Повышение устойчивости электроэнергетических систем с применением регулируемой продольной компенсации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Мартиросян, Акоп Арамаисович

• Мартиросян, Акоп Арамаисович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мартиросян, Акоп Арамаисович

ВВЕДЕНИЕ.

1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ЕМКОСТЬЮ В УПК.

1.1. Введение.

1.2. Полная математическая модель электроэнергетической системы с регулируемой емкостью в УПК.

1.2.1. Математическое описание переходных процессов в синхронном генераторе.

1.2.2. Представление характеристики управляемой емкости в математических моделях.

1.2.3. Математическое описание переходных процессов в линии электропередачи с регулируемой емкостью в.УПК.

1.3. Упрощение математической модели исследуемой системы.

1.4. Выводы.

2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СТАТИЧЕСКАЯ

УСТОЙЧИВОСТЬ ИССЛЕДУЕМОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С РЕГУЛИРУЕМЫМ УПК.

2.1. Введение.

2.2. Анализ статических характеристик исследуемой системы по простейшей математической модели.

2.3. Апериодическая устойчивость электроэнергетической системы с управляемой емкостью в УПК.

2.4. Статические характеристики исследуемойг электроэнергетической системы.

2.5. Анализ статической устойчивости-исследуемой системы.

2.6. Выводы.

3. УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕХОДНЫМИ РЕЖИМАМИ ПРИ «БОЛЬШИХ» ВОЗМУЩЕНИЯХ ЗА СЧЕТ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТЕПЕНИ КОМПЕНСАЦИИ УПК.

3.1. Введение.

3.2. Особенности математического описания, системы дифференциальных уравнений переходных процессов.

3.3. Анализ влияния характеристик регулируемого УПК на переходные процессы при «больших» возмущениях в электроэнергетической системе.

3.4. Исследование переходных процессов по упрощенной математической модели.

3.5. Выводы.

4. АНАЛИЗ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ИССЛЕДУЕМОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С РЕГУЛИРУЕМЫМ УПК.

4.1. Введение.

4.2. Анализ статической колебательной устойчивости электроэнергетической системы с регулируемым УПК.

4.3. Анализ закона регулирования УПК для обеспечения устойчивости электроэнергетической системы без учета АРВ синхронных генераторов.

4.4. Оценка влияния АРВ на устойчивость электроэнергетической системы и выбор параметров регулирования УПК.

4.5. Требования к параметрам и характеристикам емкостных элементов для регулируемых УПК.

4.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение устойчивости электроэнергетических систем с применением регулируемой продольной компенсации»

В настоящее время все более актуальными становятся задачи снижения удельных капиталовложений в строительство новых и реконструкцию существующих высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП), предназначенных для передачи электроэнергии от крупных электростанций и для связи мощных энергосистем.

Актуальными проблемами функционирования ЕЭС России являются [20]:

• недостаточная пропускная способность межсистемных и системообразующих линий электропередачи, ограничивающая возможность удовлетворения требованиям свободного рынка электроэнергии при соблюдении условий надежного энергоснабжения. В настоящее время ограничена возможность параллельной работы ОЭС Сибири с европейской частью ЕЭС, ограничена выдачи мощности из Тюменской энергосистемы на Урал, недостаточны пропускные способности ряда сечений между ОЭС центра и ОЭС.северного Кавказа;

• слабая управляемость электрических сетей и недостаточный объем устройств регулирования напряжения и реактивной мощности;

• неоптимальное распределение потоков мощности по параллельным линиям электропередачи различного класса напряжения и, как следствие этого - недоиспользование существующих электрических сетей, рост потерь в сетях, увеличение затрат на передачу энергии.

Решение этих задач связано с применением новой технологии - гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока содержащих современные многофункциональные устройства, в частности статических компенсирующих устройств (СКУ), позволяющих максимальное использование ЛЭП за счет увеличения пропускной способности и управления передаваемой мощностью, особенно в аварийных и послеаварийных режимах работы электрической сети. Бурное развитие таких устройств в последние годы стало возможным в связи с прогрессом в области разработки мощных^ тиристорных преобразователей.

Отечественными заводами (ОАО «Трансформатор», ОАО «Квар») совместно с институтами «ВНИИЭ», «ВЭИ», НПЦ «Энерком-Сервис» разрабатываются и осваиваются статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (СТК) и управляемые шунтирующие реакторы (УШР) для подстанций и магистральных высоковольтных линий 500 кВ.

За рубежом разработаны и широко внедрены СТК, созданы и внедрены в эксплуатацию устройства СТАТКОМ, ТУПК (Тиристорно-управляемый последовательный компенсатор), ОРПМ (Объединенный регулятор потока мощности) фирмами ABB, Siemens, General Electric, Westinghouse и др.

Важность и актуальность требований к увеличению пропускной способности электропередачи высокого напряжения (вплоть до теплового предела по нагреву), обеспечение устойчивой работы энергосистемы при различных возмущениях, решение проблем компенсаций реактивной мощности в современных электроэнергетических системах, и увеличение пределов устойчивости системы - все это привело к развитию гибких (управляемых) систем передачи переменного тока (Flexible AC Transmission Systems - FACTS).

Технология FACTS, основанная на силовой электронике, была специально разработана с целью улучшения рабочих показателей слабых систем переменного тока, а также с целью целесообразного внедрения передачи энергии на большие расстояния на переменном токе. Кроме того, FACTS способствует решению технических проблем в объединенных энергосистемах. Технология FACTS применима как для параллельного соединения (SVC, Static VAR Compensator - STATCOM, Static Synchronous Compensator), так и для последовательного (FSC, Fixed Series Compensation - TCSC/TPSC, Thyristor Controlled/Protected Series Compensation).

Подход к системе передачи как к активному элементу электрической системы привел к проведению исследований по использованию управляемых шунтирующих реакторов для улучшения статической устойчивости, а также к изучению вопросов применения устройств регулируемой продольной емкостной компенсации (УПК) для увеличения как статической, так и динамической устойчивости электроэнергетической системы. Такие устройства позволяют не только повышать пропускную способность линии электропередач, но и оказывать существенное влияние на условия статической и динамической устойчивости электроэнергетической системы (ЭЭС), что, однако, возможно только при эффективном и координированном управлении этими устройствами с учетом других регулируемых элементов системы, например регуляторов возбуждения на генераторах электростанции.

Среди известных устройств обеспечивающих возможность регулирования потока мощности в линиях электропередачи, т. е. предназначенных для создания гибких электропередач, наибольшее применение в мире к настоящему времени нашли тиристорные устройства продольной компенсации (ТУПК) на основе схемы, предусматривающей регулирование тока в реакторе с помощью встречно - параллельно включенных тиристоров, получившей в англоязычной литературе название Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) [11,12].

Создание управляемых электропередач требует решения комплекса вопросов, основными из которых являются: выявления эффективности существующих мероприятий по повышению пропускной способности, анализ и синтез возможных структур регулирования, исследование уровня статической и динамической устойчивости электропередачи и всей системы. Это стимулировало развитие работ по регулируемым компенсирующим, настраивающим, токоограничивающим устройствам.

Однако, наряду с указанными выше задачами законы управления регулируемых устройств компенсации должны удовлетворять также и требованиям обеспечения необходимых уровней параметров режима системы при минимальных перетоках мощности, так как изменение величины передаваемой мощности по дальним линиям электропередачи в широком диапазоне стало характерной особенностью режимов электрических систем в настоящее время.

Работа электрической системы в режимах, когда передаваемая по линиям электропередачи СВН мощность ниже натуральной, сопровождается избытком реактивной мощности. Это приводит к повышению уровней напряжения, которое может превосходить наибольшее рабочее и кратковременно допустимое значения, что в свою очередь отрицательно сказывается на.работе электрооборудования. Применение нерегулируемых УПК создадут еще большие трудности в этих режимах по обеспечению необходимых значений режимных параметров линии электропередачи СВН, а также могут привести к проблемам сохранения устойчивости работы электрической системы. Установка нерегулируемой продольной компенсации повышает пропускную способность линии электропередачи СВН, но в режимах работы системы с мощностью ниже натуральной их целесообразно отключать. Однако частые коммутации этих устройств не допустимы в силу ограничений, которые накладывает современное состояние высоковольтных выключателей. Таким образом снижается эффективность применения нерегулируемых УПК, с точки зрения обеспечения необходимых уровней параметров режима системы при минимальных перетоках мощности. Эффективно решить данную проблему можно с помощью регулируемых устройств продольной компенсации.

Говоря об устройствах продольной емкостной компенсации, степень компенсации которых возрастает с ростом передаваемой мощности, можно отметить, что актуальность их изучения в настоящее время возрастает, так как , устройства такого типа существенно снижают степень компенсации при снижении мощности и положительно влияют на показатели режима системы по напряжению и реактивной мощности.

В связи с этим представляется интересным анализ исследования применения регулируемых УПК (по току) с емкостным элементом. В диссертационной работе рассматривается регулируемое устройство продольной компенсации, степень компенсации которого возрастает с ростом передаваемой мощности и наоборот.

Исходя из выше сказанного, данная работа является логическим продолжением работ по созданию управляемых линии электропередач.

Целью диссертационной работы является повышение устойчивости электроэнергетических систем на основе совершенствования законов регулирования и управления УПК.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

• разработка полной математической модели ЭЭС (с учетом электромагнитных переходных процессов в ее элементах с управляемой продольной емкостной компенсацией);

• анализ статических характеристик исследуемой системы при различных параметрах закона регулирования УПК; • исследование влияния параметров закона регулирования УПК на апериодическую статическую устойчивость системы; в анализ влияния характеристик регулируемого УПК на переходные процессы при «больших» возмущениях в электроэнергетической системе;

• анализ колебательной статической устойчивости исследуемой электроэнергетической системы с регулируемым УПК;

• анализ влияния АРВ синхронных генераторов на устойчивость электроэнергетической системы и выбор параметров регулирования УПК;

• формирование требований к параметрам и характеристикам емкостных элементов для их использования в УПК.

Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического моделирования ЭЭС, методы решения систем нелинейных уравнений, теория дальних линий электропередачи, теория электрических цепей, теория электромеханических переходных процессов, методы анализа устойчивости электроэнергетических систем.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается:

• проверкой полученных результатов другими известными методиками, не использованными в диссертации (программы расчета установившихся режимов);

• сопоставлением результатов исследований с результатами, полученными при использовании различных методов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

• получены предельно допустимые степени компенсации индуктивного сопротивления ЛЭП, обеспечивающие сохранение колебательной статической устойчивости системы, с учетом АРВ синхронных генераторов;

• разработана математическая модель ЭЭС с учетом электромагнитных переходных процессов в ее элементах с управляемой продольной емкостной компенсацией, позволяющая проводить расчеты режимов электроэнергетической системы с регулируемым УПК;

• впервые получены статические характеристики электропередачи при различных параметрах закона регулирования УПК;

• сформулированы требования к параметрам и характеристикам емкостных элементов, обеспечивающих функционирование регулируемых УПК;

• разработана методика определения диапазона изменения параметров режима, электроэнергетической системы и параметров регулируемого УПК, обеспечивающая максимальную эффективность применения регулируемых УПК с точки зрения улучшения устойчивости электроэнергетической системы.

Диссертационная работа выполнена в составе темы «Разработка принципов согласованного и робастного управления электротехническими и электроэнергетическими системами» по Заданию Федерального агентства по образованию Ивановскому государственному энергетическому университету им. В. И. Ленина.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты работы могут быть использованы при решении задач проектирования дальних линий электропередачи с управляемыми элементами, расчета статической и динамической устойчивости электроэнергетических систем с гибкими линиями электропередачи, создания систем регулирования управляемых устройств продольной емкостной компенсации. Предложенная методика и алгоритм расчета колебательной статической устойчивости ЭЭС позволяют в полной мере использовать возможности управляемой продольной емкостной компенсации.

Полученные в работе требования к параметрам и характеристикам емкостных элементов используются в работах по их реализации.

Разработанный метод анализа колебательной устойчивости в электроэнергетических системах с регулируемым УПК, а также метод расчетов характеристик таких ЛЭП используется на кафедре «Электрические системы» ИГЭУ в курсах «Электромеханические переходные процессы» и «Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения».

Основные положения, выносимые на защиту, являются: в полная математическая модель электроэнергетической системы с учетом электромагнитных переходных процессов в ее элементах с управляемой продольной емкостной компенсацией в функции тока, используемая для анализа режимов и устойчивости электроэнергетической системы;

• требования к закону управления регулируемого УПК, обеспечивающие улучшение устойчивости электроэнергетической системы с учетом АРВ генераторов;

• методика определения диапазона изменения параметров режима электроэнергетической системы и параметров регулируемого УПК, обеспечивающая максимальную эффективность применения регулируемых УПК с точки зрения улучшения устойчивости электроэнергетической системы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре «Электрические системы» Ивановского государственного энергетического университета, на международных научно технических конференциях:

• международные научно - технические конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 гг.);

• региональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (г. Иваново, 2006 год).

По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях по списку ВАК, одна статья в сборниках i материалов и 6 тезисов докладов.

Диссертация- состоит из введения, 4 глав, библиографического списка использованной литературы из 50 наименований и 6 приложений. Объем диссертации, включая приложения, составляет 145 страниц машинописного текста. Работа содержит 54 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Мартиросян, Акоп Арамаисович

4.6. Выводы j

1. Рассмотренная математическая модель позволяет анализировать колебательную статическую устойчивость с регулируемым УПК и АРВ СД.

2. Представленный способ анализа статической устойчивости дает возможность определить диапазон значений настроечных параметров АРВ СД при различной степени компенсации и различных параметрах закона регулирования Хупк{1), где обеспечивается максимальная эффективность применения регулируемых УПК с точки зрения улучшения устойчивости электрической системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен комплекс научно-исследовательских работ, обеспечивающих повышение эффективности передачи переменного тока, улучшающих статическую и динамическую устойчивость электрической системы с регулируемым УПК функции тока.

2. Разработаны математические модели электроэнергетической системы, включающие регулируемое УПК.

3. Предложена форма представления характеристики регулируемого УПК в расчетах установившихся и переходных режимов; рассмотрена методика выбора параметров закона регулирования УПК.

4. На основе анализа статической устойчивости электрической системы с регулируемой емкостью в УПК показал, что это обеспечивает существенное увеличение предела передаваемой мощности (30 % и более по сравнению с УПК обычного типа), а также улучшает параметры режима при малых нагрузках.

5. Показано, что зависимость сопротивления УПК от тока существенно влияет на эффективность УПК. Для улучшения статической и динамической устойчивости это сопротивление должно иметь возрастающую зависимость от модуля тока.

6. Проанализированы статические характеристики системы для различных параметров закона регулирования управляемой емкости; выявлены и проанализированы условия возникновения резонансных переходов, пути их возможного устранения.

7. Анализ динамической устойчивости при различных характеристиках УПК показал, что в зависимости от параметров закона регулирования УПК можно получить существенное улучшение динамической устойчивости (увеличение предельной мощности по условию сохранения динамической устойчивости до 10 % при трехфазном коротком замыкании по сравнению с УПК обычного типа).

8. Установлено, что параметры закона регулирования УПК, выбранные по условиям улучшения апериодической статической устойчивости и динамической устойчивости в диапазоне возможных рабочих режимов, не приводят к нарушениям колебательной устойчивости.

9. Предложена методика анализа колебательной статической устойчивости исследуемой системы с регулируемым УПК.

10. Сформулированы требования к параметрам и характеристикам емкостных элементов для регулируемых УПК.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мартиросян, Акоп Арамаисович, 2009 год

1. Голов, В. П. Анализ статической колебательной устойчивости электрической системы с регулируемым УПК / В. П. Голов, А. А. Мартиросян // Вестник ИГЭУ / Ивановский государственный энергетический университет.—2004.—Вып. 5.—С. 36 38.

2. Голов, В. П. Особенности анализа колебательной статической устойчивости электрической системы с регулируемым УПК / В. П. Голов, А. А. Мартиросян // Вестник ИГЭУ / Ивановский государственный энергетический университет.—Иваново.—2004.—Вып. 6.—С. 58-61.

3. В. А. Веников, Н.Д. Анисимова, А. И. Долгинов Самовозбуждение и самораскачивание в электрических системах.— М.: Высшая школа,1964

4. Голов. В. П. Применение регулируемой компенсации линии электропередач / Изв. Вузов,Энергетика.-1978, №6.-С. 3-8.

5. Портной М.Г., Рабинович Р.С. Управление энергосистемами для обеспечения устойчивости. М.: Энергия , 1978,-352 с.

6. Статическая устойчивость управляемых ЛЭП с продольной компенсацией / Астахов Ю.Н., Строев В.А., Чан Динь Чан, Ярных. Л.В. -Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1972, № 5, с. 47-56.

7. Анисимова Н. Д., Веников В. А., Зарудский Р. Н. Исследование влияния месторасположения и степени продольной емкостной компенсации на пропускную способность электропередачи 750 кВ. Дальние электропередачи 750 кВ, М.: Энергия 1974.

8. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа, 1985, 536 с.

9. Электрические системы. Электрические расчеты, программирование и оптимизация режимов / Под ред. В. А. Веникова. М.: Высшая школа, 1973. 230с.

10. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330-500 кВ / Под ред. Рокатяна С. С. М.: Энергия, 1974. 468 с.

11. Ивакин В. Н., Ковалев В. Д. Перспективы применения силовой преобразовательной техники в электроэнергетике// Электричество. 2001. №9. С, 30-37.

12. Электроэнергетические системы в примерах и иллюстрациях: Учебное пособие для вузов/ Ю. Н. Астахов, В. А. Веников, В. В. Ежков и др., Под ред. В. А. Веникова. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 504с., ил.

13. Колганов А. Р., Пантелеев Е. Р. Имитационное моделирование динамических систем в САПР: Учеб. пособие: Ивановский энергетический институт. Иваново, 1990 - 88 с.

14. Электрические системы. Математические задачи электроэнергетики /Под редакцией Веникова В. А. -М.: Высшая школа, 1981.—288 с.

15. Переходные процессы электрических систем в примерах и иллюстрациях: Учеб. Пособие для вузов (В. В. Ежков, Н. И. Зеленохат, И. В. Литкенс и др.; под ред. В. А. Строева). М.: Знак, 1996. - 224 е., ил. ISBN 5-87789-016-6

16. Идельчик В. И. Электрические системы и сети. Учеб. Для вузов. М.; Энергоатомиздат, 1989. - 288 с.

17. Кулешов А. И., Прахин Б. Я. Расчет и анализ установившихся режимов электроэнергетических систем на персональных компьютерах: Учеб. пособие/ Ивановский государственный энергетический университет -Иваново, 2001. 171 с.

18. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения: учебник для вузов / , Ю. П. Рыжов. Издательский дом МЭИ, 2007. -488 е.: ил.

19. Кочкин В. И., Нечаев О. П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М.: Изд-во НЦ ЭНАС. - 248 е.: ил.

20. Справочник по проектированию электрических сетей. Под редакцией Д. Л. Файбисовича. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2005 - 320 с. ил.

21. Павелла М. От общей теории Ляпунова к практическому прямому методу анализа динамической устойчивости энергосистемы. Электричество. 2000. №6.

22. Кочкин В. И., Шакарян Ю. Г. Режимы работы управляемых линий электропередачи. Электричество. 1997. №9.

23. Рагозин А. А., Таланов С. Б. Условия самовозбуждения систем, содержащих дальние линии электропередачи с управляемыми шунтирующими реакторами. Электричество. 1999. №11.

24. Евдокунин Г. А., Рогозин А. А. Исследование статической устойчивости дальних линий электропередачи с управляемыми шунтирующими реакторами. Электричество. 1996. №8.

25. Дорофеев В. В., Шакарян Ю. Г., Кочкин В. И., Кощеев J1. А. Хвощинская 3. Г. перспективы применения в ЕЭС России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока. Электрические станции. 2004. №8.

26. Ивакин В. Н. Исследование характеристик управляемой продольной компенсации как устройства для регулирования потоков мощности гибких линий электропередачи переменного тока. Электротехника. 2003. №6.

27. Кочкин В. И., Пешков М. В., Романенко Д. В., Щербаков А. П. Линии электропередачи с параллельной и последовательной компенсацией реактивной мощности. Вестник ВНИИЭ. 2004. с. 173 - 184.

28. Рыжов Ю. П., Мотибирджанди А. А. Возможные ограничения при использовании управляемой продольной компенсации в линиях электропередачи 220 500 кВ. - Вестник МЭИ. - 2004. - №5. - с. 26 - 31.

29. Дьячков В. А., Строев В. А. Выбор оптимального варианта коммутации линий электропередачи и состав включенных шунтирующих реакторов для ввода режима энергосистемы в допустимую область по напряжению. Электричество. 2000. №5.

30. Апь-Апави М. К. X., Дьячков В. А., Строев В. А. Оптимизация мест установки шунтирующих реакторов для ввода режима ЭЭС в допустимую область по напряжению. Электричество. 2000. №3.

31. Рогозин А. А., Таланов С. Б. Применение синхронных компенсаторов для дальних линий электропередачи с управляемыми шунтирующими реакторами. Электричество. 2002. №4.

32. Строев, В. А., Шульженко С. В. Математическое моделирование элементов электрических систем. Курс лекции. М.: Издательство МЭИ, 2002. - 56 с.

33. Ермаков В. И., Колесников В. А., Щербаков В. В. Растворы электролитов в электромагнитных полях / Под ред. Академика Лидоренко Н. С. М. : 2009 г. 435с.

34. Функциональные возможности накопителей электрической энергии в энергосистемах / Ю. Н. Астахов, В. А. Веников, А. М. Иванов, Н. С. Лидоренко и др. Электричество, 1983, №4.

35. Электрохимические суперконденсаторы: Текущее состоянии проблемы развития./А. И. Беляков. Электрохимическая энергетика. 2006. Т. 6,№3. С. 146—149.