Перераспределение потоков мощности между сечениями электрической сети устройствами продольной компенсации на основе преобразователей напряжения

Для регулирования режимов энергосистем широко применяются элементы силовой электроники, разработаны различные типы устройств управляемых (гибких) систем электропередачи переменного тока (FACTS), применение которых в электрических сетях обеспечивает необходимую степень компенсации реактивной мощности [1–6]. К их числу можно отнести новый класс распределенных управляемых устройств – малогабаритных устройств продольной компенсации, концепция которых была предложена в США [7, 8]. Малогабаритные устройства продольной компенсации (МУПК) – устройства силовой электроники, обеспечивающие управляющее воздействие на реактивную составляющую эквивалентного сопротивления линий электропередачи. Малые габариты устройств определяют их мобильность и возможность использования для устранения локальных узких мест электрических сетей с последующим демонтажем и переносом на другие объекты [9–11].

Наиболее перспективным вариантом построения МУПК является использование преобразователя напряжения [3]. Высокая стоимость, определяемая применением в ПН транзисторов типа IGBT и тиристоров типа GTO и IGCT, окупается широкими функциональными свойствами ПН, так как они работают во всех четырех квадрантах PQ -диаграмм мощности, обладают высоким быстродействием и создают напряжение высокого качества. Устройства продольной компенсации на базе преобразователя напряжения (УПК-ПН) позволяют плавно изменять реактивную составляющую эквивалентного сопротивления линий электропередачи, увеличивая или уменьшая ее. Основные эффекты от применения УПК-ПН – это возможность снижения потерь и поддержание нормируемых уровней напряжения в электрической сети, а также перераспределение потоков мощности между параллельными сечениями сети. Управление параметрами УПК осуществляется в режиме реального времени [9–11].

Функциональные возможности, особенности регулирования режимов сети, а также эффект от введения в сеть УПК-ПН рассмотрим на примере района электрической сети, выбрав их размещение в сети и параметры, позволяющие сохранить нормируемые напряжения и токи в наиболее тяжелых послеаварийных режимах. В рабочих режимах рассмотрим возможность снизить потери в сети путем вариации параметров УПК-ПН, выбранных по условиям послеаварийных режимов.

Объект исследований и методы

В качестве объекта исследований примем 14-узловую тестовую схему сети IEEE [12], приведенную на рис. 1, и первоначально малогабаритные УПК-ПН [9–11], а при необходимости и ста-

Рис. 1. 14-узловая тестовая схема IEEE исследуемой электрической сети

Таблица 1

Параметры ветвей схемы замещения исследуемой сети

Узел нач.	Узел кон.	r , Ом	x , Ом	b , мкСм	k т	загр , %
1	2	10,25	31,30	99,8	–	56,7
1	5	28,58	117,99	93,0	–	39,9
2	3	24,86	104,73	82,8	–	28,8
2	4	30,74	93,27	64,3	–	25,8
2	5	30,13	91,98	65,4	–	24,1
3	4	35,45	90,47	24,2	–	7,3
4	5	7,06	22,28	–	–	21,5
4	7	–	105,81	–	0,511	39,4
4	9	–	276,26	–	0,516	23,0
5	6	–	115,80	–	0,536	44,1
5	6	–	115,80	–	0,536	44,1
6	11	12,56	26,30	–	–	51,3
6	12	16,25	33,83	–	–	25,8
6	13	8,75	17,23	–	–	43,3
7	8	–	23,30	–	–	31,7
7	9	–	14,55	–	–	80,8
9	10	4,21	11,18	–	–	25,5
9	14	16,81	35,76	–	–	20,0
10	11	10,85	25,40	–	–	15,1
12	13	29,22	26,43	–	–	1,4
13	14	22,61	46,03	–	–	23,9

Таблица 2

Нагрузки в узлах схемы замещения исследуемой сети

Узел Uном, кВ P , МВт н Qн, МВАр Pг , МВт Qг, МВАр 1 230 – – 304,8 41,5 2 230 21,7 12,7 40,0 43,6 3 230 94,2 19,0 – 25,1 4 230 47,8 –3,9 – – 5 230 7,6 1,6 – – 6 115 11,2 7,5 – 12,7 7 115 – – – – 8 115 – – – 17,6 9 115 44,2 24,9 – – 10 115 18,4 7,4 – – 11 115 18,4 7,4 – – 12 115 16,0 4,2 – – 13 115 20,2 8,7 – – 14 115 22,4 7,5 – – ционарные УПК-ПН. Особенность этой сети в том, что она двух классов напряжения 220 кВ (синий цвет) и 110 кВ (желтый цвет), многоконтурная, потоки мощности в контурах направлены в одну сторону. Узлы схемы – это сборные шины электрических станций и подстанций, соединенные линиями электропередачи, представленными на схеме ветвями. Тестовая схема IEEE включает 2 генерирующих и 12 нагрузочных узлов. В узлах 3, 6, 8 установлены регулируемые источники реактивной мощности, в узле 9 – батарея статических конденсаторов.

После проверки адекватности расчетов режимов сети тестовой схемы IEEE в программном комплексе RastrWin параметры ЛЭП тестовой схемы заменены близкими по величине аналогами отечественных линий с типовыми удельными сопротивлениями, а нагрузки в узлах схемы увеличены по сравнению с режимом исходной тестовой схемы до величин, при которых в некоторых из послеаварийных режимов ток ряда ЛЭП превышает допустимое значение. Параметры ветвей схемы замещения исследуемой сети представлены в табл. 1, а нагрузки в узлах – в табл. 2.

Эффективность и возможность применения устройств продольной компенсации на базе преобразователя напряжения оценивалась при помощи математической модели энергосистемы с УПК-ПН, реализованной в программном комплексе RastrWin [13]. Устанавливая УПК-ПН в разные ветви сети и варьируя их параметры, проводим анализ режима сети, выявляя ветви (ЛЭП) с недопустимыми перегрузками в послеаварийных режимах, а также потери мощности и уровни напряжений в рабочих режимах сети.

Анализ послеаварийных режимов

Рассмотрен наиболее тяжелый послеаварий-ный режим сети – аварийное отключение линии 6-11. В этом случае в сети ток линии 7-9 превышает допустимый (достигает 109 % от допустимого, табл. 3). При этом загрузка параллельных ей линий 5-6 и 4-9, по которым поток мощности идет в том же направлении, что и по ветви 7-9, составляет соответственно всего 35 и 31 %. На рис. 2 изображена карта послеаварийного режима сети при аварийном отключении линии 6-11. Градиентная подсветка ЛЭП на карте режима позволяет визуально оценить загрузку линий по току в процентном соотношении от допустимой загрузки.

Типовым решением является строительство новой или усиление существующей линии электропередачи 7-9. Однако попробуем решить эту задачу, применив УПК-ПН для вытеснения потока мощности, перегружающего линию 7-9 в ветви 5-6 и 4-9. Для этого применим УПК как в сети 110 кВ, так и 220 кВ. Установим их в линиях 1-5, 2-5, примыкающих к узлу 5, и в последовательной к перегруженной ветви линии 4-7. Изменять параметры ветвей, содержащих УПК, будем синхронно.

Параметры и загрузка линий в послеаварийном режиме

Таблица 3

Узел нач.	Узел кон.	x , Ом	I A max ,	загр , %
5	6	115,80	94	35,4
4	7	105,81	137	51,6
7	9	14,55	288	108,8
4	9	276,26	82	30,9

Таблица 4

Параметры линий в послеаварийном режиме при применении УПК ПН

Узел		x , Ом
Нач.	Кон.	Исх.	1	2	3	4	5	6	7	8
1	5	117,99	1 15 ,49	112,99	107,99	105,49	102,99	100,49	97,99	92,99
2	5	91,98	8 9, 48	86,98	84,48	81,98	79,48	76,98	74,48	66,98
4	7	105,81	1 10, 8 1	115,81	120,81	125,81	130,81	135,81	140,81	155,81

Таблица 5

Загрузка линий в послеаварийном режиме при применении УПК ПН

Узел		I загр , %
Нач.	Кон.	Исх.	1	2	3	4	5	6	7	8
5	6	35,4	3 5, 6	35,8	35,9	36,1	36,2	36,3	36,4	36,8
7	9	108,8	1 07, 3	106,0	104,5	103,2	101,9	100,7	99,4	96,1
4	9	30,9	3 1, 4	31,8	32,2	32,6	33,1	33,5	33,8	34,9

Рис. 2. Карта послеаварийного режима сети

В та бл . 4 и 5 пре дс та в л ен ы с оотв е тс тв енно па раме тры и з а гр узки ра с с м а трив а е м ых лин и й пр и р яде расчетов послеаварийного р е ж и ма с е ти.

Размещение УПК в ветвях 1-5, 2-5 и 4-7 по- зволило снизить нагрузку линии 7-9 со 109 до 96 % (см. табл. 5), загрузив параллельные ей линии 5-6 и 4-9. Карта послеаварийного режима сети с установленными УПК ПН представлена на рис. 3.

Рис. 3. Карта послеаварийного режима сети при применении УПК ПН

Снижение тока линии 7- 9 ст а л о в оз м ож ным бл аг о да ря с н иже н и ю эквив ал е н тного ре а кт ивного сопротивления в ветвях 1-5 и 2-5 с оотв етс тв енно на 21 и 27 %, а та к ж е у в е ли че нию с опроти в л ени я ветви 4-7 на 47 %.

П ри ра с с м отре нном ра с полож е ни и У П К в ис сл е д у е м ой с х е м е з а гр уз ка п о ток у л и н ий в посл еа- в ари й ных ре ж им ах не пр е в ыша е т до п устиму ю. Установив в сети УПК- ПН с па ра м е тра м и, обе сп е ч и в а ющ им и е е ра бот у в наи бол е е тя ж е л ом пос л еа- в ари й ном ре ж и ме , и уч иты в а я в оз м ож нос ти регулирования этих параметров, пр ив одящ и х как к у в е л и че н и ю, та к и ум ень ше ни ю эквив ал е н тны х реактивных сопротивлений ЛЭП, выясним, нельзя ли сниз и ть п отер и в длительных раб очи х реж и м а х се ти з а с че т в а риац ии па ра м е тров У ПК .

Оптимизация потерь мощности в нормальном режиме

При анализе нормального режима работы сети, карта которого представлена на рис. 4, рассчи- таны значения потерь мощности в районах сети с напряжениями 110 и 220 кВ (табл. 6). Потери активной мощности в сети 220 кВ оказались на порядок выше, чем в сети 110 кВ. Поэтому рассмотрим возможности снижения потерь активной мощности в сети 220 кВ, изменяя эквивалентные реактивные сопротивления ЛЭП с помощью УПК-ПН.

Рассматривая в нормальном режиме потоки мощности по ЛЭП 220 кВ, на карте нормального режима сети (см. рис. 4) видим, что в сети 220 кВ потокораспределение резко неравномерное. Часть потока активной мощности, поступающая из балансирующего узла 1 в узел 5, идет сначала по линии 1-2, а затем по линии 2-5. Это увеличивает потери активной мощности в сети 220 кВ. Поэтому, установив УПК-ПН в линии 2-5 и увеличив реактивную составляющую ее эквивалентного сопротивления, попробуем уменьшить потери, вытесняя поступающую из балансирующего узла 1 в узел 5 часть потока активной мощности в линию 1-5.

Рис. 4. Карта нормального режима сети

Потери мощности в нормальном режиме

Таблица 6

Класс напряжения	Потери активной мощности A P , МВт	Потери реактивной мощности A Q , МВАр
110 кВ	2,35	7,34
220 кВ	20,26	61,91

УПК на ос нов е ПН поз в оля е т п л а вно ре г у л ир овать в е лич ин у ре а к ти в но й с ос та вл я юще й экв ив ал ент ного с опроти в л е н ия ЛЭ П, поэтому определ им оп ти м ал ь н у ю в е личи н у э квив а л ент ного с опротивления ЛЭП 2-5, п ри которой поте ри а кти вной м ощнос т и в сети б у д у т м и ни м ал ьны. Дл я эт ого в ы п олним ряд ра сче тов норм а л ьного ре ж им а се ти, в которых б у де м в а рь иров а ть в ел ич и н у в водим ой ком пенс а ц и и, фиксир уя при этом поте ри мощн ости в с е т и в ра йонах 110 и 22 0 кВ и сумма рные . С ра в ним з на че н и я поте рь м ощности в ис сл ед уе м ой сх е м е в норм а л ьном ре ж им е до и после установки УПК в линии 2-5.

Расчет потерь активной и реактивной мощности также выполним в программном комплексе RastrWin. На рис. 5 представлен график зависимости потерь мощности в сети 110 и 220 кВ в зависимости от соотношения сопротивления линий 1-5 и 2-5. Нормальному режиму без УПК-ПН соответствует соотношение х ₁₅/ х ₂₅ = 1,28.

Полученная зависимость A P _S = f ( Х 15 / х 25 ) принимает минимальное значение 22,11 МВт при соотношении сопротивлений х ₁₅/ х ₂₅ = 0,85, что соответствует увеличению реактивной составляющей эквивалентного сопротивления линии 2-5

Гольдштейн М.Е., Кононов Н.С., Шульгин А.О.

Рис. 5. График зависимости потерь активной мощности от соотношения эквивалентных реактивных сопротивлений линий 1-5 и 2-5

на 50,6 %. Т а ким обра з ом , получ ив в ышепе ре чи с л ен ные эк в и в а л ент ные па ра м е тры л и н ий с пом ощью устройств УПК- ПН, у дал ос ь пе ре ра с преде л ит ь п отоки мощн ости в с е ти 220 кВ и снизить с ум м а рные поте ри а к тивно й м ощнос ти в норм а л ьном режиме на 2,2 %.

Определив в е л и ч ины э к в и в а л ент ных с опро тивл е н и й УП К , которые пришл ос ь в в од ить в раз ных режим а х с ети, найде м м ощнос ть У ПК-ПН

QУПК = Δx ⋅ Im2 ax и величину максимального напряжения, вводимого УПК,

ΔUУПК = Δx ⋅ Imax , где Δx – наибольшее изменение реактивной составляющей эквивалентного сопротивления ЛЭП, найденное по условиям послеаварийного режима, Ом; Imax – ток ЛЭП в режиме с наибольшей ее загрузкой, А.

Результаты расчета сведены в табл. 7 для наиболее тяжелого послеаварийного режима, в табл. 8 – для нормального режима.

Как следует из полученных результатов (см. табл. 7), перераспределение потоков мощности по линиям 220 кВ исследуемой сети в наиболее тяжелом послеаварийном режиме возможно при мощности УПК-ПН в ветви 1-5 не менее 1782,2 кВАр. Следовательно, оно не может быть набрано из малогабаритных УПК [9–11], а должно быть стационарным, а его присоединение выполнено при помощи жесткой ошиновки. В остальных ветвях

Параметры УПК ПН в наиболее тяжелом послеаварийном режиме

Таблица 7

Узел нач.	У з е л кон.	Δ x , Ом	Q УПК , кВАр	Δ U УПК , кВ
1	5	25,0	1782,2	6,68
2	5	25,0	592,9	3,85
4	7	50,0	708,1	5,95

Таблица 8

Параметры УПК ПН в нормальном режиме

Узел нач.	У з е л кон.	Δ x , Ом	Q УПК , кВАр	Δ U УПК , кВ
2	5	46,5	593,8	5,26

УПК-ПН могут быть малогабаритными. Для оптимизации потерь мощности в нормальном режиме достаточны малогабаритные устройства продольной компенсации, которые устанавливаются непосредственно на проводах ЛЭП. Эти устройства обладают меньшими по сравнению с рассчитанными в табл. 7 величинами вводимых в линию реактивных сопротивлений [9–11] и имеют меньшую мощность и габариты. В частности, в рассматриваемой сети в нормальном режиме может быть применено УПК-ПН в ветви 2-5 с параметрами, выбранными по результатам анализа по-слеаварийных режимов. В некоторых случаях для достижения необходимого эффекта от регулирования эквивалентного сопротивления ЛЭП потребуется последовательное соединение нескольких таких устройств.

Заключение

Выполненные исследования подтвердили, что применение устройств продольной компенсации на базе преобразователей напряжения позволяет, не прибегая к строительству новых линий электропередачи, уменьшить перегрузку ЛЭП в по-слеаварийных режимах, а также выполнить оптимизацию нормального режима работы электрической сети, что ведет к увеличению энергетической эффективности работы сети в целом. При этом для управления нормальными режимами могут быть применены малогабаритные УПК-ПН, а послеава-рийными – стационарные.