 |
Тема 6.3. Средства обеспечения баланса реактивной мощности в узлах электропередачи
|
|
|
|
Все узлы электропередачи могут быть разделены на две группы. К первой из них относятся узлы, в которых задано значение напряжения на шинах высшего напряжения подстанции, которое должно поддерживаться неизменным в том или ином режиме. К этой группе относятся и генерирующие узлы в начале и конце электропередачи (шины передающей и приемной систем). Ко второй группе относятся узлы, в которых это напряжение не фиксируется, а может изменяться в определенных пределах в зависимости от передаваемой мощности.
В узлах первой группы при расчете режимов следует определить мощность компенсирующих устройств, необходимую для поддержания заданного значения напряжения. В узлах второй группы необходимо определить возможный диапазон изменения напряжения на шинах ВН и согласовать этот диапазон с возможностями устройств РПН автотрансформаторов, для того чтобы обеспечить требуемые в данном режиме значения напряжения на шинах среднего напряжения подстанции.
Для электропередач и сетей СВН большое значение имеет проблема потребления избыточной реактивной мощности линий в режимах малых нагрузок. В качестве средств компенсации реактивной мощности в узлах электропередачи могут рассматриваться:
в генерирующих узлах — синхронные генераторы и шунтирующие реакторы;
на шинах приемной системы и промежуточных подстанциях — синхронные компенсаторы, статические регулируемые устройства, основанные на применении средств силовой электроники, шунтирующие реакторы, как управляемые, так и неуправляемые.
Синхронные генераторы (турбогенераторы и гидрогенераторы) проектируются и изготавливаются как генераторы реактивной мощности для покрытия реактивной мощности нагрузки в сети. В то же время в определенных режимах они могут потреблять некоторую реактивную мощность из сети. Возможности генерации и потребления реактивной мощности синхронным генератором определяются его 
-диаграммой. Типовая -диаграмма турбогенератора мощностью 300 МВт представлена на рис. 6. 19, а. -диаграммы турбогенераторов других мощностей имеют похожий вид и обычно характеризуются некоторыми численными отличиями от приведенной на этом рисунке.
|
|
|
Рис. 6. 19. -диаграммы синхронных генераторов: турбогенератора (а) и гидрогенератора (б)
Следует отметить, что, поскольку конструкция и характеристики турбогенераторов практически не зависят от места их установки, представляется возможным иметь -диаграммы для всех серийных образцов этих машин*. В то же время гидрогенераторы проектируются для каждой отдельной гидростанции с учетом особенностей створа реки, в котором предполагается соорудить гидростанцию (расхода воды, уровней верхнего и нижнего бьефов и пр. ). Поэтому типовых диаграмм для гидрогенераторов нет, они рассчитываются при проектировании гидрогенератора и снимаются в процессе испытаний по месту его установки. -диаграмма гидрогенератора мощностью 240 МВт приведена на рис. 6. 19, 6.
Диаграммы, представленные на рис. 6. 19, а, б (или подобные им), определяют предельные значения активной и реактивной мощности генератора в различных режимах его работы по условиям допустимого нагрева отдельных элементов его конструкции. Эти диаграммы снимаются в процессе тепловых испытаний генераторов.
В этих диаграммах можно выделить три ограничения. Правая граница диаграммы — это ограничение по току ротора. При работе в номинальном режиме генератор может работать с номинальной активной мощностью и выдавать в сеть реактивную мощность, определяемую номинальным значением коэффициента мощности генератора. Увеличение выдачи реактивной мощности потребует увеличения тока ротора, что вызовет его дополнительный нагрев и, как следствие, необходимость снижения тока статора и соответствующего снижения активной мощности.
|
|
|
Верхняя горизонтальная граница ограничение по току статора. Генератор может работать с номинальной активной мощностью, а в некоторых случаях и превысить ее на 3—5 % при коэффициенте мощности, близком к единице, и соответствующем снижении тока ротора. Здесь допустимый нагрев генератора определяется током статора.
Левая граница диаграммы ограничивает возможную область работы генератора в режиме потребления реактивной мощности. Перевод генератора в этот режим потребует дополнительного снижения тока ротора и, как следствие, снижения ЭдС генератора. Поэтому работа с номинальной активной мощностью в этом режиме чревата нарушением статической устойчивости работы генератора совместно с системой, что требует снижения активной мощности. Кроме того, в этом режиме происходит перераспределение магнитных полей генератора, в результате чего начинают интенсивно нагреваться торцевые части статора генератора и лобовые части обмотки статора, расположенные на этих торцевых частях. Поэтому верхняя часть левой границы диаграммы определяется устойчивостью синхронной работы генератора, а остальная часть ее — допустимым нагревом торцевых частей статора и лобовых частей обмоток статора генератора.
Из диаграммы (рис. 6. 19, а) видно, что зона работы турбогенератора мощностью 300 МВт в режиме потребления реактивной мощности существенно меньше зоны ее генерации, поэтому генератор в режимах малых нагрузок может потреблять незначительную реактивную мощность, соответствующую 30—40 % номинальной.
Аналогичные соотношения характерны и для гидрогенераторов. Гидрогенераторы по согласованию с заводом-изготовителем могут переводиться в длительный режим синхронного компенсатора при соблюдении всех температурных ограничений. При этом для снижения потерь активной мощности вода из рабочей камеры турбины отжимается сжатым воздухом, чтобы рабочее колесо турбины не вращалось в воде. Потребление реактивной мощности гидрогенератором при работе в режиме синхронного компенсатора также невелико и не превышает 45 % его номинальной мощности.
|
|
|
Из вышесказанного следует, что возможности потребления генераторами значительных реактивных мощностей, стекающих с линий СВН на шины электростанций в режимах малых нагрузок, весьма невелики. Отсюда возникает необходимость применения других средств потребления избыточной реактивной мощности, например асинхронизированных турбогенераторов или шунтирующих реакторов.
Асинхронизированные турбогенераторы (АСТГ), выпуск которых начался лишь в последнее время, обладают существенно большими возможностями в потреблении реактивной мощности. Основные технические характеристики таких генераторов приведены в табл. 6. 2.
При переходе в асинхронный режим эти генераторы сохраняют возможность генерировать активную мощность, равную 
и потреблять такое же значение реактивной мощности из сети, поэтому асинхронизированные турбогенераторы сейчас рассматриваются как одно из наиболее действенных регулируемых средств обеспечения баланса реактивной мощности в генерирующих узлах сети СВН.
В крупных нагрузочных узлах электрических сетей для обеспечения баланса реактивной мощности используются синхронные компенсаторы - явнополюсные синхронные машины, не имеющие нагрузки на своем валу и способные при включении в цепь работать в режиме, как генерации, так и потребления реактивной мощности. Реактивная мощность в этих режимах может изменяться за счет регулирования тока возбуждения, в зависимости от потребности сети, в целях стабилизации напряжения в точке включения СК.
Таблица. 2
Основные технические характеристики асинхронизированных генераторов
*
Реактивная мощность синхронной явнополюсной машины определяется уравнением
(6. 50)
Синхронный компенсатор не имеет первичного двигателя (турбины), и поэтому активная мощность, которую он потребляет из сети, определяется только незначительными потерями в нем (нагрев обмоток, вентиляционные потери, потери на трение в подшипниках и пр. ). Отсюда угол 
между ЭДС 
и напряжением сети 
близок к нулю.
|
|
|
Изменение реактивной мощности СК осуществляется за счет изменения значения путем воздействия на ток возбуждения. В режиме генерации 
, и предельная мощность в этом режиме определяется допустимым нагревом обмоток ротора и статора.
При снижении тока возбуждения СК переходит в режим потребления реактивной мощности. Предельная мощность, которую СК может потребить из сети при снижении возбуждения до нуля ( 
) и 
, может быть получена из (6. 50) при допущении 
:
(6. 51)
Здесь знак «минус» говорит о том, что реактивная мощность потребляется синхронной машиной из сети. Переходя к относительным единицам, будем иметь
(6. 52)
(эти выражения имеют приближенный, оценочный характер).
для синхронных компенсаторов мощностью 50 Мвар и выше сопротивление по продольной оси
поэтому СК может потребить только 
, т. е. значительно меньше его номинальной мощности. Уменьшение значения 
в целях увеличения потребляемой мощности приводит к увеличению расхода активных материалов (меди и трансформаторной стали), трудозатрат и в конечном итоге к увеличению стоимости СК.
Более рациональным и экономичным способом увеличения потребляемой реактивной мощности является поворот продольной оси ротора на 90° относительно вектора напряжения сети (для явнополюсных машин на одно полюсное деление), поэтому в схему замещения машины будет входить сопротивление поперечной оси 
. Это может быть сделано путем подачи на обмотку ротора тока возбуждения отрицательной полярности, в результате чего возникает момент, при котором ротор смещается на этот угол и потребляемая реактивная мощность возрастает:
Поскольку для явнополюсных машин сопротивление 
значительно меньше сопротивления по продольной оси 
, то значение потребляемой реактивной мощности возрастает:
Для поворота ротора на нем размещается дополнительная обмотка, на которую подается отрицательный ток возбуждения. Магнитодвижущая сила (МДС) необходимая для смещения ротора на угол 90°, относительно невелика и составляет около 15 % МДС основной обмотки, поэтому дополнительная обмотка имеет незначительные габариты, Для удержания ротора в этом положении требуется знакопеременное возбуждение. При отклонении ротора в ту или иную сторону от положения, соответствующего углу 90°, подается ток возбуждения, имеющий такой знак, чтобы синхронный момент препятствовал отклонению ротора и возвращал его в прежнее положение. Для этого требуется быстродействующая система возбуждения и специальный регулятор*
|
|
|
Еще большие возможности имеют асинхронизированные синхронные компенсаторы, у которых потребляемая реактивная мощность равна номинальной 
. Такой компенсатор может и генерировать, и потреблять реактивную мощность, равную номинальной, и может стать действенным средством стабилизации напряжения в узлах электропередачи. Однако при этом он остается вращающейся электрической машиной с присущими ей недостатками:
относительно большой электромагнитной инерционностью и повышенными потерями активной мощности.
В качестве средства, потребляющего избыточную реактивную мощность электропередачи, в настоящее время широко используются шунтирующие реакторы. Эти аппараты, не имеющие подвижных частей, обладают достаточно высокой надежностью и могут быть созданы на большие напряжения и мощности.
В России освоен выпуск неуправляемых реакторов практически на все классы напряжения от 38 до 1150 кВ, исключая напряжения 220 и 330 кВ. Это объясняется тем, что в сетях 220 кВ необходимости в таких реакторах, как правило, нет. Что же касается сетей 330 кВ, то по сложившейся практике на них используются реакторы 110 и 38 кВ, которые подключаются к шинам среднего напряжения подстанций 330/110 кВ или к третичной обмотке автотрансформатора, которая выполняется в этом случае на напряжение 38 кВ.
Шунтирующие реакторы являются многофункциональным элементом электрической сети СВН, поскольку они не только компенсируют избыточную реактивную мощность, но и используются также для снижения напряжения на отключенном конце протяженной линии и для защиты оборудования подстанций от грозовых и коммутационных перенапряжений, приходящих с линии, поглощая их энергию.
Основным недостатком шунтирующих реакторов до недавнего времени являлась невозможность регулирования их мощности. Поэтому они включаются только в режимах малых и отключаются в режимах больших нагрузок. Включение и отключение осуществляется обычными выключателями, что вызывает ускоренный износ последних, Для реакторов 750 и 1150 кВ разработаны специальные коммутационные аппараты — включатели–отключатели. В некоторых случаях могут быть использованы неотключаемые реакторы, которые постоянно подключены к шинам какой-либо крупной электростанции. Целесообразность такого решения должна быть специально обоснована.
В настоящее время разработаны управляемые шунтирующие реакторы (УШР), в которых мощность может изменяться в широких пределах — от 5 до 110 % номинальной мощности. При этом обеспечивается высокая скорость ее изменения — несколько периодов частоты сети при ее изменении от минимальной до максимальной. Это позволяет не отключать УШР в режимах больших нагрузок и использовать его для решения значительно более широкого круга задач, чем неуправляемый реактор.
Для решения аналогичных задач, помимо упомянутых выше устройств, могут быть использованы также средства, основанные на применении силовой электроники. К таким устройствам относятся статические тиристорные компенсаторы различных типов, преобразователи новых типов (Статком) и др. Отметим, что статический компенсатор Статком является аналогом синхронного компенсатора с ЭДС, значение которой может изменяться, и Статком может работать в режиме, как генерации, так и потребления реактивной мощности. При этом мощности в режиме потребления и генерации равны номинальной. Отметим также, что устройства, основанные на применении силовой электроники, пока не получили широкого распространения, как синхронные компенсаторы и неуправляемые реакторы, однако их следует рассматривать как весьма перспективные средства решения многих задач, стоящих перед электроэнергетикой.
|
|
|
