Статический синхронный компенсатор (СТАТКОМ) для энергетических компаний — SVC Light®

Предназначен для регулирования электрических нагрузок за счет генерирования и поглощения реактивной мощности. Часто существенные изменения передаваемой в нагрузку мощности происходят в течение нескольких часов. Соответствующим образом изменяется и баланс реактивной мощности в сети. Это может приводить к недопустимым изменениям амплитуды напряжения, в том числе к резкому провалу или даже лавине напряжения.

Аналогично системе статической компенсации реактивной мощности SVC данный СТАТКОМ способен мгновенно и длительно обеспечивать регулируемую реактивную мощность в соответствии с переходными напряжениями, поддерживая стабильность напряжения сети. В основу работы СТАТКОМа положены принципы действия источника напряжения с использованием метода уникальной ШИМ (широтно-импульсная модуляция) с коммутацией на транзисторах IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), что дает непревзойденный КПД и быстродействие устройства. В специальных модификациях СТАТКОМ может выполнять активную фильтрацию высших гармоник и подавление фликера. Поскольку установка этого СТАТКОМа и его компонентов требует чрезвычайно мало места, АББ запатентовала это малогабаритное высокопроизводительное устройство под названием SVC Light.

Включение устройства СТАТКОМ в одном или нескольких узлах сети позволяет увеличить пропускную способность электросети за счет повышения стабильности напряжения и уменьшения амплитуды его колебаний в различных электрических сетях. Кроме того, СТАТКОМ дает возможность улучшить качество электроэнергии.
​

Технология СТАТКОМ/SVC Light

SVC Light действует на той же технологической платформе, которая используется в системах высоковольтной передачи постоянного тока (HVDC), а именно в технологии HVDC Light®. Самым важным компонентом системы является модульный преобразователь источника напряжения (VSC), оборудованный биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), которые управляются методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Преобразователь VSC способен как генерировать, так и поглощать реактивную мощность. При необходимости преобразователь VSC может использоваться с переключаемыми или фиксированными реакторами с воздушными сердечниками и высоковольтными конденсаторами переменного тока в качестве элементов дополнительной реактивной мощности для достижения любого необходимого диапазона.

Принцип действия СТАТКОМ/SVC Light

SVC Light может рассматриваться как источник напряжения с внутренним сопротивлением. Физически он представляет собой модульный многоуровневый инвертер, действующий с распределенной вставкой постоянного тока или при постоянном напряжении постоянного тока (в зависимости от топологии преобразователя VSC). Он генерирует или поглощает реактивную мощность, электронным образом перерабатывая кривые напряжения и тока в преобразователе напряжения (сеть воспринимает устройство как синхронную машину с безынерционными процессами). В результате SVC Light не требуются конденсаторные батареи и шунтирующие реакторы для генерирования и поглощения реактивной мощности, что позволяет получить устройство компактной конструкции и с малой площадью основания. Высокая общая эффективность частоты коммутации транзисторов IGBT позволяют предельно быстро регулировать значения выходного напряжения. Эти характеристики особенно важны для выполнения таких задач, как подавление фликера, порождаемого дуговыми сталеплавильными печами, балансировка напряжения, фильтрации гармоник и восстановление напряжения в сети. Встроенные конденсаторы постоянного тока служат для поддержки и стабилизации управляемого напряжения постоянного тока, необходимого для работы преобразователя. Преобразователи источника напряжения, подключенные в конфигурации с расположением вплотную между двумя шинами переменного тока, могут регулировать активную мощность, реализуя схему двойного назначения устройств. За счет расположения вплотную преобразователи могут передавать активную мощность между двумя сетями переменного тока (синхронными или асинхронными и даже с различными частотами) и одновременно с этим обеспечивать в них контроль реактивной мощности.

На многих промышленных предприятиях для улучшения гармонического состава сети устанавливаются Они не только улучшают гармонический состав сети, но и компенсируют реактивную энергию, улучшая тем самым коэффициент мощности сети cosφ.

На предприятиях с резко-переменной нагрузкой при отключении какого-либо из потребителей могут возникать проблемы с тем, что cosφ может становиться больше единицы. Для того чтобы не отдавать реактивную мощность обратно в сеть необходимо отключить фильтр от цепи, как делается при секционном регулировании в . Но если отключить фильтр от цепи, он перестанет сглаживать гармоники, то есть теряется смысл его установки. Разбивать ФКУ на секции и вводить посекционно — дорого, требует огромных площадей и большого числа коммутационной аппаратуры. Для решения этой задачи был создан статический компенсатор реактивной мощности или декомпенсатор.

Он состоит из тиристорного регулятора напряжения (ТРН) и реактора, подключенного через вентильный ключ к цепи. Мощности реактора и ФКУ равны. При изменении cosφ>1 тиристорный регулятор увеличивает ток реактора, чем увеличивает реактивную составляющую потребляемую этими реакторами, тем самым выравнивая баланс мощности в заданном диапазоне. На рис.1 приведена схема этого устройства

Рис.1 Схема включения статического компенсатора

Главным достоинством статического компенсатора является быстрое и плавное изменение реактивной составляющей цепи. При его применении можно регулировать cosφ в заданных пределах в автоматическом режиме.

Статический тиристорный компенсатор со шкафом управления не может быть расположен на улице, они всегда располагаются в помещении. ФКУ может быть расположено как в помещении, так и снаружи. Фильтры и реакторы могут соединяться шинами или кабелями в зависимости от токов и напряжений установок. На рис.2 показан пример размещения оборудования

Как видно из рис.2 в помещении находится система управления статическим компенсатором и вентильный ключ. Через шины он соединяется с реакторами и фильтрами высших гармоник, которые находятся на улице.

Система охлаждения тиристорного регулятора, как правило воздушная. Она дешевле жидкостной, легче в эксплуатации, не требует дополнительных узлов электроники, механики, вращающихся компонентов. Также, воздух, проходящий через вентиляционные шахты, преобразователя охлаждает не только силовые модули, но и R-C цепи (служащие для защиты тиристоров от перенапряжений) и другие элементы. Если токи слишком большие, а размеры аппаратуры ограничены, применяют жидкостное охлаждение.

Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности автоматизированы. Управление осуществляется как в автоматическом режиме, так и в ручном с панели оператора. Данные о работе устройства могут записываться в память статического тиристорного компенсатора и таким образом вести учет компенсируемой энергии за промежуток времени, а также хранится данные о всех неисправностях, методах их устранения. Это очень удобно для анализа потребляемой энергии, статистических данных по электроснабжению, а также проводить качественный анализ сети в различных режимах работы.

Вывод: статический тиристорный компенсатор очень удобен для предприятий с наличием высших гармоник и резко-переменной нагрузкой. Он позволяет плавно регулировать реактивную энергию в цепи, а также фильтровать высшие гармоники, улучшая тем самым качество сети.

Аналитика - Электрические сети

Какова роль управляемых устройств компенсации реактивной мощности типа СТАТКОМ, кем они производятся и где применяются?

Член семьи FACTS

По мнению экспертов, актуальность применения устройств компенсации реактивной мощности в энергетике очевидна, а высокая роль этих установок неоднократно доказывалась. 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.

«FACTS позволяют отслеживать мгновенные характеристики энергообмена и создавать тот или иной режим компенсации, — рассказывает Александр Ильин, территориальный менеджер группы высоковольтных коммутационных аппаратов компании АББ. — К ним относятся асинхронные компенсаторы (АК), устройства управляемой продольной компенсации (УПК), статические тиристорные компенсаторы (СТК) и устройства типа СТАТКОМ, которые отличаются от классического СТК тем, что управляются IGBT, то есть биполярными транзисторами с изолированным затвором, а не IGCT - управляемыми тиристорами. Применение IGBT позволяет сократить установленную реактивную мощность установки примерно в два раза, и время реагирования системы, что в свою очередь, позволяет такой установке бороться с так называемым «фликер - эффектом» (ненормативные отклонения и колебания частоты сети и напряжения — Прим. ред.)».

На сегодняшний день интерес к системам FACTS и, в частности к СТАТКОМ, связан с постепенной интеллектуализацией энергосистем. В активно-адаптивных, или «умных», сетях такие характеристики FACTS, как широкие рабочие диапазоны регулирования и высокое быстродействие, становятся особенно востребованными. Специалисты отрасли полагают, что использование динамических устройств компенсации реактивной мощности может помочь в решении таких актуальных проблем, как недостаточная пропускная способность линий, слабая управляемость сетей, неоптимальное распределение потоков мощности по параллельным линиям и т.д.

СТК АББ в Магнитогорске на ММК, 35 кВ, 0/180 Мвар (фото предоставлено АББ)

«Требования к эффективности эксплуатации сетей сегодня растут, при этом увеличение мощности уже ограничено, а дистанционная передача реактивной мощности нереальна — требуется локальная компенсация, — отмечает Шэнь Фэй, д.т.н., директор центра разработок СТАТКОМ, Sieyuan Electric Co. (Китай). — Зачастую источники генерации находятся далеко от центра нагрузки, дистанционная передача электроэнергии требует решений, которые гарантируют стабильность и контроль напряжения с помощью компенсации реактивной мощности.

В распределительных сетях существует большой объем индуктивной нагрузки, которая потребляет огромную реактивную мощность и влечет за собой увеличение потерь в распределительных системах; потребители распределительных сетей часто сталкиваются с нелинейной нагрузкой и волновой нагрузкой, которая не только ведет к недостаточной компенсации или перекомпенсации реактивной мощности и последующему повышению потери из-за тока реактивной мощности, но и создает соответствующие колебания напряжения, влияющее на безопасность всех потребителей, подключенных к данной сети. Технология динамической компенсации реактивной мощности на основе IGBT призвана удовлетворить растущие требования потребителей к качеству электроэнергии, не смотря на существующие проблемы».

Однако СТАТКОМ интересен с точки зрения систем не только переменного, но и постоянного тока. На сегодняшний день в Единой энергосистеме России СТАТКОМ внедряется в первую очередь именно для создания вставок постоянного тока. Далее мы подробнее поговорим об этом.

СТАТКОМ или СТК?

В ряде публикаций отмечается, что на сегодняшний день СТАТКОМ — наиболее совершенное устройство компенсации реактивной мощности, своего рода вершина эволюции. К его преимуществам относят многофункциональность, высокое быстродействие, малое содержание высших гармоник, малые размеры, позволяющие до двух раз сократить занимаемую площадь по сравнению с СТК.

СТАТКОМ показывает куда меньшую вероятность появления резонансных явлений, а при снижении напряжения переходит в режим постоянного источника тока, обеспечивая постоянное выходное напряжение, в отличие от систем СТК. Также к плюсам СТАТКОМ относят возможность поддержания номинального емкостного выходного тока при низком напряжении системы, что, в свою очередь, обеспечивает более высокую динамическую устойчивость передачи по сравнению с СТК.

Несмотря на многочисленные преимущества, первые сообщения о которых появились еще в конце 1990-х гг., пока рано говорить о том, что СТАТКОМ стал широко распространенным явлением. По всей вероятности, причиной тому высокая стоимость устройства. Более того, для ряда применений в нем просто нет острой необходимости. Существует мнение, что применение СТАТКОМ вместо СТК в электрических сетях не так актуально, как его внедрение в сетях резко переменных нагрузок промышленных предприятий, к примеру, металлургических.

«Для большинства потребностей энергосистемы России не требуется применения СТАТКОМ, ведь время реакции установки СТК вполне достаточно для решения задач энергетики, — считает Александр Ильин. — Качественные СТК способны обеспечить баланс мощности между двумя энергосистемами, контроль уровня напряжения и его стабилизацию, повышение качества электроэнергии, увеличение надежности системы, сокращение потерь и др. Подобное оборудование применимо практически в любой отрасли энергетики: будь то железнодорожный электрифицированный транспорт, заводы с резкопеременной нагрузкой или нефтедобыча. СТАТКОМ — более дорогое исполнение, и по-настоящему он необходим, когда стоит задача бороться с выраженным фликер-эффектом, однако такое требование в конкурсах встречается крайне редко. Также СТАТКОМ актуален, если необходимо сократить площадь установки».

СТАТКОМ на российском рынке

Сложность оборудования и отсутствие широкого рынка сбыта сказывается на количестве игроков рынка, и все же несколько компаний занимается темой СТАТКОМ в России. Это крупные международные производители — АББ, Сименс, Альстом. Азиатские, в частности китайские компании предпринимают попытки выхода на российский рынок, из наиболее известных можно назвать Hitachi. К счастью, есть и российские компании, предлагающие СТАТКОМ. В некоторых случаях отечественные производители используют оборудование зарубежных поставщиков, дополняя его своим программным обеспечением.

Первый пилотный образец отечественного устройства мощностью 50 Мвар был разработан ОАО «НТЦ электроэнергетики» ФСК ЕЭС совместно с ООО «НПЦ Энерком-Сервис». Устройство было задумано как базовый элемент для создания инновационных систем компенсации реактивной мощности и управления потоками электроэнергии, включая современные линии электропередачи и вставки постоянного тока. По словам разработчиков, отечественный СТАТКОМ отличается от зарубежных аналогов тем, что в нем использованы только транзисторные вентили. Такой подход создает возможность более гибкого управления и дополнительного снижения потерь.

СТК в Нефтедобыче, Греция, 135кВ, -8/+36Мвар (фото предоставлено АББ)

Пилотный образец устройства был предназначен для установки на ПС 330/400 кВ «Выборгская» для повышения надежности работы вставки постоянного тока, предназначенной для экспорта электроэнергии в Финляндию.

Другая вставка постоянного тока создается в Забайкальском крае на ПС 220 кВ «Могоча» для несинхронной связи энергосистем Сибири и Востока, на сегодняшний день работающих изолировано. СТАТКОМ сюда поставляет ООО «НПЦ Энерком-Сервис». Оборудование данного производителя закладывалось и на других объектах, в частности при проектировании ВЛ 500 кВ Усть Кут — Нижнеангарская с ПС 500 кВ Нижнеангарская.

«При выполнении расчетов электрических режимов и устойчивости энергосистем мы неоднократно учитывали вставки постоянного тока, в том числе вставки постоянного тока мощностью 200 МВт для создания несинхронной связи энергосистем Сибири и Востока, выполненные на базе СТАТКОМ, разработанном ООО «НПЦ Энерком-Сервис», — сообщает Алексей Жидков, главный инженер Сибирского института проектирования энергетических систем Департамента электрических сетей ЗАО «Сибирский ЭНТЦ»

Другой российский производитель — ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ» предлагает два типа СТАТКОМ. Первый — одноуровневые D-СТАТКОМ с подключением к шинам 6-10 кВ через понижающий трансформатор. Они предназначены для улучшения качества электроэнергии, симметрирования нагрузки и компенсации реактивной мощности в распределительных сетях промышленных предприятий. Второй тип — многоуровневые бестрансформаторные СТАТКОМ, подключаемые непосредственно на шины среднего напряжения 6-35 кВ. Такие устройства применяются для снижения воздействия на сеть мощных быстропеременных нагрузок и повышения динамической устойчивости в сетях высокого напряжения.

В предложении Hitachi также фигурирует D-STATCOM. Устройство позиционируется как компактный источник или приемник реактивной мощности, контролирующий напряжение в сети.

СТАТКОМ производства АББ носит товарное имя SVC Light. Компания активно занимается производством устройств с использованием технологии FACTS с 1972 г., за это время ввела более 500 установок по всему миру. АББ обладает собственными заводами по производству силовой полупроводниковой электроники (IGBT, IGCT), конденсаторов и т.д. и поставляет оборудование вместе с программным обеспечением собственной разработки.

СТАТКОМ на ПС 220 кВ Могоча в Забайкальском крае (фото ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»)

В поисках своего места

В завершении краткие комментарии наших экспертов, относительно роли СТАТКОМ в развитии современных, в том числе интеллектуальных, энергосистем.

По мнению Шэнь Фэя, статические устройства динамической компенсации реактивной мощности (СТАТКОМ) в настоящее время — важнейший элемент в составе системы гибкой передачи переменного тока, которая уже успешно эксплуатируется в США, Германии, Японии и Китае.

«Не только СТАТКОМ, но и полноценная установка СТК представляет собой «умную сеть», позволяющая в реальном времени следить за состоянием сети, вовремя реагировать и влиять на протекающие в ней процессы, исключая негативные последствия влияния резкопеременной нелинейной нагрузки», — убежден Александр Ильин.

«Как и в отношении любого инновационного оборудования, позволяющего поддерживать в сложных режимных условиях требуемый уровень и качество напряжения и мощности, повышать пропускную способность электропередач, регулировать перетоки мощности, перспективы СТАТКОМ видятся в возможности решения задач электросетевого комплекса на качественно новом уровне», — считает Алексей Жидков.

Сейчас сложно говорить о том, какое место займут СТАТКОМ в российских электросетях в будущем. На сегодняшний день оборудование применяется точечно — на участках с «особыми потребностями», и пока нет никаких свидетельств в пользу того, что устройство существенно подешевеет и станет повсеместно применяемым. Будет ли данное высокотехнологичное решение и дальше использоваться только в узкоспециализированных нишах, покажет время.

Иван Благодатский

На заставке: СТК Light® (СТАТКОМ) в металлургии (фото предоставлено АББ)

От редакции: По мнению некоторых экспертов, сотрудничающих с сайт, подходы и терминология, использованные в статье, являются спорными. Кроме того, специалисты ряда российских компаний не смогли дать свои комментарии по теме на момент опубликования. Если вы хотите выразить свое мнение или поспорить с автором, обращайтесь в редакцию, которая будет рада предоставить вам возможность публично высказать свою точку зрения.

Развитие электроэнергетических сетей неизбежно оборачивается двумя проблемами. Во-первых, получившаяся сложнозамкнутая и многоуровневая система не может функционировать без жестких механизмов управления (автоуправления). Во-вторых, дальнейшее развитие системы требует вовлечения новых земель, что в условиях введения частной собственности на землю, оказывается весьма дорогим удовольствием. В сложившихся условиях весьма многообещающе выглядит идеология интеллектуальных сетей (Smart Grid), которая позволяет обеспечить управляемость и повысить передающую способность сетей. Ряд специалистов уже высказались в том ключе, что повышение интеллектуальности (управляемости) сетей является малобюджетной альтернативой строительства новых Л.Э.П.. Собственно, с некоторых пор движение в сторону управляемых сетей стало официально объявленной политикой российских сетевиков. 29 мая 2006 г. появился приказ РАО «ЕЭС России» №380 «О создании управляемых линий электропередачи и оборудования для них».

Что такое FACTS

В лексиконе российских энергетиков понятие «управляемые линии» фактически тождественно термину «гибкие линии» или FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems - гибкие системы передачи переменного тока). В свою очередь FACTS можно считать подсистемой «умных линий» SmartGrid. Чаще всего SmartGrid разделяют на следующие направления:1) Экономически эффективные технологий малой и средней генерации, включая альтернативные источники.2) Новое поколение устройств автоматизации (АСУ ТП, РЗА и пр.).3) Информационно-технологических системы для центров управления энергосистем.4) Активное электротехническое сетевое оборудование (FACTS), способное гибко менять характеристики передачи или преобразования электрической энергии с целью оптимизации режимов сети сразу по нескольким критериям: пропускная способность, уровень технологических потерь, устойчивость, перераспределение потоков мощности, качество электрической энергии и пр.В данной статье разговор пойдет только о последней (по списку, но не по значимости) составляющей умных сетей – об оборудовании для гибких линий (они же FACTS). Его применение позволяет повысить пропускную способность линий (по некоторым оценкам – до 20%), обеспечить устойчивую работу энергетические системы, обеспечить заданные диспетчером параметры сети, что предотвращает потери электрической энергии (до 40%). FACTS.Как замечает заместитель генерального директора, научный руководитель ОАО «НТЦ электроэнергетики», научный руководитель ВНИИЭ Юрий Шакарян , управляемые электропередачи, благодаря высокому быстродействию силовой электроники, способны воздействовать на происходящие в электроэнергетических системах процессы в режиме on-line, благодаря чему электропередачи превращаются из пассивных средств транспорта электрической энергии в активные устройства управления режимами работы.Юрий Шакарян предлагает такой вариант деления устройств FACTS на группы:- различного рода статические преобразователи в электропередачах переменного тока;- вставки постоянного тока и электропередачи постоянного тока;- электромашинные комплексы, состоящие из электрических машин переменного тока или ТС в комбинации с устройствами силовой электроники.В данной статье рассматриваются только статические устройства – то есть представители первых двух групп. Всего существует несколько десятков устройств FACTS: статические синхронные компенсаторы, управляемые реакторы и конденсаторные батареи как с тиристорным, так и с механическим переключением и т.д. Наиболее же распространены сегодня устройства компенсации реактивной мощности, а так же устройства, выполняющие несколько функций, одной из которых опять же является компенсации реактивной мощности.Снижение перетоков реактивной мощности в сети позволяет снизить потери активной энергии и напряжения, регулировать напряжение в энергосистеме, снизить загрузку Л.Э.П. и ТС. К устройствам компенсации реактивной мощности относится следующее оборудование: кондесаторные батареи (БСК); шунтирующие реакторы; фильтры высших гармоник; статические тиристорные компенсаторы (СТК) и пр.

Управляемые шунтирующие реакторы

Управляемые шунтирующие реакторы (УШР) – наиболее широко внедряемые устройства FACTS. УШР обеспечивают регулирование напряжения (реактивной мощности) в режиме реального времени.В простейшем виде реактор – это катушка индуктивности, потребляющая реактивный ток индуктивного характера. УШР – это переменное индуктивное сопротивление, плавно регулируемое подмагничиванием ферромагнитных элементов магнитной цепи. Данное устройство дополнительно выполняет функции полупроводникового ключевого прибора, что достигается за счет работы магнитной системы реактора в области глубокого насыщения. На холостом ходу реактора величина потребляемой реактивной мощности не превышает 3% номинального значения. Для увеличения загрузки реактора необходимо дополнительное подмагничивания магнитной системы. Оно происходит при подключении регулируемого источника постоянного напряжения к обмоткам управления (находятся на стержнях, установленных по два на фазу). Поток подмагничивания, в соседних стержнях направлен в разные стороны. Его нарастание вызывает насыщение стержней в соответствующие полупериоды тока, что в свою очередь, приводит к возникновению и возрастанию тока в сетевой обмотке. Изменение величины тока подмагничивания приводит к изменению тока сетевой обмотки, за счет чего обеспечивается плавное изменение уровней напряжения в точке подключения УШР и величина потребляемой им реактивной мощности.Шунтирующие реакторы компенсируют избыток реактивной мощности, снижают ее переток, при этом уменьшается ток в линиях, снижаются активные потери. В транзитных сетях с резко переменным графиком нагрузки, кроме того сокращается число коммутаций неуправляемых устройств. Помимо оптимизации режима работы сетей, результатом работы УШР становится увеличение срока службы оборудования. Наибольший эффект установки УШР проявляется в сетях 220 килоВ и выше на межсистемных Л.Э.П. с реверсивными перетоками активной мощности, загрузка которых в течение суток может меняться от нуля до предельно допустимой по пропускной способности.

Рис. 1 УШР на подстанции «Кудымкар» сетей Пермэнерго

Статические компенсаторы реактивной мощности Статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ) основаны на использовании управляемых реакторов и конденсаторных батарей. При параллельном их включении мощность всего устройства равна алгебраической сумме мощностей реактора и конденсаторной батареи (рис. 2). Весьма полезным свойством компенсаторов реактивной мощности на базе УШР является возможность подключения в точку необходимой компенсации реактивной мощности без использования промежуточных устройств. Это особенно важно для создания гибких линий электропередач с применением плавно-регулируемых устройств компенсации реактивной мощности по концам линии. Перспективно использование СКРМ в сетях с реверсивными перетоками активной мощности, в системах со слабыми межсистемными связями и в протяженных распределительных сетях.

Рис. 2 Принципиальная схема СКРМ на базе УШР

Статические тиристорные компенсаторы Статические компенсаторы, где реактор регулируется с помощью тиристорного ключа, получили название статических тиристорных компенсаторов (СТК). Эти устройства могут работать как на выдачу, так и на потребление реактивной мощности. Регулирование реактивной мощности происходит плавно и в широких пределах. С другой стороны, при работе тиристорных ключей возникают высшие гармоники, что требует введения в схему фильтров. Кроме того, СТК неэффективны в слабых сетях.Применение СТК в энергосистеме позволяет решить проблему изменения реактивного тока и сгладить колебания напряжения в узлах нагрузки и непосредственно у потребителя. Срок окупаемости затрат на СТК составляет в среднем от 0,5 до 1 г.. Например, применение СТК на одном из российских металлургических предприятий увеличило коэффициент мощности нагрузки с 0,7 до 0,97, снизило колебания напряжения питающей сети в 3 раза, снизило время одной плавки металла со 150 мин. до 130 мин. и удельный расход электрической энергии на тонну выплавленной стали на 4%.

Рис. 3 СТК российского производства в Анголе

СТАТКОМ

СТАТКОМ – статический компенсатор реактивной мощности. Он предназначен для регулирования реактивной мощности в широких пределах (плюс-минус 100%). СТАТКОМ отличается от описанного выше СКРМ иным устройством, увеличенным набором функций и улучшенными характеристиками. Упрощенно, СТАТКОМ, это преобразователь напряжения на управляемых силовых тиристорах (или транзисторах), включенный через ТС параллельно линии в узле сети, к которому подключена линия (рис. 4). Принцип работы СТАТКОМ идентичен принципу работы агрегатов бесперебойного питания: из напряжения источника постоянного тока за счет широтно-импульсной модуляции и использования фильтра гармоник формируется синусоидальное напряжение частотой 50 Гц±3 Гц. Главное свойство СТАТКОМ – способность генерировать ток любой фазы относительно напряжения сети. То есть СТАТКОМ обеспечивает регулирование значения выходного напряжения и его фазы. Регулирование происходит за счет изменения реактивной мощности, потребленной или выданной в сеть.

Рис. 4 Схема СТАТКОМ

Специалисты считают, что сегодня СТАТКОМ – наиболее совершенное статическое устройство FACTS. Он обладает высоким быстродействием, малым содержанием высших гармоник, малыми габаритами, может использоваться в любых электрических сетях. Использование СТАТКОМ позволяет не только регулировать напряжение, но и увеличивать пропускную способность сети, оптимизировать потоки мощности, улучшать форму кривой напряжения и т.д. Модификация СТАТКОМа – активный фильтр – позволяет компенсировать все высшие гармоники в сетях.

Рис. 5 Внешний вид СТАТКОМ

Фазоповоротные устройства

Фазоповоротное устройство (ФПУ) воздействует на угол передачи и соответственно на изменение передаваемой по линии мощности. Простейшая схема ФорсПУ (рис. 6) состоит из двух ТС: параллельного Т1 и последовательного Т2, создающего вектор дополнительного напряжения в линии, перпендикулярно направленного к вектору U1, что формирует фазовый сдвиг по отношению к основному напряжению на некоторый регулируемый угол. Вариант ФорсПУ с тиристорным управлением обладает быстродействием, способен влиять не только на распределение потоков активной мощности, но и на пределы динамической устойчивости.

Рис. 6 Схема фазоповоротного устройства

При включении в сеть ФорсПУ, электроэнергия распределяется по линиям электропередач пропорционально косинусу разности фазовых углов напряжения на входе и выходе линии. Там, где между двумя точками существуют параллельные цепи с разной емкостью, прямое управление величиной фазового угла позволяет контролировать распределение потока электрической энергии между ними, предотвращая перегрузки.Следует заметить, что ФорсПУ принципиально отличается от описанных выше статических тиристорных компенсаторов (СКРМ, СТК, СТАТКОМ). Хотя все эти устройства изменяют передаваемую по линии мощность, но они воздействуют на разные параметры. Статические компенсаторы воздействуют на напряжение, а ФорсПУ – на угол передачи.

Вставки постоянного тока

Вставка постоянного тока (ВПТ) – это преобразовательная ПС, в которой инверторы (устройства для преобразования постоянного тока в переменный) и выпрямители находятся в одном месте. ВПТ предназначена для преобразования переменного тока в постоянный и последующего преобразования постоянного тока в переменный исходной или иной частоты. Вставки постоянного тока используются для: соединения магистральных линий различной частоты или двух электрических сетей той же самой номинальной частоты, но разных нефиксированных фазовых сдвигов.Самая известная в Рф и самая крупная в мире (передаваемая мощность – 1400 МВт) вставка постоянного тока установлена на подстанции Выборгская (Ленинградская область), построенной специально для передачи электрической энергии в Финляндию. На энергообъекте установлены четыре блока комплектных выпрямительно-преобразовательных устройств (КВПУ) по 350 МегаВт. В отличие от большинства других ВПТ, устройство в Выборге может передавать электроэнергию только в одну сторону – от энергетические системы Рф в энергосистему Финляндии.

накладывается переменный поток сетевой обмотки, то результирующий поток смещается в область насыщения стержней магнитопровода. В свою очередь, насыщение стержней приводит к появлению тока в сетевой обмотке. При вводе или выводе энергии из контура управления возникает переходный процесс увеличения или уменьшения сетевого тока и соответственно потребляемой реактором реактивной мощности.

Рисунок 3.8. Схема УШР с подмагничиванием

Регулирование тока сетевой обмотки реактора производится по пропорциональному закону, в котором угол управления тиристорами источника выпрямленного тока изменяется по линейному закону в зависимости от рассогласования между заданным напряжением уставки и напряжением в точке подключения реактора.

Рисунок 3.9. Регулирование тока сетевой обмотки

Существует четыре основных вида подмагничивания реакторов:

1. Реакторы с продольным подмагничиванием – управляющий постоянный магнитный поток совпадает по направлению с переменным рабочим потоком, такие реакторы имеют резко нелинейные вольт-амперные характеристики, причем степень нелинейности возрастает с уменьшением подмагничивания.

2. Реакторы с поперечным подмагничиванием – управляющий магнитный поток направлен перпендикулярно переменному рабочему потоку. При этом характеристики намагничивания по продольной оси симметричны относительно начала координат. Реакторы такого типа имеют практически линейные вольт-амперные характеристики, наклон которых определяется током управления. Кроме того отсутствие прямой электромагнитной связи между ОУ и СО облегчает получение высокого быстродействия. Поэтому поперечное подмагничивание имеет ряд преимуществ перед продольными, однако уступает в эффективности намагничивания (приращение реактивной мощности на единицу напряжения управляющего поля).

3. Реакторы с продольно-поперечным подмагничиванием – имеют участки как с продольным, так и с поперечным подмагничванием, что позволяет получить оптимальную функциональность по отношению к реакторам с только продольным или только поперечным подмагничиванием.

4. Реакторы с кольцевым подмагничиванием – по конструктиву близки к электрической машине с заторможенным ротором. Регулировочные характеристики реактора аналогичны характеристикам реактора с продольным подмагничиванием и имеют существенную нелинейность. К недостаткам таких реакторов относится: невозможность пофазного управления и сложность изготовления.

Области работы магнитной системы УШРП на кривой намагничивания электротехнической стали определяются степенью намагничивания постоянным током (рисунок 3.10).

Диаграммы, поясняющие принцип действия и основные режимы работы УШРП приведены на рисунке 3.11. При отсутствии тока подмагничивания реактора формируемый магнитный поток близок к синусоидальному, поскольку магнитная система работает на начальном участке кривой намагничивания. В результате в сетевой обмотке реактора наводится противодействующая ЭДС и мощность потребляемая реактором из сети не превышает 3–5% от номинального значения.

По мере намагничивания магнитной цепи реактора происходит смещение по кривой намагничивания в область насыщения, в результате чего уменьшается амплитуда изменения потока, а следовательно и противодействующая ЭДС в сетевой обмотке и реактор загружается по реактивной мощности.

В режиме полного насыщения (максимальный постоянный ток в обмотке управления) магнитная система УШРП работает на участке насыщения и создаваемая противоэдс минимальна.

Ток фазы I

Ток управления I

Магнитные потоки Ф, Ф2

Рисунок 3.11. Осциллограммы физических величин УШРП с изменением степени намагничивания во времени

Рисунок 3.12. УТРТ

Схема УТРТ близка к схеме УШРТ, отличается тем, что ректоры LR совмещены с индуктивностью рассеяния согласующего трансформатора T. Таким образом, трансформатор имеет индуктивность рассеяния равную 100 %. Ток

трансреактора регулируется изменением углов управления одной равнозначной по мощности тиристорной группой.

В другой модификации УТРТ используется многоступенчатый принцип изменения реактивной мощности, однако, реакторы основанные на данной схеме в настоящее время не выпускаются.

УШРВ представляет собой упрощенную модификацию УШРТ, тиристорные вентили которого заменены на более дешевые вакуумные выключатели.

Рисунок 3.13. УШРВ.

Принцип действия УШРВ следующий. При изменении напряжения на шинах ПС автоматический регулятор АР с помощью распределителя управляющих воздействий РУВС подключает или отключает тем ступенями необходимое количество реакторных секций, воздействуя тем самым на потребляемую реактивную мощность и обеспечивая поддержание напряжения в заданных уставкой пределах.

Регулятор имеет два канала:

Медленно действующий – обеспечивающий минимальное число коммутаций и отрабатывающий только два максимума суточного графика нагрузки.

Быстродействующй – реагирующий на существенное увеличение напряжения или на команду внешней автоматики, например при гашении дуги в паузе ОАПВ.

LRo – дополнительный реактор в нейтрали трансформатора, для гашения дуги подпитки, при этом включаются все реакторы Q2 и размыкается треугольник Q3 (КБ отсутствует).

Второй вариант гашения аналогичен УШРТ отключаютя выключатели Q2 неповрежденных фаз и отключением выключателя Q3 в треугольник вводится КБ.

Лекция 4 Поперечный компенсатор второго поколения FACTS устройств

Статический синхронный компенсатор (СТАТКОМ) или static synchronous compensator (STATCOM) – это устройство на базе статического преобразователя, работающее в качестве статического компенсатора реактивной мощности, чей емкостный или индуктивный выходной ток может изменяться независимо от переменного напряжения сети.

СТАТКОМ является одним из основных устройств FACTS, на его основе могут быть реализованы вставки постоянного тока и различные комбинированные устройства продольно-поперечной и продольно-продольной компенсации . При этом, СТАТКОМ может быть реализован и на основе источника напряжения (предпочтительно), и на основе источника тока.

Рисунок 4.1. СТАТКОМ на базе источника напряжения и источника тока

Устройство СТАТКОМ в общем случае содержит (см. рисунок 4.2):

- статический преобразователь, способный работать в различных режимах потребления и генерации активной и реактивной мощности и обычно располагающийся в закрытом помещении (красный);

- согласующий трансформатор для подключения к шинам высокого напряжения (желтый);

- звено постоянного тока (выпрямленного напряжения), обеспечивающее стабильность тока (напряжения) для реализации модуляции синусоидальных токов (напряжений) (голубой);

- пассивные фильтры (зеленый).

Рисунок 4.2. Вставка постоянного тока на базе двух СТАТКОМ

Существуют различные схемы реализации СТАТКОМ. Один из возможных вариантов СТАТКОМ с преобразователем напряжения представлен на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3. Упрощенная принципиальная схема СТАТКОМ

Для определения функциональных возможностей СТАТКОМ необходимо рассмотрение принципа работы силового оборудования. Рассматривая принципиальную схему, стоит отметить следующее:

- имеющиеся в составе СТАТКОМ фильтры не оказывают существенного влияния на его характеристики с точки зрения описания процессов протекающих в СТАТКОМ, и их роль будет рассмотрена позднее;

- статический преобразователь формирует напряжение близкое к гармоническому в довольно широком спектре частот (вплоть до частоты коммутации вентилей) и может быть замещено источником ЭДС при условии пренебрежения потерями;

- реактор и трансформатор без учета потерь могут быть представлены индуктивным сопротивлением – сопротивлением связи между шинами подстанции и статическим преобразователем.

Таким образом, схема замещения СТАТКОМ (рисунок 4.4) аналогична схеме замещения синхронной электрической машины. А поскольку сходными также являются и характеристики этих устройств, то становится понятна и причина названия данного статического устройства – статический синхронный компенсатор.

Рисунок 4.4. Схема замещения СТАТКОМ

Полная мощность устройства определяется по выражению

S = 3 С sin α − j3С cos α −С ,

а поскольку напряжение статического преобразователя может быть управляемо как по модулю, так и по фазе, и при этом независимо по трем фазам, то потребляемая активная и реактивная мощности могут быть изменены независимо друг от друга. Таким образом, СТАТКОМ может работать в четырех квадрантах, но лишь кратковременно, поскольку потребление или генерация активной энергии ведет к ее накоплению или отбору из конденсаторных батарей на стороне выпрямленного напряжения,

то есть изменению напряжения и выход его за допустимые пределы. Векторные диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип действия СТАТКОМ приведены на рисунке 4.5.

I SjX LS

I SjX LS

I SjX LS

I SjX LS

Рисунок 4.5. Векторные диаграммы напряжений и токов СТАТКОМ

1 – генерация реактивной мощности;

2 – потребление активной мощности;

3 – генерация активной мощности;

4 – потребление реактивной мощности.

Длительное потребление или генерация активной мощности СТАТКОМ возможна только в случаях, если он является составляющей комбинированного устройства компенсации или вставки постоянного тока, либо в случае, когда на стороне выпрямленного напряжения установлен накопитель энергии, например аккумуляторная батарея.

С учетом вышесказанного диаграмма мощности, определяющая области допустимой работы СТАТКОМ – степень участия СТАТКОМ в управлении режимами, приведена на рисунке 4.6.

Область допустимой длительной работы СТАТКОМ ограничена номинальным значением тока и напряжения на стороне выпрямленного напряжения статического преобразователя. В кратковременных режимах допускается превышение тока выше номинального вплоть до двукратного, что положительно сказывается на влиянии СТАТКОМ на режим энергосистемы в аварийных и послеаварийных режимах их работы.