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

Izvleche

ИЗВЛЕЧЕНИЕ ИЗБЫТОЧНОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ РАЗВИТОЙ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ: СПОСОБ, СРЕДСТВА И ТЕХНОЛОГИЯ

Вторая редакция, январь 2001 .

(Первая редакция - "Электротехника 2010 год", N 1.18, Москва, ВЭИ. 1999. )

М. В. Ольшванг

ВВЕДЕНИЕ

Coвременные электрические сети имеют естественное потокораспределение: потоки активной и реактивной мощностей задаются векторами мощностей нагрузок и генераторных мощностей и распределяются по параллельным путям соответственно комплексным величинам сопротивлений линий, образующих эти пути.

При естественном потокораспределении оптимизация режима энергосистемы производится в двух направлениях. Распределение генераторных активных мощностей между станциями оптимизируется по стоимостным показателям производимой электроэнергии. Реактивная мощность линий корректируется по условию минимума потерь в сети с учетом ограничений оборудования, установленного диспетчером профиля напряжения и условий устойчивости. При этих процедурах оптимизации активные потоки (потоки активной мощности) не меняются или меняются незначительно, тогда как для улучшения режимов развитых сетей активные потоки многих линий следует изменить кратно, то есть в несколько раз. Это свидетельствует о существенных отклонениях от оптимальности естественного потокораспределения и затратах избыточной энергии на ее транспортирование.

Ниже рассмотрены естественные причины неблагоприятного потокораспределения активных потоков в развитых сетях. Излагаемый метод исследования основан на выделении участков между смежными подстанциями мощных линий электропередачи и анализе этих участков как площадей, заполненных нерегулярной многослойной сетью воздушных линий разных классов напряжения.

Поясняется природа неблагоприятного потокораспределения активных потоков. Оценивается влияние нижних слоев на показатели верхнего слоя и влияние потоков по линиям верхнего слоя на работу нижних слоев. Даются оценки естественного и оптимального распределений активных потоков. Рассматривается способ улучшения использования сетей и высвобождения избыточных потерь на электропередачу энергии в развитых сетях ВН и СВН.

Способ состоит в вынесении транзитных потоков из нижних слоев сети в верхний слой с целью достижения потокораспределения, оптимизированного в режимах максимальных нагрузок. Причем изменение потоков производится введением в развитую, многоуровневую сеть новых элементов ее структуры - кросс-трансформаторов (фазоповоротных устройств максимально упрощенной конструкции с малыми изначально заданными углами сдвига), а оптимизация режима достигается их установкой на “перекрестках” сетей разного уровня напряжения в оптимальных узлах и с оптимальными углами. Тем самым производится изменение структуры и потокораспределения сети в пользу режима максимальных нагрузок, названное кросс-структурированием сети.

В результате кросс-структурирования при относительно малых инвестициях в оборудование некоторых подстанций существенно улучшается использование действующих высоковольтных линий всей многоуровневой сети и высвобождаются избыточные потери электропередачи энергии между регионами.

Будучи ориентированным на улучшение работы всей сети в целом в режимах максимальных нагрузок и на разгрузку от транзитных потоков большинства линий нижних и средних слоев сети, кросс-структурирование должно являться первым, большим шагом на пути к системам гибких электропередач на переменном токе (FACTS - Flexible AC Transmission Systems).

ТРАССЫ ПОТОКОВ В РАЗВИТЫХ СЕТЯХ

Развитые сети характеризуются многослойной структурой. В России, США и некоторых других странах слои образуются сетями 110 - 133 кВ из маломощных линий - нижние слои сети; сетями 220 - 245 или 330 кВ, состоящими из в 5-10 раз более мощных линий, - средние слои. Мощные, системообразующие линии электропередачи напряжением 500 и 735-765 кВ составляют верхние слои. Большинство линий образуют замкнутые контуры. Контуры, включающие линии разных слоев, назовем вертикальными.

В качестве примера на рис. 1 схематично представлен участок развитой сети, характерный по классам напряжения входящих линий для сети на территории восточнее меридиана Петербург - Москва - Ростов. Участок имеет три слоя. Первый, нижний слой сети образуют i шунтирующих друг друга линий 110 кВ, условно изображенных на рисунке одной линией с узлами 6-7-8-9. Второй, средний слой образуют k линий 220 кВ, также изображенных одной линией с узлами 3-4-5. Третий, верхний слой состоит из трех линий 500 кВ в виде замкнутого треугольника 1-2-0. Стрелками на участке 6-7-8-9 показаны отходящие тупиковые линии 110 кВ, линии к другим трассам электропередачи и местные нагрузки.

Рис. 1. Выделение территории трассы потока между подстанциями 1 и 2 применительно к трехслойной сети.

К узлам 1 и 3 подключены мощные генераторы Костромской станции. Сеть 500 кВ посредством автотрансформаторов 500/220 кВ и 500/110, а также автотрансформаторов 220/110 связана с сетями 220 и 110 кВ. В вертикальных контурах автотрансформаторные ветви образуют “перекрестки” с сетями 500, 220 и 110 кВ. Именно на этих “перекрестках”, особенно в среднем слое, удобно регулировать распределение потоков между верхним и нижними слоями сетей.

В электропередаче энергии между подстанциями линий верхнего слоя помимо линий верхнего слоя участвуют линии нижних слоев сети - линии 220 и 110 кВ. Под воздействием вектора напряжения между узлами 1 и 2 в нижних слоях сети естественным путем образуются трассы потоков между смежными подстанциями сети верхнего слоя. Трассы охватывают те линии нижних слоев, в которые ответвляются потоки от верхних линий - линий 500 кВ. Для линий слоев 220 и 110 кВ эти потоки являются транзитными. Неполноценный учет линий нижних слоев с транзитными потоками ведет к существенным ошибкам в расчетах установившихся режимов. Понятие трассы помогает в устранении этих ошибок.

К трассе следует относить те линии, в которых проходит основная часть указанных потоков. Удаленные линии приходится отбрасывать, вынужденно ограничивая расчетную схему.

Выделение линий нижних слоев трассы следует производить с использованием географической карты всех линий на территории, широко охватывающей участок между соседними подстанциями линии верхнего уровня - территории трассы потоков. Например, на рис. 1 началом и концом трассы являются трансформаторные подстанции в узлах 1 и 2. Прямая линия между узлами 1 и 2 принимается в качестве главной линией трассы потоков 1-2. Территория трассы потоков представляет собой круг, построений на базе главной линии. Диаметр круга равен 1,4 L, где L - расстояние между подстанциями.

Будем в дальнейшем считать, что все i и k линий рис. 1, за исключением линий 2-10 и 9-10, находятся на территории трассы потоков 1-2.

Таким образом понятие трассы потоков вводится применительно к участку сети между двумя смежными подстанциями линий верхнего уровня. Главная линия трассы практически совпадает с линией верхнего уровня. Эта линия, как правило, шунтируется другими линиями сети 500 кВ, направленными в другие регионы. На рис. 1 шунтирующей линией верхнего уровня является линия 1-0-2, образующая на участках 1-0 и 0-2 свои трассы потоков. На рис. 1 эти трассы не отражены. Часть линий 220 и 110 кВ, отнесенных к трассе 1-2, оказывается в зонах трасс 1-0 и 0-2. Таким образом в случае многоконтурной сети верхнего слоя по одной и той же группе линий нижних слоев проходит несколько трасс.

Изложенный способ определения трассы электропередачи в многослойной сети предложен вниманию участников Московского семинара энергетиков по проблемам потерь в сетях России, проходившего 1-4 апреля 1999 г., и вошел в методическое пособие “Потери на передачу электроэнергии по сетям от электростанций к центрам потребления при оптимальном потокораспределении”.

ПОТЕРИ ОТ МЕСТНЫХ НАГРУЗОК И ТРАНЗИТНЫХ ПОТОКОВ

Потери от местных нагрузок связаны с нагрузками и генераторами в точках промежуточных отборов. На рис. 1 отборы представлены ветвью 4-7 для сети 220 кВ и стрелками в узлах 4, 7, 8 сетей 220 и 110 кВ. Транзитные потери определяются транзитом электроэнергии в первом и втором слоях при перетоках по линиям верхнего слоя - линии 500 кВ 1-2, а также шунтирующим линиям 1-0-2 на рис. 1. Транзитные потоки, представляющие собой нежелательные межсистемные перетоки в среднем и нижнем слоях сети, можно исключить (теоретически), если многократно увеличить число линий 500 кВ между подстанциями 1 и 2, не увеличивая целевой переток между ними. Реальным способом достаточного снижения транзитных потоков до оптимальных величин является кросс-структурирование многослойных сетей, принципы и средства которого изложены ниже.

Для многих срединных энергосистем суммарные величины местных нагрузок и суммы межсистемных перетоков - величины одного порядка. При этом перетоки в среднем и нижнем слоях сети создают потери в 5-10 раз превышающие потери в тех же сетях от местных нагрузок. Это следует из анализа простых эквивалентных схем и подтверждается контрольными расчетами полных региональных схем сетей. Примерами могут служить расчеты характеристик потерь в сетях Ивановоэнерго (Ив) и Ярослвэнерго (Яр), результаты которых даны ниже.

В ходе расчетов перетоки изменялись двумя способами: изменением местных нагрузок Ив или Яр или изменением параметров кросс-трансформатора, установленного в наиболее выгодном (с точки зрения кросс-структурирования) узле региональных сетей.

Структура сетей объединенной энергосистемы Центра в рассматриваемом регионе соответствует рис. 1. Генераторы узлов 1 и 3 относятся к Костромской ГРЭС, узла 6 – к городу Иваново; нагрузки Ив и Яр соответствуют отборам 4, 7 и 8, межсистемные перетоки – транзитным потокам по линиям 3-5 сети 220 кВ и линиям 6-9 сети 110 кВ; приемные подстанции 2 (500 кВ), 5 (220 кВ) и 9 (110 кВ) относятся к Владимирэнерго. Таким образом системы Ивановоэнерго и Ярославэнерго расположены в центральной части территории трассы потока (окружность на рис.1) между соседними подстанциями 500 кВ – узлами 1 и 2 .

Расчеты выполнялись по действующей схеме службы режимов, содержащей 363 узла, 519 ветвей. Причем к Ив относится 21 узел, в том числе 4 узла 220 кВ, 14 узлов 110 кВ и три генераторных узла, а к Яр - 27 узлов, из которых 9 узлов 220 кВ, 14 узлов 110 кВ и 4 генераторных узла.

В расчетной схеме были учтены все линии 220 и 110 кВ, относящиеся к территории трассы потоков между подстанциями Костромы и Владимира, что является ее принципиальным достоинством, поскольку обеспечивает корректность расчетов потерь во всех режимах. 

Исследовался режим зимнего максимума 1998-99 годов с исходной мощностью Костромской станции (КС) 3005 МВт. Исходная сумма нагрузок, питаемых поступлением извне, Ивановоэнерго - 396 МВт, Ярославэнерго - 382 МВт. При уменьшении нагрузок Ив и Яр одновременно уменьшалась и мощность генераторов КС, подключенных к шинам 500 кВ.

Исходные суммы активных перетоков 435 и 398 МВт , соответственно. Суммы перетоков Pe рассчитывались по формуле :

  (1)

где Spe, i - мощность по i - линии, выходящей за пределы Ив или Яр. Формула точна при равном делении нагрузок между линиями приема и выдачи перетока, а также, независимо от этого условия, для приращений перетоков при неизменных нагрузках.

Для перераспределения потоков активной мощности в пользу линий 500 кВ в схему сети 220 кВ были введены кросс-трансформатор и реактор, включенные последовательно с автотрансформатором 500/220 кВ Костромской станции (ветвь 1-3 на рис.1).

.

Рис. 2. Потери в сетях Ивановоэнерго и Ярославэнерго в функции приращений перетоков и нагрузок (a) и в функции углов кросс-трансформатора на Костромской станции (b).

Единицы измерения потерь, перетоков и нагрузок - МВт, углов -градусы.

Обозначения величин по осям ординат рис. 2: ; PnIk - потери в сети Ив при изменении нагрузки в г. Иваново; PnYk - потери в сети Яр при изменении нагрузки в г. Ярославль; PpIk - потери в сети Ив при изменении перетока углом; Ppik - потери в сети Ив при изменении перетока углом и реактором; PpYk - потери в сети Яр при изменении перетока углом; Ppyk - потери в сети Яр при изменении перетока углом и реактором.

 Использовалось два способа перераспределения потоков: первый - изменение величины углов кросс-трансформатора 220 кВ при нулевом сопротивлении реактора, второй - одновременное изменение трех параметров - углов кросс-трансформатора и активного и реактивного сопротивлений реактора. Сопротивления реактора изменялись в зависимости от угла кросс- трансформатора Dgr:

(2)

(3)

где r0 и x0 - активное и реактивное сопротивления короткого замыкания автотрансформатора 500/220 кВ.

Мощность и соответствующие r0 и x0 автотрансформатора в данном случае определяют проходную мощность кросс-трансформатора, которая, в свою очередь, определяет собственные сопротивления R и X этого трансформатора при известных конструктивной схеме и угле сдвига. Константы в (2) и (3) соответствуют конструкции трансформатора с чередующимися обмотками [2], принятой для кросс-трансформаторов. Таким путем реактором имитировалось внутреннее сопротивление кросс-трансформатора, изменяемое соответственно задаваемым углам сдвига.

Построенные по результатам расчетов кривые изменения потерь при отрицательном приращении перетоков, созданном изменением величин нагрузок или углов даны на рис. 2a. Кривые делятся на два семейства - верхнее, из двух кривых и нижнее - из четырех. Первое семейство содержит зависимости потерь в Ив и Яр от отрицательного приращения суммы нагрузок nk, второе - от суммы перетоков при их вытеснении из систем Яр Yk, yk и Ив Ik, ik. Отношение наклонов кривых двух семейств в нисходящей части находится в пределах от одного к пяти до одного к десяти, что подтверждает указанное выше соотношение влияния на потери транзитных перетоков и местных нагрузок.

Таким образом доля потерь от местных нагрузок в “своих” сетях мала. Основные потери в этих сетях создают транзитные перетоки. Следовательно, минимизируя суммарные потери на транспортирование энергии в развитых сетях, потери в местных сетях от местных нагрузок можно не учитывать. Это позволяет использовать простые эквивалентные схемы и получить наглядные результаты как по снижению токовых нагрузок от транзитных потоков так и потерь от них. Результаты таких исследований представлены в следующем разделе.

ТОКОВЫЕ НАГРУЗКИ И ПОТЕРИ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОМ И ОПТИМАЛЬНОМ ПОТОКОРАСПРЕДЕЛЕНИЯХ

Неблагоприятное потокораспределение в развитых высоковольтных сетях аналитически связано с индуктивной добротностью линий - соотношением индуктивного и активного сопротивлений ID = X/R. В современных воздушных сетях развитых стран средняя величина индуктивной добротности увеличивается с ростом класса напряжения линий. Для линий 110 кВ диапазон ID = 1, 37-3,34; 220 кВ - 3,58-7,0; 500 кВ - 10,3-14,8.

Причина столь значительного роста ID состоит в следующем. Передача электроэнергии по воздушным линиям происходит так, что основная доля энергии сосредоточена в близкой окрестности проводов. Вследствие этого индуктивность линий не уменьшается с ростом класса напряжения. Ее удается уменьшить лишь посредством расщепления проводов, но незначительно - в 1,3-1,4 раза.

Из экономических и экологических соображений сечение линий заметно увеличивают по мере роста их номинального напряжения. Следовательно, в той же мере падает их активное сопротивление. В силу указанных причин для линий класса 60-70 кВ величины X и R еще близки, то есть, X/R1; для линий 110 - X/R 1,5. Для линий 735-765 кВ десятикратно возрастая, X/R достигает 15. Таковы усредненные по параметрам линий центральных сетей России величины индуктивных добротностей ID.

С учетом существенного разделения диапазонов ID линий разных уровней номинального напряжения уместно говорить о делении многоуровневой сети на слои линий - верхние, нижние и средние. И далее, о нерациональном растекании потоков активной мощности по этим слоям при естественном потокораспределении.

Минимальные потери в сети и соответствующее оптимальное распределение потоков активной мощности были бы при условии равенства индуктивных добротностей всех линий, образующих замкнутые контуры. Следовательно, для оптимизации потокораспределения в развитых сетях транзитные потоки в линиях нижних слоев необходимо снизить в несколько раз. Так, в параллельных сетях классов 110-765 кВ в нижнем слое сети транзитные потоки необходимо снизить почти десятикратно, поскольку, как сказано, десятикратно отличаются их ID.

 

Рис. 3. Изолинии снижения потерь при оптимизации потокораспределения электропередачи в составе одной линии 500 кВ, от одной до шести линий 220 кВ и от одной до 8 линий 110 кВ.

Для конкретизации этого положения применительно к различающимся по составу линий сетям были рассчитаны различные характеристики естественного и оптимального распределений потоков трехслойных сетей - соотношения токовых нагрузок линий нижних слоев сети транзитными потоками, соотношения потерь и другие. Расчеты проводились для различных сочетаний чисел линий в трассах потоков, соотношений длин линий, проводимости линий верхнего слоя сети.

На основании статистической обработки параметров линий северо-восточного сектора центральных энергосистем России были выявлены наиболее представительные линии по сечениям, соотношению суммарной длины и другим. Эти характеристики использованы для расчетов и трактовки их результатов. Исходные условия расчетов и наиболее показательные их результаты приведены ниже.

Снижение потерь при оптимизации потоков определяется величиной отношения потерь при естественном и оптимальном распределении потоков (ПЕО). Характеристики ПЕО даны на рис. 3. Эти характеристики представляют собой спроектированные на плоскость осей X и Y изолинии поверхности ПЕО (поверхности отношения потерь естественных к оптимальным). По оси X отложено число линий 110 кВ, по оси Y - 220 кВ. Вершина ПЕО – правый нижний угол рис. 3 - равна 1, 72. Сечения линий 110 кВ равны 120 мм2, 220 кВ – 300 мм2, 500 кВ –400*3 мм2.

Установлено, что для сетей центральной России наиболее вероятное сочетание линий в электропередаче по рис. 1: одна линия в 500 кВ, три линии 220 кВ и семь линий 110 кВ. Этому случаю соответствует величина снижения потерь 1,62 (см. рис. 3). Достаточно вероятным является наличие от двух до шести линий 220 кВ и от четырех до восьми линий 110 кВ. С учетом этого ожидаемое снижение потерь оказывается в пределах от 1, 49 до 1,69.

Столь значительное снижение потерь происходит вследствие еще более значительного изменения потоков в среднем и нижнем слоях. При оптимизации потокораспределения в сетях с диапазоном линий соответственно полю рис. 3 транзитные потоки в линиях среднего слоя уменьшаются в 1,8 - 2,5 раза, а нижнего - в 4,2 - 5,8 раз.

 

Рис. 4. Уменьшение снижения потерь при увеличении длины линий 110 и 220 кВ относительно длины линии 500 кВ от 1 до 1,5.

Для расчетов изолиний ПЕО рис. 3 принято, что линии во всех трех слоях имеют равную длину. Затем в других расчетах ПЕО соотношения длин линий в разных слоях варьировались. Результат увеличения длины линий нижних слоев приведен на рис. 4, где представлен расчетный случай: одна линия 500 кВ, три линии 220 кВ и от двух до четырех линий 110 кВ. Как видно, с ростом относительной длины от 1 до 1,5 уменьшение потерь при оптимизации потокораспределения между слоями относительно приведенных выше данных не превышает 5 %. На практике средняя длина линий в трассе потока относительно линии 500 кВ находится в пределах 1,1 - 1,2. Здесь уменьшение ПЕО не более 2 %.

С другой стороны, за пределами трассы потока, устанавливаемой по рис. 1, может оказаться несколько линий, средняя длина которых приближается к величине 1,5. Неполное включение подобных линий в расчетную схему несколько снизит расчетную величину ПЕО, что даст заведомый, хотя и небольшой запас при расчете экономической эффективности оптимизации потокораспределения. Это методически приемлемо.

На рис.1 основная линия 500 кВ 1-2 шунтирована линиями 1-0 и 0-2. На практике сеть 500 кВ сложнее. Уместно говорить о увеличении комплексной проводимости эквивалентной линии 500 кВ между подстанциями 1 и 2, вызванном шунтированием основной линии сетью верхнего слоя. Для оценки влияния окружающей сети верхнего слоя на электропередачу между подстанциями 1 и 2 было рассчитано снижение потерь при оптимизации потокораспределения электропередачи в составе сети 500 кВ и трассы потока между подстанциями 1 и 2 этой сети в составе шести линий 220 кВ и от одной до восьми линий 110 кВ. Соответствующие изолинии ПЕО представлены на рис. 5. Снижение потерь хотя и уменьшается относительно данных рис. 3, но остается близким к величине 1,5. Проводимость величиной 2 (см. ось Y рис. 5) будет при шунтировании линии 500 кВ второй такой же линией, что встречается редко. При других конфигурациях сети 500 кВ около линий 1-0, 0-2 и им подобных образуются новые трассы потока, что приводит к необходимости оценки ПЕО не по рис. 5, а по рис. 3.

 

Рис. 5. Изолинии снижения потерь при оптимизации потокораспределения электропередачи в составе изменяемой сети 500 кВ, шести линий 220 кВ и от одной до 8 линий 110 кВ. По оси Y отложена проводимость сети 500 кВ между подстанциями 1 и 2, отнесенная к проводимости одной линии 1-2 напряжением 500 кВ.

 

Предложенный способ выделения трассы потока для адекватного учета линий в каждом из слоев многослойной сети впервые позволяет установить правило составления режимных схем, исключающие грубые ошибки при расчетах потерь в развитых сетях и, в то же время, ограничить практически приемлемыми объемами базы данных энергосистем. Вот это правило: учет линий территорий трасс потоков по рис. 1 должен проводиться применительно ко всем линиям верхнего слоя сети. На практике достаточно ограничиться линиями, расположенными по периметру географически привязанной схемы. Для каждого участка этих линий следует построить окружности территорий трасс типа рис.1. Огибающая этих окружностей ограничит территорию учета линий всех слоев.

Таким образом при естественном потокораспределении вследствие относительной перегрузки линий 110 - 220 кВ транзитными потоками имеет место многократный рост потерь в нижних слоях сети относительно потерь от местных нагрузок, значительное превышение потерь в сети в целом уровня потерь, достижимого при оптимальном распределении потоков активной мощности, а также заторы со стороны далеко не главных линий на главных путях электропередачи. Парадоксальность перечисленных явлений современных развитых сетей усугубляется тем, что они дополняются фактом наличия избыточной энергии в сети, причем максимум этой энергии приходится на максимум полезной нагрузки сети. Отмеченные негативные явления достаточно полно устраняются путем кросс-структурирования.

КРОСС-СТРУКТУРИРОВАНИЕ РАЗВИТЫХ СЕТЕЙ

Исследования показали, что достаточно полноценной оптимизации потокораспределения можно достигнуть наложением дополнительных потоков активной мощности на потоки естественного потокораспределения в вертикальных контурах многослойной сети. Оптимизация достигается вследствие вытеснения из нижних слоев потоков, ответвляющиеся из верхнего слоя. Дополнительные потоки должны снизить транзитные потоки в линиях среднего слоя в 2 - 2,5 раза, а нижнего в 4-6 раз.

Средством изменения потоков в вертикальных контурах, наилучшим образом удовлетворяющим потребностям оптимизации потоков активной мощности в многослойной сети, является введение в структуру сети новых элементов - кросс-трансформаторов. Они должны устанавливаться на “перекрестках” сетей разного уровня напряжения, причем для установки должны выбираться наиболее выгодные, оптимальные узлы, а параметры каждого из кросс-трансформаторов определяются по общему для всех них критерию минимума потерь в режимах максимальных нагрузок. (Возможны и другие критерии.) Тем самым производится изменение структуры сети, названное кросс-структурированием сети.

В результате кросс-структурирования при относительно малых инвестициях в оборудование некоторых подстанций существенно улучшается использование действующих высоковольтных линий, разгружаются линии нижних слоев сети и высвобождаются избыточные потери транспортирования электроэнергии.

Извлеченную при кросс-структурировании энергию уместно соотнести с энергией так называемых возобновляемых источников (sustainable energy source) и отметить ее важное преимущество перед ветровыми, солнечными и приливными и другими подобными возобновляемыми источниками : максимальные величины выделенной из развитой сети энергии соответствуют режимам максимальных нагрузок объединенной энергосистемы.

Для изменения распределения потоков в параллельных путях сети необходимы трансформаторы поперечной ЭДС (quadrature voltage ) - устройства практически отсутствующие в современных сетях. (Поперечная ЭДС сдвинута на 90 градусов относительно фазной ЭДС сети в точке включения трансформатора.) Простейшая модификация этих устройств названа кросс-трансформаторами (КТ). Трансформаторы поперечной ЭДС относятся к фазосдвигающим устройствам [1-4].

Требуемая при оптимизации потоков величина поперечной ЭДС невелика - от 0.1 до 0.2 величины фазного напряжения. При этом кросс-трансформаторы имеют сравнительно большое индуктивное сопротивление, эффективно ограничивающее токи перегрузок и коротких замыканий в сети [2]. Причиной большого собственного сопротивления является применение в конструкции кросс-трансформаторов особого, чередующегося расположения обмоток на стержнях трехфазного магнитопровода. Оно же дает возможность в раз понизить требование к изоляции высоковольтных обмоток относительно требований к изоляции в конструкции с общепринятым, соосным расположением обмоток.

Благодаря небольшим величинам поперечной ЭДС и особенностям конструкции кросс-трансформаторы почти на порядок превосходят известные фазоповоротные устройства Phase Shifting Transformers фирмы Siemens по стоимостным и весовым показателям [2,3]. Это открывает возможность широкого применения в развитых сетях фазосдвигающих трансформаторов типа кросс-трансформаторов, и тем самым возможность кросс-структурирования сетей.

Методика кросс-структурирования вытекает из изложенного в предыдущих разделах. Обязательным элементом ее является создание схем сети с полноценными трассами потоков на участках перераспределения потоков между слоями сети, то есть подготовка адекватной базы данных. Собственно оптимизация потокораспределения включает выбор точек сети для кросс-подстанций, оптимизацию параметров кросс-трансформаторов и сопутствующие технико-экономические расчеты и сопоставления вариантов по годам развития проекта кросс-структурирования.

Освобожденная при кросс-структурировании энергия может быть извлечена в явном виде несколькими способами: увеличением нагрузки или отключением маломощных генераторов в одной или нескольких точках реконструируемой сети.

Можно отказаться от извлечения высвобождаемой при кросс-структурировании энергии в пользу увеличения дальности передачи заданных потоков с заданными потерями. В таком случае изолинии рис. 3 и 5 показывают не отношение потерь естественного и оптимального потокораспределений, а возможное увеличение дальности передачи электроэнергии по расчетной многослойной сети, достигаемое оптимизацией потокораспределения.

Увеличение дальности электропередачи энергии по существующим сетям без увеличения потерь особенно привлекательно при намеченном РАО “ЕЭС России” реформировании электроэнергетики .

.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вследствие роста сечения проводов воздушных линий по мере увеличения класса напряжения естественно растекающиеся по сети потоки транспортируемой энергии чрезмерно загружают линии среднего и нижнего слоев сети. Перегрузка транзитными потоками препятствует полноценной работе этих слоев по обслуживанию местных нагрузок и генераторов и многократно увеличивает потери в этих слоях относительно потерь при оптимальном потокораспределении. Вследствие указанного явления потери в развитых сетях в целом, с учетом всех слоев сети, в 1,4-1,6 раза превышают потери оптимального потокораспределения.

При естественном потокораспределении транзитные потоки в линиях 220 кВ в 2-2,5 раза больше, а в линиях 110 кВ - в 4-6 раз больше, чем при оптимальном.

Потери на транспортирование электроэнергии в сетях развитых стран в условиях естественного потокораспределения составляют от 4 до 6 % вырабатываемой электроэнергии. Направленное на оптимизацию активных потоков кросс-структурирование развитых сетей позволяет снизить потери в 1,4-1,5 раза. Что особенно важно, наибольшее снижение потерь будет иметь место в режимах максимальных нагрузок.

Предварительные, заведомо заниженные (по причине отсутствия схем с корректным учетом трасс потоков) оценки экономики извлечения избыточной энергии путем строительства кросс-подстанций показали потребность в инвестициях порядка $100 на 1 КВт пиковой мощности. Для отечественной энергетики в настоящее время уже приемлемой считается в десять раз большая величина. Поэтому необходимость инвестиций в кросс-структурирование электрических сетей не должна вызывать сомнений.

Автор выражает признательность д. т. н., профессору Е. К. Лоханину за деятельную поддержку в разработке идей кросс-структурирования, а также д. т. н. А. И. Скрыпнику и начальнику отдела программирования фирмы МВ В. М. Муравлеву за помощь в освоении использованных в работе программ.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Seitlinger W. - Phase Shifting Transformers. Discussion of Specific Characteristics. - CIGRE, Group 12 ,Transformers, No. 12-304, Session 1998.

2. Ольшванг М.В., Остапенко Е.И., Кузнецова Г.А., Лоханин Е.К.. - Ступенчато регулируемые фазосдвигающие автотрансформаторы как средство оптимизации потокораспределения в электрических сетях. - "Электротехника 2010 год", Москва, ВЭИ, 1997.

3. Doll G., Engelhardt K., Harth S.T. Phase angle regulation with 575 MVA transformers. - "Power Technology International", Sterling Publication Ltd, London W2 2YW, 1992.

4. Heindl H., Pertot D., Rohrl G., Springer J. - 1500-MVA -ransformatoransats mit Langs-and-Quereinstelling der Spannung. - Elektrizipatswirsobaft N 7, 1987.

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