Перейти к сводной странице темы "Координация потоков мощности в развитых электрических сетях"

Скачать версию для печати в формате PDF

ТЕНДЕНЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ ФАЗОПОВОРОТНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

Добрусин Л. А., докт. техн. наук.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Общая характеристика фазоповоротных трансформаторов. 1

1.1. Назначение и терминология. 1

1.2. Принцип управления энергопотоками в электрической сети. 2

1.3. Структурная схема и экономика. 2

2. Мировой опыт применения фазоповоротных трансформаторов. 4

2.1 Великобритания [2] 4

2.2. Франция [4] 7

2.3.Бельгия и Нидерланды [5, 6] 10

2.4. США и Канада [8] 12

2.5. Казахстан [9, 10] 18

2.6. Россия. 19

Заключение. 24

Список литературы.. 25

 

1. Общая характеристика фазоповоротных трансформаторов

1.1. Назначение и терминология

Фазоповоротный трансформатор (ФПТ) является специализированной формой трансформатора, который применяется для управления потоками активной мощности в трёхфазных электрических сетях.

Для идентификации данного вида электрооборудования в литературе используются также следующие термины:

– в российской литературе:

- фазосдвигающий трансформатор (ФСТ),

- кросс-трансформатор (КТ);

– в англоязычной литературе:

- phase-shifting transformer (PST),

- phase angle regulator (PAR),

- quadrature booster (QBs).

1.2. Принцип управления энергопотоками в электрической сети

Поток активной мощности в линии переменного тока пропорционален синусу угла сдвига по фазе между вектором напряжения источника электроэнергии в начале линии и вектором напряжения приёмника электроэнергии в конце линии.

Отсюда следует, если имеется сеть линий разной мощности, то, принудительно изменяя величину угла сдвига между векторами напряжений источника и приёмника электроэнергии в одной или нескольких линиях, можно перераспределять потоки мощности между линиями электрической сети.

В результате появляется возможность реализации более благоприятных сценариев загрузки линий сети относительно естественного распределения потоков мощности, которое часто приводит к перегрузке маломощных линий, ограничению пропускной способности мощных линий, увеличению потерь электроэнергии и другим негативным последствиям.

Функция принудительного изменения величины угла сдвига между векторами напряжений источника и приёмника электроэнергии и выполняет фазоповоротный трансформатор.

1.3. Структурная схема и экономика

Фазоповоротный трансформатор в общем случае состоит из двух отдельных трансформаторов: параллельного трансформатора и последовательного трансформатора (Рис.1) [1].

Рис.1

Первичная обмотка параллельного трансформатора выполняется по схеме «треугольник», за счёт чего организуется трёхфазная система напряжений, сдвинутых по отношению к фазным напряжениям источника на 90 °.

Вторичная обмотка параллельного трансформатора может быть выполнена в виде изолированных фаз с блоком отпаек, центр которого заземлён.

Фазы вторичной обмотки параллельного трансформатора через выход переключателя блока отпаек соединяются с первичной обмоткой последовательного трансформатора, которая обычно выполняется по схеме «звезда» с заземлённой нейтралью.

Вторичная обмотка последовательного трансформатора выполняется в виде изолированных фаз, которые включаются последовательно в рассечку соответствующих по фазе проводов линии и добавляют к вектору напряжения источника сдвинутую по фазе на 90 ° компоненту.

Следовательно, общее напряжение на входе линии становится равным сумме вектора напряжения источника питания и вектора квадратурной составляющей, вносимой ФПТ, то есть изменяет свою фазу.

В зависимости от положения переключателя блока отпаек можно изменять амплитуду и полярность вектора квадратурной составляющей, вносимой ФПТ и таким образом регулировать величину угла сдвига между векторами напряжения на входе и выходе линии в функции от режима работы линии.

Капитальные затраты на ФПТ могут быть довольно высокими: четыре-шесть миллионов фунтов стерлингов (6-9 миллиона долларов США) за единицу мощностью более 2000 МВА. Тем не менее, эти затраты достаточно быстро окупаются за счёт оптимизации режимов работы электрической сети.

2. Мировой опыт применения фазоповоротных трансформаторов

2.1 Великобритания [2]

Фазоповоротные трансформаторы (Quadrature Boosters) применяются в британской электрической сети с 1969, когда был введён в эксплуатацию первый образец напряжением 275 кВ.

В 1997 введены в эксплуатацию два ФПТ мощностью 2750 МВА, 400 кВ с регулятором угла сдвига фаз, имеющим 11 ступеней.

В настоящее время четыре таких ФПТ успешно работают вместе с существующими пятью мощностью 2000 МВА, 400 кВ и шестью 275 кВ, 750 МВА.

В британской электрической сети предусмотрена возможность управления потоками мощности после отключения одной или большего количества линий электропередачи.

Возможность контролировать потоки мощности позволяет повысить надежность электроснабжения потребителей электроэнергии при коротких замыканиях в линиях.

По мнению специалистов Великобритании, самый эффективный способ управления потоками мощности – применение фазоповоротных трансформаторов. Достоинство этого способа – дополнительные гарантии надежности для электроснабжения потребителей электроэнергии без строительства новых линий. При этом минимизируется воздействие на окружающую среду передающей сети.

В британской электрической сети передающая система составлена из широко связанного ряда относительно коротких линий (10 - 100 км) Основное направление потока мощности – с севера, где есть избыток электроэнергии, на юг, где сосредоточены основные мощные потребители электроэнергии. Для надёжности электроснабжения ряд областей юга питается по нескольким линиям электропередачи, подключающими одну область к другой.

В соответствии со стандартами Великобритании электроснабжение потребителей должно надёжно обеспечиваться после коротких замыканий, и при этом оставаться в пределах указанных качественных критериев.

По экологическим и экономическим причинам строительство новых воздушных сетей планируется только тогда, когда рассмотрены все другие варианты.

Воздушные линии успешно вводились в последние годы, но есть физический предел новому строительству линий. В этом контексте фазоповоротные трансформаторы – привлекательный вариант, и они весьма интенсивно используются в британских сетях, чтобы увеличить возможности транспорта мощности.

Несколько упрощенный пример в таблице 1 показывает, как использование ФПТ может увеличить пропускную способность сети, в этом случае состоящую из четырех параллельных цепей.

Таблица 1

 

Цепь

Максимальная

нагрузка каждой цепи

индивидуально (МВА)

После аварии в цепи 1

(гарантированная способность) без ФПТ (МВА)

После аварии в

цепи 1

(гарантированная способность) с ФПТ в цепи 2 (МВА)

1

5600

0

0

2

4400

4400

4400

3

4800

4400

4800

4

4800

4400

4800

Итого

19600

13200

14000

 

В данном случае ФПТ используется, чтобы ограничить поток мощности в цепи 2, при этом цепи 3 и 4 могут нести свою предельную нагрузку. Таким образом, полная послеаварийная способность передачи увеличена с 13200 до 14000 МВА.

Практически в реальных схемах полные сопротивления цепей не всегда равны. Поэтому ФПТ вводятся в несколько цепей, чтобы учитывать возможные аварийные сценарии с позиции надёжного обеспечения потребителей электроэнергией.

Исследования схем и режимов работы ФПТ Великобритании выполнены в лаборатории Единой энергосистемы Великобритании (the National Grid laboratory in Leatherhead UK).

ФПТ были спроектированы и изготовлены на заводе Стаффорда Alstom (the Stafford factory of Alstom) и Эдинбургском заводе Пиблса VAtech (the Edinburgh factory of VAtech Peebles).В настоящее время эти заводы принадлежат компаниям Areva и Siemens.

Общий вид ФПТ данного типа показан на рис.2.

Рис.2.

В Великобритании работают три основных сетевых компании: National Grid (NGET), Scott и Gidro. Компания NGET является ведущей из перечисленных трех сетвых компаний Великобритании. Она готовит семилетний план развития электроэнергетики [2].

По семилетнему плану 2007- 2014 г. состав линий и их конфигурация к 2014 г. практически не меняются, но существенно увеличиваются средства управления потоками активной и реактивной мощности.

Еще шесть ФПТ будут размещены в сетях 275 кВ других сетевых компаний.

2.2. Франция [4]

Франция имеет большой опыт разработки и внедрения ФПТ (phase-shifting transformers) в собственные электрические сети, а также электрические сети других государств.

ФПТ выполняются как в виде отдельного устройства, так и в комплекте с автотрансформатором и обычно имеют переключатель ответвлений под нагрузкой, который позволяет изменять величину тока линии в определенных пределах во время работы.

В принципе, по терминологии авторов [3], стратегия управления потоками мощности в сети состоит в следующем:

- «Лечебный режим»: ФПТ работается с малым сдвигом по фазе в нормальном режиме работы. В случае если одна из линий внезапно отключается, сдвиг по фазе автоматически изменяется, чтобы уменьшить поток мощности на перегруженных линиях и не допустить их отключения.

- «Профилактический режим»: ФПТ работается с постоянным сдвигом фазы и перераспределяет потоки мощности в нормальном режиме работы, чтобы повысить КПД существующей электрической сети.

 

ФПТ, установленные во французской энергосистеме

Таблица 2            

 

Подстанция

Напряжение

сети

Максимальный сдвиг фазы

Мощность

Год ввода

 в действие

 

Pragneres

225 kV

± 2 x 21,4°

312 MVA

1998

Rance

225 kV

± 10°

413 MVA

2001

La Praz

400 kV

± 10°

1181 MVA

2002

Sainte-Cecile

63 kV

± 23°

61 MVA

2005

Guarbecque

225 kV

± 11°

438 MVA

2006

Niort

225 kV

± 11°

438 MVA

2006

 

Стратегии управления могут быть более сложными, чем только «лечебный» или только «профилактический» режимы, и иногда объединяют их оба.

ФПТ Pragneres в нормальных условиях эксплуатации работается со сдвигом фазы, близким к нулю. Если линия перегружается, регулятор автоматически переключает ответвления ФПТ, чтобы уменьшить линейный ток до расчетной величины. Важным параметром является скорость переключения ответвлений, поскольку быстрое регулирование сдвига фазы необходимо, чтобы избежать отключения линий.

ФПТ Rance обычно работает на ответвлении, соответствующей сдвигу фазы приблизительно -7 °. Этот постоянный сдвиг фазы уменьшает полное сопротивление одной линии и позволяет оптимально распределять потоки мощности в сети. Фаза ФПТ изменяется, когда соседняя линия отключается для сервиса.

Стратегия управления, используемая в Sainte-Cecile, является «профилактической», а также «лечебной». ФПТ имеет постоянный сдвиг фазы приблизительно +15 °, который в нормальном режиме работы оптимально распределяет потоки мощности между линиями, питающими ту же самую зону. Кроме того сдвиг фазы может изменяться автоматикой, чтобы избежать перегрузки линий в электрической сети при нештатных режимах.

Во Франции также разработаны ФПТ для других стран:

- для объединения электрических сетей Северной Ирландии и Ирландской республики,

технические характеристики:

- номинальная мощность: 125 МВА,

- установленная мощность: 2 x 95 МВА,

- номинальное напряжение: 110 кВ;

- для США,

технические характеристики:

- номинальная мощность: 675 МВА,

- номинальное напряжение: 345/138 кВ.

Длительный опыт эксплуатации ФПТ во Франции доказывает эффективность их применения для решения проблемы потокораспределения в электрических сетях переменного тока. Их использование выгодно, так как они симметрируют ток между несколькими линиями, позволяют не прибегать к размыканию линий и тем самым обеспечивают более оптимизированное использование существующей энергосистемы.

2.3.Бельгия и Нидерланды [5, 6]

ФПТ в основном используются на подстанциях, где две национальные сети связаны друг с другом (таблица 3):

Таблица 3                  

Подстанция

Связь

Напряжение

Мощность

Год ввода

Meeden (Diele)

Голландия - Германия

380kV

2x 1000MVA

2002/2003

Ophoven (Kinrooi)

Бельгия - Голландия

380kV

2x 1400MVA

2009

Monceau

Бельгия - Франция

220kV/150kV

400MVA

2007

Zandvliet

Бельгия - Голландия

380kV

1400MVA

2008

 

Кроме того, два ФПТ установлены в Южной Голландии (таблица 4):

 

Таблица 4                  

Подстанция

Связь

Напряжение

Мощность

Delft

Голландия

150kV

312MVA

Leiden

Голландия

150kV

290MVA

 

Подход к задаче применения ФПТ иллюстрирует следующий пример.

Исследование потоков мощности в пограничном районе Бельгии и Франции, показали, что линия 220 кВ между подстанцией RTE Chooz и подстанцией Elia Monceau может быть значительно перегружена в случае отказов на других межнациональных линиях электропередачи. Важность этой линии для индустриального района Charleroi обусловила необходимость принять специальные меры, чтобы защитить указанную линию от перегрузки при всех возможных режимах работы электрической сети в данной области.

По результатам моделирования различных вариантов было принято решение установить фазоповоротный трансформатор на подстанции 150 кВ Monceau. Основные характеристики ФПТ: напряжение – 220/150kV, мощность – 400MVA, диапазон регулирования фазы – (-15 ° +3 °).

В комплект ФПТ входят системы защиты и управления, которые должны адекватно реагировать не только на команды системного оператора, но и на различные случайные события в системе (удары молнии, повреждения линий, выключателей).

Сам ФПТ также влияет на величины потоков мощности в системе, схемы защиты и автоматики подстанций. Характерная особенность ФПТ состоит в том, что одна из его обмоток включается последовательно в магистральную линию. Поэтому параметры ФПТ должны быть скоординированы с параметрами линии, прежде всего по току короткого замыкания и защите от перенапряжений. Перед вводом данного ФПТ в эксплуатацию в 2006 году  все эти вопросы были решены и согласованы с системным оператором.

Общий вид ФПТ подстанции Elia Monceau показан на рис. 3.

Файл: ELIA PST Монсо 400MVA.jpg

                           Рис. 3

Авторы проекта разрабатывают новые, более мощные модификации ФПТ, с параметрами: напряжение – 400/400kV, мощность 1400 MVA, которые предполагается установить на границе между Бельгией и Нидерландами.

ФПТ для подстанций Бельгии и Нидерландов поставлены компанией Alstom Grid [7].

Alstom Grid поставляет ФПТ и в другие страны. С 1997 года компания поставила 9 ФПТ Великобритании (National Grid Co) мощностью до 2750 МВА

В настоящее время Alstom Grid имеет контракт с National Grid на проектирование, поставку и ввод в эксплуатацию двух ФПТ 400 кВ, 2750MVA, который оценивается в £ 18 миллионов.

Первый ФПТ будет разработан и изготовлен в 2012 году, второй – в 2013 для установки на подстанции Penwortham, Ланкашир.

ФПТ состоит из двух трансформаторов, вес каждого около 270 тонн. После установки на подстанции, наполнения маслом и соединения общий вес будет около 1040 тонн.

Поставку и ввод в эксплуатацию ФПТ планируется начать в течение 2013 и 2014 гг.

2.4. США и Канада [8]

Фазоповоротные трансформаторы в США и Канаде используются для реализации следующих функций:

1) совершенствования характеристик подстанций,

2) увеличения резерва мощности подстанций,

3) уменьшения взаимовлияния линий в электрической сети,

4) управления потоками мощности в линиях,

5) удаления льда на линиях электропередачи.

Первые две функции предназначены для перераспределения активной мощности в пределах подстанции, или между подстанциями, при коротких замыканиях на линиях. В этих случаях токи короткого замыкания ограничиваются реакторами, включёнными последовательно с ФПТ, а ФПТ компенсирует паразитное смещение сдвига фаз, введенное реакторами.

В третьем случае, система управления ФПТ настраивается таким образом, чтобы почти полностью разъединять связанные электрические сети во время коротких замыканий.

Последние две функции используют обычный принцип управления потоками мощности, но с некоторыми нетрадиционными отличиями, которые состоят в следующем: для ограничения тока ФПТ последовательно включается реактор (ФПТ-Р) или параллельно – конденсатор.

В некоторых вариантах последовательно в линию включается блок, состоящий из двух параллельных цепей: одна – ФПТ-Р, вторая – ФПТ, последовательно соединенный с конденсатором (ФПТ-С). Такая схема обеспечивает постоянство реактивной мощности в линии и максимизирует передачу активной мощности по линии.

При удалении льда на линиях конденсатор используется также для того, чтобы увеличить ток в тех линиях, где нужно расплавить лёд.

Примеры применения ФПТ на подстанциях.

1. Совершенствование характеристик подстанций.

Функция «совершенствование характеристик подстанций» используется при необходимости увеличить мощность действующей подстанции (рис. 5).

Рис. 5

Обычный способ увеличения мощности действующей подстанции – установка дополнительного трансформатора.

В качестве примера взята подстанция 315/120 кВ с четырьмя трансформаторами мощностью 240 МВА, работающими на общую шину 120 кВ.

Требуется установить дополнительный трансформатор с такими же параметрами.

Типовое решение:

- дополнительный трансформатор подключается на отдельную шину 120 кВ;

- существующие трансформаторы разделяются попарно на две группы, каждая группа работает на свою шину.

Каждая группа может подключаться к шине дополнительного трансформатора выключателями, один из которых постоянно замкнут.

Постоянное включение двух выключателей исключается, так как в этом случае все пять трансформаторов будут работать на общую шину, что может привести к недопустимой величине токов короткого замыкания.

Недостатки этого варианта:

- разделение общей шины 120 кВ на две, что снижает надёжность электроснабжения потребителей;

- неравномерная загрузка шин.

Инновационное решение.

- общая шина 120 кВ разделяется на две секции, между которыми устанавливается секционный выключатель;

- на одну секцию работают три трансформатора, на вторую – два;

- секции соединены перемычкой, состоящей из ФПТ, реактора (группа ФПТ-Р) и двух выключателей между перемычкой и секциями.

В нормальном режиме выключатели перемычки замкнуты, секционный выключатель разомкнут.

Исследования показали, что ФПТ с параметрами 120 кВ, 264 МВА, диапазоном сдвига фазы ±12 ° вместе с тремя реакторами 28 МВАр, 5,7 Ом позволяют этим пяти трансформаторам работать параллельно на общую шину, при этом перемычка обеспечивает допустимую величину токов короткого замыкания.

При аварийном или сервисном отключении одного трансформатора секционный выключатель замыкается, а выключатели перемычки размыкаются.

Достоинства этого варианта:

- возможность параллельной работы всех пяти трансформаторов на общую шину 120 кВ, что повышает надёжность электроснабжения потребителей;

- возможность ограничения токов короткого замыкания до допустимого уровня без замены существующей на подстанции коммутационной и другой высоковольтной аппаратуры.

 

2. Увеличение резерва мощности подстанций.

Функция «увеличение резерва мощности подстанций» используется для повышения надёжности электроснабжения потребителей при авариях на подстанциях (Рис. 6).

Рис.6

Для этого шины на входе и выходе двух подстанций соединяются перемычками, причём соединение выходных шин выполняется по аналогии с функцией «совершенствование характеристик подстанций» – перемычка содержит ФПТ и реактор (ФПТ-Р).

Данная функция представляет интерес для городов, где много подстанций расположены близко друг к другу и питают радиальные подсхемы с большими токами короткого замыкания.

В некоторых случаях при соединении подсхем без ФПТ-Р может быть превышен допустимый максимум токов короткого замыкания, но и в тех случаях, когда реактор не требуется, велика вероятность того, что разность углов сдвига фаз между подстанциями создаст циркулирующий поток активной мощности, которая может перегрузить трансформаторы одной подстанции.

ФПТ-Р предоставляет возможность управлять обеими проблемами, и таким образом позволяет подстанциям помогать друг другу после потери трансформатора или даже потери высоковольтной питающей линии.

Соединение двух или большего числа подстанций повышает надёжность энергоснабжения потребителей и способствует лучшему использованию резервного оборудования, которое в свою очередь дополнительно улучшает надежность и гибкость электрической сети.

Эти преимущества могут использоваться, чтобы обеспечить потребителей электроэнергией при быстром росте нагрузок, давая достаточное количество времени для планирования и строительства новых инфраструктур.

Функция «увеличение резерва мощности подстанций» кажется особенно привлекательной в центрах городов, где строительные участки дорого стоят, и проекты требуют длительного и осторожного планирования.

3. ФПТ в транспортной системе между Аризоной и Калифорнией.

Цель применения ФПТ – повысить пропускную способность линии 500 кВ. Для решения этой задачи на передающей подстанции Perkins установлены два параллельных ФПТ 500 кВ, 650 МВА каждый, диапазон регулирования фазы – (±25 °).

Без ФПТ производительность линии ограничена на уровне 800 МВТ, при подключении ФПТ – 1 300 МВТ.

4. ФПТ в распределительной сети между Вермонтом и районом Нью-Йорка Plattsburgh.

ФПТ (115 кВ, 175 МВА, ±40 °) применяется в системе трёх линий 115 кВ, питающих район Нью-Йорка Plattsburgh от подстанции магистральной линии постоянного тока ± 500 кВ в штате Вермонт.

Назначение ФПТ – защита от перегрузки действующих линий при аварии в одной из них.

Кроме того, для увеличения пропускной способности неповрежденных линий со 105 до 140 МВТ было решено параллельно ФПТ подключить реактор (75 Ом, 800 A, 48 МВАр) и две батареи шунтирующих конденсаторов (25 МВАр).

Реализация проекта началась 11 августа 1997, коммерческая работа – 29 июня 1998.

Исследования схем и режимов работы ФПТ, опытных образцов и комплексов на их основе проводятся в компании Hydro-Quebec (Канада). Для этой цели используется моделирующее устройство энергосистемы Hydro-Quebec.

2.5. Казахстан [9, 10]

В 2009 году в Казахстане введена в эксплуатацию межрегиональная линия электропередачи 500 кВ «Северный Казахстан - Актюбинская область» протяженностью 487 км с двумя подстанциями - ПС 500 кВ Житикара и ПС 500 кВ Ульке.

На ПС 500 кВ Ульке впервые в СНГ используется фазоповоротный трансформатор с параметрами: 400 МВА, 500/220 кВ, диапазон сдвига фазы (0 - +20) градусов (Рис. 7).

ФПТ спроектирован и изготовлен компанией «Запорожтрансформатор».

На обеих подстанциях установлены системы мониторинга и управления компании Siemens, а также системы релейной защиты и автоматики того же производителя.

ФПТ позволит минимизировать энергопотоки по линиям 220 кВ юга России и загрузить линию 500 кВ Житикара-Ульке электроэнергией казахстанских источников.

Новая линия соединила актюбинский энергоузел с ЕЭС Казахстана. Ввод объекта в строй решает проблему энергодефицита Актюбинской области за счет поставок электроэнергии от Аксуской и Экибастузских ГРЭС, повысить надежность электроснабжения потребителей и обеспечить потребности региона в электроэнергии до 2015 года.

Рис. 7

2.6. Россия

В России фазоповоротные трансформаторы не применяются, хотя актуальность применения этой техники давно перезрела – прежде всего, с позиции снижения потерь электроэнергии в электрических сетях.

Считается, что потери электроэнергии в сетях России составляют 13,2% [11]. Отметим, что данная цифра относится к 2005 году. Более поздняя достоверная информация, основанная на статистике, отсутствует, так как в России нет федеральной службы, уполномоченной осуществлять мониторинг потерь в сетях всех электросетевых компаний России. Эту задачу надо решать.

Первый проект применения ФПТ в России был разработан российскими специалистами в 1996 году [12, 13].

Проект предусматривал установку на подстанции 500/220 кВ Костромской ГРЭС шести ФПТ оригинальной конструкции (кросс-трансформатор – (КТ)) типа КТ248 с параметрами:

Номинальное напряжение, кВ ................………............…..230,

Номинальная частота, Гц………………...……………….......50,

Номинальная проходная мощность, МВА.............…...…....400,

Диапазон сдвига фазы, градусы……………………………..± 8.

В проекте рассмотрены характеристики Костромской и Саратовской энергосистем как объектов компенсации негативного влияния неоднородности многослойной электрической сети на пропускную способность, потери и надежность электроснабжения. Получены количественные характеристики неоднородности сети по данным проектных институтов и энергосистем.

Установлены условия загрузки параллельных линий транзитными потоками мощности с оптимальным потокораспределением, величины перегрузки сетей 220 и 110 кВ при естественном потокораспределении относительно режима при оптимальном потокораспределении.

Разработан и применен к Костромской и Саратовской энергосистемам метод оптимизации режима сети в направлении экономичного потокораспределения.

Показана возможность тридцати процентного снижения потерь в сетях 220 и 110 кВ АО Костромаэнерго и пятидесяти процентного снижения потерь в Саратовской энергосистеме за счет вытеснения межсистемных перетоков из этих сетей в сеть 500 кВ.

Приведена схема и конструктивные параметры кросс-трансформатора, являющегося универсальным, относительно дешевым и достаточно эффективным силовым оборудованием для реализации оптимизированного потокораспределения.

В качестве обоснования применения показано, что с помощью установки кросс-трансформаторов на подстанции 500/220 кВ Костромской ГРЭС можно реализовать до 70 % возможной экономии потерь в сетях АО Костромаэнерго.

На Костромской ГРЭС автотрансформаторы (АТ) в трехфазной группе имеют мощность 800 МВА. Поэтому при вводе в промышленную эксплуатацию на стороне 220 кВ АТ планировалось включить два КТ248 параллельно.

Дополнительный эффект координации потоков на отдельных, наиболее выигрышных, направлениях достигается установкой дополнительных КТ на входах в некоторые из линий. Для Костромской ГРЭС это линии в сторону Москвы. Таким образом, по результатам расчетов, представленных на заседании НТС РАО «ЕЭС России» в феврале 1996 г., на подстанции 500/220 кВ Костромской ГРЭС целесообразно установить минимум шесть КТ248: по два параллельно, соединённых с каждым из двух автотрансформаторов, и по одному на линиях 220 кВ в сторону Москвы.

Проведенные исследования показали, что кросс-трансформаторы типа КТ248 могут быть эффективно использованы в сетях с номинальным напряжением 220 кВ в энергосистемах России и стран СНГ. Их установку предлагалось производить на кросс-трансформаторных подстанциях, создаваемых при крупных станциях, а в дальнейшем вблизи центров нагрузки и на отдельных промежуточных участках сети 220 кВ. В зоне действия они обеспечивают вытеснение транзитных потоков активной мощности из сетей 110 и 220 кВ в магистральные линии 500 кВ.

Зона действия охватывает окрестные участки кросс-подстанций вплоть до ближайших подстанций 500 кВ и несколько дальше и представляет собой круг, диаметр которого на 20 % превышает расстояние между смежными подстанциями 500/220 кВ.

Кросс-подстанция каждой электростанции имеет столько зон действия, сколько линий 500 кВ отходит от этой станции.

Применительно к Костромской ГРЭС это зоны в сторону Москвы, Владимира, Нижнего Новгорода, Перми и Вологды. Определенные по указанным признакам зоны действия могут частично перекрываться.

В зонах действия кросс-трансформаторные подстанции обеспечивают следующие преимущества:

1)                Четырех - пяти кратную разгрузку линий 110 кВ и двух- трех кратную разгрузку линий 220 кВ от транзитных потоков, связанных с передачей энергии по линии 500 кВ в режимах максимальных нагрузок.

2)                Улучшение использования магистральных линий 500 кВ, благодаря увеличению их загрузки до оптимального уровня по условию минимума потерь в сети в режиме максимальной нагрузки.

3)                Устранение «пробок» в распределительной сети, создаваемых перегрузкой отдельных участков линий 110 и 220 кВ, параллельных магистральным линиям 500 и, в некоторых случаях, параллельных относительно близким линиям 330 и 750 кВ.

4)                Улучшение условий диспетчеризации благодаря вынесению большей части транзитных потоков из сетей 220 и 110 кВ и, тем самым, освобождения их для близких межсистемных и внутрисистемных потоков.

5)                Общее повышение надежности транспортной сети вследствие адекватного использования всех ее основных линий – магистральных линий и наиболее важных линий распределительных сетей.

6)                Снижение потерь в сетях 750 – 110 кВ приблизительно в 1,5 раза.

Проект был рассмотрен на заседании НТС РАО «ЕЭС России» 18 февраля 1996г., одобрен, но так и не был реализован.

Второй проект применения ФПТ в России был разработан российскими специалистами в 2009 году [14].

Проект предлагает реформировать электрическую сеть России в целях оптимизации маршрутов транспорта и распределения электроэнергии на основе применения фазоповоротных трансформаторов.

Сущность проекта состоит в перераспределении потоков энергии между транспортной и распределительной сетями. Все дальние потоки активной мощности, протекающие в распределительной сети параллельно потокам в линиях транспортной сети, переводятся в линии транспортной сети. Происходит практически полное освобождение распределительной сети от неадекватных транспортных потоков.

Постановка такой задачи, насколько известно автору, делается впервые в мировой практике. Она стала возможной в результате двадцатилетней разработки и применения к транспорту электроэнергии автором [14] теории электрического поля и соответствующего сетевого векторного анализа, возникшего в ходе применения к электроэнергетике методологии исследования поля электрических зарядов [15].

В проект входит разделение сети на выделенные сетевые территории, в пределах каждой из которых обеспечивается интеллектуальное управление энергопотоками и, при необходимости, снижение уровней токов коротких замыканий.

Достоинства сети, модернизированной на основе проекта:

1. Две части единой сети – транспортная и распределительная – начинают работать строго по своему назначению.

2. Весомость транспортной сети возрастает на величину порядка 30%.

3. Противоаварийная устойчивость к блэкаутам существенно возрастает.

4. Суммарная располагаемая мощность генераторов энергосистемы может быть снижена на 3% за счет снижения потерь в распределительной сети в 2,5 раза.

5. Распределительная сеть пополняется за счет перевода части тупиковых линий в контурную конфигурацию, что существенно повышает техническую эффективность ранее разомкнутых линий.

Основной экономический эффект – снижение потерь в электрических сетях России примерно в 1,4 – 1,5 раза.

Дополнительный экономический эффект – снижение себестоимости транспорта электроэнергии, как по территории страны, так и за ее пределы – в Европу, страны СНГ и Китай, что позволит во много раз повысить уровень экспортных доходов за счёт переработки на своей территории углеводородов в электроэнергию и её доставки к зарубежным центрам потребления электроэнергии.

Проект также остаётся невостребованным.

 

Заключение

1) Мировой опыт разработки и эксплуатации фазоповоротных трансформаторов – в первую очередь Великобритании, Франции, Бельгии, Нидерландов – убедительно свидетельствует об эффективности применения ФПТ для оптимального управления энергопотоками в электрических сетях.

2) Игнорирование мирового опыта применения ФПТ и инновационных проектов российских специалистов, предлагающих модернизацию электрических сетей России на основе применения ФПТ, можно оценить как стратегический просчёт руководства электросетевого комплекса России, который оказал и продолжает оказывать крайне деструктивное влияние на решение проблемы повышения технико-экономических показателей единой национальной электрической сети России.

3) Оптимальное управление энергопотоками на основе применения фазоповоротных трансформаторов – наиболее продуктивный способ уменьшения потерь электроэнергии до технически обоснованного уровня в электрических сетях России.

4) Представляется, что в целях исполнения поручения Президента Российской Федерации, вытекающего из указа Президента Российской Федерации «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» № 889 от 4 июня 2008 года [16] – снизить потери электроэнергии в электрических сетях России к 2020 году на 40 % по сравнению с 2007 годом – руководству электросетевого комплекса России необходимо решить следующие задачи:

- создать Федеральный центр мониторинга потерь электроэнергии;

- разработать Генеральную схему размещения объектов управления энергопотоками в электрических сетях России с приоритетом применения фазоповоротных трансформаторов и бизнес-план её реализации, поместить эти документы в Интернете, обсудить на авторитетном совещании с представителями электросетевых компаний и компетентных специалистов электроэнергетической отрасли России и утвердить в Правительстве РФ;

- приступить к выполнению указанного бизнес-плана в 2012 году с ориентацией на его безусловное завершение в 2020 году.

 

Список литературы

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Quadrature_booster

2. Paul Jarman, Patrick Hynes, Trevor Bickley, Alan Darwin, Nigel Thomas. The specification and application of large quadrature boostersto restrict post-fault power flows. Cigre 2006, A2-207.

3. http://www.nationalgrid.com/uk/electricity.

4. P. Hurlet, J-C. Riboud, J. Margoloff, A. Tanguy. French experience in phase-shifting transformers. Cigre 2006, A2-204.

5. http://nl.wikipedia.org/wiki/Dwarsregeltransformator

6. J. Rimez, R. Van Der Planken, D. Wiot, G. Claessens, E. Jottrand, J. Declercq.

Grid implementation of a 400MVA 220/150kV –15°/+3° phase shifting transformer for power flow control in the Belgian network: specification and

operational considerations. Cigre 2006, A2-202.

7.http://www.theengineer.co.uk/sectors/energy-and-environment/national-grid-awards-alstom-quadrature-booster-contract/1007578.article

8. J. Brochu, F. Beauregard, R. Cloutier, A. Bergeron, L. Garant, F. Sirois, M. I. Henderson. Innovative applications of phase-shifting transformers supplemented with series reactive elements. Cigre 2006, A2-203.

9. http://rosinvest.com/novosti/498126

10. www.kegoc.kz

11.Справочник по проектированию электрических сетей / под редакцией Д. Л. Файбисовича – М.: ЭНАС, 2007.

12. Е. И. Остапенко, М. В. Ольшванг, Г. А. Кузнецова. Определение реально достижимого уровня снижения потерь в сетях высокого напряжения вытеснением транзитных потоков мощности в сети СВН посредством поперечных трансформаторов. Отчет по НИОКР. Москва, ВЭИ, 1996.

13. Кузнецова Г. А., Лоханин Е. К., Ольшванг М. В., Остапенко Е. И. Ступенчато регулируемые фазосдвигающие автотрансформаторы как средство оптимизации потокораспределения в электрических сетях. Сб. докладов IV международного симпозиума «Электротехника 2010 год». М.: ВЭИ, 1997.

14. Ольшванг М. В. Поэтапная технологическая реформа электроэнергетической сети России для достижения наилучшего использования сетей ФСК и сетей МРСК посредством рационального управления сетевыми потоками.

Материалы инновационного предложения. http://mvo.ipc.ru/, пункты 17, 18.

15. Тамм И.Е. Основы теории электричества. – М: Наука. 1989.

16. Российская газета – Федеральный выпуск № 4680 от 7 июня 2008 г.

 

Добрусин Леонид  Александрович    Академик Академии электротехнических наук РФ, д. т. н., нач. сект. ФГУП ВЭИ

 

 

 

Перейти к сводной странице темы "Координация потоков мощности в развитых электрических сетях"