Одним из основных параметров электроэнергетического режима, на основании анализа которого осуществляется проверка выполнения требований к устойчивости энергосистем, мониторинг и регулирование которого выполняются при оперативном управлении электроэнергетическим режимом работы энергосистем, является напряжение на шинах объектов электроэнергетики.
Как частота электрического тока характеризует баланс активной мощности в энергосистеме, уровень напряжения в узлах электрической сети характеризует баланс реактивной мощности. В отличие от перетоков активной мощности, распределение реактивной мощности в энергосистеме имеет локальный характер, определяется режимом работы локальных энергорайонов и энергоузлов. С этой особенностью изменения напряжения в энергосистеме связаны многие принципы работы средств регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности, а также общие принципы регулирования напряжения в электрических сетях.
Являясь характеристикой баланса реактивной мощности в энергосистеме, уровень напряжения свидетельствует о наличии избытка или дефицита реактивной мощности. При избытке реактивной мощности, режим работы энергосистемы будет сбалансированным по реактивной мощности при повышенном уровне напряжения. Напротив, при недостатке реактивной мощности баланс реактивной мощности обеспечивается при сниженных уровнях напряжения на шинах объектов электроэнергетики.
Как и для любого параметра электроэнергетического режима, для напряжения устанавливаются допустимые значения. Данные значения устанавливаются как для пониженных, так и для повышенных уровней напряжения, определяя пределы допустимого снижения и повышения напряжения соответственно. Особенностью установления допустимых уровней напряжения, в отличие от, например, допустимых перетоков активной мощности в контролируемых сечениях, является не одно, а несколько значений допустимых напряжений, при достижении которых должны реализовываться те или иные действия или которые допустимы в течение определенного времени.
Базовым значением, относительно которого определяются многие допустимые уровни напряжения, является номинальное напряжение электрической сети, т.е. напряжение, на которое спроектирована электрическая сеть.
Для обеспечения допустимых уровней напряжения на шинах объектов электроэнергетики, в энергосистемах осуществляется регулирования напряжения.
Уровни напряжения в узлах электрической сети, как уже упоминалось ранее, определяются балансом реактивной мощности, который, как правило, имеет локальный характер. Поэтому наиболее эффективное регулирование напряжение достигается за счет использования технических возможностей и регулировочного диапазона установленных на объектах электроэнергетики устройств регулирования напряжения и перетоков реактивной мощности (далее – УКРМ).
Рассмотрим основные УКРМ, применяемые в ЕЭС России.
Генерирующее оборудование электрических станций
Генерирующее оборудование электростанций – это основное средство регулирования напряжения в энергосистемах. Регулирование осуществляется изменением напряжения на шинах генератора и режима его работы по реактивной мощности.
Возможности генерирующего оборудования в части регулирования напряжения определяются P-Q-диаграммой, характеризующей зависимость максимальной и минимальной реактивной мощности от выдаваемой генератором активной мощности.
Как правило, генерирующее оборудование электростанций работает в режиме выдачи реактивной мощности. Для регулирования напряжения выполняется увеличение или снижение реактивной мощности. В ряде случаев требуется перевод генерирующего оборудования в режим потребления реактивной мощности (так называемый режим «недовозбуждения»). В таком режиме может наблюдаться повышенный нагрев торцевых пакетов ярма статора и лобовых частей обмоток статора, негативно сказывающийся на техническом состоянии электрической машины. Поэтому допустимость работы генерирующего оборудования в режиме недовозбуждения определяется по результатам специальных тепловых испытаний. Как правило, диапазон регулирования реактивной мощности в режиме недовозбуждения значительно ограничен по сравнению с режимом выдачи реактивной мощности.
Особый класс генерирующего оборудования, в том числе в части регулирования напряжения, составляют асинхронизированные генераторы. Эти генераторы имеют не одну, а две (продольную и поперечную) обмотки возбуждения. Независимое управление возбуждением в продольной и поперечной обмотке возбуждения генератора позволяет расширить область его устойчивой работы. Кроме того, асинхронизированные генераторы обладают увеличенным диапазоном регулирования реактивной мощности в режиме потребления. Следует отметить, что возможность работы в режиме глубокого потребления реактивной мощности в первую очередь связана с усиленной конструкцией статора и лишь в некоторой степени – с наличием двух обмоток возбуждения с независимым управлением, позволяющим обеспечить устойчивость асинхронизированной машины в режимах недовозбуждения.
Основными достоинствами регулирования напряжения посредством генерирующего оборудования электростанций являются:
- значительный объем резервов реактивной мощности (как на выдачу, так и на потребление реактивной мощности);
- территориальная распределенность размещения объектов генерации;
- обеспечение плавного регулирования напряжения.
На основании информации о допустимых режимах работы генерирующего оборудования по реактивной мощности и расчетной эффективности влияния реактивной мощности генераторов на изменение напряжения, диспетчерский персонал определяет объекты электроэнергетики и объем управления при регулировании напряжения.
Шунтирующие реакторы
Эффективным средством регулирования напряжения в электрической сети также являются неуправляемые и управляемые шунтирующие реакторы.
Неуправляемые шунтирующие реакторы подключаются к шинам объектов электроэнергетики или к ЛЭП посредством коммутационных аппаратов (выключателей и/или разъединителей) и обеспечивают потребление реактивной мощности в соответствии со своими техническими характеристиками.
Потребление реактивной мощности шунтирующим реактором определяется по формуле:
Qшр=Bшр•U^2, где
Qшр – реактивная мощность, потребляемая шунтирующим реактором (Мвар);
Bшр – индуктивная проводимость шунтирующего реактора (мкСм);
U – напряжение в месте подключения шунтирующего реактора (кВ).
Ввиду отсутствия возможности плавного управления мощностью неуправляемого ШР, регулирование напряжения осуществляется посредством изменения его эксплуатационного состояния (включен/отключен). При подключении неуправляемого ШР к электрической сети через выключатель, изменение эксплуатационного состояния ШР выполняется включением или отключением выключателя реактора. Если неуправляемый ШР подключен к электрической сети через разъединитель, изменение эксплуатационного состояния ШР требует кратковременного отключения иного оборудования (ЛЭП, системы (секции) шин), что может быть связано с необходимостью дополнительных ограничений режима работы энергосистемы.
✅К положительным сторонам регулирования напряжения с помощью неуправляемого ШР следует отнести положительный регулирующий эффект по напряжению. При повышении напряжения в электрической сети, в соответствии с приведенной ранее формулой, увеличивается потребляемая неуправляемым ШР реактивная мощность. Увеличение потребления реактивной мощности, в свою очередь, приводит к снижению напряжения в электрической сети. Таким образом, шунтирующие реакторы, даже неуправляемые, в силу физических свойств, обеспечивают стабилизацию напряжения в месте своего подключения.
❌К недостаткам регулирования напряжения с помощью неуправляемых ШР следует отнести отсутствие возможности плавного регулирования напряжения и необходимость выполнения операций с коммутационным оборудованием, что может требовать дополнительной подготовки режима на время переключений.
Управляемые шунтирующие реакторы, в отличие от неуправляемых ШР, обладают возможностью плавного регулирования напряжения. Плавное регулирование напряжения может достигаться применением различных технических решений. В соответствии с ними управляемые шунтирующие реакторы можно разделить на два основных типа:
– УШР трансформаторного типа;
– УШР с подмагничиванием.
В УШР трансформаторного типа изменение реактивной мощности реактора
достигается посредством регулирования проходящего через реактор тока. Для этого используется специальные тиристорные блоки, обеспечивающие быстрое изменение тока в соответствии с заданным законом управления или внешней командой.
В УШР с подмагничиванием для изменения реактивной мощности реактора используется подмагничивание магнитопровода реактора выпрямленным током. При подмагничивании стрежни магнитопровода насыщаются и сопротивление магнитному потоку резко возрастает. Как следствие, значительно возрастает ток для поддержания неизменным магнитного потока, определяемого напряжением в месте подключения шунтирующего реактора.
По сравнению с УШР трансформаторного типа, УШР с подмагничиванием обладает двумя основными недостатками:
–увеличенными потерями активной мощности из-за насыщения стали магнитопровода;
– большая инерционность и, как следствие, меньшая скорость изменения реактивной мощности.
Батареи статических конденсаторов
Батареи статических конденсаторов предназначены для выдачи реактивной мощности в электрическую сеть. Как правило, БСК подключаются к шинам 6-10 кВ подстанций и используются для компенсации реактивной мощности потребителей. Подключение БСК (источника реактивной мощности) в непосредственной близости от нагрузки (потребителя реактивной мощности) позволяет избежать дополнительной загрузки распределительной электрической сети перетоками реактивной мощности. Выполняемая таким образом компенсация реактивной мощности нагрузки обеспечивает снижение потерь активной мощности в электрической сети и повышение напряжения на шинах подключения БСК.
Конструктивно БСК представляет собой совокупность последовательно- параллельно соединенных единичных конденсаторов. Количество последовательно соединенных конденсаторов определяет напряжение конденсаторной установки, а количество параллельных ветвей БСК – ее номинальную мощность.
❌С точки зрения регулирования напряжения, БСК обладают двумя недостатками:
1. Отрицательный регулирующий эффект по напряжению. При снижении напряжения на шинах, к которым подключена БСК, пропорционально квадрату напряжения будет снижаться и генерируемая БСК реактивная мощность. Снижение выдаваемой реактивной мощности приведет к дополнительному снижению напряжения в точке подключения БСК. Таким образом, БСК не обладает эффектом стабилизации напряжения при его внезапном изменении.
2. Невозможность плавного регулирования реактивной мощности. Для БСК характерно только дискретное изменение выдаваемой реактивной мощности. Однако, в отличие от неуправляемого ШР, это дискретное изменение может достигаться не только включением (отключением) БСК в целом. При реализации определенных технических решений, может быть выполнено отключение отдельных параллельных ветвей БСК, что позволяет выполнять ступенчатое изменение мощности данного устройства.
Синхронные и асинхронизированные компенсаторы
Принцип регулирования напряжения и реактивной мощности синхронными компенсаторами аналогичен регулированию, осуществляемому генерирующим оборудованием электростанций.
Фактически синхронный компенсатор представляет собой вращающуюся электрическую машину, предназначенную для производства только реактивной мощности. Изменение напряжения на шинах, к которым подключен СК, достигается изменением уставки автоматического регулятора возбуждения по напряжению. Следствием этого является изменение выдаваемой (или потребляемой) синхронным компенсатором реактивной мощности.
Ограниченное применение синхронных компенсаторов в ЕЭС России обусловлено следующим. Как правило, устройства компенсации реактивной мощности требуется устанавливать на подстанциях, поскольку на электростанциях регулирование напряжения эффективно выполняется генерирующим оборудованием. На подстанциях, при их типовой конструкции и компоновке, размещение вращающихся электрических машин с комплексом вспомогательного оборудования затруднительно. Кроме того, эксплуатация электрических машин требует дополнительных знаний и навыков, отсутствующих у оперативного персонала подстанций. Поэтому в условиях возможности выполнить компенсацию реактивной мощности иными средствами (ШР. БСК, СТК), обоснование необходимости установки на подстанциях СК как правило затруднительно.
Асинхронизированные синхронные компенсаторы, как и асинхронизированные генераторы, отличаются от обычных СК наличием двух обмоток возбуждения на роторе, что повышает уровень их динамической устойчивости.
Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности
Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (СТК) – это статические устройства, обеспечивающие выдачу и/или потребление реактивной мощности. В части регулирования напряжения СТК обладают практически всеми достоинствами вращающихся электрических машин, при этом не требуют установки на подстанциях специфичного для электрических машин оборудования.
Простейший СТК представляет собой комплекс из неуправляемой (или управляемой дискретно) БСК и включенным параллельно с ней УШР. Соотношение между мощностью УШР и БСК определяет базовые свойства СТК.
При равенстве мощности УШР и нерегулируемой БСК, СТК будет обеспечивать плавную выдачу реактивной мощности от 0 Мвар (при полном потреблении реактивной мощности УШР) до мощности, равной мощности БСК (при отсутствии потребления УШР реактивной мощности). Потребление реактивной мощности СТК будет возможно только при отключении БСК.
Если мощность УШР будет превышать мощность БСК или в СТК будет использоваться дискретно регулируемая БСК, такой СТК будет обеспечивать как выдачу, так и потребление реактивной мощности.
Быстродействие регулирования реактивной мощности СТК будет определяться быстродействием системы регулирования УШР.
Статический компенсатор реактивной мощности
Статический компенсатор реактивной мощности (СТАТКОМ) обеспечивает быстродействующее плавное регулирование реактивной мощности за счет использования современной преобразовательной техники.
По сравнению с другими компенсаторами реактивной мощности (например, СТК), СТАТКОМ обладает лучшими динамическими характеристиками за счет возможности поддержания номинальной реактивной мощности даже при низком напряжении в точке своего подключения.
Следует отметить, что устройство СТАТКОМ в большинстве случаев не используется только в качестве устройства для регулирования напряжения (в первую очередь из-за высокой стоимости устройства и наличия иных средств компенсации реактивной мощности, эффективно решающих задачу регулирования напряжения). Как правило, СТАТКОМ является базой для создания более сложного устройства – вставки постоянного тока на преобразователях напряжения, представляющей собой два включенных встречно- параллельно устройства СТАТКОМ.
Регулирование коэффициента трансформации трансформаторного оборудования
Эффективным способом регулирования напряжения в электрических сетях является изменение коэффициента трансформации трансформаторов (автотрансформаторов), выполняемое посредством изменения положения устройства РПН или ПБВ.
Для регулирования напряжения на шинах 6-10 кВ подстанций распределительной электрической сети часто используется изменение коэффициента трансформации понижающих питающих двухобмоточных например, 110/10 кВ) или трехобмоточных (например, 110/35/10 кВ) трансформаторов. Посредством такого регулирования достигается необходимое изменение (повышение или снижение) напряжения на шинах низкого напряжения подстанции при практически неизменном напряжении на шинах высокого напряжения.
Для регулирования напряжения в системообразующей и транзитной электрической сети применяется изменение положения РПН автотрансформаторов (например, 500/220/10 кВ). Поскольку устройство РПН в таких автотрансформаторах установлено в нейтрали, при этом изменяется соотношение напряжений между обмотками высокого и среднего напряжения подстанции. Следствием такого регулирования является разнонаправленное изменение напряжения. Например, при изменении положения РПН для снижения напряжения на шинах 220 кВ подстанции, одновременно будет увеличиваться напряжение на шинах 500 кВ. Поэтому при изменении коэффициента трансформации автотрансформаторов, необходимо оценивать его допустимость при фактическом режиме работы энергосистемы.
Еще один способ регулирования (а именно, снижения) напряжения в электрической сети заключается в использовании различных коэффициентов трансформации на параллельно работающих трансформаторах на одном объекте электроэнергетики. При таком, несогласованном, изменении положения РПН, между трансформаторами возникает уравнительный переток реактивной мощности, создающий потери напряжения, следствием чего является дополнительное снижение напряжения в электрической сети. Применение данного способа регулирования напряжения ограничено необходимостью обеспечения селективности и чувствительности устройств релейной защиты. Кроме того, уравнительные перетоки реактивной мощности вызывают дополнительные потери активной мощности в трансформаторном оборудовании.