Применение силовых устройств с управляемыми полупроводниковыми преобразователями на объектах электроэнергетики

Полупроводниковые преобразователи с управляемыми ключами применяются на объектах энергетики довольно давно, например, в таких устройствах, как статические системы возбуждения генераторов, сервоэлектроприводы клапанов паровых турбин и т.д. Благодаря стремительному росту силовых показателей полупроводниковых ключей стало возможным применять их и в первичных цепях энергосистем. Из всего соответствующего спектра применений для настоящего доклада выбрано три:

• ЛЭП и вставки постоянного тока (ЛПТ);
• устройства параллельной компенсации реактивной мощности;
• генераторы с меняющейся частотой вращения.

Для ЛПТ можно выделить два основных приложения, отличающихся и технологией исполнения, и по основному предназначению:
1 – передача большой энергии на дальние расстояния;
2 – согласование взаимной работы энергосистем переменного тока, часто имеющих разные технические показатели.

1. Передача большой энергии на дальние расстояния

Первое приложение связано в основном с мировым ростом потребления электроэнергии, стремлением уменьшить зависимость производителей электроэнергии от роста цен на газ, уголь и нефть, ограничениями на выброс в атмосферу продуктов горения и, как следствие, приоритетным развитием на базе возобновляемых источников электроэнергии – воды, ветра, солнца.

Рост средней потребляемой мощности в России до 2020 г. оценивается в диапазоне от 15000 МВт до 25000 МВт, соответственно должно возрасти и производство электроэнергии. До последнего времени предусматривалось приоритетное развитие атомной и гидрогенерации. Практика показывает, что отношение к атомной энергетике может существенно меняться в зависимости от инцидентов на атомных станциях. Примером негативного отношения являются результаты референдума в Италии, в результате которого были заморожены планы строительства национальных АЭС. Развитие гидроэнергетики представляется более надёжно прогнозируемым.

Основные гидроэнергетические ресурсы России расположены в Сибири, а основные потребители – в европейской части страны, на расстоянии нескольких тысяч километров. В этих условиях главной становится задача транспортировки электроэнергии к потребителю. На сегодня транспорт электроэнергии осуществляется по ЛЭП переменного тока.

Однако у электропередачи постоянного тока есть ряд важных достоинств:

• низкие потери при передаче электроэнергии на большие расстояния;
• возможность безопасного соединения энергосистем переменного тока;
• полный контроль потока мощности и качества электроэнергии;
• повышение устойчивости примыкающих энергосистем переменного тока;
• поддержка восстановления энергоснабжения в примыкающих энергосистемах после тяжелых аварий;
• меньшая площадь, требующаяся воздушным ЛЭП постоянного тока в сравнении с воздушными ЛЭП переменного тока той же мощности.

При транспортировке электроэнергии на большие расстояния (более 1000 км) линии постоянного тока становятся экономически более эффективными по сравнению с традиционными ЛЭП переменного тока.

В табл. 1 приведены примеры сравнения показателей электропередачи мощности 12000 МВт на расстояние 2000 км на разных уровнях напряжения.

Таблица 1

Зависимость экономически оптимального уровня напряжения ВПТ от мощности дальних (более 1000 км) ЛЭП приведена в табл. 2.

Таблица 2

Из вышеизложенного видно, что для России нельзя исключать в 5–10 летней перспективе появления задачи передачи мощности 10000 МВт и более. Как следует из табл. 2, оптимальным уровнем напряжения для дальней передачи таких мощностей является уровень 1000 кВ и более.

Максимальными техническими показателями, освоенными на сегодня, являются:
• уровень напряжения 800 кВ;
• расстояние передачи порядка 2500 км;
• уровень мощности 6400 МВт.

Например, электропередача постоянного тока в Бразилии «Итайпу» позволяет транспортировать мощность 6300 МВт под напряжением 600 кВ постоянного тока. Электропередача введена в эксплуатацию в конце 80-х годов и содержит 2 линии постоянного тока, связывающие энергосистему Бразилии (60 Гц) с ГЭС на реке Парана (50 Гц).

Электропередача «ГЭС Xiangjiaba – Шанхай» длиной 2100 км предназначена для транспортировки 6400 МВт под напряжением 800 кВ (введена в эксплуатацию в 2010 г.).

Этот уровень напряжения является на сегодня максимальным из освоенных. На рис.1 показано основное силовое оборудование, использованное в этом проекте.

Рис. 1
Силовое оборудование подстанции для линии постоянного тока 800 кВ.

Следующим «барьером» является уровень в 1000 кВ. Капитальные затраты на строительство электропередачи постоянного тока мощностью 8000 МВт длиной 2000 км оказываются примерно одинаковыми для уровней напряжения 800 и 1000 кВ, но потери мощности в ходе эксплуатации на линии 1000 кВ примерно на 20% ниже.

Особой проблемой в подобных проектах является организация изоляции высоковольтных компонентов, расположенных на стороне постоянного тока. Распределение потенциалов в стационарном режиме определяется распределением сопротивлений изоляционных материалов, в переходных режимах – распределением их ёмкостей. Необходимо учитывать возможное влияние условий окружающей среды, в первую очередь температуры и влажности.

Освоение нового уровня напряжения предъявляет повышенные требования к силовым устройствам. Основное техническое решение в части построения силовых преобразователей заключается в увеличении числа последовательно соединённых тиристорных модулей. Требуется координация их работы – в первую очередь одновременное открывание. Современные мощные тиристорные ключи позволяют коммутировать токи до 5 кА, обеспечивая передачу мощности до 10 МВт (при напряжении 1000 кВ), и в целом не являются основным ограничивающим компонентом. Серьёзные проблемы связаны с достижением надёжной изоляции силовых высоковольтных компонентов – выключателей, трансформаторов, элементов конструкции преобразователей, решениями, обеспечивающими устойчивость к повышенным электрическим, механическим и тепловым нагрузкам.

2. Согласование качества совместной работы энергосистем

Эту задачу решают и традиционные преобразователи на основе тиристорных ключей. Однако наилучшим образом с ней справляются вставки постоянного тока (ВПТ), выполненные по так называемой технологии HVDC-Light, с преобразователями на базе полностью управляемых БТИЗ (IGBT) модулей.

Обобщённая схема управления HVDC-Light представлена на рис.2.

Рис.2 Структура HVDC-Light.

Фактически HVDC-Light являются преобразователями частоты, применяющимися для электрических машин, работающих в генераторном режиме, электроприводом с обратным потоком мощности. Контролируется мощность либо напряжение электропередачи. Используется, в частности, теоретическая и практическая база, созданная за десятки лет эксплуатации транзисторных преобразователей частоты в электроприводе.

В начале 90-х годов силовые параметры IGBT достигли уровня, позволяющего применять их в энергетике для сравнительно небольших мощностей. Характерным текущим приложением таких устройств является подключение электростанций на возобновляемых источниках энергии с большими колебаниями частоты генерируемой мощности к энергосистеме.

Силовые параметры IGBT быстро растут, и их сегодняшние возможности в части применения в энергетике демонстрирует проект «Дорпен-Северное море» в Западной Германии. В рамках проекта связываются ветрогенераторы, установленные на так называемой ветроферме в Северном море (155 кВ) и подстанция в г.Дорпен (380 кВ), принадлежащая энергосистеме Германии. По линии постоянного тока может быть передана мощность 800МВт ± 260МВАр под напряжением 320 кВ на расстояние 165 км.

По мере снижения стоимости силовых устройств все более интересной становится возможность применения систем типа HVDC-Light и традиционных мощных преобразователей частоты, в которых предусмотрена двусторонняя передача энергии, для связи генераторов ГЭС с энергосистемой. Важным дополнительным преимуществом такого применения является гарантия устойчивости генератора, а также существенное упрощение либо даже исключение регулятора скорости турбины. Достигнутый уровень мощности позволяет применять эту технологию практически для любых генераторов ГЭС.

3. Устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ)

УКРМ обычно применяются для улучшения возможностей ЛЭП:

• повышения пропускной способности ЛЭП по активной мощности;
• стабилизации напряжения на всей длине электропередачи;
• повышения запасов статической устойчивости;
• снижения потерь;
• подавления гармоник мощности.

Достоинства УКРМ с полупроводниковыми преобразователями заключаются в том, что все эти операции выполняются плавно, в широком диапазоне мощностей, что в конечном итоге улучшает качество электроэнергии. Благодаря высокому быстродействию преобразователя дополнительно могут решаться задачи подавления колебаний мощности в сети (качаний).

Так же как и в передачах постоянного тока, в УКРМ применяются два типа полупроводниковых ключей – тиристоры и БТИЗ. Схожие технологии обеспечивают схожие технические возможности в части рабочих мощностей.

Пример схемы УКРМ на тиристорных преобразователях для электропередачи Виннипег-Миннеаполис (1994 г.) приведён на рис. 3.
 

Рис. 3
В состав схемы входят:
• нерегулируемые источники реактивной мощности MSC (2х300 МВАр);
• понижающий трансформатор;
• устройства для генерации реактивной мощности TSC;
• устройства для потребления реактивной мощности TSR;
• фильтры для подавления гармонических составляющих мощности.

Регулирование реактивной мощности осуществляется с помощью ШИМ-управления тиристорными преобразователями.

Подобные установки занимают довольно большую площадь, например, вышеописанная – около 2 гектаров (рис. 4).
 

Рис. 4
Компоновка УКРМ:
1 – силовой трансформатор; 2 – разъединитель; 3 – трансформатор тока; 4 – реактор; 5 – батарея конденсаторов; 6 – выключатель; 7 – ограничитель перенапряжений; 8 – трансформатор напряжения; 9 – тиристорный преобразователь; 10 – система охлаждения.

Пример применения УКРМ на подстанции крупного угольного предприятия показан на рис.5. В состав устройства включены три фильтра, настроенные на частоты

5-й, 7-й и 11-й гармоник. Фильтры одновременно являются генераторами реактивной мощности. Регулирование мощности производится за счёт управления реактором. Схема обеспечивает стабилизацию и нормативный гармонический состав напряжения в условиях мощной нелинейной нагрузки.
 

Рис. 5

УКРМ на базе IGBT получили название STATCOM и имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными тиристорными УКРМ:
• более высокое быстродействие;
• большая нечувствительность регулятора напряжения, в том числе в несимметричных режимах;
• меньшая занимаемая площадь;
• меньший уровень помех;
• более высокая степень заводской готовности.

Принципиальная схема устройства изображена на рис. 6. С помощью ШИМ-модуляции регулируется апмлитуда переменного напряжения на выходе преобразователя VSC. Высокочастотный фильтр HP необходим для сглаживания высокочастотных составляющих ШИМ-напряжения.
 

Рис. 6

В схеме имеется нерегулируемый источник реактивной мощности MSC. Примерами достоинств применения технологии Light являются:
- тяговая железнодорожная сеть во Франции (рис. 7).
 

Рис. 7

Компенсатор мощностью ±16 МВАр обеспечивает баланс напряжений в фазах при несимметричном потреблении токов и фильтрует гармонические составляющие мощности, вносимые в сеть электроприводами подвижных составов:
- мощная конверторная печь в Финляндии. Компенсатор мощностью 160 МВАр обеспечивает практически синусоидальный ток сети (рис. 8).
 

Рис.8

Интересна идея применения УКРМ на электростанциях с целью увеличения доступной активной мощности генераторов при сохранении коэффициента мощности.

Применение устройств силовой электроники на объектах электроэнергетики стало возможным благодаря стремительному росту силовых показателей полупроводниковых ключей. Однако в течение нескольких предшествующих десятилетий полупроводниковые преобразователи, системы управления, учитывающие свойства вентилей, изучались и применялись прежде всего в электроприводе. Огромный накопленный багаж знаний является весьма полезным при создании устройств управления полупроводниковыми ключами в электроэнергетике. Для создания силовых устройств становятся серьёзными ранее почти не проявлявшиеся проблемы.

Основные направления совершенствования полупроводниковых ключей для объектов электроэнергетики:

• снижение себестоимости производства и цены;
• дальнейший рост быстродействия и мощности ключей;
• снижение габаритов;
• повышение надёжности;
• развитие системы изоляции преобразователей;
• развитие алгоритмов управления преобразователями;
• снижение уровня гармоник и помех;
• развитие испытательного оборудования.

Для подготовки статьи использованы материалы компании АББ.