МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИБКИХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ (Расширенный вариант)
К.С. Пивень, магистрант.
Донецкий национальный технический университет.
Материалы Всеукраинской студенческой научно-технической конференции 11-14 апреля 2005 года.
Электротехнические и электромеханичесие системы.
г. Севастополь, 2005 г.
Развитие хозяйства характеризуется ростом, в нелинейной степени, потребления электроэнергии. При этом структура и объекты электроэнергетических систем неизбежно усложняются. Развитие электрических сетей сопровождается увеличением дополнительных потерь мощности и электроэнергии, вызванных ростом уравнительной мощности из-за их неоднородности. Управление режимом такой сети позволяет не только снизить потери мощности и энергии, но и обеспечить за счет вытеснения потоков мощности в сети более высоких номинальных напряжений более значительный уровень по пропускной способности замкнутой сети. При таком подходе можно уменьшить капитальные затраты на сетевое строительство.
В связи с быстрым развитием электрических сетей, одной из важнейших задач отечественной электроэнергетики является развитие основной системообразующей сети Украины и СНГ, что позволит оптимизировать распределение электричества между потребителями.
Объединение и реструктуризация схем электрических сетей приводит к усложнению передачи электроэнергии от одной подстанции к другой. Это связано с неоднородностью различных линий электропередач. Показатель неоднородности развитой сети определяется, в основном, степенью различия в сечениях проводов линий, входящих в замкнутые контуры сети. Воздушные линии современных сетей класса 110 - 765 кВ выполнены сталеалюминевыми проводами с эффективным сечением 70 - 2900 мм2. Поэтому показатель неоднородности таких сетей достигает 10 - 15. В замкнутых сетях, содержащих линии разных номинальных напряжений показатель неоднородности выше.
Следствием неоднородности сечений проводов является проблема неадекватного распределения транспортных потоков в сетях, когда все мощные линии недогружаются, часть среднемощных линий работает на пределе пропускной способности, а многочисленные маломощные линии нижнего уровня вынужденно размыкаются во избежание их перегрузки транспортными транзитными потоками активной мощности.
Развитые сети характеризуются многослойной структурой. В Украине и некоторых других странах слои образуются сетями 110 - 133 кВ из маломощных линий - нижние слои сети; сетями 220 - 245 или 330 кВ, в 5-10 раз более мощных линий, - средние слои. Мощные, системообразующие линии электропередачи напряжением 500 и 735-765 кВ составляют верхние слои.
В трехслойных и более сложных развитых сетях 110-220-500 кВ и 110-33-750 кВ неоднородность сечений проводов линий приводит к недопустимо большим транспортным потокам в сетях среднего и нижнего уровней - до 45 % от суммарных потоков. Вследствие этого потери на передачу электроэнергии в сетях среднего и нижнего уровней составляют до 70% суммарных потерь на ее передачу во всей развитой сети. Необходимо очистить средние и нижние слои сети от неадекватных транспортных потоков, перебросив эти потоки в верхний слой сети.
В электропередаче энергии между подстанциями линий верхнего слоя помимо линий верхнего слоя участвуют линии нижних слоев сети - линии 330 и 110 кВ. Под воздействием вектора напряжения между узлами 1 и 2 в нижних слоях сети естественным путем образуются трассы потоков между смежными подстанциями сети верхнего слоя. Трассы охватывают те линии нижних слоев, в которые ответвляются потоки от верхних линий - линий 750 кВ. Для линий слоев 330 и 110 кВ эти потоки являются транзитными.
В решении проблемы можно выделить следующие направления:
- использование силовой электроники для создания гибких ЛЭП
- использование вольтодобавочных трансформаторов
- использование фазосдвигающих трансформаторов
- использование кросс-технологий.
Силовая электроника используется при регулировании потока мощности линии электропередачи и во многих случаях решает дополнительно вопросы стабилизации режима сети (устранение колебаний), повышения устойчивости.
Перераспределение потоков мощности между сетями разных номинальных напряжений более эффективно при использовании трех последних отмеченных направлений. Следует подчеркнуть, что в системах управления как ВДА и ФЗТ, так и для кросс-трансформаторов используются тиристорные преобразователи.
Для совершенствования системообразующей сети независимым институтом исследования энерго рынка (НИИЭР) предлагается кросс-трансформаторная технология оптимизации потокораспределения (КТТ).
Кросс-трансформаторы (КТ) являются простейшими фазосдвигающими трехобмоточными трансформаторами. КТ разработаны в ВЭИ следующей конструкции: на каждом стержне трехфазного магнитопровода КТ расположены три обмотки: опорная обмотка ОО и две кросс-обмотки КО1 и КО2 (рис. 5). Все три обмотки являются высоковольтными.
Кросс-обмотки включаются в рассечку линии и потому работают в режиме трансформатора тока.
Обмотки расположены не соосно, а поочередно на каждом из стержней магнитопровода КТ: опорная обмотка с высоковольтным вводом в середину обмотки расположена между двумя кроссовыми обмотками. Этим достигается понижение рабочего напряжения между торцами обмоток и увеличение собственного сопротивления КТ.
Предусматривается, что изменение угла на кросс-трансформаторных подстанциях будет производиться ступенями 4, 6 или 8 эл. градусов. Для этого будут использованы специальные быстродействующие вакуумные выключатели или стандартные линейные выключатели.
Посредством кросс-трансформаторов в ключевых точках сети производится перераспределение потоков с настройкой многослойной сети на режимы максимальных нагрузок, так чтобы верхний слой в наибольшей степени обеспечивал транспортирование электроэнергии. При этом средние слои и нижний слой, в основном, освобождаются от транспортных потоков и наилучшим образом обеспечивают распределение энергии по потребителям. Такая настройка сети является оптимальной и особенно выгодной при действии полномасштабного рынка электроэнергии.
Кросс-трансформаторы устанавливаются на примыкающих к основным подстанциям дополнительных подстанциях, называемых кросс-подстанциями. Наиболее выгодны подстанции крупных электростанций, где достигаются наибольшие зоны действия при наименьших среднестатистических токах через ФСТ.
Кросс-подстанция каждой электростанции имеет столько зон действия, сколько линии 500 кВ отходит от этой станции. Они простираются вплоть до следующей трансформаторной подстанции.
В зонах действия кросс-трансформаторные подстанции обеспечивают следующие преимущества:
1 Двух - трехкратную разгрузку линий 220 и 110 кВ от неадекватных транспортных потоков, связанных с передачей энергии по линии 500 кВ;
2 Улучшение использования магистральных линий или 750 кВ благодаря увеличению их доли в суммарных транспортных потоках мощности и соответствующее увеличение к. п. д. электропередачи энергии по сети;
3 Устранение "пробок" по обмену энергией в условиях рынка, создаваемых перегрузкой отдельных участков линий 110 и 220 кВ;
4 Снижение потерь в сетях 750 - 110 кВ приблизительно в 1,5 раза.
5 Улучшение условий диспетчеризации из-за вынесения большей части транзитного перетока из сетей 220 и 110 кВ и, тем самым, освобождения их для близких межсистемных и внутрисистемных перетоков.
6 Повышается общая надежность сети вследствие адекватного использования всех ее основных линий - магистральных линий и наиболее важных линий распределительных сетей.
7 Создаются условия для возможности закольцовывания сети 110 кВ, что существенно повышает качество электроэнергии у потребителей, повышает надежность снабжения электроэнергией потребителей и дополнительно снижает потери благодаря оптимальному распределению местных нагрузок по линиям 110 кВ.
8 Ощутимо снижаются токи КЗ в примыкающих к кросс-трансформаторным подстанциям линиях.