Разработка численно-аналитических моделей управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов для анализа электромагнитных процессов в нормальных и аварийных режимах электрических сетей

На правах рукописи

КАРПОВ Виктор Николаевич РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ УПРАВЛЯЕМЫХ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ ШУНТИРУЮЩИХ РЕАКТОРОВ ДЛЯ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В НОРМАЛЬНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2012 2

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно технический центр Федеральной Сетевой Компании Единой Энергетической Системы» (ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»).

Научный консультант: кандидат технических наук Киселёв Алексей Николаевич

Официальные оппоненты: Зеленохат Николай Иосифович доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский университет «Московский энергетичес кий институт» (НИУ «МЭИ») Ивакин Виктор Николаевич кандидат технических наук, ОАО Холдинговая компания «Электрозавод», заместитель директора по науке и инновационным программам

Ведущая организация: ОАО «Институт «Энергосетьпроект»

Защита состоится 17 апреля 2013 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 512.002.01 при ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» по адресу:

115201, г. Москва, Каширское ш., д. 22, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Автореферат разослан « 14 » марта 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., с.н.с. Н.Л. Новиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов (УШРП) в энергосистемах России было начато в 1997 г и в перспективе предполагается только его расширение. Возможность плавного регулирования индуктивного сопротивления УШРП позволяет автоматизировать процесс стабилизации напряжения, разгрузить коммутационное оборудование, а при наличии высокой скорости набора/сброса потребляемой реактивной мощности появляется возможность использования УШРП в качестве основного средства компенсации ёмкостных токов в послеаварийных режимах работы сети.

Однако по результатам эксплуатации и системных испытаний ряда управляемых реакторов было выявлено повышенное содержание в сетевых токах УШРП гармонических составляющих, низкая скорость изменения потребляемой реакторами реактивной мощности в послеаварийных режимах работы сети, случаи повреждений вентильных преобразователей.

Для определения особенностей протекания электромагнитных процессов в УШРП необходим подробный анализ работы реакторов в различных режимах, определяемых сетью. Наиболее эффективным инструментом для решения подобных задач является математическое моделирование. Точные математические модели позволяют исследовать различные аварийные возмущения, как в сети, так и в самом устройстве.

Вопросам работы управляемых шунтирующих реакторов (УШР) в энергосистемах России и ближнего зарубежья посвящено множество работ. В частности этими вопросами занимались М.С. Либкинд, Л.И. Дорожко, А.М. Брянцев, А.Г., Долгополов, А.И. Лурье, Г.А. Евдокунин, М.А. Бики, Г.Н. Александров, В.П. Лунин, С.В. Смоловик и др. Вопросам разработки математических моделей УШР и расчёта электромагнитных переходных процессов в реакторах посвящены работы М. Ебадиана, А.Р. Лучко, С.И. Гусева, Г.М. Мустафы и др.

Вместе с тем, вышеуказанные работы направлены в основном на решение задач расширения интеграции УШР в электроэнергетические системы (ЭЭС), отыскания новых схемотехнических решений и областей применения реакторов, а также технико-экономического обоснования применения УШР в ЭЭС.

В связи с этим Филиалом ОАО «НТЦ электроэнергетики» – ВНИИЭ (ныне ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС») по заказу ОАО «ФСК ЕЭС» была выполнена научно-исследовательская работа (НИР) «Исследование сравнительной эффективности применения современных устройств регулирования реактивной мощности в сетях различных классов напряжения». Результаты, полученные в диссертации, послужили основой упомянутой НИР, состоящей из двух этапов:

«Разработка цифровой модели УШР без отдельной обмотки подмагничивания, исследование режимов работы УШР в нормальных и аварийных режимах работы сети»;

«Классификация средств компенсации реактивной мощности (СКРМ) на основе анализа разрабатываемых средств компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения в России и за рубежом. Разработка цифровой модели УШР с отдельной обмоткой подмагничивания, исследование режимов работы УШР в нормальных и аварийных режимах работы сети».

В дальнейшем результаты работы использовались при разработке программы системных испытаний и технических требований к УШР, а также стандарта организации на управляемые устройства компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения и перетоков мощности.

Целью работы является разработка численно-аналитических моделей УШРП и исследование с их помощью электромагнитных процессов в реакторах 500 кВ различных конструкций в нормальных и аварийных режимах работы электрических сетей.

Достижение цели исследования предполагает решение следующих основных задач:

анализ особенностей конструкций и областей применения УШРП;

разработка численно-аналитических моделей УШРП двух подтипов c учётом особенностей их конструкций;

разработка на основе численно-аналитических моделей УШРП расчётных цифровых моделей;

разработка аналитической модели УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;

расчёт и анализ электромагнитных процессов, определяемых областями применения реакторов, в УШРП 500 кВ различных конструкций;

верификация разработанных моделей УШРП путём сопоставления результатов расчётов с результатами системных испытаний УШРП 500 кВ, установленного на подстанции (ПС) «Таврическая» Омского предприятия Магистральных электрических сетей (МЭС) Сибири.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, расчёта индуктивностей трансформаторов и реакторов, теории матриц, линейной алгебры, теории дифференциальных уравнений и компьютерного моделирования.

Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:

разработаны численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различных конструкций для использования в стандартных пакетах прикладных программ моделирования электрических цепей, позволяющие повысить устойчивость и точность численного моделирования УШРП, а также уменьшить время расчёта;

разработана аналитическая модель УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;

исследованы электромагнитные процессы в УШРП 500 кВ различных конструкций в нормальных, а также симметричных и несимметричных аварийных режимах работы электрических сетей.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

использованием классических положений теоретической электротехники и математики;

корректностью выполнения всех теоретических построений;

сопоставлением результатов, полученных расчётным путём, с экспериментальными данными.

Научные положения, выносимые на защиту.

численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различных конструкций;

аналитическая модель УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания для исследования установившихся режимов работы реактора;

способ аналитического определения обратной матрицы индуктивностей системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в сложных магнитносвязанных цепях;

результаты теоретического анализа, компьютерного моделирования и экспериментальных исследований электромагнитных процессов в УШРП 500 кВ.

Практическая значимость основных результатов диссертационной работы:

полученные в работе результаты использовались при разработке и проведении системных испытаний управляемого шунтирующего реактора на ПС 500 кВ «Таврическая» Омского предприятия МЭС Сибири в рамках НИР по договору между ОАО «ФСК ЕЭС» и Филиалом ОАО «НТЦ электроэнергетики» – ВНИИЭ в части требований к рабочим и регулировочным характеристикам УШРП, а также к его работе в динамических режимах;

материалы работы применялись при разработке технических требований к управляемому тиристорными вентилями шунтирующему реактору 360 Мвар, 500 кВ в рамках НИР по договору между ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» в части требований к основным характеристикам реактора;

результаты, полученные в работе, использовались при разработке стандарта организации (CТО 70238424.29.240.99.003-2009 «Управляемые устройства компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения и перетоков мощности. Условия создания. Нормы и требования») в части требований к быстродействию УШР;

разработанные цифровые модели УШРП 500 кВ различных конструкций позволяют рассчитывать переходные, в том числе несимметричные, режимы работы ЭЭС, содержащих УШРП;

методика, использованная при разработке численно-аналитических моделей УШРП, может применяться при решения широкого круга прикладных электротехнических задач.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

II Всероссийском конкурсе молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики (Дивноморск, 2007);

XVI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010);

научных семинарах и заседаниях кафедры техники и электрофизики высоких напряжений (ТЭВН) Московского Энергетического института (МЭИ);

заседаниях научно-технического совета (НТС) ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 5 печатных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, содержащего 67 наименований, и 3 приложений. Текстовая часть изложена на 153 страницах (рисунков 110, таблиц 1) и 59 страницах приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, даётся общая характеристика работы, формулируются цели и задачи исследований.

Проведённый в первой главе анализ особенностей конструкций и требований к рабочим характеристикам УШРП, определяемых областями применения реакторов, показал следующее.

Возможность непрерывного изменения индуктивного сопротивления ШР в широких пределах существенно расширяет их возможности и позволяет повысить надёжность и экономическую эффективность работы ЭЭС, а также продлить сроки службы электрооборудования. Однако использование УШР помимо нормальных, также и в послеаварийных режимах работы ЭЭС ведёт к ряду дополнительных требований к рабочим характеристикам реакторов, в частности к высокому быстродействию и сохранению управляемости.

История создания управляемых реакторов берёт своё начало с 30-х годов XX века. С тех пор принципы управления и конструкции управляемых реакторов претерпели кардинальные изменения. Появилось два новых научных направления, связанных с управляемыми шунтирующими реакторами трансформаторного типа (УШРТ) и УШР с подмагничиванием (УШРП).

Одними из основных технических особенностей УШРП являются:

задействование области насыщения кривой намагничивания стали;

применение бронестержневых магнитопроводов с подразделённым (расщеплённым) стержнем специальной конструкции;

значение напряжения короткого замыкания 50% и более;

подключение маломощного и относительно низковольтного вентильного преобразователя ко вторичной обмотке или между эквипотенциальными в нормальном режиме работы точками электромагнитной части (ЭМЧ);

использование компенсационной обмотки (КО) для фильтрации высших гармоник в сетевом токе.

УШРП получили широкое распространение в ЭЭС России, и в перспективе видится лишь расширение их интеграции в Единую национальную электрическую сеть (ЕНЭС). Класс напряжения и номинальная мощность УШРП постоянно растут, появляются более современные конструкции и подтипы реакторов. Наиболее перспективными конструкциями УШРП на сегодняшний день являются реакторы 500 кВ с отдельной обмоткой подмагничивания и без неё.

По результатам эксплуатации и системных испытаний УШРП установлено, что эти устройства успешно стабилизируют напряжение сети в нормальных режимах работы в условиях слабозагруженных воздушных линий.

Однако для ряда реакторов были выявлены низкая скорость изменения потребляемой реактивной мощности в послеаварийных режимах работы сети, повышенное содержание в сетевых токах гармонических составляющих, отказы вентильных преобразователей.

Вторая глава посвящена разработке численно-аналитических и цифровых моделей УШРП, а также аналитической модели реактора для анализа установившихся режимов.

Магнитный поток обмотки на ферромагнитном сердечнике обычно представляется в виде потока рассеяния и потока в сердечнике. Тогда индуктивность обмотки можно представить в виде суммы двух составляющих:

L L Lст, обусловленных соответствующими магнитными потоками. При работе УШРП в отличие от неуправляемых реакторов или силовых трансформаторов задействуется область насыщения кривой намагничивания стали, что приводит к нелинейной зависимости значений Lст от тока.

Дифференциальное уравнение, описывающее электромагнитные процессы в обмотке реактора, записывается следующим образом L di dt Ri u, где L, R, i и u – индуктивность, активное сопротивление, ток и напряжение обмотки соответственно. В соответствии с приведённым уравнением в схеме замещения УШРП его обмотки можно представить в виде управляемых источников тока (рисунок 1, а)). Блок-схема представления дифференциального уравнения в операторной форме показана на рисунке 1, б).

i di От источника тока dt L u К источнику тока L i=f(i0, u) u V i Lст R а) б) Рисунок 1 – Расчётная схема замещения (а) и блок-схема представления дифференциального уравнения обмотки УШРП в операторной форме (б) Математическую модель УШРП можно создать, заменив каждую из секций обмоток реактора управляемым источником тока. Однако подобный подход приводит к появлению особых разрезов (разрезов, все ветви которых представляют собой источники тока).

При расположении одинаковых секций обмотки (с собственными индуктивностями L1 L2 L ) на стержне одна под другой и допущении о параллельности силовых линий магнитного поля стержню в пределах окна магнитопровода, в любой момент времени с каждой из секций сцепляется один и тот же магнитный поток и коэффициент их магнитной связи K равен единице.

Тогда величина взаимной индуктивности таких секций ( M 12 ) будет равна их собственным индуктивностям M 12 K L1 L2 L (1) и дифференциальные уравнения секций будут линейно зависимыми.

Наличие особых разрезов в схеме замещения электрической цепи и алгебраические связи между отдельными уравнениями приводят к тому, что совместная система дифференциальных уравнений, составленная из уравнений секций обмоток УШРП и описывающая электромагнитные процессы в реакторе, является вырожденной. Это, в свою очередь, ведёт к невозможности или высокой сложности получения численного решения подобной системы непосредственно. В результате для решения системы дифференциальных уравнений УШРП с применением стандартных пакетов прикладных программ моделирования электрических цепей требуется выполнение предварительных аналитических преобразований данной системы, т.е. разработка численно аналитических моделей УШРП.

В большинстве методов численного интегрирования дифференциальных уравнений, а также в современных средствах компьютерного моделирования процессов в электрических цепях используется запись уравнений (систем уравнений) в стандартной форме Коши:

di dt L1 u R i. (2) Для перехода к данной форме записи требуется обращение матрицы индуктивностей L. Однако преобразованная система дифференциальных уравнений УШРП, как правило, является плохо обусловленной (число обусловленности по спектральной норме может достигать 105). Численное обращение подобных матриц приводит к необходимости многократного увеличения точности расчёта на каждом шаге и резкому росту погрешности и времени расчёта. Точные (прямые) методы обращения не применимы для плохо обусловленных систем.

На рисунке 2, а) показана электрическая схема замещения фазы УШРП 500 кВ с отдельной обмоткой управления (ОУ), совмещающей выполнение функций КО. Одноимённые зажимы обозначены звёздочками и применена следующая система индексов:

первый индекс соответствует типу обмотки (сетевая – «с», управления – «у», компенсационная – «к»);

второй индекс – стержню магнитопровода (первый – «I», второй – «II»);

третий индекс – секции обмотки стержня (первая – «1», вторая – «2»).

I II I II Rc Rc Lc Lc i ic * * * * Lc Lc uc uc Rc Rc MI M II MI M II a a iк I * II I* II * iу Lу Lу Lу Lу I II I II I iу II uу uу uу uу * i I1 II1 I1 II i Rу Rу Rу Rу iу uу uу uк uк M I12 M II12 M I12 M II * * * iу Lу Lу Lу Lу I iу II I II I i II uу uу uу uу i3 * I2 I II 2 II Rу Rу Rу Rу x x а) б) Рисунок 2 – Электрическая схема замещения фазы УШРП с отдельной ОУ, совмещающей функции КО (а) и система контурных токов (б) Составляющие системы уравнений (2), описывающей электромагнитные процессы в фазе УШРП, в матричной форме будут иметь следующий вид ic uc M I M I M II M II Lc Rc 2 0 0 0 i u M 0 0 R 0 0 Lу I M I12 0 у I1 у I у I 0, i iу I 2, R 0 0 Rу 0 0, u u у I 2.

L M I M I12 Lу I M II i у II1 u у II 0 0 Lу II M II12 0 0 0 Rу i у u у M II 0 M II12 Lу II 0 0 0 0 Rу 0 II 2 II С учётом (1) M I12 Lу I, M II12 Lу II, и система уравнений становится вырожденной с рангом 3. Использование системы контурных токов по рисунку 2, б), позволяет исключить зависимые переменные i3 i2 i4 и представить составляющие преобразованной системы уравнений в виде 2M I M II 2M I Lс Rc 2 0 i1 u с L M I M II 2 Lу I Lу II 2 Lу I, i i2, R 0 2 Rу Rу, u u у.

M I M II 2 Lу Lу 0 i4 u к 2 Lу I 0 Rу I II Это даёт возможность записать составляющие совместной системы уравнений трёх фаз УШРП в виде блочных матриц с окаймлением R R u a A a i a 0 0 0 Ba 0 i R R, ~ i b, u u b, ~ 0 0 Bb Ab, R ~ ~ L R R 0 u c 0 i c 0 Bc Ac D a Db D c i Ca 0 0 0 3Rу Cb Cc 2M I k M II k M I k Rc 2 i1k Lc k, i k, R где A k, B k 2 Rу, M I k M II k 2 Lу I k Lу II k Lу I k i2 k C k M I k M II k 2 Lу I k Lу II k, u c k R, u k,, k a, b, c – фазы УШРП.

D k 2 Lу I k, u у k Rу ~ В этом случае задачу определения обратной матрицы индуктивностей L (размерностью nn) при помощи формулы Фробениуса можно свести к задаче определения m обратных матриц A k (размерностью (n–1)/m(n–1)/m, где m – количество фаз УШРП, описываемых исходной системой уравнений) и алгебраическим операциям с матрицами ~ 1 ~ 1 ~ ~ 1 ~ ~ 1 ~ ~~ ~1 A A B H C A A 1 B H L, ~~ ~ ~ H 1 C A 1 H B a C C a Cb C c, ~ A a ~, B B, D D D D, ~ ~ где A 0 Ab b a b c ~ ~ ~ ~ 1 ~ 0 0 Ac B c H D C A B.

При этом число обусловленности по спектральной норме матриц A k будет на ~ 1–2 порядка меньше, чем у исходной матицы L, что помимо возможности использования точных (прямых) методов обращения способствует увеличению устойчивости и точности численного решения системы дифференциальных уравнений, а также уменьшению времени расчёта.

При разработке численно-аналитических моделей УШРП было исследовано влияние учёта боковых ярм магнитопровода реактора на скорость и точность расчёта его цифровых моделей. Установлено, что с учётом боковых ярм возникает необходимость учёта в моделях УШРП взаимоиндуктивной связи между обмотками соседних стержней. Это ведёт к описанию математической модели не дифференциальными, а алгебро-дифференциальными уравнениями и на каждом шаге интегрирования, помимо прочего, требуется нахождение потокораспределения в магнитопроводе в результате решения системы нелинейных уравнений, составленных по законам Кирхгофа для магнитной цепи.

Последнее, в свою очередь, приводит к значительному усложнению моделей УШРП и увеличению длительности их расчёта при несущественном увеличении его точности. Поэтому при разработке расчётных моделей УШРП допустимо считать боковые ярма бронестержневого магнитопровода не насыщающимися во всём диапазоне изменения магнитного потока.

Аналитическая модель УШРП с отдельной ОУ для исследования установившихся режимов работы реактора разрабатывалась в виде аналитических выражений временных зависимостей токов и напряжений обмоток реактора, записанных в параметрической форме относительно состояния насыщения стержней магнитопровода.

Пусть кривая намагничивания стали состоит из двух линейных участков.

Напряжение сети имеет вид uc t U с m sin t, где = 2/T – круговая частота;

– фазовый сдвиг относительно сетевого тока. Напряжение uу(t), прикладываемое к ОУ, примем постоянным. При работе УШРП стержни его магнитопровода могут пребывать в насыщенном или ненасыщенном состояниях в зависимости от значений переменного и постоянного магнитных потоков. Установлено, что каждая смена магнитных состояний стержней сопровождается интервалом времени, в течение которого оба стержня находятся в ненасыщенном состоянии. Величина этого интервала времени уменьшается от T/2 до близкого к нулю значения по мере изменения режима работы УШРП от холостого хода (ХХ) до номинального соответственно.

Период напряжения сети можно разбить на 4 интервала в соответствии с характерными магнитными состояниями стержней и ввести следующую систему индексов:

1) ненасыщены оба стержня – 00, t 0, ;

2) насыщен первый и ненасыщен второй стержень – 10, t,T 2 ;

3) ненасыщены оба стержня – 0 0, t T 2,T 2 ;

~~ 4) ненасыщен первый и насыщен второй стержень – 01 t T 2,T.

Высокая добротность УШРП позволяет пренебречь активными сопротивлениями секций сетевой обмотки (СО) и решить для этого случая систему дифференциальных уравнений реактора аналитически, получив набор интервальных функций токов обмоток реактора (период функции тока ОУ составляет половину периода функции тока СО) uу экв t Rэкв R t iу 00 t iу 0e 1 e Lэкв0, Lэкв Rэкв uу t Rэкв Rэкв Rэкв Rэкв t iу10 t iу 00 e 1 e e Km1U c m e Lэкв1 Lэкв1 Lэкв1 Lэкв Rэкв экв t R cost m0 sin t 1 cos 2 sin e Lэкв, Uсm ic 00 t 2 L cost ;

c ic10 t L L Lc0 Lc1 cost Lc0 Lc1 cos K i у1 t i у 0 ;

Uсm c 0 c 2Lc1 cost Lc0 Lc1 cos Lc0 Lc1 cos K iу 0 iу 0 ;

Uсm ic 00 t ~ Lc0 Lc Lc0 Lc1 cost Lc0 Lc1 cos K iу1 t T iу 0, Uсm ic 01 t 2 Lc0 Lc где Rэкв 2Rу – эквивалентное активное сопротивление ОУ;

Lэкв 0, Lс 0 и Lэкв1, Lс1 – эквивалентная индуктивность ОУ и индуктивность секции СО при ненасыщенном состоянии обоих стержней и переходе одного из стержней в насыщенное состояние соответственно;

K, m0, m1 – постоянные коэффициенты, определяемые конструкционными параметрами УШРП;

1 cos m0 sin, 2 sin m0 cos.

Кривые токов обмоток УШРП, построенные с помощью полученных зависимостей для номинального режима работы реактора, показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 – Токи обмоток УШРП в номинальном режиме работы Таким образом, разработана модель УШРП с отдельной обмоткой подмагничивания, позволяющая получать аналитические зависимости токов и напряжений обмоток реактора для различных установившихся режимов работы.

В третьей главе выполнен анализ результатов численного моделирования симметричных и несимметричных установившихся и переходных процессов в УШРП 500 кВ двух конструкций: с отдельной обмоткой подмагничивания и без неё.

По результатам анализа электромагнитных процессов в УШРП без отдельной обмотки подмагничивания в установившихся режимах работы установлено, что статическая характеристика реактора имеет линейный характер, несинусоидальность сетевого напряжения не влияет на процессы в нём, а зависимость коэффициента искажения сетевого тока от режима работы УШРП является нелинейной, практически всюду превышая в 23 раза величину, установленную в технических требованиях. При работе УШРП с замкнутой КО в неполнофазном режиме возможно появление опасных перенапряжений и токов.

В симметричных динамических режимах работы реактора возможны два типа переходных процессов. Если магнитное состояние стержней УШРП соответствует восстанавливающейся системе напряжений, то регулирование его реактивной мощности осуществляется плавно, без каких-либо бросков токов. Для таких режимов работы УШРП, как включение и K(3) на смежной линии, характерно возникновение неуправляемого переходного процесса, характеризующегося значительными пульсациями токов в обмотках и в преобразователе. Так, если до момента возникновения короткого замыкания (КЗ) реактор работал в режиме ХХ, то при восстановлении напряжения в сетевом токе УШРП могут появиться пульсации с амплитудой в 2,2 раза больше номинальной, а кратность тока КО достигать 5,3. При этом в нейтралях реактора имеют место перенапряжения кратностью порядка 3,0 (без учёта действия защитных аппаратов).

При работе УШРП в несимметричных динамических режимах в зависимости от вида режима варьируются броски токов, величины перенапряжений в нейтральных точках и длительность переходного процесса.

Наиболее тяжёлым с точки зрения повышения сетевых токов является K(2) при работе УШРП до аварии в номинальном режиме – токовые перегрузки доходят при этом до 2,4, а затухание возмущения наблюдается лишь по прошествии (8,59) с. С точки зрения перенапряжений – наиболее неблагоприятно K(1) (кратность без учёта действия защитных аппаратов составляет 2,9), а наибольшие броски тока КО проявляются при K(1,1) в номинальном режиме работы реактора (кратность порядка 7,1).

Анализ электромагнитных процессов в УШРП с отдельной обмоткой подмагничивания выполнялся для двух схемотехнических исполнений реактора: с СО, расщеплённой на секции по стержням, и единой СО, охватывающей оба стержня. По результатам проведённого анализа установлено, что время полного набора мощности реакторов данного подтипа в форсированном режиме составляет (0,250,3) с, а в режиме автоматического поддержания напряжения в замкнутом контуре регулирования – (22,5) с при статизме регулирования 1%. С ростом статизма время переходного процесса увеличивается. Аналогичные результаты получены для случая полного сброса мощности УШРП с единой СО.

Исследованы переходные процессы в аварийных режимах работы сети:

при близком K(3) на смежной линии и K(1) на линии с реактором. Показано, что при КЗ на смежной линии вид переходных процессов зависит от момента восстановления напряжения. В неблагоприятных случаях даже при работе УШРП в режиме, близком к ХХ, возникают длительные неуправляемые переходные процессы, которые могут негативно влиять на динамическую устойчивость системы. При K(1) и закорачивании ОУ реакторов две фазы УШРП, подключенные к неповреждённым фазам линии, эквивалентны линейным реакторам с мощностью приблизительно в 2 раза большей номинальной мощности фазы.

Показано, что из-за особенностей схемы УШРП с расщеплённой СО и нелинейных свойств преобразователя регулирование мощности реактора данного исполнения возможно лишь в сторону увеличения её значения.

Длительность процесса уменьшения мощности от номинальной до ХХ определяется исключительно конструкционными параметрами ЭМЧ УШРП, не зависит от величины ЭДС преобразователя и составляет более 10 с. При этом при попытке форсированного снижения потребляемой реактивной мощности в УШРП с расщеплённой СО возможно появление перенапряжений порядка 35 кВ (без учёта действия защитных аппаратов) длительностью ' около 280 мкс на выводах вентильного преобразователя класса напряжения 1 кВ (рисунок 4).

-Kuc(t) uу, кВ ' Uу ср 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 t, мc Рисунок 4 – Напряжение на выводах ОУ УШРП в режиме форсированного снижения потребляемой реактивной мощности В четвёртой главе выполнен анализ результатов системных испытаний УШРП 500 кВ с отдельной ОУ и единой СО, установленного на ПС «Таврическая» Омского предприятия МЭС Сибири. Осуществлена верификация цифровых моделей УШРП.

По результатам системных испытаний установлено, что УШРП 500 кВ на ПС «Таврическая» успешно стабилизирует напряжение сети в нормальных режимах работы в условиях слабозагруженных ВЛ 500 кВ. При включении на ХХ вне зависимости от наличия подмагничивания УШРП потребляет реактивную мощность, близкую к номинальному значению, в течение переходного процесса продолжительностью до нескольких секунд.

Подключение УШРП к шинам 500 кВ ПС вызывает увеличение коэффициента 11-й гармонической составляющей напряжения сети и может приводить к выходу его значения за пределы, установленные ГОСТ 13109-97.

При изменении мощности УШРП в диапазоне регулирования 5-я гармоника сетевых токов превышает значение, определяемое техническими требованиями.

Возникновение в динамических режимах работы внутренних повреждений системы подмагничивания УШРП обуславливает необходимость её доработки с учётом возможных перенапряжений, возникающих при нарушении «эквипотенциальности» в месте подключения.

Выполнена верификации разработанных моделей УШРП в результате сопоставления расчётных зависимостей с результатами системных испытаний аналогичного реактора в одних и тех же режимах. На рисунке 5 представлены расчётные и экспериментальные осциллограммы сетевых токов УШРП 500 кВ с отдельной ОУ и единой СО в установившихся режимах работы, а на рисунке – процессы включения того же реактора на ХХ без и с предварительным подмагничиванием (расчётные кривые показаны серым цветом).

Рисунок 5 – Мгновенные значения сетевого тока УШРП 500 кВ с отдельной ОУ в различных установившихся режимах работы Рисунок 6 – Мгновенные значения сетевого тока УШРП 500 кВ с отдельной ОУ при его включении на ХХ без и с предварительным подмагничиванием Некоторое расхождение кривых установившихся режимов отмечается лишь в режимах, близких к ХХ, когда в сетевых токах УШРП преобладают высшие гармоники, точный учёт которых возможен лишь при подробном представлении вентильного преобразователя в модели реактора и точном воспроизведении режима сети.

Отличие экспериментальных зависимостей от расчётных в переходных режимах наблюдается в основном лишь в значениях апериодической составляющей. Этот факт может объясняться тем, что реальная электрическая сеть представляет собой сложный колебательный контур. На течение переходного процесса при изменении параметров одного узла сети существенное влияние оказывают параметры всех остальных узлов, приводя к возникновению дополнительных свободных составляющих в токах и напряжениях по сравнению с процессами в упрощённых схемах замещения сети.

В остальном во всём диапазоне изменения реактивной мощности реактора наблюдается хорошее соответствие расчётных и экспериментальных зависимостей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Выполнен анализ конструкций и областей применения УШРП различных подтипов. По результатам анализа установлены общие технические особенности управляемых подмагничиванием реакторов: задействование в рабочих режимах области насыщения кривой намагничивания стали;

применение бронестержневых магнитопроводов с подразделённым (расщеплённым) стержнем специальной конструкции;

значение напряжения короткого замыкания 50% и более;

подключение маломощного и относительно низковольтного вентильного преобразователя ко вторичной обмотке или между эквипотенциальными в нормальном режиме работы точками ЭМЧ;

использование КО для фильтрации высших гармоник в сетевом токе и др.

Установлено, что использование УШРП в качестве линейных реакторов в системообразующих сетях ведёт к требованию их высокого быстродействия и сохранения управляемости в динамических режимах работы.

Определено, что системы дифференциальных уравнений, описывающие электромагнитные процессы в УШРП, зачастую являются вырожденными. Это, в свою очередь, ведёт к невозможности или высокой сложности получения численного решения подобных систем непосредственно и к необходимости выполнения предварительных аналитических преобразований данных систем, т.е.

к разработке численно-аналитических моделей УШРП для применения стандартных пакетов прикладных программ моделирования электрических цепей.

Разработан способ аналитического определения обратной матрицы индуктивностей системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в сложных магнитносвязанных цепях, основанный на использовании метода контурных токов и формулы Фробениуса для обращения блочных матриц с окаймлением.

Разработаны численно-аналитические модели УШРП 500 кВ различных подтипов для анализа электромагнитных процессов. При этом исследовано влияние учёта боковых ярм бронестрежневого магнитопровода УШРП на скорость и точность расчёта цифровых моделей. Установлено, что при разработке расчётных моделей УШРП допустимо считать боковые ярма не насыщающимися во всём диапазоне изменения магнитного потока.

На основе численно-аналитических моделей УШРП 500 кВ различных подтипов разработаны цифровые расчётные модели реакторов в среде Matlab\Simulink. Разработана аналитическая модель УШРП с отдельной ОУ для исследования установившихся режимов работы реактора.

При помощи расчётных цифровых моделей УШРП 500 кВ различных подтипов, а также аналитической модели УШРП с отдельной ОУ выполнен анализ различных электромагнитных процессов в реакторах. По результатам анализа установлено, что регулировочные характеристики УШРП рассматриваемых конструкций близки к линейным, несинусоидальность сетевого напряжения не влияет на процессы в реакторах, а степень несинусоидальности сетевых токов зависит от режима работы УШРП. При работе УШРП с замкнутой КО в неполнофазном режиме возможно появление опасных перенапряжений и токов. Время полного набора и сброса мощности УШРП в режиме автоматического поддержания напряжения в замкнутом контуре регулирования составляет несколько секунд, а в форсированном режиме – (0,250,3) с. В УШРП 500 кВ с отдельной ОУ и расщеплённой СО длительность переходного процесса снижения потребляемой реактивной мощности определяется исключительно добротностью ЭМЧ данного реактора, а при попытке форсированного снижения реактивной мощности на выводах вентильного преобразователя класса напряжения 1 кВ возможно появление перенапряжений около 35 кВ (без учёта действия защитных аппаратов) длительностью приблизительно 280 мкс.

В симметричных динамических режимах работы реакторов возможны два типа переходных процессов, определяемых соответствием/несоответствием восстанавливающейся системы напряжений магнитному состоянию ЭМЧ УШРП. В переходных режимах работы в обмотках УШРП возможно появление бросков токов, а на выводах вентильных преобразователей – опасных перенапряжений. Переходные процессы при этом являются длительными и неуправляемыми. В момент восстановления напряжения при K(3) в сети УШРП начинает потреблять реактивную мощность, близкую к номинальной вне зависимости от предыдущего режима работы, что может привести к снижению динамической устойчивости энергосистемы. При K(1) и закорачивании ОУ реактора две фазы УШРП, подключенные к неповреждённым фазам линии, эквивалентны линейным реакторам с мощностью приблизительно в 2 раза большей номинальной мощности фазы.

Проведён анализ результатов системных испытаний УШРП 500 кВ, установленного на ПС «Таврическая» Омского предприятия МЭС Сибири.

Установлено, что УШРП 500 кВ успешно стабилизирует напряжение сети в нормальных режимах работы в условиях слабозагруженных ВЛ 500 кВ. При включении на ХХ вне зависимости от наличия подмагничивания УШРП потребляет реактивную мощность, близкую к номинальному значению, в течение переходного процесса, продолжительность которого может составлять несколько секунд. Возникновение в динамических режимах работы внутренних повреждений системы подмагничивания УШРП обуславливает необходимость её доработки с учётом возможных перенапряжений, возникающих при нарушении «эквипотенциальности» в месте подключения.

Выполнена верификация разработанных моделей УШРП с отдельной ОУ в установившихся и динамических режимах работы в результате сопоставления расчётных зависимостей с результатами системных испытаний. Установлено, что разработанные модели УШРП достоверно отражают электромагнитные процессы в устройстве.

По результатам проведённого исследования можно рекомендовать разработанные цифровые модели УШРП 500 кВ различных конструкций к использованию для целей расчёта переходных, в том числе несимметричных, процессов в цепях с УШРП, определения требований к УШР, а также оптимизации функциональных параметров реакторов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих источниках:

1. Карпов В.Н., Киселёв А.Н. Разработка модели управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора // II-я Всероссийская конференция по итогам конкурса молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики. Секция II. – Дивноморск. – 2007. – С. 312 - 313.

2. Гусев С.И., Карпов В.Н., Киселёв А.Н., Кочкин В.И. Результаты системных испытаний шинного управляемого шунтирующего реактора 500 кВ на подстанции «Таврическая» // Электрические станции. – 2009. – №7. – С. 46 - 53.

3. Карпов В.Н. Разработка расчётной модели управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора // XVI международная научно техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Том 3. – Москва. – 2010.– С. 493 - 494.

4. Карпов В.Н. Анализ электромагнитных процессов в управляемом подмагничиванием шунтирующем реакторе с помощью расчётной модели // XVI Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Том 3. – Москва. – 2010. – С. 494 - 496.

5. Карпов В.Н., Киселёв А.Н. Разработка численно-аналитических моделей УШР с подмагничиванием // Электричество. – 2012. – №8. – С. 7 - 19.

Подписано в печать 12.03.13. Формат 6084/16.

Усл.печ.л. 1,125. Тираж 100 экз. Заказ № Типография ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

115201, г. Москва, Каширское ш., д. 22, корп.