Каримов Р. страницы 303-314

а) б)

в)

Рис. 9.2. Графики регулирования реактора с помощью тиристорного ключа:

а – схема управления мощностью реактора; б – диаграмма токов и напряжений;

в – зависимость токов первой гармоники от угла α

Если при значении угла α₁ на тиристор VS1 подать управляющий импульс U_1упр (рис. 9.2, б), тиристор откроется, и через реактор начнет протекать ток, значение которого определяется уравнением

i = i_пр + i_св = I_max(sinωt – sinα), (9.2)

где i_пр – принужденная составляющая тока; i_св - свободная составляющая тока.

В силу того что активное сопротивление обмотки реактора как силового элемента электрической сети незначительно, затухание свободной составляющей тока i_св на протяжении первого полупериода частоты сети практически отсутствует. Поэтому эта составляющаяможет быть представлена в виде прямой, паралленльной оси абсцисс. Через 180º аналогичный процесс начинается при включении тиристора VS2. Форма кривой результирующего тока фазы показана на рис. 9.2, б. Изменяя значение угла α от 0 до 90º, можно изменять ток реактора от номинального до нуля, причем делать это практически мнгновенно. Каждый следующий полупериод тиристоры могут откры -ваться при новом значении угла α. Недостатком этого способа является несинусоидальность тока фазы. Зависимость амплитудного значения тока первой гармоники (в относительных единицах) от угла α приведена на рис. 9.2, в; за базисную величину здесь принята амплитуда принужденного тока i_пр через реактор. Для компенмации токов гармоник, кратных трем, ТРГ соединяются в треугольник; для компенсации токов других гармоник используются фильтры.

Такие тиристорно-реакторные группы могут быть созданы на большие мощностии на достаточно высокие напряжения (до 110 кВ). Сдерживающим фактором здесь явля- ется сложность создани тиристорных блоков на более высокие напряжения. Поэтому разработанные образцы таких реакторов на напряжения до 1150 кВ предполагают включение их через промежуточные трансформаторы и автотрансформаторы.

К этому же типу реакторов может быть отнесен управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа (рис. 9.3), представляющий собой трансформатор специального изготовления с сопротивлением рассеяния, равным 100%. Это означает, что при коротком замыкании на вторичной обмотке ток в первичной обмотке равен номинальному. Поэтому такой трансформатор идентичен реактору.

Трансформатор имеет три обмотки: первичную, включаемую в сеть, и две вторичные. На одну из вторичных обмоток включается тиристорные блоки таким образом, что при открытии очередного тиристора на этой обмотке возникает короткое замыкание. При этом через первичную и вторичную обмотки протекает ток , не превышающий номинального значения. Длительность короткого замыкания определяется значением угла α, изменением которого можно изменять ток, потребляемый из сети (точнее, действующее значение тока первой гармоники) так же, как в случае ТРГ. На другую вторичную обмотку включаются фильтры токов высших гармоник. В результате ток, потребляемый из сети, имеетсинусоидальную форму. Такой реактор может быть непосредственно включен в сеть СВН без промежуточных трансформаторов.

Рис. 9.3. Управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа

Основным преимуществом реакторов с тиристорным регулированием является их высокое быстродействие, недостатком – большая мощность управляемого устройства (тиристорных блоков). Тиристоры в закрытом состоянии должны выдерживать амплитудное значение напряжения сети (фазного или междуфазного, в зависимости от схемы включения), в открытом – пропускать номинальный ток реактора. Это в конечном счете отражается на экономических показателях УШР.

а) б) в)

Рис. 9.4. Реактор с магнитно-вентильным управлением:

а – схемы соединения сетевой и управлющей обмоток, б – магнитопровод разного сечения, в – аппроксимированная кривая намагничивания сердечника

Этого недостатка в значительной мере лишены реакторы с магнитно-вентильным управлением, разработанные и освоенные в России. Схемы соединения сетевой CO и управляющей УО обмоток приведены на рис. 9.4, а. В этих реакторах используется эффект предельного насыщения стали за счет подмагничивания и специальной конструкции магнитопровода, в котором есть участки меньшего сечения (рис. 9.4, б). За счет тока подмагничивания (тока управления) рабочая точка реактора выводится на участок насыщения (рис. 9.4, в), благодаря чему резко снижается индуктивное сопротивления сетевой обмотки и содержание токов высших гармоник в токе обмотки.

Благодаря такой схеме соединения в каждый полупериод происходит насыщение одного или двух стержней магнитопровода взависимости от значения тока управления. В результате соответственно изменяется и сопротивление реактора от очень большого (применительно к аппроксимированной кривой намагничивани), равного бесконечности, до сравнительно небольшого, определяемого углом наклона участка кривой намагничивания в зоне насыщения. Эквивалентная схема такого реактора подобна схеме реактора с тиристорным управлением (см. рис. 9.2). Ток управления создается управляемым тиристорным выпрямителем.

Ректоры с магнитно-вентильным управлением обладают большим диапозоном регулирования – от 3-5 до 110-120% номинальной мощности.

Рис. 9.5. Статическая характеристика реактора с магнитно-вентильным управлением: 1 – регулируемый режим реактора, 2 – нерегулируемый режим

Они имеют достаточно высокое быстродействие (максимальная скорость изменения мощности 300 Мвар/с), содержание токов высших гармоник в токе сетевой обмотки в стационарном режиме не превышает 3%, мощность управляющей системы составляет 1-2% номинальной мощности реактора, что существенно ниже, чем у реакторов с тиристорным управлением. Мощность реакторов мангитно-вентильным управлением может достинать нескольких сотен мегавольт-ампер реактивных при напряжениях до 500 кВ, что позволяет включать их непосредственно в сеть. Статическая характе- ристика реатора с магнитно-вентильным управлением приведена на рис. 9.5.

Статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ) основаны на использовании управляемых реакторов и конденсаторных батарей (рис. 9.6, а). При параллельном их включении мощность всего устройства равна алгебраической сумме мощностей реактора и КБ:

Q_Σ = Q_p – Q_{к б.} (9.3)

Изменяя мощность реактора или КБ, можно изменить мощность всего устройства и получить при этом как генерацию, так и потребление реактивной мощности СКРМ.

Если рассматривать регулируемый реактор и нерегулируемую конденсаторную батарею, то при равенстве их установленных мощностей результирующая мощность будет равна нулю. В процессе регулирования реактора его мощность снижается, и результирующая мощность будет носить емкостный характер. В пределе, когда мощность реактора будет близка к нулю, в сеть будет выдаваться только мощность КБ, т.е. эта схема может работать только в режиме генерации реактивной мощности. Статическая характеристика такого устройства приведена на рис. 9.6, б.

а) б) в)

Рис. 9.6. Статический компенсатор реактивной мощности:

а – схема СКРМ, б – статическая зарактеристика при Q_p = Q_{к б.}, в – статическая характеристика при Q_p = 2 Q_{к б.}

Если данное устройство должно работать в режиме как генерации, так и потребления реактивной мощности, соотношение между мощностями реактора и КБ надо изменить. Мощность реактора в данном случае должна быть больше мощности КБ, например, Q_p = 2Q_{к б.}. В этом случае результирующая мощность будет изменяться в диапазоне -1≤ Q_Σ ≤ 1 (рис. 9.6, в).

Статические компенсаторы, в которых реактор регулируется с помощью тиристорного ключа, получили название статических тиристорных компенсаторов (СТК).

Статический компенсатор реактивной мощности (Статком) является улучшенным аналогом синхронного компенсатора. Он создан на базепреобразователя нового типа, в котором используются полностью управляемые (запираемые) тиристоры или силовые транзисторы. Этот статический компенсатор развивает свою ЭДС, которая может быть больше или меньше напряжения сети. В случае, если эта ЭДС больше напряжения сети, Статком генерирует реактивную мощность в сеть, если ЭДС меншь напряжения сети, он потребляет реактивную мощнсть из сети аналогично синхронному компенсатору. Изменение ЭДС в этом компенсаторе осуществляется за счет изменения моментов закрытия управляемых вентилей преобразователя. В отличие от синхронного компенсатора здесь мощность генерации и мощность потребления равны номинальной мощности Статкома. Следует также отметить, что изменение значения реактивной мощности как в режиме генерации, так и режиме потребления осуществляется практически безынерционно.

Преобразователь через трансформатор включен параллельно нагрузке в узле сети, к которому подключена линия. Работая в режиме генерации или потребления реактивной мощности , он стабилизирует напряжение в этом узле сети на заданном уровне. Его статическая характеристика идентична характеристике, приведенной на рис. 9.6, в.

Управление пережаваемой по линии мощностью может осуществляться изменением фазного угла сдвига между напряжениями по концам линии. Для этой цели используются фазоповоротные устройства (ФПУ), включаемые в начале линии последовательно.

Для создания ФПУ используется то обстоятельство, что напряжение каждой фазы сдвинуто по отношению к межфазному напряжению двух других фаз на 90º. ФПУ состоитиз двух трансформаторов: последовательного 1 и возбуждающего 2. Первиичная обмотка возбуждающего трансформатора включена на междуфазное напряжение фаз B и C (рис. 9.7, а); эта обмотка имеет ответвления , которые могут переключиться с помощью устройства, аналогичному устройству РПН. Обмотка имеет также контакторы, с помощью которых изменяется полярность напряжения.

Вторичная обмотка возбуждающего трансформатра соединена со вторичной обмоткой последовательного трансформатора, первичная обмотка которого включена в фазу А линии. В результате напряжение в начале линии,создаваемое первичной обмоткой последовательного трансформатора (рис. 9.7, б), есть векторная сумма двух напряжений: U_A и U_B.. В результате напряжение фазы А в начале линии смещается по отношению у направлению шин, к которым подключена линия, на некоторый угол±Δδ.

а)

б) в)

Рис. 9.7. Фазоповоротное устройство:

а – схема ФПУ, б – векторная диаграмма ФПУ, в – векторная диаграмма линии

Угол между напряжениями по концам линии

δ’ = δ ± Δδ.

Угол Δδ может регулироваться как по значению, так и по знаку, поэтому угол δ’ может изменяться в сторону как увеличения, так и уменьшения.

Аналогичные устройства установлены и в других фазах. Поэтому напряжения в начале линии может смещаться на угол ±Δδ относительно напряжения конца линии U₂ (рис. 9.7, в), а значит, будет изменяться и передаваемая по линии мощность.

Такая схема получила название схемы поперечного регулирования. Она известна в практике. В качестве фазоповоротного устройства используется автотрансформатор, в котором дополнительным механизмом служит устройство РПН автотрансформатора. Основной недостаток такой схемы заключается в малом быстродействии, что объясняется использованием электромеханических переключателей.

Электромеханические переключатели могут быть заменены средствами силовой электроники (рис. 9.8). В этом случае первичная обмотка возбуждающего трансформатора соединена в треугольник и подключена к шинам, к которым подсоединена линия. Вторичная обмотка этого трансформатора состоит из нескольких отдельных секций; все они имеют разное количество витков и, следовательно, разное напряжение. Каждая секция подключена к двум тиристорным ключам, состоящим из четырех тиристоров. Через тиристорные ключи каждая из секций соединена с вторичной обмоткой последовательного трансформатора, первичная обмотка которого включена а линию. Работа тиристорных ключей организована таким образом, что полярность вторичной обмотки послежлвательного трансформатора может изменяться.

Если напряжение секций соотносятся, например, как 1:3:9, то используя различные комбинации включенных секций, можно иметь 27 ступеней регулирования угла сдвига выходного напряжения.

Блоки тиристорных ключей имеют систему управления на вход которой подаются параметры режима (угол δ, мощность линий и др.) и заданные значения регулируемых величин (уставки), на выходе имеется система команд на включение соответствующих комбинаций тиристорных ключей.

а) б)

Рис. 9.8. Схема полупроводникового фазоповоротного устройства:

а – схема ФПУ, б – векторная диаграмма

9.2.2. Устройства воздействия на электромагнитные характеристики линии

Под воздействием на электромагнитные характеристики линии понимается изменение ее индуктивного сопротивления и емкостной проводимости в соответствии с требованиями режима электроэнергетической системы. Такое воздействие может быть осуществлено двумя путями. Первый из них заключается в том, что ее конструкция двухцепной линии изменяется таким образом, что ее индуктивное сопротивление и емкостная проводимость будут определяться фазой векторов напряжений по концам цепей этой линии. В этом случае осуществляется распределенная компенсация параметров линии. Такие линии получили название управляемых самокомпенсирующихся воздушных линий (УСВЛ). Другой путь предполагает применение управляемой продольной компенсации, аналогичной той, что была рассмотрена в гл. 8, но с управляемой конденсационной батареей и управляемыми шунтирующими реакторами. Здесь осуществляется сосредоточенная компенмация параметров линии.

Оставляя в стороне достаточно сложный математический аппарат, рассмотрим физическую сущность первого пути. Она состоит в том, что провода двух цепей линии располагаются на опорах и в пролетах таким образом, что расстояния между проводами одноименных фаз двух цепей значительно меньше междуфазных расстояний (d<D) (рис. 9.9, а). В этом случае взаимная индуктивность между цепями будет проявляться значительно сильнее, чем при традиционном расположении цепей на двухцепной опоре.

Эквивалентное индуктивное сопротивление уаждого провода на каждом участке линии будет определяться выражением

x_Э = x_i + x_M(β), (9.4)

где x_i – сопротивление каждого провода без учета взаимоиндуктивности;

x_M - сопротивление, определяемое взаимной индуктивностью двух цепей; β – угол между токами (магнитными потоками) каждой из цепей.

а)

б)

в)

Рис. 9.9. Управляемая самокомпенсирующаяся воздушная линия (а); возможные схемы и расположение проводов на опоре (б); векторная диаграмма напряжений линии (в)

Взаимное расположение векторов тока каждой цепи, в свою очередь, будет определяться взаимным расположением векторов напряжений в начале каждой цепи (рис. 9.9, б). Поэтому, если с помощью фазоповротных устройств изменять взаимное расположение этих векторов (угол β) в пределах от нуля до 180º и более, сопротивление x_M будет также изменяться по значению и знаку,соответственно будет изменяться и значение x_Э (рис. 9.10, а).

б) а)

Рис. 9.10. Характеристики УСВЛ:

а – зависимости индуктивного сопротивления к емкостной проводимости от угла сдвига векторов напряжений; б – обмен мощностью между цепями линии

Минимальное значение x_Э будет при β = 180º, поскольку x_M при этом будет иметь максимальное отрицательное значение. Одновременно будет изменяться и эквивалентная емкостная проводимость b_Э каждого провода, увеличиваясь по мере увеличения угла β от нуля до 180º. Отсюда изменение значений волнового сопротивления и передаваемой мощности.

Изменяя с помощью ФПУ угол β, можно изменять передаваемую по этой линии активную мощность. При этом из-за близкого расположения проводов двух цепей при β>0 происходит взаимный обмен потоками мощности сежду ними (рис. 9.10, б).

Мощность каждой из цепей имеет три составляющие : для первой цепи она составит:

P₁ = P₁₁ – P₁₂ + P₂₁ , (9.5)

где P₁₁ – собственная мощность первой цепи; P₁₂ – обменная мощность из первой цепи во вторую; P₂₁ - обменная мощность из второй цепи в первую.

Аналогичное уравнение может быть записано и для второй цепи.

Каждая из этих составляющих есть функция напряжений (комплекных значений) в начале и конце каждой из цепей, эквивалентных сопротивлений x₁, x₂ и их взаимной проводимости b₁₂, b₂₁:

P₁₁ = f(U_H1, U_K1, U_H2, x₁, <(U_H1, U_К1), <(U_H1, U_Н2));

P₁₂ = f(U_H1, U_K2, <(U_H!, U_K2), x₁, x₂, b₁₂); (9.6)

P₂₁ = f(U_Н2, U_К1, <(U_H2, U_K1), x₁, x₂, b₂₁).

При относительно малой длине линии значения b₁₂ и b₂₁ также малы, и поэтому составляющие P₁₂ и P₂₁ незначительны.

Для управления режимами таких линий необходимы фазоповоротные устройства, рассчитанные на мощность каждой из цепей. Однако желаемый эффект в неуправляемом режиме может быть получен, если два провода одной пары включить на напряжения разных фаз, сдвинутых одна по отношению к другой на 120º. Такой способ был исследован в нашей стране, и были сооружены опытные линии напряжением 10 кВ, работающие в неуправляемом режиме. На этих линиях были подтверждены результаты теоретических разработок и показано, что этот путь является одним из возможных путей создания управляемых (гибких) линий.

Другим путем изменения электромагнитных характреристик линии является применение управляемой продольной емкостной компенсации с управляемой конденсаторной батареей и управляемыми шунтирующими реакторами. Здесь также возможно несколько случаев.

В одном из них изменение сопротивления конденсаторной батареи может быть осуществлено разделением на КБ на несколько секций желательно различного сопротивления ( x_K1, x_K2 и т.д.) в соотношении, например, 1:2:3:5 и включением каждой секйии или комбинации нескольких из них с помощью тиристорных ключей последовательно в линию (рис. 9.11, а).

б)

а)

Рис. 9.11. Возможные способы изменения соротивления конденсационной батареи УПК с помощью тиристоров:

а – включение отдельных секций КБ; б – шунтирование секций КБ

В другом случае изменение сопротивления КБ может быть осуществлено шунтированием части секций КБ с помощью тиристорных ключей (рис. 9.11, б). При этом часть конденсаторов выводится из работы или, напротив, включается в работу и тем самым изменяется общее сопротивление КБ.

Недостатком этих способов изменения сопротивления конденсаторной батареи является их дискретность, а также достаточно большие мощности тиристорных ключей.

Дискретность может быть исключена, если параллельно КБ включить управляемый тем или иным способом реактор. Схема такого устройства приведена на рис. 9.12, а. В этой схеме изменение сопротивления реактора от минимального возможного до максимально допустимого ведет к увеличению суммарного сопротивления установки продольной компенмации, которое во всем диапозоне регулирования должно оставаться емкостным. Переход в индуктивный режим возможен только через прохождение резонанса токов в контуре LC. При этом токи в ветвях контура будут резко возрастать и теоретически при нулевом активном сопротивлении контура будут стремиться к бесконечности, что недопустимо.

Задача заключается в том, чтобы найти необходимый диапозон изменения сопротивления реактора при заданном диапозоне изменения степени компенсации линии. В рассматриваемой схеме получить

а)

б)

в)

Рис. 9.12. Изменение сопротивления УПК с помощью параллельного управляемого реактора:

а – схема УПК; б – векторная диаграмма токов и напряжения УПК; в – схема УПК с реактором, управляемым тиристорными ключами