Новые технологии компенсации реактивной мощности

УДК 621.311

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-5-135-143

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

© Н.Н. Солонина1, К.В. Суслов2, З.В. Солонина3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

На сегодняшний день известен ряд способов повышения качества электрической энергии в распределительных и магистральных сетях. В данной статье рассмотрено одно из технических решений, применяемых для улучшения качества электрической энергии - компенсация реактивной мощности. Представлены технологии компенсации реактивной мощности с применением гибких передач переменного тока. Приведены: общая характеристика управляемых устройств FACTS; принцип действия и характеристики статических тиристорных компенсаторов (СТК), а также статических синхронных компенсаторов реактивной мощности СТАТКОМ. Отмечены особенности применения устройств компенсации реактивной мощности на базе FACTS.

Ключевые слова: качество электрической энергии, гармоники напряжения и тока, компенсация реактивной мощности, FACTS.

NEW REACTIVE POWER COMPENSATION TECHNOLOGIES N.N.Solonina, K.V. Suslov, Z.V. Solonina

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Today we know a number of methods to improve the quality of electric energy in power distribution and transmission networks. This article discusses reactive power compensation as one of the technical solutions used to improve the quality of electric power. It discusses the technologies of reactive power compensation with the use of flexible AC transmission systems and provides the general description of the controlled FACTS devices; the operation principle and characteristics of static thyristor compensators (STC) as well as static synchronous compensators of reactive power (STATCOM). The application features of FACTS-based reactive power compensators are specified. Keywords: power quality, voltage and current harmonics, reactive power compensation, FACTS

Введение. Электроэнергетическая система состоит из четырех компонентов: производства, передачи, распределения и потребителя (рис. 1).

Каждый из этих компонентов своими характеристиками оказывает влияние на работоспособность электроэнергетической

системы и на качество поставляемой электроэнергии. Для рационального использования электроэнергии требуется обеспечить экономичные способы ее генерации, передачи и распределения с минимальными потерями. Для этого необходимо исключить из электрических сетей факторы, при-

Генерации 1 Ьредэнд РлС1ГрСДСГ!С!1ИС Потребитель

Рис. 1. Цепочка передачи электроэнергии Fig. 1. Power transmission chain

1Солонина Нафиса Назиповна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, e-mail: otep@istu.edu

Solonina Nafisa, Candidate of Engineering sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, e-mail: otep@istu.edu

2Суслов Константин Витальевич, кандидат технических наук, профессор кафедры электроснабжения и электротехники, e-mail: souslov@istu.edu

Suslov Konstantin, Candidate of Engineering sciences, Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, e-mail: souslov@istu.edu

Солонина Зоя Валерьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, e-mail: otep@istu.edu

Solonina Zoya, Candidate of Engineering sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, e-mail: otep@istu.edu

водящие к возникновению потерь, в частности, осуществлять компенсацию реактивной мощности.

Загрузка системы электроснабжения определяется полной мощностью, активная составляющая которой является полезно потребленной и обратно к источнику питания не возвращается. Реактивная составляющая необходима для создания магнитных и электрических полей в элементах электрической сети [1, 2].

Реактивная мощность в энергосистемах

Устойчивость и качество работы энергосистемы определяется балансами активной и реактивной мощностей:

P

где 1 и

X P = 0 Z Q = 0

Q_

соответственно активные и реактивные мощности всех компонентов электроэнергетической системы.

Отсутствие контролируемого баланса мощностей может привести к негативным последствиям, то есть нарушению устойчивого электроснабжения. Предотвращение этих последствий может быть достигнуто воздействием на восстановление баланса мощностей в режиме реального времени с помощью быстродействующих устройств.

Передача значительного количества реактивной мощности по линиям и через трансформаторы сети электроснабжения невыгодна по следующим причинам:

1. Возникают дополнительные потери активной мощности во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью:

AP = 312 R = 3

' S V

V >2 ,

V3-и

R=

SR=PllQL R

и2

и2

P R Q R . „ . „

^t + = app +APq

Здесь первое слагаемое - потери активной мощности за счет передачи по электрической цепи активной мощности, второе - потери активной мощности за счет передачи по этой же цепи реактивной мощности.

2. Возникают дополнительные потери реактивной мощности: передача реактивной мощности потребителю сопровождается ее дополнительными потерями в линии.

3. Возникают дополнительные потери напряжения, которые в линии зависят не только от значения передаваемой активной мощности, но и от значений передаваемой реактивной мощности и реактивного сопротивления линии.

При передаче мощностей Р и О через элемент сети с активным R и реактивным Х сопротивлением потери напряжения составят:

Р  Я + ^  X

AU =

U

P - R Q - X + J

U

U

и и = Аир + ]Аид

где Аир - потери напряжения, обусловленные передачей активной мощности; Аие - потери напряжения, обусловленные передачей реактивной мощности.

4. Загрузка реактивной мощностью линий электропередачи и трансформаторов уменьшает пропускную способность сетей электроснабжения, что в ряде случаев не позволяет использовать полную установленную мощность электрооборудования.

5. Загрузка реактивной мощностью трансформаторов снижает их коэффициент полезного действия.

6. Недоиспользование полезной мощности генераторов электростанций и увеличение удельного расхода топлива.

В связи с вышеизложенным очевидна актуальность применения устройств компенсации (КУ) реактивной мощности, эффективность использования которых, как

показывает опыт, очень высока. Все устройства компенсации реактивной мощности можно классифицировать на статические и динамические. К статическим относятся одиночные конденсаторы, батареи статических конденсаторов (БСК), фильтры гармоник; к динамическим — управляемые, регулируемые устройства, входящие в понятие FACTS (Flexible AC Transmission System) - системы гибкого регулирования передачи электроэнергии переменного тока.

Термин FACTS был впервые введен в обращение H.G. Hingorani в 1988 году (Научно-исследовательский институт электроэнергетики (EPRI), США) [3, 4], хотя управляемые устройства силовой электроники использовались для передачи электроэнергии за много лет до этого.

Рабочей группой IEEE дается следующее определение FACTS: «системы передачи переменного тока, объединяющие в себе силовую электронику и другие статические регуляторы для повышения управляемости и увеличения пропускной способности» [5].

FACTS является одной из наиболее перспективных электросетевых технологий и представляет собой комплекс технических и информационных средств автоматического управления параметрами ЛЭП. Устройства FACTS решают задачу превращения электрической сети из пассивного устройства транспорта электроэнергии в устройство, активно участвующее в управлении режимами работы электрических сетей, и применяются для коррекции коэффициента мощности, минимизации потерь и др.

Общая характеристика устройств

FACTS

К устройствам FACTS первого поколения (FACTS-1) относят устройства, обеспечивающие регулирование напряжения (реактивной мощности) и требуемую степень компенсации реактивной мощности в электрических сетях (статический компенсатор реактивной мощности СТК, реактор с тиристорным управлением, стационарный последовательный конденсатор с тири-

сторным управлением, фазосдвигающий трансформатор и др.) [6].

К новейшим FACTS второго поколения (FACTS-2) относятся устройства, обеспечивающие регулирование режимных параметров на базе полностью управляемых приборов силовой электроники: биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), запираемые тиристоры с интегральным драйвером IGCT и др. FACTS-2 обладают новым качеством регулирования - векторным, когда регулируется не только величина, но и фаза вектора напряжения электрической сети. К ним относятся следующие устройства: синхронный статический компенсатор (СТАТКОМ), синхронный статический продольный компенсатор реактивной мощности на базе преобразователя напряжения (ССПК), объединенный регулятор потоков мощности (ОРПМ), фа-зоповоротные устройства (ФПУ), асинхро-низированный синхронный компенсатор, в том числе с маховиком (АСК), асинхрони-зированный синхронный электромеханический преобразователь частоты (АС ЭМПЧ), фазовращающий трансформатор (ВФТ) [6]. Устройства второго поколения способны осуществлять обмен активной и реактивной мощностью с энергосистемой, а также генерировать или поглощать реактивную мощность после обмена с системой. Такими свойствами обладает преобразователь (или инвертор) напряжения, на котором основаны все исполнительные устройства FACTS второго поколения.

В свою очередь все устройства FACTS делятся на статические и электромашинные системы. К статическим относятся:

• управляемые шунтирующие реакторы (УШР), реализованные по принципу магнитного усилителя (УШРП), или трансформаторного типа (УШРТ - реактор-трансформатор) с тиристорным управлением;

• реакторы, коммутируемые вакуумными выключателями (ВРГ);

• статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (СТК), состоящие из одной или нескольких тиристорно-

реакторной групп и набора фильтро-компенсирующих цепей;

• синхронные статические компенсаторы реактивной мощности типа СТАТКОМ на базе преобразователя напряжения с параллельным подключением к сети;

• синхронные статические продольные компенсаторы реактивной мощности на базе преобразователя напряжения (ССПК);

• объединенный регулятор перетока мощности (ОРПМ) на основе преобразователей напряжения параллельного и последовательного включения объединенных по цепям постоянного тока;

• управляемые тиристорами устройства продольной емкостной компенсации (УУПК);

• управляемые фазоповоротные устройства (ФПУ) на базе фазосдвигающих трансформаторов с тиристорным управлением или РПН.

Электромашинные устройства FACTS - это синтез электрической машины и преобразователя, обеспечивающие векторное регулирование напряжения с помощью специальной схемы управления.

Группу электромашинных систем образуют:

• асинхронизированные синхронные компенсаторы (АСК);

• асинхронизированные электромашинные преобразователи частоты (АС ЭМПЧ);

• фазовращающийся трансформатор (ВФТ).

В зависимости от способа подключения к сети все устройства делятся на три вида [7]:

• устройства параллельной компенсации,

• устройства последовательной компенсации,

• устройства последовательно-параллельной компенсации или комбинированные устройства.

Любое устройство, последовательное или параллельное, можно представить регулируемым источником напряжения, включаемым последовательно или парал-

лельно с линией электропередачи. Таким образом, влияние любого устройства FACTS на сеть можно рассматривать как генерацию параллельного источника тока и/или последовательного источника напряжения.

Статические тиристорные компенсаторы (СТК) и статические синхронные компенсаторы (СТАТКОМ) являются наиболее популярными устройствами FACTS.

Статические тиристорные компенсаторы - это комплексные устройства параллельного включения, которые за счет тиристорного управления обладают исключительным быстродействием, широким рабочим диапазоном и высокой надежностью. Основной функцией СТК является регулирование напряжения в рассматриваемом узле путем управления вводом реактивной мощности в месте своего подсоединения, таким образом СТК постоянно поддерживает напряжение в сети на заданном уровне [7].

Поддержание номинального уровня напряжения важно для нормальной работы потребителей. Понижение напряжения вызывает нарушение режима работы потребителей, таких как электродвигатели и др., в то время как перенапряжение вызывает результирующее магнитное насыщение и генерацию гармоник и отказы оборудования из-за пробоя изоляции.

СТК устанавливаются на подстанциях энергосистем и имеют различные схемы подключения к высоковольтной сети и управления потребляемой реактивной мощностью. Основу СТК составляют накопительные элементы (емкости, индуктивности), реакторно-тиристорные и конденса-торно-тиристорные блоки.

На рис. 2 приведены две принципиальные схемы СТК, состоящие из неизменных по мощности КБ (рис. 2, а) или реакторов (рис. 2, б). Плавное управление мощностью СТК осуществляется с помощью встречно-параллельно включенных управляемых вентилей - тиристоров, снабженных устройством управления (УУ), с помощью которого регулируется момент открытия и закрытия тиристоров.

а б

Рис. 2. Принципиальные схемы СТК: а - с регулируемой мощностью реактора; б - с регулируемой мощностью конденсаторной батареи Fig. 2. STC schematic circuit diagrams: а - with controlled reactor power; б - with controlled battery capacity

Применение СТК на основе управляемого реактора позволяет найти более гибкий подход к решению задачи компенсации реактивной мощности и уменьшению потерь мощности в электрической сети. Быстродействие СТК обеспечивает непрерывную генерацию или потребление реактивной мощности, необходимую для поддержания неизменного напряжения в сети в разных режимах ее работы. Компенсатор также способен демпфировать колебания мощности. В сравнении с параллельно

включенными КБ регулирование эквивалентного сопротивления СТК, а следовательно, и реактивной мощности на его выходе осуществляется непрерывно.

Вольт-амперная характеристика СТК представлена на рис. 3 [8]. Характеристика имеет наклон, определяемый заданными условиями точности поддержания напряжения и располагаемой мощностью компенсатора. Он способствует обеспечению параллельной работы СТК.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика СТК Fig. 3. STC voltage-current characteristic

Существуют три рабочие области, определяющие функционирование СТК в стационарном режиме [8]:

• Диапазон регулирования, в котором поддерживается заданное значение напряжения в узле подключения СТК. Эта область определяется рабочей точкой на характеристике АВ в результате генерации или потребления необходимой реактивной мощности.

• Область повышенного напряжения

- ВС, в которой компенсатор работает максимально в индуктивном режиме подобно нерегулируемому реактору.

• Область пониженного напряжения

- ОА, в которой компенсатор работает максимально в емкостном режиме, подобно нерегулируемой КБ. Стоит отметить, что в этом режиме для СТК характерен отрицательный регулирующий эффект по напряжению, присущий КБ.

Границы регулировочного диапазона заданы максимальными значениями тока в емкостном и индуктивном режимах.

Многофункциональность СТК определяет их обоснованное применение в электрических сетях для решения ряда проблем, таких как:

• компенсация реактивной мощности;

• стабилизация напряжения в узле подключения УКРМ или в какой-либо части электрической сети (регулирование напряжения в узле электрической сети является основным предназначением СТК);

• улучшение качества электроэнергии.

Установка СТК в узлах, содержащих потребители с резко-переменной нагрузкой, позволит повысить качество электроэнергии потребителей за счет быстрого и плавного регулирования реактивной мощности соответственно напряжения в узле.

Статический синхронный компенсатор реактивной мощности (СТАТКОМ). Управление СТК основывается на применении частично управляемых тиристоров. Появление запираемых тиристоров ^ТО, ЮСТ) и управляемых бипо-

лярных транзисторов (ЮВТ) привело к созданию полностью управляемых полупроводниковых преобразователей - инверторов напряжения, и на их базе - устройства нового поколения - СТАТКОМ.

СТАТКОМ представляет собой синхронный источник реактивной мощности и, как следствие, напряжения. Компенсатор создает трехфазную систему напряжений в фазе с напряжением сети аналогично синхронному компенсатору (СК). В отличие от СК СТАТКОМ обладает высоким быстродействием управления выдаваемой и потребляемой реактивной мощностью.

В его состав входят: преобразователь напряжения с емкостным накопителем на стороне постоянного тока, трансформатор связи и система управления. Можно выделить два варианта исполнения преобразователей напряжения в зависимости от их элементной базы. Первый из них основан на использовании запираемых тиристоров GTO [9]. Во втором случае схема инвертора напряжения построена на силовых транзисторах (рис. 4).

Для систем большой мощности и высокого напряжения установлены преобразователи напряжения с трехфазной многоуровневой конфигурацией схемы. В остальных случаях преобразователи напряжения используют трехфазную двухуровневую схему переключений [10].

Принцип работы СТАТКОМ основан на изменении напряжения вентильной обмотки. В зависимости от разницы напряжений сетевой и вентильной обмоток статический компенсатор способен работать в режимах инвертирования или выпрямления, генерируя или потребляя реактивную мощность. Это исключает необходимость установки мощных накопительных элементов. Если напряжение сетевой обмотки больше напряжения вентильной обмотки, то статический компенсатор потребляет из сети реактивную мощность, если меньше -выдает. Таким образом, СТАТКОМ способен осуществлять как индуктивную, так и емкостную компенсацию реактивной мощности [11].

Ur

Uo

-Ы-

4-

Uc

Uo 1

1

H

Ud

+

ud б

Рис. 4. Схема СТАТНОМ: а - с тиристорами GTO; б-с транзисторами IGBT Fig. 4. STATCOM circuit: а - with GTO thyristors; б - with IGBT transistors

Изменение напряжения на конденсаторной батарее сопровождается переводом преобразователя в инверторный или выпрямительный режим. Чтобы увеличить напряжение на стороне постоянного тока, нужно увеличить заряд конденсатора, т.е. перевести преобразователь в режим выпрямления (потребления реактивной мощности).

СТАТКОМ обладает такой функцио-

нальной особенностью, как векторное регулирование. Оно заключается в способности компенсаторов одновременно изменять модуль и фазу напряжения, что подчеркивает превосходство данного устройства над СТК. Если на стороне постоянного тока преобразователя напряжения установить накопитель электроэнергии, то СТАТКОМ можно рассматривать и как источник активной мощности.

а

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика СТАТКОМ Fig. 5. STATCOM voltage-current characteristic

Вольт-амперная характеристика СТАТКОМ представлена на рис. 5 [12]. Она подтверждает способность компенсатора работать с перегрузками как в емкостном, так и в индуктивном режимах. Максимальный ток, генерируемый статическим компенсатором в емкостном режиме во время больших возмущений, определяется максимальной величиной тока, который могут коммутировать управляемые вентили преобразователя. При снижении напряжения СТАТКОМ будет генерировать ту же реактивную мощность за счет перегрузки по току, увеличивая предел динамической устойчивости, в то время как мощность, генерируемая СТК, будет уменьшаться в функции квадрата напряжения.

Несмотря на относительно высокую

1. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Шульгин М.С. Параметрическая идентификация силовых трансформаторов // Вестник ИрГТУ. 2011. № 12 (59). С. 219-227.

2. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Шульгин М.С. Параметрическая идентификация силовых трансформаторов в фазных координатах // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 4. С. 141-147.

3. Hingorian N.G., Gyugy L. Understanding FACTS: concepts and technology of flexible ac transmission systems. NJ: Willy-IEEE Press, 2000. 432 p.

4. Belkacem Mahdad, Tarek Bouktir, Kamel Srairi. Strategy of Location and Control of FACTS Devices for Enhancing Power Quality // IEEE MELECON. 2006. Р. 1068-1073.

5. FACTS Technology - State of Art, Current Challenges and the Future Prospects. IEEE, 2007. Р. 392-395.

6. СТО 56947007-29.240.019-2009. Методика оценки технико-экономической эффективности применения устройств FACTS в ЕНЭС России. М., 2009.

7. Кочкин В.И., Шакарян Ю.Г. Применение гибких

стоимость сборки и внедрения, устройства СТАТКОМ широко используются за рубежом: в Японии, США, Австралии, Дании. В России комплекс СТАТКОМ установлен в Выборге.

Заключение. Отсутствие контролируемого баланса мощностей в энергосистеме может привести к негативным последствиям, предотвращение которых должно осуществляться в темпе процессов, происходящих в энергосистеме. Управляемые системы переменного тока FACTS в сочетании с современными информационными и компьютерными технологиями позволяют решить эти задачи и способствуют созданию интеллектуальных систем электроснабжения.

Статья поступила 21.03.2016 г.

ий список

(управляемых) систем электропередачи переменного тока в энергосистемах. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2011. 312 с.

8. Ивакин В.Н. Внешние характеристики устройств гибких передач переменного тока и их влияние на характеристики мощности управляемых линий электропередачи переменного тока // Электротехника. 2005. № 12. С. 10-19.

9. Matur R., Karma R. Thyristor-based FACTS controllers for electrical transmission systems. NY: Wiley-IEEE Press, 2002. 518 p.

10. Кошелев К.С., Пешков М.В. Выбор параметров статического компенсатора реактивной мощности СТАТКОМ // Электротехника. 2007. № 8. С. 34-37.

11. Bhim S., Saha R. Modeling of 18 - pulse STAT-COM for power systems applications // Journal of power electronics. 2007. Vol. 7. № 2. Р. 146-158.

12. Bindeshwar S., Verma K. and others. Introduction to FACTS controllers. A critical review // International journal of reviews in computing. 2011. Vol. 8. Р. 17-34.

1. Zakariukin V.P., Kriukov A.V., Shul'gin M.S. Para-metricheskaia identifikatsiia si-lovykh transformatorov [Parametric identification of power transformers]. Vest-nik IrGTU - Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2011, no. 12 (59), pp. 219-227.

2. Zakariukin V.P., Kriukov A.V., Shul'gin M.S. Para-metricheskaia identifikatsiia silovykh transformatorov v faznykh koordinatakh [Parametric identification of power transformers in phase coordinates]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie - Modern technologies. System analysis. Modeling, 2011, no. 4, pp. 141-147.

3. Hingorian N.G., Gyugy L. Understanding FACTS: concepts and technology of flexible AC transmission

systems. NJ: Willy-IEEE Press, 2000. 432 p.

4. Belkacem Mahdad, Tarek Bouktir, Kamel Srairi. Strategy of Location and Control of FACTS Devices for Enhancing Power Quality / IEEE MELECON 2006, PP. 1068-1073.

5. FACTS Technology - State of Art, Current Challenges and the Future Prospects, IEEE, 2007, pp. 392-395.

6. STO 56947007-29.240.019-2009. Metodika otsenki tekhniko-ekonomicheskoi effektivnosti primeneniia ustroistv FACTS v ENES Rossii [STO 5694700729.240.019-2009. Assessment methods of the technical and economic efficiency of FACTS in the Russian Unified National Power Grid]. Moscow, 2009.

7. Kochkin V.I., Shakarian lu.G. Primenenie gibkikh

(upravliaemykh) sistem elektroperedachi peremennogo toka v energosistemakh [Application of flexible (controlled) AC transmission systems in power systems]. Moscow, TORUS PRESS Publ., 2011. 312 p.

8. Ivakin V.N. Vneshnie kharakteristiki ustroistv gibkikh peredach peremennogo toka i ikh vliianie na kharakteristiki moshchnosti upravliaemykh linii elektroperedachi pe-remennogo toka [Characteristics of flexible AC transmission devices and their effect on power characteristics of the controlled AC transmission lines]. El-ektrotekhnika - Electrical Engineering, 2005, no. 12, pp. 10-19.

9. Matur R., Karma R. Thyristor-based FACTS control-

lers for electrical transmission systems. NY: Wiley-IEEE Press, 2002. 518 p.

10. Koshelev K.S., Peshkov M.V. Vybor parametrov staticheskogo kompensatora reaktivnoi moshchnosti STATKOM [STATCOM static reactive power compensator parameter selection]. Elektrotekhnika - Electrical Engineering, 2007, no. 8, рр. 34-37.

11. Bhim S., Saha R. Modeling of 18 - pulse STAT-COM for power systems applications. Journal of power electronics, 2007, vol. 7, no. 2, pp. 146-158.

12. Bindeshwar S., Verma K. and others. Introduction to FACTS controllers. A critical review. International journal of reviews in computing, 2011, vol. 8, pp. 17-34.