Full Text

Введение. Одной из важнейших проблем электросетевого комплекса России является повышение эффективности использования существующих линий электропередач (ЛЭП) всех классов напряжения за счет увеличения их пропускной способности. Регулирование потоков мощности с использованием устройств продольно-поперечного регулирования напряжения позволяет оптимизировать загрузку ЛЭП, повысить их надежность и управляемость [1-3]. В настоящее время основное внимание уделено исследованию режимов работы высоковольтных ЛЭП. Вместе с тем проблемы функционирования распределительных электрических сетей (РЭС) среднего напряжения с использованием устройств продольной, поперечной и продольно-поперечной компенсации на основе трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения исследованы недостаточно [4-6]. Предложенный авторами тиристорный регулятор вольтодобавочного напряжения (ТРВДН) позволяет регулировать как величину, так и угол сдвига основной гармоники выходного напряжения. Использование разработанного устройства в сетях среднего напряжения различной конфигурации позволяет управлять потоками активной и реактивной мощностей, а также стабилизировать напряжение в пределах, установленных ГОСТ [7-9]. С целью определения зон работы ТРВДН, характеризующихся увеличением пропускной способности РЭС, обладающих высоким КПД, предельно допустимыми токовыми нагрузками, необходимо определить регулировочные характеристики устройства. Цели данной работы - исследование режимов работы РЭС совместно с ТРВДН при различных параметрах распределительной сети, определение зон эффективного регулирования потоков мощности. 1. Схемотехнические решения. Предложенное авторами схемотехническое решение силовой части ТРВДН (рис. 1) содержит шунтовой трехфазный трансформатор с модулями продольного и поперечного регулирования и три сериесных трансформатора. Рис. 1. Силовая схема ТРВДН Технические характеристики разработанного устройства приведены в табл. 1. Модуль поперечного регулирования осуществляет сдвиг по фазе выходных линейных напряжений относительно входных, модуль продольного регулирования управляет величиной выходного напряжения [10]. Регулирование параметров электроэнергии происходит за счет совместной работы этих модулей. Таблица 1 Технические характеристики ТРВДН Угол сдвига основной гармоники выходного напряжения относительно входного θ = ±5° Дискретность изменения сдвига основной гармоники выходного напряжения ∆θ≤ 1,5 % Диапазон регулирования величины выходного напряжения относительно входного D = ± 10 % Дискретность регулирования действующего значения выходного напряжения ∆D ≤ 1,5 % Мощность нагрузки Sн ≤ 1000 кВА Первичные обмотки шунтового трансформатора T1 подключены к распределительной сети среднего напряжения. На базе вторичных обмоток реализованы модули продольного и поперечного регулирования трех фаз. Данные модули коммутируются тиристорными ключами ТК1-ТК8. С помощью сериесных трансформаторов, подключенных последовательно в РЭС, вводится продольно-поперечная составляющая напряжения, управляемая тиристорами [11, 12]. Наиболее удобным средством исследования электромагнитных процессов ТРВДН является имитационное моделирование. 3. Имитационное моделирование РЭС с ТРВДН. Имитационная модель радиальной электрической сети с ТРВДН разработана в программном комплексе MatLab/Simulink [13-16]. В качестве объекта моделирования выбран участок РЭС 6 кВ в виде параллельно работающих воздушной и кабельной линий, по которым осуществляется передача электрической мощности от генератора энергосистемы. Однолинейная схема сети приведена на рис. 2. ТРВДН размещен в конце воздушной ЛЭП. Рис. 2. Однолинейная схема радиальной распределительной сети c ТРВДН Имитационная модель рассматриваемой РЭС с ТРВДН представлена на рис. 3. Рис. 3. Имитационная модель исследуемого участка сети с ТРВДН Модель состоит из 7 основных блоков: 1 - генератор - смоделирован идеальным трехфазным источником питания; 2 - трансформатор - представлен понижающим трехфазным двухобмоточным трансформатором 110/6 кВ; 3 -линия L1 - кабельная ЛЭП; 4 - линия L2 - воздушная ЛЭП; 5 - высоковольтная нагрузка мощностью 1 МВА представлена активно-индуктивным сопротивлением; 6 - измерительные приборы позволяют снимать значения токов, напряжения, активных и реактивных мощностей; 7 - имитационная модель блока ТРВДН (рис. 4). Рис. 4. Имитационная модель блока ТРВДН Параметры элементов распределительной электрической сети, используемые для реализации имитационной модели, представлены в табл. 2. Таблица 2 Параметры элементов сети Наименование элемента U, кВ φ, ° R, Ом X, Ом l, км Источник 110 120 1Е-10 0 - Трансформатор 110/6 - 7,95 139 - Кабельная линия L1 - - 0,129-0,443 0,071-0,08 1-10 Воздушная линия L2 - - 0,132-0,46 0,071-0,08 1-10 ТРВДН - - 0,01 0,05 - Нагрузка - - 6-12 0-10,4 - В городских РЭС расстояния между ГПП и потребителем не превышают, как правило, 10 км, поэтому граничные условия длин линий при моделировании составляли 1-10 км [17]. При естественном потокораспределении большая часть тока нагрузки протекает по линии, имеющей меньшее сопротивление. Это может быть обусловлено меньшей длиной или большим сечением ЛЭП [18, 19]. Исследования были проведены для анализа изменения токов, распределения потоков мощностей, КПД передачи для двух параллельных линий при изменении величины напряжения модулей продольного и поперечного регулирования ТРВДН. Моделирование проводилось для активной и активно-индуктивной нагрузки при различной длине и сечении линий. В результате исследований получены параметры параллельных ЛЭП (соотношение их сечений и длин), при которых использование ТРВДН позволяет загрузить линии пропорционально их пропускной способности (рис. 5). Значения токов при этом не превышают длительно допустимых токовых нагрузок для соответствующей линии. Цифрой 1 обозначена область параллельно работающих ЛЭП при естественном потокораспределении (без ТРВДН); область 2 соответствует включению ТРВДН в режиме продольно-поперечного регулирования при активной нагрузке; область 3 - при активно-индуктивной нагрузке. В качестве примера в табл. 3 представлены численные значения электрических величин, полученные в результате проведенного исследования при следующих параметрах линий: отношение неоднородностей линий ε1/ε2 = 1,32; Iv1 = 214 А - длительно допустимый ток кабельной линии при сечении 95 мм2; Iv2 = 178 А - длительно допустимый ток воздушной линии при сечении 70 мм2 (кабели выполнены с алюминиевыми жилами) [20]. Рис. 5. Области эффективной работы ТРВДН: 1 - без ТРВДН; 2 - с ТРВДН при φ = 0°; 3 - с ТРВДН при φ = 60° В качестве базисного напряжения принято входное линейное напряжение UЛ, в качестве базисных токов - длительно допустимые токи линии Iv1 и Iv2, При этом базисная мощность составляет Pн = 1 МВА. Таким образом, UТРВДН* = UТРВДН/Uл, I1* = I1/Iv1, I2* = I2/Iv2, Pн* = P/Pн. Таблица 3 Результаты исследований токов в ЛЭП l1/l2 Естественное потокораспределение (ТРВДН выключен) UТРВДН* Продольное регулирование напряжения I1* I2* PН* I1* I2* PН* φ=0о 0,2 0,69 0,12 0,945 0,0695 0,55 0,55 0,97 0,4 0,6 0,22 0,907 0,069 0,48 0,48 0,946 0,6 0,52 0,28 0,878 0,0648 0,42 0,42 0,925 0,8 0,46 0,32 0,855 0,0253 0,42 0,42 0,875 1 0,42 0,38 0,835 0,012 0,41 0,41 0,843 φ=60о 0,2 0,7 0,12 0,48 0,048 0,44 0,44 0,49 0,4 0,60 0,21 0,465 0,038 0,43 0,43 0,475 0,6 0,53 0,29 0,455 0,027 0,42 0,42 0,467 0,8 0,49 0,34 0,447 0,016 0,42 0,42 0,452 1 0,42 0,39 0,44 0,007 0,41 0,41 0,441 4. Математическое моделирование РЭС с ТРВДН. Расчет энергетических характеристик при работе ТРВДН в радиальной РЭС с параллельно работающими ЛЭП был реализован в программном комплексе Mathcad. С помощью метода узловых потенциалов были рассчитаны значения токов, напряжений и мощностей исследуемого участка, схема замещения которого представлена на рис. 6. Следует отметить, что при незначительных длинах линий РЭС и напряжениях сети 6-20 кВ кабельную или воздушную линию можно представить активно-индуктивным сопротивлением. Рис. 6. Схема замещения РЭС с ТРВДН. С учетом принятых допущений были составлены уравнения по методу узловых потенциалов, решение которых позволяет определить необходимые электромагнитные параметры системы: (1) (2) (3) (4) где I1 - ток в кабельной линии; I2 - ток в воздушной линии; Iнагр - ток нагрузки; Zкл - полное сопротивление кабельной линии; Zвл - полное сопротивление воздушной линии; Zнагр - полное сопротивление нагрузки; Uг - ЭДС генератора, UТРВДН - поперечная составляющая напряжения ТРВДН, φba - напряжение между двумя потенциалами точек b и а. Расчеты проводились при изменении продольной, поперечной и продольно-поперечной составляющей напряжения ТРВДН с шагом дискретизации 0,04UТРВДН*. На рис. 7 и 8 в качестве примера приведены зависимости КПД передачи, токов и мощности нагрузки при продольно-поперечном регулировании напряжения для линий с параметрами ε1/ε2 = 1,32; l1/l2 = 0,2. Рис. 7. Зависимости токов нагрузки линий, КПД системы при продольно-поперечном регулировании напряжения ТРВДН для угла нагрузки φ = 60°: 1 - h, 2 - Iнагр*, 3 - I2*, 4 - I1* Рис. 8. Зависимости мощности нагрузки, КПД системы от продольной составляющей напряжения ТРВДН: 1 - h при φ = 60°, 2 - h при φ = 30°, 3 - h при φ = 0°, 4 - P при φ = 60°, 5 - P при φ = 30°, 6 - P при φ = 0° В результате проведенных исследований установлено, что включение ТРВДН позволяет загрузить линии пропорционально их пропускной способности в широком диапазоне изменения параметров параллельных ЛЭП. При этом за счет увеличения пропускной способности линий мощность нагрузки можно увеличить на 35 %. Максимальное значения КПД при активной нагрузке (φ = 0°; l1/l2 = 0,2; ε1/ε2 = 1,32); η = 0,97), при активно-индуктивной нагрузке (φ = 30°; l1/l2 = 0,2; ε1/ε2 = 1,32) η = 0,965, при угле нагрузки φ = 60° КПД составляет η = 0,943. Выводы. Разработанные имитационные и математические модели радиальной РЭС с параллельно работающими ЛЭП позволили получить области эффективной работы ТРВДН при различных режимах регулирования напряжения. Определены зависимости КПД линии электропередач, потерь мощности. Установлены зависимости токовой нагрузки параллельных линий от величины напряжения регулирования ТРВДН. Установлено, что в случае поперечного регулирования при изменении угла сдвига θ основной гармоники выходного напряжения ТРВДН на ±5° происходит изменение угла тока нагрузки в пределах 1°. Анализ характеристик показал, что использование разработанного устройства для управления потоками мощности повысит эффективность передачи электроэнергии потребителю. Проведенные исследования доказали эффективность предлагаемых схемных решений ТРВДН. Внедрение такого устройства в РЭС позволит успешно управлять потоками мощностей и стабилизировать токи параллельно работающих ЛЭП.

About the authors

A. A Kralin

Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva

E. V Kryukov

Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva

V. V Eremenko

Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva

References

Statistics

Views

Abstract - 33

PDF (Russian) - 15

Refbacks

• There are currently no refbacks.