CC BY
88
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 13 =
ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
УДК 621.318.435, 621.316.722
Вопросы энергосбережения в высоковольтных электрических сетях
В. Н. Крысанов,
кандидат технических наук, доцент Воронежского государственного
технического университета
Статья посвящена вопросам энергосбережения в электрических сетях по факторам минимума потерь на нагрев, компенсации реактивной мощности и снижения несимметрии напряжения в электрических сетях с помощью тиристорного регулятора, выполненного на базе «автотрансформатор - воль-тодобавочный трансформатор». Получен ряд расчетных параметров такого способа регулирования.
Ключевые слова: тиристорный регулятор, потери электроэнергии, компенсация реактивной мощности, симметрирование.
В связи с интенсивным развитием электрических сетей и систем актуальность вопросов регулирования напряжения и реактивной мощности в настоящее время не вызывает сомнений. Это приводит к необходимости более широкого внедрения современных высокотехнологичных регулирующих устройств под нагрузкой. Одним из таких устройств является тиристорный регулятор воль-тодобавочного трансформатора, включенного в нейтраль силового высоковольтного автотрансформатора [1]. Такой регулятор осуществляет двухтактную коммутацию вольтодобавочного трансформатора, запитанного от третичной обмотки основного автотрансформатора (АТ) (рис.1). Последний содержит две группы (на каждую фазу) встречно-параллельно включенных силовых тиристоров или тиристорных блоков, в высоковольтном варианте. Одна группа осуществляет фазовое управление напряжением, вводимым в основную цепь через вольтодобавочный трансформатор. Вторая группа осуществляет функцию снятия перенапряжений с обмоток вольтодобавочного трансформатора (ВДТ) в те моменты, когда первая группа находится в закрытом состоянии.
Рис. 1. Принципиальная схема одной фазы тиристорного регулятора
Техническая реализация такого регулятора возможна на основе применения наборных силовых ключей SGCT, которые являются модификацией
ишшш®
= 14
Энергобезопасность и энергосбережение
запираемых тиристоров GTO. Они надежнее последних более чем в 2 раза по параметру «наработка на отказ», имеют интегрированный усилитель-формирователь импульсов управления, выдерживают напряжение до 6500 В в прямом и обратном направлении и токи до 1200 А на фазу при воздушном охлаждении и другие преимущества. Целая линейка таких приборов была реализована в силовых преобразователях, например, известной фирмы «Power Flex». Такое устройство позволяет осуществлять плавное быстродействующее регулирование напряжения автотрансформатора при форме напряжения близкой к синусоидальной. Тиристорный регулятор напряжения такого типа является многофункциональным устройством. В данной статье будет отмечена возможность решения регулятором следующих задач:
- оптимизация уровня напряжения в линиях электропередач и распределительных сетях по критерию минимума потерь энергии от нагрева, корони-рования и емкостных токов;
- компенсация реактивной мощности в высоковольтных сетях (где все трансформаторное оборудование выполняется с глухозаземленной нейтралью) с помощью подмагничевания силовых трансформаторов при работе тиристорного регулятора в режиме кососимметричного управления;
- плавная пофазная компенсация несимметричных режимов электрических сетей.
Все эти задачи возможно эффективно реализовать без какой-либо существенной модернизации основного силового оборудования.
Принципы регулирования напряжения в высоковольтных сетях по критерию минимума потерь энергии от нагрева, коронирования и емкостных токов достаточно хорошо освещены, вплоть до реализации многих программ в диспетчерских системах РАО «ЕЭС России». Следует только отметить, что применение плавного быстродействующего регулирования напряжения силовых автотрансформаторов высоковольтных сетей позволит значительно повысить эффективность таких программ.
Интересен более подробный анализ второй задачи - компенсации реактивной мощности. Отметим, что на создание реактивной энергии дополнительное топливо не расходуется. Однако эта «обменная» энергия загружает все электрические сети и приводит к значительным потерям активной энергии. Поэтому оптимизация энергосбережения в сетях невозможна без решения задач компенсации реактивной мощности.
Большим достоинством рассматриваемого регулятора напряжения является его способность работать в режиме регулирования реактивной мощности при реализации определенного алгоритма управления силовыми ключами регулятора (кососимметрич-ное управление).
Известно, что при таком принципе управления силовыми ключами возникает постоянная составляющая в токе, протекающем через обмотки АТ и ВДТ [2]. Это приводит к подмагничиванию магнито-провода ВДТ и, в меньшей степени, АТ. При этом
соответственно изменяется величина потребляемой реактивной мощности.
Одним из основных недостатков рассмотренной схемы подмагничивания является генерация высших гармоник в сеть. Поэтому ниже будет приведен первичный анализ гармонического состава выходного напряжения и тока АТ и ВДТ, а также определены в первом приближении ее основные регулировочные характеристики. В соответствии с кривой намагничивания исследуемого автотрансформатора (заводские данные, для АОДЦТ-667000/1150/500/20) получена кривая тока намагничивания 1^). При этом считаем, что основной магнитный поток автотрансформатора не искажается его магнитной системой
Подмагничивание автотрансформатора постоянным током может быть графически отражено смещением кривой Ф(£) вверх от оси времени.
С помощью метода Фурье определяются амплитуды и фазовые углы гармоник, коэффициент нелинейных искажений и действующее значение тока намагничивания 1^). Постоянная составляющая тока определяется по формуле
Коэффициент нелинейных искажений Кни1 и действующее значение тока 1т равны:
Выходной ток ¡в состоит из двух слагающих тока /н, обусловленного подключением нагрузки
к АТ, и тока намагничивания I
приведенного
к стороне ВН: 1в=1н+1т-
Учитывая сдвиг тока ¡^ на 90° относительно вектора напряжения, который принимается как бы за ось отсчета, и то, что активная составляющая тока намагничивания много меньше его реактивной составляющей ¡^«¡аЯ, можно записать:
Постоянная составляющая и высшие гармоники у выходного тока такие же, как у тока намагничивания (в приведенных значениях). Поэтому можно аналогично определить значения коэффициентов ряда разложения выходного напряжения:
UB=U0+ £/, sin [cot + (//,) + U2 sin (2ai + y/2),
где
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 15 =
Амплитуда сопротивления К-й гармоники определяется по формуле
где г, I - активное и индуктивное сопротивление обмотки АТ для токов промышленной частоты; К - номер гармоники тока 1В.
Далее определим потребляемую мощность из сети £ , активную Р и реактивную Q мощности:
Для случая линейной активно-индуктивной нагрузки АТ можно записать:
Соответственно АТ потребляет из сети активную и реактивную мощности, определяемые (в первом приближении) как
Вторые члены этих выражений соответствуют мощностям, потребляемым самой нагрузкой АТ.
На основании вышеприведенных формул была составлена компьютерная программа. В процессе расчетов варьировалась нагрузка АТ
Р„
степень его подмагничивания
(0,5РН; 0,75РН, ¡о=0^,31я
Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:
- учитывая ограничения, накладываемые электромагнитными характеристиками автотрансформаторов СВН, целесообразно осуществлять режим регулирования потребления реактивной мощности при загрузке АТ не более 0,7Рн;
- подмагничивание автотрансформаторов постоянным током позволяет увеличить потребление реактивной мощности последнего с 0,3+0,5 % до 20+30 % от £н. При этом потребление активной мощности автотрансформатором увеличивается до величины порядка 1,5 % от
- коэффициент нелинейных искажений сетевого тока при подмагничивании может изменяться от 2 % (при Р=Рн) до 22 % (при Р=0,5Рн), а коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения от 3,1 % (при Р=0,5Рн) до 3,4 % (при Р=Рн).
Задачи плавной пофазной компенсация несимметричных режимов электрических сетей неотделимы от основной задачи энергосбережения.
По этому поводу отметим, что несимметричный режим может быть вызван как несимметрией источников напряжения, так и несимметрией потребителей электроэнергии. В первом случае симметрирование сводится к обеспечению симметрии напряжений на
ииивм
зажимах потребителей. Во втором случае задача заключается в равномерном распределении несимметричной нагрузки по фазам, которое достигается применением специальных мер по симметрированию, в том числе симметрирующих устройств. Этот случай имеет широкое практическое значение, так как в настоящее время наблюдается значительный рост числа и мощности несимметричных нагрузок, т.е. таких потребителей, симметричное исполнение которых невозможно либо нецелесообразно (индукционные печи, установки электрошлакового переплава, тяговые нагрузки железнодорожных дорог и т.д.). Подключение таких нагрузок к сети вызывает длителый несимметричный режим, характеризующийся несимметрией напряжения и тока. Несимметрия также обусловливается широким применением неполнофазных режимов работы электрической сети и наличием нетранспони-рованных линий, а также линий с удлиненным циклом транспозиций.
Поэтому в настоящее время несимметричные и неполнофазные режимы работы электрических систем приходится рассматривать как нормальные, что еще в большей степени диктует необходимость повсеместного применения новых, наряду с известными, симметрирующих устройств. Последние должны обладать качествами многофункциональности и низкими собственными потерями. Что касается принципов работы таких устройств, то одной из наиболее эффективных мер снижения несимметрии является введение системы добавочных ЭДС за счет использования различных коэффициентов трансформации в разных фазах.
В связи с вышеизложенным представляет интерес применение тиристорного регулятора напряжения на базе АТ-ВДТ в качестве симметрирующего устройства в электрических сетях высокого напряжения [3].
В данном случае питание ВДТ осуществляется от замкнутой в треугольник третичной обмотки АТ (рис. 2) через тиристорные регуляторы фаз А, В и С (ТРА, ТРВ, ТРС) при независимом изменении углов управления 0!а, ав> Ос Наличие замкнутых в треугольник обмоток АТ позволяет такому регулятору генерировать в сеть токи нулевой последовательности. Генерация токов обратной последовательности обеспечивается за счет выходного напряжения регулятора с углом управления.
т
= 16
Энергобезопасность и энергосбережение
Таким образом, такой регулятор обеспечивает возможность регулирования токов как обратной, так и нулевой последовательностей, причем следует отметить, что
Независимость токов обратной и нулевой последовательностей от угла управления в фазе А позволяет устанавливать под нагрузкой с помощью такого регулятора необходимый уровень напряжения, а также обеспечивать функции симметрирующего устройства. При этом возможны следующие режимы работы симметрирующего устройства:
- режим подавления токов нулевой последовательности;
- режим подавления токов обратной последовательности;
- режим одновременного снижения токов как нулевой, так к обратной последовательностей.
Выбор того или иного режима работы производится в зависимости от характера несимметрии в сети и задается блоками КА, Кв, Кс, образующими оптимизационную часть автоматического симметрирующего устройства. Информация о токах в фазах линии поступает на входы Кв и Кс от измерительной части устройства, включающей в себя блоки А, В, С и трансформаторы напряжения ТН1-ТНЗ. На вход блока КА подается информация
06 уровне напряжения в контрольной точке линии, а с выхода снимается напряжение, пропорциональное углу управления аА и корректирующее управление фазами В и С. Здесь, как и ранее, фаза А выделена условно.
Как показывают расчеты, максимальные значения токов обратной и нулевой последовательностей, поддающихся симметрированию с помощью рассмотренного устройства, составляют соответственно
7 и 11% при 10%-ном диапазоне регулирования выходного напряжения.
Литература
1. А.с. 1064417 СССР Регулятор переменного напряжения/ Лысков Ю. И., Расулов М. М., Рубин Я. С., Крысанов В. Н. - Опубликовано в Б.И., 1983, № 48.
2. Либкинд М. С. Подмагничивание силовых трансформаторов постоянным током с целью регулирования потребленной или реактивной мощности.- М. - Д.: Госэнергоиздат. - 1959.
3. Крысанов В. Н. Симметрирование напряжения в электрических сетях //Электротехнические комплексы и системы управления. - 2008.- № 4. - Воронеж: ВГТУ.
ИДИИИЕтИ
