Разработка принципов управления статическим компенсатором (статком) и исследование его работы на подстанциях переменного и постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Николаев, Алексей Васильевич

• Николаев, Алексей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Николаев, Алексей Васильевич

Введение.

1. Выбор перспективной схемы статического компенсатора для подстанций переменного и постоянного тока.

1.1 Обзор существующих схем статических компенсаторов реактивной мощности.

1.2 Выбор перспективной схемы статического компенсатора (СТАТКОМ).

1.3 Баланс реактивной мощности на преобразовательной подстанции. Варианты установки СТАТКОМ на ПС Выборгская.

0 Выводы.

2. Разработка системы управления и регулирования и цифровой модели СТАТКОМ.

2.1 Разработка алгоритмов векторной системы регулирования.

2.2 Алгоритм управления преобразователя напряжения.

2.3 Разработка цифровой модели трехуровневого

СТАТКОМ.

Выводы.

3. Выбор параметров оборудования и исследование установившихся и переходных процессов в схеме подстанций содержащих СТАТКОМ.

3.1 Методика определения основных параметров оборудования * СТАТКОМ.

3.1.1 Основные соотношения режимов СТАТКОМ.

3.1.2 Выбор частоты широтно-импульсной модуляции ((шим) для управления запираемыми приборами.

3.1.3 Выбор токоограничивающего реактора и фильтрового обо- 78 рудования на сторонах постоянного и переменного напряжений.'.

3.2 Исследование установившихся и переходных процессов и определение воздействий на оборудование СТАТКОМ.

3.3 Исследование характеристик системы управления и регулирования СТАТКОМ.

3.4 Аварийные процессы при коротких замыканиях в энергосистеме.

3.5 Сравнение характеристик переходных процессов в схеме ч4 вставки постоянного тока.

Выводы.

4. Исследование режимов СТАТКОМ при подавлении им гармоник тока и напряжения в сети переменного тока.

4.1 Разработка алгоритмов в системе регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник в сети переменного тока.

4.2 Исследование СТАТКОМ в режимах компенсации гармоник тока и напряжения в сети переменного тока.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка принципов управления статическим компенсатором (статком) и исследование его работы на подстанциях переменного и постоянного тока»

В настоящее время в ЕЭС России актуальными проблемами функционирования являются недостаточная пропускная способность межсистемных системообразующих линий электропередачи, слабая управляемость электрических сетей, неоптимальное распределение потоков мощности по параллельным линиям электропередачи различного класса напряжений, что в значительной степени обусловлено недостаточным объемом средств регулирования напряжения и реактивной мощности.

Эффективным способом решения указанных проблем может явиться применение гибких электропередач (Flexible AC Transmission System -FACTS), создаваемых на базе преобразовательной техники нового поколения.

В мировой энергетике усовершенствованная полупроводниковая технология дала возможность подготовить производство мощных биполярных транзисторов (IGBT), запираемых тиристоров (GTO, GCT, IGCT) и быстродействующих диодов, шкала которых охватывает напряжения от 1000 до 6000 В, а отключаемый ток от 1500 до 4000 А. Успехи, достигнутые в области силовой электроники, позволили приступить к широкому внедрению разрабатываемых на ее основе устройств в сети переменного тока с целью повышения их управляемости. Устройства FACTS могут обеспечить стабилизацию напряжений, демпфирование низкочастотных колебаний, повышение статической и динамической устойчивости, оптимизацию потокораспределения, а в итоге повышение пропускной способности сети и снижение потерь.

Важнейшую роль в развитии рассматриваемого направления должна сыграть реализация программы «Создание в единой энергосистеме России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока и устройств регулирования напряжения», предусмотренной приказом РАО «ЕЭС России» №488 от 19.09.03, в рамках которой предусматривается выполнение большого объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в частности, создание пилотного статического компенсатора (СТАТКОМ) как основной составляющей FACTS.

СТАТКОМ представляет интерес не только как составная часть FACTS, но сам по себе в качестве замены синхронных компенсаторов (СК) на подстанциях (ПС), поскольку обслуживание и ремонт СК связаны со значительными затратами. Так, на ПС Выборгская СК по статистическим данным четверть времени находится в ремонте. На заседании экспертного совета Центра технологий развития энергообъединений совместно с секцией развития, эксплуатации и технического перевооружения электрических сетей НТС РАО «ЕЭС России» (2002 г.) в качестве меры повышения качества регулирования напряжения принято решение о замене СК на статические компенсаторы на ряде подстанций.

На заседании Координационного совета по реализации «Программы создания в Единой энергосистеме России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока и устройств регулирования напряжения» (декабрь 2004 г.) было принято решение о сооружении СТАТКОМ на ПС Выборгская и ПС Златоуст.

Преобразователи электропередач и вставок постоянного тока (ППТ и ВПТ) потребляют в режимах номинальной загрузки до 60 - 70 % реактивной мощности и являются источниками значительных по величине гармоник переменного тока [1, 2, 3].

Для поддержания баланса реактивной мощности в узлах примыкания преобразователей к сети переменного тока обычно предусматривают установку либо конденсаторных батарей, иногда совмещающих функцию компенсации реактивной мощности с фильтрацией высших гармоник, либо синхронных компенсаторов, либо и тех и других [1—4].

Выбор средств компенсации реактивной мощности для подстанций переменного и постоянного тока представляет собой многофункциональную задачу при решении которой должны учитываться:

- системные требования по поддержанию уровней напряжения в узлах примыкания ПС в установившихся и переходных режимах;

- возможные допустимые уровни обмена реактивной мощностью с примыкающими линиями переменного тока в различных, в том числе аварийных и ремонтных схемах.

Установка синхронных компенсаторов (СК) в большинстве случаев удовлетворяет этим требованиям, особенно, если СК установлены в дополнение к КБ. Однако, установка СК на ПС имеет следующие недостатки:

1. Наличие вращающейся машины с низкой эксплуатационной надежностью практически исключает вариант необслуживаемой подстанции (ПС), и, как показывает опыт Выборгской ПС, из-за длительных ремонтов СК возникает дефицит реактивной мощности.

2. В некоторых аварийных случаях может возникнуть самовозбуждение в контуре СК с присоединенными КБ, что чревато высокими опасными для оборудования воздействиями. Отмеченные недостатки СК привели к тому, что на ряде действующих преобразовательных подстанций 11ПТ и ВПТ были установлены другие регулируемые источники реактивной мощности -статические компенсаторы.

Так, на ППТ Skagerrak 3 (подстанция Kristiansand) в 1995 году взамен ненадежного и поэтому демонтированного синхронного компенсатора (СК) установлен статический компенсатор на мощность ±

200 МВ-А [5]. Этот компенсатор подключен через трехобмоточный трансформатор к шинам 300 кВ сети переменного тока. Каждая половина компенсатора состоит из двух одинаковых параллельно включенных устройств:

1. Тиристорно-реакторной группы 100 МВ-А (TRC)

2. Тиристорно-конденсаторной группы 100 МВ-А (TSC)

На вставке постоянного тока Chateauguay (Канада - США) применены похожие статические тиристорные компенсаторы (СТК) на инверторной стороне для подключения к сети переменного тока 120 кВ [4, 6]. Мощность СТК: -120 МВ-А (потребление), +150 МВ-А (выдача).

На английской подстанции ППТ Англия - Франция (электропередача через Ламанш) применены статические компенсаторы на базе сложной схемы конденсаторных батарей и насыщающихся реакторов [7]. Два таких статических компенсатора по 150 МВ-А подключены к шинам 400 кВ через трансформаторы.

Увеличение мощности ВПТ, установленной на ПС Выборгская в схеме электропередачи 330/400 кВ Россия - Финляндия потребовало решения ряда проблем, среди которых важное место заняли проблемы компенсации реактивной мощности:

1. Установленные в начале 80х годов СК на ПС Выборгская (по два на выпрямительной и инверторной сторонах) в силу ненадежных эксплуатационных характеристик (низкий коэффициент готовности, физический износ и конструктивные проблемы) в последние годы не обеспечивают требуемых параметров. Завод изготовитель уведомил Выборгское предприятие, что им принято решение о снижении номинальной мощности СК на 25 %.

2. Установка дополнительных конденсаторных батарей в схеме ПС Выборгская приводит к увеличению вероятности появления случаев опасных феррорезонансных явлений и перенапряжений. Кроме того, в условиях действующей ПС место для размещения дополнительных КБ практически отсутствует.

3. При увеличении мощности электропередачи Россия - Финляндия с 1000 МВт до 1400 МВт в некоторых случаях в схеме электропередачи с ВПТ применение дополнительных КБ не обеспечивает устойчивый режим работы преобразователей. В 2003г. возникали ситуации «лавины» напряжения со значительными посадками напряжения на шинах подстанции и сбросами мощности.

Перечисленные проблемы побудили на примере ПС Выборгская рассмотреть характеристики альтернативных СК источников реактивной мощности - статических компенсаторов для применения на преобразовательных подстанциях мощных 1111Т и ВПТ.

Среди таких статических компенсаторов наиболее исследованными 4 являются тиристорно-реакторные группы (ТРГ) или ТРГ с параллельно включенными КБ или КБФ. Исследования применимости ТРГ с КБФ для ПС Выборгская проводились ранее [35-37]. В результате были определены требуемые мощности СТК в различных точках включения ТРГ с дополнительными КБФ и выявлено, что:

• установка ТРГ с КБФ на шины третичных обмоток требует размещения тиристорной части в существующих вентильных залах, где нет для них места;

• установка ТРГ с КБФ взамен СК возможна, но требует значительной площади для КБФ и, кроме того, в этом случае существует опасность возникновения перенапряжений в схеме электропередачи, например, при коротких замыканиях в сетях 330 кВ и 400 кВ [36]. Вместе с тем, в последние несколько лет появились принципиально новые регулируемые источники реактивной мощности: такие, как управляемые шунтирующие реакторы УШР [8, 9], в том числе снабженные конденсаторными батареями и тиристорными ключами [10, И], а также статические компенсаторы, использующие полностью управляемые вентили (ПУВ) [12]. УШР пока еще не нашли широкого применения, имеются только их опытные образцы их [12]. В то же время статические компенсаторы с ПУВ на базе преобразователей напряжения (СТАТКОМ) получили уже достаточно заметное распространение [13].

По имеющимся, в основном, рекламным данным о характеристиках СТАТКОМ [13, 14], они представляют собой компактные устройства (что очень важно для применения в условиях реконструкции действующей ПС Выборгская), почти не требуют дополнительных КБФ, используются для быстрого подавления колебаний напряжения в узлах питания потребителей с резкопеременным графиком нагрузки [14], подавляют фликкер-эффект (низкочастотные колебания напряжения в сети переменного тока) [15], используются для симметрирования нагрузки [16, 17] и активной фильтрации гармоник [17].

Фирменное наименование статического компенсатора реактивной мощности СТАТКОМ, выполненного фирмой ABB на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), имеет аббревиатуру SVC Light™.

Технология SVC Light позволила успешно разрешить проблемы повышения качества электроснабжения в целом ряде проектов, выполнявшихся ABB [13 - 17], например, на ПС Tornio (Финляндия) в 2002 г. установлен СТАТКОМ мощностью 160 MB-А.

Поскольку технология SVC Light остается нераскрытой (не опубликованы методики выбора оборудования, не публикуются параметры элементов схем, не приводятся алгоритмы управления и регулирования), для применения СТАТКОМ на ПС переменного и постоянного тока должны быть разработаны и исследованы принципы его управления и регулирования, проведено исследование установившихся и переходных режимов на подстанции, содержащей СТАТКОМ для формирования технических требований к оборудованию и разработаны методики определения параметров оборудования.

Вопросы, касающиеся управления и регулирования статических компенсаторов, являются достаточно важными при разработке таких устройств, поскольку от предъявляемых требований к устройствам компенсации реактивной мощности зависит и работа самой подстанции. Так, в числе предъявляемых требований к компенсаторам реактивной мощности на преобразовательной подстанции важное место имеют следующие факторы:

- поддержание нормируемого уровня напряжения на шинах переменного тока;

- обеспечение нормируемого перетока реактивной мощности в линиях переменного тока;

- снижение уровней перенапряжений в аварийных процессах;

- поддержание необходимого уровня устойчивости передачи в установившихся и переходных процессах.

В связи с этим целью диссертационной работы является исследование проблем, связанных с применением статических компенсаторов (СТАТКОМ) на базе полностью управляемых вентилей на подстанциях переменного и постоянного тока.

В соответствии с указанной целью основными задачами работы являются следующие:

- анализ современного состояния проблем, связанных с компенсацией реактивной мощности на подстанциях;

- определение перспективной схемы статического компенсатора на основе преобразователя напряжения (СТАТКОМ);

- разработка систем регулирования и управления для выбранной схемы статического компенсатора;

- исследование установившихся и переходных процессов и определение воздействий на оборудование статического компенсатора;

- разработка методики выбора параметров схемы статического компенсатора;

- разработка алгоритмов управления в системе регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник в сети переменного тока.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- исследованы условия работы преобразователя напряжения в качестве компенсатора реактивной мощности, а также в качестве активного фильтра гармоник в сети переменного тока и в схеме преобразовательной подстанции;

- предложена методика определения параметров оборудования СТАТКОМ;

- определены воздействия на оборудование СТАТКОМ в установившихся режимах;

- исследованы переходные и аварийные режимы на подстанциях переменного и постоянного тока содержащих СТАТКОМ;

- произведено сравнение двухуровневой и трехуровневой схем СТАТКОМ.

Впервые разработаны:

- алгоритмы системы векторного регулирования преобразователя напряжения;

- цифровая модель электропередачи, содержащей СТАТКОМ.

Методы исследований

При разработке алгоритмов системы регулирования преобразователя напряжения и СТАТКОМ применялись аналитические методы исследований. В частности, при разработке алгоритма системы регулирования использовались методы векторного преобразования координат.

При выборе параметров оборудования, исследовании энергетических характеристик СТАТКОМ и эффективности работы системы управления и регулирования в установившихся и переходных процессах использовались методы цифрового моделирования.

Практическая ценность

1. Разработаны принципы формирования и алгоритмы систем управления и регулирования для СТАТКОМ, а также для электропередач и вставок постоянного тока, выполненных на преобразователях напряжения.

2. Созданы цифровые модели, пригодные для исследования статических компенсаторов в установившихся, переходных и аварийных режимах в составе преобразовательной подстанции и в сетях переменного тока.

3. Разработана методика выбора параметров оборудования СТАТКОМ.

4. Разработаны технические требования на пилотный СТАТКОМ 50 МВ-А.

5. Разработаны рекомендации по алгоритмам регулирования СТАТКОМ для применения на ПС переменного тока.

Результаты данной диссертационной работы использовались при разработке технического предложения по применению СТАТКОМ на ПС Выборгская и на вставке постоянного тока (ВПТ) для межсистемной связи ОЭС Сибири - ОЭС Дальнего Востока.

Положения, выносимые на защиту

- Обоснование перспективности использования СТАТКОМ для преобразовательных подстанций постоянного тока и в сетях переменного тока;

- Принципы формирования и алгоритмы системы управления и регулирования СТАТКОМ, основанные на векторном регулировании;

- Методика определения параметров оборудования СТАТКОМ;

- Принципы формирования и алгоритмы системы регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник в сети переменного тока.

Апробация работы и публикации.

Основные положения . и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Шестой российской научно-технической конференции «ЭМС - 2000 (г. Санкт-Петербург, 2000 г.)

2. Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России» (г. Санкт-Петербург 2002 г)

3. Международном VI симпозиуме «Электротехника 2010» (г Москва, 2002г.)

4. Международном VII симпозиуме «Электротехника 2010» (г Москва, 2003г.)

5. Конференции молодых специалистов электроэнергетики РАО ЕЭС (г. Москва, 2003 г.)

6. Восьмой российской научно-технической конференции «ЭМС -2004 (г. Санкт-Петербург, 2004 г.).

По теме диссертации автором и в соавторстве опубликовано 13 печатных работ:

1. Мазуров М.И., Николаев А.В. Исследование характеристик преобразователя - компенсатора с двойным регулированием. Известия НИИ постоянного тока №57. 2000 г.

2. Мазуров М.И., Николаев А.В. Преобразователь - компенсатор на базе инвертора напряжения с ШИМ управлением. Сборник докладов шестой российской научно-технической конференции «ЭМС - 2000»

3. Лозинова Н.Г., Мазуров М.И., Николаев А.В. Передача постоянного тока как элемент повышения надежности энергоснабжения островных потребителей, сборник докладов «Надежность больших энергетических систем», Казань 2001

4. Николаев А.В., Мазуров М.И. СТАТКОМ как средство компенсации реактивной мощности на преобразовательной подстанции, г. Санкт-Петербург 2002 г. Международная научно-практическая конференция «Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России»

5. П.А. Шейко, JI.JI. Балыбердин, М.И. Мазуров, А.В. Николаев СТАТКОМ как средство компенсации реактивной мощности в сетях высокого напряжения. Электронный журнал «Новое в российской энергетике» №5 2003.

6. Николаев А.В., Мазуров М.И. Перспективы применения СТК в схеме Выборгской преобразовательной подстанции. Сб. трудов VI Симпозиума «Электротехника 2010» 2002г.

7. Берх И.М., Мазуров М.И., Николаев А.В. Система векторного регулирования статического компенсатора (СТАТКОМ). Известия НИИ постоянного тока №59. 2003 г.

8. Дайновский Р.А., Денисенко А.В., Николаев А.В. Исследование режимов работы СТАТКОМ, выполненного на базе трёхуровневого преобразователя. Сб. трудов VII Симпозиума «Электротехника 2010» 2003г.

9. Мазуров М.И., Николаев А.В. Передача постоянного тока на преобразователях напряжения как элемент управления качеством электроэнергии. «Оперативное управление электроэнергетическими системами - новые технологии» 2003 г. Ю.Николаев А.В. Сравнительная оценка технических и экономических характеристик средств компенсации реактивной мощности в условиях Выборгской преобразовательной подстанции. Сб. докладов второй конференции молодых специалистов электроэнергетики -2003

И.Николаев А.В. Система регулирования преобразователя напряжения, работающего в режиме компенсатора. Сб. докладов второй конференции молодых специалистов электроэнергетики - 2003 г

12.М.И. Мазуров, А.В. Николаев. СТАТКОМ как средство компенсации гармоник тока и напряжения в сети переменного тока. Сборник докладов 8ой научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности. Санкт-Петербург, 2004 г.

13.М.И. Мазуров, А.В. Николаев. СТАТКОМ как средство компенсации гармоник тока и напряжения в сети переменного тока. Сборник докладов 8-ой научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности. Санкт-Петербург, 2004 г.

14.Мазуров М.И., Николаев А.В. Патент на изобретение № 2231205 «Способ управления преобразователем напряжения», от 20.06.2004 г.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность рассмотренных проблем, сформулированы цель и задачи работы, отражена новизна и практическая ценность, дается краткое содержание диссертации.

В первой главе проведен обзор традиционных схем статических компенсаторов применяемых в энергосистемах и на передачах и вставках постоянного тока. Приведены данные о новых схемах статических компенсаторов (СТАТКОМ), работающих на основе преобразователя напряжения с полностью управляемыми вентилями (ПУВ) и применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Даны качественные оценки применимости традиционных и новых устройств компенсации реактивной мощности. Рассмотрены двухуровневая и трехуровневая схемы СТАТКОМ. Для вставки постоянного тока (ВПТ) и энергосистем в качестве перспективной предложена трехуровневая схема СТАТКОМ на основе преобразователя напряжения с ШИМ управлением.

Во второй главе приведены результаты разработки системы регулирования СТАТКОМ на основе принципа векторного управления, предусматривающего преобразование измеряемых параметров -трехфазных токов и напряжений - в d-q-составляющие, выполнение необходимых операций с ними и последующее преобразование полученных d-q-составляющих управляющих сигналов в систему трехфазных сигналов.

В работе предложен алгоритм фазовой подстройки сигналов управления ПУВ, основанный на использовании проекции изображающего вектора напряжения на шинах переменного тока на оси аир.

Предложен способ синусоидального ШИМ управления вентилями СТАТКОМ, позволяющий уменьшить в несколько раз величину наиболее выраженной гармоники нулевой последовательности в фазном токе. Данный способ признан изобретением и на него получен патент.

Для разработанных алгоритмов систем регулирования и управления выполнены дополнительные программные модули, включенные в цифровую модель СТАТКОМ на базе программно-вычислительного комплекса (ПВК) «Подстанция». Разработанная цифровая модель позволяет исследовать установившиеся и переходные процессы в схеме электропередачи, включающей СТАТКОМ, в том числе решать задачи оптимизации режимов работы за счет подбора и коррекции коэффициентов и алгоритмов его систем регулирования и управления.

Третья глава посвящена выбору параметров и исследованиям установившихся и переходных процессов СТАТКОМ в различных схемно-режимных условиях. При этом принималась схема трехуровневого СТАТКОМ, энергетические параметры которого определены программой работ по FACTS для пилотного образца мощностью 50 MB-А, напряжением 15,75 кВ.

В процессе исследования схемы СТАТКОМ были решены следующие взаимосвязанные методические вопросы:

- Выбрана частота широтно-импульсной модуляции для управления запираемыми приборами.

- Выбраны параметры фазных (токоограничивающих) реакторов.

- Выбраны параметры элементов фильтра на стороне переменного тока.

- Выбраны параметры конденсаторов на стороне постоянного напряжения.

Исследования условий работы СТАТКОМ были начаты с процессов пуска, которые показали следующее:

- заряд КБ при включении выключателя характеризуется протеканием трехкратных значений токов (по отношению к номинальным) через вентили и повышенным уровнем напряжения на конденсаторной батарее;

- использование предвключенного резистора в выключателе позволяет избежать перегрузок по току и напряжению.

- Проведены исследования длительных установившихся режимов и выявлены воздействия на основное оборудование СТАТКОМ.

При выбранных параметрах основного оборудования СТАТКОМ обеспечено удовлетворительное качество напряжения на шинах сети (Ки = 2,8%), что удовлетворяет ГОСТ 13109-97.

Выполнены исследования переходных и аварийных процессов СТАТКОМ: (включение на номинальную реактивную мощность и полный реверс, короткие замыкания на шинах переменного тока, совместная работа в схеме ВПТ) обеспечивают полную информацию о воздействиях на оборудование.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритмов управления в системе регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник в сети переменного тока. Задача компенсации высших гармоник в сети с помощью СТАТКОМ сводится к созданию в его фазах (в фазах сетевого трансформатора) гармоник тока, которые компенсируют нежелательные высшие гармоники тока сети.

Алгоритм управления и регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник тока проверен на цифровой модели и показано, что использование СТАТКОМ в качестве активного фильтра гармоник позволяет:

- в 30-100 раз уменьшить уровень нежелательных гармоник в сети переменного тока.

- отказаться от использования мощных пассивных фильтров на преобразовательной подстанции.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Николаев, Алексей Васильевич

Выводы:

Разработан и проверен на цифровой модели алгоритм управления и регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник тока и напряжения в сети переменного тока.

Алгоритм компенсации гармоники состоит в том, чтобы создать в цепи СТАТКОМ гармонику тока, мгновенные значения которой равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку мгновенным значениям этой гармоники в цепи источника гармоники. Для компенсации гармоник вводятся дополнительные оси (/-^-координат в основную систему регулирования. Эти оси вращаются со скоростью sv, где гармоника порядка v имеет прямую последовательность, то s = 1, а если обратную, то s — — 1.

Для подавления не одной, а нескольких гармоник, в разработанном программном обеспечении, реализующем соответствующую систему регулирования, содержатся несколько однотипных блоков, каждый из которых «отвечает» за одну гармонику.

В результате расчетов показано, что использование СТАТКОМ в качестве активного фильтра гармоник позволяет:

- в 30-100 раз уменьшить уровень нежелательных гармоник в сети переменного тока.

- отказаться от использования мощных пассивных фильтров на преобразовательной подстанции.

Заключение

1. В рамках программы «Создание в единой энергосистеме России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока и устройств регулирования напряжения», разработанной в соответствии с приказом РАО «ЕЭС России» №488 от 19.09.03, выполнены исследования схемно-режимных условий применения СТАТКОМ на подстанциях переменного и постоянного тока.

2. Сравнение известных схем статических компенсаторов, которые могут быть использованы на ПС переменного тока и традиционных преобразовательных подстанциях взамен синхронных компенсаторов указывает, что:

2.1. Применение тиристорно-реакторных групп с коммутируемыми выключателями конденсаторными батареями приводит к увеличению площадей занимаемых конденсаторами, чревато развитием резонансных процессов в контурах сети переменного тока - конденсаторные батареи фильтры высших гармоник, требует принятия специальных мер по удовлетворению норм на качество электроэнергии, не всегда обеспечивает требуемое быстродействие для снижения перенапряжений в переходных аварийных процессах.

2.2. Новый класс статических компенсаторов на основе преобразователей напряжения с полностью управляемыми вентилями (СТАТКОМ) по зарубежным данным обладает высокими динамическими характеристиками для стабилизации напряжения, подавления фликкера; СТАТКОМ занимает очень малые площади и объемы, так например л установка 50 MB-А может занимать площадь 26x15 м , весить 40 т.

3.Выполненый анализ и сравнение двухуровневой и трехуровневой схем СТАТКОМ показали, что наиболее эффективной является схема на базе трехуровневого преобразователя напряжения:

- сетевой ток такого СТАТКОМ имеет меньшие уровни гармоник;

- суммарные потери мощности, меньше в полтора раза;

- частота ШИМ может быть принята меньше.

4. Разработаны алгоритмы векторного регулирования преобразователей напряжения применительно к синусоидальным ШИМ сигналам управления вентилями. Показано, что векторное регулирование, использующее преобразование фазных координат тока и напряжения в d-q составляющие и обратно в сочетании с рекомендованной частотой ШИМ управления позволяют в достаточной степени быстро регулировать реактивную мощность СТАТКОМ и получить высокое качество сетевого тока и напряжения:

5. Разработанная цифровая модель позволяет воспроизводить установившиеся и переходные процессы в схеме, отражающей двухуровневый и трехуровневый СТАТКОМ, сеть переменного тока, преобразовательную подстанцию. Цифровая модель оснащена необходимыми элементами для имитации коротких замыканий, неполнофазных и несимметричных режимов в сети переменного тока, а также нарушений в схеме преобразователя с целью определения воздействий на основное оборудование.

6. В процессе исследования схемы СТАТКОМ были решены следующие методические вопросы:

- Выбрана частота широтно-импульсной модуляции для управления запираемыми приборами.

- Выбраны параметры фазных (токоограничивающих) реакторов.

- Выбраны параметры элементов фильтра на стороне переменного тока.

- Выбраны параметры конденсаторов на стороне постоянного напряжения.

7. В ходе исследования характеристик СТАТКОМ в установившихся и переходных процессах получено:

- гармонический состав токов и напряжений в основных элементах;

- воздействующие токи и напряжения на основное оборудование;

- исследованы алгоритмы работы системы управления и оптимизированы ее параметры;

- предложен, признанный изобретением, способ управления импульсами включения вентилей СТАТКОМ, снижающий величину гармоник тока нулевой последовательности;

- разработана система регулирования, обладающая высоким быстродействием и удовлетворительными динамическими характеристиками;

- определены величины и формы токов в вентилях при КЗ на шинах переменного тока и предложен алгоритм защиты от сверхтоков;

- при снижении ОКЗ на шинах переменного тока, СТАТКОМ способствует повышению устойчивости работы вставки постоянного тока.

8. Разработан и проверен на цифровой модели алгоритм управления и регулирования СТАТКОМ для компенсации гармоник тока и напряжения в сети переменного тока. Алгоритм компенсации гармоники состоит в том, чтобы создать в цепи СТАТКОМ гармонику тока, мгновенные значения которой равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку мгновенным значениям этой гармоники в цепи источника гармоники.

Показано, что использование СТАТКОМ в качестве активного фильтра гармоник позволяет:

- в 30-100 раз уменьшить уровень нежелательных гармоник в сети переменного тока.

- отказаться от использования мощных пассивных фильтров на преобразовательной подстанции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Николаев, Алексей Васильевич, 2005 год

1. А. В. Поссе. Схемы и режимы электропередач постоянного тока. Энергия, 1973

2. В.И. Емельянов. Основные технические решения по схеме Выборгской преобразовательной подстанции. Сборник научных трудов НИИПТ, вып.38, 1984.

3. JI.P. Нейман, С.Р. Глинтерник, А.В. Емельянов, В.Г. Новицкий. Электропередача постоянного тока как элемент энергетических систем. М. Л., Изд. АН СССР, 1962

4. В.Н. Ивакин, В.В. Худяков, Н.Г. Сысоева Электропередачи и вставки постоянного тока и статические тиристорные компенсаторы. М. 1993г.

5. SVC for dynamic voltage control and optimization of system performance in power grid interconnected by HVDC. www.abb.com.

6. В.В. Худяков. Опыт эксплуатации и совместная работа передач постоянного тока и примыкающих энергосистем. Передачи и вставки постоянного тока высокого напряжения, М. Энергоатомиздат, 1988. (Энергетика за рубежом)

7. В.И. Кочкин, О.П. Нечаев Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М.: Изд-во НЦ ЭНАС. 2000 г.

8. Управляемые шунтирующие реакторы. Электротехника. 1991. №2 (специальный выпуск).

9. В.И. Кочкин, Обязуев А.П. Новые схемы компенсаторов реактивной мощности. Обзорная информация. М. Информэнерго. 1991 г.

10. R. Grunbaum, J.-P. Hasker and В. Thorvaldsson FACTS: Powerful Means for Dynamic Load Balancing and Voltage Support of AC Traction Feeds.

11. Rolf Grunbaum, Tomas Johansson SVS Light a powerful new tool for power quality improvement ABB Review 6/98

12. Rolf Grunbaum, Tomas Gustafsson. SVC Light: a powerful flicker mitigator. www.abb.com

13. Facts powerful systems for flexible power transmissions. ABB Review 5/99

14. Rolf Grunbaum. Voltage and power quality control in wind power. www.abb.com

15. Статические компенсаторы реактивной мощности SIGRE 1990 г.

16. Состояние и перспективы внедрения в электропривод статических компенсаторов реактивной мощности. Статические компенсаторы реактивной мощности ведущих зарубежных фирм и отечественных предприятий. Информэлектро, М. 1982 (под редакцией Я.Ю. Солодухо)

17. Lazlo Gyugyi. Solid-State Synchronous Voltage Sources for Dynamic Compensation and Real-Time Control of AC Transmission Lines. IEEE Emerging Practices in Technology

18. Кочетыгов B.A., Левинштейн M.JI. Ограничение внутренних перенапряжений в электропередачах, оснащенных статическими тиристорными компенсаторами. Электротехника 1985. №11

19. Сорокин В.М., Мальцев Г.И., Лытаев Р.А. Новые функции статических компенсаторов реактивной мощности в энергосистемах. Электрические станции. 1988. №10

20. В.И. Кочкин Управляемые статические устройства компенсации реактивной мощности для линий электропередачи. Электричество №9. 2000 г.

21. Songhai Y., Shaoting W. Aplication of SVC to improve transmission capacity. IEEE Joint Conference on High Voltage Transmission System in China 1987

22. S. Trokawa, T. Horiuchi, Transmission Line Loss Minimization. IEEE Joint Conference on High Voltage Transmission System in China 1987

23. В.И. Плесков, Б.Я. Гумановский, B.A. Камбулин. Источник реактивной мощности на базе инвертора напряжения/ -Электричество 1978, №12.

24. G.Asplund, K.Eriksson, H.Jiang and others. DC Transmission based on voltage source converters.

25. HVDC and SVC Light Reference list (for 06.03.2003r.) www.abb.com

26. Power Link, № 2, 1997, ABB Power Systems.

27. Power Link, № 3, 2000, ABB Power Systems.

28. Power Link, № 2, 1999, ABB Power Systems.

29. ЗЗ.А. Nabae, I. Takahashi, H. Akagi. "A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter." IEEE Transaction on Industry Application. Vol IA-17, №5, 1981.

30. Static Synchronous Compensator (STATCOM), ElectraN185 08.1999

31. Отчет НИИПТ. Анализ на цифровой модели переходных процессов подстанции в условиях увеличения мощности КБТИ. Инв. №07040,1995.

32. Определение основных технических требований к средствам компенсации реактивной мощности на стороне 400 кВ Выборгской подстанции при отсутствии на ней синхронных компенсаторов КСВБ-160. /Техническая записка Инв. № 0-2669, 1995

33. Скрыпник А.И., Равлик A.M., Соколов A.M., Шульга Р.Н. Комплекс программ «Подстанция» для разработки оборудования передач и вставок постоянного тока. Электротехника. 1986. №12.

34. А.С. Сандлер, Ю.М. Гусяцкий. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями. М., Энергия, 1968 г.

35. Ю.А. Казачков. Принцип работы и основные характеристики автономных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Учебное пособие НИИПТ. JI. 1991

36. А.В. Иванов В.И. Климов, Е.А. Крутяков, В.Н. Левин Особенности работы инвертора с многотакнтной широтно-импульсной модуляцией. «Электричество», 1979, №8.

37. M. Sampei, N. Seki, Т. Sakurai Development of multi terminal HVDC system using voltage sourced converters. Conference, Irkutsk, 2000.

38. Kelemen,. Imecs, Vector Control System of Synchronous Machines: Synthesis. PEMC'90 proceedings of the 6th Conference on Power Electronics and Motion Control Vol.3

39. M.JI. Левинштейн. Операционное исчисление в задачах электротехники JL, «Энергия», 1972.

40. Основы автоматического управления. М. Воениздат 1972

41. Висящев А.Н., Тигунцев С.Г., Луцкий ИИ. Влияние потребителей на искажение напряжения. Электрические станции. 2002. №7.

42. Определение мощности компенсирующих устройств на стороне 400 кВ Выборгской ПС при передаче мощности в Финляндию до 1400 МВт. Отчет НИИПТ. Инв. № 0-7421, 2002.

43. Исследование переходных процессов на стороне 400 кВ в схеме с параллельно работающими блоками. Отчет НИИПТ. Инв. № 07428, 2002.

44. Разработка цифровой модели СТК в составе 4 КВПУ Выборгской подстанции. Поисковая НИР НИИПТ 2000г.

45. Разработка и исследование принципов построения и управления вставок постоянного тока с применением различных схем преобразования. Научно-технический отчет ОАО НИИПТ, №0-7360, 2001г.

46. Разработка и исследование принципов построения и управления двухподстанционных и многоподстанционных ППТ с использованием различных схем преобразования. Научно-технический отчет ОАО НИИПТ, №0-7383, 2001г.

47. Разработка схемы вставки постоянного тока на базе полностью управляемых вентилей (ПУВ) для физического моделирования. Научно-технический отчет ОАО НИИПТ, №0-7332, 2001г.

48. Разработка и исследование принципов построения и управления двухподстанционных и многоподстанционных ППТ с использованием различных схем преобразования. Научно-технический отчет ОАО НИИПТ, №0-7383, 2001г.

49. Разработка схемы вставки постоянного тока на базе полностью управляемых вентилей (ПУВ) для физического моделирования. Отчет по НИР АО НИИПТ, № 0-7332, 2001 г.

50. Определение мощности компенсирующих устройств на стороне 400 кВ Выборгской ПС при передаче мощности в Финляндию до 1400 МВт. Отчет НИИПТ Инв. № 0-7421,2002.

51. Исследование переходных процессов на стороне 400 кВ в схеме с параллельно работающими блоками. Отчет НИИПТ. Инв. № 07428, 2002.

52. Исследование переходных процессов на стороне 400 кВ в схеме с выделенным блоком. Отчет НИИПТ Инв. № 0-7464, 2002.

53. Разработка мероприятий по максимальному повышению передаваемой мощности электропередачи Россия Финляндия. Отчет НИИПТ. Инв. № 0 - 7346, 2001.

54. Сопоставление альтернативных вариантов регулируемых средств компенсации реактивной мощности Отчет по НИР ОАО НИИПТ, № 0-7481,2002 г.

55. Технические требования к СТАТКОМ (конкурсная документация). Отчет ОАО «ВНИИЭ». Москва, 2004 г.

56. Техническое предложение на СТАТКОМ 15 кВ / 50 МВ-А Отчет ОАО НИИПТ, № 0 7577, 2004 г.

57. Техническое предложение по созданию высоковольтного преобразователя напряжения типа СТАТКОМ мощностью ±50 MB-Ар на напряжение 15,75 кВ. Отчет ОАО ВНИИЭ, Москва, 2004г.

58. Исследование технико-экономической эффективности применения регулирующих и компенсирующих устройств FACTS в ЕНЭС и разработка методики их технико-экономического обоснования. Отчет ОАО ВНИИЭ, Москва, 2004г

59. Руководство пользователя «Цифровая модель СТАТКОМ». Отчет по НИР ОАО НИИПТ, № 0-7617, 2004 г.

60. Под редакцией С.С. Рокотяна Справочник по проектированию электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1985.

61. Цифровая модель ПС 330 Ржевская, включающая СТАТКОМ, СТК и их системы регулирования. Отчет по НИР ОАО НИИПТ, № 01. Щ 7614, 2004 г.

62. Мазуров М.И., Николаев А.В. Исследование характеристик преобразователя компенсатора с двойным регулированием. Известия НИИ постоянного тока №57. 2000 г.

63. Мазуров М.И., Николаев А.В. Преобразователь компенсатор на базе инвертора напряжения с ШИМ управлением. Сборник докладов шестой российской научно-технической конференции «ЭМС -2000»

64. Лозинова Н.Г., Мазуров М.И., Николаев А.В. Передача постоянного тока как элемент повышения надежности энергоснабжения островных потребителей, сборник докладов «Надежность больших энергетических систем», Казань 2001

65. Николаев А.В., Мазуров М.И. СТАТКОМ как средство компенсации • реактивной мощности на преобразовательной подстанции, г. Санкт

66. Петербург 2002 г. Международная научно-практическая конференция «Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России»

67. П.А. Шейко, J1.JI. Балыбердин, М.И. Мазуров, А.В. Николаев СТАТКОМ как средство компенсации реактивной мощности в сетях высокого напряжения. Электронный журнал «Новое в российской энергетике» №5 2003.

68. Николаев А.В., Мазуров М.И. Перспективы применения СТК в схеме Выборгской преобразовательной подстанции. Сб. трудов VI Симпозиума «Электротехника 2010» 2002г.

69. Берх И.М., Мазуров М.И., Николаев А.В. Система векторного регулирования статического компенсатора (СТАТКОМ). Известия НИИ постоянного тока №59. 2003 г.

70. Дайновский Р.А., Денисенко А.В., Николаев А.В. Исследование режимов работы СТАТКОМ, выполненного на базе трёхуровневого преобразователя. Сб. трудов VII Симпозиума «Электротехника 2010» 2003г.

71. Мазуров М.И., Николаев А.В. Передача постоянного тока на преобразователях напряжения как элемент управления качеством электроэнергии. «Оперативное управление электроэнергетическими системами новые технологии» 2003 г.

72. Николаев А.В. Сравнительная оценка технических и экономических характеристик средств компенсации реактивной мощности в условиях Выборгской преобразовательной подстанции. Сб. докладов второй конференции молодых специалистов электроэнергетики 2003

73. Николаев А.В. Система регулирования преобразователя напряжения, работающего в режиме компенсатора. Сб. докладоввторой конференции молодых специалистов электроэнергетики -2003 г

74. Берх И.М., Мазуров М.И., Николаев А.В. Активная фильтрация гармоник в сети переменного тока с применением СТАТКОМ. Известия НИИ постоянного тока №60. 2004 г.

75. Мазуров М.И., Николаев А.В. Патент на изобретение № 2231205 «Способ управления преобразователем напряжения», от 20.06.2004