Институт энергетики Академии наук Молдовы
Эффективность применения фазового управления режимами электропередач повышенной натуральной мощности
В.М. Постолатий
Аннотация
линия электропередача поток фазовый
Выполнено моделирование вариантов энергосистем, содержащих линии электропередачи повышенной натуральной мощности. Проведены расчеты режимов линий электропередачи и протекающих по ним потоков мощности при фазовом управлении. На конкретных примерах энергосистем исследованы зависимости величин потоков мощности по линиям электропередачи напряжением 220, 400, 500 кВ от изменения углового сдвига векторов напряжений, вводимого с помощью фазоповоротных устройств.
Ключевые слова: энергосистема, компактные и управляемые самокомпенсирующиеся линии электропередачи, потоки мощности, фазовое управление, фазоповоротные устройства.
Adnotare
A fost efectuatг modelarea variantelor sistemelor energetice cu linii de transport a energiei electrice cu capacitate de trafic sporitг. Au fost efectuate calculele regimurilor liniilor electrice єi a fuxurilor de putere ce trec la reglare (dirijare) de fazг. Оn baza exemplelor concrete a sistemelor energetice s-au studiat dependenюele valorilor fluxurilor de putere prin liniile elctrice de tensiunea 220, 400, 500 kV оn raport de modificarea decalajului unghiului vectorilor tensiunilor, indus prin utilizarea instalaюiilor de reglare a decalajului de fazг.
Cuvinte-cheie: sistem energetic, linii electrice dirijate compacte cu autocompensare, fluxuri de putere, reglare de fazг, instalaюii de reglare a decalajului de fazг.
Abstract
Modeling of power systems, containing a transmission line of high natural power. There are calculated modes of transmission lines and flowing through them power flows at the phase control. There are studied at specific examples of energy systems dependencies of values of fluxes of power along lines of 220,400,500 kV from the angular shift of vectors of voltages which are imposed by phase rotation devices.
Key words: power system, compact transmission line, controlled selfcompensating transmission line, power flow, phase controlled , phase controlling devices .
Одной из актуальных задач развития и эффективного функционирования современных электроэнергетических систем является обеспечение заданной пропускной способности электрических сетей, их управляемости, регулирования потоков мощности и параметров режима, что в итоге преследует цель достижения требуемых технических и экономических показателей энергосистем.
Эффективным средством решения указанных задач может служить применение линий электропередач нового типа - (ВЛ) повышенной натуральной мощности - компактных в одноцепном и многоцепном исполнении и управляемых двухцепных и многоценных самокомпенсирующихся ВЛ (сокращенно - УСВЛ) с использованием фазового управления режимами [1-7].
Достоинством электропередач нового типа является повышенная в 1,2-1,6 раза величина натуральной мощности и качественно новые свойства, которые могут быть использованы для улучшения технических характеристик энергосистем и достижения более высоких их экономических показателей по сравнению с применением традиционных ВЛ.
Повышенная величина натуральной мощности достигается за счет новых конструкций линий и их элементов, а новые режимные качества, за счет фазового регулирования, применяемого совместно с традиционными способами регулирования параметров режимов, в том числе с современными устройствами типа FACTS. Комплекс указанных новых технических решений может быть использован для реализации идей создания интеллектуальных электроэнергетических систем с активно-адаптивными электрическими сетями [8].
Настоящая статья посвящена анализу эффективности применения фазового управления параметрами линий электропередач нового типа, а также режимными параметрами сложных электроэнергетических систем, в частности регулирования потоков мощности в замкнутых контурах энергосистем.
Показатели эффективности фазового управления.
Эффективность фазового управления в электроэнергетических системах может быть оценена по ряду показателей.
Основными из них являются:
- отношение величины установленной мощности фазоповоротных устройств к значению передаваемой мощности;
- чувствительность ВЛ к фазовому управлению, выражаемую в виде отношения величины изменения передаваемой по линиям электропередачи мощности на каждый градус поворота вектора выходного напряжения относительно входного;
- быстродействие фазоповоротных устройств и возможность применения их для регулирования стационарных, аварийных и послеаварийных режимов;
- возможность осуществления регулирования перетоков мощности по линиям электропередачи не только по величине, но и по направлению;
- получение качественно новых свойств электропередач и энергосистем при комплексном применении фазоповоротных устройств в сочетании с другими средствами регулирования (управляемыми реакторами - УШР, статическими компенсаторами реактивной мощности - СТК и др.);
- стоимостные показатели фазорегулирующих устройств в сопоставлении с другими средствами аналогичного регулирования параметров режимов электропередач и энергосистем.
Оценка эффективности фазового управления в энергосистемах по всему комплексу приведенных показателей является достаточно сложной задачей, так как часть из них определяется расчетными условиями, характерными для конкретных вариантов структур энергосистем, а также постановкой тех или иных приоритетных целей.
В настоящей статье рассматриваются возможности и эффективность фазового управления для регулирования потоков мощности по линиям электропередачи, в том числе ВЛ нового типа, в нормальных установившихся режимах.
Эффективность применения фазового управления наиболее наглядно может быть показана на конкретных примерах электропередач с использованием фазоповоротных устройств (ФПУ) и результатах соответствующих расчетов режимов ряда энергосистем.
Одними из главных являются вопросы о типах фазоповоротных устройств, их электрических параметрах и других показателях, принимаемых в практике оценки энергетического оборудования.
Параметры схемы замещения фазоповоротных устройств для моделирования нормальных установившихся режимов.
Основными параметрами схемы замещения фазоповоротного устройства трансформаторного типа (ФПУ) для расчета установившихся режимов являются продольное активное и индуктивное сопротивления, которые аналогично, как и для двухобмоточных трансформаторов, может быть определено по формулам [10-11]:
;
.
В приведенных выражениях:
ДРК - потери короткого замыкания (кВт);
UВном - номинальное напряжение высшей обмотки (кВ);
SТном - номинальная мощность (МВА);
UК - напряжение короткого замыкания (% от номинального).
Поперечные проводимости (активная - gТ и реактивная -вТ) обычно не учитываются из-за их малости.
Для примера рассмотрим в качестве варианта двухобмоточный трансформатор (аналог ФПУ) мощностью Sном=250 МВА напряжением 242 кВ, с параметрами UК =11%, ДРК =650 кВт.
Выполненные по формулам (1), (2) с использованием указанных исходных данных расчеты дают следующие значения активного и реактивного сопротивлений двухобмоточного трансформатора, принятого в качестве аналога фазоповоротного устройства, а именно:
RФРT =0,6 Ом, ХФРТ = 25,7 Ом.
Полученные значения сопротивлений совпадают с паспортными величинами, приведенными в справочной литературе [12] для двухобмоточного траснформатора напряжением 242 кВ мощностью 250 МВА.
В принципе, при использовании этого подхода параметры ФРТ можно принимать по данным [12], как для двухобмоточных трансформаторов соответствующих классов напряжения. Принятый подход позволяет выполнять расчеты, которые позволяют на качественном уровне оценить эффективность применения указанных устройств в энергосистемах. Следует, однако, отметить, что каждый тип фазоповоротных устройств с конкретным диапазоном регулирования и конкретными функциональными возможностями будет иметь параметры, в той или иной мере отличающиеся от параметров аналогичных по мощности двухобмоточных трансформаторов.
Ниже на ряде примеров энергосистем показана эффективность применения фазоповоротных устройств, устанавливаемы на ВЛ нового типа напряжением 220, 400, 500 кВ.
Результаты исследования эффективности применения фазового управления на примере ВЛ-220,400,500 кВ.
В ранее выполненной работе [9] были рассмотрены варианты применения фазорегулирующих устройств для управления потоками мощности по межсистемной связи между энергосистемами Молдовы и Румынии, принятой в расчетах в виде одноцепной ВЛ-400 кВ обычной конструкции.
Суть проблемы состояла в следующем. Схемой предусматривалось сооружение ВЛ-400 кВ между п/ст 330 Бельцы (Молдова) и п/ст 400кВ Сучава (Румыния) длиной 128 км. При этом необходимо было предусмотреть автотрансформаторную связь, между существующей на п/ст Бельцы системой шин 330 кВ и вновь создаваемой системой шин 400 кВ на этой же подстанции. К шинам 400 кВ на п/ст Бельцы предусматривалось подключение планируемой новой ТЭЦ мощностью 450 МВт и передача данной мощности в энергосистему Румынии по ВЛ -400 кВ Бельцы - Сучава.
Однако, при естественном распределении потоков мощности, при принятых расчетных условиях, эта цель не достигалась. ВЛ-400 кВ Бельцы-Сучава не грузилась до заданных значений передаваемой мощности. В основном мощность новой ТЭЦ распределялась по сетям 330 кВ Молдавской энергосистемы при частичном уменьшении величины перетока мощности из энергосистемы Украины в энергосистему Молдовы по ВЛ-330 кВ Днестровская ГЭС (Украина) - п/ст 330 кВ Бельцы (Молдова).
Решение проблемы загрузки ВЛ-400 кВ Бельцы-Сучава стало возможным при установке фазоповоротного автотрансформатора (ФРТ) 330/400 кВ на п/ст Бельцы. Основными параметрами такого устройства были: установленная мощность 450 МВА и индуктивное сопротивление 30 Ом.
Выполненные расчеты показали высокую эффективность применения фазового регулирования в предложенном варианте схемы.
При отсутствии новой ТЭЦ переток мощности по ВЛ-400 кВ Бельцы-Сучава был близок к нулевому значению в исходном режиме при дФРТ=0°
Введение углового сдвига дФРТ = 0 - (+30°) приводило к изменению перетока мощности по данной ВЛ в пределах до 450 МВт (из энергосистемы Румынии в энергосистему Молдовы). Введение же углового сдвига дФРТ=0 - (-30°) приводило к изменению перетока мощности по указанной ВЛ в размере до 450МВт в обратном направлении (т.е. из энергосистемы Молдовы в энергосистему Румынии). Коэффициент, характеризующий изменение величины передаваемой мощности на каждый градус углового сдвига напряжений между входом и выходом ФРТ, составил ? (±25) МВт/град.
При вводе новой ТЭЦ мощностью 450МВт на подстанции 400 кВ Бельцы переток указанной мощности в сторону энергосистемы Румынии имел место при дФРТ=-10°, а нулевым он был при дФРТ=+25°. В остальных случаях величина перетока мощности по ВЛ-400 кВ принимала промежуточные значения. Указанные результаты показали эффективность и целесообразность применения ФРТ 400/330 кВ для регулирования перетоков мощности по межсистемной ВЛ-400 кВ между энергосистемами Молдовы и Румынии при синхронной работе данных энергосистем.
Значительно более сложная задача возникла при рассмотрении схемных вариантов выдачи мощности проектируемой Эвенкийской ГЭС мощностью 8000МВт (1-я очередь) в заданные узлы 500 кВ Тюменской энергосистемы и ОЭС Урала.
Выдача указанной мощности была предусмотрена по трем направлениям:
1)Эвенкийская ГЭС - Русскореченская - Тарасовская (передаваемая мощность 2500 МВт на расстояние 600 км);
2)Эвенкийская ГЭС - Холмогорская (передаваемая мощность 2500МВт на расстояние 800 км);
3)Эвенкийская ГЭС - Челябинская (передаваемая мощность 3000МВт на расстояние 2200 км).
Расчетными являлись условия:
- все генераторы Эвенкийской ГЭС работают на общие шины 500кВ;
- величины передаваемых мощностей в указанных направлениях должны выдерживатьься в пределах заданных;
- узлы 500 кВ приемных энергосистем замкнуты между сабой системными ВЛ объединенной энергосистемы.
Для выдачи мощности Эвенкийской ГЭС в каждом из указанных направлений было предложено применение по одной двухцепной УСВЛ напряжением 500 кВ. Рассматривались варианты УСВЛ с проводами в фазах 6*АС-300/39 при радиусе расщепления rp=0,34 м. Величина натуральной мощности каждой двухцепной УСВЛ-500 кВ, работающей в режиме противофазы углового сдвига между системами векторов напряжений сближенных между собой трехфазных цепей, т.е. при И=180є, составляла 3197 МВт. Для выдачи мощности в первых двух направлениях оказалось возможным применение двухцепных УСВЛ-500 кВ с проводами в фазах 6*AC-240/56 при rp=0,4м, обладающих в режиме противофазы напряжений цепей (при И=180є) величиной натуральной мощности, равной 3117 МВт, а в режиме при при И=120є - 2780 МВт.
Выполненные расчеты и проведенный анализ показали, что удовлетворить заданным условиям выдачи мощности Эвенкийской ГЭС в различных режимах (от холостого хода до номинальной загрузки) удается при условии установки фазорегулирующих устройств на головном участке УСВЛ-500кВ Эвенкийская ГЭС-Челябинская с диапазоном регулирования угла дФРТ=(-440) ч (+540). При этом установленная мощность ФПУ должна быть равной величине, не менее заданной передаваемой мощности, т.е. 3000 МВт. Таким образом, показатели эффективности применения ФПУ оцениваются величиной порядка 30 МВт/град.