СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ВСТАВКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD TO CONTROL DC INSERT POWER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления режимом межсистемной электропередачи переменного тока, соединяющей две энергосистемы, работающие с разными частотами, и образованной двумя участками с промежуточными отборами мощности и шунтирующими эти участки цепями и вставкой постоянного тока на базе двух ведомых сетью преобразователей напряжения типа СТАТКОМ, управляемых способом широтно-импульсной модуляции (далее ВПТН).
Известны предложения по применению ВПТН для передачи мощности постоянным током между энергосистемами и энергоузлами, работающими с разными частотами [Ивакин В.И., Ковалев В.Д., Худяков В.В. Гибкие передачи переменного тока // Электротехника, 1996. - №8].
В настоящее время находится в эксплуатации ВПТН мощностью 36 МВт на границе энергосистем Мексики и штата Техас США, включенная в межсистемную электропередачу 138 кВ. Приоритетное назначение ее состоит в регулировании напряжения в дефицитной энергосистеме Техаса. Подобные устройства, выполненные в качестве мобильных установок для питания потребителей и поддержания напряжения в распределительных сетях 135 кВ, используются в США. Известны случаи использования ВПТН для подключения электродуговых печей [Материалы семинара «Технологии и оборудование АББ для гибких управляемых систем электропередачи переменного тока (FACTS)»]. Находящиеся в эксплуатации известные устройства включены в короткие электрические связи или работают на стационарную выделенную нагрузку.
Недостатком известных предложений по применению ВПТН является отсутствие указаний на способы управления ими при аварийных ситуациях во внешних электрических сетях.
Наиболее близким к предлагаемому способу управления мощностью ВПТН является способ управления переходными процессами в ВПТ, приведенный в [Кощеев Л.А., Кучеров Ю.Н., Шлайфштейн В.А. Системные характеристики вставок постоянного тока и компенсаторов реактивной мощности, выполненных на основе преобразователей напряжения. Электронный журнал «Новое в российской электроэнергетике», 2003. - №1]. Данное техническое решение принято за прототип.
Недостатком данного предложения является то, что управление ВПТН при ослаблении ее связей с отправной или приемной энергосистемами не учитывает режимов работы цепей, шунтирующих эти связи.
Цель предлагаемого изобретения состоит в использовании управляемости ВПТН в межсистемную электропередачу, соединяющую энергосистемы, работающие с разными частотами переменного тока, и образованную двумя участками с промежуточными отборами мощности и шунтирующими цепями, для сохранения электроснабжения потребителей, подключенных к промежуточным точкам межсистемной электропередачи, с одновременным ограничением перетока мощности по шунтирующим ее электрическим цепям.
Указанная цель достигается тем, что в способе управления мощностью вставки постоянного тока в межсистемную электропередачу, соединяющую первую и вторую энергосистемы, работающие с разными частотами переменного тока, и образованную первым и вторым участками с промежуточными отборами мощности и шунтирующими цепями, содержащей первый и второй управляемые преобразователи напряжения с системами внутреннего управления преобразователей напряжения, емкостный накопитель энергии, измеритель выпрямленного напряжения и тока, измеритель мощности, автоматический регулятор выпрямленного напряжения и автоматический регулятор мощности, причем выход переменного тока первого управляемого преобразователя напряжения через первый участок межсистемной электропередачи соединен с шинами первой энергосистемы, выход постоянного тока первого управляемого преобразователя напряжения соединен с входом емкостного накопителя энергии, выход которого через измеритель выпрямленного напряжения и тока соединен с первым и вторым входами автоматического регулятора выпрямленного напряжения, к третьему входу которого подключен сигнал уставки выпрямленного напряжения, а его выход соединен с первым входом системы внутреннего управления первого управляемого преобразователя напряжения, выход которой соединен с входом первого управляемого преобразователя напряжения, выход переменного тока второго управляемого преобразователя напряжения через второй участок межсистемной электропередачи соединен с шинами второй энергосистемы и через измеритель мощности соединен с первым входом автоматического регулятора мощности, ко второму входу которого подключен сигнал уставки мощности, а его выход соединен с первым входом системы внутреннего управления второго управляемого преобразователя напряжения, выход которой соединен с входом второго управляемого преобразователя напряжения, выход постоянного тока второго управляемого преобразователя напряжения соединен с входом емкостного накопителя энергии, при котором измеряют выпрямленное напряжение и ток емкостного накопителя энергии, сравнивают измеренное напряжение с уставкой и формируют сигнал управления на первом входе системы внутреннего управления первого управляемого преобразователя напряжения по отклонению выпрямленного напряжения от уставки и измеренному выпрямленному току, измеряют мощность на выходе переменного тока второго управляемого преобразователя напряжения, сравнивают ее с уставкой и формируют сигнал управления на первом входе системы внутреннего управления второго управляемого преобразователя напряжения по отклонению измеренной мощности от уставки, измеряют фазу и частоту напряжения на шинах первой энергосистемы и подают измеренные значения соответственно на второй и третий входы системы внутреннего управления первого управляемого преобразователя напряжения, измеряют фазу и частоту напряжения на шинах второй энергосистемы и подают измеренные значения соответственно на второй и третий входы системы внутреннего управления второго управляемого преобразователя напряжения, и в случае разрыва первого или второго участка межсистемной электропередачи отключают автоматический регулятор мощности, подключают выход автоматического регулятора выпрямленного напряжения к первому входу системы внутреннего управления управляемого преобразователя напряжения, сохранившего связь с первой или второй энергосистемой, подают нулевой сигнал на первый вход системы внутреннего управления управляемого преобразователя напряжения, потерявшего связь с первой и второй энергосистемами.
Для пояснения сущности предлагаемого способа управления ВПТН на фиг.1 представлена схема двухцепной электропередачи 220 кВ, соединяющей две энергосистемы (далее по тексту ЭС 1 и ЭС 2). Электропередача образована последовательно-параллельными ВЛ 220 кВ и имеет девять промежуточных точек отбора мощности: 1÷9 - пункты промежуточного отбора мощности, аа÷кк - варианты возможных сечений при разрыве правого участка электропередачи.
Параллельно электропередаче 220 кВ на всем ее протяжении проходит контактная сеть электротяги 27,5 кВ, соединенная с промежуточными точками отбора мощности трансформаторными связями 220/27,5 кВ. Кроме того, левый участок электропередачи 220 кВ шунтирован ВЛ 110 кВ.
При выводе в ремонт любой ВЛ 220 кВ (фиг.1) соответственно на правом или левом участке электропередачи 220 кВ возникает одноцепная электрическая связь. В случае короткого замыкания на оставшихся в работе на этом участке ВЛ 220 кВ может возникнуть многовариантный разрыв электропередачи. В качестве примера на фиг.1 показаны 9 («аа»÷«кк») возможных вариантов разрыва правого участка электропередачи 220 кВ. При этом узлы отбора мощности левее сечения разрыва оказываются связанными через ВПТН с энергосистемой ЭС 1, узлы правее этого сечения сохраняют электрическую связь с энергосистемой ЭС 2, а сам разрыв оказывается зашунтированным контактной сетью электротяги 27,5 кВ.
При аварийном разрыве электропередачи 220 кВ может возникать недопустимый по величине транзит мощности по шунтирующей ее контактной сети электротяги 27,5 кВ и по ВЛ 110 кВ (в случае разрыва электропередачи 220 кВ на ее левом участке).
U1
U2
На фиг.2 представлена структура системы автоматического управления мощностью ВПТН в нормальной схеме электропередачи 220 кВ; 1 и 2 - управляемые преобразователи напряжения, 3 и 4 - системы внутреннего управления преобразователей напряжения, 5 - емкостный накопитель энергии, 6 - измеритель выпрямленного напряжения и тока, 7 - измеритель мощности, 8 - автоматический регулятор выпрямленного напряжения, 9 - автоматический регулятор мощности. На фигуре также показаны сигналы управления: δ, ω1 - фаза и частота напряжения U1 на шинах энергосистемы ЭС 1, δ, ω2 - фаза и частота напряжения U2 на шинах энергосистемы ЭС 2.
0
Выход переменного тока управляемого преобразователя напряжения 1 через левый участок электропередачи переменного тока соединен с шинами энергосистемы ЭС 1. Выход постоянного токауправляемого преобразователя напряжения 1 соединен с емкостным накопителем энергии 5. Выход емкостного накопителя энергии 5 через измеритель выпрямленного напряжения и тока 6 соединен с двумя измерительными входами автоматического регулятора выпрямленного напряжения 8. К третьему входу автоматического регулятора выпрямленного напряжения 8 подключен сигнал уставки выпрямленного напряжения Ud. Выход автоматического регулятора выпрямленного напряжения 8 соединен с первым входом системы внутреннего управления преобразователя напряжения 3 управляемого преобразователя напряжения 1, выход которой соединен с входом управляемого преобразователя напряжения 1.
0
Выход переменного тока управляемого преобразователя напряжения 2 через правый участок электропередачи переменного тока соединен с шинами энергосистемы ЭС 2 и через измеритель мощности 7 соединен с измерительным входом автоматического регулятора мощности 9, ко второму входу которого подключен сигнал уставки мощности P, а его выход соединен с первым входом системы внутреннего управления преобразователей напряжения 4 управляемого преобразователя напряжения 2. Выход системы внутреннего управления преобразователей напряжения 4 управляемого преобразователя напряжения 2 соединен с входом этого управляемого преобразователя. Выход постоянного тока управляемого преобразователя напряжения 2 соединен с емкостным накопителем энергии 5.
Каждый управляемый преобразователь напряжения (1 и 2) в составе ВПТН можно рассматривать как генератор переменной эдс
и  Связь между преобразователями напряжения в составе ВПТН по постоянному току задается выражением
d
1
2
1
2
1
2
Здесь U - выпрямленное напряжение на емкостном накопителе энергии 5, i1, i2 - токи управляемых преобразователей напряжения 1 и 2 на стороне выпрямленного напряжения, µ, µ - коэффициенты модуляции в системах ШИМ-управления преобразователей напряжения, δ, δ - фазы эдс управляемых преобразователей 1 и 2 соответственно относительно векторов ведущих напряжений U1, U2, измеренных на шинах энергосистем ЭС 1 и ЭС 2. Амплитуды эдс управляемых преобразователей напряжения 1 и 2 стабилизируются не показанными на фиг.2 регуляторами переменного напряжения, которые управляют коэффициентами µ, µ. Фазами эдс управляемых преобразователей напряжения 1 и 2 управляют: автоматический регулятор выпрямленного напряжения 8 на емкостном накопителе энергии 5 и автоматический регулятор мощности 9.
По условиям эксплуатации контактной сети электротяги, а также параллельной цепи 110 кВ (фиг.1) недопустимо появление несинхронных напряжений в местах возможного разрыва электропередачи 220 кВ. Чтобы исключить возможность исчезновения ведущего напряжения при разрыве электропередачи 220 кВ, в систему внутреннего управления преобразователей напряжения 3 управляемого преобразователя напряжения 1 целесообразно вводить значения частоты и фазы напряжения, измеренные на шинах энергосистемы ЭС 1, а в систему внутреннего управления преобразователей напряжения 4 управляемого преобразователя напряжения 2 - значения частоты и фазы напряжения, измеренного на шинах энергосистемы ЭС 2 (пунктирные линии на фиг.1).
ЭС
пн-2
1
2
Подключение автоматических регуляторов выпрямленного напряжения 8 и мощности 9 к тому или другому управляемому преобразователю напряжения в нормальной схеме электропередачи 220 кВ может быть произвольным. При этом величина и направление активной мощности, передаваемой через ВПТН, задается уставкой на входе автоматического регулятора мощности 9, а распределение фаз напряжения в пунктах отбора мощности (фиг.1) определяется транзитным перетоком мощности по электропередаче 220 кВ и величинами местных нагрузок. Качественную картину распределения фаз напряжения в нормальной схеме, например правого участка электропередачи 220 кВ между ВПТН и энергосистемой ЭС 2, иллюстрирует векторная диаграмма на фиг.3а. Здесь за начало отсчета фазовых углов принята фаза напряжения U на шинах энергосистемы ЭС 2 в точке замера ведущего напряжения U2, Е - эдс управляемого преобразователя напряжения 2, a U и U - напряжения на правой и левой сторонах предполагаемого места разрыва электропередачи 220 кВ.
На фиг.3 показано распределение фаз напряжения на участке электропередачи 220 кВ: а) в нормальной схеме, б) в момент разрыва электропередачи, в) под действием автоматического регулятора мощности 9.
Pазр.0
1
2
пн-2
эс
0
1
2
Pазр.1
Разрыв электропередачи 220 кВ со стороны управляемого преобразователя напряжения 1, управляемого автоматическим регулятором выпрямленного напряжения 8, приводит к нарушению стабильности выпрямленного напряжения Ud на емкостном накопителе энергии 5 (фиг.2). В случае разрыва электропередачи со стороны преобразователя напряжения, управляемого автоматическим регулятором мощности 9, нарушается нормальная работа последнего. Если в момент разрыва электропередачи 220 кВ место разрыва остается зашунтированным контактным проводом электротяги или параллельной ВЛ 110 кВ (при разрыве участка электропередачи между ВПТН и энергосистемой ЭС 1), проводимость этого участка сети уменьшается в несколько раз. В первый момент сдвиг фаз δ напряжений U и U соответственно слева и справа от места разрыва будет близким к разности фаз напряжений Е и U до разрыва электропередачи 220 кВ, как показано на фиг.3б. Поскольку в момент разрыва электропередачи 220 кВ может меняться как величина, так и направление мощности, передаваемой через ВПТН, на измерительном входе автоматического регулятора мощности 9 (фиг.2) появится несбалансированное рассогласование из-за несоответствия уставки мощности Р и сигнала обратной связи Р, который теперь определяется выделившейся нагрузкой, сохранившей связь с ВПТН, но утратившей связь с энергосистемой (в рассматриваемом примере это энергосистема ЭС 2). При этом автоматический регулятор мощности 9 будет изменять фазу эдс управляемого им преобразователя напряжения 2 вплоть до ее предельного значения, равного, например, 90°. В результате по концам цепи, шунтирующей место разрыва электропередачи 220 кВ, разность фаз напряжений U и U достигнет максимального значения δ, как показано на фиг.3в. Возникающий при этом транзит мощности по шунтирующей цепи может превысить допустимую величину.
п
Для сохранения устойчивой работы ВПТН в описанной ситуации необходимо в момент разрыва электропередачи 220 кВ отключить автоматический регулятор мощности 9, мешающий нормальной работе ВПТН. Одновременно на входе системы внутреннего управления управляемого преобразователя напряжения 2, питающего выделившуюся нагрузку, нужно установить значение фазового угла δ=0, что будет соответствовать нулевому сдвигу фазы эдс преобразователя относительно фазы ведущего напряжения энергосистемы. Это в свою очередь позволит ограничить транзит мощности через цепь, шунтирующую место разрыва электропередачи 220 кВ. Фаза эдс управляемого преобразователя напряжения 1, сохранившего при разрыве электропередачи 220 кВ связь с энергосистемой, должна управляться автоматическим регулятором выпрямленного напряжения 8, чтобы обеспечить стабильность выпрямленного напряжения на емкостном накопителе энергии 5 и баланс мощности ВПТН. В результате описанных выше действий структура системы автоматического управления мощностью ВПТН должна быть приведена к виду, показанному на фиг.4 (после разрыва электропередачи).
Таким образом, положительный эффект предлагаемого способа управления мощностью ВПТН, заключающийся в сохранении электроснабжения потребителей в промежуточных точках отбора мощности электропередачи переменного тока при ее аварийных разрывах с одновременным ограничением перетока мощности по шунтирующим ее электрическим цепям, достигается за счет того, что измеряют частоту и фазу напряжения на шинах первой энергосистемы и подают измеренные значения соответственно на второй и третий входы системы внутреннего управления первого преобразователя напряжения, измеряют частоту и фазу напряжения на шинах второй энергосистемы и подают измеренные значения соответственно на второй и третий входы системы внутреннего управления второго преобразователя напряжения, при разрыве первого или второго участка межсистемной электропередачи отключают регулятор мощности, подключают выход регулятора выпрямленного напряжения к первому входу системы внутреннего управления преобразователя напряжения, сохранившего связь с первой или второй энергосистемой, подают нулевой сигнал на первый вход системы внутреннего управления преобразователя напряжения, потерявшего связь с первой и второй энергосистемой.