ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к преобразовательной технике и энергетической электронике и может быть использована в энергетических системах и электрических сетях переменного тока сверхвысокого напряжения.
Известна электроэнергетическая система, содержащая множество преобразователей переменного/постоянного тока, являющихся электрически связанными с кольцом линий электропередач постоянного тока, являющимся внешним относительно локального центра потребления электроэнергии переменного тока, которое предназначено для преобразования электроэнергии переменного тока из удаленной электростанции в электроэнергию постоянного тока и для предоставления электроэнергии постоянного тока, преобразованной в одном из преобразователей переменного/постоянного тока, по меньшей мере, для некоторых других нагрузок из множества электрических нагрузок постоянного тока на кольце линий электропередач постоянного тока [Патент РФ №2343 614].
Недостатком этого устройства является невозможность реверса мощности между узлами сети переменного тока.
Известна многомодульная вставка постоянного тока, содержащая три системы шин переменного тока, три линии переменного тока, систему шин постоянного тока, инверторы, трансформаторы, блок управления и переключатель режимов [Балыбердин Л.Л, Дьячков В.А., Капитула Ю.В., Лозинова Н.Г. Многомодульные вставки постоянного тока как одно из средств ограничения токов короткого замыкания и повышения управляемости энергосистем мегаполисов /Известия НИИ постоянного тока, 2010, №64].
Недостатками этого устройства является невозможность регулирования напряжения в сети переменного тока и питания выделенной нагрузки при отсутствии напряжения хотя бы на одной из систем шин переменного тока.
Известна вставка постоянного тока, соединяющая две энергосистемы и содержащая два управляемых преобразователя напряжения с системами внутреннего регулирования, емкостный накопитель энергии, измеритель выпрямленного напряжения и тока, измеритель мощности, автоматический регулятор выпрямленного напряжения и автоматический регулятор мощности [Патент РФ №2394327]. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Недостатками этого технического решения являются ограниченная область применения - возможность подключения только к узлам сети переменного тока, территориально неудаленным друг от друга, и, как следствие, неэффективное ограничение токов короткого замыкания и управление потокораспределением в сети переменного тока.
Целью предполагаемого технического решения является снижение токов короткого замыкания и повышение эффективности управления потоками мощности в электроэнергетической системе.
Поставленная цель достигается тем, что электроэнергетическая система, содержащая узлы сети переменного тока высокого, среднего и низкого напряжения, соединяющие их трансформаторы и подключенные к узлам сети линии электропередач, причем в двух узлах сети переменного тока низкого напряжения установлены управляемые преобразователи напряжения с автоматическими регуляторами выпрямленного напряжения и мощности (преобразователи), связанные по постоянному току, дополнительно содержит по крайней мере третий преобразователь, причем все преобразователи соединены между собой линиями постоянного тока, имеют общий блок управления автоматическими регуляторами выпрямленного напряжения и мощности (общий блок) и подключены к узлам сети переменного тока, разнесенным территориально; при этом преобразователь содержит выпрямитель, вход которого подключен к узлу сети переменного тока низкого напряжения, а выход - ко входу инвертора, выход переменного тока которого соединен с узлом сети переменного тока низкого напряжения, автоматический регулятор выпрямленного напряжения и мощности (автоматический регулятор), датчик напряжения, датчик тока, блок измерения напряжения, блок измерения тока линии, причем вход датчика напряжения подключен к узлу сети переменного тока высокого напряжения, а выход - ко входу блока измерения напряжения, выход которого подключен к первому входу автоматического регулятора, второй вход которого соединен с выходом общего блока, а выход подключен к изолированным затворам биполярных транзисторов инвертора, вход датчика тока подключен к линии, отходящей от узла переменного тока высокого напряжения, а выход - ко входу блока измерения тока линии, выход которого подключен ко входу общего блока; кроме того, узлы сети переменного тока высокого напряжения, соединенные через трансформатор с узлами сети переменного тока низкого напряжения, в которых установлены преобразователи, связаны с другими узлами сети переменного тока высокого напряжения газоизолированными линиями; при этом к линиям постоянного тока подключены электроаккумулирующие установки.
Схема электроэнергетической системы приведена на фиг.1.
Электроэнергетическая система содержит: узлы сети переменного тока высокого напряжения (1, 2, 3) и связывающие их линии высокого напряжения (4), узлы сети переменного тока среднего напряжения (5), узлы сети переменного тока низкого напряжения (6, 7, 8) и связывающие их трансформаторы (9), преобразователи (10, 11, 12), подключенные соответственно к узлам сети переменного тока низкого напряжения (6, 7, 8) и связанные линииями постоянного тока (13), а также общий блок (14), выходы которого соединены с преобразователями (10, 11, 12).
При этом преобразователи (10, 11, 12), приведенные на фиг.2, содержат выпрямители (15), входы которых подключены к узлам сети переменного тока низкого напряжения (6, 7, 8), а выходы - ко входам инверторов (16), выходы переменного тока которых соединены с узлами сети переменного тока низкого напряжения (6, 7, 8), датчики напряжения (17), датчики тока (18), блоки измерения напряжения (19), блоки измерения тока линии (20), автоматические регуляторы (21), входы датчиков напряжения (17) подключены к узлам сети переменного тока высокого напряжения (1, 2, 3), а выходы - ко входам блоков измерения напряжения (19), выходы которых подключены ко входам «а» автоматических регуляторов (21), входы «б, в, г» которых соединены с выходами «д, и, к» соответственно общего блока (14), выходы автоматических регуляторов (21) подключены к изолированным затворам биполярных транзисторов инверторов (16), входы датчиков тока (18) подключены к линиям высокого напряжения (4), отходящим от узлов переменного тока высокого напряжения (1, 2, 3), а выходы - ко входам блоков измерения тока линии (20), выходы которых подключены ко входам «е, з, л» общего блока (14).
Электроэнергетическая система работает следующим образом. При подключении трех преобразователей 10, 11, 12 (фиг.1) через линии постоянного тока 13, трансформаторы 9 и преобразователи 10, 11, 12 переменный ток течет между узлами сети переменного тока среднего напряжения 5 аналогично тому, как это было бы, если бы узлы сети переменного тока среднего напряжения 5 были соединены между собой линиями переменного тока. Линии постоянного тока 13 через преобразователи 10, 11, 12 связывают между собой узлы сети переменного тока среднего напряжения 5 в нормальном режиме работы электроэнергетической системы. Эта связь выполняет также дополнительную функцию управляемого обмена активной мощностью между узлами сети переменного тока высокого напряжения 1, 2, 3, о которой пойдет речь ниже, и при этом дает возможность не связывать между собой узлы сети переменного тока среднего напряжения 5 линиями переменного тока, наличие которых в сети переменного тока среднего напряжения приводит к многократному повышению значения токов короткого замыкания.
Рассмотрим два характерных режима.
1. Короткое замыкание в одном из узлов сети переменного тока среднего напряжения 5.
При возникновении короткого замыкания в любом из узлов сети переменного тока среднего напряжения 5 сверхток короткого замыкания будет протекать через поврежденное присоединение в течение времени, равного времени аварийного отключения преобразователей 10, 11, 12. По истечении данного времени ток в линиях постоянного тока 13 прекращается. Создаются три разрыва, предотвращающие дальнейшую подпитку дуги или сверхтока короткого замыкания в любом из узлов сети переменного тока среднего напряжения 5 со стороны узлов сети переменного тока низкого напряжения 6, 7, 8. Значение тока короткого замыкания ограничивается уровнем тока, обусловленным параметрами одного (а не суммы трех) узла сети переменного тока среднего напряжения 5, и, следовательно поврежденное присоединение будет гарантированно отключено одним из коммутационных аппаратов, установленных в цепи поврежденного присоединения.
2. Обмен активной мощностью между узлами сети переменного тока высокого напряжения 1, 2, 3 и регулирование напряжения в них.
От узлов сети переменного тока высокого напряжения 1 и 2 по линиям высокого напряжения 4 активная мощность передается в сеть переменного тока, а из сети переменного тока мощность по линиям высокого напряжения 4 передается в узел сети переменного тока высокого напряжения 3 (фиг.2).
По первому сигналу диспетчера, поступающему на вход «ж» общего блока 14, с выходов «д», «и» этого блока на входы «б» и «в» соответственно автоматических регуляторов 21 поступают сигналы, активизирующие входы «а» автоматических регуляторов 21 преобразователей 10, 11, на которые с выходов блоков измерения напряжения 19 преобразователей 10, 11 поступают сигналы, соответствующие значениям напряжений в узлах сети переменного тока высокого напряжения 1 и 2. При этом с выходов автоматических регуляторов 21 преобразователей 10, 11 на изолированные затворы биполярных транзисторов инверторов 16 преобразователей 10, 11 поступают импульсы управления, изменяющие частоту и длительность открытия транзисторов инверторов 16 преобразователей 10, 11 с выходов переменного тока которых напряжение ступенчатой формы, близкой к синусоидальной, подается через узлы сети переменного тока низкого напряжения 6, 7 в трансформаторы 9, откуда напряжение ступенчатой формы, близкой к синусоидальной, подается в узлы сети переменного тока высокого напряжения 1 и 2, в которых высокое напряжение трансформаторов 9 взаимодействует с сетевым напряжением через его реактанс и создает в общей цепи ток. Фаза этого тока определяет реактивную мощность, необходимую для поддержания заданного уровня напряжения в узлах сети переменного тока высокого напряжения 1 и 2, а величина этого тока определяет активную мощность, передаваемую по линиям электропередачи 4 (режим регулятора напряжения и передачи активной мощности).
По второму сигналу диспетчера, поступающему на вход «ж» общего блока 14, с выходов «д», «и» этого блока прекращается подача сигналов на входы «б», «в» автоматических регуляторов 21 преобразователей 10, 11, с выходов которых перестают поступать импульсы управления. Инверторы 16 преобразователей 10, 11 отключаются. Мощность из сети переменного тока по линиям высокого напряжения 4 поступает в узлы 1 и 2. Одновременно активизируется вход «л» общего блока, на который с выхода блока измерения тока линии 20 преобразователя 12 поступает сигнал, соответствующий значению передаваемой активной мощности из узла сети переменного тока высокого напряжения 3 по линии высокого напряжения 4 в сеть переменного тока. При этом с выхода «к» общего блока 14 на вход «г» автоматического регулятора 21 преобразователя 12 поступает сигнал, активизирующий выход автоматического регулятора 21 преобразователя 12, с выхода которого на изолированные затворы иполярных транзисторов инвертора 16 преобразователя 12 поступают импульсы управления, изменяющие частоту и длительность открытия транзисторов инвертора 16 преобразователя 12, с выхода переменного тока которого напряжение ступенчатой формы, близкой к синусоидальной, подается через узел сети переменного тока низкого напряжения 8 в трансформатор 9, откуда напряжение ступенчатой формы, близкой к синусоидальной, подается в узел сети переменного тока высокого напряжения 3, в котором высокое напряжение трансформатора 9 взаимодействует с сетевым напряжением через его реактанс и создает в общей цепи ток. Фаза этого тока определяет реактивную мощность, необходимую для поддержания заданного уровня напряжения в узле сети переменного тока высокого напряжения 3, а величина этого тока определяет активную мощность, передаваемую по линии электропередачи высокого напряжения 4 (режим регулятора напряжения и реверса активной мощности).
Кабельные линии высокого напряжения при прокладке непосредственно в земле или тоннеле не требуют отведения площадей, однако по сравнению с воздушными линиями удельная емкость кабеля в 12-15 раз выше, следовательно, для компенсации реактивной мощности, генерируемой такой линией, необходима установка шунтирующих реакторов с масляными системами охлаждения. Для размещения шунтирующих реакторов требуется площадь, причем общий объем масла, находящегося в этих аппаратах, весьма значителен. Размещение оборудования такого типа с системой пожаротушения на подстанциях в центре города нежелательно.
Весьма перспективным для решения проблемы электроснабжения мегаполисов и, в частности, центральных районов г.Москвы представляется применение газоизолированных линий электропередачи. Их удельная емкость в 3-4 раза ниже емкости кабельных линий соответствующего класса напряжения. На сегодняшний день компания SIEMENS уже разработала газоизолированные линии второго поколения Gas-Insulated Transmission Line (GIL) напряжением от 245 до 550 кВ и номинальным током до 4000А. Система GIL представляет собой токопроводящую шину, расположенную внутри проводящей оболочки, заполненной изолирующей газовой смесью, содержащей азот и шестифтористую серу. Эта конструкция в чем-то аналогична конструкции сборных шин КРУЭ соответствующего класса напряжения.
Электроаккумулирующие установки могли бы значительно улучшить динамическую устойчивость энергосистемы, а также быть полезными для компенсации потерь в сети переменного тока. Кроме того, как показывают исследования, кратковременная генерация активной мощности в заданном узле сети переменного тока примерно в 4 раза более эффективно влияет на демпфирование электромеханических колебаний в ветвях сети энергосистемы, чем генерация чисто реактивной мощности.
3
Компания ABB сообщила об испытании прототипа электроаккумулирующей установки на базе преобразователя СТАТКОМ и аккумуляторных батарей мощностью 630 кВА. В прототипе были использованы высокотемпературные Na-Ni хлоридные батареи, отличительной особенностью которых является способность самоизолировать повреждения в отдельных ячейках батареи, за счет чего достигается высокая надежность электроаккумулирующей установки. Технические характеристики батареи следующие: одна батарея емкостью 46 кВт часов весит 500 кг и занимает объем около 0,48 м. Прототип испытывался в режиме непрерывной выдачи и потребления активной мощности в количестве 150 кВт в течение 15 минут.
Таким образом, предлагаемое устройство энергосистемы позволяет, помимо ограничения тока короткого замыкания в сетях мегаполисов, управлять нормальными режимами, решать задачи противоаварийного управления, работать на выделенную нагрузку, а также передавать активную мощность по трем и более линиям электропередачи с одновременным регулированием напряжения в трех и более узлах сети переменного тока. В частности, энергосистемы мегаполисов имеют множество электрических связей сверхвысокого напряжения со смежными энергосистемами. Например, кольцо 500 кВ г.Москвы имеет внешние связи 500 кВ и 750 кВ.
Установка n-модульных вставок постоянного тока на линиях сверхвысокого напряжения, связывающих объекты генерации с подстанциями энергосистем, позволит обеспечить снижение токов короткого замыкания в энергосистемах мегаполисов, а также управляемость сети сверхвысокого напряжения. Количество модулей и их привязка к подстанциям каждой из энергосистем уточняется для отдельного мегаполиса при конкретном проектировании.