Развитие устройств FACTS

В настоящее время возникли объективные предпосылки для развития электроэнергетики России ХХ1 века на новой технологической основе, характеризующей переход к новому технологическому укладу развития мировой экономики путём создания так называемой интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной электрической сетью, называемой за рубежом Smart Grid («умные сети»). В США, Европейском Союзе, Канаде, Китае концепция Smart Grid является по сути государственной политикой технологического развития электроэнергетики будущего. Такую же политику начала реализовывать и Российская Федерация.

Интеллектуальная энергосистема подразумевает:

• использование современных высокоинтеллектуальных средств контроля и управления генерирующими источниками, интеграцию источников возобновляемой энергии, распределенной генерации и накопителей электроэнергии в энергетическую систему, Интернет-технологий с целью повышения надёжности и экономичности производства электроэнергии и её качества;
• создание активно-адаптивной электрической сети на основе: мониторинга режимов и управления ими с использованием новых средств и технологий (FACTS, PMU, искусственный интеллект и др.) для обеспечения надёжности передачи электроэнергии и управляемости электрической сети, внедрения распределённых систем автоматики и защиты на современной микропроцессорной основе с использованием новых информационных, компьютерных и Интернет-технологий;
• создание автоматизированных (цифровых) подстанций, построенных с использованием современного электротехнического оборудования, оснащённого современными средствами и системами диагностики, мониторинга, релейной защиты и автоматики и управления на основе информационных и компьютерных технологий;
• внедрение оборудования, создаваемого с использованием нанотехнологий — высокотемпературных сверхпроводников, композиционных материалов с уникальными свойствами, высокоэффективных электрических накопителей энергии;
• существенное повышение активности потребителей в управлении собственным электропотреблением.

Активно-адаптивная сеть — это совокупность подключённых к генерирующим источникам и потребителям «интеллектуальных» устройств — линий электропередачи, преобразователей электроэнергии, коммутационных аппаратов, устройств защиты и автоматики, современных информационно-технологических и управляющих систем, источников генерации, в том числе использующих возобновляемую энергию, — снабженная распределённой системой мониторинга и автоматического управления распределёнными техническими средствами.

Эта система выдаёт информацию о текущем состоянии оборудования, организует адаптивную реакцию системы в режиме реального времени на различные возмущения, обеспечивая тем самым надёжное энергоснабжение потребителей, энергоэффективность и устойчивость функционирования электроэнергетических систем в целом.

Силовые управляемые устройства активно-адаптивных сетей играют решающую роль в реализации этой технологии на практике. Их можно разделить на следующие основные группы:

• устройства регулирования (компенсации) реактивной мощности и напряжения, подключаемые к сетям параллельно;
• устройства регулирования параметров сети (сопротивление сети), подключаемые в сети последовательно;
• устройства, сочетающие функции первых двух групп — устройства продольно-поперечного включения;
• устройства ограничения токов короткого замыкания;
• накопители электрической энергии;
• вставки и электропередачи постоянного тока;
• линии электропередачи постоянного и переменного тока с использованием новых композиционных материалов, высокотемпературных сверхпроводников.

Первые три группы устройств относят к технологии управляемых систем электропередачи переменного тока — Flexible Alternative Current Transmission Systems (FACTS) [1,4]. Отдельные типы устройств и технологии FACTS используются также в устройствах ограничения токов КЗ и линиях электропередачи постоянного и переменного тока с использованием новых композиционных материалов и высокотемпературных сверхпроводников.

Устройства регулирования (компенсации) реактивной мощности

В целом как неуправляемые, так и управляемые (регулируемые) устройства компенсации реактивной мощности предназначены для поддержания уровней напряжения в электрических сетях 110—750 кВ, управления перетоками мощности между энергосистемами, повышения пропускной способности ЛЭП, повышения статической и динамической устойчивости энергосистем.

Данные устройства по принципу действия делятся на статические и электромашинные.

К статическим устройствам относятся:

• батареи статических компенсаторов (БСК), шунтирующие реакторы (ШР), реакторные группы, коммутируемые вакуумными выключателями (ВРГ), обеспечивающие ступенчатое регулирование реактивной мощности;
• управляемые шунтирующие реакторы (УШР);
• статические тиристорные компенсаторы (СТК);
• статические компенсаторы реактивной мощности, выполненные на базе преобразователей напряжения на современных мощных IGBT транзисторах — СТАТКОМ.

Схема построения СТАТКОМ — базового элемента статических устройств FACTS — приведена на рис. 1. Схемы и принцип действия БСК, ВРГ, УШР и СТК подробно описаны в литературе [1,4] и здесь не описываются.
 

Рис. 1
Схема статического компенсатора реактивной мощности СТАТКОМ.

К электромашинным устройствам относятся:
- синхронные компенсаторы (СК), асинхронизированные компенсаторы (АСК). CК является хорошо известным на практике устойством и здесь не описывается. Асинхронизированный компенсатор содержит на роторе две обмотки и специальную (векторную) систему регулирования возбуждения, функциональная структура которой приведена на рис. 2.
 

Рис. 2
Функциональная структура регулирования асинхронизированной машины.

Основные особенности и предпочтительные области их применения приведены в табл. 1.

Таблица 1
Технические характеристики устройств регулирования реактивной мощности  (напряжения).

Устройства регулирования параметров сети

Эти устройства предназначены для изменения сопротивления элементов сети (управление топологией сети), изменения пропускной способности сети, в том числе увеличения вплоть до ограничения по нагреву без нарушения условий устойчивости, перераспределения потоков мощности по параллельным линиям при изменении режимной ситуации.

К статическим устройствам относятся:

• неуправляемые устройства продольной компенсации (УПК);
• управляемые устройства продольной компенсации (УУПК);
• фазоповоротные устройства (ФПУ).

Неуправляемые устройства продольной компенсации подробно описаны в литературе [1,4] и здесь не приведены. На рис. 3 и 4 приведены УУПК и ФПУ.

УУПК могут быть реализованы на основе использования управляемой тиристорами эквивалентной ёмкости сериесной конденсаторной батареи (рис. 3 а) и на основе последовательного включения СТАТКОМ в линию через согласующий трансформатор (рис. 3 б).

а) управляемое тиристорами устройство продольной компенсации (ТУУПК)
б) УУПК на базе преобразователя напряжения (СТАТКОМ).

Рис. 3
Управляемые устройства продольной компенсации (УУПК).
 

Рис. 4
Фазоповоротное устройство.

Основные особенности и предпочтительные области их применения приведены в табл. 2.

К электромашинным устройствам относятся асинхронизированные компенсаторы, включаемые в сеть последовательно через согласующий трансформатор.

Устройства продольно-поперечного включения

Обеспечивают заданное регулирование величины и фазы вектора напряжения в местах их подключения (векторное регулирование), изменяя (оптимизируя) за счёт этого управление потоками мощности, как в статических, так и в динамических режимах. Эти устройства создаются либо на базе двух СТАТКОМ (рис. 5), либо двух АСК, соединённых параллельно-последовательно.

Рис. 5
Объединённый (параллельно-последовательный) регулятор потоков мощности (ОРПМ).

Таблица 2
Характеристики и области применения устройств продольного включения.

Устройства ограничения токов КЗ

Устройства предназначены для ограничения уровней токов КЗ и сохранения живучести электроэнергетических систем с высокой плотностью нагрузки. В схемах питания мегаполисов эти проблемы особо актуальны, поскольку токи КЗ в схемах с замкнутыми системами шин уже превышают коммутационные способности существующих выключателей.

Устройства ограничения токов КЗ можно разделить на две группы:
- неуправляемые устройства с неглубоким уровнем ограничения токов КЗ;
- управляемые устройства глубокого ограничения токов КЗ, обладающие высоким быстродействием и большим сопротивлением в режимах КЗ.

К первым устройствам относятся токоограничивающие реакторы, включаемые в электрическую сеть последовательно, обладающие сравнительно низкой стоимостью и нашедшие широкое практическое применение.

В последненее время большое значение приобретают быстродействующие устройства глубокого токоограничения, обладающие в нормативных режимах малым (в идеале нулевым) сопротивлением, а при КЗ — требуемым.

К ним относятся устройства глубокого токоограничения на базе силовой электроники (рис. 6), на базе быстродействующих коммутационных элементов взрывного действия (рис.7), на базе использования высокотемпературных сверхпроводников.

Рис.6
Полупроводниковый токоограничитель.

Полупроводниковый токоограничитель состоит из последовательно включённых реактора и конденсаторной батареи, настроенных в резонанс на частоте сети. В нормальном режиме тиристорный ключ разомкнут. Падение напряжения на устройстве практически равно нулю. При КЗ тиристорный ключ замыкает конденсаторную батарею С1 и реактор L ограничивает ток КЗ.

Устройство глубокого ограничения токов короткого замыкания, реализованного на основе магнитосвязанного реактора с быстродействующим коммутатором в его вторичной обмотке, приведено на рис. 7.

Рис.7
Токоограничитель на основе быстродействующих коммутационных элементов (БКЭ).

Специальный трансреактор (магнитосвязный реактор) с коммутационным элементом взрывного типа во вторичной обмотке включается  последовательно в сеть и имеет в нормальном режиме малое сопротивление. При КЗ взрывной элемент 1 размыкает вторичную обмотку и происходит автоматическое повышение сопротивления. При этом обеспечивается глубокое ограничение ударного и установившегося тока КЗ.

Основу токоограничителя составляет быстродействующий коммутационный элемент, состоящий из трёх основных элементов:
- быстродействующего разъединительного устройства;
- плавкого предохранителя, включённого параллельно взрывному размыкателю;
- блока логических схем с трансформатором тока.

В нормальном режиме ток протекает через медную шину, расположенную в патроне разъединителя. Ток в предохранителе составляет около 0,1% от этого тока. При КЗ по сигналу блока логических схем при определённом мгновенном значении тока пиротехническим составом рвётся шина, после чего ток полностью переходит на плавкий предохранитель, вольт-секундная характеристика которого обеспечивает «мягкое» отключение тока, что практически исключает коммутационные перенапряжения. Блок логических схем по сигналу РЗА даёт команду на замыкание контактов быстродействующего замыкателя 2, благодаря чему устройство возвращается в первоначальное состояние. Количество элементов в КЭ определяется условиями эксплуатации.

За рубежом и в России проводятся исследования по созданию токоограничителей на базе сверхпроводимости, созданы макеты и опытные образцы этих устройств, коммерческое использование которых по различным оценкам возможно в 2014—2015 гг.

В 2012—2014 гг. в РФ планируется создание быстродействующего полупроводникового ограничителя токов КЗ на основе полностью управляемых приборов (IGCT), по существу являющегося сверхбыстродействующим коммутационным полупроводниковым аппаратом, позволяющим отключать (ограничивать) ток КЗ через 1—2 мс после его возникновения.

В табл. 3 приведены основные характеристики некоторых устройств глубокого ограничения токов КЗ.

Таблица 3
Сравнение основных показателей ТОУ.

Способностью ограничения токов обладают также и вставки постоянного тока, однако их предназначение значительно шире и их использование только для целей токоограничения экономически вряд ли выгодно.

Накопители электрической энергии

Накопители электрической энергии являются важнейшим элементом будущих активно-адаптивных сетей, особенно при развитии малой и нетрадиционной энергетики. Накопители энергии выполняют ряд функций: выравнивание графиков нагрузки в сети (накопление электрической энергии в периоды наличия избыточной дешёвой энергии и выдачу в сеть в периоды дефицита), обеспечение в сочетании с устройствами FACTS повышения пределов устойчивости энергосистем и нагрузки, обеспечение бесперебойного питания особо важных объектов, собственных нужд электростанций и подстанций, демпфирование колебаний мощности, стабилизацию работы малоинерционных децентрализованных источников электрической энергии.

Накопители энергии делятся на электростатические, к которым относятся аккумуляторные батареи большой энергоёмкости (АББЭ) (рис. 8), накопители энергии на основе  молекулярных конденсаторов, накопители энергии на основе низкотемпературных сверхпроводников, маховиковые накопители, использующие кинетическую энергию (табл. 4).

Все типы электростатических накопителей связываются с сетью через силовые полупроводниковые преобразователи тока или напряжения.

В настоящее время рядом зарубежных фирм начат выпуск и осуществляется довольно масштабное практическое применение АББЭ [2,3].

Таблица 4
Опыт применения АББЭ.

Рис. 8
Серно-натриевые аккумуляторные батареи большой энергоёмкости (Япония).

Молекулярные накопители проходят стадию создания и испытания опытных образцов. Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии (СПИНЭ) — это одно из применений сверхпроводимости. Практическое применение в настоящее время нашли передвижные СПИНЭ сравнительно небольшой энергоёмкости (до 106 Дж), широкое применение СПИНЭ возможно после разработки и создания СПИНЭ на базе высокотемпературных сверхпроводников. По данным компании Super Power (США) ВТСП 2-го поколения могут сохранять сверхпроводящее состояние в магнитных полях с индукцией в насколько Тл в переохлаждённом состоянии (но выше температуры жидкого гелия). Ожидаемое время их практического применения 2015— 2020 гг.

К электромагнитным накопителям электроэнергии относятся два вида комплексов:
- синхронные машины с преобразователями частоты в первичной цепи маховиками на валу;
- асинхронизированные машины с маховиками на валу (рис. 9).

В настоящее время нет практических ограничений по созданию агрегатов первого типа мощности до 300—400 МВт и второго типа мощности 800—1600 МВт. Первый тип агрегатов имеет больший диапазон изменения скорости и большую способность использования кинетической энергии вращающихся машин, второй тип способен работать в диапазоне регулирования частоты вращения 50% от синхронной, имеет меньшую мощность преобразовательного устройства, чем в первом случае¹, обладает меньшей стоимостью и может быть выполнен на большую мощность. В России был разработан эскизный проект маховикового накопителя на основе асинхронизированной машины вертикального исполнения мощностью 200 МВт.

Рис. 9
Проект маховикового накопителя на основе АС машины вертикального исполнения мощностью 200 МВт.

Возможно выполнение накопителя энергии на основе супермаховиков.

Cупермаховик изготавливается из сверхпрочного углеродного волокна, получаемого на основе нанотехнологий и имеет удельную энергоёмкость 5—15 MДж/кг или 1,4—4,17кВт•ч/кг, что недостижимо для всех известных накопителей энергии, таких как электрохимические аккумуляторы, конденсаторы и др. Это объясняется возможностью разгона супермаховиков до огромных скоростей.

Рис. 10
Проект «Beacon Power Smart Energy Matrix» на основе супермаховиков.

На рис. 10 приведено модульное расположение супермаховиков в здании. Параметры: мощность — 13,5 МВт, энергия запасаемая — 1,35 MВт•ч при средней мощности 13,5 МВт. Размер: 60 [футы] L x 42 [футы] W = 2520 [ft2]. Вес: 180 000 [фунты].

Преобразователи рода тока

Преобразователи рода тока (переменный ток и постоянный в переменный) предназначены:
• для согласованной работы электрических сетей переменного и постоянного тока в случаях их совместного использования, когда применение фрагмента постоянного тока в конкретном сечении (линии) электропередачи являются экономически и технически целесообразным;
• для согласования работы сетей с различной частотой электрического тока, в том числе при возникновении аварийных ситуаций, и восстановления электроснабжения после ликвидации нарушений;
• для повышения пропускной способности элементов сети, содержащих «слабые» связи.

Технические устройства для решения этих задач выполняются на основе традиционных тиристорных вставок постоянного тока, вставок на базе преобразователей напряжения (СТАТКОМ), вставок на базе асинхронизированных машин (рис. 11, 12).

Рис.11
Вставка постоянного тока на основе СТАТКОМов (ВПТН).

Рис. 12
Структурная схема агрегата, состоящего из двух асинхронизированных машин (АС ЭМПЧ). ПЧ1, ПЧ2 — преобразователи частоты; P*, U*1n, U*2nw — задания (уставки) соответствующих переменных.

Сравнительные характеристики этих устройств приведены в табл. 5.

Таблица 5
Характеристики преобразователей.

Кабельные линии электропередачи постоянного и переменного тока на базе высокотемпературных сверхпроводников

Концепция применения ВТСП-кабелей в электрических сетях исходит из того, что выполненные на основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов кабели (ВТСП-кабели) доказали свою техническую осуществимость на примерах их прототипов, опробованных в разных странах (США, Дания, Япония, Корея, Китай, Мексика). Эти прототипы имели длину от 30 до 600 метров, напряжение до 136 кВ, различную пропускную способность и использовали высокотемпературные сверхпроводниковые материалы как первого, так и второго поколения. Указанный выше опыт испытаний и использования ВТСП-кабелей даёт основания для начала проведения широкомасштабных работ по применению сверхпроводящих кабелей в электрических сетях. Расчёты показывают, что использование сверхпроводящих кабелей  переменного тока в электрических сетях целесообразно не только с технической, но и с экономической точки зрения.

Конструкция одной фазы ВТСП кабеля переменного тока приведена на рис. 13.

Рис. 13
Конструкция сверхпроводящего силового кабеля:
1, 2, 3 — центральный несущий элемент — формер;
4, 5, 6, 7 — сверхпроводящий токонесущий слой — два повива;
8, 9, 10 — изоляция; 11 — экран;
12, 13, 14, 15, 16 — криостат: внутренняя гофрированная труба, тепловая изоляция, внешняя гофрированная труба; 17 — защитная оболочка.

Перспективным направлением является использование сверхпроводящих кабелей для передачи энергии на постоянном токе. В этом случае расход сверхпроводника уменьшается практически в полтора—два раза, отсутствуют электрические потери в жиле и снижаются требования к криогенной системе.

Область применения ВТСП кабельных линий постоянного тока:
- передача электроэнергии через большие водные пространства;
- глубокие вводы большой мощности в центры крупных городов, что позволит не только увеличить передаваемую мощность, но и отказаться от подстанций высокого напряжения в пользу среднего;
- связь систем переменного тока с различной номинальной частотой;
- несинхронные связи систем одной номинальной частоты, что позволит повысить живучесть объединённой системы;
- создание «шин постоянного тока», к которым могут подсоединяться электроэнергетические системы разных районов или стран, работающие несинхронно или с различной частотой и не выполняющие требования единства законов регулирования частоты;
- подключение к системе электростанций, работающих с переменной частотой вращения агрегатов, что позволяет обеспечить большую эффективность работы этих агрегатов;
- развязка колец, возникающих при развитии объединённой системы, в которых могут циркулировать большие неуправляемые потоки мощности, приводящие к росту токов короткого замыкания.

Выводы

1. В настоящее время технологические платформы (основные средства) Smart Grid (активно-адаптивных сетей) в основном разработаны. В России разработаны и созданы новые оригинальные устройства и технологии, являющиеся элементами активно-адаптивной сети. Это устройства регулирования напряжения на базе современной силовой электроники, асинхронизированные турбогенераторы и компенсаторы реактивной мощности принципиально нового типа, кабельные линии на основе высокотемпературной сверхпроводимости, устройства ограничения токов КЗ коммутационного типа, не имеющие мировых аналогов.

2. Использование созданных устройств совместно с информационными технологиями  позволит начать поэтапную практическую работу по созданию Smart Grid. Внедрение интеллектуальных интерактивных технологий в развитие электрической сети (технологии интеллектуальной сети) должно явиться одним из важных направлений в области энергетической политики России.

Литература
1. Основы современной энергетики: в 2т / под общей редакцией чл.- корр. РАН Е.В. Аметистова.-4-е изд.-М.: МЭИ, 2008.
2. Н.И. Воропай. Интеллектуальные электроэнергетические системы: концепция, состояние, перспективы. - www.transform.ru.
3. Grid 2030: A National Version for Electricity’s Second 100 Years. Office of Electric Transmission and Distribution, United State Department of Energy, July 2003.
4. European Smart Grids Technology Platform: Vision and Strategy for Europe’s Electricity Networks of the Future. European Commission, 2006.
5. Hingorani,Narain G Understandung FACTS.IEEE Press 1999.

¹ В первом случае мощность преобразователя равна мощности машин, во втором – пропорциональна глубине регулирования.