Устройства симметрирования напряжения в электрических сетях: принцип работы, опыт внедрения и перспективы применения

В статье рассмотрены два типа быстродействующих пофазно-управляемых устройств компенсации реактивной мощности, которые могут обеспечить балансирование нагрузки и симметрирование напряжения: статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (СТК) и статические компенсаторы на базе управляемых инверторов напряжения (СТАТКОМ). На примере применения показано, что для балансирования активной мощности несимметричной нагрузки предпочтительным является применение СТАТКОМов. Результаты внедрения СТК на НПС-21 Сковородино доказали, что даже при существенных искажениях напряжения во внешней питающей сети можно обеспечить электроснабжение локальной чувствительной нагрузки электроэнергией с высокими показателями качества путем установки СТК непосредственно на шины нагрузки.

Работа однофазных нагрузок на промышленных предприятиях и, особенно, на тяговых подстанциях (ПС) электрифицированных железных дорог приводит к появлению в электрической сети несимметрии напряжения, негативно влияющей на других электропотребителей, подключенных к тем же центрам питания. В результате:

• возникают дополнительные потери в линиях электропередачи и подстанционных трансформаторах;
• снижается пропускная способность питающих линий;
• показатели качества электроэнергии у потребителей не соответствуют требованиям ГОСТ 32144-2013 по целому ряду показателей, что приводит к увеличению электрических потерь в электродвигателях и их аварийным отключениям по защите от несимметрии напряжения;
• несимметрия напряжения оказывает негативное влияние на питающие генераторы, снижая их ресурс и вызывая аварийный выход из строя;
• снижается точность учета потребления электрической энергии.

Несимметрия напряжения отрицательно сказывается на рабочих и технико-экономических характеристиках вращающихся электрических машин, вызывая тормозной электромагнитный момент и дополнительный нагрев, главным образом ротора, приводящие к снижению КПД и сокращению срока службы изоляции обмоток. В асинхронных двигателях возникают дополнительные потери в статоре. Наличие напряжений обратной Ц и нулевой последовательностей может вызвать отключения чувствительной нагрузки типа частотно-регулируемого электропривода (ЧРП).

Быстродействующие устройства симметрирования напряжения и их функции

Быстродействующие пофазно-управляемые устройства компенсации реактивной мощности, такие как статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (СТК) и статические компенсаторы на базе управляемых инверторов напряжения (СТАТКОМ), могут обеспечить балансирование нагрузки и симметрирование напряжения.

Следует отметить многофункциональность этих устройств — помимо симметрирования напряжения в точке подключения они одновременно выполняют и его стабилизацию, а при необходимости еще и фильтрацию токов высших гармоник. Применение данных компенсирующих устройств обеспечивает повышение эффективности работы электрооборудования и энергосбережение в системах передачи, распределения и потребления энергии [1].

Установки СТК/СТАТКОМ, применяемые на предприятиях с резкопеременной нагрузкой типа дуговых печей или мощных ЧРП с целью обеспечения требований ГОСТ 32144-2013 по уровню колебаний напряжения и другим показателям качества электроэнергии (ПКЭ), фактически являются устройствами, осуществляющими электромагнитную совместимость нестационарной нагрузки с питающей сетью. Но если СТК — управляемый источник только реактивной мощности, то СТАТКОМ, за счет возможности формирования своего выходного тока во всех 4 квадрантах, может регулировать независимо как реактивную, так и активную мощность.

На практике встречаются два типа задач, связанных с симметрированием:

• балансирование несимметричной, в т.ч. однофазной нагрузки в точке ее подключения к питающей трехфазной сети;
• симметрирование питающего напряжения на шинах подстанции, несимметрия которого вызвана удаленной несимметричной нагрузкой.

Балансирование нагрузки на промышленных предприятиях

СТАТКОМ, установленный на шины подстанции параллельно несимметричной нагрузке (рис. 1), может обеспечить как пофазную компенсацию реактивной мощности нагрузки, так и балансирование активной мощности путем перекачки активной мощности между фазами сети. При этом каналы регулирования активной и реактивной мощности СТАТКОМа работают независимо друг от друга: канал по активной мощности обеспечивает равенство активных токов в каждой фазе питающей линии, а канал по реактивной мощности — компенсацию реактивной мощности нагрузки в каждой фазе. В результате, ток, потребляемый из питающей сети, становится активным и одинаковым по всем трем фазам. Сам СТАТКОМ при этом потребляет небольшую активную мощность, равную мощности потерь в инверторе.

Балансирование активной мощности, потребляемой несимметричной нагрузкой, можно обеспечить и с помощью подключенного к шинам нагрузки СТК путем пофазного регулирования его реактивной мощности. Согласно известным уравнениям Штейнметца любую несимметричную по фазам активную нагрузку можно сбалансировать путем выдачи/потребления соответствующей реактивной мощности в каждую фазу сети. Однако требуемая мощность СТК при этом в два-три раза превосходит мощность СТАТКОМа, выполняющего аналогичную функцию. Кроме того, при данном способе балансирования нагрузки возникает несимметрия напряжения, вызванная протеканием разной по величине и направлению реактивной мощности по фазам сетевого трансформатора.

При выборе оптимального симметрирующего устройства для конкретной нагрузки требуется провести математическое моделирование режимов работы, определить его структуру и мощность и провести технико-экономическое сравнение вариантов.

Данный подход был применен при выборе устройства компенсации реактивной мощности и балансирования активной мощности двух однофазных печей электрошлакового переплава типа ЭШП-15Л на ЗАО Энергомаш» (Белгород), установленных на одной секции шин 6 кВ. Каждая печь потребляет в среднем 2,8 МВт активной и 2,5 Мвар реактивной мощности. Проведенные расчеты и моделирование показали, что оптимальное симметрирующее устройство должно включать в себя СТАТКОМ мощностью ±5 МВА и батарею конденсаторов мощностью 3 Мвар.

Установка конденсаторной батареи (КБ) позволила сместить регулировочную характеристику устройства в сторону генерации реактивной мощности, и за счет этого уменьшить требуемую мощность СТАТКОМА и снизить общую стоимость симметрирующего устройства. Расчетная мощность СТК, требуемая для решения этой задачи, составила: ТРГ 15,7 Мвар, ФКЦ — 10,9 Мвар. Цена такого СТК и занимаемая его оборудованием площадь намного превысили аналогичные показатели СТАТКОМА с КБ.

На рис. 2 приведены тренды фазных токов линии 6 кВ, питающей секцию шин электропечной нагрузки, при работе как одной, так и двух печей и отключенном и включенном СТАТКОМе, а также график работы одной смены плавильного цеха с четырьмя кратковременными отключениями СТАТКОМа.
Рис. 2. Графики фазных токов питающей линии 6 кВ плавильного цеха при работе СТАТКОМа и без него.а) В работе одна печь, СТАТКОМ отключенб) В работе одна печь, СТАТКОМ включенв) В работе две печи, СТАТКОМ отключенг) В работе две печи, СТАТКОМ включенд) Сменный график работы цеха с четырьмя отключениями СТАТКОМа

Из графиков видно, что СТАТКОМ выполняет полное балансирование фазных токов как одной, так и двух печей, обеспечивая равномерную нагрузку сетевого трансформатора по фазам и стабилизацию напряжения. Рассмотренное применение СТАТКОМа позволило подключить данную специфическую нагрузку к существующей системе электроснабжения с ограниченной мощностью сетевых трансформаторов и снизить процент технологического брака, имевшего место до установки симметрирующего устройства из-за нестабильности напряжения.

Симметрирование напряжения на локальной подстанции

Известны проблемы, связанные с высоким уровнем несимметрии и несинусоидальности напряжения в магистральных сетях Сибири и Дальнего Востока, обеспечивающих питание тяговых подстанций Транссиба и БАМа. Доля суммарной установленной мощности трансформаторов 220/110 кВ тяговых ПС в Амурской энергосистеме составляет 38,2 % от суммарной мощности трансформаторов 220 кВ на всех ПС энергосистемы, что обусловливает существенное негативное влияние тяговой нагрузки на качество электроэнергии в примыкающей сети.

Характерный случай — ситуация на подстанции 220/110 кВ Сковородино МЭС Востока, от которой питается несколько тяговых подстанций. Несимметрия напряжения на шинах 110 кВ, обусловленная работой электрифицированной тяговой нагрузки, достигает 5 % при кратковременных повышениях до 10 %, а коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения превышает 5 %. Положение стало критическим, когда к тем же шинам 110 кВ через короткую воздушную линию была подключена подстанция 110/10 кВ, питающая электроприводы насосно-перекачивающей станции НПС-21 Сковородино магистрального нефтепровода ВСТО. Перечисленные выше отклонения ПКЭ от нормированных ГОСТ 32144-2013 значений приводили к отключениям электроприводов насосов и повышенному износу оборудования НПС.

МЭС Востока в течение нескольких лет пыталось добиться улучшения ПКЭ на шинах 110 кВ ПС Сковородино, однако эта высоко затратная задача так и не была решена. Для устранения локальной проблемы руководством ПАО «Транснефть» было принято решение об установке двух СТК мощностью 20 Мвар прямо на секции шин 10 кВ подстанции, питающей электроприводы насосов. К ноябрю 2017 г. СТК были смонтированы и введены в эксплуатацию [2]. На рис. 3 приведена схема СТК, на рис. 4 — общий вид установок СТК на подстанции.

Рис. 4. Общий вид двух СТК на подстанции НПС-21 Сковородино

Работа СТК обеспечила стабилизацию напряжения на шинах 10 кВ, снижение коэффициента несимметрии по обратной последовательности и коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения. На рис. 5 приведены суточные графики трех наиболее критичных показателей качества электроэнергии до и после установки СТК. Достигнутое повышение качества электроэнергии обусловило снижение числа отключений электродвигателей магистральных насосов и, потенциально, увеличило срок службы оборудования НПС.

Приведенный пример показывает, что даже при существенных искажениях напряжения во внешней питающей сети можно обеспечить электроснабжение локальной чувствительной нагрузки электроэнергией с высокими показателями качества путем установки СТК непосредственно на шины нагрузки.

Симметрирование напряжения на тяговых подстанциях РЖД

Наиболее логичным и правильным решением является устранение негативного влияния резко переменной несимметричной нагрузки в месте ее подключения, что предотвратит распространение искажений напряжения по питающей сети. Эта практика, широко используемая в промышленности, может быть применена и на тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог.

В последние годы ПАО «РЖД» принимает активные меры по установке однофазных регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности, выполненных на базе СТАТКОМов, на посты секционирования контактной сети. Основное назначение данных устройств заключается в быстродействующей компенсации реактивного тока тяговой нагрузки, снижении колебаний напряжения в тяговой сети и фильтрации высших гармонических составляющих тягового тока [3]. Работа таких устройств обеспечивает стабилизацию напряжения в контактной сети, что позволяет при максимальных размерах движения на 20 % увеличить пропускную способность участков, но на качество электроэнергии в питающей сети влияет ограничено.

Наиболее рациональный способ поддержания качества электрической энергии в примыкающей сети — использование трехфазных СТК/СТАТКОМов, подключаемых непосредственно к шинам 27 кВ тяговых подстанций, которые могут обеспечить их электромагнитную совместимость с сетью [4], в первую очередь осуществляя симметрирование напряжения.

Оценим требуемую мощность устройства симметрирования напряжения для типовой тяговой подстанции. Питание тяговой нагрузки осуществляется от силового трансформатора ТДТНЖ-40000/110 с обмотками 115/27,5/10,5 кВ и номинальной мощностью 40 МВА. Напряжение 27,5 кВ используется для питания тяговой сети, причем фаза С соединяется с рельсом, а фазы А и В — с контактной сетью подходящего и отходящего участков.

Параметры нагрузки участка контактной сети: активная мощность Ру=15 МВт, реактивная мощность Оу=10 Мвар. Устройство симметрирования должно иметь диапазон плавного регулирования трехфазной реактивной мощности не менее 0…3 ^у. Таким образом, при использовании СТК мощности его силового оборудования (ТРГ и ФКЦ) должны быть не менее 30 Мвар. Фильтрокомпенсирующие цепи должны быть настроены на гармоники 3, 5 и 7, осуществляя фильтрацию как токов гармоник нагрузки, так и токов гармоник, генерируемых ТРГ.

В случае использования СТАТКОМа его мощность можно снизить до ±15 Мвар, если параллельно нагрузке включить нерегулируемую ФКЦ мощностью 15 Мвар, настроенную на третью гармонику. Эта ФКЦ-3, помимо сдвига регулировочного диапазона в сторону генерации реактивной мощности, осуществит фильтрацию гармоник низкого порядка, а гармоники высшего порядка отфильтрует сам СТАТКОМ за счет наличия встроенной функции активной фильтрации.

Оптимальное значение мощности такого симметрирующего устройства выбирается на основе математического моделирования. Следует отметить, что СТАТКОМ в рассматриваемом применении не выполняет функции балансирования активной мощности нагрузки, так как ее реализация потребует значительного увеличения его номинальной мощности и является экономически нецелесообразной.

Симметрирование напряжения на узловых подстанциях напряжением 110-220 кВ

Вопрос повышения качества электроэнергии в магистральных сетях Сибири и Дальнего Востока может быть решен путем установки симметрирующих устройств на базе СТК на шины 110-220 кВ узловых подстанций ПАО «Россети». Требуемая мощность СТК зависит от существующей в сети несимметрии и отклонений напряжения и мощности КЗ в точке подключения и может достигать 150…250 Мвар.

В первом приближении требуемую мощность СТК (диапазон непрерывного плавного регулирования) АОСТК можно рассчитать по следующей формуле:

АОСТК = 5КЗ ? (АК2и / 0,62 + Аби)/100,где 5КЗ — мощность короткого замыкания в точке подключения СТК, АК2и — требуемый уровень снижения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности (в %), Аби — требуемый уровень снижения отклонений напряжения (в %).

Например, для ПС Сковородино с мощностью КЗ на шинах 110 кВ, равной 654 МВА, для обеспечения снижения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности на 6 % и снижения отклонений напряжения на ±5 %, требуемая мощность СТК (ТРГ) составит:АОСТК = 654 ? (6 / 0,62 + 10) /100 = 128,7 МВА.

Мощность ФКЦ обычно равна половине мощности ТРГ, но может быть изменена при регулярном отклонении среднего напряжения от заданного оператором значения.

Следует отметить, что алгоритм регулирования такого СТК должен быть построен по системе приоритетов: в первую очередь мощность СТК направляется на симметрирование напряжения, а оставшаяся часть — на его регулирование (стабилизацию). Таким образом, при снижении уровня исходной несимметрии напряжения вся освобождающаяся мощность СТК автоматически будет направляться на стабилизацию напряжения, расширяя возможности его регулирования.

Принцип работы такого СТК проиллюстрирован результатами математического моделирования, представленными на рис. 6. Справа показаны действующие значения трех фаз напряжения на шинах подстанции при подключении к ней ступенчато изменяющихся однофазных активно-реактивных нагрузок, сдвинутых по времени, а слева — те же напряжения, но при включенном СТК. СТК ликвидирует колебания, симметрирует и поднимает уровень фазных напряжений до заданной уставки.

Заключение

В статье рассмотрены два типа быстродействующих по- фазно-управляемых устройств компенсации реактивной мощности, которые могут обеспечить балансирование нагрузки и симметрирование напряжения: статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (СТК) и статические компенсаторы на базе управляемых инверторов напряжения (СТАТКОМ).

На примере применения показано, что для балансирования активной мощности несимметричной нагрузки предпочтительным является применение СТАТКОМов.

Результаты внедрения СТК на НПС-21 Сковородино доказали, что даже при существенных искажениях напряжения во внешней питающей сети можно обеспечить электроснабжение локальной чувствительной нагрузки электроэнергией с высокими показателями качества путем установки СТК непосредственно на шины нагрузки.

Рассмотрены вопросы симметрирования напряжения в сетях питания тяговых подстанций электрифицированных железных дорог путем установки симметрирующих устройств в различных точках сети.