Статьи и аналитикаБиблиотекаОбразованиеМероприятия  
Каталог

Определение области применения различных типов средств компенсации реактивной мощности в энергосистемах

В настоящее время в ЕЭС России в связи с ростом нагрузки требуется установка дополнительных средств компенсации реактивной мощности (СКРМ) с возможностью ее выдачи. Кроме того, активно производится замена выработавших свой ресурс источников реактивной мощности, в частности, синхронных компенсаторов.

К числу современных СКРМ, работающих с выдачей реактивной мощности относятся  нерегулируемые батареи статических конденсаторов (БСК) и регулируемые СКРМ: статические тиристорные компенсаторы (СТК), синхронные компенсаторы (СК), в том числе и асинхронизированные (АСК), устройства СТАТКОМ.  Наиболее широкое применение в ЕЭС России имеют первые четыре типа СКРМ.

В настоящем докладе представлены результаты исследований по определению границ наиболее целесообразной области применения указанных типов СКРМ. Исследования были выполнены с позиции эффективности применения СКРМ для регулирования напряжения в установившемся режиме и для обеспечения устойчивости нагрузки в переходных процессах при аварийных возмущениях в энергосистеме. Рассматривалось влияние удаленности узла нагрузки от генерирующих источников на эффективность применения различных типов СКРМ. В качестве меры удаленности узла нагрузки использовалась величина тока трехфазного короткого замыкания на его шинах. Исследования были выполнены при токе К(3) 2 кА и 6 кА.

Расчеты были выполнены с помощью программы MUSTANGв простейшей схеме: станция – узел нагрузки – ШБМ (рис.1). Номинальное напряжение сети 110 кВ. Принято, что БСК подключается на шины 110 кВ, СК и СТК на шины 10,5 кВ.

     

Рис. 1. Схема исследуемой сети. 

В расчетах установившихся режимов нагрузка моделируются Р,Q = const. Нерегулируемая БСК представлена постоянной проводимостью. СК и СТК представлены источниками неизменного напряжения на шинах низшего напряжения с нулевой активной мощностью и ограничениями по реактивной мощности.

В расчетах динамической устойчивости нагрузка моделировалась статическими и типовыми динамическими характеристикам. Статическая часть нагрузки представлена Р,Q = const. Динамическая часть нагрузки моделировалась с параметрами обобщенного асинхронного двигателя, принятыми в ПК MUSTANG. Доля динамической нагрузки рассматривалась 55 %. Нерегулируемая БСК, так же как и в расчете установившегося режима, представлена постоянной проводимостью. СК моделировался полными расчетными моделями по упрощенным уравнениям Парка-Горева с учетом систем возбуждения и автоматических регуляторов возбуждения. СТК моделировался постоянной проводимостью, величина которой определяется уровнем напряжения в узле подключения.

В качестве аварийных возмущений рассматривались трехфазные короткие замыкания на ВЛ 110 кВ вблизи шин узла нагрузки с отключением поврежденной цепи ВЛ 110 кВ.

В таблицах 1, 2 приведены результаты исследований при варьировании: активной мощности нагрузки, мощности рассматриваемых устройств, удаленности узла нагрузки. Коэффициент мощности нагрузки cosφ принят равным 0.85.

Таблица 1. Напряжение на шинах 110 кВ нагрузки при изменении активной мощности нагрузки

 

Iкз=2 кА

Iкз=6 кА

 

Pн, МВт

Q, МВар

60

80

100

160

180

200

220

БСК

0

112.3

108.1

102.8

114.4

108.6

101.3

90.3

12

115.0

110.8

105.6

117.1

111.4

104.4

94.3

25

133.9

113.9

108.7

120.2

114.6

107.7

98.4

50

170.1

153.0

115.1

124.2

120.9

114.4

106.1

100

-

-

-

125.2

124.8

124.3

121.9

СК

0

112.3

108.1

102.8

114.4

108.6

101.3

90.3

12

114.8

110.8

105.9

116.9

111.5

104.9

96.0

25

121.0

113.6

109.0

119.5

114.4

108.4

100.7

50

121.0

120.8

114.3

122.1

119.4

114.1

107.8

100

121.0

120.8

120.6

122.1

121.8

121.6

118.6

СТК

0

112.3

108.1

102.8

114.4

108.6

101.3

90.3

12

114.8

110.6

105.4

116.9

111.2

104.1

94.0

25

120.9

113.4

108.2

119.7

114.1

107.2

97.8

50

120.9

120.8

114.1

121.7

119.9

113.4

105.0

100

120.9

120.5

120.2

121.7

121.3

120.8

119.8

Таблица 2. Предельное время отключения трехфазного КЗ при изменении активной мощности нагрузки

 

Iкз=2 кА

Iкз=6 кА

 

Pн, МВт

Q, МВар

60

80

100

160

180

200

220

БСК

0

0.11

0.08

0.05

0.9

0.22

0.15

0.09

12

0.11

0.08

0.05

1.1

0.25

0.16

0.1

25

0.28

0.08

0.06

1.11

0.39

0.18

0.12

50

>5

0.34

0.06

>5

0.78

0.21

0.14

100

-

-

-

>5

1.09

0.78

0.21

СК

0

0.11

0.08

0.05

0.9

0.22

0.15

0.09

12

0.13

0.10

0.07

1.11

0.61

0.18

0.12

25

0.19

0.12

0.08

>5

0.83

0.21

0.15

50

0.23

0.18

0.12

>5

>5

1.02

0.21

100

0.28

0.23

0.19

>5

>5

>5

1.39

СТК

0

0.11

0.08

0.05

0.9

0.22

0.15

0.09

12

0.11

0.08

0.05

1.02

0.25

0.16

0.1

25

0.16

0.08

0.06

1.2

0.68

0.17

0.12

50

0.21

0.12

0.06

1.13

0.85

0.2

0.14

100

>5

0.19

0.11

>5

1.08

0.74

0.2

 Анализируя таблицы1,2 можно сказать, что при большой удаленности узла нагрузки от шин станций (ток К(3) 2 кА) и отсутствии СКРМ напряжение на шинах 110 кВ нагрузки меняется от 112.3 кВ до 102.8 кВ при изменении активной мощности нагрузки от 60 МВт до 100 МВт. Падение напряжения с ростом нагрузки сопровождается также снижением предельного времени отключения трехфазного короткого замыкания с 0.11 с до 0.05 с.

Установка БСК позволяет повысить напряжение в узле нагрузки. Однако при небольшой активной мощности нагрузки и высоком коэффициенте мощности установка БСК может привести к превышению напряжения выше наибольшего рабочего.

Сильная зависимость напряжения от величины активной мощности нагрузки, обусловленная низким током КЗ, приводит к тому, что целесообразность установки БСК в такой слабой сети неоднозначна. Например, при активной мощности 80 МВт и коэффициенте мощности 0.85 напряжение в узле при отсутствии СКРМ составляет 108.1 кВ. При установке БСК 25 МВА напряжение удается ввести в допустимый диапазон (113.9 кВ). Однако при том же коэффициенте мощности и снижении активной мощности нагрузки до 60 МВт (что возможно в режиме минимальных нагрузок) напряжение в узле при наличии БСК повышается до 133.9 кВ. При большей требуемой мощности СКРМ ситуация еще более характерная. При активной мощности 100 МВт напряжение в узле составляет 102.8 кВ. Установка БСК 12 и 25 МВА не позволяет повысить напряжение до номинального значения. При установке БСК 50 МВА напряжение составляет 115.1 кВ. Однако при снижении активной мощности нагрузки всего лишь на 20 МВт (на 20 %) при том же коэффициенте мощности напряжение повышается до 153 кВ. Из сказанного следует, что в слабой сети при переменном графике нагрузки установка БСК нецелесообразна.

Установка регулируемого СКРМ (СК, СТК) позволяет избежать проблемы повышенных напряжений, которая возникает при установке БСК.

С позиции динамической устойчивости нагрузки при установке БСК предельное время отключения К(3)  находится в диапазоне 0.05 – 0.34 с. За счет повышения напряжения в узле нагрузки установка БСК может значительно повысить эту величину. Однако существенное увеличение предельного времени отключения К(3) с помощью БСК имеет место в режимах с недопустимо высокими напряжениями. В режимах с допустимыми уровнями напряжений влияние БСК на предельное время отключения практически нет (сотые доли секунды). Таким образом, БСК практически не влияют на динамическую устойчивость узла нагрузки.

СТК малой мощности (12, 25 МВар) также как и БСК практически не влияют на  динамическую устойчивость нагрузки. СТК мощностью 50 МВар увеличивает предельное время отключения трехфазного КЗ от  0,01 с при мощности нагрузки 100 МВт до 0,1с при нагрузки 60 МВт.  Установка СТК мощностью 100 МВар не позволяет обеспечить нормативное время отключения КЗ до допустимого уровня 0,2 с при нагрузках более 80 МВт.

Влияние СК на динамические показатели устойчивости нагрузки проявляется даже при малой установленной мощности. СК 12 МВар увеличивает tпр(3) на 0,02 с, с ростом мощности СК усиливается степень влияния на tпр(3), при установленной мощности 50 МВар tпр(3) меняется от 0,23 с до 0,12 с. А установка СК мощностью 100 МВар позволит обеспечить нормативное время отключения КЗ для режимов с нагрузкой менее 100 МВт.

Анализируя результаты исследований при близком расположении узла нагрузки от шин станций (ток К(3) 6 кА)) (таблица 1, 2)  можно сказать, что при отсутствии СКРМ напряжение на шинах 110 кВ нагрузки меняется от 114.4 кВ до 90.3 кВ при изменении активной мощности нагрузки с 160 МВт до 220 МВт, tпр(3) меняется соответственно  с 0,9 с до 0,09 с.

Проблема возникновения недопустимо высоких напряжений при установке БСК в условиях близкого расположения узла нагрузки к шинам станции несколько снижается, поскольку в этом случае часть избыточной реактивной мощности БСК могут принять на себя генераторы станции. Так из таблицы 1 видно, что при активной мощности нагрузки 220 МВт  БСК мощностью 100 МВар позволяет увеличить напряжение с 90,3 кВ до 121,9 кВ. Вместе с тем снижение нагрузки на 60 МВт (27%)  приведет к росту  напряжения только на 3,3 кВ до 125,2 кВ.

С точки зрения динамической устойчивости нагрузки БСК увеличивает предельное время отключения трехфазного КЗ. При малой мощности БСК (12, 25 МВар) существенный  прирост tпр(3) =0,17-0,2 с  происходит только при меньшей мощности нагрузки (Pн=160-180 МВт), при большей мощности нагрузки (Pн=200-220 МВт) увеличение tпр(3) незначителено: 0,01-0,03 с.  Соответственно в этих режимах не обеспечивается и нормативное время отключения К(3). В этом случае для повышения tпр(3)  до нормативного значения необходимо устанавливать БСК большей мощности (100 МВар).  

Влияние СТК и СК на уровень напряжения определяется их уставками, а также способом выдачи мощности при выходе на предел регулировочной способности. Так СК в наиболее тяжелых режимах, с выходом на предел регулировочной способности, за счет поддержания выдачи реактивной мощности позволяет держать напряжение на шинах 110 кВ нагрузки на 2-3 кВ больше по сравнению с СТК, у которого при выходе на предел регулирования, выдача реактивной мощности падает в квадратичной зависимости от напряжения.

Из таблицы 2 видно, что по влиянию на динамическую устойчивость нагрузки  СТК близок к БСК, это объясняется выходом СТК на предел регулирования при коротких замыканиях. СК более сильно влияет на tпр(3), так СК 12 МВар увеличивает предельное время отключения трехфазного КЗ от 0,03с в наиболее тяжелом режиме до 0,21с в режиме с Pн=160. А установка СК 50 МВар позволяет повысить значение данного параметра до нормативного (0,2с).

В таблицах 3, 4 приведены результаты исследований при постоянной активной мощности нагрузки и изменении ее коэффициента мощности.

Таблица 3. Напряжение на шинах 110 кВ нагрузки при изменении коэффициента мощности нагрузки

 

Iкз=2 кА, Pн=60 МВт

Iкз=6 кА, Pн=180 МВт

 

Cosφ

Q, МВар

0.95

0.75

0.55

0.95

0.85

0.75

БСК

0

119.2

108.7

98.4

119.8

108.6

92.7

12

132.7

111.5

101.3

122.5

111.4

96.4

25

147.7

114.6

104.6

124.1

114.6

100.3

50

180.3

158.7

111.4

124.6

120.9

107.9

100

-

-

-

130.9

124.8

123.8

СК

0

119.2

108.7

98.4

119.8

108.6

92.7

12

121

111.5

102

121.8

111.5

97.9

25

121

114.7

105.5

121.8

114.4

102.3

50

121

121

111.4

121.8

119.4

109.3

100

121

121

121

121.8

121.8

119.9

СТК

0

119.2

108.7

98.4

119.8

108.6

92.7

12

121.1

111.3

101.1

121.7

111.2

96.1

25

121.1

114.1

104.1

121.7

114.1

99.7

50

121.1

120.8

110.3

121.7

119.9

106.8

100

121.1

120.8

120.7

121.7

121.3

121.6

 Таблица 4. Предельное время отключения трехфазного КЗ при изменении коэффициента мощности нагрузки

 

Iкз=2 кА, Pн=60 МВт

Iкз=6 кА, Pн=180 МВт

 

Cosφ

Q, МВар

0.95

0.75

0.55

0.95

0.85

0.75

БСК

0

0.13

0.11

0.1

0.85

0.22

0.14

12

0.26

0.11

0.11

1.01

0.25

0.15

25

2.18

0.11

0.11

1.09

0.39

0.17

50

>5

2.09

0.12

1.08

0.78

0.21

100

-

-

-

>5

1.09

1.02

СК

0

0.13

0.11

0.1

0.85

0.22

0.14

12

0.16

0.13

0.12

0.85

0.61

0.17

25

0.18

0.15

0.15

1.08

0.83

0.3

50

0.21

0.24

0.2

>5

>5

0.71

100

0.27

0.29

0.33

>5

>5

>5

СТК

0

0.13

0.11

0.11

0.85

0.22

0.14

12

0.16

0.11

0.1

0.86

0.25

0.15

25

0.19

0.11

0.11

1.06

0.68

0.17

50

0.26

0.17

0.11

1.01

0.85

0.21

100

>5

>5

0.2

>5

1.08

0.99

     Анализируя  таблицы 3, 4 можно сказать, что при отсутствии СКРМ  в условиях большой удаленности узла нагрузки от шин станций (ток К(3) 2 кА) изменение коэффициента мощности нагрузки существенно влияет на уровень напряжения на шинах 110 кВ нагрузки, и незначительно изменяет показатель предельного времени отключения трехфазного КЗ. Так изменение cosφ с 0,95 до 0,55 приводит к падению напряжения с 119,2 кВ до 98,4 кВ, при этом  tпр(3) меняется с 0,13 с до 0,1 с.

Установка БСК приводит к увеличению диапазона изменения напряжения в зависимости от коэффициента мощности  нагрузки с 20,8 кВ при отсутствии БСК до 68.9  кВ при установке БСК 50 МВар. Причем из-за отрицательного регулирующего эффекта БСК рост напряжения при малых cosφзначительно меньше, чем при больших. Например, установка БСК 12  МВар повышает уровень напряжения на 2,9 кВ при cosφ=0.55 и на 13,5 кВ при cosφ=0.95.

Влияние БСК на динамические показатели устойчивости нагрузки при изменении коэффициента мощности также определяются уровнем напряжения. В соответствии с таблицами 3, 4 при варьировании cosφ  увеличение tпр(3)  происходит только в  режимах с недопустимо высоким напряжениями.

Установка СТК или СК позволяет снизить диапазон изменения напряжения в зависимости от  изменения коэффициента мощности нагрузки. Так для СК и СТК мощностью 12 МВар диапазон колебания напряжения уменьшиться соответственно до 19 и 20 кВ, увеличив установленную мощность СК до 100 МВар можно практически полностью исключить зависимость напряжения от коэффициента мощности (в условиях рассматриваемой активной мощности нагрузки Pн=60 МВт).
 
Изменение предельного времени отключения трехфазного КЗ в зависимости от  cosφ при использовании СК остается на том же уровне, как и без использования СКРМ.  В частности СК 50 МВар поднимает tпр(3) выше нормативного уровня 0,2 с для всех рассматриваемых коэффициентов мощности, при этом диапазон изменения  tпр(3) составляет 0,04 с по сравнению с 0,03 с без установки СК.
 
Из таблицы 4 видно, что СТК малой и средней мощности улучшает показатели динамической устойчивости нагрузки только при высоких значениях cosφ. Для повышения tпр(3) до минимально допустимого уровня при сильном изменении коэффициента мощности необходима установка СТК большой мощности (при Pн=60 МВт, необходимая мощность СТК составила 100 МВар, что в два раза превосходит требуемое значение мощности для СК).
 
В условиях близкого расположения узла нагрузки к шинам станций при отсутствии СКРМ влияние коэффициента мощности на уровень напряжения еще более значителен. Так при варьировании cosφ от 0,95 до 0,75 напряжение будет изменяться от 119,8 кВ до 92,7 кВ (27.1 кВ, 22,6%). Предельное время отключения трехфазного КЗ также сильно зависит от cosφ нагрузки и меняется в пределах 0,14-0,85 с. 
 
Установка БСК приводит к уменьшению диапазона колебаний напряжения. Так, при БСК 12 МВар колебаний напряжения в зависимости от cosφ составляют 26.1 кВ, при БСК 50 МВар - 16.7 кВ.
 
БСК позволяет обеспечить нормативное время отключения короткого замыкания при  изменении коэффициента мощности. При активной мощности нагрузке 180 МВт для этого необходима установка БСК 50 МВар(таблица 4), в соответствии с таблицей 3 это не будет приводить к росту напряжения выше наибольшего рабочего.
 
Использование регулируемых СКРМ (СК, СТК) также как и в схеме с сильной удаленностью узла нагрузки от шин станций позволяет минимизировать влияние коэффициента мощности  нагрузки на напряжение (таблица 3). Следует отметить, что при малых cosφ при выходе устройств на предел регулирования СТК уступает СК по уровню поддержания напряжения 2-3 кВ.
 
 С точки зрения влияния на показатели устойчивости нагрузки при изменении ее коэффициента мощности СТК и СК ведут себя аналогично рассмотренному выше случаю при изменении активной мощности нагрузки: СТК при малых cosφ близок к БСК, а СК является наиболее сильным из рассматриваемых СКРМ. Например, в рассматриваемом примере при варьировании cosφ от 0,95 до 0,75 для обеспечения нормативного требования по длительности трехфазного КЗ достаточно установить СК 25 МВар.
 
Выводы
 
1. При большой удаленности узла нагрузки от шин станции область применения БСК ограничена, поскольку даже незначительное изменение нагрузки (на 10 – 20 %) может приводить к возникновению недопустимо высоких уровней напряжения. При приближении узла нагрузки к шинам станции область применения БСК расширяется, так как появление повышенных напряжений будет иметь место при большей неравномерности графика нагрузки.
 
2. СК и СТК в равной степени позволяют уменьшить диапазон колебаний напряжения на шинах 110 кВ нагрузки при изменении, как активной мощности нагрузки, так и ее коэффициента мощности.
 
3. С позиции повышения динамической устойчивости нагрузки БСК и СТК дают практически равноценный эффект.
 
4. Для обеспечения динамической устойчивости нагрузки наиболее предпочтительно использование СК, так как для получения такого же эффекта с помощью СТК требуется существенно большая установленная мощность устройства.
 
Источник: Вишнинский Н.Е., Тузлукова Е.В. ОАО «Институт «Энергосетьпроект», Семиинар

Категории статьи:
Проектирование объектов энергетики | Распределительные сети | Муниципальные сети | Предприятия
Эту страницу просмотрели 5551 раз