CC BY
83
Сведения об авторах Ефимов Борис Васильевич,
директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
Кузнецов Николай Матвеевич,
ведущий научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр. Академгородок, д.21А Эл. почта: [email protected]
Победоносцева Вероника Валерьевна,
старший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.э.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.16.3.86-105 УДК 621.311
В. В. Колобов, М. Б. Баранник
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРОМ ВОЛЬТОДОБАВОЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ГИБКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ СРЕДНЕГО КЛАССА НАПРЯЖЕНИЯ
Аннотация
Гибкие (управляемые) электрические сети (FACTS) - термин, принятый для обозначения современной эффективной технологии управления потоками мощности в энергосистеме. Устройства FACTS для распределительных сетей среднего класса напряжения обозначаются как D-FACTS (Distribution FACTS). Основанные на современной силовой электронике устройства D-FACTS предназначены для решения задачи повышения качества электроэнергии. Современные продольные устройства D-FACTS позволяют управлять амплитудой и фазой вектора вольтодобавочного напряжения. В статье рассматриваются принцип действия различных продольных D-FACTS устройств и их применение в энергосистеме. Ключевые слова:
гибкие системы электропередачи, продольные FACTS устройства, вольтодобавочное напряжение, распределительные сети среднего класса напряжения, статический синхронный продольный компенсатор, динамический компенсатор изменений напряжения, объединенный регулятор потоков мощности.
V. V. Kolobov, M. B. Barannik
AN OVERVIEW OF METHODS AND DEVICES FOR INJECTED VOLTAGE PHASOR CONTROL IN DISTRIBUTED FLEXIBLE AC TRANSMISSION SYSTEMS
Abstract
The modern effective technology for power flow control in electrical power transmission systems is known as Flexible AC Transmission System (FACTS). FACTS devices for medium-voltage distributed power systems are called D-FACTS devices (Distribution FACTS). Power electronics
based D-FACTS devices are used to solve power quality problems. Series D-FACTS devices allow to control the direction and amplitude of the injected voltage phasor. The authors present an overview of series D-FACTS devices. The operation principles and use of series D-FACTS devices in distribution power systems are described. Keywords:
flexible AC transmission systems, series FACTS devices, injected voltage, medium-voltage distributed power systems, static synchronous series compensator, dynamic voltage restorer, unified power flow controller, unified power quality conditioner.
В последние два десятилетия в мировой энергетике активно развивается новое направление — разработка и внедрение интеллектуальных активно-адаптивных сетей Smart Grid [1]. Основой построения интеллектуальных сетей являются линии передачи и распределения электрической энергии, выполненные по технологии FACTS (Flexible Alternative Current Transmission System — управляемые (гибкие) системы электропередачи переменного тока). Концепция FACTS [2] заключается в том, что линия электропередачи перестает быть пассивным устройством транспорта электроэнергии и превращается в активную систему, участвующую в управлении режимами работы электрической сети. Компоненты гибкой системы электропередачи — FACTS устройства (FACTS controllers) — позволяют управлять взаимосвязанными параметрами, определяющими функционирование линий электропередачи, такими как полное сопротивление линии, ток, напряжение, угол фазового сдвига между напряжениями по концам линии и т.д. В результате использования FACTS устройств повышается эффективность управления потоками активной и реактивной мощности и регулирования напряжения в сети, обеспечивается статическая и динамическая устойчивость.
Активное развитие FACTS устройств второго поколения, основанных на силовой полупроводниковой преобразовательной технике, непосредственно связано с появлением новой высоковольтной, сильноточной и быстродействующей элементной базы — транзисторов IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor), запираемых тиристоров GTO (Gate Turn Off) и IGCT (The Integrated Gate-commutated Thyristor) [3-6].
По различным оценкам от 25 до 40 процентов мощности существующих и проектируемых устройств FACTS приходится на распределительные сети среднего класса напряжения.
По способу включения в линию электропередачи устройства FACTS разделяют на продольные, параллельные и комбинированные [7].
В настоящей статье рассматриваются современные продольные FACTS устройства второго поколения для сетей среднего класса напряжения, позволяющие осуществлять векторное управление напряжением, вводимым в линию, или, другими словами, управлять вектором вольтодобавочного напряжения (ВДН).
Известно, что управление пропускной способностью линии электропередачи (ЛЭП) и активной и реактивной мощностью, передаваемой по ней, можно осуществить следующими методами и способами [7-9]:
- изменением напряжения U1 и U2 начала и конца ЛЭП, а также регулированием и поддержанием их в нужных пределах;
- изменением реактивного сопротивления Х ЛЭП посредством включения последовательно в линию устройства с управляемым реактансом AZ, что
позволяет регулировать передачу активной и реактивной мощности. На рисунке 1, а приведен пример такого способа для АZ, имеющего емкостной характер. При этом полная мощность 5", передаваемая по линии, как видно из векторных диаграмм, увеличивается.
- изменением угла 3 между векторами напряжений V и £/2'. Такое изменение угла может быть выполнено путем последовательного включения в линию источника, так называемого вольтодобавочного напряжения (ВДН) Л и (рис. 1, б). Современные вольтодобавочные устройства позволяют изменять как амплитуду, так и угол вектора Ли относительно тока в линии различными методами. Поэтому векторные диаграммы для такого способа регулирования будут рассмотрены ниже при описании конкретных устройств. Здесь лишь отметим, что если введение вектора Л и приводит к увеличению угла 3, то активная мощность Р, передаваемая по ЛЭП, увеличивается, и наоборот — уменьшение угла 3 приведет к снижению активной мощности, передаваемой по ЛЭП. В тоже время, если за счет введения вектора Ли изменится соотношение амплитуд напряжений по обе стороны от линии, то это приведет к изменению потока реактивной мощности Q [9].
I -
Нагрузка ▼
Нагрузка ▼
Рис. 1. Управление потоками мощности, передаваемыми по линии электропередачи, с помощью регулируемого реактанса AZ (а) и источника вольтодобавочного напряжения Аи (б)
Отметим, что современные управляемые системы электропередачи позволяют комбинировать приведенные способы управления пропускной способностью и передаваемой активной и реактивной мощностью по линии.
Рассмотрим современные FACTS устройства, основанные на способе последовательного включении в линию источника вольтодобавочного напряжения A U.
Синхронный статический продольный компенсатор реактивной мощности на базе преобразователя напряжения ССПК (англ. SSSC — Static Synchronous Series Compensator) работает как источник последовательного вольтодобавочного напряжения Uq. Структурная схема ССПК, эквивалентная схема линии электропередачи с использованием ССПК и векторные диаграммы разных типов компенсации для управления потоком мощности показаны на рис. 2. Структурная схема ССПК включает вольтодобавочный трансформатор (ВДТ), вторичная высоковольтная обмотка которого включена последовательно с линией, инвертор напряжения, формирующий трехфазное напряжение с частотой сети и с управляемой амплитудой и фазой, емкостного накопителя и, в некоторых случаях, рассмотренных ниже, источник питания (рис. 2, а).
Рис. 2. Структурная схема ССПК, эквивалентная схема линии с ССПК (а) и векторные диаграммы для различных режимов: без компенсации (б), емкостной компенсации (в) и индуктивной компенсации (г)
ССПК может управлять реактивным сопротивлением линии электропередачи вводя регулируемый вектор вольтодобавочного напряжения Uq ортогональный вектору тока I линии и, тем самым, эмулировать последовательную емкость или индуктивность (способ регулируемого реактанса АХ, рассмотренный выше). Емкостная компенсация уменьшает эффективный импеданс линии, а индуктивная - увеличивает (рис. 2, г, д). Таким образом, ССПК
может увеличивать или уменьшать стационарным поток мощности или динамически изменять его для компенсации кратковременных изменений передаваемой мощности. Благодаря ортогональности векторов вольтодобавочного напряжения на выходе ССПК Uq и тока в линии I обеспечивается практически нулевой обмен активной мощностью между ССПК и системой переменного тока. Исключение составляет небольшое количество (около 1 % от полной мощности) активной мощности, которая потребляется от сети из-за внутренних потерь компенсатора. Эта активная мощность отбирается из линии за счет небольшого (обычно менее 1°) изменения угла между векторами Uq и I и позволяет поддерживать необходимое напряжение на звене постоянного тока инвертора Udc без использования внешнего источника питания [11].
Таким образом, теоретически ССПК может поддерживать емкостное или индуктивное компенсирующее напряжение максимальной амплитуды, определяемой преобразователем напряжения, во всем диапазоне токов линии, так как это напряжение не зависит от тока линии (от 0 до Imax на рис. 3, а). На практике минимальным является такое значением тока линии, которое позволяет компенсировать потери мощности в самом преобразователе.
Рис. 3. Диапазоны регулирования напряжения ССПК при различных режимах работы [11, 12]
При компенсации реактивной мощности ССПК может работать в двух режимах:
1). Режим компенсирующего напряжения, при котором ССПК формирует емкостное или индуктивное компенсационное напряжение Uq максимальной амплитуды при изменении значения силы тока в линии от 0 до Imax (рис. 3, a).
2). Режим компенсирующей реактивности, при котором ССПК поддерживает максимальную величину емкостного или индуктивного реактивного сопротивления компенсации (Ximax, Xcmax) при изменении силы тока в линии в диапазоне от 0 до Imax (рис. 3, б).
В этих режимах компенсации реактивной мощности угол межу векторами Uq и I всегда составляет ±90° и, соответственно, реактивная мощность Q отдается или потребляется ССПК. Переток активной мощности отсутствует. Для поддержания постоянного значения напряжения Udc на емкостном накопителе (звене постоянного тока инвертора) и компенсации потерь в ССПК может либо применяться фазовая регулировка вектора ВДН в небольших пределах, как описано выше, либо использоваться маломощный источник питания.
Если к ССПК подключить источник внешнего питания необходимой мощности (рис. 2, а), то появляется возможность регулировать не только амплитуду, но и угол вектора ВДН Uq относительно тока (рис. 3, в) и, тем самым, обеспечить компенсацию сопротивления линии. При этом активная мощность будет потребляться от источника питания ССПК и отдаваться в линию.
Напряжение, формируемое ССПК, регулируется независимо от тока линии, соответственно ССПК может работать как в случае увеличения, так и в случае уменьшения линейных нагрузок. Независимо от того, работает ли ССПК в емкостной или индуктивной области компенсации, для регулируемой линии он является идеальным (с нулевым импедансом) источником напряжения, включенным последовательно с небольшим индуктивным сопротивлением, определяемым индуктивностью рассеяния вольтодобавочного трансформатора.
ССПК является одним из самых мощных FACTS устройств для управления потоками мощности. Несмотря на то, что, как показано выше, ССПК позволяет регулировать напряжение на линии электропередачи за счет изменения эффективного импеданса линии, основным назначением компенсатора такого типа является управление потоком мощности электрической системы.
Выделим основные задачи, решаемые с помощью статического продольного компенсатора реактивной мощности на базе преобразователя напряжения:
- продольная компенсация протяженных линий с целью уменьшения
потерь;
- управление потоками мощности в линиях и предотвращение циркуляции реактивной мощности;
- регулирование напряжения на нагрузке распределительной линии;
- обеспечение статической и динамической устойчивости электрической системы.
Пример практического использования ССПК для управления потоками мощности в линии электропередачи напряжением 220 кВ приведен в [13].
Управление амплитудой вольтодобавочного напряжения ССПК может осуществляется как за счет изменения напряжения емкостного накопителя Udc,
так и за счет использования широтно-импульснои или инои модуляции в инверторе напряжения при фиксированной величине напряжения иэс на звене постоянного тока [14]. Обобщенная функциональная схема ССПК [11] приведена на рис. 4.
Рис. 4. Однолинейная функциональная схема ССПК [11]
Основным силовым блоком ССПК является инвертор напряжения, формирующий из постоянного напряжения звена постоянного тока переменное трехфазное напряжение с регулируемой амплитудой и фазой. Инверторы эксплуатируемых в настоящее время ССПК [11] выполнены по трехуровневой схеме с использованием в качестве ключей запираемых тиристоров GTO. В качестве ключей инвертора также могут использоваться запираемые тиристоры с интегрированным драйвером ЮСТ или ЮБТ модули. Топология построения инвертора также может быть различной — от многоуровневой схемы с использованием традиционных способов коммутации [15], до двухуровневых мостовых схем с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
При проектировании ССПК большое внимание уделяется схемам защиты. Кроме традиционных схем защит от перегрузки по току и от перенапряжений, используемых в полупроводниковых инверторах, в ССПК используются обходные коммутаторы (короткозамыкатели), включенные параллельно низковольтной обмотке ВДТ (рис. 4). При коротком замыкании в линии ток КЗ трансформируется в низковольтную обмотку ВДТ и может повредить инвертор. Для предотвращения такой аварии используются быстродействующие схемы защиты на основе встречно-параллельных тиристоров совместно с более медленными механическими коммутаторами. Высоковольтная обмотка ВДТ
может быть зашунтирована высоковольтным выключателем, что позволяет при необходимости полностью исключить ССПК из системы электропередачи. И электронные и механические защитные обходные схемы могут быть включены независимо. Пример работы защитных устройств ССПК при аварии на линии приведен в [11].
В [16] приведены результаты моделировании работы ССПК для линии электропередачи напряжением 500 кВ. Временные диаграммы, поясняющие работу ССПК в режиме компенсации реактивной мощности, приведены на рисунке 5.
Рис. 5. Временные диаграммы работы ССПК [16] при ступенчатом изменении
реактивной мощности в линии: а — реактивная мощность в нагрузке линии; б — сила постоянного тока емкостного накопителя ССПК; в — сила тока фазы А линии; (г) - вольтодобавочное напряжение фазы А; д — напряжение фазы А линии в точке подключения ССПК
Технология FACTS применительно к сетям среднего класса напряжения в англоязычных источниках обозначается как D-FACTS (Distributed Flexible AC Transmission System — распределительные управляемые системы электропередачи переменного тока). Соответственно, синхронные статические продольные компенсаторы реактивной мощности для распределительных сетей обозначаются как D-SSSC — Distributed Static Synchronous Series Compensator [9, 14, 17]. Принцип действия и структурная схема ССПК для распределительных
сетей среднего класса напряжения аналогичны рассмотренным выше. Разница заключается в номинальной мощности устройства и в методах и алгоритмах управления режимами работы.
В [14] приведены основные схемы построения D-SSSC на базе трехфазных ШИМ-инверторов, выполненных на ЮВТ ключах (рис. 6). Для формирования трехфазного вольтодобавочного напряжения могут применяться как полумостовые, так и мостовые схемы инверторов напряжения, использоваться различные схемы включения обмоток вольтодобавочного трансформатора. Кроме того, схемы (б) и (в) на рис. 6 позволяют использовать однополярную (трехуровневую) ШИМ, что уменьшает динамические потери в ключах инвертора и снижает требования к величине емкости С/ и индуктивности Ь/ синус-фильтров [18]. Синус-фильтры меньшей емкости и индуктивности позволяют увеличить точность и скорость управления выходным напряжением D-SSSC компенсаторов [14].
А а В Ь С с А а В Ь С с
(в)
Рис. 6. Примеры построения схем ССПК (D-SSSC) для распределительных сетей среднего класса напряжения на основе трехфазных инверторов с ШИМ [14]
В некоторых схемах ССПК для распределительных сетей фильтрующие емкости включены параллельно вторичным обмоткам ВДТ, а в качестве индуктивности Ь/ используется индуктивность рассеяния ВДТ [19]. Такое решение, упрощая техническую реализацию ССПК, приводит к увеличению потерь в трансформаторе, что является серьезным недостатком схемы.
Для сетей среднего класса напряжения разрабатываются схемы без ВДТ — с непосредственным включением инвертора ССПК в линию. Так в [20] приведен анализ схемы D-SSSC компенсатора для линии напряжением 20 кВ, выполненного на основе трехуровневого инвертора с использованием в качестве ключей IGBT модулей с рабочим напряжением 6.5 кВ.
Динамический компенсатор искажений напряжения (ДКИН, англ. DVR — Dynamic Voltage Restorer) позволяет защищать потребителей, чувствительных к нарушениям электроснабжения, от кратковременных провалов напряжения и перенапряжений (кратковременными считаются провалы/перенапряжения длительностью от долей секунд до минуты). Кратковременные провалы напряжения линии более распространены и могут быть вызваны авариями на соседних линиях в результате грозы и других природных явлений, а также могут возникать при подключении к линии нагрузок с большими пусковыми токами. Причинами возникновения кратковременных перенапряжений на линии могут быть, в частности, замыкания на землю одной из фаз, приводящие к перенапряжению на других фазах, феррорезонансные перенапряжения, возникающие при подключении линии среднего класса напряжения к трансформаторам ВН/СН [21].
Структура ДКИН приведена на рис. 7. ДКИН является последовательным компенсатором, который формирует на выходе каждой фазы ВДТ вольтодобавочное напряжение с независимо от других фаз регулируемой амплитудой и фазным углом [14, 22]. В общем случае ДКИН способен как генерировать, так или поглощать активную и реактивную мощность. Кроме восстановления амплитуды напряжения на потребителе ДКИН позволяет устранять несимметрию по фазам питающего напряжения, приводить напряжение на потребителе к синусоидальной форме, компенсировать реактивную мощность [23].
Рис. 7. Типовое расположение и структура динамического компенсатора
искажений напряжения: ИНВ — инвертор; НЭ — накопитель энергии; ЦТ — напряжение питающей линии (до ДКИН); и^ — напряжение на потребителе; ис — вольтодобавочное напряжение, формируемое ДКИН, ^ ап<1 18 — токи нагрузки и линии; Рс — активная мощность, поглощаемая или генерируемая ДКИН
При восстановлении напряжения на нагрузке ДКИН могут использовать различные способы введения вектора вольтодобавочного напряжения или, другими словами, различные методы компенсации провалов/перенапряжений. Используемый метод зависит от номинальной мощности ДКИН, параметров нагрузки и типа искажения напряжения.
Существует 4 метода компенсации [14, 24]:
1. Метод компенсации «как было до искажения» (англ. «Pre-sag»). Напряжение на нагрузке после восстановления UL имеет ту же фазу, что напряжение Ul до просадки/ перенапряжения;
2. Метод синфазной «In-phase» компенсации, при котором вольтодобавочное напряжение Uc вводится в фазе с напряжением питающей линии Ut;
3. Метод фазового сдвига, при котором вектор ВДН всегда ортогонален вектору тока питающей линии, то есть для компенсации используется реактивная мощность.
4. Метод минимальной активной мощности или метод оптимизации энергии «Energy optimization». Стратегия этого метода состоит в том, чтобы компенсировать провал напряжения, максимально используя реактивную мощность. Или, другими словами, величина фазового угол а вектора напряжения на нагрузке после компенсации UL определяется требованиями: Pc=0 или dPa/da=0.
Векторные диаграммы, поясняющие различные методы компенсации, приведены на рис. 8. Пунктирными линиями обозначены вектора до компенсации, сплошными линиями и символами со штрихом — после.
Метод компенсации «как было до искажения» требует большой амплитуды вольтодобавочного вектора (рис. 8, а) и, соответственно, большой активной мощности, которую можно получить либо от накопителя энергии большой емкости, либо от сетевого источника питания. Поэтому этот метод применяется только в тех случаях, когда нагрузка чувствительна к изменениям фазового угла напряжения питания (например, некоторые тиристорные преобразователи, синхронизированные с сетью). Если нагрузка не чувствительна к изменениям фазового угла напряжения питания, то наиболее часто используется «синфазный» метод (рис. 8, б). Основным преимуществом такого решения является то, что амплитуда ВДН минимальна. Кроме того, применение «синфазного» метода уменьшает требуемую активную мощность, но не сводит ее к минимуму.
Недостатком метода фазового сдвига (рис. 8, в) является то, что фаза напряжения на нагрузке в процессе компенсации непрерывно изменяется. Кроме того, при значительных провалах напряжения, реактивной мощности может не хватить для полной компенсации амплитуды напряжения на нагрузке [24].
Когда величина необходимой для компенсации активной мощности ограничена емкостью накопителя энергии, применяют также метод минимальной активной мощности (рис 8, г.). У этого метода есть два различных алгоритма регулирования: если при провале напряжения амплитуда напряжения линии UT не падает ниже значения U'l costyL, где cos^L — коэффициент мощности нагрузки, то выбором необходимого угла a=aopt можно восстановить напряжение на нагрузке без потребления активной мощности. Если же Ut <U'l costyL, то угол a=aopt определяется так, чтобы выполнялось соотношение dP<C/da=0. При этом потребляется минимальная активная мощность. Для оптимального регулирования эти два алгоритма могут совмещаться [14].
Ч Ь
Рис. 8. Векторные диаграммы, поясняющие различные методы компенсации,
применяемые в ДКИН
Структурные схемы ДКИН с накопителем энергии и с питанием от сети приведены на рис. 9. Структура ДКИН аналогична структуре ССПК и D-SSSC, но рассмотренные ранее устройства являются статическими компенсаторами и не требуют значительного быстродействия. Так, из временных диаграмм на рис. 5 видно, что время переходного процесса при смене режима ССПК (время регулирования) занимает несколько периодов частоты сети. Динамический компенсатор должен обеспечить значительно более короткий интервал регулирования при возмущении (менее 1/4 периода сетевого напряжения), поэтому в схеме ДКИН применяются ШИМ-инверторы на основе ЮБТ или ЮСТ [7].
Если необходимо компенсировать провалы напряжения до уровня 50-60 % от номинального значения и небольшой длительности, то ДКИН может быть выполнен по схеме с емкостным накопителем, который одновременно является звеном постоянного тока инвертора (рис. 9, а). При ожидаемых более длительных провалах напряжения можно использовать схему (рис. 9, б), в которой используется отдельный низковольтный накопитель энергии большой емкости. В этом случае в состав ДКИН входит двунаправленный (реверсивный) преобразователь напряжения, который позволяет как заряжать накопитель энергии при нахождении ДКИН в дежурном режиме, так и преобразовывать
накопленный заряд для поддержания необходимого уровня напряжения на звене постоянного тока инвертора при компенсации провалов и в других режимах работы ДКИН [14].
Необходимо отметить, что в режиме компенсации коротких перенапряжений ДКИН потребляет активную мощность от сети, что приводит к росту напряжения на звене постоянного тока. Если до перехода в режим компенсации ДКИН находился в дежурном режиме с заряженным до номинального напряжения накопителем энергии, то напряжение на звене постоянного тока может превысить предельно допустимое и привести к аварии. Соответственно, ДКИН должен иметь систему защиты от перенапряжений на звене постоянного тока. Для работы в режиме компенсации коротких перенапряжений на линии схема с дополнительным источником энергии большой емкости (рис. 9, б) является предпочтительной.
Пример упрощенной функциональной схемы ДКИН с накопителем энергии [25] приведен на рис. 9, в. Следует отметить, что в большинстве случаев для отключения ДКИН от сети используется приведенная на рисунке обходная схема на основе трех коммутаторов.
Рис. 9. Схемы ДКИН с внутренним накопителем энергии [14, 25]
Функциональная схема ДКИН без накопителя энергии [7] приведена на рис. 10. В качестве внешнего источника питания используется диодный выпрямитель, подключенный к питающему трансформатору. Такое решение является экономически боле выгодным и позволяет компенсировать провалы напряжения значительной длительности.
Рис. 10. Функциональная схема ДКИН с внешним питанием (фильтрующие цепи не показаны) [7]
ДКИН позволяет регулировать амплитуду и угол вектора вольтодобавочного напряжения. Несмотря на то, что при компенсации коротких перенапряжений и при заряде накопителя энергии (для устройств без внешнего источника питания) ДКИН потребляет активную мощность от сети, основная рабочая область изменения вектора вольтодобавочного напряжения соответствует приведенной на рисунке 3, в.
Временные диаграммы, поясняющие работу ДКИН при различных режимах компенсации, приведены на рис. 11. При компенсации искаженного напряжения с дисбалансом амплитуд по фазам длительность выхода системы на установившийся режим составляет несколько периодов [8], тогда как при компенсации кратковременного (0.1 с) перенапряжения время регулирования составляет 10 мс [25].
Если в схему рассмотренного ранее синхронного статического продольного компенсатора реактивной мощности (ССПК) на базе преобразователя напряжения (ИНВ 2 на рис. 11) добавить второй преобразователь напряжения (ИНВ 1 на рис. 11), связанный с первым через звено постоянного тока и работающий на параллельный трансформатор (ПТ), соединенный с питающей линией, то получится схема объединенного (параллельно-последовательного) регулятора потоков мощности (ОРПМ).
Рис. 11. Примеры временных диаграмм, поясняющих работу ДКИН в различных режимах — при восстановлении формы напряжения (а) и компенсации выброса напряжения (б): Ш, 1л — напряжение и ток линии; Щ: — напряжение на нагрузке; Ивд — вольтодобавочное напряжение [8, 25]
Рис. 12. Структурная схема ОРПМ (а), векторная (б) и P-Q (в) диаграммы, поясняюще принцип его работы: ПТ — параллельный (питающий трансформатор; ВДТ — последовательный вольтодобавочный трансформатор; ИНВ1,2 — ШИМ-инверторы ПТ и ВДТ
На рисунке 12 приведены схема и диаграммы, поясняющие принцип работы объединенного (параллельно-последовательного) регулятора потоков мощности на основе преобразователей напряжения параллельного и последовательного включения, объединённых по цепям постоянного тока (англ. Unified Power Flow Controller (UPFC)), на примере ОРПМ, подключенного к транзитной (магистральной) ЛЭП [2, 14, 26].
ОРПМ является самым функциональным из FACTS устройств. Он позволяет регулировать как амплитуду вектора вольтодобавочного напряжения ивд, так и его угол ф — от 0 до 360° (см. рис. 12, б). При работе в секторе I и II P-Q диаграммы (рис. 12, в) ОРПМ отдает в линию через ВДТ активную мощность, потребляя ее от ПТ. В секторах III, IV ОРПН потребляет активную мощность через ВДТ и отдает ее через ИНВ 1 и ПТ в питающую линию.
Управление потоками мощности осуществляется за счет формирования с помощью вольтодобавочного напряжения f/вд, вектор которого сдвинут относительно вектора напряжения U¡ на угол ф, вектора напряжения в начале линии электропередачи U2. Регулируя амплитуду и фазовый угол ф вектора вольтодобавочного напряжения можно изменять соотношение амплитуд напряжений в начале U2 и в конце U3 линии, а также угол ё между ними (рис. 12, а, б). Тем самым можно осуществлять управление потоками активной P и реактивной Q мощности, передаваемой по линии, в соответствии с выражениями:
_ U х U х sin S
X
ti а
Q =
U2 (U2 - U3 х cos S)
X
где X — реактивное сопротивление ЛЭП [26].
Векторные диаграммы, поясняющие различные режимы регулирования вольтодобавочного напряжения, которые могут использоваться в ОРПМ, приведены на рисунке 13. Можно выделить четыре режима регулирования [2, 27]: режим регулирования амплитуды напряжения (рис. 13, а), когда вектор ВДН AU формируется в фазе с напряжением линии; режим реактивной компенсации (рис. 13, б), при котором вектор вольтодобавки ±Uc ортогонален току линии I; режим фазового сдвига, при котором вектор ВДН ±Цг сдвигает вектор напряжения линии на угол ±о (рис. 13, в) и режим одновременного управления напряжением, импедансом и углом [2], при котором вектор ВДН ивд может иметь произвольное направление и амплитуду (рис. 13, г). Четвертый режим регулирования вектора вольтодобавочного напряжения возможен только в ОРПМ и не может быть выполнен никаким другим FACTS устройством.
Таким образом, ОРПМ позволяет управлять потоками активной и реактивной мощности, ограничивать токовые перегрузки ЛЭП, увеличивать пропускную способность линии и статическую и динамическую устойчивость сети.
Пример функциональной схемы ОРПН приведен на рисунке 14 [7].
Рис. 13. Векторные диаграммы, иллюстрирующие различные режимы регулирования, используемые в ОРПН: режим регулирования напряжения (а), режим компенсации реактивного сопротивления линии (б), режим фазового сдвига (в) и совмещенный режим (г) [2, 27]
Рис. 14. Функциональная схема ОРПН (фильтрующие цепи не показаны) [7]
ОРПМ является статическим устройством. Применительно к сетям среднего класса напряжения существет динамическое FACTS устройство, построенное по схеме ОРПМ, но более быстродействующие. Такое устройство FACTS называется Unified Power Quality Conditioner (UPQC) — объединенный (параллельно-последовательный) кондиционер качества электроэнергии [7, 28]. В отечественных источниках сокращенного обозначения такого устройства не встречается, поэтому будем использовать аббревиатуру UPQC.
UPQC (рис. 15) выполняет две основные функции:
- обеспечивает потребителей, требовательных к качеству электроэнергии, напряжением высокого качества — без провалов и перенапряжений, без дисбаланса по фазам, без высших гармоник и т.д.;
- с точки зрения питающей сети, UPQC позволяет компенсировать реактивную мощность, потребляемую нагрузкой и обеспечить синусоидальность тока в точке PPC (рис. 15) при наличии потребителя, который вносит искажения в сеть (нелинейный потребитель).
Другими словами UPQC является универсальным устройством, которое позволяет обеспечивать все функции по улучшению качества электроэнергии, как для потребителя, так и для сети.
Рис. 15. Однолинейная структурная схема UPQC: PPC — точка общей связи (point of common coupling); ВДТ — вольтодобавочный трансформатор; ПТ — параллельный трансформатор
Подытоживая обзор современных FACTS устройств управления вектором вольтодобавочного напряжения, можно отметить, что в распределительных сетях среднего класса напряжения находят применение FACTS устройства, аналогичные используемым в высоковольтных магистральных сетях транзита электроэнергии. Основное назначение таких устройств — повышение пропускной способности линий электропередачи, обеспечение требуемого распределения потоков мощности и снижение потерь в электрической сети, обеспечение устойчивой работы сети при различных возмущениях. К таким устройствам можно отнести синхронный статический продольный компенсатор реактивной мощности на базе преобразователя напряжения (ССПК — SSSC) и объединенный (параллельно-последовательный) регулятор потоков мощности (ОРПМ — UPFC).
В тоже время в электрических сетях среднего класса напряжения используются специализированные FACTS устройства для распределительных сетей (DFACTS устройства), предназначенные главным образом для повышения качества и надежности электроснабжения потребителей. Основное назначение DFACTS устройств — компенсация коротких провалов/перенапряжений в сети,
компенсация различных искажений напряжения сети, компенсация высших гармоник напряжения, стабилизация напряжения и повышение динамической устойчивости ответственной нагрузки. Кроме того, DFACTS устройства позволяют компенсировать реактивную мощность, потребляемую нагрузкой. К DFACTS устройствам можно отнести динамический компенсатор искажений напряжения (ДКИН — DVR) и объединенный (параллельно-последовательный) кондиционер электроэнергии (UPQC).
Литература
1. Bemd M. Buchholz, Zbigniew A. Styczynski. Smart Grids — Fundamentals and Technologies in Electricity Networks. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014. 396 p.
2. Narain G. Hingorani, Laszlo Gyugyi Understanding FACTS: Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems, Wiley-IEEE Press. 1999. 429p.
3. Мартыненко В., Мускатиньев В., Чибиркин В., Елисеев В. Современная отечественная элементная база для силовой преобразовательной техники // Силовая электроника. 2005. № 3. С. 13-15.
4. Ланцов В., Эраносян С. Электронная компонентная база силовых устройств. Часть 3 // Силовая электроника. 2010. № 25. С. 8-14.
5. Рогачев К. Д. Современные силовые запираемые тиристоры // Привод и управление. 2002. № 2. С. 6-11.
6. Крылов Е. Современные запираемые тиристоры // Компоненты и технологии. 2000. № 6. С. 34-36.
7. The Electric Power Engineering Handbook 3rd Edition/Edited by Leonard L. Grigsby. CRC Press - 2012. 3036 p.
8. Padiyar K. R. FACTS Controllers in Power Transmission and Distribution, New Delhi: New Age International, 2007. 549 p.
9. R. de Graaff Flexible distribution systems through the application of multi back-to-back converters: Concept, implementation and experimental verification / PhD dissertation, Eindhoven University of Technology, 2010. Distributed.
10. Edris A. A. (Convener), Chow J., Watanabe E. et al. //Static synchronous series compensator (SSSC). CIGRE Working Group B4-40, Technical Brochure no. 371, January 2008
11. Advanced solutions in power systems: HVDC, FACTS, and Artificial Intelligence / Edited by Mircea Eremia, Chen-Ching Liu, Abdel-Aty Edris Piscataway, NJ: IEEE Press, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2016. 1042 p.
12. Sen K.K. SSSC - Static Synchronous Series Compensator: Theory, Modelling and Applications, IEEE Trans. Power Delivery. 1998. Vol. 13. No.1. pp. 241-246.
13. Alvira D., Torre M., Bola J. et al. The use of a static synchronous series compensator (SSSC) for power flow control in the 220 kV Spanish transmission network. CIGRE 2010, paper B4-107, Paris, 2010.
14. Strzelecki R., Benysek G. Power electronics in smart electrical energy networks. In Power Systems / Power Systems. Vol. 34. Springer. 2008. 416 p.
15. Донской Н. В., Иванов А. Г., Матисон В. А., Ушаков И. И. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики //Силовая электроника 2008. № 1. C.4-7.
16. Ajami A., Armaghan M. Modeling and state feedback controller of SSSC based current source converter // IEEE/ICCEE Vol.1. pp. 358-362. 2009.
17. Erwan L., Seddik B., Raphael C., Joel G. Active and reactive power flow control based on D-SSSC for looped and meshed distribution grids // 19th International Conference on Electricity Distribution, CIRED, 2007. pp. 21-24.
18. Барегамян Г., Маргарян В. Выбор параметров LC-фильтра инвертора с широтно-импульсной модуляцией и синусоидальным выходным напряжением // Силовая электроника. 2011. № 29. С. 50-56.
19. Chengshan W., Wu J., Ekanayake J. and Jenkins N. Smart electricity distribution networks, CRC Press, 2017. 440 p.
20. Saradarzadeh M., Farhangi S., Schanen J.L. et al. Combination of power flow controller and short-circuit limiter in distribution electrical network using a cascaded H-bridge distribution-static synchronous series compensator // IET Gener. Transm. Distrib. Vol. 6. Iss. 11. pp. 1121-1131.
21. Sedaghati R., Afroozi N. M., Nemati Y. et al. A survey of voltage sags and voltage swells phenomena in power quality problems // International Journal of Scientific Research and Management. 2013. Vol. 1. No. 9. pp. 458-462.
22. Fitzer C., Arulampalam A., Barnes M., Zurowski R.. Mitigation of saturation in dynamic voltage restorer connection transformers. IEEE Transactions on Power Electronics. 2002 Nov.17(6). pp1058-1066.
23. Пупин В. М. Устройства защиты от провалов напряжения. М.: Энергопрогресс: Энергетик, 2011. 100 с.
24. Ital A. V., Borakhade S. A., Compensation of voltage sags and swells by using dynamic voltage restorer (DVR) / 2016 International Conference on Electrical Electronics and Optimization Techniques (ICEEOT), March 2016. pp. 1515-1519.
25. Tien D. V., Gono R., Leonowicz Z. Multifunctional dynamic voltage restorer for power quality improvement. Preprints 2018, 2018020189.
26. Mailah Nashiren F., Bashi Senan M. Single Phase Unified Power Flow Controller (UPFC): Simulation and Construction // European Journal of Scientific Research. 2009. Vol. 30 Issue 4. pp. 677-684.
27. Enrique Acha, Claudio R. Fuerte-Esquivel, Hugo Ambriz-Pérez and César Angeles-Camacho1 FACTS: Modelling and Simulation in Power Networks. John Wiley & Sons, 2004. 422 p.
28. Sanjib G. Impact of Unified Power-Quality Conditioner Allocation on Line Loading, Losses, and Voltage Stability of Radial Distribution Systems./ IEEE Transactions on Power Delivery 29(4). pp. 1859-1867.
Сведения об авторах
Колобов Виталий Валентинович,
ведущий научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера
КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
Эл. почта: [email protected]
Баранник Максим Борисович,
научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
Эл .почта: [email protected]
