Разработка и исследование системы управления статическим компенсатором реактивной мощности типа статком для электроэнергетических систем. Диаграмма теории регулирования статкома

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

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

Рис. 2. Питание блоков управления

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

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

Статические синхронные компенсаторы (СТАТКОМы/Статические генераторы реактивной мощности) - это представители новейшей технологии в области компенсации реактивной мощности. Они подключаются параллельно к электрическим сетям через реакторы и работают в качестве источника реактивного тока. Реактивный ток свободно регулируется для компенсации реактивной мощности.

Основная конфигурация СТАТКОМа – это мостовая 2-фазная или 3-фазная схема выпрямителя, состоящая из полностью контролируемых силовых электронных устройств, таких как IGBT и IGCT. Данный контур подключен к сети параллельно через реакторы. Путем регулирования амплитуды и фазы выходного напряжения или непосредственного контроля тока стороны схемы переменного тока, статический генератор реактивной мощности способен поглощать или генерировать реактивную мощность для обеспечения компенсации динамической реактивной мощности.

Примечание: US –напряжение сети; UI – выходное напряжение статического генератора реактивной мощности; IL – выходной ток статического генератора реактивной мощности.

При использовании для контроля за напряжением, СТАТКОМ обладает подавляющим преимуществом над регулируемым статическим компенсатором реактивной мощности (SVC). Чем ниже напряжение в системе, тем больше динамической реактивной мощности необходимо для поддержания напряжения. Реактивный ток на выходе СТАТКОМа не имеет ничего общего с системой напряжения, поэтому устройство компенсации реактивной мощности можно рассматривать как управляемый источник постоянного тока. Однако чем ниже напряжение в системе, тем слабее мощность реактивного тока, выводимого регулируемыми статическими компенсаторами типа TCR/ MCR.

Диаграмма теории регулирования СТАТКОМа

А. СТАТКОМ подключен параллельно к энергосистеме через реакторы для реализации компенсации емкостной и индуктивной мощности. Он осуществляет компенсацию реактивной мощности и подавление гармоник путем регулирования амплитуды и фазы напряжения переменного тока, или непосредственно регулируя переменный ток в Н-мостовой схеме для поглощения или генерирования реактивного тока.

B. Статический синхронный компенсатор осуществляет обмен электроэнергией с энергосистемой путем регулирования амплитуды и фазы выходного напряжения инвертора цепочного типа.

C. Топология СТАТКОМа показана ниже; фазоинвертор состоит из цепочки узлов.

Выше представленное изображение показывает многоуровневый каскадный инвертор, используемый в системе статических синхронных компенсаторов. Как показано, каждый блок преобразователя на базе Н-моста использует отдельный источник постоянного тока, так что требуемая емкость постоянного тока немного выше, чем ASVC. При этом данные конденсаторы постоянного тока намного меньше и более эффективны по сравнению с громоздкими трансформаторами ASVC.

D. Инвертор на БТИЗ использует оптимизированную фазовую модуляцию.

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

Что такое FACTS

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

Управляемые шунтирующие реакторы

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

Рис. 1 УШР на подстанции «Кудымкар» сетей Пермэнерго

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

Рис. 2 Принципиальная схема СКРМ на базе УШР

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

Рис. 3 СТК российского производства в Анголе

СТАТКОМ

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

Рис. 4 Схема СТАТКОМ

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

Рис. 5 Внешний вид СТАТКОМ

Фазоповоротные устройства

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

Рис. 6 Схема фазоповоротного устройства

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

Вставки постоянного тока

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

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.

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.

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.