А. С. Ворса - ИАльтернативный способ компенсации реактивной мощности в системообразующей электрической сети Белорусской энергосистемы

Аннотация

Новые возможности для оценивания состояния электроэнергетической системы при использовании данных от PMU. Автор анализирует применяемые в настоящее время способы поглощения избыточной реактивной мощности в энергосистеме, а также предлагает альтернативный способ для электрических сетей 220-330 кВ Белорусской энергосистемы. Им может быть рассогласование коэффициентов трансформации параллельно работающих существующих трансформаторов 220 и 330 кВ. Главным достоинством этого способа, позволяющим ожидать положительный экономический эффект от его использования, является отсутствие капиталовложений для его реализации. В статье описана суть предлагаемого метода и приведено его теоретическое обоснование.

В режимах минимальных нагрузок (в летний период, ночное время, выходные дни) в электрических сетях напряжением 220–330 кВ возникает избыток реактивной мощности. В общем случае это происходит при передаче по линии электропередачи (ЛЭП) от источника к потребителю электрической мощности меньшей натуральной.

В силу физических свойств высоковольтных ЛЭП в электрическую сеть генерируется зарядная мощность. В режимах, указанных выше, суммарная реактивная мощность (совокупность зарядной и от источников электрической энергии), генерируемая в сеть, становится избыточной. Таким образом, в соответствии со статическими характеристиками уровни напряжения на шинах электростанций и подстанций могут превосходить предельно допустимые, что в свою очередь может привести к уменьшению срока службы электрического оборудования. К негативным последствиям появления избытка реактивной мощности в сети можно также отнести отклонение частоты напряжения от предельно допустимых величин и увеличение потерь электрической мощности.

Проблема поглощения избыточной реактивной мощности в Белорусской энергосистеме в настоящее время решается следующими способами:

1) перевод синхронных генераторов электрических станций в режим недовозбуждения. Это может привести к повреждению торцевых зон обмоток статоров генераторов, так как они не рассчитаны на режимы глубокого потребления реактивной мощности. Такие режимы работы синхронных генераторов приводят к сокращению их срока службы;

2) плановое отключение ВЛ 110–330 кВ в режимах минимальных нагрузок с целью снижения зарядной мощности в электрической сети. Указанное мероприятие снижает надёжность электроснабжения, что при неблагоприятном стечении обстоятельств может привести к тяжёлым авариям;

3) использование синхронных компенсаторов — мощных синхронных электродвигателей, работающих без нагрузки на валу (холостой ход) в режиме недовозбуждения;

4) установка регулируемых шунтирующих реакторов на подстанциях 330 кВ Гомсельмаш, Барановичи-330 и Мирадино мощностью 180 Мвар каждый.

Кроме применяемых в Белорусской энергосистеме способов поглощения реактивной мощности существуют также другие:

5) установка на электростанциях асинхронизированных турбогенераторов, в которых проблема повреждения статоров в режиме недовозбуждения решена путём использования вместо одной двух и более одинаковых обмоток возбуждения, расположенных под углом 90 электрических градусов. Такое усовершенствование позволяет обеспечить не только режимы глубокого потребления реактивной мощности, но и высокий уровень статической устойчивости во всём допустимом диапазоне рабочих режимов генератора [1];

6) применение неполнофазных режимов работы ВЛ 110–330 кВ. В этом случае при отключении одной фазы ВЛ её зарядная мощность уменьшается на 1/3. Электрические сети 110–220 кВ работают в режиме эффективно заземлённой нейтрали, а сети 330 кВ имеют глухозаземлённую нейтраль. Поэтому в сетях 110 кВ и выше в случае однофазных коротких замыканий при отключённой одной из фаз напряжение на неповрежденных фазах не повышается до линейного в отличие от сетей с изолированной или компенсированной нейтралью. Это свойство сетей 110 кВ и выше позволяет реализовать указанный способ поглощения избытка реактивной мощности. Возникающий при отключении одной из фаз ВЛ 110–330 кВ несимметричный режим компенсируется путём установки на приёмном конце ЛЭП трансформатора специальной конструкции [2].

Все указанные способы поглощения избытка реактивной мощности связаны с рядом недостатков, в том числе с достаточно высокими капиталовложениями, необходимыми для их реализации. Например, установка шунтирующего реактора на ПС 330 кВ «Гомсельмаш» обошлась в 2,2 млн. доллара США, а ремонт генератора на Гомельской ТЭЦ-2, связанный с повреждением статора, вызванном работой в режиме недовозбуждения, обошёлся в сумму около 100 тыс. долларов CША [3].

Альтернативный способ

Альтернативным способом поглощения избытка реактивной мощности в электрических сетях 220-330 кВ Белорусской энергосистемы может быть рассогласование коэффициентов трансформации параллельно работающих существующих трансформаторов 220 и 330 кВ. Главным достоинством этого способа, позволяющим ожидать положительный экономический эффект от его использования, является отсутствие капиталовложений для его реализации. Суть рассматриваемого метода описана ниже.

Замкнутые электрические сети, как правило, неоднородны, то есть имеют существенные отличия в соотношениях активного и реактивного сопротивлений между отдельными контурами. Это объясняется применением на ЛЭП проводов различных сечений, а также наличием трансформаторов, соединяющих линии различного напряжения. Вследствие неоднородности сети возникает естественное потокораспределение, отличное от экономического. Последним называют потокораспределение, соответствующее минимуму потерь полной мощности в сети. Таким образом, можно сделать вывод, что неоднородность сети вызывает в её электрических контурах уравнительную мощность, которая обуславливает отличие естественного потокораспределения от экономического. Уравнительная мощность определяется по формуле:

где Sy — уравнительная мощность, МВА; Se — мощность, соответствующая естественному потокораспределению, МВА; Sэ — мощность, соответствующая экономическому потокораспределению, МВА.

Возникающую уравнительную реактивную мощность можно компенсировать, создав в контурах, образованных параллельно работающими трансформаторами, продольной ЭДС. Это достижимо путём рассогласования коэффициентов трансформации трансформаторов, а также установки вольтодобавочных трансформаторов в ветви одного из трансформаторов.

Реактивная мощность, созданная продольной ЭДС и противоположно направленная реактивной мощности, возникающей из-за неоднородности сети, равна:

где Qу.п. — уравнительная реактивная мощность, требуемая для компенсации, Мвар; U — номинальное напряжение опорного узла, кВ; E’ — продольная ЭДС, кВ; Xк — реактивное сопротивление контура, Ом.

Для создания продольной ЭДС достаточно иметь трансформаторы, оснащенные системой регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Продольная ЭДС с несколькими трансформаторами в контуре равна [4]:

где U0 — напряжение опорного узла, кВ; Kti — коэффициент трансформации i-го трансформатора.

Таким образом, зная уровень избыточной реактивной мощности, а также параметры контура, можно рассчитать значение произведения коэффициентов трансформации трансформаторов исследуемого контура для полной либо частичной компенсации избытка реактивной мощности.

Получим ПKti из выражения (3) с учётом (2):

Путём рассогласования коэффициентов трансформации трансформаторов таким образом, чтобы их произведение было равно значению, полученному из выражения (4), возможно поглощение части избыточной реактивной мощности сети.

Ограничениями в рассматриваемом методе являются пределы и ступени регулирования коэффициентов трансформации устройств РПН трансформаторов. Этими характеристиками трансформаторов определяется возможность полной либо частичной компенсации избытка реактивной мощности в сети.

Следует отметить, что при рассогласовании коэффициентов трансформации необходимо контролировать уровни напряжения на низшей и средней обмотках трансформаторов таким образом, чтобы они не выходили за допустимые пределы.

Как известно, индуктивное сопротивление трансформатора превышает активное в десятки раз. Таким образом, создав условия для протекания уравнительного тока по контуру, образованному двумя параллельно работающими трансформаторами с рассогласованными коэффициентами трансформации, можно получить потери реактивной мощности в несколько раз превышающие потери активной мощности.

Теоретические обоснования альтернативного способа

Для теоретического исследования возможности поглощения избытка реактивной мощности предлагаемым альтернативным способом рассмотрим типы трансформаторов различных классов напряжения и мощностей, для которых возможна параллельная работа в Белорусской энергосистеме. Таковыми являются АТДЦТН-200000 330/115±6х2%/10,5 (установлены на 27 ПС); АТДЦТН-125000 230/121±6х2%/10,5 (на 15 ПС); АТДЦТН-125000 330/115±6×2%/10,5 (на 11 ПС); АТДЦТГН-63000 230/121±10×1%/6,6 (на двух ПС).

Для исследования возможности компенсации реактивной мощности с помощью трансформаторов использована программа RastrWin. Смоделируем параллельную работу трансформаторов с рассогласованными коэффициентами трансформации, учитывая их реальные сопротивления, пределы регулирования и проводимости на землю. При этом используем контур для протекания уравнительных мощностей, образованный обмотками высшего и среднего напряжений трансформаторов. Для этого необходимо включить соответствующие секционные выключатели распределительных устройств высшего и среднего напряжений трансформаторов.

Для создания в контуре, образованном двумя трансформаторами, продольной ЭДС необходимо изменить их коэффициенты трансформации так, чтобы они оказались рассогласованными. Таким образом, начиная с крайних противоположных друг другу ответвлений трансформаторов (например, +12 % у одного и -12 % у другого), когда их коэффициенты трансформации максимально рассогласованы, изменяем положения ответвлений их обмоток в сторону номинального с минимально возможным шагом РПН. При этом фиксируем величину уравнительной мощности в контуре, значение уровня напряжения на средней стороне и потери мощности на каждом шаге.

В процессе исследования была установлена зависимость потерь реактивной мощности от степени рассогласованности коэффициентов трансформации трансформаторов — DQ = f(ПKti). Степень рассогласованности характеризуется произведением коэффициентов трансформации:

где Kti + 1 — коэффициент трансформации i+1 трансформатора. Чем меньше произведение коэффициентов трансформации, тем больше они рассогласованы.

Зависимость DQ = f(ПKti) установим при электрической нагрузке на шинах среднего напряжения, равной нулю, номинальной мощности трансформатора (Sн) и двукратной (2Sн) для большей наглядности.

На рис. 1-4 изображены зависимости AQ = f(ПKti) различных типов трансформаторов, полученные в ходе моделирования описанных режимов их работы с помощью программы RastrWin.

Анализ результатов проведённых исследований рассогласования коэффициентов трансформации параллельно работающих трансформаторов позволяет сделать следующие выводы.

1. При сравнении контуров, образованных трансформаторами АТДЦТН-125000 230/121 и АТДЦТН-125000 330/115 (они имеют различные номинальные напряжения, но одинаковую мощность), более эффективным с точки зрения поглощения реактивной мощности оказался контур 330/115 кВ. Однако по мере увеличения нагрузки на стороне среднего напряжения эффективность указанного контура относительно первого снижается с 7,2 % до 1,14 %.

2. При нагрузке, равной двукратной номинальной мощности трансформатора — 2Sн, отклонение напряжения на стороне среднего напряжения достигает 10 % от номинального, что является предельно допустимой величиной. С учётом того, что рассматриваемый способ поглощения реактивной мощности рекомендуется для использования в режиме минимальных нагрузок, то снижение уровня вторичного напряжения трансформаторов в этом режиме не превысит 6 %.

3. Для более плавного регулирования поглощения реактивной мощности в сети эффективнее использовать трансформатор с меньшим шагом регулирования РПН. Среди исследуемых трансформаторов таковым является АТДЦТГН-63000 230/121±10×1%/6,6, позволяющий регулировать потери реактивной мощности с шагом 1 Мвар в диапазоне произведений коэффициентов трансформации 0,818-0,961 и с шагом 0,1 Мвар в диапазоне 0,961-1.

4. По мере увеличения рассогласованности коэффициентов трансформации трансформаторов имеет место увеличение потерь активной мощности в среднем на 0,71 МВт по сравнению с исходным режимом, что является недостатком метода.

Более наглядное сравнение характеристик различных типов трансформаторов приведено в таблице.

Из таблицы следует, что самым эффективным типом из исследуемых трансформаторов с точки зрения максимального потребления реактивной мощности является наиболее мощный — АТДЦТН-200000 330/115.

Заключение

Электрические расчёты показали, что использование параллельно работающих трансформаторов с рассогласованными коэффициентами трансформации позволит осуществлять поглощение избыточной реактивной мощности в системообразующих электрических сетях в режимах минимальных нагрузок. Недостатком рассматриваемого способа является увеличение потерь активной мощности. Однако, несмотря на это, описанный альтернативный способ всё же может стать дополнительным к уже используемым в Белорусской энергосистеме благодаря отсутствию капитальных затрат на его реализацию (кроме затрат на организационные мероприятия). Это связано с тем, что установки дополнительного оборудования не требуется — достаточно уже существующего. Для более детального исследования эффективности предлагаемого способа компенсации реактивной мощности необходимо смоделировать наиболее полный режим работы системообразующей сети Белорусской энергосистемы при рассогласовании коэффициентов трансформации параллельно работающих трансформаторов с учётом реальных нормальных разрывов в сетях 110-330 кВ, электрических нагрузок энергоузлов, параметров ЛЭП и оборудования станций и подстанций, что подразумевает разработку НИОКР по указанной тематике.

Список использованной литературы

А.З. Гамм, И.И. Голуб. Наблюдаемость электроэнергетических систем. М.,Наука, 1990, 200с.
Глазунова А.М., Колосок И.Н. Методика задания псевдоизмерений для обеспечения наблюдаемости схемы при оценивании состояния ЭЭС. Современные программные средства для расчёта и оценивания состояния режимов электроэнергетических систем. Материалы научно-практического семинара. – Иркутск: ИДУЭС. 2004 г.
Гамм А.З., Колосок И.Н. Обнаружение грубых ошибок телеизмерений в электроэнергетических системах.– Наука, Новосибирск, 2000. –150с.
Jim Y Cai, Zhenyu Huang, John Hauer, Ken Martin. Current Status and Experience of WAMS Implementation in North America. IEEE/PES Transmission and Distribution Conference&Exhibition: Asia and Pacific. Dalian, China, 2005
5 http://www.asutp.ru/go/?id=600625&url=www.rtsoft.ru)
Гамм А.З. Статистические методы оценивания состояния электроэнергетических систем. – М.: Наука, 1976. – 220 с.