Разработка и применение математических моделей для расчета установившихся и динамических режимов ЭЭС, содержащих устройства управляемой поперечной компенсации

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва - 2006

Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы.
Актуальность темы. Средства поперечной компенсации реактивной мощности - это устройства, устанавливаемые в сетях высокого напряжения и предназначенные для управления потоками электрической энергии в нормальных и аварийных режимах энергосистемы и соответственно повышения качества электроснабжения. В последнее время в связи с появлением высокотехнологических производств и непрерывных технологических процессов с высокими требованиями к качеству электроснабжения в мире наблюдается тенденция к ужесточению требований к качеству потребляемой электроэнергии.
На сегодняшний день во всем мире эксплуатируется целый ряд устройств, позволяющих в большей или меньшей мере компенсировать реактивную мощность (РМ) и имеющих специфические достоинства и недостатки.
Возможна компенсация реактивной мощности, нормализация и регулирование напряжения с помощью синхронных генераторов (СГ) электростанций и синхронных компенсаторов (СК). Однако потребление реактивной мощности СГ и особенно СК связано со значительными дополнительными потерями. Кроме того, использование СГ в режиме потребления РМ (недовозбуждения) приводит к снижению устойчивости их работы и ускоренному износу машины из-за перегрева крайних пакетов активной стали и конструктивных элементов генераторов, вызванного значительным возрастанием результирующих магнитных полей в зонах лобовых частей обмотки статора в режиме недовозбуждения.
В сетях сверхвысокого напряжения компенсация реактивной мощности и нормализация напряжения проводится с помощью неуправляемых шунтирующих реакторов (ШР). Однако, как известно, эксплуатация неуправляемых шунтирующих реакторов связана с рядом технических сложностей. Основными из них являются: 
> необходимость частой коммутации ШР при изменении режима передачи электрической энергии.
> связанная с этим необходимость установки силовых выключателей для подключения ШР к линиям.
> возбуждение коммутационных перенапряжений при коммутации реакторов и, соответственно, преждевременный износ изоляции высоковольтного оборудования и, прежде всего, самих ШР.
> быстрое срабатывание ресурса выключателей.
Выходом из сложившейся ситуации является использование более эффективных управляемых статических компенсаторов реактивной мощности (СТК), управляемых реакторов на основе силовых тиристоров (УШРТ), управляемых подмагничиванием реакторов (УШРП).
Статические тиристорные компенсаторы получили достаточно широкое распространение за рубежом в конце 80-х годов. В простейшем варианте СТК представляет собой параллельно включенные нерегулируемую конденсаторную батарею (НКБ) и тиристорно-реакторную группу (ТРГ). СТК обладают способностью быстрого и плавного перехода от режима потребления реактивной мощности к ее генерации и наоборот, что позволяет в значительной степени решать вопросы обеспечения устойчивости электроэнергетической системы (ЭЭС) и повышения технико-экономических показателей передачи электроэнергии.
Вместе с тем, тиристорное управление индуктивными элементами, причем на высоком напряжении, является сложным и дорогостоящим техническим решением. Кроме того, в энергосистемах с преимущественным избытком реактивной мощности установка НБК в принципе не имеет смысла. УШРТ принципиально ничем не отличается от ТРГ, входящей в состав СТК, следовательно, обладает теми же недостатками, что и СТК. 
УШРП в отличие от СТК и УШРТ имеет не только значительно меньшую стоимость изготовления, но и существенно меньшие затраты на монтаж и эксплуатацию, поскольку основное высоковольтное оборудование реактора не отличается по условиям монтажа и эксплуатации от аналогичных по напряжению и мощности трансформаторов или неуправляемых реакторов, не требует закрытых помещений и высококвалифицированного специализированного персонала.
Внедрение УШРП позволит снизить потери электроэнергии, увеличить пропускную способность, повысить качество напряжения и надежность электроснабжения. Кроме того, применение управляемых реакторов во многих случаях позволит уменьшить число коммутаций выключателей и РПН трансформаторов, что также способствует повышению надежности, сокращению межремонтных периодов и увеличению сроков службы оборудования и в целом скажется на снижении стоимости электропередачи. Кроме того, управляемый реактор совместно с батареей статических конденсаторов по своему назначению и функциональным возможностям может выполнять функции аналогичного по мощности синхронного компенсатора, установленного на данной подстанции, либо СТК той же мощности.
В связи с тем, что в настоящее время в Иране активно ведется строительство линий электропередачи напряжением 400 кВ, с одной стороны, и в связи с имеющейся тенденцией удаления мест потребления электроэнергии от мест ее выработки, с другой стороны, становится все более актуальным применение статических управляемых устройств поперечной компенсации. Одним из возможных решений является широкое применение управляемых подмагничиванием реакторов, что обусловлено их несомненными достоинствами (компактность, простота и надежность в эксплуатации, меньшая стоимость), обеспечивающими им высокую конкурентоспособность. Однако широкому внедрению управляемой поперечной компенсации на базе УШРП в
энергосистеме Ирана должны предшествовать многосторонние научные исследования, составной частью которых и является в настоящий работа.
В настоящее время отсутствуют математические модели УШРП, позволяющие рассчитывать динамические режимы ЭЭС, а имеющиеся математические модели и программы для расчета установившихся режимов обладают рядом недостатков, в частности, эти модели не могут являться элементом программы анализа режимов сложных энергосистем.

ВВЕДЕНИЕ 5
РАЗДЕЛ 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1. Роль устройств компенсации реактивной мощности в современной электроэнергетике 12
1.2. Анализ состояния существующих средств компенсации реактивной мощности 15
1.3. Обзор и анализ существующих методик расчета средств управляемой поперечной компенсации 21
1.4. Анализ существующих средств повышения пропускной способности и снижения потерь в линиях электропередач. 23
1.5. Применения УШРП с конденсаторной батареей для предотвращения лавины напряжения и стабилизации напряжения во время и после короткого замыкании 32
1.6. Выводы к первому разделу 35
РАЗДЕЛ 2 АНАЛИЗ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ (УШРТ, УШРП) 37
2.1. Шунтирующий реактор на основе тиристорно-реакторной группы (УШРТ) 37
2.1.1. Исследование УШРТ на математической модели 40
2.1.2. Гармонический состав тока УШРТ 42
2.1.3. Способы уменьшения искажения тока УШРТ 45
2.2. Управляемые шунтирующие реакторы с подмагничиванием постоянным током (УШРП) 47
2.2.1. Принцип работы УШРП 48
2.2.2. Конструкция фазы управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора 51
2.2.3. Моделирование УШРП путем использования эквивалентной схемы с тиристорами 54
2.2.4. Моделирование УШРП в Simulink (MATLAB) 59
2.2.5. Моделирование управляемых электрических реакторов для сети 500 кВ 61
2.2.6 Снижение искажения синусоидальности формы тока УШРП69
2.2.7 Скорость набора и сброса мощности УШРП 74
2.3 Динамика работы управляемых шунтирующих реакторов УШРТ и УШРП 75
2.3.1 Система управления устройствами поперечной компенсации реактивной мощности (УШРП, УШРТ) 75
2.3.2 Реакция энергосистемы с включенной поперечной компенсацией (УШРТ или УШРП) на изменение мощности, потребляемой нагрузкой 79
2.3.3 Влияние УШРП на стабилизацию напряжения при коротком замыкании на линии 83
2.4 Выводы по второй главе 89
РАЗДЕЛ 3. ВЛИЯНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
УШРП НА ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В ЛИНИИ ЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ. . 91
3.1 Математическая модель статического источника реактивной мощности 92
3.2 Алгоритм и программа расчета установившегося режима электрической системы переменного тока, включающей СТК 95
3.3 Виляние устройств компенсации реактивной мощности на снижение потерь в электроэнергетической системе 99
3.4 Анализ влияния напряжения уставки и коэффициента статизма реактора на режимы работы энергосистемы 106
3.5 Выводы по третьей главе 119
РАЗДЕЛ 4. ПРИМЕНЕНИЕ СТК НА БАЗЕ УШРП С КОММУТИРУЕМОЙ ВНЕШНЕЙ КОНДЕНСАТОРНОЙ БАТАРЕЕЙ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В
ЭНЕРГОСИСТЕМЕ 120
4.1.1 Влияние СТК на базе УШРП на повышение пропускной способности 122
4.1.2 Влияние СТК на базе УШРП на стабилизацию напряжения во время и после короткого замыкания 126
4.2 Влияние СТК на базе УШРП на повышение надежности электроснабжения и устойчивости двигательной нагрузки 132
4.3 Выводы к 4 разделу 136
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 140
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Результаты расчетов при моделирования УШРП путем использования эквивалентной схемы с тиристорами 152
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Принципы математического моделирования динамических процессов в ферромагнитных устройствах с произвольной структурой магнитной и электрической цепей в SimPowerSystems (MATLAB) 157
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Моделирование трехобмоточного управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора для сети 500 кВ 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Программа расчета установившегося режима электрической системы переменного тока, включающей СТК 170