Рис. 1. Структурная схема сетей 220, 500 кВ региона на 2017 г.
Расчеты, выполненные для других вариантов энергосистем, содержащие ВЛ-220, 500 кВ (в том числе УСВЛ-220, 500 кВ), показали результаты, близкие к приведенным. Достаточно подробно были выполнены исследования и других схем и вариантов энергосистем при использовании средств фазового управления.
В качестве одного из новых регионов энергосистемы для исследования были выбраны сети 500, 220 кВ в сечении, по которому в настоящее время осуществляются обменные перетоки мощности между энергообъединениями Сибири и Урала. Основные ВЛ-500 кВ рассматриваемого сечения объединенной энергосистемы показаны на Рис. 1.
На базе исходных данных Института «Энергосетьпроект» и совместно с НТЦ «Электроэнергетики» [13] были выполнены расчеты режимов объединенной энергосистемы с учетом перспектив развития сетей 500, 220 кВ в указанном регионе, в частности, при введении в работу новой ВЛ-500 кВ Восход - Витязь (Ишим) - Курган.
Были рассчитаны варианты указанной одноцепной ВЛ-500 кВ в обычном исполнении и в виде компактной одноцепной ВЛ-500 кВ. Рассмотрены варианты без применения фазового управления, а также с его применением. В качестве ветви 500 кВ энергосистемы для фазового управления была выбрана проектируемая ВЛ-500 кВ Восход - Витязь (Ишим) с установкой ФРУ в начале указанной ВЛ, т.е. вблизи узла Восход, как показано на рис. 1.
Результаты расчетов перетоков мощности по контролируемым ветвям и сечениям для режима передачи максимальных потоков мощности из ОЭС Сибири в ОЭС Урала показаны на рис.2, 3.
Рис. 2. Зависимость перетоков мощности по ВЛ - 500 кВ от угла сдвига входного напряжения относительно выходного, создаваемого с помощью ФПУ (ФРТ), установленного в начале ВЛ - 500 кВ Восход-Витязь (Ишим).
В варианте с фазовым управлением рассматривались режимы при изменении угла сдвига выходного напряжения относительно входного ФРТ (дФРТ)=±60°. Режим при дФРТ=0° соответствовал варианту и условиям отсутствия ФРТ.
Как можно видеть из данных, приведенных на рис. 2, естественное распределение потоков мощности из ОЭС Сибири в ОЭС Урала (при дФРТ=0°) составляет 997 МВт, в том числе 352 МВт по ВЛ-500 кВ Восход - Витязь (Ишим). Остальная мощность в размере 997-352=645 МВт передается по сетям 500 кВ ОЭС Сибири и ОЭС Казахстана, в том числе по ВЛ-500 кВ Кустанай (Казахстан) - Челябинская (Урал).
При введении с помощью ФРТ углового сдвига дФРТ=±60° наблюдается сильная зависимость изменения величин передаваемой мощности по рассматриваемым ветвям.
При значении угла, близком к значению дФРТ=-30°, переток мощности по ВЛ-500 кВ Кустанай (Казахстан) - Челябинская (Урал) становится равным 0, что может рассматриваться как режим, при котором данная ВЛ отключена, а вся мощность из ОЭС Сибири в ОЭС Урала передается по ВЛ-500 кВ, расположенным на территории России.
При дФРТ=-30° поток мощности по ВЛ-500 кВ Восход - Витязь (Ишим) составляет 974 МВт, что соответствует величине натуральной мощности данной одноцепной ВЛ при традиционном ее исполнении.
В случае необходимости дальнейшего увеличения передаваемой мощности (сверх 974 МВт) пропускной способности данной ВЛ недостаточно. Выходом из положения является применение ВЛ-500 кВ Восход - Витязь (Ишим) - Курган в компактном исполнении, обеспечивающем величину натуральной мощности, равную 1480 МВт, или же путем установки УПК соответствующей мощности в варианте обычной ВЛ -500 кВ. Указанную загрузку данной ВЛ до 1486 МВт можно осуществить путем введения угла дФРТ=-60°.
Эффективность фазового регулирования при изменении дФРТ в пределах ±60° определяется системными условиями.
Следует особо отметить, что при дФРТ=-60° суммарный переток мощности из ОЭС Сибири в ОЭС Урала по ВЛ, расположенным на территории России, становится равным 1868 МВт, вместо ранее указанного (997 МВт) при отсутствии фазового управления (дФРТ = 0°).
При положительных значениях угла (дФРТ) происходит уменьшение передаваемой мощности по ВЛ-500 кВ Восход - Витязь (Ишим) в сторону ОЭС Урала. Так при дФРТ=+15° величина передаваемой мощности по данной ВЛ становится равной 0, (рис. 3), а при дФРТ=+60° передаваемая мощность будет составлять 876 МВт и происходить в обратную сторону, т.е. в сторону ОЭС Сибири.
Рис. 3. Зависимость величины потока мощности по ВЛ - 500 кВ Восход-Витязь(Ишим) от угла сдвига выходного напряжения относительно входного, создаваемого ФРУ(ФРТ), установленным в начале данной ВЛ
Этот пример может служить в качестве иллюстрации эффективности фазового регулирования и подтверждения целесообразности применения фазоповоротных устройств в электрических сетях напряжением класа 500 кВ.
Эффективность применения фазорегулирующих устройств в сетях 220 кВ показана на основании расчетов режимов двухцепной ВЛ-220 кВ нового типа повышенной пропускной способности Томск - Парабель-Нижневартовская ГРЭС [13]. В качестве ВЛ нового типа рассмотрены возможные варианты применения двухцепной компактной ВЛ, или двухцепной УСВЛ напряжением 220 кВ с проводами в фазах 3*АС-240/56, обладающих величиной натуральной мощности более 600 МВт. Такие двухцепные ВЛ-220 кВ могли бы быть альтернативными вариантами вместо намеченной к строительству одноцепной ВЛ-500 кВ Томск - Парабель -Нижнивартовская ГРЭС.
Как показали расчеты, ВЛ - 220 Томск - Парабель -Нижневартовская ГРЭС не загружается до уровня величины натуральной мощности. Установлено, что при естественном распределении потоков мощности загрузка данной ВЛ на головном участке Томск (Восточная) - Парабель по отношению к величине натуральной мощности линии, равной 606 МВт, составляет всего 48% (при принятых исходных расчетных данных).
Решить проблему дополнительной загрузки ВЛ, в случае необходимости и экономической целесообразности, возможно с помощью фазорегулирующих устройств трансформаторного типа (ФРТ, ФПУ) или других устройств FACTS.
Принципиально важным является выбор места установки ФРТ с учетом конфигурации схемы сети и желаемого направления выдачи мощности по ВЛ.
Из ряда рассмотренных вариантов наиболее эффективным в данной сети оказалась установка ФРТ в начале головного участка ВЛ 220 кВ Восточная-Парабель.
Для варианта двухцепной УСВЛ-220 кВ отправной является ПС 220 кВ Восточная, имеющая электрическую связь с ПС 500 кВ Томск и разветвленную сеть 220 кВ, связывающую ее с другими подстанциями 220 кВ. При введении в начале каждой цепи ВЛ 220 кВ (двухцепной УСВЛ 220 кВ) с помощью ФРТ дополнительного углового сдвига векторов напряжения, дФРТ, равного -30° по отношению к напряжению на шинах ПС Восточная, обеспечивается увеличение передаваемой мощности до 616,8 МВт по отношению к исходной величине 292 МВт. При таком увеличении передаваемой мощности на головном участке данной ВЛ 220 кВ Томск - Парабель -Нижневартовская ГРЭС происходит изменение величины потока мощности и на других участках ВЛ, а на подходе к ПС 220 кВ Нижневартовская ГРЭС меняется также и направление потока мощности.
Дальнейшее увеличение угла сдвига векторов напряжений дФРТ с помощью ФРТ до дФРТ =-40° позволяет увеличить передаваемую мощность до 716,8 МВт, а при значении угла дФРТ =-45° передаваемая мощность достигает величины 756 МВт (рис.4). При введении угла сдвига векторов напряжения дФРТ =-60° достигается увеличение передаваемой мощности до 858 МВт, что в 1,4 раза превышает величину натуральной мощности рассматриваемой ВЛ 220 кВ.
На рис.4 указаны две оси ординат, что позволяет определить увеличение передаваемой мощности как в МВт, так и в относительных единицах по отношению к значению натуральной мощности ВЛ. Благодаря общему балансу реактивной мощности, уровни напряжения во всех узлах ВЛ поддерживаются в рамках допустимого. Как видно из приведенных результатов расчетов применение фазового управления позволяет решить проблему обеспечения заданных величин и направлений перетоков мощности и в сетях 220 кВ. Эффективность применения фазорегулирующих устройств для рассмотренного примера УСВЛ-220 кВ оценивается величиной примерно 10 МВт/град. Следует отметить, что применение ФПУ должно основываться на технико-экономических расчетах и анализе показателей общесистемной эффективности в каждом конкретном случае, с учетом исходных расчетных данных и поставленных целей.
Рис. 4. Мощность, передаваемая по двухцепной УСВЛ 220 кВ в режиме и=120є, в зависимости от изменения угла сдвига векторов напряжения (-дФРТ), создаваемого ФРТ, установленным в начале участка 220 кВ Восточная - Парабель
Выводы
Проведенные исследования показывают высокую эффективность применения фазового управления для регулирования величины и направления потоков мощности по ВЛ переменного тока различной конструкции в сложных электроэнергетических системах.
Для реализации фазового регулирования необходимо применение специальных фазоповоротных устройств трансформаторного, автотрансформаторного или других типов, в том числе реализованных в различных устройствах типа FACTS.
Количественные показатели эффективности применения фазоворотных устройств зависит от целого ряда факторов, включая класс напряжения линий электропередачи, их тип, протяженность и пропускную способность, а также конфигурацию сетей и наличие параллельных высоковольтных связей.
Результаты расчетов показали, что показатели эффективности применения средств фазового управления в энергосистемах при прочих равных условиях тем выше, чем более совершенны по своим характеристикам и пропускной способности линии электропередачи, к которым, в частности, относятся компактные ВЛ и управляемые двухцепные и многоцепные самокомпенсирующиеся линии электропередачи (УСВЛ).
Выполненные исследования позволяют оценить эффективность применения фазового управления для регулирования потоков мощности в энергосистемах по ВЛ рассмотренных классов напряжений (220, 400, 500 кВ). Показано, что при принятых расчетных условиях отношение величины изменения передаваемой мощности по ВЛ указанных классов напряжения составляет в пределах 10-30 МВт на каждый градус поворота вектора выходного напряжения ФПУ относительно входного.
Литература
1. Электропередача переменного тока/ В.М. Постолатий, В.А. Веников, Ю.Н. Астахов, Г.В. Чалый, Л.П. Калинин. А.с. 566288 (СССР). / Заяв. 21.03.74. № 2006496. Опубл. в Б.И., 1977, № 27.
2. Электропередача переменного тока / В.М. Постолатий, В.А. Веников, Ю.Н. Астахов, Г.В. Чалый, Л.П. Калинин. Патент США №4001672, 1977; Патент ГДР №116990, 1976; Патент Франции №7508749, 1977; Патент Англии №1488442, 1978; Патент Швеции №75032268, 1978; Патент Канады №10380229, 1978; Патент ФРГ №2511928, 1979; Патент Японии №1096176, 1982.
3. Управляемые линии электропередачи / Ю.Н. Астахов, В.М. Постолатий, И.Т. Комендант, Г.В. Чалый, под ред. В.А. Веникова. - Кишинев: Штиинца, 1984. - 296 с.
4. Александров Г.Н., Евдокунин Г.А., Подпоркин Г.В. Параметры воздушных линий электропередачи компактной конструкции. - Электричество, 1982, № 4, с. 10-17.
5. Ю.П. Рыжов. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения: учебник для ВУЗов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 488 с., ил.
6. В.М. Постолатий, Е.В. Быкова. Эффективность применения управляемых самокомпенсирующихся высоковольтных линий электропередачи и фазорегулирующих устройств трансформаторного типа. Электричество, 2010 г., №2, стр. 7-14.
7. В.М. Постолатий, Е.В. Быкова, В.М. Суслов, Ю.Г. Шакарян, Л.В. Тимашова, С.Н. Карева. Методические подходы к выбору вариантов линий электропередачи нового поколения на примере ВЛ-220 кВ. Problemele Energeticii Regionale, nr. 2 (13) 2010., IE AЄM, Chiєinгu, 2010, c. 7-21.
8. В.В. Дорофеев. Развитие электроэнергетической системы России с использованием принципов активно-адаптивной сети. Доклады 6-ой Международной конференции ТРАВЭК, Москва, 2010.
9. Постолатий В.М. Калинин Л.П., Зайцев Д.А., Быкова Е.В. Современные средства регулирования перетоков мощности и эффективность применения их в энергосистемах. Сборник докладов. Энергетика Молдовы - 2005. Кишинев, 2005. С. 206-219.
10. Электроэнергетические системы в примерах и иллюстрациях: Учебное пособие для ВУЗов / Ю.Н. Астаов, В.А. Веников, В.В. Ежков и др. Под ред. В.А. Веникова. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 504 с., ил.
11. Переходные процессы в электроэнергетических системах: учебник для ВУЗов / И.П. Крючков, В.А. Старшинов, Ю.П. Гусев, М.В. Пираторов. Под ред. И.П. Крючкова. - 2-ое изд. стереот. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009 - 416 с., ил.
12. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д.Л. Файбисовича.-3-е изд. Переработ. И доп..-М.: ЭНАС, 2009. 292 с.
13. Тимашова Л.В., Шакарян Ю.Г., Быкова Е.В., Постолатий В.М. Основные
технические решения по созданию высокоэффективных электропередач
переменного тока напряжением 220 кВ. Труды VI-ой Международной научно -
технической конференции ТРАВЭК «Энергосбережение в электроэнергетике и
промышленности», Москва, 2010, 17 с., электронная публикация.
Сведения об авторе
Постолатий Виталий Михайлович, действительный член Академии наук Молдовы, заведующий Лабораторией управляемых электропередач Института энергетики, автор и соавтор 276 научных работ, в том числе 10 монографий, 28 авторских свидетельств на изобретения и 21 -зарубежного патента.