Все узлы электропередачи могут быть разделены на две группы. К первой из них относятся узлы, в которых задано значение напряжения на шинах высшего напряжения подстанции, которое должно поддерживаться неизменным в том или ином режиме. К этой группе относятся и генерирующие узлы в начале и конце электропередачи (шины передающей и приемной систем). Ко второй группе относятся узлы, в которых это напряжение не фиксируется, а может изменяться в определенных пределах в зависимости от передаваемой мощности.
В узлах первой группы при расчете режимов следует определить мощность компенсирующих устройств, необходимую для поддержания заданного значения напряжения. В узлах второй группы необходимо определить возможный диапазон изменения напряжения на шинах ВН и согласовать этот диапазон с возможностями устройств РПН автотрансформаторов, для того чтобы обеспечить требуемые в данном режиме значения напряжения на шинах среднего напряжения подстанции.
Для электропередач и сетей СВН большое значение имеет проблема потребления избыточной реактивной мощности линий в режимах малых нагрузок. В качестве средств компенсации реактивной мощности в узлах электропередачи могут рассматриваться:
в генерирующих узлах — синхронные генераторы и шунтирующие реакторы;
на шинах приемной системы и промежуточных подстанциях — синхронные компенсаторы, статические регулируемые устройства, основанные на применении средств силовой электроники, шунтирующие реакторы, как управляемые, так и неуправляемые.
Синхронные генераторы (турбогенераторы и гидрогенераторы) проектируются и изготавливаются как генераторы реактивной мощности для покрытия реактивной мощности нагрузки в сети. В то же время в определенных режимах они могут потреблять некоторую реактивную мощность из сети. Возможности генерации и потребления реактивной мощности синхронным генератором определяются его PQ-диаграммой. Типовая PQ-диаграмма турбогенератора мощностью 300 МВт представлена на рис. 1, а. PQ-диаграммы турбогенераторов других мощностей имеют похожий вид и обычно характеризуются некоторыми численными отличиями от приведенной на этом рисунке.
Рис. 1. PQ-диаграммы синхронных генераторов: турбогенератора (а) и гидрогенератора (б)
Следует отметить, что, поскольку конструкция и характеристики турбогенераторов практически не зависят от места их установки, представляется возможным иметь PQ-диаграммы для всех серийных образцов этих машин.* В то же время гидрогенераторы проектируются для каждой отдельной гидростанции с учетом особенностей створа реки, в котором предполагается соорудить гидростанцию (расхода воды, уровней верхнего и нижнего бьефов и пр.). Поэтому типовых диаграмм для гидрогенераторов нет, они рассчитываются при проектировании гидрогенератора и снимаются в процессе испытаний по месту его установки. PQ-диаграмма гидрогенератора мощностью 240 МВт приведена на рис. 1, б.
*Диаграммы приводятся в соответствующих справочниках.
Диаграммы, представленные на рис. 1, а, б (или подобные им), определяют предельные значения активной и реактивной мощности генератора в различных режимах его работы по условиям допустимого нагрева отдельных элементов его конструкции. Эти диаграммы снимаются в процессе тепловых испытаний генераторов.
В этих диаграммах можно выделить три ограничения. Правая граница диаграммы — это ограничение по току ротора. При работе в номинальном режиме генератор может работать с номинальной активной мощностью и выдавать в сеть реактивную мощность, определяемую номинальным значением коэффициента мощности генератора. Увеличение выдачи реактивной мощности потребует увеличения тока ротора, что вызовет его дополнительный нагрев и, как следствие, необходимость снижения тока статора и соответствующего снижения активной мощности.
Верхняя горизонтальная граница — ограничение по току статора. Генератор может работать с номинальной активной мощностью, а в некоторых случаях и превысить ее на 3—5 % при коэффициенте мощности, близком к единице, и соответствующем снижении тока ротора. Здесь допустимый нагрев генератора определяется током статора.
Левая граница диаграммы ограничивает возможную область работы генератора в режиме потребления реактивной мощности. Перевод генератора в этот режим потребует дополнительного снижения тока ротора и, как следствие, снижения ЭДС генератора. Поэтому работа с номинальной активной мощностью в этом режиме чревата нарушением статической устойчивости работы генератора совместно с системой, что требует снижения активной мощности. Кроме того, в этом режиме происходит перераспределение магнитных полей генератора, в результате чего начинают интенсивно нагреваться торцевые части статора генератора и лобовые части обмотки статора, расположенные на этих торцевых частях. Поэтому верхняя часть левой границы диаграммы определяется устойчивостью синхронной работы генератора, а остальная часть ее — допустимым нагревом торцевых частей статора и лобовых частей обмоток статора генератора.
Из диаграммы (рис. 1, а) видно, что зона работы турбогенератора мощностью 300 МВт в режиме потребления реактивной мощности существенно меньше зоны ее генерации, поэтому генератор в режимах малых нагрузок может потреблять незначительную реактивную мощность, соответствующую 30—40 % номинальной.
Аналогичные соотношения характерны и для гидрогенераторов. Гидрогенераторы по согласованию с заводом-изготовителем могут переводиться в длительный режим синхронного компенсатора при соблюдении всех температурных ограничений. При этом для снижения потерь активной мощности вода из рабочей камеры турбины отжимается сжатым воздухом, чтобы рабочее колесо турбины не вращалось в воде. Потребление реактивной мощности гидрогенератором при работе в режиме синхронного компенсатора также невелико и не превышает 45 % его номинальной мощности.
Из вышесказанного следует, что возможности потребления генераторами значительных реактивных мощностей, стекающих с линий СВН на шины электростанций в режимах малых нагрузок, весьма невелики. Отсюда возникает необходимость применения других средств потребления избыточной реактивной мощности, например асинхронизированных турбогенераторов или шунтирующих реакторов.
Асинхронизированные турбогенераторы (АСТГ), выпуск которых начался лишь в последнее время, обладают существенно большими возможностями в потреблении реактивной мощности. Основные технические характеристики таких генераторов приведены в табл. 1.
При переходе в асинхронный режим эти генераторы сохраняют возможность генерировать активную мощность, равную 0,8Рном и потреблять такое же значение реактивной мощности из сети, поэтому асинхронизированные турбогенераторы сейчас рассматриваются как одно из наиболее действенных регулируемых средств обеспечения баланса реактивной мощности в генерирующих узлах сети СВН.
Таблица 1
Основные технические характеристики асинхронизированных генераторов
*В разработке.
В крупных нагрузочных узлах электрических сетей для обеспечения баланса реактивной мощности используются синхронные компенсаторы — явнополюсные синхронные машины, не имеющие нагрузки на своем валу и способные при включении в цепь работать в режиме как генерации, так и потребления реактивной мощности. Реактивная мощность в этих режимах может изменяться за счет регулирования тока возбуждения в зависимости от потребности сети в целях стабилизации напряжения в точке включения СК.
В качестве средства, потребляющего избыточную реактивную мощность электропередачи, в настоящее время широко используются шунтирующие реакторы. Эти аппараты, не имеющие подвижных частей, обладают достаточно высокой надежностью и могут быть созданы на большие напряжения и мощности.
В России освоен выпуск неуправляемых реакторов практически на все классы напряжения — от 38 до 1150 кВ, исключая напряжения 220 и 330 кВ. Это объясняется тем, что в сетях 220 кВ необходимости в таких реакторах, как правило, нет. Что же касается сетей 330 кВ, то по сложившейся практике на них используются реакторы 110 и 38 кВ, которые подключаются к шинам среднего напряжения подстанций 330/110 кВ или к третичной обмотке автотрансформатора, которая выполняется в этом случае на напряжение 38 кВ.
Шунтирующие реакторы являются многофункциональным элементом электрической сети СВН, поскольку они не только компенсируют избыточную реактивную мощность, но и используются также для снижения напряжения на отключенном конце протяженной линии и для защиты оборудования подстанций от грозовых и коммутационных перенапряжений, приходящих с линии, поглощая их энергию.
Основным недостатком шунтирующих реакторов до недавнего времени являлась невозможность регулирования их мощности. Поэтому они включаются только в режимах малых и отключаются в режимах больших нагрузок. Включение и отключение осуществляется обычными выключателями, что вызывает ускоренный износ последних. Для реакторов 750 и 1150 кВ разработаны специальные коммутационные аппараты — включатели-отключатели. В некоторых случаях могут быть использованы неотключаемые реакторы, которые постоянно подключены к шинам какой-либо крупной электростанции. Целесообразность такого решения должна быть специально обоснована.
В настоящее время разработаны управляемые шунтирующие реакторы (УШР), в которых мощность может изменяться в широких пределах — от 5 до 110 % номинальной мощности. При этом обеспечивается высокая скорость ее изменения — несколько периодов частоты сети при ее изменении от минимальной до максимальной. Это позволяет не отключать УШР в режимах больших нагрузок и использовать его для решения значительно более широкого круга задач, чем неуправляемый реактор.
Для решения аналогичных задач, помимо упомянутых выше устройств, могут быть использованы также средства, основанные на применении силовой электроники. К таким устройствам относятся статические тиристорные компенсаторы различных типов, преобразователи новых типов (Статком) и др. Отметим, что статический компенсатор Статком является аналогом синхронного компенсатора с ЭДС, значение которой может изменяться, и Статком может работать в режиме как генерации, так и потребления реактивной мощности. При этом мощности в режиме потребления и генерации равны номинальной. Отметим также, что устройства, основанные на применении силовой электроники, пока не получили широкого распространения, как синхронные компенсаторы и неуправляемые реакторы, однако их следует рассматривать как весьма перспективные средства решения многих задач, стоящих перед электроэнергетикой.
