Способ управления режимом электропередачи

 

Использование: в электроэнергетике, для управления режимом высоковольтной линии (ВЛ), подключенной к энергосистемам через линейные трансформаторы (ЛТ). Сущность: с помощью ЛТ осуществляется глубокое изменение напряжения ВЛ в функции ее нагрузки. Определяется оптимальная величина этого напряжения, отвечающая минимуму потерь, которая поддерживается на линии регулированием возбуждения ЛТ. При максимальном уровне напряжения ВЛ производится переключение ЛТ на питание шунтирующих реакторов. Осуществляется управление их мощностью в функции нагрузки линии путем изменения возбуждения ЛТ. 1 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для автоматического управления режимом электропередачи, определяемым ее нагрузкой и напряжением на высоковольтной линии (ВЛ).

Известен способ управления электропередачей, согласно которому в режимах малой ее загрузки размыкают ВЛ в точке между трансформаторами промежуточной подстанции, оставляя разомкнутые участки ВЛ связанными через трансформаторы на более низком напряжении [1]. Кроме того, способом [1] предусматривается отключение ВЛ между двумя подстанциями от сети высокого напряжения и подключение ее к шинам более низкого напряжения этих подстанций. Указанные операции производятся для увеличения потребления реактивной мощности и снижения генерации емкостной мощности ВЛ. Осуществление операций способа [1] приводит к значительному понижению пропускной способности электропередачи, что является его недостатком.

Известно также устройство регулирования напряжения подстанции с реакторами, подключенными к первичным шинам подстанции через трансформатор с РПН [2]. При повышении напряжения на ВЛ регулятор воздействует на РПН дополнительного трансформатора, что приводит к повышению напряжения на реакторах и увеличению потребляемой ими мощности, которая зависит от квадрата напряжения. Увеличение этой мощности вызывает снижение напряжения на шинах подстанции. Мощность реактора должна быть выбрана не больше величины, которая при его включении или отключении приводит к изменению напряжения, равному регулировочному диапазону трансформатора с РПН. Этот диапазон обычно не превышает 15% , поэтому расчетная мощность реакторов получается небольшой, что вызывает увеличение их числа в группе. Для реализации системы [2] требуется дополнительный трансформатор с РПН, значительное число реакторов, подключаемых к шинам через выключатели, устройство управления и т.д. Все это усложняет схему и делает ее мало надежной в эксплуатации.

Цель изобретения - повышение эффективности управления электропередачей, включающей ВЛ с линейными трансформаторами (ЛТ).

ЛТ используется для глубокого изменения напряжения ВЛ и реактивной мощности шунтирующих реакторов (ШР) в процессе изменения нагрузки электропередачи. Повышение нагрузки сопровождается увеличением напряжения ВЛ, которое осуществляется ЛТ, включенными в рассечку ВЛ в отправном и приемном узлах. По параметрам ВЛ и ее нагрузки определяется оптимальное значение напряжения, которое поддерживается на ВЛ регулированием возбуждения ЛТ. Затем включают ЛТ последовательно с ШР и производят изменение его мощности путем регулирования возбуждения ЛТ в функции параметров ВЛ и ее нагрузки. При дальнейшем увеличении нагрузки отключают ШР, а ЛТ переключают на повышение напряжения ВЛ в рамках ограничений по предельно допустимому уровню.

Реактивная мощность, потребляемая (генерируемая) ВЛ, зависит от ее нагрузки S и определяется выражением Q_вл= - P sinλ , (1) где Р_н - натуральная мощность ВЛ; λ - волновая длина ВЛ.

При S < P_н ВЛ генерирует избыточную мощность, которая расходуется в энергосистемах. Для ограничения перенапряжений, вызываемых избыточной генерацией, на ВЛ устанавливаются шунтирующие реакторы (ШР). Опыт эксплуатации энергосистем показал невысокую эффективность применения ШР из-за ограничений по числу допустимых коммутаций высоковольтных выключателей (ВВ), посредством которых ШР подключаются к ВЛ. В результате ШР часто не отключаются при больших нагрузках ВЛ, что приводит к увеличению потерь и снижению пропускной способности электропередач. Управляемые шунтирующие реакторы (УШР) могут плавно изменять потребляемую мощность, не требуют в ряде случаев использования ВВ и имеют быстродействующее управление. Однако применение их осложняется наличием гармонии в потребляемом токе, что вызывает дополнительные расходы на устройства подавления этих гармоник.

Наиболее эффективными способами управления мощностью УШР является способы, основанные на глубоком регулировании напряжения на зажимах реактора. Мощность реактора Q_шр = U²_шр ^. b_шр при постоянстве его проводимости b_шр определяется квадратом напряжения U²_шр на его зажимах. Напряжение U_шр можно регулировать изменением коэффициента трансформации питающего ШР трансформатора или автотрансформатора, использованием различных реактивных делителей напряжения и т.п. По предлагаемому способу напряжение U_шр регулируется линейным трансформатором, основное назначение которого - изменение напряжения на ВЛ в функции ее нагрузки.

Из уравнения для натуральной мощности ВЛ Р_н = 3U_ф²/Z_в, где U_ф - фазовое напряжение ВЛ; Z_в - волновое сопротивление ВЛ, следует, что Р_н может эффективно регулироваться путем изменения напряжения U_ф. С изменением нагрузки ВЛ S можно так регулировать величину U_ф, чтобы значение и знак реактивной мощности Q_вл, определяемые выражением [1], соответствовали заданным.

В настоящее время серийно выпускаются ЛТ на напряжение до 35 кВ с проходной мощностью до 180 МВА и диапазоном регулирования ±15%. Последовательные трансформаторы (ПТ), выполняющие ту же функцию, что и ЛТ, изготовляются на значительно большие мощности (до 250 МВА) для работы совместно с автотрансформаторами напряжением до 750 кВ.

Обмотка возбуждения ЛТ получает питание от специального регулировочного трансформатора (РТ), имеющего систему РПН. Первичная обмотка РТ подключается к шинам низкого напряжения подстанции. Мощность ЛТ определяется величиной максимальной ЭДС его вторичной обмотки, включаемой последовательно в ВЛ. Реактивное сопротивление ЛТ, отнесенное к напряжению ВЛ, невелико и обычно составляет величину порядка 2%. Потери мощности в них как правило не превышают 0,5% от проходной мощности.

Современный уровень трансформаторостроения позволяет осуществить изготовление ЛТ на более высокие напряжения (220-500 кВ) и значительно большие проходные мощности. Это необходимо для реализации глубокого изменения напряжения на межсистемных связях, обладающих большими зарядными мощностями.

Уменьшение напряжения на ВЛ для ограничения генерации избыточной емкостной мощности приводит к снижению предела статической устойчивости электропередачи. Снижение предела не должно вызывать уменьшение коэффициента запаса по активной мощности электропередачи против нормативного значения.

Повышение напряжения на ВЛ зависит от значения ее номинального напряжения и не превышает 5-10%. Проведенные исследования показали, например, что ВЛ-500 кВ могут длительное время работать при повышенном напряжении 550 кВ. Это позволяет увеличить натуральную мощность ВЛ примерно на 20%, что весьма существенно при дефиците реактивной мощности в энергосистеме.

По технологии изобретения производится регулирование напряжения на ВЛ и напряжения на зажимах ШР. Обе операции предназначены для гибкого управления генерируемой (потребляемой) мощностью ВЛ при изменении ее нагрузки. Напряжение на ВЛ и ШР изменяется с помощью ЛТ, включаемых в рассечку ВЛ в отправном и приемном узлах. При малой загрузке ВЛ (S < P_н) ШР включаются на полное напряжение шин, а напряжение на ВЛ регулируется по оптимальному уровню, удовлетворяющему минимуму потерь мощности. Затем снижается потребляемая мощность ШР (процесс заканчивается отключением ШР). При дальнейшем росте нагрузки ВЛ производится повышение напряжения с учетом ограничений по максимально допустимому значению.

На чертеже приведена схема осуществления способа управления режимом электропередачи.

Схема содержит шины 1 передающей энергосистемы, ВЛ 2, шины 3 приемной энергосистемы, линейный трансформатор 4, последовательную обмотку 5 ЛТ, обмотку возбуждения 6 ЛТ, регулировочный трансформатор 7, устройство 8 регулирования напряжения под нагрузкой РТ, двухпозиционные переключатели 9, 10 и 11,датчик 12 величины перетока мощности ВЛ, датчик 13 напряжения ВЛ, регулятор 14 режима электропередачи, канал 15 телеуправления, приемное устройство 16 телеуправления, шунтирующий реактор 17.

Схема работает следующим образом.

Шины 1 передающей и шины 3 приемной энергосистем соединены ВЛ 2, в рассечку которой включены последовательные обмотки 5 ЛТ 4. Обмотки возбуждения 6 ЛТ питаются от регулировочных трансформаторов 7, снабженных устройствами 8 РПН. Первичные обмотки РТ подключаются к шинам низкого напряжения подстанций. Напряжение на ВЛ контролируется датчиком 13, а передаваемая мощность - датчиком 12. Регулятор 14 вырабатывает управляющие воздействия на переключение ответвлений трансформаторов 7 и коммутацию переключателей 9-11. В приемную энергосистему эти воздействия передаются посредством канала 15 телеуправления.

В режимах низкой загрузки ВЛ (S < P_н) требуется уменьшение генерируемой ВЛ емкостной мощности и поглощение ее избыточных значений. Первое осуществляется снижением напряжения ВЛ посредством введения в канал передачи отрицательной ЭДС в передающем узле и положительной ЭДС в приемной узле; второе - путем подключения в отправной и приемный узлы ВЛ шунтирующих реакторов 17. В этом режиме включены переключатели 10, 11 и отключены переключателем 9. Требуемое значение ЭДС ЛТ определяется величиной напряжения на его обмотке возбуждения 6, регулируемое системой РПН 8 трансформаторов 7. Глубина снижения напряжения ВЛ определяется максимальным значением ЭДС ЛТ и ограничениями на величину диапазона изменения напряжения по условиям устойчивости электропередачи. При значении добавочной ЭДС 0,15-0,30 отн.ед. требуемая мощность ШР уменьшается на 0,28-0,50 отн.ед. Однако снижение расчетной мощности ШР идет за счет повышения мощности ЛТ, которая определяется величиной его максимальной ЭДС.

Посредством переключателей 11 ШР соединяются с шинами энергосистем и имеют на своих зажимах напряжения, превышающие напряжение ВЛ на величину ЭДС ЛТ. Таким образом, обеспечивается максимальное потребление мощности ШР при сниженной генерации емкостной мощности ВЛ.

По мере повышения загрузки ВЛ повышается и напряжение на ВЛ путем снижения ЭДС ЛТ. Наступает момент, когда эта ЭДС становится равной нулю (отсутствует возбуждение ЛТ) и может быть включен переключатель 9, шунтирующий переключатель 10. Затем отключается переключатель 10 практически без разрыва цепи тока, так как ШР получает питание от шин через переключатель 9 и последовательную обмотку 5 линейного трансформатора 4.

При дальнейшем повышении нагрузки ВЛ мощность реактора принудительно снижается путем регулирования ЭДС ЛТ 4. Если максимальное значение ЭДС, например, равно 0,3-0,5 отн.ед., то потребляемая реактором мощность может быть снижена на 0,5-0,75 отн. ед. При сниженном напряжении и потребляемой мощности упрощаются условия коммутации переключателя 11. Может быть использован коммутационный аппарат на пониженное напряжение и разрывную мощность. Если применить, например, форсировку возбуждения ЛТ, то практически полностью скомпенсируется напряжение ВЛ и ток ШР снижается до нуля. Кратковременная форсировка ЭДС ЛТ допустима по режиму работы трансформатора, однако требует повышения расчетного напряжения между зажимами последовательной обмотки ЛТ, включаемой в рассечку ВЛ. Как показали исследования, отказ от использования высоковольтного выключателя на порядок снижает стоимость установки компенсации зарядной мощности ВЛ.

В режимах высокой (максимальной) нагрузки ВЛ (S ≥ P_н) желательно повышение ее напряжения, которое может быть осуществлено путем выработки добавочной ЭДС в последовательной обмотке ЛТ. Для этого производится включение переключателя 10 и отключение переключателя 9. От регулировочного трансформатора 7 на обмотку возбуждения 6 подается напряжение требуемой полярности, что вызывает повышение напряжения на ВЛ. На приемном конце ВЛ линейный трансформатор снижает напряжение до требуемого значения по условиям согласования напряжений ВЛ и шин 3 приемного узла.

Оптимальное по потерям мощности напряжение в начале ВЛ определяется выражением U_н.о= , (2) где Р_нач, Q_нач - активная и реактивная мощности в начале ВЛ; а_к, а_х - коэффициенты потерь активной мощности короткого замыкания и холостого хода.

При низких нагрузках оказывается целесообразным снижение напряжения ВЛ. Расчеты показывают, что при выполнении условия Р_нач > 0,3Р_н (Р_н - натуральная мощность ВЛ) U_н.о достигает номинального значения.

По заданному напряжению начала ВЛ U_н можно определить оптимальную величину реактивной (емкостной) мощности. Эта мощность определяется выражением Q_нач.о= = U²_н·b_m (3) где А, В, С, D - обобщенные постоянные эквивалентного четырехполюсника схемы замещения ВЛ.

Реактивная мощность Q_нач.о в начале ВЛ соответствует наименьшим потерям активной мощности в линии при всех значениях активной мощности линии Р_нач.

Сток реактивной мощности в передающую и приемную энергосистемы может быть заданной величиной. Расчеты показывают, что оптимальные значения реактивной мощности начала Q_нач.о и конца Q_кон.о ВЛ отличаются незначительно. Поэтому можно принять Q₀ = Q_нач.о = Q_кон.о. Разделяя оптимальное значение мощности Q₀ на заданную мощность стока в энергосистемы Q_c и мощность Q_шр, которая потребляется ШР, получают выражение Q₀ = Q_c + Q_шр = Q_c + U²_шр^. b_шр. (4) Подставляя в (4) значение Q₀, определяемое выражением (3), получают формулу для напряжения на зажимах ШР
(5)
По заданному значению мощности Q_c и зафиксированной величине напряжения U_н однозначно определяется требуемое по условиям минимизации потерь напряжение на зажимах ШР U_шр. В зависимости от текущих значений U_н и Q_c по выражению (5) определяется требуемая величина U_шр и производится соответствующее регулирование возбуждения ЛТ. При отключенном реакторе напряжение на ВЛ может быть увеличено (в соответствии с выражением (2)) до максимально допустимого уровня (длительно или кратковременно) путем получения добавочной ЭДС в последовательной обмотке 5 линейного трансформатора 4.

Таким образом, в технологии управления режимом ВЛ должна быть предусмотрена операция сравнения текущих значений U_н и Q_шр с их оптимальными величинами, определяемыми условиями минимизации потерь мощности и требованием энергосистем по генерации ВЛ реактивной мощности. Кроме того, должны соблюдаться ограничения по предельно допустимым отклонениям напряжения ВЛ. Управляющее воздействие на изменение возбуждения ЛТ вырабатывается в случае рассогласования между текущими значениями U_н и Q_шр и вычисленными по выражениям (2) и (5).

Для реализации изобретения могут быть использованы система автоматического регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) с регуляторами типов БАУРПН и АРТ-1Н, которые выпускаются предприятиями страны. Устройство типа АРТ-1Н осуществляет автоматическое управление электроприводами переключателя ответвлений трансформатора. Это устройство имеет тракт регулирования напряжения, генератор тактовых импульсов и устройство введения внешних воздействий. Управление переключателями ответвлений трансформатора (регулировочного трансформатора 7 в предлагаемом способе) осуществляется от моторного привода, управляемого устройством. При простом законе управления, не требующем сложных вычислительных операций, схема управления может строится на базе штатного устройства РПН. Если требуется математическая обработка ряда параметров, например, по выражениям (2), (5), то выработка управляющего воздействия должна возлагаться на вычислительные устройства (аналоговое или цифровое), которыми снабжаются в настоящее время подстанции 500-750 кВ. В качестве переключателей 9, 10 и 11 могут применяться коммутационные аппараты, предназначаемые для отключения цепей без разрыва нагрузочного тока. Это следует из технологии управления переключениями в цепи ЛТ и ШР, описанной выше.

Итак, оптимальное управление режимом электропередачи осуществляют путем глубокого изменения напряжения ВЛ и потребляемой мощности ШР в функции нагрузки ВЛ. Обе операции выполняются изменением возбуждения линейного трансформатора, включаемого в рассечку ВЛ или последовательно с ШР. При этом значительно упрощается схема реализации способа и технология управления электропередачей.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, содержащей высоковольтную линию с шунтирующими реакторами по ее концам, подключенными к ней через устройства регулирования напряжения под нагрузкой, согласно которому регулируют мощность шунтирующих реакторов в функции параметров режима электропередачи изменением напряжения на их зажимах, отличающийся тем, что дополнительно определяют оптимальное по потерям активной мощности в линии напряжение в ее начале U_но, не превышающее предельно допустимого по условиям работы электрооборудования значения U_ноmax, по выражению
U_н.о= ,
где P_н, Q_н - активная и реактивная мощности в начале линии;
a_к, a_х - коэффициенты потерь активной мощности короткого замыкания и холостого хода,
измеряют напряжение в начале линии U_н, сравнивают с вычисленным значением U_но и при U_н > U_но снижают напряжение U_н до значения U_но, напряжение конца линии увеличивают до значения напряжения приемного узла устройствами регулирования напряжения под нагрузкой, при выполнении условия U_н ≥ U_ноmax устройства регулирования напряжения под нагрузкой отключают от линии и включают последовательно с шунтирующими реакторами по концам линии, затем определяют оптимальное по потерям активной мощности напряжение на зажимах шунтирующего реактора в начале линии по выражению
,
где a_нq - коэффициент активных потерь в линии от передачи активной мощности;
α - коэффициент потерь в шунтирующем реакторе;
Q_с - заданное значение стока реактивной мощности;
b_шр - проводимость шунтирующего реактора,
и требуемое по балансу реактивной мощности напряжение на зажимах шунтирующего реактора в конце линии изменяют напряжение на зажимах реакторов в соответствии с полученными значениями устройствами регулирования напряжения под нагрузкой, причем в качестве устройств регулирования напряжения под нагрузкой использованы линейные трансформаторы, включенные в рассечку линии по ее концам.

РИСУНКИ

Рисунок 1