СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕЮ
SYSTEM OF ELECTRICITY TRANSMISSION AND METHOD OF ITS CONTROL

Область техники, к которой относится изобретение,
и предшествующий уровень техники
Настоящее изобретение относится к системе электропередачи ПТВН (постоянного тока высокого напряжения), содержащей на каждом конце линии электропередачи ПТВН преобразовательную электрическую подстанцию для соединения упомянутой линии электропередачи с системой АС (переменного тока), причем каждая упомянутая электрическая подстанция содержит последовательное соединение, по меньшей мере, двух преобразователей, сторона DC (постоянного тока) которых соединена, с одной стороны, с полюсом упомянутой линии электропередачи на высоком потенциале, а с другой - с нулевой шиной на нулевом потенциале путем заземления, при этом первая из упомянутых преобразовательных электрических подстанций выполнена с возможностью работы в качестве выпрямителя, а другая - вторая - в качестве инвертора, причем каждый преобразователь имеет соединенный параллельно с ним обходной выключатель постоянного тока на пути тока, образующем обходной путь мимо упомянутого преобразователя, когда упомянутый выключатель замкнут, каждая преобразовательная электрическая подстанция содержит агрегат, выполненный с возможностью управления постоянным током посредством упомянутого полюса, а для каждого преобразователя электрической подстанции - устройство для управления этим преобразователем и током через него либо для увеличения напряжения между упомянутой нулевой шиной и упомянутым полюсом, а значит - и мощности, передаваемой между упомянутыми электрическими подстанциями, за счет запуска работы преобразователя, когда он блокирован, либо уменьшения напряжения между упомянутой нулевой шиной и упомянутым полюсом, а значит - и мощности, передаваемой между упомянутыми электрическими подстанциями, за счет останова работы преобразователя, когда он задействован, а также к способу управления такой системой электропередачи.
Изобретение не ограничивается какими-либо конкретными уровнями напряжения между упомянутой нулевой шиной и упомянутым полюсом линии электропередачи ПТВН, а является применимой, в частности, к напряжениям свыше 500 кВ, а это означает, что упомянутая линия электропередачи передает значительную мощность, и система электропередачи требует очень высокого уровня надежности. Это изобретение также не ограничивается какими-либо конкретными уровнями токов через упомянутые полюса упомянутой линии электропередачи, а упомянутые линии предпочтительно рассчитаны на токи свыше 1 кА.
Преобразователи включают в себя некоторое количество токовых вентилей в любой известной конфигурации, например в 12-импульсной мостовой конфигурации. Преобразователями могут быть коммутируемыми линией преобразователей на основе источников тока, в которых переключающие элементы, такие как тиристоры, запираются при пересечении нулевого уровня переменного тока в упомянутой системе переменного тока. Преобразователи также могут быть принудительно коммутируемыми преобразователями на основе источников напряжения, в которых упомянутые переключающие элементы являются запираемыми приборами, управляемыми в соответствии с моделью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Два или более преобразователей обычно соединяют последовательно, когда напряжение, которое надлежит получить между упомянутой нулевой шиной и упомянутым полюсом, оказывается слишком высоким, чтобы можно было получить его посредством лишь одного преобразователя. Это может вызывать большие возмущения с очень серьезными последствиями для систем переменного тока, соединенных с упомянутой системой электропередачи ПТВН, если бы отказали все преобразователи преобразовательной электрической подстанции и сама эта преобразовательная электрическая подстанция, а также если мощность, передаваемая через систему, падает до нуля. Это основная причина установления упомянутого обходного пути тока для каждого преобразователя, вследствие чего неправильно работающий преобразователь можно обойти и - возможно - отсоединить для технического обслуживания, а преобразовательная электрическая подстанция при этом может работать за счет управления другими преобразователями электрической подстанции. Тогда становится важным наличие возможности остановить такой преобразователь так, чтобы не вызвать возмущений в системе электропередачи. То же самое касается процедуры запуска преобразователя такой системы для увеличения напряжения между нулевой шиной и упомянутым полюсом, а значит - и мощности, передаваемой между упомянутыми электрическими подстанциями.
Такую процедуру запуска или процедуру останова преобразователей либо для увеличения, либо для уменьшения напряжения упомянутой нулевой шиной и упомянутым полюсом, в системах электропередачи того типа, которые охарактеризованы во вводной части описания, проводили довольно резко, что приводило к значительному риску вызывания возмущений в системе электропередачи большой мощности, а также в соединенных с ней системах переменного тока. Это становится серьезным недостатком, в частности, если напряжение, а значит - и мощность, оказываются очень высокими, такими как в случае напряжения выше 600 кВ, в частности - порядка 800 кВ или выше.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать систему электропередачи того типа, которая охарактеризована в вводной части описания, и способ управления ею, которые дают возможность управлять запуском и остановом преобразователя, что минимизирует возмущение при передаче мощности упомянутой системой электропередачи.
В соответствии с изобретением эта задача решается за счет разработки такой системы электропередачи, в которой каждое устройство управления выполнено с возможностью деблокировки блокированного упомянутого преобразователя путем начала управления им с большим углом запаздывания и постепенного уменьшения угла запаздывания до тех пор, пока, по существу, весь постоянный ток не потечет через этот преобразователь, и последующего управления упомянутым обходным выключателем для размыкания при, по существу, нулевом токе и для останова работы упомянутого преобразователя путем управления им с постепенно увеличивающимся углом запаздывания до тех пор, пока напряжение на этом преобразователе не станет, по существу, нулевым, и для последующего управления преобразователем, подлежащим блокировке, путем включения обходной для него пары и последующего управления упомянутым обходным выключателем для замыкания с целью принятия всего постоянного тока.
Таким образом, использование угла управления упомянутыми преобразователями приводит к плавному запуску и останову упомянутого преобразователя. Управляя преобразователем таким образом, можно размыкать или замыкать обходной выключатель постоянного тока надежно и независимо от фактического режима работы системы электропередачи ПТВН. Термин «большой угол запаздывания» имеет разный смысл в зависимости от типа режима работы преобразователя, и иногда угол более 45° оказывается достаточным, чтобы считать его большим, а при режиме работы другого типа угол более 140° потребуется считать большим.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, каждая электрическая подстанция имеет два упомянутых преобразователя, соединенные последовательно между упомянутой нулевой шиной и упомянутым полюсом, что, например, в случае, когда оба преобразователя задействованы, означает 800 кВ между упомянутой нулевой шиной и упомянутым полюсом, и 400 кВ, когда задействован лишь один из них, и, когда постоянный ток поддерживается неизменным, лишь половина мощности передается.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения каждая упомянутая электрическая подстанция имеет более двух упомянутых преобразователей, соединенных последовательно между упомянутой нулевой шиной и упомянутым полюсом, а упомянутые устройства управления каждой электрической подстанции выполнены с возможностью увеличения или уменьшения мощности, передаваемой между электрическими подстанциями, путем запуска или останова работы одного преобразователя этой преобразовательной электрической подстанции за раз. Это приводит к надежной и безопасной процедуре увеличения или уменьшения мощности, передаваемой между электрическими подстанциями.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения упомянутый агрегат выполнен с возможностью управления постоянным током, позволяющего поддерживать его на уровне, по существу, неизменного, полного значения тока при нормальных условиях системы, независимо от того, сколько последовательно соединенных преобразователей задействовано в каждой подстанции, причем упомянутые устройства управления упомянутых преобразователей координируют, увеличивая мощность, передаваемую посредством операции запуска преобразователя, не задействованного в упомянутом последовательном соединении преобразователей для того, чтобы посредством него увеличить напряжение между нулевой шиной и полюсом за счет того, что
устройство управления, принадлежащее преобразователю, называемому запускающим преобразователем, который не задействован в упомянутом выпрямителе, выполнено с возможностью деблокировки упомянутого преобразователя путем начала управления им с большим углом запаздывания и постепенного уменьшения угла запаздывания до тех пор, пока, по существу, весь постоянный ток не потечет через этот преобразователь, и последующего управления упомянутым параллельным ему обходным выключателем для размыкания при, по существу, нулевом токе, причем устройство управления, принадлежащее незадействованному преобразователю инвертора, выполнено с возможностью последующей деблокировки упомянутого преобразователя путем начала управления им с большим углом запаздывания и постепенного уменьшения угла запаздывания до тех пор, пока, по существу, весь постоянный ток не потечет через этот преобразователь, и последующего размыкания параллельного ему обходного выключателя, по существу, при нулевом токе, и за счет того, что упомянутый агрегат выполнен с возможностью последующего управления упомянутым запускающим преобразователем для увеличения напряжения между нулевой шиной и полюсом до напряжения, соответствующего увеличенному количеству преобразователей, участвующих в работе. Такая система гарантирует плавную, и потому надежную, и безопасную процедуру увеличения мощности, передаваемой между преобразовательными электрическими подстанциями.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения упомянутые устройства управления упомянутых преобразователей координированы для уменьшения мощности, передаваемой между электрическими подстанциями при протекании, по существу неизменного постоянного тока в упомянутой линии электропередачи путем уменьшения напряжения между упомянутой нулевой шиной и упомянутым полюсом за счет того, что: устройство управления, принадлежащее преобразователю в упомянутой электрической подстанции-инверторе, выполнено с возможностью управления этим преобразователем с постепенно увеличивающимся углом запаздывания до тех пор, пока напряжение на этом преобразователе не окажется близким к нулю, для последующей блокировки преобразователя путем включения обходной для него пары и последующего замыкания обходного выключателя, параллельного этому преобразователю, причем устройства управления преобразователей на электрической подстанции-выпрямителе выполнены с возможностью последующей компенсации перепада напряжения между упомянутым полюсом и упомянутой нулевой шиной путем увеличения угла запаздывания, с которым происходит управление этими преобразователями, при этом устройство управления, принадлежащее преобразователю электрической подстанции-выпрямителя, выполнено с возможностью последующего управления упомянутым преобразователем с постепенно увеличивающимся углом запаздывания до тех пор, пока напряжение на этом преобразователе не окажется близким к нулю, для последующего управления преобразователем, подлежащим блокировке, путем включения обходной для него пары и последующего замыкания обходного выключателя для принятия всего постоянного тока. Такая система гарантирует плавную, и потому надежную, и безопасную процедуру для уменьшения мощности, передаваемой между электрическими подстанциями системы.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения каждый упомянутый преобразователь содержит 12 преобразовательных вентилей, расположенных в так называемой 12-импульсной конфигурации с тремя ветвями четырех преобразовательных вентиля, соединенных последовательно.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, упомянутые преобразователи преобразовательной электрической подстанции, работающей в качестве выпрямителя, выполнены с возможностью генерирования, когда они все задействованы, напряжения постоянного тока более 600 кВ, например 700-1000 кВ, между упомянутой нулевой шиной и упомянутым полюсом, а в соответствии с дополнительным вариантом осуществления изобретения система электропередачи рассчитана на возможность пропускания постоянного тока, превышающего 500 А, превышающего 1 кА или 2-5 кА, в упомянутом полюсе между преобразовательными электрическими подстанциями.
Изобретение также относится к способу управления системой электропередачи ПТВН, соответствующему прилагаемому независимому пункту формулы изобретения на способ. Преимущества и признаки такого способа и варианты его осуществления охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения на способ очевидны из вышеизложенного описания различных вариантов осуществления системы электропередачи в соответствии с изобретением.
Изобретение также относится к компьютерной программе и машиночитаемому носителю, соответствующему соответственным прилагаемым пунктам формулы изобретения. Легко понять, что способ, соответствующий изобретению, охарактеризованный в прилагаемой группе пунктов формулы изобретения на способ, подходит для осуществления посредством команд программы, поступающих из процессора, на который может оказывать воздействие компьютерная программа, включающая в себя шаги программы, о которых здесь упоминается.
Дополнительные преимущества, а также преимущественные признаки изобретения, очевидны из нижеследующего описания.
Краткое описание чертежей
Ниже, со ссылками на прилагаемые чертежи, будет приведено конкретное описание вариантов осуществления изобретения, приводимых в качестве примеров.
На чертежах:
фиг.1 - схематический вид, иллюстрирующий общую конструкцию системы электропередачи ПТВН в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, а
фиг.2 - вид системы электропередачи ПТВН, аналогичный виду на фиг.1, в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 показана система электропередачи ПТВН в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Эта система в данном случае имеет на каждом конце линии 1 электропередачи преобразовательную электрическую подстанцию 2, 3 для соединения упомянутой линии электропередачи со схематически показанной системой 4, 5 переменного тока. Предполагается, что система 4 переменного тока является генерирующей системой в форме электростанции любого типа с генераторами электричества, и при этом предполагается, что система 5 переменного тока является потребительской системой или сетью, соединенной с потребителями электроэнергии, такими как промышленные предприятия и населенные пункты. Таким образом, первая преобразовательная электрическая подстанция 2 выполнена с возможностью работы в качестве выпрямителя, а другая, вторая преобразовательная электрическая подстанция 3 - в качестве инвертора. Каждая электрическая подстанция содержит последовательное соединение двух преобразователей 6, 7 и 8, 9, сторона постоянного тока которых соединена, с одной стороны, с полюсом 10 положительной полярности упомянутой линии электропередачи на высоком потенциале, а с другой - с нулевой шиной 11 на нулевом потенциале путем заземления. Каждый преобразователь включает в себя некоторое количество преобразовательных вентилей в любой известной конфигурации, например в 12-импульсной мостовой конфигурации. Эти вентили сформированы при помощи множества мощных полупроводниковых устройств, соединенных последовательно для совместного поддержания высокого напряжения в их блокированном состоянии.
Каждый преобразователь имеет соединенный параллельно с ним обходной выключатель 12-15 постоянного тока на пути 16-19 тока, образующий обходной путь мимо упомянутого преобразователя, когда упомянутый выключатель замкнут.
Каждая преобразовательная электрическая подстанция дополнительно содержит агрегат 20, 21, выполненный с возможностью управления постоянным током посредством упомянутого полюса 10 путем управления преобразователями электрической подстанции, когда они постоянно в работе. Каждая электрическая подстанция дополнительно содержит для каждого преобразователя отдельное устройство 22-25 управления, выполненное с возможностью управления связанным с ним преобразователем для запуска работы этого преобразователя, когда он блокирован, до тех пор, пока не достигнута работа в установившемся режиме, и для останова работы этого преобразователя, когда он задействован. То, как это делается, является ключевой позицией изобретения и будет описано сейчас.
Выключатели 12-15 разомкнуты, когда связанный с ними преобразователь работает. Теперь предположим, что работает один преобразователь каждой электрической подстанции, а именно работают преобразователи 6 и 9. Это означает, что электрическая подстанция-выпрямитель может создать лишь половину напряжения между нулевой шиной 11 и полюсом 10 по сравнению со случаем, когда на каждой электрической подстанции работают оба преобразователя. Например, в данном случае это означает, что напряжение составляет примерно 400 кВ. Тогда преобразователи 7 и 8 блокированы, а выключатели 13 и 14 замкнуты, так что весь постоянный ток течет через эти выключатели. Постоянный ток в полюсе 10 управляется управляющим агрегатом 20 таким образом, что оказывается таким же, как в случае, если бы работали все преобразователи, и тогда передаваемая мощность равна половине мощности, передаваемой в случае, когда работают все преобразователи. Управляющие агрегаты 20 и 21 управляют преобразователями 6 и 9 в этом режиме работы. Теперь предположим, что напряжение между нулевой шиной и полюсом, а также мощность, передаваемая между электрическими подстанциями 2, 3, увеличится. Тогда устройство 23 управления для преобразователя 7 предпринимает управляющее воздействие на преобразователь 7, деблокируя его путем начала управления им с большим углом запаздывания, таким как составляющий порядка 150-160°, и постепенного, т.е. медленного, уменьшения угла запаздывания то тех пор, пока, по существу, весь постоянный ток не потечет через этот преобразователь, в котором управление постоянным током одновременно осуществляется так, что он оказывается, по существу, равным току в полюсе. После подтверждения того, что ток в обходном выключателе 13 близок к нулю, задается порядок размыкания для этого обходного выключателя. Затем будет приложен импульс тока, который делает возможным размыкание выключателя 13. Как только ток через обходной выключатель 13 становится равным нулю, а этот обходной выключатель подтвердил выполнение указания размыкания, устройство 23 управления устанавливается в поддерживающее состояние, а управление преобразователем 7 медленно передается управляющему агрегату 20.
Следующий этап увеличения мощности, передаваемой от электрической подстанции-выпрямителя 2 к электрической подстанции-инвертору 3, осуществляется путем управления устройством 24 управления для преобразователя 8 инвертора с целью деблокировки этого преобразователя 8 путем начала управления им с большим углом запаздывания, таким как приблизительно 105°. Затем угол запаздывания постепенно медленно уменьшают примерно до 90°, а постоянным током управляют так, что он оказывается равным току в полюсе до тех пор, пока, по существу весь постоянный ток не потечет через преобразователь 8, после чего задается порядок размыкания для обходного выключателя 14, который разомкнется, по существу, при нулевом токе. Как только обходной выключатель подтвердил выполнение указания размыкания, угол запаздывания для управления преобразователем 8 затем снижается до уровня, соответствующего нормальной работе, и это означает, что он составляет 18-20°. Затем устройство 24 управления устанавливается в поддерживающее состояние, а управляющее воздействие на преобразователь 8 медленно передается управляющему агрегату 21. Агрегат 20 управления электрической подстанции-выпрямителя теперь начинает управлять ее преобразователями 6 и 7 для увеличения напряжения между нулевой шиной 11 и полюсом 10, например, от 400 кВ до 800 кВ, вследствие чего мощность, передаваемая между электрическими подстанциями, соответственно увеличивается, если ток поддерживается на том же уровне.
Например, когда необходимо отсоединить преобразователь 6 по какой-либо причине, такой как его техническое обслуживание (хотя это и не показано на чертежах, на обеих сторонах каждого преобразователя предусмотрен разъединитель), это делается следующим образом. Устройство 24 управления, принадлежащее преобразователю, скажем, преобразователю 8, электрической подстанции-инвертора, принимает управление этим преобразователем от управляющего агрегата 21 и начинает управлять этим преобразователем с постепенно увеличивающимся углом запаздывания до тех пор, пока напряжение на этом преобразователе не окажется близким к нулю, после чего преобразователь 8 блокируется путем включения обходной для него пары вентилей тока. Затем осуществляется управление обходным выключателем 14 с целью его замыкания. Затем устройства 22, 23 управления преобразователей 6, 7 на электрической подстанции-выпрямителе принимают управление этим преобразователем от управляющего агрегата 20 путем компенсации падения напряжения между упомянутым полюсом и нулевой шиной, обусловленного управлением преобразователем 8 инвертора путем увеличения угла запаздывания, с которым осуществляется управление этими преобразователями 6, 7. Это происходит вплоть до достижения угла запаздывания порядка 60°. Затем устройство 22 управления для преобразователя 6 начинает управлять упомянутым преобразователем с постепенно увеличивающимся углом запаздывания до тех пор, пока он не окажется близким к нулю. Затем управление преобразователем 6 осуществляется с целью его блокировки путем включения обходной для него пары, и тогда его обходной выключатель 12 замыкается, принимая весь постоянный ток. Затем управляющие агрегаты 20 и 21 примут управление электрической подстанцией-выпрямителем и преобразователями электрической подстанции-инвертора, соответственно. Это значит, что тогда мощность, передаваемая из электрической подстанции-выпрямителя 2 в электрическую подстанцию-инвертор 3, уменьшается приблизительно на 50% путем уменьшения напряжения между нулевой шиной 11 и полюсом 10 приблизительно на 50% при одновременном поддержании постоянного тока, по существу, неизменным. Следовательно, это напряжение будет затем создаваться за счет работы преобразователя 7, а преобразователь 9 будет способствовать его поддержанию.
Эти процедуры запуска и останова преобразователей системы электропередачи ПТВН для увеличения или уменьшения мощности, передаваемой этой системой, являются весьма плавными и поэтому надежными и безопасными, минимизируя возмущения передачи мощности ПТВН.
Фиг.2 иллюстрирует систему электропередачи ПТВН в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, отличающуюся от той, которая показана на фиг.1, наличием на каждой электрической подстанции трех преобразователей 30-35 вместо двух. Соответственно, каждая электрическая подстанция имеет три устройства 40-45 управления и выключателя 50-55 постоянного тока. Другие части, идентичные тем, которые присутствуют в варианте осуществления, соответствующем фиг.1, обозначены теми же позициями. Эта система электропередачи работает так, как описано выше в соответствии с фиг.1, когда нужно увеличить или уменьшить мощность, передаваемую от электрической подстанции-выпрямителя 2 к электрической подстанции-инвертору 3, путем соответственного увеличения или уменьшения напряжения между нулевой шиной 11 и полюсом 10. Чтобы сделать эту процедуру как можно более плавной, устройства управления каждой электрической подстанции выполнены с возможностью увеличения или уменьшения мощности, передаваемой между электрическими подстанциями, путем запуска или останова работы одного преобразователя соответствующей преобразовательной подстанции за раз. Таким образом, если бы, например, работали только преобразователи 30 и 33, а мощность, передаваемая между электрическими подстанциями, подлежала увеличению, то сначала включался бы в работу только один дополнительный преобразователь каждой электрической подстанции, а когда понадобилось бы дополнительно увеличить передаваемую мощность, оставшийся преобразователь, каждой электрической подстанции выключался бы в работу. Соответствующая процедура применима и для случая уменьшения мощности, передаваемой между электрическими подстанциями.
Конечно, изобретение ни в коем случае не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления, а многочисленные возможности их модификации в рамках основного замысла изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле изобретения, будут очевидны для обычного специалиста в данной области техники.
Количество преобразователей на каждой электрической подстанции может отличаться от того, которое показано на чертежах. Помимо этого, система электропередачи может быть двухполюсной системой электропередачи, имеющей также полюс с отрицательной полярностью, соединенный с нулевой шиной посредством соответствующих преобразователей, и тогда конструкция всех компонентов для этого полюса может быть такой же, как для другого полюса, например, такой, как показанная на чертежах.