Глава 3. Система управления реакторами трансформаторного типа

3.1. Особенности требований к СУ УШРТ для линий электропередачи

Особенности управления реакторами в различных случаях их применения изложены в Главе 2. Настоящая глава посвящена детальному описанию структуры схем управления и методики выбора параметров их элементов и прежде всего тиристоров.

Как следует из §2.1 наиболее сложная система управления требуется для реакторов, устанавливаемых на линиях электропередачи. Система управления каждого реактора должна реагировать на изменение параметров передачи (напряжение, ток) в месте установки реактора. Это особенно важно в случае множества реакторов вдоль линий электропередачи, когда нечеткое срабатывание одного реактора может иметь нежелательные последствия для электропередачи в целом. Поэтому необходимо выбрать такой главный параметр, который однозначно определяет ток реактора. Таким параметром независимо от режима работы передачи и длины линии является ток в линии, причем независимо от его направления. Связь между током в линии и напряжением однозначна и определяется соотношением (2.7).

Связь между напряжением и током реактора неоднозначна при любой длине линии. Например, при изменении нагрузки обычно стараются поддержать неизменным напряжение у потребителя на уровне номинального напряжения. Для этого увеличивается напряжение на генерирующем конце линии. Это означает, что при использовании напряжения в качестве параметра реагирования системы управления реактор в конце линии не будет изменять ток, а реактор в начале линии будет увеличивать ток, тогда как при увеличении нагрузки ток реактора должен уменьшаться (см. §2.1). Таким образом система управления будет вырабатывать ложные команды, а реактор будет не улучшать условия работы системы, а ухудшать. Поэтому необходимо полностью исключить связь между режимами напряжения в системе и током реактора.

Для длинных линий ситуация с напряжением еще больше осложняется. Например, для линии с электрической длиной λ=π (половина длины электро-

магнитной волны) напряжение во всех точках линии увеличивается при увеличении передаваемой мощности. Тем не менее, как и при относительно коротких длинах линий при увеличении передаваемой мощности необходимо уменьшать мощность шунтирующих реакторов. Это означает, что производная напряжения на линии по передаваемой мощности имеет разные знаки в зависимости от режима передачи (длины потока электроэнергии), а производная реактивной мощности по передаваемой мощности имеет всегда один знак - отрицательный.

Рассмотрим линию электропередачи с волновой длиной λ и с передаваемой мощностью Р, изменяющейся в пределах 0≤Р≤РН. Без учета активного сопротивления линии распределение напряжения вдоль нее может быть вычислено по формуле (2.8)

где U2 - напряжение в конце линии; Q2 - потребляемая реактивная мощность в конце линии; λх - текущая волновая координата линии.

Для того чтобы при любой передаваемой по линии мощности обеспечить равенство напряжений в начале и в конце линии, потребляемая в конце линии реактивная мощность должна быть равна [14]

Подставляя это выражение для Q2 в формулу (3.1), получаем распределение напряжения вдоль линии при фиксированных и одинаковых значениях напряжения на ее концах, обеспечиваемых примыкающими энергосистемами:

При указанных условиях проанализируем характер изменения напряжения вдоль линии при изменении передаваемой мощности. Производная от относительной величины напряжения по относительной величине передаваемой мощности равна

Результаты вычислений по формуле (3.4) приведены на рис.3.1 и 3.2. Как видно, производная напряжения по передаваемой мощности для линий с волновой длиной λ≤π/2 всегда имеет отрицательный знак, но значительно изменяется при изменении передаваемой мощности и длины линии. Важно отметить, что при изменении волновой длины линии λ от π/4 до π/2 смещается вдоль линии максимум производной dUx*/dP*. При λ=π/4 он соответствует λх=π/8, а при λ=π/2 максимум dUx*/dP* достигается при λх=π/4 (см.рис.3.1). При этом максимум производной dUх*/dP* во втором случае увеличивается примерно вдвое при тех же значениях передаваемой мощности.

Если изменение передаваемой мощности можно учесть путем измерения передаваемой мощности в точке подключения управляемого реактора, то для учета изменения длины потока мощности (которая может изменяться при отключении и подключении тех или иных участков линии, при изменении нагрузок и регулировании станций) необходимы сведения о работе системы в целом. Это означает, что при установке управляемого реактора в промежуточной точке линии необходима перенастройка его регулятора в зависимости от режима работы энергосистемы, то есть необходимо снабдить реактор адаптивной системой регулирования, обрабатывающей информацию по всей системе.

Р/Рн=0,25

-0,1

0,5

-0,2

-0,3 -0,4

Рис.3.1. Распределение вдоль линии производной напряжения по передаваемой мощности при различных относительных ее значениях Р* и волновой длине линии λ=π/4 (а) и λ=π/2 (б)

-0,2

λ=π/4

-0,4

Рис.3.2. Распределение вдоль линии производной напряжения по передаваемой мощности при различных волновых длинах электропередачи λ (вычисления выполнены по формуле (3.4)

Еще более неблагоприятна ситуация для сверхдальних электропередач (рис.3.2). В этом случае производная напряжения по передаваемой мощности изменяется не только по абсолютной величине, но и по знаку в зависимости от удаленности отправной системы от приемной.

При передаче по линии мощности, близкой к натуральной, мощность управляемых реакторов близка к нулю. При этом реакция линии на изменение передаваемой мощности практически такая же, как при отсутствии реакторов. Поэтому тенденцию изменения напряжения вдоль длинных линий можно проследить с помощью формул (3.3) и (3.4).

Результаты расчетов по формуле (3.4) при Р≈РН приведены на рис.3.2. Если при λ≤π/2 производная dUх*/dP* всюду отрицательна, то при π/2≤λ≤π она всюду положительна. При λ>π производная dUx*/dP* имеет разные знаки вдоль линии. Резко изменяются и абсолютные величины производной

вдоль линии при изменении дальности электропередачи. При этом производная dUx*/dP* равна нулю при sinλx=0 (λx=0; π; 2π...) и при sin(λx-λ)=0 (λ-

λx=0; π; 2π).

Положение максимумов и минимумов производной можно определить из условия

Из формулы (3.6) следует, что положение экстремумов определяется соотношением

sin(λ − 2λx )= 0

или

λ − 2λx = 0; π; 2π...,

откуда

Приведенные данные свидетельствуют о чрезвычайной сложности регулирования управляемых шунтирующих реакторов (УШР) в промежуточных точках линии по отклонению напряжения, особенно в тех местах, где напряжение вообще не изменяется (производная от напряжения равна нулю).

Значительно более эффективным является регулирование УШР по изменению передаваемой мощности. Действительно, при наличии распределенных вдоль линии УШР, когда напряжение на участках линии между пунктами установки реакторов изменяется незначительно, избыточная реактивная мощность i-го участка линии Qi, которая должна быть компенсирована УШР, равна

где РНi - натуральная мощность i-го участка линии; λi - его волновая длина; Рi - передаваемая по нему мощность.

Полагая, что установлены два одинаковых реактора по обоим концам участка, находим мощность одного УШР:

Производная мощности реактора по передаваемой мощности

Как следует из формулы (3.9), знак производной не зависит от суммарной длины электропередачи и всегда отрицателен. При этом абсолютное значение производной пропорционально передаваемой мощности. Создать такой регулятор достаточно просто. Причем такой регулятор может работать независимо от режима работы системы в целом, а лишь на основе измерения передаваемой мощности (или тока) в месте установки УШР.

Комбинация УШР с такого типа регулятором полностью решает проблему обеспечения устойчивости работы дальних электропередач. Разумеется, при этом необходимо регулирование возбуждения генераторов по концам

линии для поддержания напряжения на заданном уровне. Эти регуляторы должны иметь настройку по отклонению напряжения.

Более точное выражение для производной dQ2*/dPi* может быть получено по формуле (3.2), где вместо волновой длины линии λ подставлена волновая длина участка линии λi≤0,2π. В этом случае учитывается изменение напряжения вдоль компенсируемого участка линии. Из формулы (3.2) получаем

Как видно, в этом случае вместо множителя λi при отношении Pi/PНi имеем член

При Pi ≈ PНi этот множитель равен tgλi и, следовательно, в этом случае

При ограничении λi≤0,2π максимальное различие этих множителей во всем возможном диапазоне изменения Pi /PНi≤1 достигает 15%. Поэтому для регулирования УШР целесообразно использовать более точные формулы

(3.8) и (3.10).

Нетрудно показать, что при таком регулировании УШР (и при обеспечении постоянства напряжения в начале линии путем регулирования возбуждения генераторов) напряжение в месте подключения УШР поддерживается неизменным, что исключает необходимость дополнительного регулирования по отклонению напряжения. Действительно, формула (3.2) получена из условия равенства напряжений по концам участка линии. Поэтому при регулировании мощности УШР в зависимости от передаваемой мощности согласно формуле (3.2) в начале и в конце участков линии автоматически обеспечивается стабильность напряжения в месте подсоединения реакторов. Естественно, аналогичное регулирование УШР необходимо обеспечить вдоль всей линии на всех последовательных участках.

Стабилизация напряжения во всех пунктах установки реакторов позволяет заменить управление реактором по мощности (3.8) на управление по току

где Iн.i – натуральный ток участка линии, а I – ток на этом участке. Управление УШРТ (УШКТ) возможно также по углу ω сдвига фаз на-

пряжения и тока в линии. Этот угол может быть измерен в рузультате индикации моментов перехода через нуль напряжения на линии и тока в ней (в месте установки УШКТ) с помощью компараторов во входных каналах напряжения и тока линии измерительно-логической части системы управления ИЛЧ СУ (см. рис.3.3). При опережении тока в линии ИЛЧ вырабатывает команду на увеличение индуктивного тока компенсатора (на уменьшение угла зажигания тиристоров), пока угол ω не достигнет нуля. Напротив, при запаздывающем токе в линии ИЛЧ вырабатывает команду на уменьшение индуктивного тока компенсатора (на увеличение угла зажигания тиристоров) вплоть до нуля и - при необходимости – до соответствующей величины емкостного тока компенсатора (см. рис.1.27 а), пока угол ω не достигнет нуля. В результате полностью исключается протекание реактивного тока по линии.

Управление по углу сдвига по фазе тока по отношению к напряжению ω более совершенно, чем по величине тока в линии, поскольку измерение угла ω в течение одного полупериода промышленной частоты проще, чем величины тока, а также позволяет учесть характер нагрузки (ее коэффициент мощности). При этом обеспечивается более жесткая стабилизация напряжения на линии.