CC BY
26
Оригинальная статья / Original article УДК 621.3
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-5-115-121
ГИБКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА СЕВЕРО-ВОСТОКЕ РОССИИ
© Г.И. Давыдов1, А.М. Хоютанов2, П.Ф. Васильев3, В.П. Кобылин4
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, 677980, Российская Федерация, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Для обеспечения надежности и экономичности электроснабжения с максимальным использованием преимуществ централизованного электроснабжения необходимо расширять зону влияния электроэнергетической системы Республики Саха (Якутия). Для этого наравне с широкомасштабной интеграцией солнечных и ветровых электростанций следует реализовать задачи транспорта электрической энергии применительно к северо-востоку России на базе гибких систем передачи электроэнергии с применением тиристорного стабилизатора напряжения. МЕТОДЫ. Транспорт электроэнергии переменного тока на сверхдальние расстояния возможен путем компенсированной либо полуволновой (настроенной на полуволну) электропередачи. РЕЗУЛЬТАТЫ. Для передачи электроэнергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния предпочтение следует отдать полуволновым электропередачам, поскольку они по условию устойчивости не требуют дополнительных затрат на компенсацию реактивной мощности и при этом обладают повышенной пропускной способностью. Однако целесообразность настройки на полуволну возникает при длине линии 1500 км и более. Линию, длина которой меньше 1500 км, целесообразно привести к линии «нулевой длины». Реактивное сопротивление линии, протяженность которой меньше граничной длины, то есть меньше 1500 км, предлагается компенсировать и привести к линии «нулевой длины» для повышения пропускной способности и стабилизации режима напряжения вдоль линии с помощью тиристорного стабилизатора параметров, разработанного в Институте физико -технических проблем Севера им. В.П. Ларионова. ВЫВОДЫ. В будущем электроэнергетическая система должна быть гибкой, надежной, экономически эффективной и экологически безопасной. Такую комбинацию задач можно решить с помощью интеллектуальных технологий, и в данном контексте значимость гибких систем передачи электрической энергии переменным током (Flexible Alternation Current Transmission System - FACTS) будет все больше возрастать при развитии электроэнергетических систем.
Ключевые слова: Арктика, гибкие системы, тиристорный стабилизатор параметров, FACTS, «нулевая» длина, компенсированные линии.
Информация о статье. Дата поступления 19 марта 2018 г.; дата принятия к печати 18 мая 2018 г.; дата онлайн-размещения 31 мая 2018 г.
Формат цитирования. Давыдов Г.И., Хоютанов А.М., Васильев П.Ф., Кобылин В.П. Гибкие системы передачи электрической энергии на северо-востоке России // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 5. С. 115-121. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-5-115-121.
1
Давыдов Геннадий Иванович, младший научный сотрудник отдела электроэнергетики, e-mail: [email protected]
Gennadiy I. Davydov, Junior researcher of the Department of Electrical Power Engineering, e-mail: [email protected]
2Хоютанов Александр Михайлович, ведущий инженер отдела электроэнергетики, e-mail: [email protected] Alexander M. Khoiutanov, Leading Engineer of the Department of Electrical Power Engineering, e-mail: [email protected]
2Васильев Павел Филиппович, кандидат технических наук, заведующий отделом электроэнергетики, e-mail: [email protected]
Pavel F. Vasilyev, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Electrical Power Engineering, e-mail: [email protected]
2Кобылин Виталий Петрович, доктор технических наук, ведущий научный отдела электроэнергетики, e-mail: [email protected]
Vitaly P. Kobylin, Doctor of technical sciences, Leading Researcher of the Department of Electrical Power Engineering, e-mail: [email protected]
FLEXIBLE ELECTRIC ENERGY TRANSMISSION SYSTEMS IN THE NORTH-EAST OF RUSSIA
G.I. Davydov, A.M. Khoiutanov, P.F. Vasilyev, V.P. Kobylin
Larionov Institute of the Physical and Technical Problems of the North SB RAS, 1, Oktyabrskaya St., Yakutsk, Republic of Sakha (Yakutia), 677980, Russian Federation
ABSTRACT. PURPOSE. There is the need for expansion of the influence zone of the electric power system of the Republic of Sakha (Yakutia) in order to ensure the reliability and economy of power supply with the maximum use of the advantages of centralized power supply. For this purpose along with the large-scale integration of solar and wind power stations it is necessary to implement the tasks of electric energy transportation as applied to the North-East of Russia on the basis of flexible power transmission systems using a thyristor voltage regulator. METHODS. Long-distance transportation of AC electric power can be performed by compensated or half-wave (tuned to a half-wave) power transmission. RESULTS. Half-wave transmission should be opted for when transmitting AC electric power to long- and super-long distances, since under the condition of stability it does not require additional costs for reactive power compensation while featuring an increased capacity. However, the advisability of tuning to a half-wave occurs when the line length is 1500 km or more. The line, which is shorter than 1500 km should be reduced to the line of «zero length». The reactance of the line whose length is shorter than the boundary length of 1500km is proposed to compensate and reduce to the "zero length" line in order to increase capacity and stabilize the voltage regime along the line using the thyristor stabilizer of parameters developed by the Larionov Institute of the Physical and Technical Problems of the North. CONCLUSION. Future electric power system must be flexible, reliable, cost-effective and environmentally friendly. This combination of tasks can be solved with the help of intelligent technologies. In this context the significance of Flexible Alternative Current Transmission System (FACTS) will increase more and more with the development of electric power systems. Keywords: Arctic, flexible systems, thyristor stabilizer of parameters, FACTS, «zero» length, compen sated lines
Information about the article. Received March 19, 2018; accepted for publication May 18, 2018; available online May 31, 2018.
For citation. Davydov G.I., Khoiutanov A.M., Vasilyev P.F., Kobylin V.P. Flexible electric energy transmission systems in the north-east of Russia. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2018, vol. 22, no. 5, pp. 115-121. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-5-115-121. (In Russian).
Введение
Арктика - особая территория, отличающаяся богатейшими природными ресурсами, хрупкой экосистемой, крайне дискомфортными климатическими условиями для проживания человека. Освоение и разработка месторождений полезных ископаемых в районах Крайнего Севера и Арктики при необходимости сохранения экологического баланса являются важнейшими зада-
чами современности. И сегодня одним из приоритетов внутренней политики нашего государства является развитие арктических территорий: создание новой инфраструктуры, развитие транспортного сообщения, расширение социальной, образовательной и научной сфер, укрепление арктических границ и обороноспособности.
Цель исследования
При объединении энергосистем Восточной Сибири, Дальнего Востока, Республики Саха (Якутия) и Магаданской области будут вовлечены в единую сеть электрические мощности кластера гидроэлектростанций: Братской ГЭС, Усть-Илимской ГЭС, каскада Вилюйских ГЭС, ЮжноЯкутского гидроэнергетического комплекса, Колымской ГЭС, Усть-Среднеканской ГЭС, Зейской и Бурейской ГЭС, выработка элек-
троэнергии на которых значительно дешевле выработки тепловых, дизельных, солнечных и ветровых электростанций. Поэтому для обеспечения надежности и экономичности электроснабжения с максимальным использованием преимуществ централизованного электроснабжения необходимо расширять зону влияния электроэнергетической системы (ЭЭС) Якутии. Для этого наравне с широкомасштабной
интеграцией солнечных и ветровых электростанций задачи транспорта электрической энергии следует реализовывать с учетом условий северной и арктической зон России на базе инновационных технологий.
Дальнейшее развитие транспортных систем электроэнергии должно сопровождаться разработками на базе интеллектуальных технических решений, направленных на совершенствование элементов линий электропередачи; автоматизацией процессов передачи электроэнергии, позволяющих в конечном итоге получить более экономичные и надежные линии, обеспечивающие требуемое качество напряжения, пропускную способность и устойчивую работу в замкнутом цикле.
Авторами настоящей статьи, принимавшими участие в разработке «Инвестиционной стратегии Республики Саха (Якутия) на период до 2016 года и основных направлений до 2030 года», был предложен вариант альтернативного электроснабжения промышленных центров арктической зоны от магистральной межсистемной сети, объединяющей Восточную Сибирь, Дальний Восток, Республику Саха (Якутия) и Магаданскую область путем строительства линии электропередачи «Хандыга - Усть-Куйга» протяженностью 825 км, суммарной мощностью 140 МВт, напряжением 220 кВ и пропускной способностью 203 МВт (рисунок) [1].
Методы исследования
Транспорт электроэнергии переменного тока на сверхдальние расстояния возможен одним из двух принципиально отличающихся способов. Первый способ предусматривает компенсированные электропередачи с отборами мощности, в состав которых входят источники реактивной мощности (ИРМ) расположенные в концевых и промежуточных пунктах линии [2-6].
Пропускная способность компенсированных электропередач (ЭП), в первую очередь, ограничивается условием сохранения устойчивости, а основная функция ИРМ состоит в обеспечении условий для его выполнения. ИРМ осуществляется компенсация волновой длины, реактивных параметров и поддержание напряжения в промежуточных точках во всем диапазоне передаваемых мощностей.
Для компенсации волновой длины ИРМ устанавливаются в промежуточных пунктах через каждые 400-600 км. Поддержание напряжения в промежуточных точках линии осуществляется управляемыми ИРМ, в качестве которых применяются шунтирующие реакторы с подмагничивани-
ем, присоединяемые непосредственно к линии, а также статические тиристорные или асинхронизированные статические компенсаторы, присоединяемые к линии через согласующие трансформаторы. Пропускная способность компенсированной ЭП повышается с увеличением числа ИРМ на линии. Доведение пропускной способности компенсированных электропередач до уровня, которым характеризуются передачи постоянного тока, возможно применением управляемых ИРМ и компактных ВЛ. Недостатком компенсированных ЭП является необходимость строительства промежуточных пунктов и использование большого количества ИРМ.
При другом варианте используются полуволновые и настроенные на полуволну транзитные (без отбора мощности) электропередачи 5 [7-9]. Сверхдальние линии электропередачи с волновой длиной, равной полуволне, обеспечивают необходимую пропускную способность по условию устойчивости без устройства продольной компенсации и ИРМ.
5
Самородов Г.И. Оптимизация схем и параметров дальних и сверхдальних электропередач переменного тока: дис. ... д-ра. техн. наук: 02.00.02. Новосибирск, 1990. 413 с. / Samorodov G.I. Optimization of circuits and parameters of long- and super-long-distance AC electric power transmission. Doctoral dissertation in technical sciences. Novosibirsk, 1990. 413 p.
Магистральная линия электропередачи северного направления для электроснабжения арктических районов Northern trunk main to supply Arctic regions with electrical energy
При этом физическая длина линии определяется как
_ 3000 kv50 ^п = J ,
где ку- отношение скорости распространения электромагнитных волн в воздушной линии к скорости света; /■ - частота промышленного тока, Гц.
При частоте 50 Гц физическая длина линии равна 3000 км, линия является полуволновой. Если длина линии не равна 3000 км, свойства полуволновой линии придают-
ся подключением в концевых пунктах ИРМ. ИРМ обеспечивают настройку линии на полуволну, если линия короче полуволновой, и компенсацию до полуволны, если линия значительно длиннее. Практически работа линии в полуволновом режиме обеспечивается без применения ИРМ в диапазоне длин и ± 300 км, поскольку при длинах линии короче полуволновой на 300 км следует учитывать настраивающий эффект концевых автотрансформаторов, а при длинах, превышающих полуволну на 300 км, обходятся без компенсирующих устройств.
Работа полуволновой электропере-
дачи в режиме передачи номинальной натуральной мощности происходит при равномерном распределении напряжений и токов в линии. Однако передача мощности меньше номинальной натуральной приводит к провалу напряжения в средней части линии, а при передаче мощности больше номинальной натуральной - напряжение в средней части линии превышает номинальную величину. Возникающие при этом перенапряжения опасны для работы линейной изоляции, оборудования и линии параллельного отбора мощности. На практике перенапряжения ограничивают шунтирующими реакторами, устанавливаемыми в средней части линии.
Пропускная способность линии электропередачи является важнейшим параметром и равна максимальной мощности, которую можно передать по линии с учетом ограничивающих факторов: допустимого нагрева проводов, допустимого напряжения.
Для дальних и сверхдальних воздушных линий (ВЛ) максимальная передаваемая мощность Ртах ограничивается условиями обеспечения устойчивой работы объединяемых систем и допустимым напряжением:
Р =
I тпх
, = ■ и (0 < Р < Р ) < U
'max ■ umax\v^i ^ imax) — ипр ,
где Рпр - предельная мощность передачи, соответствующая максимальному значению ее угловой характеристики, Вт; Кзап - коэффициент запаса статической устойчивости с учетом колебаний мощности; итах - максимальное напряжение ВЛ, В; ипр - предельное рабочее напряжение линии, В.
Увеличить предел передаваемой мощности можно путем изменения волновой длины линии или волнового сопротивления.
Для изменения параметров линии используют следующие методы:
- компенсацией всех параметров добиваются нулевой длины линии, когда включением дополнительных устройств емкостная проводимость и индуктивное сопротивление линии взаимно компенсируются, и в схеме замещения остается только небольшое активное сопротивление;
- компенсацией волнового сопротивления. Снижение волнового сопротивления осуществляется уменьшением в п раз индуктивного сопротивления линии или увеличением в п раз ее емкостной проводимости, при этом предельная передаваемая мощность возрастает;
- компенсацией волновой длины или настройкой линии до необходимой длины. Компенсация осуществляется изменением индуктивного сопротивления или емкостной проводимости в одинаковое число раз, при этом изменяется только волновая длина линии при неизменном волновом сопротивлении.
В последнем случае увеличение пропускной способности электропередачи может быть достигнуто управлением режимами генерации и потребления реактивной мощности в этих узлах таким образом, чтобы поддерживался режим, близкий к режиму передачи активной мощности.
В полной компенсации реактивного сопротивления линии для получения нулевой длины нет необходимости. Также нет необходимости в изменении индуктивного сопротивления и емкостной проводимости в равных пропорциях. Целью компенсации реактивного сопротивления линии является увеличение пропускной способности электропередачи.
На практике осуществление распределенной компенсации нецелесообразно. Из экономических соображений речь может идти только об установке сосредоточенных компенсирующих или настраивающих устройств расположенных в одном или нескольких пунктах линии.
Результаты исследования
Для передачи электроэнергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния предпочтение следует отдать полуволновым электропередачам, поскольку они по условию устойчивости не требуют дополнительных затрат на компенсацию реактивной мощности и при этом обладают повышенной пропускной способностью. Однако целесообразность настройки на полуволну возникает при длине линии 1500 км и более. Линию, длина которой меньше 1500 км, целесообразно привести к линии «нулевой длины».
Поскольку протяженность рассматриваемой линии меньше граничной длины - 1500 км, то ее реактивное сопротивление следует скомпенсировать и привести к линии «нулевой длины» для повышения пропускной способности и стабилизации режима напряжения вдоль линии с помощью тиристорного стабилизатора параметров (ТСП), разработанного в Институте физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН [10].
В будущем электроэнергетическая система должна быть гибкой, надежной, экономически эффективной и экологически безопасной. Такую комбинацию задач можно решить с помощью интеллектуальных технологий, и в данном контексте значи-
ТСП состоит из устройства тиристорного стабилизатора напряжения с искусственной коммутацией ключей и стабилизатора реактивных параметров, управляемых общей системой (СУ). Устройство ТСП обеспечивает достаточную (±20%) амплитуду стабилизации напряжения и быстродействие 0,25 Т. Искусственная коммутация необходима для ограничения токов короткого замыкания (или сверхперегрузки) в аварийных ситуациях на линии. Данные ТСП предлагается использовать для создания режима «нулевой» длины» линии электропередачи «Хандыга - Усть-Куйга».
Предложена магистральная линия в северном направлении, обеспечивающая централизованным электроснабжением новые промышленные центры северных и арктических территорий Республики Саха (Якутия). Разработан новый метод построения протяженной электропередачи в заниженном классе напряжения на основе сильноточной электроники.
мость гибких систем передачи электрической энергии переменным током (Flexible Alternation Current Transmission System -FACTS) будет все больше возрастать при развитии ЭЭС.
Библиографический список
1. Нестеров А.С., Давыдов Г.И., Васильев П.Ф. Альтернативное решение развития электроснабжения потребителей Арктической зоны Республики Саха (Якутия) // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2013. Т. 10. № 4. С. 54-58.
2. Щербаков В.К. Технические и экономические характеристики настроенных электропередач. Новосибирск: Наука, 1965. 68 с.
3. Щербаков В.К. Возможности передач настроенных на полуволну // Вопросы дальних электропередач. 1960. С. 3-20.
4. Buchholz B.M. Lectures "Electricity grids", "Energy automation" and "High voltage technologies" within the education program "Power transmission and distribution
- the technologies at a glance". Siemens Power Academy Nuremberg, 2003-2009. URL: //product-training.siemens.com/power-academy/index.jsp?L=EN (12 February 2009).
5. Herrmann H.J., Ludwig A., Fohrig H. et al. German Practice of Transmission System Protection // CIGRE, Study Committee B5 Colloquium paper 306. Madrid, October 15-20, 2007.
6. Buchholz B.M., Stychynski Z. Smart Grids - Fundamentals and Technologies in Electricity Networs. Berlin: Springer, 2016, 396 p.
7. Зильберман С.М., Самородов Г.И. Оценка эффективности применения полуволновой передачи электроэнергии в Южной Африке // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2009. № 5. С. 115-124.
8. Самородов Г.И., Красильникова Т.Г. Прогрессивные технологии передачи электроэнергии на переменном токе на дальние и сверхдальние расстояния // Энергетическая политика. 2013. № 5. С. 31-38.
9. Зильберман С.М., Самородов Г.И. Сверхдальние электропередачи полуволнового типа. Новосибирск:
Новосиб. гос. академия водного трансп., 2010. 327 с. 10. Давыдов Г.И., Кобылин А.В., Ли-Фир-Су Р.П., Седалищев В.А., Нестеров А.С. Альтернативные источники электроэнергии для снабжения предприятий промышленных центров Арктической зоны Якутии // Электротехника. 2017. № 9. С. 84-88.
References
1. Nesterov A.S., Davydov G.I., Vasil'ev P.F. Alternative decision of development of consumers electricity supply in the Arctic zone of the Republic of Sakha (Yakutia). Vestnik Severo-Vostochnogo federal'nogo universiteta im. M.K. Ammosova [Vestnik of North-Eastern Federal University]. 2013, vol. 10, no. 4, pp. 54-58. (In Russian).
2. Shcherbakov V.K. Tekhnicheskie i ekonomicheskie kharakteristiki nastroennykh elektroperedach [Technical and economic characteristics of tuned power transmission]. Novosibirsk: Nauka Publ., 1965, 68 p. (In Russian).
3. Shcherbakov V.K. Possibilities of half-wave tuned transmissions. Voprosy da'nikh elektroperedach [Issues of long-distance power transmission]. 1960, pp. 320. (In Russian).
4. Buchholz B.M. Lectures "Electricity grids", "Energy automation" and "High voltage technologies" within the education program "Power transmission and distribution - the technologies at a glance". Siemens Power Academy Nuremberg, 2003-2009. Available at: //product-training.siemens.com/power-academy/index.jsp?L=EN (accessed 12 February 2009).
5. Herrmann H.J., Ludwig A., Fohrig H. et al. German Practice of Transmission System Protection // CIGRE, Study Committee B5 Colloquium paper 306. Madrid,
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. accessed
October 15-20, 2007.
6. Buchholz B.M., Stychynski Z. Smart Grids - Fundamentals and Technologies in Electricity Networks. Berlin: Springer, 2016, 396 p.
7. Zil'berman S.M., Samorodov G.I. Efficiency assessment of application of half wave technology for power transmission in Southern Africa. Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Energetika [Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Power Engineering]. 2009, no. 5, pp. 115-124. (In Russian).
8. Samorodov G.I., Krasil'nikova T.G. The progressive technologies of alternating current transmission for long and extra long distances. Energeticheskaya politika [The Energy Policy]. 2013, no. 5, pp. 31-38. (In Russian)
9. Zil'berman S.M., Samorodov G.I. Sverkhdal'nie elektroperedachi poluvolnovogo tipa [Ultra-long power transmission of a half-wave type]. Novosibirsk: Novosibirsk state Academy of Water Transport Publ., 2010, 327 p. (In Russian).
10. Davydov G.I., Kobylin A.V., Li-Fir-Su R.P., Sedalishchev V.A., Nesterov A.S. Alternative sources of electric power for supplying enterprises of industrial centers of the Yakutia Arctic zone. Elektrotekhnika [Electrical Engineering]. 2017, no. 9, pp. 84-88. (In Russian).
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
