Способ управления потоками мощности посредством векторного регулирования напряжения в узлах нагрузки и устройство, его реализующее
POWER FLOWS CONTROL METHOD BY MEANS OF THE VOLTAGE VECTOR REGULATION IN THE LOAD NODES AND DEVICE OF ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для автоматического управления режимом электросети с распределённой генерацией.
В сети со сложной структурой (в том числе замкнутой) с большим количеством источников генерации и потребителей  векторное регулирование напряжений в заданных узлах позволит оптимизировать загрузку линий и режимы работы сети. Путем изменения параметров векторов напряжения в узловых точках можно перераспределить потоки мощности между линиями. Как частный случай векторного регулирования - полное отсутствие тока в линии без физического разрыва цепи линии электропередачи.
Известны способы  векторного регулирования, обеспечиваемые источниками реактивной мощности (ИРМ), вольтодобавочными трансформаторами и другими устройствами, изменяющими режимы работы сети в точке их присоединения. Однако ни одно из существующих, не выполняет векторное регулирование независимо от режима работы самой сети. Мощность статических ИРМ меняется в зависимости от величины напряжения, как и вольтодобавочных трансформаторов, т.е. их регулирующий эффект не является жестким, а синхронные машины крайне редко используются для регулирования, в особенности на стороне низкого напряжения.
Известен способ управления режимом электропередачи [Патент RU 2025017 C1] повышающий эффективность управления по напряжению и реактивной мощности, что достигается регулированием ЭДС последовательных  трансформаторов, включаемых в рассечку линии  электропередачи на ее отправном и приемном концах. Обмотка возбуждения линейного трансформатора включается на напряжение линии и соединяется последовательно с шунтирующим реактором. Изменение МДС намагничивания линейного трансформатора производится переключением ответвлений обмотки возбуждения. ЭДС линейной обмотки, пропорциональная МДС намагничивания, изменяет напряжение линии электропередачи (фиг. 1).
К недостаткам данного способа следует отнести:
- обеспечение только дискретного регулирования;
- регулирование реактивной мощности ограничено допустимым диапазоном изменения напряжения ВЛ, который существенно меняется, особенно в аварийных режимах;
- отсутствует возможность регулирования потока активной мощности;
- необходимость установки  двух удалённых линейных трансформаторов с шунтирующими реакторами на разных концах линии электропередачи и необходимость измерения напряжений в удалённых точках подключения оборудования при снижении помехозащищённости передаваемых данных в режиме регулирования  электропередачи в реальном времени, а также зависимость регулировочной характеристики от режима работы сети электроснабжения.
Соответственно приведённые аналоги решения не могут реализовать жесткую функцию регулирования потоков мощности.
Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство и способ управления потоком мощности в линии электропередачи [Патент RU 2393608 C2]. В устройстве, представленном на фиг. 2, для управления потоком мощности в трехфазной линии передачи переменного тока содержатся блок последовательных трансформаторов, блок трансформаторов напряжения и блок реактивных сопротивлений, последовательно подключенных между вторичной обмоткой трансформатора напряжения и землей, а первичная обмотка последовательного трансформатора каждой из фаз подключена к определенным точкам подключения между управляемыми реактивными сопротивлениями двух других фаз линии электропередачи. Способ управления потоком мощности в системе электропередачи, позволяющий передавать между линиями переменный ток при заданных в линии передачи напряжении и основной частоте, заключающийся в том, что формируют из передаваемых переменных токов, протекающих в линиях передачи, по меньшей мере, два переменных напряжения основной частоты с изменяемой амплитудой и регулируемым фазовым углом, относительно тока линии передачи, подают формируемое переменное напряжение последовательно в одну из упомянутых линий передачи, и регулируют амплитуду и фазу каждого переменного напряжения для подстройки эффективных значений реактивной и активной составляющих импеданса для каждой из линий передачи и для регулирования активной мощности, передаваемой между двумя концами упомянутой линии передачи.
Устройство для управления потоком мощности в трехфазной линии электропередачи переменного тока содержит блок (10) последовательных трансформаторов, который содержит для каждой из фаз линии электропередачи последовательный трансформатор с первичной обмоткой  и вторичной обмоткой, причем вторичная обмотка выполнена с возможностью последовательного подключения в соответствующую фазу линии электропередачи; блок (20) трансформаторов напряжения,  который содержит для каждой из фаз линии электропередачи трансформатор  напряжения с первичной обмоткой  и вторичной обмоткой, причем первичная обмотка выполнена с возможностью подключения между линией электропередачи и землей, отличающееся тем, что  блок (30) реактивных сопротивлений, включающий в себя для каждой из фаз линии электропередачи первое управляемое реактивное сопротивление (31) и второе управляемое реактивное сопротивление (32), и блок 40 управления, управляющий значениями реактивных сопротивлений для регулируемых реактивных сопротивлений, со входом задающих параметров удалённого управления.
Недостатками данного способа являются:
- при малых токах нагрузки регулирующий эффект будет отсутствовать;
- между точками подключения заземлений блоков реактивных сопротивлений 30 и последовательных трансформаторов 10 будет иметь место разность потенциалов, величина которой зависит от состояния заземления, вносящего существенную погрешность в управление потоками и не может быть скомпенсирована в динамическом режиме;
- отсутствует возможность отключения линии без физического разрыва цепи линии передачи; необходимость осуществления  контроля величины и фазовых углов токов линий для подстройки эффективных значений реактивной и активной составляющих импеданса для каждой из линий передачи и для регулирования передаваемой активной мощности.
Недостатки способа и устройства его реализующего устраняются предлагаемым решением.
Решаемая задача - совершенствование известного способа и устройства для его реализации в части повышения эффективности первого и упрощения второго.
Технический результат для способа заключается в  исключении оперирования величинами параметров токов и переходу к регулированию параметров векторов напряжений, упрощении алгоритмов управления потоками мощности.
Этот технический результат достигается тем, что в способе управления потоками мощности посредством векторного регулирования напряжения в узлах нагрузки, позволяющем передавать между линиями переменный ток при заданных в линии передачи напряжении и основной частоте, формируют переменное напряжение основной частоты с изменяемой амплитудой и регулируемым фазовым углом, подают формируемое переменное напряжение последовательно в одну из линий передачи, при этом, согласно предложению, исключается измерение токов линий передачи, а величину и фазовый угол напряжения регулируют в точке подключения дополнительного реактивного сопротивления узла нагрузки с известным импедансом для обеспечения на нём напряжения с заданными параметрами, не зависящими от режимов работы линий передачи для  подстройки эффективных значений реактивной и активной мощности, передаваемой между двумя узлами линии передачи.
На фиг. 3 приведена структурная схема устройства для реализации способа управления потоками мощности посредством векторного регулирования напряжения в узлах нагрузки. Устройство состоит из блока (10) последовательных трансформаторов, который содержит для каждой из фаз линии передачи последовательный трансформатор с первичной обмоткой  и вторичной обмоткой, причем вторичная обмотка выполнена с возможностью последовательного подключения в соответствующую фазу линии электропередачи; блока (20) трансформаторов напряжения, который содержит для каждой из фаз линии электропередачи трансформатор  напряжения с первичной обмоткой  и вторичной обмоткой, причем первичная обмотка выполнена с возможностью подключения между линией электропередачи и землей;  блока (30) реактивных сопротивлений; блока (40) управления, управляющего значениями реактивных сопротивлений со входом задающих параметров удалённого управления (УУ). В устройство введён  блок (50) реактивных сопротивлений, который содержит для каждой из фаз линии передачи однофазное реактивное сопротивление с известным импедансом.
Способ осуществляют следующим путём. В линию передачи электроэнергии между  узлами 1 и 2 установлено предлагаемое устройство Р, позволяющее изменять параметры напряжения в точке b относительно нейтрали. Реактивное сопротивление 50 обладает импедансом Z. Регулирование величины и фазового угла напряжения на первичной обмотке последовательного трансформатора посредством блока 30 обеспечивает изменение величины и фазового угла напряжения в точке b, а, следовательно, регулирование величины и фазового угла на реактивном сопротивлении 50 (). При заданном импедансе  происходит регулирование величины и фазового угла тока линии передачи между узлами 1 и 2, что и является векторным регулированием.
Изменение величин и характеров токов зависит от параметров напряжений в узлах a и b линий электропередачи:
Следовательно, предлагаемый способ обеспечивает регулирование параметров тока в линии электропередачи с установленным устройством управления потоками мощности.
Изложенное не вызывает сомнений и происходит в строгом соответствии с теорией электрических цепей. Такое решение очевидно, позволяет отказаться от оперирования величинами параметров токов и перейти к параметрам векторов напряжений.
Если сеть имеет сложную структуру (в том числе замкнутую) с большим количеством источников генерации и потребителей, то векторное регулирование напряжений в заданных узлах позволит оптимизировать загрузку линий и режимы работы сети. Путем изменения параметров векторов напряжения в узловых точках можно перераспределить потоки мощности между линиями. Как частный случай векторного регулирования - полное отсутствие тока в линии без физического разрыва цепи ().
Таким образом, диапазон регулирования потоков мощности составляет 100% и не достижим ни одним из известных способов, а режим с полным снятием нагрузки линии () является штатным.
+
При соблюдении условия поддержания допустимого отклонения напряжения на нагрузке 5% от номинального значения посредством регулирования параметров напряжения последовательного трансформатора ток нагрузки остаётся практически постоянным и происходит перераспределение токов питающих линий передачи.
Способ регулирования величины и фазового угла тока линии I иллюстрирует векторная диаграмма (Фиг. 4), построенная при известных  соотношениях активных и реактивных составляющих Z.
a
b
R
L
Z;
S
L
a
b
Принятые обозначения: действующее напряжение сети в узле 2 U; действующее напряжение U в точке b для текущего значения потребляемого тока; падение напряжения на активной составляющей Uкомплексного сопротивления Z; падение напряжения на реактивной составляющей U; действующее значение суммарного падения напряжения на комплексном сопротивлении Uток линии i; заданный фазовый угол φпотребляемого/отдаваемого тока линии; фазовый угол α между векторами напряжений Uи U.
b
L
b
Регулирование величины тока осуществляется путём задания геометрического места точек конца вектора U на гипотенузе треугольника АВС (формируются подобные треугольники при сохранении соотношений длин катетов). Регулирование фазового угла тока φ – путём поворота того же треугольника – формирование вектора U с концом в вершине А, находящейся на дуге  описываемой окружности, с параметрами не зависящими от параметров линий передачи и режимов их работы.
Таким образом - за счет векторного регулирования напряжения в одной или нескольких точках сети по заданному алгоритму можно достичь экстремума целевой функции - минимума потерь, разгрузки заданной линии или даже ее участка, снижения влияния резкопеременной и нелинейной нагрузки на качество электроэнергии в точке подключения чувствительной нагрузки. Целевых функций, как и ограничений (в том числе и системных) может быть несколько.
Устройство, реализующее способ управления потоками мощности посредством векторного регулирования напряжения в узлах нагрузки, представлено на фиг. 3 и содержит: блок (10) последовательных трансформаторов, который содержит для каждой из фаз линии передачи последовательный трансформатор с первичной обмоткой  и вторичной обмоткой, причем вторичная обмотка выполнена с возможностью последовательного подключения в соответствующую фазу линии электропередачи; блока (20) трансформаторов напряжения, который содержит для каждой из фаз линии электропередачи трансформатор  напряжения с первичной обмоткой  и вторичной обмоткой, причем первичная обмотка выполнена с возможностью подключения между линией электропередачи и землей;  блока (30) реактивных сопротивлений, отличающегося тем, что представляет из себя полупроводниковые преобразователи параметров напряжений с регулируемым выходным импедансом для каждой фазы линии передачи; блока (40) управления, управляющего значениями выходного импеданса полупроводниковых преобразователей параметров напряжений с входом задающих параметров удалённого управления, в которое введён  блок (50) нерегулируемых реактивных сопротивлений, содержащих для каждой из фаз линии передачи однофазное реактивное сопротивление с известным импедансом.
Устройство Р на фиг. 3, реализующее способ управление потоками мощности посредством векторного регулирования напряжения в узлах нагрузки, работает следующим образом. Блок 20 трансформаторов напряжений обеспечивает питание блока 30 полупроводниковых преобразователей параметров напряжений, параметры величины и фазового угла напряжений которых задаются по цепи удалённого управления, при этом блок 30 обеспечивает поддержание заданных параметров напряжений на сопротивлениях блока 50 посредством связи через последовательные трансформаторы 10. Поддержание постоянства напряжений на элементах блока 50 обеспечивает протекание токов линий передачи с заданными параметрами независимо в каждой из фаз линии передачи, что дополнительно позволяет компенсировать несимметрию токов фаз линии передачи.
Сравнение заявленного изобретения с прототипом позволило установить, что оно отличается от прототипа дополнительным блоком нерегулируемых реактивных сопротивлений, посредством векторного регулирования напряжения на котором осуществляется управление потоками мощности, следовательно, соответствует критерию “новизна”.