику тока, что исключает работу защиты СТАТКОМ от превышения допустимого уровня коммутируемого вентилем тока с выводом СТАТКОМ из работы при возникновении в энергосистеме значительных возмущений (коммутации, К.З.). Расчетный такт τ X S UA L ia X ПН X S UB L ib Y Ν X S UC L i C Z Рис. 4 Алгоритм широтно-импульсной модуляции по приращениям тока Важной характеристикой преобразователя является его перегрузочная способность, определяемая текущим температурным режимом полупроводниковых приборов, и уровнем электрических потерь в транзисторных модулях. Кроме того, уровень потерь в модулях определяет общий КПД СТАТКОМ. Поэтому задача снижения потерь имеет большое значение. Возможным способом уменьшения потерь в вентилях без уменьшения амплитуды фазных токов является снижение коммутационной составляющей потерь за счет уменьшения числа коммутаций вентилей. В главе рассмотрены разработанные алгоритмы уменьшения числа коммутаций вентилей. Для сравнения, на рис. 5 приведены кривые токов полюсных вентилей полученных по алгоритму токовой ШИМ без алгоритмов 13

14 уменьшения числа коммутаций и с ними. По кривой тока полюсного вентиля можно судить о количестве коммутаций во всем преобразователе. Видно, что алгоритмы уменьшения числа коммутаций исключили 16 коммутаций в фазе на периоде основной частоты Рис. 5 Кривые токов, протекающих через полюсные модули ПН Верхний рисунок: моменты коммутаций рассчитаны по алгоритму токовой ШИМ без алгоритмами уменьшения числа коммутаций.; Нижний рисунок: моменты коммутаций рассчитаны по алгоритму токовой ШИМ с алгоритмами уменьшения числа коммутаций. В третьей главе проводятся исследования работы СТАТКОМ в простой электроэнергетической системе (рис. 6) в нормальных и аварийных режимах энергосистемы. Исследования проводились на разработанной цифровой модели «Узел» (рис.7), представляющей собой 3-х фазную модель сети и модель подключенного к ней компенсатора реактивной мощности типа СТАТКОМ с повентильным представлением преобразователя напряжения и детализированной моделью системы управления. Рис. 6 Однолинейная схема подключения СТАТКОМ к электроэнергетической системе 14

15 Рис 7 Математическая модель «Узел» PS модель электроэнергетической системы; CS- система управления; M1 и М2- измерители токов и напряжений. Проверялись следующие характерные режимы работы СТАТКОМ в электроэнергетической системе: - генерация\потребление номинальной реактивной мощности СТАТКОМ; - работа СТАТКОМ на сеть в несимметричном режиме; - режим реверса мощности СТАТКОМ; - глубокая посадка напряжения в точке подключения СТАТКОМ до уровня 50%; - междуфазное короткое замыкание в точке подключение СТАТКОМ. Исследования работы СТАТКОМ в данных режимах подтвердили эффективность алгоритмов регулирования напряжения сети, симметрирования напряжения, а так же показали высокое быстродействие СУ, достаточное для работы СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах сети. В качестве примера на рис. 8 показаны кривые токов и напряжений при работе СТАТКОМ в несимметричном режиме сети. В начальный момент времени СТАТКОМ работал в режиме холостого хода, регулятор напряжения сети и регулятор несимметрии напряжения сети были отключены. В момент времени t 1 регуляторы были включены. Амплитуда прямой последовательности напряжения сети возросла, а амплитуда обратной последовательности уменьшилось в соответствии с текущими уставками регуляторов. 15

16 U M1, кв 12,88 кв 10,27 кв 0,495 кв U M2, кв 0,25 кв i f, А 3,1 ка t 1 Рис. 8 Работа СТАТКОМ на сеть в несимметричном режиме U M1 амплитуда прямой последовательности напряжения сети, U M2 амплитуда обратной последовательности напряжения сети, i f фазные токи СТАТКОМ. Для оценки быстродействия системы управления в части регулирования реактивной мощности проведен опыт реверса мощности СТАТКОМ из режима потребления в режим генерации номинальной реактивной мощности (рис. 9). Изменение величины напряжения на КБ отражает переход СТАТКОМ в режим генерации. На диаграмме токов видно характерное изменение фазы, связанное с изменением режима мощности. Время переходного процесса tp=0,03c. Такого быстродействия достаточно для успешного решения системных задач, стоящих перед СТАТКОМ. На рис. 10 изображена осциллограмма опыта мгновенной посадки напряжения до уровня 50%. Посадка напряжения происходит в момент времени t=0,2c. Опыт проводился с целью исследования способности разработанной системы управления управлять СТАТКОМ в режиме квази источника тока в переходных процессах с быстрой динамикой. Регулятор напряжения сети для проведения данного опыта был отключен. Система управления формировала постоянную уставку реактивного тока. Процесс глубокой посадки напряжения не повлиял на форму фазных токов преобразователя. Преобразователь 16

17 функционировал как управляемый источник тока, что исключает работу защиты СТАТКОМ от превышения допустимого уровня коммутируемого вентилем тока с выводом СТАТКОМ из работы x x в) а) б) Рис. 9 Режим реверса мощности (из режима потребления в режим генерации) а фазные токи; б и в напряжения на плечах конденсаторной батареи x Рис 10 Опыт мгновенной посадки напряжения сети до уровня 50% На верхней диаграмме изображены фазные токи преобразователя, на нижней диаграмме изображены линейное напряжение в точке подключения и линейное напряжение на выходе преобразователя. 17

18 На рис. 11 изображен опыт междуфазного короткого замыкания сети в точке подключения СТАТКОМ. Режимы внешних близких КЗ требуют от СУ СТАТКОМ максимального быстродействия в части скорости ее реакции на возмущения, возникающие в сети. Система управления должна обеспечивать в данных режимах устойчивою работу СТАТКОМ с максимальной реактивной мощностью без аварийных отключений. До момента возникновения КЗ СТАТКОМ находился в режиме генерации номинальной реактивной мощности. Короткое замыкание не привело к броскам фазных токов и аварийному отключению СТАТКОМ. После возникновения короткого замыкания СТАТКОМ стремиться поддержать уровень прямой последовательности сети, которая в данном режиме уменьшается. Регулятор реактивной мощности вышел на максимальный допустимый уровень амплитуды фазного тока (3100 А). СТАТКОМ в данном режиме может длительно оставаться в работе. Рис 11 Опыт междуфазного короткого замыкания в точке подключения СТАТКОМ верхняя диаграмма - линейные напряжений сети в точке подключения ПН; нижняя диаграмма - фазные токи преобразователя. В четвертой главе проведено исследование влияния параметров системы управления на гармонический состав напряжения в точке подключения СТАТКОМ. Для расчета гармонического состава напряжения ПН использовалась математическая модель «Узел». Кривые напряжений в процессе расчета записывались и затем подвергалась гармоническому анализу. 18

19 Расчет гармонического состава напряжений проводился с допущением, что преобразователь напряжения является единственным источником высших гармоник, а сеть - источник синусоидального напряжения с частотой 50 Гц. Анализ зависимостей гармонического состава напряжения ПН от параметров алгоритма управления вентилями позволил сделать вывод о предпочтительности более высокой частоты коммутации, поскольку при этом первый максимум в спектре напряжения ПН отодвигается в область частот с большей кратностью. Это дает возможность использовать более легкий фильтр для подавления высших гармоник в точке подключения преобразователя к сети. Однако увеличение частоты коммутации приводит к росту потерь в вентилях преобразователя. Предварительный подсчет потерь в вентилях показал, что число коммутаций в полюсном вентиле в режиме генерации реактивной мощности не должно превышать 5-ти. При таком количестве коммутаций суммарные потери СТАТКОМ не превысят 1 % от его номинальной мощности. Поставленному требованию обеспечить не более 5 коммутаций полюсного вентиля на максимуме тока удовлетворяют частоты: 1650Гц, 1350Гц, 1050Гц. Наилучший гармонический состав напряжения ПН имеет место при частоте коммутации f k =1650Гц. Использование алгоритма уменьшения числа коммутаций благоприятно сказывается на гармоническом составе напряжения, а также позволяет добиваться минимально-возможного количества коммутаций в вентилях при меньшем коэффициенте модуляции k M. Это в свою очередь позволяет получить лучший гармонический состав напряжения ПН при меньшем уровне потерь. В пятой главе разработаны методика и модель «Тепло» для расчета потерь, выделяемых в вентилях, и анализа тепловых процессов в них. Исследуется влияние параметров системы управления на потери в вентилях преобразователя. Модель «Тепло» включает в себя два основных блока: вычислитель потерь и тепловую модель IGBT транзистора. Вычислитель потерь выполняет расчет мгновенных значений потерь в диодном и транзистором чипе IGBT-модуля. Блок «тепловая модель IGBT транзистора» является тепловой моделью системы IGBTмодуль/охладитель и предназначен для определения температур p/n переходов кристаллов диодных и транзисторных чипов модуля. Потери открытого состояния и коммутационные потери рассчитываются по разработанной методике определения потерь в вентилях, на основе экспериментальных данных, полученных от завода изготовителя полупроводниковых приборов. На рис. 12 изображена эквивалентная электрическая схема тепловой модели модуля с двухсторонним охлаждением. Источники тока P IGBT и P DIODE моделируют 19

20 мощности потерь, выделяемые в структурах модуля. Источник напряжения Tinlet воспроизводит температуру охлаждающей жидкости. Параметры RC цепочек рассчитываются по экспериментальным данным. С помощью созданной модели были получены зависимости уровня мощности потерь, выделяемых в вентилях, а так же пиковых значений температур p/n переходов модулей от параметров алгоритма управления. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными, полученными на реальном образце СТАТКОМ, показало, что погрешность вычислений на модели «Тепло» не превышает 1%. Исследования показали, что применение алгоритма уменьшения числа коммутаций приводит к снижению уровня потерь, выделяемых в вентилях преобразователя в среднем на 100кВт, и, как следствие, к уменьшению пиковых значений температуры кристаллов полупроводниковых приборов преобразователя. TIGBT TDiode Ri1 Ci1 Cd1 Rd1 Ri2 Ci2 Cd2 Rd2 PIGBT PDiode Ri3 Ci3 Ri4 Ri4 Cd3 Rd3 Rvlet Ci4 Cd4 Tinlet Рис. 12 Эквивалентная электрическая схема тепловой модели модуля с двухсторонним охлаждением Кроме меньшего уровня потерь в вентилях, алгоритм уменьшения числа коммутаций дает возможность распределять потери по вентилям различных групп. Величиной, характеризующей текущий режим алгоритма распределения коммутаций, является коэффициент деления kd. Если kd=0, то коммутации исключаются из транзисторной части полюсного вентиля, если kd=1, то коммутации исключаются из транзисторной части нулевого вентиля. В случае, 20

21 когда kd=0,5, коммутации делятся поровну между полюсными и нулевыми вентилями. При изменении коэффициента деления kd от 0 до 1-цы уровень потерь в транзисторах полюсного и нулевого модуля меняется на 12х900Вт. Алгоритм позволяет временно переносить потери из перегруженного вентиля в вентиль другой группы, который загружен в меньшей степени. Исследования зависимости уровня потерь от частоты коммутации показали правильность произведенного в главе 3 выбора частоты коммутации f k =1650Гц. Суммарные потери в оборудовании СТАТКОМ на данной частоте коммутации ШИМ алгоритма составляют ~480кВт, т.е. 0,96% от номинальной мощности СТАТКОМ. По данному показателю СТАТКОМ с разработанной СУ занимает промежуточное место между синхронными компенсаторами, потери у которых составляют ~1,5%, и статическими тиристорными компенсаторами, потери которых ~0,7%. Надо отметить, что заявленные потери в производимых компаниями SIEMENS и ABB устройствах СТАТКОМ составляют ~2%. Таким образом, использование новой схемы преобразователя в совокупности с разработанным алгоритмом уменьшения числа коммутаций вентилей позволило снизить потери в оборудовании СТАТКОМ в 2 раза по сравнению с известными аналогами. Расчет пиковых значений температур p/n кристаллов вентилей, для режимов генерации/потребления выше номинальной мощности показал, что СТАТКОМ допускает 1,5 кратную перегрузку по мощности. Возможность форсировки реактивной мощности является важным свойством СТАТКОМ при решении им задач поддержания напряжения на подстанциях в аварийных и послеаварийных режимах сети. Основные результаты работы Главный итог работы разработаны, исследованы и оптимизированы алгоритмы системы управления статическим компенсатором реактивной мощности типа СТАТКОМ для электроэнергетических сетей. При этом получены следующие результаты: 1 Проведен обзор существующих устройств компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в электроэнергетических системах. 2 Сформулированы требования к СТАТКОМ и его системе управления для работы в электроэнергетической системе. Проведен обзор известных систем управления СТАТКОМ, выявлены их недостатки и поставлена задача разработки новых алгоритмов управления. 3 Разработан быстродействующий алгоритм управления СТАТКОМ для электроэнергетических систем, который обеспечивает работоспособность 21

22 СТАТКОМ в аварийных и послеаварийных режимах энергосистемы и при коммутациях в энергосистеме. 4 Разработаны алгоритмы снижения потерь в преобразователе напряжения СТАТКОМ, которые снизили суммарные электрические потери в оборудовании СТАТКОМ до 0,96% от его номинальной мощности, что в два раза меньше заявляемых потерь в известных зарубежных аналогах, и занимает промежуточное место между уровнем потерь в СК (~1,5%), и потерями в СТК (~0,7%). Низкий уровень потерь в преобразователе позволяет СТАТКОМ с разработанными алгоритмами управления кратковременно работать с 1,5 перегрузкой по реактивной мощности, что является важным свойством СТАТКОМ при решении задач поддержания напряжения на шинах подстанции в аварийных и послеаварийных режимах электроэнергетической системы. 5 Разработан алгоритм раздельного управления активной и реактивной мощности СТАТКОМ в зависимости от напряжений и токов прямой и обратной последовательности, который позволяет с помощью СТАТКОМ осуществлять симметрирование напряжения на шинах подстанции в несимметричных режимах электроэнергетической системы. 6 Разработана цифровая модель «Узел» включающая в себя модель электроэнергетической системы, модель СТАТКОМ с повентильным представлением преобразователя напряжения и детализированной моделью системы управления, и тепловую модель системы IGBT-модуль/охладитель «Тепло». Модель может найти применение при проектировании устройств FACTS на базе СТАТКОМ для выбора и уточнения параметров основного оборудования, при отладке алгоритмов управления и защитных комплексов, а также при настройке их параметров и уставок в процессе пусконаладочных работ СТАТКОМ в электроэнергетических системах. 7 Произведены исследования работы СТАТКОМ в электроэнергетической системе в нормальных и аварийных режимах сети. Показано успешное решение задач регулирования напряжения сети и симметрирования сетевого напряжения с помощью СТАТКОМ. Исследования подтвердили высокое быстродействие СТАТКОМ с разработанной системой управления, что позволяет ему работать в аварийных и послеаварийных режимах энергосистемы. 8 Разработана методика расчета потерь в IGBT модулях преобразователя на основе экспериментальных данных, предоставленных заводом изготовителем полупроводниковых приборов, погрешность которой не превышает 1%, что позволяет на этапе проектирования с высокой точностью 22

23 определять один из важнейших показателей СТАТКОМ, работающего в электроэнергетической системе его КПД. 9 Проведены исследования влияния параметров алгоритма управления на гармонический состав напряжения на выходе СТАТКОМ и на потери в вентилях преобразователя. На основе исследований была проведена оптимизация алгоритма управления СТАТКОМ. 10 В системе управления компенсатора реактивной мощности типа СТАТКОМ мощностью 50 Мвар напряжением 15,75 кв, изготовленного отделом 5 ОАО «ВНИИЭ» для подстанции 400/330 кв Выборгская использованы разработанные автором алгоритмы управления. Основное содержание диссертации опубликовано в следующих публикациях. 1. М.В. Пешков. Технические средства регулирования напряжения и потоков активной и реактивной мощности в линиях электропередач. Вторая научнотехническая конференция молодых специалистов электроэнергетики. Сборник докладов. г. Москва 2003 г. 2. В.И. Кочкин, М.В. Пешков, Д.В. Романенко. Линии электропередачи с параллельной и последовательной компенсацией реактивной мощности Вестник ВНИИЭ 2004 г. Москва 3. В.И. Кочкин, М.В. Пешков, Д.В. Романенко. Преобразователь напряжения как управляемый элемент электрических сетей. НИИ Постоянного тока г. Санкт Петербург. 4. М.В. Пешков. Разработка и исследование модели 3-х уровневого преобразователя напряжения с алгоритмом токового ШИМ модулятора. Вторая научно-техническая конференция молодых специалистов электроэнергетики. Сборник докладов. п. Дивноморское 2005 г. 5. К.С.Кошелев, М.В Пешков. Выбор параметров статического компенсатора реактивной мощности типа СТАТКОМ. Электротехника, 7,2008 г. 6. М.В. Пешков. Алгоритм управления высоковольтным преобразователем напряжения ПОЛИШИМ: оптимальный для статики и быстродействующий в динамике. Конференция «разработки молодых специалистов в области электроэнергетики 2008». Сборник докладов. г. Москва, сентябрь 2008 г. 7. С.В. Еньков, В.И. Кочкин, М.В. Пешков. Оценочный и точный расчет потерь вентильной части преобразователя напряжения при проектировании. Электротехника, 10, 2008 г. 23

АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ С СИММЕТРИРОВАНИЕМ ТОКА СЕТИ И НОВЫМ ПРИНЦИПОМ УПРАВЛЕНИЯ Климаш В.С., докт. техн. наук, Светлаков Д.П. КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре Для

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический

Лабораторная работа 3 Статический компенсатор на базе преобразователя напряжения Цель работы: исследование режимов работы трехфазного статического преобразователя напряжения как элемента статического компенсатора

СТАТИЧЕСКИЕ КОМПЕНСАТОРЫ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТАТИЧЕСКИХ КОМПЕНСАТОРОВ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ Статические тиристорные компенсаторы реактивной

Безтрансформаторный СТАТКОМ 35 кв 100 МВА на базе многоуровневого инвертора напряжения для электросетей / Tranformerless STATCOM 35 kv 100 MVA based on multilevel voltage source converter for grid application

УДК 621.314 МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Лепанов М.Г., Киселев М.Г. Национальный исследовательский университет «МЭИ» В трехфазных системах электроснабжения основными параметрами,

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ НГТУ. 2007. 4(50). 81 86 УДК 621.314.527 МНОГОУРОВНЕВЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЧЕТВЕРТОЙ СТОЙКОЙ В СОСТАВЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА А.В. ГЕЙСТ

Управление режимами ЭЭС на базе силовой электроники Лабораторная работа 1 Исследование тиристорно-управляемого реактора Цель работы: Исследование однофазного тиристорно-управляемого реактора как элемента

Основные технические решения по моделированию преобразователей напряжения в расчетной модели электрической сети, используемой для расчета уставок устройств РЗА Инженер отдела электроэнергетических систем

70 УДК 62.33.3.025. Современные технологии транспорту С. В. Кузьмин ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Известные

5 Лекция 2 ИНВЕРТОРЫ План. Введение 2. Двухтактный инвертор 3. Мостовой инвертор 4. Способы формирования напряжения синусоидальной формы 5. Трехфазные инверторы 6. Выводы. Введение Инверторы устройства,

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ ПЕРЕЧЕНЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ (МОДУЛЕЙ) ДИСЦИПЛИНЫ п/п Модуль дисциплины Лекции, ч\заочн 1 Введение 0.25 2 Линейные электрические цепи постоянного тока 0.5 3 Линейные электрические

ОТЧЕТ о вводе в эксплуатацию двух статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности типа СТК-5/40-11 для ПС 220 кв «Горелое» МЭС Востока (г. Дальнегорск) 1. Введение В октябре 2013 г. ЗАО «Нидек

Влияние режимов работы энергосистем на несинусоидальность и несимметрию напряжений в магистральных электрических сетях М. А. Силаев, В. Н. Тульский, Р. Г. Шамонов Инструментальное исследование качества

Тема 3. Статическая устойчивость генераторов возобновляемых источников энергии (2 часа) Основные понятия и определения статической устойчивости Деление режимов электрической системы на установившиеся и

Научно-практическая конференция «Опыт и перспективы применения силовой электроники и электропередач постоянным током для повышения надежности электрических сетей и реализации международных проектов». Моделирование

ОТЗЫВ официального оппонента Лебедева Владимира Дмитриевича на диссертационную работу ОНИСОВОЙ Ольги Александровны на тему «Совершенствование релейной защиты электроэнергетических систем с малыми распределёнными

Лекция 4. Постановка задач математического моделирования физических процессов в устройствах высокого напряжения на основе анализа электрических полей и регулирования полей при проектировании энергетического

ОТЗЫВ официального оппонента, д.т.н. профессора, заведующего кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВО «СКГМИ (ГТУ)» Клюева Романа Владимировича на диссертационную работу Махмадджонова

РОСАТОМ ФГУП «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина» Состояние и перспективы применения передач постоянного тока Преимущества ЛЭП/вставок постоянного тока (ППТ ВН) Сокращение затрат

На правах рукописи Матинян Александр Маратович ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ СОВРЕМЕННЫМИ КОМПЕНСИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ Специальность 05.14.02 Электрические станции и электроэнергетические

Работа линейного УШРТ конструкции АО «НТЦ ФСК ЕЭС» в цикле ОАПВ линии 5 кв АО «НТЦ ФСК ЕЭС» Матинян А.М., Пешков М.В., Карпов В.Н., Алексеев Н.А. Москва - 216 год Общие сведения об УШРТ конструкции АО

Предисловие... 3 Глава 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ... 4 1.1. Общие сведения... 4 1.2. Электрические параметры электроэнергетических систем... 7 1.3. Напряжения электрических

УДК 621.314.6+ 621.314.228 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В НЕКОМПЕНСИРОВАННЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЯХ С ПОВЫШЕНИЕМ ФАЗНОСТИ ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Ю.И. Хохлов, В.И. Сафонов, П.В. Лонзингер Рассмотрены две схемы 24-фазных

Круглый стол «Умные сети умная энергетика умная экономика» г. Санкт-Петербург Высоковольтное электротехническое оборудование для развития «интеллектуальной» Единой энергосистемы России Макаревич Л.В. генеральный

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРЕКТОРОВ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ Игнатенко В.В. ПрЭ-1106. гр.361-3 Проблема коррекции коэффициента мощности Неэффективное использование электроэнергии, помехи в электросети, вызванные подключенными

1 УДК 621.314.6 НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ С КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ Карасев А. В., Смирнов В. М. ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»,

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип. 15 УДК 621.311.004 УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЬНЫМИ КОМПЕНСАТОРАМИ НЕАКТИВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОЛНОЙ МОЩНОСТИ Колб А.А.* Предложен релейно-векторный

Научно-практическая конференция «Опыт и перспективы применения силовой электроники и электропередач постоянным током для повышения надежности электрических сетей и реализации международных проектов». Стратегии

РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ Технологии управляемой компенсации Для электрической сети в целом требуется равенство генерации и потребления активной и реактивной мощности. Основным нормативным

ОТЗЫВ официального оппонента на диссертационную работу Литвинова Артема Валерьевича «Совершенствование технологии испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов», по специальности 05.22.07 «Подвижной

Климова Галина Николаевна к.т.н., доцент кафедры ЭПП ТПУ Томский политехнический университет На примере продукции Минского трансформаторного завода им. Козлова http://www.metz.by Трансформаторы серии ТМГСУ

Управляемый подмагничиванием трансформатор С.С. Смирнов, А.Б. Осак В качестве управляемого источника реактивной мощности предлагается использовать 3-х фазную группу однофазных управляемых подмагничиванием

ОТЗЫВ ОФИЦИАЛЬНОГО ОППОНЕНТА на диссертационную работу Рыбина Ю.К. на тему: Аналоговые генераторы измерительных сигналов произвольной формы, представленную на соискание ученой степени доктора технических

Отзыв официального оппонента Львова Юрия Николаевича на диссертацию МЕЛЬНИКОВОЙ Ольги Сергеевны «Диагностика главной изоляции силовых маслонаполненных электроэнергетических трансформаторов по статистическому

Э л е к т р о э н е р г е т и к а УДК 61.315 ПРИМЕНЕНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ГИБКИХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ЭНЕРГОСИСТЕМ Засл. деятель науки и техн. РБ, докт. техн. наук, проф. ПОСПЕЛОВ Г. Е.,

Современные высоковольтные преобразователи частоты переменного тока - мощные комплектные регулируемые электроприводы VCH ООО "ЭЛПРО-М" совместно с ЗАО «Восток-Электро» предлагает поставку современных высоковольтных

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е.

ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ (ОНМА) На правах рукописи ДАО МИНЬ КУАН УДК 629.5.064.5:621.313.332 СОВЕРШЕСТВОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СУДОВОГО АСИНХРОННОГО ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА 05.05.03 двигатели и энергетические

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 3 Глава 1. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ОСНОВНОЙ СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 1.1. Предмет преобразовательной техники... 5 1.2.

Выбор устройств компенсации реактивной мощности Выбор и разработка системы компенсации реактивной мощности сводится к следующим этапам определения: 1. Общих исходных параметров - оптимальное место включения,

1 Качество электрической энергии В. В. Суднова, к.т.н., ст. научн. сотр. «НИЦ Тест-Электро» Электрическая энергия как товар используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью

УДК 621.11 УПРАВЛЕНИЕ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТЬЮ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Канд. техн. наук, доц. КАЛЕНТИОНОК Е. В., асп. ФИЛИПЧИК Ю. Д. Белорусский национальный

УДК 61.311 СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ А.С. Енин., К.Б. Корнеев, Т.И. Узикова Новая редакция Федерального закона 61-ФЗ от 3 ноября 009 года «Об энергосбережении и о повышении

Лекция 1. Динамическая устойчивость простейшей системы Переходные режимы разделяют на нормальные (эксплуатационные) и аварийные. В любых переходных процессах происходят закономерные последовательные изменения

Статический синхронный компенсатор (СТАТКОМ) для энергетических компаний — SVC Light®

Предназначен для регулирования электрических нагрузок за счет генерирования и поглощения реактивной мощности. Часто существенные изменения передаваемой в нагрузку мощности происходят в течение нескольких часов. Соответствующим образом изменяется и баланс реактивной мощности в сети. Это может приводить к недопустимым изменениям амплитуды напряжения, в том числе к резкому провалу или даже лавине напряжения.

Аналогично системе статической компенсации реактивной мощности SVC данный СТАТКОМ способен мгновенно и длительно обеспечивать регулируемую реактивную мощность в соответствии с переходными напряжениями, поддерживая стабильность напряжения сети. В основу работы СТАТКОМа положены принципы действия источника напряжения с использованием метода уникальной ШИМ (широтно-импульсная модуляция) с коммутацией на транзисторах IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), что дает непревзойденный КПД и быстродействие устройства. В специальных модификациях СТАТКОМ может выполнять активную фильтрацию высших гармоник и подавление фликера. Поскольку установка этого СТАТКОМа и его компонентов требует чрезвычайно мало места, АББ запатентовала это малогабаритное высокопроизводительное устройство под названием SVC Light.

Включение устройства СТАТКОМ в одном или нескольких узлах сети позволяет увеличить пропускную способность электросети за счет повышения стабильности напряжения и уменьшения амплитуды его колебаний в различных электрических сетях. Кроме того, СТАТКОМ дает возможность улучшить качество электроэнергии.
​

Технология СТАТКОМ/SVC Light

SVC Light действует на той же технологической платформе, которая используется в системах высоковольтной передачи постоянного тока (HVDC), а именно в технологии HVDC Light®. Самым важным компонентом системы является модульный преобразователь источника напряжения (VSC), оборудованный биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), которые управляются методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Преобразователь VSC способен как генерировать, так и поглощать реактивную мощность. При необходимости преобразователь VSC может использоваться с переключаемыми или фиксированными реакторами с воздушными сердечниками и высоковольтными конденсаторами переменного тока в качестве элементов дополнительной реактивной мощности для достижения любого необходимого диапазона.

Принцип действия СТАТКОМ/SVC Light

SVC Light может рассматриваться как источник напряжения с внутренним сопротивлением. Физически он представляет собой модульный многоуровневый инвертер, действующий с распределенной вставкой постоянного тока или при постоянном напряжении постоянного тока (в зависимости от топологии преобразователя VSC). Он генерирует или поглощает реактивную мощность, электронным образом перерабатывая кривые напряжения и тока в преобразователе напряжения (сеть воспринимает устройство как синхронную машину с безынерционными процессами). В результате SVC Light не требуются конденсаторные батареи и шунтирующие реакторы для генерирования и поглощения реактивной мощности, что позволяет получить устройство компактной конструкции и с малой площадью основания. Высокая общая эффективность частоты коммутации транзисторов IGBT позволяют предельно быстро регулировать значения выходного напряжения. Эти характеристики особенно важны для выполнения таких задач, как подавление фликера, порождаемого дуговыми сталеплавильными печами, балансировка напряжения, фильтрации гармоник и восстановление напряжения в сети. Встроенные конденсаторы постоянного тока служат для поддержки и стабилизации управляемого напряжения постоянного тока, необходимого для работы преобразователя. Преобразователи источника напряжения, подключенные в конфигурации с расположением вплотную между двумя шинами переменного тока, могут регулировать активную мощность, реализуя схему двойного назначения устройств. За счет расположения вплотную преобразователи могут передавать активную мощность между двумя сетями переменного тока (синхронными или асинхронными и даже с различными частотами) и одновременно с этим обеспечивать в них контроль реактивной мощности.