Что такое вставка постоянного тока
Вставки несинхронной связи
Вставки постоянного тока (ВПТ) используются для объединения энергосистем работающих на разных или несинхронных частотах. Они состоят из каскадного соединения двух преобразовательных устройств, одно из которых работает в режиме выпрямителя, а другое – в режиме инвертора. Объединяющим элементом ВПТ является звено постоянного тока, по виду которого различают ВПТ на основе преобразователей тока – со сглаживающим реактором в цепи постоянного тока и на основе преобразователей напряжения – с батареей конденсаторов постоянного тока.
ВПТ на основе преобразователей тока выполняются на тиристорах и потому имеют более высокий КПД по сравнению с ВПТ на основе преобразователей напряжения, в которых используются полностью управляемые приборы – силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistors – IGBT).
ВПТ первого типа мощностью 1420 МВт реализована для экспорта электроэнергии из России в Финляндию на подстанции 330/400 кВ Выборгская в 1980-х годах. В настоящее время запланирована модернизация ее преобразовательного оборудования, которая обеспечит существенное снижение потерь и уменьшение мощности устройств компенсации реактивной мощности более чем в 2 раза.
ВПТ на базе двух преобразователей напряжения обеспечивает регулирование как активной, так и реактивной мощности в широких пределах, что позволяет отказаться от использования дополнительных устройств для компенсации реактивной мощности, необходимых при использовании ВПТ тиристорного типа. ВПТ на базе преобразователей напряжения может применяться для несинхронного объединения любых энергосистем, в том числе по межсистемным связям, относящих к категории «слабых», где требуется регулирование реактивной мощности в широком диапазоне для обеспечения устойчивой работы энергосистем.
Так, в настоящее время существующая связь на напряжении 220 кВ между энергосистемами Сибири и Востока разомкнута из-за невозможности обеспечить ее устойчивую работу. Создание вставки несинхронной связи мощностью 200 МВт на подстанции 220 кВ Могоча (Забайкальский край) позволит нормализовать уровни напряжения в сети 220 кВ, производить оперативный обмен аварийным резервом мощности между двумя энергосистемами, обеспечить бесперебойное электроснабжение Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей.
Лекция № 11. Передачи и вставки постоянного тока
Линии электропередачи переменного тока могут связывать только синхронизированные электрические сети переменного тока, которые работают на той же самой частоте и в фазе. Много зон, которые желают поделиться энергией, имеют несинхронизированные электрические сети. Энергосистемы Великобритании, северной Европы и континентальной Европы не объединены в единую синхронизированную электрическую сеть. У Японии есть электрические сети на 60 Гц и на 50 Гц. Континентальная Северная Америка, работая на частоте 60 Гц, разделена на области, которые несинхронизированы: Восток, Запад, Техас, Квебек, и Аляска. Бразилия и Парагвай, которые совместно используют огромную гидроэлектростанцию Итайпу, работают на 60 Гц и 50 Гц соответственно.
Как же поступить, если необходимо связать районы с различной частотой электрически сетей. Для этой цели используются передачи постоянного тока ППТ (HVDC – High Voltage DC transmission).
Генератор, связанный длинной линией электропередачи переменного тока, может стать неустойчивым и выпасть из синхронизации с отдаленной энергосистемой переменного тока. Устройства HVDC позволяют связать несинхронизированные электрические сети переменного тока, а также добавить возможность управления напряжением переменного тока и потоком реактивной мощности.
Ветряные электростанции, расположенные на расстоянии от берега, могут использовать устройства HVDC, чтобы собрать энергию у большого числа несинхронизированных генераторов для передачи на берег подводным кабелем. Линия HVDC может сделать выполнимым использование удаленных электростанций.
Однако, обычно линия питания HVDC связывает две области распределения мощности энергосистемы переменного тока. Устройства, выполняющие преобразование между переменным и постоянным токами, значительно увеличивают стоимость передаваемой энергии. Выше определенного расстояния (приблизительно 50 км для подводных кабелей, и примерно 600—800 км для воздушных линий), меньшая стоимость электрических проводников HVDC перевешивает стоимость электроники.
Преобразовательная электроника также предоставляет возможность эффективно управлять энергосистемой посредством управления величиной и перетоком мощности, что дает дополнительное преимущество существования HVDC линий — потенциальное увеличение устойчивости энергосистемы.
Во многих случаях HVDC передача более эффективна, чем передача на переменном токе. Например:
· Подводные кабели, где высокая емкость приводит к дополнительным потерям.
· Передача энергии в энергосистеме от пункта к пункту без промежуточных ‘отводов’, например, в удаленные районы
· Увеличение пропускной способности существующей энергосистемы в ситуациях, где установка дополнительных линий является трудной или дорогой
· Передача энергии и стабилизация между несинхронизированными системами распределения переменного тока
· Присоединение удаленной электрической станции к энергосистеме.
· Уменьшение стоимости линии за счет уменьшения количества проводников. Кроме того, могут использоваться более тонкие проводники, так как HVDC не подвержен поверхностному эффекту.
· Упрощается передача энергии между странами, которые используют переменный ток различных напряжений и/или частот
· Синхронизация переменного напряжения, произведенного возобновляемыми источниками энергии
Длинные подводные кабели имеют высокую емкость. В то время как этот факт имеет минимальную роль для передачи электроэнергии на постоянном токе, переменный ток приводит к зарядке и разрядке емкости кабеля, вызывая дополнительные потери мощности. Кроме того, мощность переменного тока расходуется на диэлектрические потери.
HVDC может передавать большую мощность по проводнику, так как для данной номинальной мощности постоянное напряжение в линии постоянного тока ниже, чем амплитудное напряжение в линии переменного тока. Мощность переменного тока определяет действующее значение напряжение, но оно составляет только приблизительно 71 % амплитудного напряжения, которое определяет фактическую толщину изоляции и расстояние между проводниками. Поскольку у линии постоянного тока действующее значение напряжения равно амплитудному, становится возможным передавать на 41% больше мощности по существующей линии электропередачи с проводниками и изоляцией того же размера, что на переменном токе, что снижает затраты.
Поскольку HVDC допускает передачу энергии между несинхронизированными распределительными системами переменного тока, это позволяет увеличить устойчивость системы, препятствуя каскадному распространению аварии с одной части энергосистемы на другую. Изменения в нагрузке, приводящие с десинхронизации отдельных частей электрической сети переменного тока, не будут затрагивать линию постоянного тока, и переток мощности через линию постоянного тока будет стабилизировать электрическую сеть переменного тока. Величину и направление перетока мощности через линию постоянного тока можно непосредственно регулировать и изменять для поддержания необходимого состояния электрических сетей переменного тока с обоих концов линии постоянного тока.
Преимущество HVDC — способность передавать большее количество энергии на длинные дистанции с меньшими капитальными затратами и меньшими потерями, чем на переменном токе. В зависимости от уровня напряжения и схемы, потери будут составлять приблизительно 3 % на 1000 км. Передача на постоянном токе высокого напряжения позволяет эффективно использовать источники энергии, удаленные от энергоузлов нагрузки.
Рис.1. Сравнительная стоимость линий переменного (AC) и постоянного (DC) тока.
Рисунок 1 представляет сравнительную характеристику линий переменного и постоянного тока. Хотя капитальные затраты на строительство линий постоянного тока выше, стоимость километра этих линий существенно ниже. Поэтому существует такое значение длины линии электропередачи при котором передача энергии постоянным током оказывается более выгодной, чем переменным.
Различают несколько типов схем передач постоянного тока (рис.2).
Возможные области применения электропередач и вставок постоянного тока
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ВСТАВКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. УПРАВЛЯЕМЫЕ (ГИБКИЕ) ЛИНИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Как известно, в настоящее время для выработки электрической энергии, ее передачи на расстояние, распределения и потребления используется переменный ток. Это объясняется прежде всего способностью переменного тока к трансформации, т.е. изменению напряжения с помощью достаточно простых аппаратов—трансформаторов, а также и тем, что электродвигатели переменного тока по своей конструкции значительно проще и, следовательно, надежнее электродвигателей постоянного тока.
Кроме того, большое значение имеет и тот фактор, что на переменном токе, дважды в период принимающем нулевое значение, возможно создание выключателей, способных отключать большие рабочие токи и токи коротких замыканий. Значения последних могут достигать десятков килоампер при напряжении в сотни киловольт. На постоянном токе создание выключателей высоко напряжения встречает большие трудности, до настоящего времени эта задача полностью не решена.
Благодаря этому переменный ток используется везде и всюду, за исключением некоторых промышленных производств и электрического транспорта. И тем не менее, в последние десятилетия электроэнергетики разных стран все чаще применяют постоянный ток для решения ряда задач, в том числе связанных с передачей электрической энергии на расстояние.
Для ответа на вопрос, почему это делается, сопоставим характеристики линий переменного и постоянного тока.
Обе линии обладают однотипными параметрами — активным сопротивлением проводов, а также индуктивностью и емкостью. Активное сопротивление проводов определяет потери мощности и энергии в линии и, следовательно, ее КПД, а индуктивность и емкость — электромагнитные процессы в линии, связанные с передачей электроэнергии. Для линий переменного тока эти процессы носят волновой характер, что и определяет основные характеристики такой линии. В линии постоянного тока волновые процессы отсутствуют. Именно это различие и лежит в основе всех решений, связанных с применением постоянного тока для транспорта электроэнергии.
Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.
Индуктивность и емкость линии определяются ее конструкцией — расстоянием между фазами (полюсами), диаметром проводов и длиной линии. При увеличении расстояния между фазами индуктивность линии увеличивается, а емкость линии снижается. Уменьшение этого расстояния приводит к обратному эффекту. Увеличение длины линии вызывает увеличение как ее индуктивности, так и емкости.
У воздушных линий переменного и постоянного тока расстояние между фазами (полюсами) измеряется метрами (ВЛ 500 кВ переменного тока — 12 м, ВЛ ±400 кВ постоянного тока — 10 м), у кабельной линии — несколькими сантиметрами. Отсюда следует, что воздушная линия имеет существенно большую индуктивность и значительно меньшую емкость, чем кабельная. Различие этих характеристик проявляется при работе воздушных и кабельных линий на постоянном или переменном токе.
Отметим, что реакция индуктивности и емкости на протекание переменного и постоянного тока различна. При протекании переменного тока по индуктивности в ней возникает ЭДС самоиндукции, которая противодействует протеканию тока. Иными словами, индуктивность представляет собой сопротивление для переменного тока. Это сопротивление прямо пропорционально частоте переменного тока и возрастает с увеличением последней. При этом индуктивное сопротивление много больше активного (для линий 500-750 кВ в 10-15 раз). При частоте тока, равной нулю (постоянный ток), индуктивное сопротивление тоже равно нулю.
Емкость также оказывает сопротивление протеканию переменного тока. В отличие от индуктивного сопротивления емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте. При увеличении частоты переменного тока сопротивление емкости снижается, при уменьшении частоты — возрастает. При частоте, равной нулю (постоянный ток), сопротивление емкости становится равным бесконечности. Иными словами, через емкость постоянный ток не проходит.
Рассмотрим воздушную линию. При работе воздушной линии на переменном напряжении ее индуктивность оказывает сопротивление протеканию переменного тока и, в конечном итоге, определяет ту максимальную мощность, которую можно передать по этой линии. Как уже отмечалось, индуктивное сопротивление линии возрастает при увеличении ее длины, и, следовательно, при этом снижается максимальная мощность, которую можно передать по линии.
Емкость воздушной линии переменного тока практически не влияет на передаваемую мощность, однако через нее протекает так называемый зарядный ток, который создает зарядную мощность линии и приводит к дополнительному нагреву проводов, т.е. увеличивает потери энергии в линии и снижает ее КПД. Кроме того, этот ток приводит к нежелательному повышению напряжения в промежуточных точках линии и к целому ряду других отрицательных последствий. Поэтому возникает необходимость в компенсации зарядной мощности линии, для чего используются специальные устройства — реакторы, которые, в конечном счете, приводят к увеличению стоимости линии. Однако следует отметить, что необходимость в компенсации зарядной мощности линии, как правило, возникает лишь для линий сверхвысоких напряжений — 330 кВ и выше.
При работе воздушной линии на постоянном напряжении, когда по ней протекает постоянный ток, в установившемся режиме ни ее индуктивность, ни емкость не оказывают никакого влияния на процесс передачи электрической энергии по линии и, следовательно, на максимальную мощность, которую можно передать по линии при увеличении длины последней. Зарядная мощность линии постоянного тока отсутствует в силу изложенных выше причин. Поэтому сама линия не нуждается в каких-либо компенсирующих устройствах.
Главный вывод, который может быть сделан из сказанного выше, состоит в следующем:
· для воздушной линии переменного тока существует зависимость максимальной передаваемой мощности от ее длины — чем длиннее линия, тем меньше предельная мощность, которую можно по ней передать; это одна из причин, ограничивающих допустимую длину такой линии;
· воздушная линия постоянного тока не имеет такого ограничения, поэтому линия постоянного тока может иметь любую длину и передаваемую мощность, которые диктуются практической целесообразностью. Возможные ограничения — допустимые потери энергии на нагрев проводов и пропускная способность используемой аппаратуры.
Рассмотрим теперь кабельные линии. Известно, что кабельные линии переменного тока имеют весьма ограниченную длину — не более 15—20 км. Это объясняется двумя основными причинами:
· большой зарядной мощностью, возникающей вследствие значительной емкости кабеля;
· высокой стоимостью кабеля.
Зарядная мощность приводит к дополнительному нагреву жил кабеля, вынуждая снижать полезную передаваемую мощность и ограничивать длину кабеля. В особенности это относится к высоковольтным кабельным линиям (110—500 кВ). Поэтому кабельные линии переменного тока не могут быть использованы для передачи электроэнергии на достаточно большие расстояния.
В кабельной линии постоянного тока зарядная мощность отсутствует и не создает дополнительного нагрева кабеля. Поэтому кабельные линии постоянного тока могут сооружаться достаточно длинными (100—200 км, возможно и больше) и использоваться для решения задач, которые невозможно решить иными путями, например для пересечения больших водных пространств (морских проливов), ввода больших мощностей в центры крупных городов и др.
Однако это еще не все. Для ответа на вопрос, почему в современной электроэнергетике для решения некоторых задач целесообразно использовать постоянный ток, следует отметить еще ряд проблем.
В настоящее время в мире используются две частоты переменного тока — 50 и 60 Гц. В странах Европы, СНГ и России принята частота 50 Гц; в США, Канаде, некоторых странах Южной Америки, южной части Японии — 60 Гц. Объединение систем с различной номинальной частотой на параллельную работу с помощью линий переменного тока невозможно. Для этой цели, как показывает мировая практика, может быть с успехом использован постоянный ток. Такие связи существуют в Японии и Южной Америке.
Объединение отдельных систем с одной номинальной частотой возможно только при их синхронной работе. При всех положительных сторонах такого решения следует отметить, что оно предполагает также одинаковые стандарты поддержания частоты и законы ее регулирования. Если до объединения системы работали с различными законами регулирования частоты, то такое объединение требует большой работы по реконструкции систем регулирования частоты на всех электростанциях и крупных капиталовложений. Кроме того, объединение систем на параллельную работу неизбежно приводит к одновременному увеличению токов коротких замыканий в связываемых системах. Это требует применения дорогостоящих мероприятий по их ограничению или замене коммутационной аппаратуры.
Следует отметить еще один важный аспект. Объединение систем требует обеспечения устойчивости их совместной работы. При объединении систем связями переменного тока и возникновении аварийной ситуации в одной из систем, например короткого замыкания, отключения крупного генерирующего блока или электростанции, устойчивость совместной работы может быть нарушена, что может привести к обесточиванию целых регионов и, как следствие, большому экономическому ущербу. Этот печальный опыт имеют многие из развитых стран.
Отмеченных выше отрицательных последствий можно избежать, если для объединения систем использовать звено постоянного тока. В этом случае полностью снимаются проблемы устойчивости совместной работы и увеличения токов коротких замыканий, а сами связываемые системы будут работать с одинаковыми или несколько различающимися частотами, но асинхронно. Такое решение может дать определенный «системный эффект», связанный с повышением экономичности и надежности работы объединяемых систем как в нормальных, так и в аварийных и послеаварийных режимах, поскольку звено постоянного тока предотвращает развитие каскадных аварий, что подтверждается мировой практикой.
Если линию постоянного тока использовать для объединения нескольких систем, то в этом случае все эти системы могут работать независимо друг от друга, но обмениваться между собой мощностью. В этом случае линия постоянного тока становится как бы сборными шинами для этих систем. При этом аварийные возмущения в одной из систем не будут передаваться в другие в отличие от того, как это было бы при связи на переменном токе.
Системный эффект может проявиться также и в случае, когда звено постоянного тока шунтирует существующие межсистемные связи переменного тока. Здесь за счет его высокой управляемости можно обеспечить перераспределение потоков мощности по этим связям с целью повышения экономичности работы связываемых систем и при необходимости сохранить устойчивость их синхронной работы.
При развитии электроэнергетической системы и сооружения протяженных линий переменного тока возможно образование кольцевых схем, в которых будут циркулировать большие неуправляемые потоки мощности. Размыкание таких колец для прекращения этой циркуляции нецелесообразно по соображениям надежности работы энергосистемы. Задача может быть решена включением в кольцо звена постоянного тока, что дает возможность управлять потоками мощности в нем.
Электропередача постоянного тока может проявить свои качества еще в одной области. Известно, что характерная особенность гидротурбин заключается в том, что максимальный КПД при неизменной скорости вращения их рабочего колеса, т.е. при постоянной частоте переменного тока, может быть достигнут лишь при постоянном уровне воды в верхнем бьефе (при постоянном напоре воды, на который проектируется турбина) или при незначительных его колебаниях. Такие режимы возможны лишь для гидроэлектростанций с большими объемами водохранилищ, когда водохранилище заполнено до проектной отметки. Для всех других ГЭС при неизменной скорости вращения рабочего вала при срабатывании водохранилища и снижении напора воды турбины будут снижать свой КПД. В особенности это явление будет проявляться на приливных ГЭС и на ГЭС с большими объемами водохранилищ в период их заполнения.
Для поддержания КПД на максимально высоком уровне в этих случаях турбины должны изменять частоту вращения, что приведет к изменению частоты переменного тока и невозможности выдачи мощности ГЭС в систему по линии переменного тока из-за разности частот системы и генераторов ГЭС. Если для связи ГЭС с системой используется линия постоянного тока, то обеспечивается возможность выдачи мощности в систему при переменной частоте вращения гидрогенераторов, в том числе и в период заполнения водохранилища, который может длиться многие годы.
Из сказанного выше могут быть определены возможные области применения постоянного тока в современной электроэнергетике. К ним следует отнести:
· дальние электропередачи, например от удаленных ГЭС или АЭС. Расстояния здесь могут исчисляться многими сотнями и тысячами километров. Экономическая граница между переменным и постоянным током, по разным данным, может лежать в пределах 700—1000 км в зависимости от условий прохождения трассы, требований надежности, цен на оборудование и ряда других факторов;
· передача электроэнергии через большие водные пространства;
· глубокие вводы большой мощности в центры крупных городов;
· связь систем переменного тока с различной номинальной частотой;
· несинхронные связи систем одной номинальной частоты, что позволит повысить живучесть объединенной системы;
· создание «шин постоянного тока», к которым могут подсоединяться электроэнергетические системы разных районов или стран, работающие несинхронно или с различной частотой и не выполняющие требования единства законов регулирования частоты;
· подключение к системе электростанций, работающих с переменной частотой вращения агрегатов, что позволяет обеспечить большую эффективность работы этих агрегатов;
· развязка колец, возникающих при развитии объединенной системы, в которых могут циркулировать большие неуправляемые потоки мощности.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Преобразователи тока ППТ и ВПТ
Кощеев Л.А., д.т.н., профессор, заместитель директора ОАО «НИИПТ»;
Балыбердин Л.Л., к.т.н., главный специалист, ОАО «НИИПТ»;
Лозинова Н.Г., к.т.н., заведующая отделом постоянного тока (Санкт-Петербург, Россия)
Сегодня во многих странах работают свыше 120 электропередач и вставок постоянного тока (ППТ и ВПТ), и многие десятки этих объектов запланированы к сооружению (рис.1).
Рис. 1
Некоторые объекты постоянного тока в мировой энергетике.
ППТ и ВПТ используются для решения ряда специфических задач:
— создание протяжённых линий электропередачи большой мощности, межсистемных и межгосударственных связей;
— объединение энергосистем с разными стандартами частоты и с различными законами регулирования и управления;
— создание связей энергосистем, разделённых водными преградами;
— снижение вредных экологических воздействий;
— повышение живучести объединяемых энергосистем.
Особенно стремительный рост числа введённых в эксплуатацию объектов постоянного тока наблюдается с появлением мощных высоковольтных тиристоров (1960 г.) как основной элементной базы вентильных преобразователей с увеличивающимся уровнем напряжения и мощностью.
Анализ технических решений по ППТ и ВПТ показывает во многом их идентичность и достаточно высокое совершенство, подтверждающееся их успешной длительной эксплуатацией. Это может свидетельствовать о том, что технические решения приближаются к типовым. Использование этих решений позволит отказаться при разработке и создании объектов от рассмотрения их как эксклюзивных, а многие виды оборудования поставить на поточное производство. Это позволит снизить стоимость оборудования, сократить сроки разработки и создания ППТ и ВПТ, повысить конкурентоспособность объектов постоянного тока в сравнении с линиями электропередачи переменного тока. Конечно, при этом необходимо будет вносить коррективы, учитывающие параметры объекта (мощность, напряжение и др.) и особые условия и требования.
Схема преобразования двухподстанционной ППТ представлена на рис. 2.
Рис. 2
Главная схема преобразовательной подстанции:
1 – преобразователь; 2 – трансформатор; 3 – фильтр гармоник; 4 – линейный реактор; 5 – фильтр гармоник в ВЛ; 6 – СТК; 7 – выключатель.
Рассмотрим далее основные технические решения применительно к преобразовательным ПС ППТ и ВПТ, не касаясь линейной части ППТ.
Общепринято каскадное соединение трёхфазных преобразовательных мостов по схеме Ларионова В.П., с питанием мостов со сдвигом фазных напряжений на 30 Оэл. (вентильные обмотки соединены в Y и Δ ), что обеспечивает двенадцатипульсный режим преобразования.
Не допускается одиночная работа преобразовательных мостов (из-за появления канонических гармоник 6-пульсного режима).
Для ППТ обеспечивается в нормальной схеме биполярный режим с заземлением средней точки на одной или обеих преобразовательных подстанциях (с выносной заземляющей или заводняющей линией). В зарубежных ВПТ, как правило, выполняется заземление непосредственно одного из полюсов преобразователя.
Преобразователи Выборгской ВПТ заземлены в средней точке 6-пульсных мостов через резистор 60 кОм. При таком заземлении снижается уровень изоляции преобразователя.
Максимальное напряжение ВЛ ППТ ±800 кВ (Китай).
ВПТ имеют блочное построение с размещением в отдельных зданиях. Как правило, обеспечен реверсивный режим.
Преобразовательные трансформаторы
При мощности блочного преобразователя до 500 МВт трансформаторы трёхфазные или однофазные с групповым соединением. При большей мощности применяется только групповое соединение.
В большинстве случаев преобразовательные трансформаторы только двухобмоточные (сетевая, схемная одиночная или схемная с расщеплёнными обмотками). Трансформаторы Выборгской преобразовательной подстанции имеют дополнительную обмотку для подключения фильтровых устройств.
Трансформаторы только наружной установки, выводы схемных обмоток выполняют также роль вводов в здание и расположены, как правило, с торца трансформатора горизонтально или с подъёмом относительно горизонта.
РПН имеются на трансформаторах и выпрямителя, и инвертора. Как правило, диапазон переключений симметричен и имеет по 15 ступеней.
Трансформаторы оснащены системами измерений контроля и мониторинга.
Высоковольтные вентили
Применяется только последовательное соединение тиристоров. Тиристоры традиционные (на напряжение до 8–10 кВ и ток до 3 кА) и, начиная с конца прошлого века, фототиристоры со встроенными внутренними защитами.
Избыточность по тиристорам 3–5%.
Система управления ВТВ на традиционных тиристорах комбинированная: электрический импульс на потенциале земли, световой импульс, идущий по волоконным световодам на потенциалы ячеек вентиля, электрический импульс на ЭУ тиристора. Питание собственных нужд ячеек – путём отбора мощности от схемы ВТВ. Фототиристоры управляются мощными, малой длительности, импульсами, поступающими по волоконным каналам с потенциала земли.
Защита ВТВ от перенапряжений с помощью ОПН с достаточно низким защитным уровнем.
Конструкция ВТВ – модульная. Охлаждение, как правило, глубоко химочищенной водой. Есть сведения о применении этиленгликолевого контура.
Конструкция, как правило, подвесного типа (рис. 3) со сдвоенными или учетверёнными вентилями мостов (квадрита). Хорошо выполнены противокоронная защита вентилей и дизайн.
Вентили внутренней установки в вентильных залах преобразователей.
Рис. 3
Преобразователи на ПС Talcher, Индия.
Фильтро-компенсирующие устройства
Фильтры переменного тока, как правило, пассивного типа, одно- и двухступенчатые, устанавливаемые на отправных и приёмных шинах. Комбинация узконастроенных и широкополосных звеньев.
Фильтры постоянного тока, обычно пассивного типа.
Нерегулируемые компенсирующие устройства – фильтровые и шунтовые конденсаторные батареи со ступенчатыми отключением и включением. Регулируемые компенсирующие устройства – СТК и СК.
На ВПТ Дюрнрор (на границе Австрии и Чехии) была реализована схема, использующая регулировочные возможности преобразователей. По техническим требованиям перетоки реактивной мощности по отправным и приёмным линиям 420 кВ были в пределах 0 – ±60 Мвар.
При минимальных нагрузках ВПТ имеет возможность регулирования перетока реактивной мощности изменением углов и δ с помощью регулятора реактивной мощности. На рис. 4 показана зависимость потока реактивной мощности в ВЛ от передаваемой активной мощности вплоть до её минимального значения 0,2 отн.ед. (110 МВт).
Рис. 4
Баланс реактивных мощностей на государственной границе Австрия–Чехия при напряжении сети 400 кВ в функции от передаваемой мощности (ВПТ Дюрнрор):
1– граница минимальных нагрузок; 2 – расчётная минимальная нагрузка (110 МВт); 3 – номинальная нагрузка (550 МВт); 4 – максимально допустимая нагрузка; 5 – регулирование потребления реактивной мощности изменением углов α и δ ; 6 – включён фильтр 13-й гармоники; 7 – включён фильтр 11-й гармоники; 8 – включена шунтовая конденсаторная батарея.
Коммутационная аппаратура
В основном в качестве выключателей используются элегазовые аппараты без ограничения числа коммутаций при эксплуатации. Во всех случаях, когда требуются быстродействующие коммутаторы постоянного тока (автоматические выключатели в цепи металлического возврата тока, заземляющие выключатели в нулевой точке, переключатели шин и переключатели в цепи возврата тока через землю), используются также элегазовые аппараты.
Принципы управления и защиты ППТ
Реализация их осуществляется с помощью современных программно-технических комплексов. Система характеризуется высокой эффективностью, небольшим объёмом обслуживания, очень мощной средой программирования и хорошими возможностями интеграции в системы диспетчерского управления, сбора информации. Система позволяет диспетчерским центрам осуществлять удалённый доступ к информации о состоянии каждой преобразовательной подстанции. Эти центры обладают возможностью осуществлять дистанционное управление и могут регулировать электропередачу с использованием наземной оптоволоконной линии связи. Ресурсы линий связи используются для диспетчерских функций коммерческих целей.
Данные по перегрузочной способности некоторых ППТ
Проектом каждой из двух ППТ 3GC и 3GG (три ущелья, Китай) перегрузка при максимальной наружной температуре окружающего воздуха и работающем охлаждении допускается в пределах, МВт
Номинальная мощность 3000
В пределах 2 часов 3390
В пределах 10 с 4230
В пределах 5 с 4500.
Перегрузочная способность ППТ 1500 МВт Rihand-Dadri (Индия), МВт
В пределах 2 ч 1650
В пределах 5 с 2000.
Относительно потерь в оборудовании ППТ сведения весьма скудные.
Опубликованы такие данные по ППТ 3GC и 3GG (РН = 3000 МВт, L = 1060 км, UdH = ±500 кВ):
потери на преобразовательной ПС, % 1,3
потери на ВЛ ППТ, % 5,8.
По компактной элегазовой ВПТ ЭПРИ (США) получены такие эксплуатационные данные:
Потери в преобразователе, включая потери на собственные нужды, составляют – 1,77%.
Примерно половина их приходится на преобразовательный трансформатор 820 кВт из суммарных – 1770 кВт.
На ВПТ Дюрнрор с пропускной мощностью 550 МВт был зафиксирован суммарный КПД в преобразователе (шина-шина) на уровне 98,5%.
Подобные данные могут служить ориентиром при разработке отечественных объектов постоянного тока как мировых достижений.
Возможность и пути улучшения технико-экономических характеристик преобразователей электропередач и вставок постоянного тока.
Безусловно, ещё имеются пути улучшения технических и экономических характеристик оборудования мощных высоковольтных преобразователей путём инноваций и использования достижений в разработке новых изоляционных и обмоточных материалов, железа для сердечников трансформаторов, новых полупроводниковых силовых приборов для комплектации ВТВ, вычислительной техники нового поколения и др.
Схема преобразования
Совершенствование главной схемы должно позволить уменьшить последствия двух органических недостатков преобразователей:
— генерирование высших гармоник тока и напряжения в сеть переменного тока и наличие высших гармоник в выпрямленном токе и выпрямленном напряжении;
— потребление реактивной мощности преобразователями.
Первые две проблемы могут быть в определённой мере решены применением мало исследованных схем преобразования:
— схема с конденсаторным присоединением преобразовательных мостов к вентильным обмоткам трансформаторов. Её применение позволяет повысить устойчивость коммутаций тока при сниженных ОКЗ (меньше 2), меньшее потребление реактивной мощности, меньшая опасность возникновения перенапряжений в питающей линии, вызванных колебательными процессами в контурах «фильтры – преобразовательный трансформатор – сеть переменного тока». Однако появление опасных перенапряжений на конденсаторах не позволяло раньше надеяться на успешное применение этой схемы. Прогресс в конденсаторостроении и производстве ОПН позволит, возможно, применять эту схему;
— улучшить технико-экономические показатели преобразователей ППТ и ВПТ возможно применением схемы, приведённой на рис. 5.
Рис. 5
Схема квази-24-пульсного преобразователя.
Во-вторых, сдвигом импульсов включения α на преобразователе 1П и 2П таким, чтобы они были равными α 1= α –7,5О и α 2= α +7,5О, достигается квазидвадцатипульсный режим преобразования с содержанием гармоник тока в сетевом токе, коэффициент искажения синусоидальности сетевого тока Кu не превышает 0,7%. Не требуются фильтровые конденсаторные батареи.
Но радикальным, как сейчас представляется, средством решения обоих недостатков преобразователя на традиционных тиристорах является применение преобразователя напряжения на полностью управляемых вентилях (ПУВ). ПУВ отпирается как традиционный тиристор, а запереть его возможно импульсом отрицательной полярности подачей его на тот же электрод управления. Полная управляемость вентиля позволяет в четырёх квадрантах системы координат «ток – напряжение» (рис. 6) осуществлять выпрямление и инвертирование тока с потреблением и выдачей реактивной мощности за счёт опережающего тока. Более того, в течение времени проводимости можно с определённой частотой и по определённому закону многократно включать и отключать ПУВ, добиваясь малого искажения тока и напряжения в сети питания. Преобразователь на ПУВ способен, кроме того, устойчиво работать на сеть с малым ОКЗ и даже в автономном режиме.
Система координат «ток-напряжение».
Рис. 6
Возможности работы преобразователя на ПУВ.
В преобразовательных трансформаторах возможно:
— уменьшить потери примерно на 1% за счёт применения для изготовления магнитопроводов аморфных сплавов, для обмоток транспонированных проводов и других мероприятий;
— выводы схемных обмоток расположить с торцевой стороны;
— в системе охлаждения применить малошумящие вентиляторы;
— оснастить РПН преобразовательные трансформаторы выпрямителя и инвертора;
— трансформаторы должны быть оборудованы электронными системами управления, которые позволят обеспечить анализ и учёт всех операций, а также интеллектуальное управление вентиляторами охлаждения для уменьшения потерь электроэнергии в системе собственных нужд.
Высоковольтные тиристорные вентили (ВТВ)
Организацией защиты ВТВ на традиционных тиристорах от перенапряжений и ещё более глубоким ограничением с помощью ОПН напряжений на всех элементах преобразователя можно уменьшить число последовательно соединённых тиристоров и тем самым снизить его стоимость, упростить схему и конструкцию, уменьшить потери и повысить КПД преобразователя. Эти эффекты, естественно, достигаются и применением тиристоров с более высокими напряжениями.
Применение вместо традиционных тиристоров фототиристоров со встроенными защитами (рис. 7) позволит предельно упростить схему и конструкцию ВТВ. И если изготовление фототиристоров позволяет, как это следует из рекламных материалов, получить приборы с лучшими (большими) характеристиками по напряжению, то такой вентиль значительно выиграет по сравнению с ВТВ на традиционных тиристорах. В таком вентиле исчезнут цепочки защиты тиристоров «по аноду», не нужны будут цепи отбора мощности для собственных нужд в тиристорных ячейках, уменьшится количество полупроводниковых приборов, повысится надёжность ВТВ.
Рис. 7
Фототиристор с частично разобранным корпусом.
Фильтрация высших гармонических
Наиболее радикальным способом снижения в ВЛ ППТ гармоник от преобразователей с помощью фильтров является применение гибридного фильтра, состоящего из пассивного фильтра, настроенного на две наиболее выраженные гармоники, и активного фильтра, включённого между нейтралью преобразователя и нижним выводом пассивного фильтра (рис. 8).
Рис. 8
Схема гибридного фильтра высших гармоник в полюсе ППТ:
1 – преобразователь; 2 – пассивный фильтр гармоник; 3 – активная часть фильтра (управляемый источник); 4 – трансформатор тока; 5 – разрядник; 6 – линейный реактор.
В активном фильтре источником (генератором) может служить преобразователь частоты, выполненный на ПУВ. Преобразователь работает с ШИМ с частотой, которая позволяет подавить гармоники с частотой 300–3000 Гц.
Компенсация реактивной мощности с использованием регулируемых источников типа СТК и СТАТКОМ
Схема и оборудование СТК, позволяющего как потреблять, так и выдавать реактивную мощность, хорошо известна. Это комбинация регулируемой или нерегулируемой конденсаторной батареи и тиристорно регулируемых реакторов. Исследования НИИПТ [2] показали, что применение СТК расширяет область апериодической устойчивости инвертора.
В настоящее время опытный образец СТАТКОМ мощностью 50 МВА и напряжением 15,75 кВ проходит испытания на ПС «Выборгская». Считается, что он является прототипом СТАТКОМ для комплектации преобразователей ВИП после реконструкции ПС «Выборгская». Применение СТАТКОМ как регулируемого источника реактивной мощности для ППТ – дело будущего.
Литература
1. Худяков В.В. Электропередачи и вставки постоянного тока в энергосистемах мира. Применение статических компенсаторов./ Сб. «Планирование развития энергосистем. Передача энергии постоянным током высокого напряжения. Энергоатомиздат.
1986. Москва.
2. Крайчик Ю.С. Практический критерий устойчивости напряжений в электрической сети с инвертором // Известия НИИ постоянного тока. 2001. № 58.
Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter