Разработка и исследование системы управления статическим компенсатором реактивной мощности типа статком для электроэнергетических систем. Параллельный статический компенсатор

Аналитика - Электрические сети

Член семьи FACTS

По мнению экспертов, актуальность применения устройств компенсации реактивной мощности в энергетике очевидна, а высокая роль этих установок неоднократно доказывалась. Все устройства компенсации реактивной мощности можно классифицировать на статические и динамические: к статическим относятся одиночные конденсаторы, батареи статических конденсаторов (БСК), фильтры гармоник; к динамическим — управляемые, регулируемые устройства, входящие в понятие FACTS (Flexible AC Transmission System) — системы гибкого регулирования передачи электроэнергии переменного тока.

«FACTS позволяют отслеживать мгновенные характеристики энергообмена и создавать тот или иной режим компенсации, — рассказывает Александр Ильин, территориальный менеджер группы высоковольтных коммутационных аппаратов компании АББ. — К ним относятся асинхронные компенсаторы (АК), устройства управляемой продольной компенсации (УПК), статические тиристорные компенсаторы (СТК) и устройства типа СТАТКОМ, которые отличаются от классического СТК тем, что управляются IGBT, то есть биполярными транзисторами с изолированным затвором, а не IGCT - управляемыми тиристорами. Применение IGBT позволяет сократить установленную реактивную мощность установки примерно в два раза, и время реагирования системы, что в свою очередь, позволяет такой установке бороться с так называемым «фликер - эффектом» (ненормативные отклонения и колебания частоты сети и напряжения — Прим. ред.)».

На сегодняшний день интерес к системам FACTS и, в частности к СТАТКОМ, связан с постепенной интеллектуализацией энергосистем. В активно-адаптивных, или «умных», сетях такие характеристики FACTS, как широкие рабочие диапазоны регулирования и высокое быстродействие, становятся особенно востребованными. Специалисты отрасли полагают, что использование динамических устройств компенсации реактивной мощности может помочь в решении таких актуальных проблем, как недостаточная пропускная способность линий, слабая управляемость сетей, неоптимальное распределение потоков мощности по параллельным линиям и т.д.

СТК АББ в Магнитогорске на ММК, 35 кВ, 0/180 Мвар (фото предоставлено АББ)

«Требования к эффективности эксплуатации сетей сегодня растут, при этом увеличение мощности уже ограничено, а дистанционная передача реактивной мощности нереальна — требуется локальная компенсация, — отмечает Шэнь Фэй, д.т.н., директор центра разработок СТАТКОМ, Sieyuan Electric Co. (Китай). — Зачастую источники генерации находятся далеко от центра нагрузки, дистанционная передача электроэнергии требует решений, которые гарантируют стабильность и контроль напряжения с помощью компенсации реактивной мощности.

В распределительных сетях существует большой объем индуктивной нагрузки, которая потребляет огромную реактивную мощность и влечет за собой увеличение потерь в распределительных системах; потребители распределительных сетей часто сталкиваются с нелинейной нагрузкой и волновой нагрузкой, которая не только ведет к недостаточной компенсации или перекомпенсации реактивной мощности и последующему повышению потери из-за тока реактивной мощности, но и создает соответствующие колебания напряжения, влияющее на безопасность всех потребителей, подключенных к данной сети. Технология динамической компенсации реактивной мощности на основе IGBT призвана удовлетворить растущие требования потребителей к качеству электроэнергии, не смотря на существующие проблемы».

Однако СТАТКОМ интересен с точки зрения систем не только переменного, но и постоянного тока. На сегодняшний день в Единой энергосистеме России СТАТКОМ внедряется в первую очередь именно для создания вставок постоянного тока. Далее мы подробнее поговорим об этом.

СТАТКОМ или СТК?

В ряде публикаций отмечается, что на сегодняшний день СТАТКОМ — наиболее совершенное устройство компенсации реактивной мощности, своего рода вершина эволюции. К его преимуществам относят многофункциональность, высокое быстродействие, малое содержание высших гармоник, малые размеры, позволяющие до двух раз сократить занимаемую площадь по сравнению с СТК.

СТАТКОМ показывает куда меньшую вероятность появления резонансных явлений, а при снижении напряжения переходит в режим постоянного источника тока, обеспечивая постоянное выходное напряжение, в отличие от систем СТК. Также к плюсам СТАТКОМ относят возможность поддержания номинального емкостного выходного тока при низком напряжении системы, что, в свою очередь, обеспечивает более высокую динамическую устойчивость передачи по сравнению с СТК.

Несмотря на многочисленные преимущества, первые сообщения о которых появились еще в конце 1990-х гг., пока рано говорить о том, что СТАТКОМ стал широко распространенным явлением. По всей вероятности, причиной тому высокая стоимость устройства. Более того, для ряда применений в нем просто нет острой необходимости. Существует мнение, что применение СТАТКОМ вместо СТК в электрических сетях не так актуально, как его внедрение в сетях резко переменных нагрузок промышленных предприятий, к примеру, металлургических.

«Для большинства потребностей энергосистемы России не требуется применения СТАТКОМ, ведь время реакции установки СТК вполне достаточно для решения задач энергетики, — считает Александр Ильин. — Качественные СТК способны обеспечить баланс мощности между двумя энергосистемами, контроль уровня напряжения и его стабилизацию, повышение качества электроэнергии, увеличение надежности системы, сокращение потерь и др. Подобное оборудование применимо практически в любой отрасли энергетики: будь то железнодорожный электрифицированный транспорт, заводы с резкопеременной нагрузкой или нефтедобыча. СТАТКОМ — более дорогое исполнение, и по-настоящему он необходим, когда стоит задача бороться с выраженным фликер-эффектом, однако такое требование в конкурсах встречается крайне редко. Также СТАТКОМ актуален, если необходимо сократить площадь установки».

СТАТКОМ на российском рынке

Сложность оборудования и отсутствие широкого рынка сбыта сказывается на количестве игроков рынка, и все же несколько компаний занимается темой СТАТКОМ в России. Это крупные международные производители — АББ, Сименс, Альстом. Азиатские, в частности китайские компании предпринимают попытки выхода на российский рынок, из наиболее известных можно назвать Hitachi. К счастью, есть и российские компании, предлагающие СТАТКОМ. В некоторых случаях отечественные производители используют оборудование зарубежных поставщиков, дополняя его своим программным обеспечением.

Первый пилотный образец отечественного устройства мощностью 50 Мвар был разработан ОАО «НТЦ электроэнергетики» ФСК ЕЭС совместно с ООО «НПЦ Энерком-Сервис». Устройство было задумано как базовый элемент для создания инновационных систем компенсации реактивной мощности и управления потоками электроэнергии, включая современные линии электропередачи и вставки постоянного тока. По словам разработчиков, отечественный СТАТКОМ отличается от зарубежных аналогов тем, что в нем использованы только транзисторные вентили. Такой подход создает возможность более гибкого управления и дополнительного снижения потерь.

СТК в Нефтедобыче, Греция, 135кВ, -8/+36Мвар (фото предоставлено АББ)

Пилотный образец устройства был предназначен для установки на ПС 330/400 кВ «Выборгская» для повышения надежности работы вставки постоянного тока, предназначенной для экспорта электроэнергии в Финляндию.

Другая вставка постоянного тока создается в Забайкальском крае на ПС 220 кВ «Могоча» для несинхронной связи энергосистем Сибири и Востока, на сегодняшний день работающих изолировано. СТАТКОМ сюда поставляет ООО «НПЦ Энерком-Сервис». Оборудование данного производителя закладывалось и на других объектах, в частности при проектировании ВЛ 500 кВ Усть Кут — Нижнеангарская с ПС 500 кВ Нижнеангарская.

«При выполнении расчетов электрических режимов и устойчивости энергосистем мы неоднократно учитывали вставки постоянного тока, в том числе вставки постоянного тока мощностью 200 МВт для создания несинхронной связи энергосистем Сибири и Востока, выполненные на базе СТАТКОМ, разработанном ООО «НПЦ Энерком-Сервис», — сообщает Алексей Жидков, главный инженер Сибирского института проектирования энергетических систем Департамента электрических сетей ЗАО «Сибирский ЭНТЦ»

Другой российский производитель — ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ» предлагает два типа СТАТКОМ. Первый — одноуровневые D-СТАТКОМ с подключением к шинам 6-10 кВ через понижающий трансформатор. Они предназначены для улучшения качества электроэнергии, симметрирования нагрузки и компенсации реактивной мощности в распределительных сетях промышленных предприятий. Второй тип — многоуровневые бестрансформаторные СТАТКОМ, подключаемые непосредственно на шины среднего напряжения 6-35 кВ. Такие устройства применяются для снижения воздействия на сеть мощных быстропеременных нагрузок и повышения динамической устойчивости в сетях высокого напряжения.

В предложении Hitachi также фигурирует D-STATCOM. Устройство позиционируется как компактный источник или приемник реактивной мощности, контролирующий напряжение в сети.

СТАТКОМ производства АББ носит товарное имя SVC Light. Компания активно занимается производством устройств с использованием технологии FACTS с 1972 г., за это время ввела более 500 установок по всему миру. АББ обладает собственными заводами по производству силовой полупроводниковой электроники (IGBT, IGCT), конденсаторов и т.д. и поставляет оборудование вместе с программным обеспечением собственной разработки.

СТАТКОМ на ПС 220 кВ Могоча в Забайкальском крае (фото ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»)

В поисках своего места

В завершении краткие комментарии наших экспертов, относительно роли СТАТКОМ в развитии современных, в том числе интеллектуальных, энергосистем.

По мнению Шэнь Фэя, статические устройства динамической компенсации реактивной мощности (СТАТКОМ) в настоящее время — важнейший элемент в составе системы гибкой передачи переменного тока, которая уже успешно эксплуатируется в США, Германии, Японии и Китае.

«Не только СТАТКОМ, но и полноценная установка СТК представляет собой «умную сеть», позволяющая в реальном времени следить за состоянием сети, вовремя реагировать и влиять на протекающие в ней процессы, исключая негативные последствия влияния резкопеременной нелинейной нагрузки», — убежден Александр Ильин.

«Как и в отношении любого инновационного оборудования, позволяющего поддерживать в сложных режимных условиях требуемый уровень и качество напряжения и мощности, повышать пропускную способность электропередач, регулировать перетоки мощности, перспективы СТАТКОМ видятся в возможности решения задач электросетевого комплекса на качественно новом уровне», — считает Алексей Жидков.

Сейчас сложно говорить о том, какое место займут СТАТКОМ в российских электросетях в будущем. На сегодняшний день оборудование применяется точечно — на участках с «особыми потребностями», и пока нет никаких свидетельств в пользу того, что устройство существенно подешевеет и станет повсеместно применяемым. Будет ли данное высокотехнологичное решение и дальше использоваться только в узкоспециализированных нишах, покажет время.

Иван Благодатский

На заставке: СТК Light® (СТАТКОМ) в металлургии (фото предоставлено АББ)

От редакции: По мнению некоторых экспертов, сотрудничающих с сайт, подходы и терминология, использованные в статье, являются спорными. Кроме того, специалисты ряда российских компаний не смогли дать свои комментарии по теме на момент опубликования. Если вы хотите выразить свое мнение или поспорить с автором, обращайтесь в редакцию, которая будет рада предоставить вам возможность публично высказать свою точку зрения.

С появлением мощных высоковольтных полностью управляемых приборов типа IGCT и IGBT началось внедрение нового типа устройств, называемых СТАТКОМ (статический синхронный компенсатор), задачей которых является улучшение качества электроэнергии и повышение эффективности систем ее передачи и распределения за счет компенсации реактивной мощности, регулирования напряжения и повышения устойчивости работы энергосистем.

По сравнению с СТК и другими традиционными устройствами компенсации реактивной мощности СТАТКОМ имеет ряд преимуществ:

• Лучшие динамические характеристики;
• Возможность поддержания номинального емкостного выходного тока при низком напряжении системы, что, в свою очередь, обеспечивает более высокую динамическую устойчивость передачи по сравнению с СТК;
• Благодаря высокой частоте переключения приборов, СТАТКОМ может осуществлять активную фильтрацию гармонических токов нагрузки;
• Требует меньше места для установки (приблизительно в два раза по сравнению с СТК);
• Меньший уровень активных потерь.

Теория СТАТКОМа

СТАТКОМ представляет собой управляемый источник напряжения (УИН) с внутренним сопротивлением, практически равным нулю. Его подключение к сети производится через линейный реактор, обеспечивающий преобразование разности напряжений сети и УИН в выходной ток СТАТКОМа, т.е. превращения источника напряжения в источник тока (рис.1).

Рис. 1. Однолинейная схема подключения СТАТКОМа к сети

Векторная диаграмма напряжений, иллюстрирующая режимы работы СТАТКОМа, показана на рисунке 2. В режиме потребления реактивной мощности выходное напряжение преобразователя меньше напряжения линии и находится с ним в фазе. В режиме генерации - выходное напряжение преобразователя больше напряжения на линии и так же в фазе с ним.

Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений в различных режимах работы СТАТКОМа

1. Одноуровневый СТАТКОМ

Одноуровневый СТАТКОМ с подключением к шинам 6-10 кВ через понижающий трансформатор. Такие устройства используются в распределительных сетях промышленных предприятий и энергосистем для решения локальных задач улучшения показателей качества электроэнергии, симметрирования нагрузки и компенсации реактивной мощности.

Пример однолинейной схемы одноуровневого СТАТКОМа представлен на рис 3. Схема включает в себя трехфазный инвертор напряжения с номинальным напряжением 550 - 600 В, понижающий трансформатор, сетевой фильтр и коммутационную аппаратуру.

Рис.3. Однолинейная схема СТАТКОМа

Перечень основного оборудования, комплекта поставки СТАТКОМ

В комплект поставки оборудования СТАТКОМ также входят

• комплектующие и материалы для монтажа внутренних соединений преобразователя;
• запасные части на время проведения пуско-наладочных работ;
• комплект эксплуатационной документации на оборудование СТАТКОМ

Система управления СТАТКОМа

Система управления СТАТКОМа осуществляет непрерывный контроль сетевого напряжения и тока нагрузки, осуществляет симметрирование активной мощности, компенсацию реактивной мощности нагрузки и стабилизацию напряжения на шинах среднего напряжения, а также мониторинг состояния оборудования СТАТКОМа и его защиту в аварийных ситуациях.
Система управления поставляется в шкафном исполнении.
Класс защиты шкафа от попадания твердых предметов и воды - IP 31 по ГОСТ 14254-96.
Цвет шкафа - RAL 7035.

• Ширина 1200 мм
• Глубина 1000 мм
• Высота 2300 мм
• Вес 500 кг

Система водяного охлаждения

Система водяного охлаждения СТАТКОМ оборудована двумя насосами, один из которых является резервным, фильтрами грубой и тонкой механической очистки деионизированной воды, а также средствами измерения и контроля основных параметров теплоносителя.

Основными параметрами, контролируемыми автоматикой системы охлаждения, являются:

• температура теплоносителя,
• проводимость теплоносителя
• расход теплоносителя
• давление в контуре охлаждения тиристорного преобразователя (инвертора)
• Класс защиты шкафа системы охлаждения от попадания твердых предметов и воды - IP 31 по ГОСТ 14254-96

Предварительные габаритные размеры шкафа:

• Ширина 950 мм
• Глубина 2100 мм
• Высота 1793 мм
• Вес, не более 1000 кг

Условия эксплуатации:

2. Многоуровневый СТАТКОМ

Многоуровневые СТАТКОМы подключаемые непосредственно на шины среднего напряжения от 6 до 35 кВ. Многоуровневые СТАТКОМы применяются для снижения вредного воздействия на сеть мощных быстропеременных нагрузок типа дуговых сталеплавильных печей и повышения динамической устойчивости в сетях высокого напряжения.

В случае прямого (бестрансформаторного) подключения СТАТКОМа к сетям среднего класса напряжения применяются многоуровневые преобразователи. Одним из таких преобразователей является преобразователь на основе Н-мостов. Важнейшим достоинством данной конфигурации является её модульность, что позволяет легко производить масштабирование СТАТКОМа при переходе к различным уровням напряжения и облегчает условия эксплуатации и обслуживания электроустановки.

На рисунке 4 в качестве примера показана фаза 7-ми уровневого преобразователя на базе Н-моста и форма его выходного напряжения в режиме генерации реактивной мощности. Для каскадного многоуровневого инвертора полное выходное напряжение является суммой выходных напряжений отдельных модулей H-мостов. Каждое отдельное выходное напряжение получается с использованием ШИМ модуляции со сдвигом фазы коммутации для каждого моста. Особенностью данной конфигурации преобразователя является то, что при увеличении класса напряжения, а, следовательно, и числа последовательно включенных Н-мостов, форма выходного напряжения все более приближается к идеальной синусоиде.

Рис. 4. Фаза 7-ми уровневого преобразователя на базе Н-моста и форма выходного напряжения в режиме генерации реактивной мощности.

Статический синхронный компенсатор (СТАТКОМ) для энергетических компаний — SVC Light®

Предназначен для регулирования электрических нагрузок за счет генерирования и поглощения реактивной мощности. Часто существенные изменения передаваемой в нагрузку мощности происходят в течение нескольких часов. Соответствующим образом изменяется и баланс реактивной мощности в сети. Это может приводить к недопустимым изменениям амплитуды напряжения, в том числе к резкому провалу или даже лавине напряжения.

Аналогично системе статической компенсации реактивной мощности SVC данный СТАТКОМ способен мгновенно и длительно обеспечивать регулируемую реактивную мощность в соответствии с переходными напряжениями, поддерживая стабильность напряжения сети. В основу работы СТАТКОМа положены принципы действия источника напряжения с использованием метода уникальной ШИМ (широтно-импульсная модуляция) с коммутацией на транзисторах IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), что дает непревзойденный КПД и быстродействие устройства. В специальных модификациях СТАТКОМ может выполнять активную фильтрацию высших гармоник и подавление фликера. Поскольку установка этого СТАТКОМа и его компонентов требует чрезвычайно мало места, АББ запатентовала это малогабаритное высокопроизводительное устройство под названием SVC Light.

Включение устройства СТАТКОМ в одном или нескольких узлах сети позволяет увеличить пропускную способность электросети за счет повышения стабильности напряжения и уменьшения амплитуды его колебаний в различных электрических сетях. Кроме того, СТАТКОМ дает возможность улучшить качество электроэнергии.
​

Технология СТАТКОМ/SVC Light

SVC Light действует на той же технологической платформе, которая используется в системах высоковольтной передачи постоянного тока (HVDC), а именно в технологии HVDC Light®. Самым важным компонентом системы является модульный преобразователь источника напряжения (VSC), оборудованный биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), которые управляются методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Преобразователь VSC способен как генерировать, так и поглощать реактивную мощность. При необходимости преобразователь VSC может использоваться с переключаемыми или фиксированными реакторами с воздушными сердечниками и высоковольтными конденсаторами переменного тока в качестве элементов дополнительной реактивной мощности для достижения любого необходимого диапазона.

Принцип действия СТАТКОМ/SVC Light

SVC Light может рассматриваться как источник напряжения с внутренним сопротивлением. Физически он представляет собой модульный многоуровневый инвертер, действующий с распределенной вставкой постоянного тока или при постоянном напряжении постоянного тока (в зависимости от топологии преобразователя VSC). Он генерирует или поглощает реактивную мощность, электронным образом перерабатывая кривые напряжения и тока в преобразователе напряжения (сеть воспринимает устройство как синхронную машину с безынерционными процессами). В результате SVC Light не требуются конденсаторные батареи и шунтирующие реакторы для генерирования и поглощения реактивной мощности, что позволяет получить устройство компактной конструкции и с малой площадью основания. Высокая общая эффективность частоты коммутации транзисторов IGBT позволяют предельно быстро регулировать значения выходного напряжения. Эти характеристики особенно важны для выполнения таких задач, как подавление фликера, порождаемого дуговыми сталеплавильными печами, балансировка напряжения, фильтрации гармоник и восстановление напряжения в сети. Встроенные конденсаторы постоянного тока служат для поддержки и стабилизации управляемого напряжения постоянного тока, необходимого для работы преобразователя. Преобразователи источника напряжения, подключенные в конфигурации с расположением вплотную между двумя шинами переменного тока, могут регулировать активную мощность, реализуя схему двойного назначения устройств. За счет расположения вплотную преобразователи могут передавать активную мощность между двумя сетями переменного тока (синхронными или асинхронными и даже с различными частотами) и одновременно с этим обеспечивать в них контроль реактивной мощности.

Реактивная мощность - это технические потери электроэнергии, вызванные электромагнитными процессами в сетях. Недостаток её вызывает повышенный нагрев проводников и создает избыточную нагрузку на сеть, в результате чего источник электроэнергии работает в усиленном режиме. Если средства компенсации мощности не предусмотрены, то за потребление реактивной энергии из сети приходится переплачивать значительные суммы.

Существенные реактивные нагрузки становятся причиной понижения напряжения в электросети и ухудшения качества электропитания. Помимо того, чрезмерно нагружаются линии электропередач и трансформаторное оборудование, в результате чего увеличиваются капитальные затраты на обустройство и эксплуатацию электрораспределительных станций.

Исторический обзор решений для динамической компенсации реактивной мощности с начала применения переменного тока для передачи электроэнергии до наших дней

Передача электрической энергии с использованием переменного тока началась еще в конце 19 века, заменяя существовавшие небольшие локальные системы постоянного тока. При расширении локальных систем энергоснабжения и обеспечении передачи на дальние расстояния возникали различные проблемы с управлением напряжением и стабильностью, связанные в первую очередь с небалансом реактивной мощности в системах. Для управления напряжениями стационарной системы в основном использовалась коммутируемая компенсация реактивной мощности (шунтирующие конденсаторы и шунтирующие реакторы). Динамический способ основывался на вращающихся машинах, например синхронных компенсаторах.

В середине 60-х годов 20 века появились первые статические компенсирующие устройства реактивной мощности, то есть реакторы, управляемые постоянным током (ртутные вентили) и устройства, управляемые тиристорами (конденсаторы с тиристорным управлением, реакторы с тиристорным управлением).Малое время отклика, низкие потери и меньшие требования к техническому обслуживанию сняли многие ограничения, присущие вращающимся машинам и устройствам, управляемым постоянным током. Оценка рабочих потерь имеет своим результатом всё большее увеличение использования статических конденсаторных установок реактивной мощности, состоящих из комбинаций ветвей конденсаторов и реакторов с тиристорным управлением. Эти шунтирующие устройства совместно с последовательными конденсаторами с тиристорным управлением составили основу гибких систем передачи переменного тока (FACTS). FACTS позволяет более эффективно использовать системы передачи благодаря улучшенному динамическому управлению напряжением системы с одной стороны и более высокой пропускной способностью с другой стороны. В системах передачи переменного тока в настоящее время установлены статические конденсаторные установки реактивной мощности общей мощностью более 100 000 МВА.

В устройствах FACTS стали использоваться новые силовые электронные приборы (GTO, IGCT, IGBT), которые позволяют использовать преобразователи тока и напряжения для обеспечения быстродействующей компенсации реактивной мощности. На основе дальнейшего развития систем управления, совершенствования полупроводниковых приборов и новых технологий преобразователей напряжения в настоящее время компенсация реактивной мощности является ключевым фактором для надёжной передачи энергии переменного тока. В данной статье вашему вниманию предлагается обзор положений в области систем передачи от начала применения первых УКРМ до существующего в настоящее время положения. Также сравниваются ранние решения и современные устройства, приводятся основные факторы и этапы совершенствования установок и обсуждаются преимущества современных устройств.

Передача энергии переменного тока началась в конце 19 века. Развитие шло от низких уровней напряжения и ограниченных районов до больших расстояний, высоких мощностей и всё более возрастающего напряжения передачи. На рис. 1 приводится примерная картина возрастания напряжения систем передачи от года к году.

Генерация электрической энергии и её потребители обычно не находятся близко друг от друга. Большие города и большие промышленные регионы часто получают электроэнергию от источников, находящихся на большом расстоянии. Составляющие системы и нагрузка включают в себя источники реактивной мощности (конденсаторы и катушки индуктивности), которые оказывают влияние на профиль напряжения сети и стабильность системы. Линии передачи высоковольтных систем (735 кВ) могут иметь до 200 Мвар емкостной мощности на длину 100 км. Кабельные соединения могут давать даже большую реактивную мощность. Большие нагрузки, содержащие электрические дуговые печи или мощные приводы, могут иметь до 100 Мвар индуктивной реактивной мощности. Без соответствующей компенсации реактивной мощности в длинных линиях передачи могут наступить критические условия работы системы из-за сильных колебаний напряжения и проблем со стабильностью. Эти проблемы могут быть решены с помощью схем параллельной и последовательной компенсации.

Активная мощность

Если нагрузка чисто резистивная, без индуктивных или емкостных компонентов (реактивной мощности), например, электрический нагреватель, кривые напряжения и тока пересекают координатную ось (проходят через ноль) в одной точке (рис. 1.1).

В этом случае говорят, что напряжение и ток находятся «в фазе». Точки кривой мощности (P) рассчитывается как произведение мгновенных значений напряжения (V) и тока (I). Эта кривая имеет частоту в 2 раза выше частоты напряжения питания и полностью находится в положительной области, так как произведение двух отрицательных чисел является положительным числом, так же, как, естественно, произведение двух положительных чисел.

Рис. 1.1. Кривые напряжения, тока и мощности для чисто резистивной нагрузки (φ = 0°)

В этом случае:

(-V) · (-I) = (+P)

Активная или полезная мощность определяется как составляющая мощности, которая преобразуется в другую форму (например, тепло, свет, механическую энергию) и регистрируется счётчиком электроэнергии. При чисто резистивной или омической нагрузке она вычисляется путём перемножения эффективных значений напряжения [V] и тока [I]:

P (Вт) = V (В) · I (А)

Активная и реактивная мощность

На практике, однако, чисто резистивные нагрузки не являются типичными, обычно также имеется и индуктивная составляющая. Это относится ко всем потребляющим электроэнергию устройствам, принцип работы которых основан на использовании магнитного поля, к примеру, электродвигателям, дросселям, трансформаторам. Также реактивный ток необходим для процессов коммутации в силовых преобразователях. Ток, используемый для создания и изменения магнитного поля, не рассеивается, а циркулирует туда и обратно как реактивный ток между генератором и потребителем.

Как показано на рисунке 1.2, кривые напряжения и тока уже не проходят через ноль в одной точке, а имеется смещение фазы. При индуктивной нагрузке ток отстаёт от напряжения, а при емкостной – ток опережает напряжение. При расчёте мгновенных значений мощности по формуле (P) = (V)·(I) теперь получаются отрицательные значения, если один из множителей отрицательный.

В этом примере фазовый сдвиг φ = 45°. Это соответствует индуктивному cosφ = 0,707. Как видим, часть кривой мощности находится в отрицательной области.

Активная мощность в этом случае определяется по формуле:

P (Вт) = V (В) · I (А) · cosφ

Реактивная мощность

Чисто индуктивная реактивная мощность потребляется двигателями и трансформаторами, работающими без нагрузки (если пренебречь потерями в меди, железе и, при их наличии, потерями на трение). Можно считать, что имеют чисто емкостную реактивную мощность, так как они имеют очень низкие потери (менее 0,05%).

Если напряжение и ток имеют сдвиг по фазе на 90°, одна половина кривой мощности находится в положительной области, а другая – в отрицательной (рис. 1.3). Активная мощность равна нулю, так как положительная и отрицательная области уравновешивают друг друга.

Реактивная мощность определяется как мощность, которая циркулирует между генератором и нагрузкой на частоте питающего напряжения для обеспечения нарастания и спада магнитного поля.

Q (вар) = V (В) · I (А) · sinφ

Полная мощность

Значение полной мощности является основным параметром при выборе номинальных параметров сетей энергоснабжения. На полную мощность системы должны рассчитываться генераторы, трансформаторы, распределительные устройства, предохранители, автоматические выключатели и проводники.

Значение полной мощности – это результат произведения значений напряжения и тока без учёта фазового сдвига.

S (Вт) = V (В) · I (А)

Полная мощность определяется как векторная сумма активной и реактивной мощностей.

Рис. 1.4. Треугольник мощностей

Коэффициент мощности (cosφ и tgφ)

Удобным параметром для определения активного и реактивного компонентов мощности, напряжения и тока является косинус угла сдвига фаз (фазовый угол) между током и напряжением. В электротехнической практике этот параметр получил название «коэффициент мощности».

Коэффициент мощности (cos) фазового угла φ при полной нагрузке маркируется на электрических машинах.

cosφ = P/S(Вт) / (ВА)

Тангенс (tg) фазового угла φ удобен для выражения отношения реактивной мощности к активной.

tgφ = Q/P(Вт) / (ВА)

Два следующих выражения показывают соотношение между косинусом и тангенсом фазового угла φ.

Так как система распределения электроэнергии должна быть рассчитана на полную мощность, предпринимаются усилия для снижения её значения. Если параллельно потребителю электроэнергии установлены конденсаторы соответствующей величины, реактивный ток циркулирует между конденсатором и потребителями. Это значит, что этот дополнительный ток не протекает по остальной части распределительной сети. Если, таким способом, достигнут коэффициент мощности, равный единице, через систему распределения протекает только активный ток.

Реактивная мощность QC, скомпенсированная конденсатором, - это разность между индуктивной реактивной мощностью до компенсации Q1 и реактивной мощностью после компенсации Q2, то есть

QC (вар) = P (Вт) · (tgφ1 – tgφ2)

Рис. 1.5. Треугольник мощностей, иллюстрирующий действие компенсации реактивной мощности

Необходимость компенсации реактивной мощности

Реактивный ток, циркулирующий между генератором энергоснабжающей компании и потребителем, преобразуется в тепловую энергию в системе распределения электроэнергии, то есть создаётся дополнительная нагрузка на генераторы, трансформаторы, кабели и распределительное устройство.

Это приводит к потерям электроэнергии и падению напряжения. Если доля реактивного тока высока, имеющиеся сечения проводников не могут полностью использоваться для передачи полезной энергии, возможно, их нужно соответственно увеличить.

С точки зрения энергоснабжающей компании низкий коэффициент мощности приводит к увеличению затрат на инвестиции и обслуживание, и эти дополнительные затраты перекладываются на тех, кто за них ответственен, то есть на потребителей с низким коэффициентом мощности. Поэтому в дополнение к счётчику активной энергии устанавливается счётчик реактивной энергии.

Рис. 1.6. Активная и реактивная мощность в системе распределения электроэнергии без компенсации реактивной мощности

Рис. 1.7. Активная и реактивная мощности в системе распределения электроэнергии c компенсацией реактивной мощности

Преимущества компенсации реактивной мощности

• Эффективное использование:
  • генераторов (энергоснабжающей компании);
  • трансформаторов;
  • кабельной сети;
  • распределительного устройства.
• Пониженные потери
• Меньше падение напряжения

Следовательно - более низкая стоимость электроэнергии!

Выгода применения установки компенсации реактивной мощности

Огромное количество потребителей электроэнергии постоянно нагружает сеть реактивной составляющей потребляемой мощности, причем эта нагрузка постоянно возрастает. Внедрение компенсирующих устройств реактивной мощности позволяет повысить надежность электропитающих сетей и увеличить пропускную способность энергосистемы.

Среди целого ряда преимуществ от применения устройств компенсации реактивной мощности можно выделить пять главных:

• Экономия энергопотребления

Внедрение компенсирующих устройств реактивной мощности дает существенный экономический эффект. Снижение уровня энергопотребления может составить до 40-50% от общего объема. При таких объемах срок окупаемости систем компенсации мощности составит не более одного года.

• Увеличение срока службы оборудования

Средства компенсации увеличивают срок службы силовых трансформаторов, поскольку их использование снижает нагрузку на оборудование. Использование установок компенсации также снижает нагрузку на линии передач и нагрев проводов, что позволяет использовать токоведущие жилы меньшего сечения.

• Экономия затрат на устройство подводящих электросетей

На этапе проектирования и строительства новых зданий монтаж системы компенсации реактивной мощности позволяет существенно сэкономить на обустройстве распределительной электросети.

• Улучшение качества энергоснабжения

Применение средств компенсации реактивной мощности дает возможность подавить сетевые помехи, избежать глубокой просадки напряжения и минимизировать несимметрию фаз. Кроме того, системы компенсации в составе пассивных фильтров позволяют снизить уровень высших гармоник.

• Отсутствие штрафов

Устройство компенсации реактивной мощности позволяет избежать штрафных санкций от поставщика электроэнергии за ухудшение показателей коэффициента мощности.

Поперечная компенсация реактивной мощности

В настоящее время используются коммутируемые конденсаторные установки для поперечной компенсации реактивной мощности и конденсаторные установки с непрерывным управлением. Емкостная мощность линий передачи или кабельной сети частично компенсируется параллельным шунтом из подключенных к линии реакторов, индуктивные нагрузки компенсируются шунтирующими конденсаторами. Линейные реакторы постоянно подключены к линиям передачи, чтобы обеспечить постоянную компенсацию в широком рабочем диапазоне. Шунтирующие конденсаторы обычно разделены на ступени для компенсации промежуточных нагрузок. Непрерывное управление реактивной мощностью ранее было возможно только с помощью регулирования возбуждения генераторов или специальных синхронных конденсаторных установок. Первые устройства статической компенсации строились на основе насыщенных реакторов, следующими были тиристорные установки. Основой последних устройств компенсации реактивной мощности стали преобразователи напряжения, использующие сначала запираемые тиристоры (GTO), а сейчас биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

A. Синхронные компенсаторы

Поведение синхронного компенсатора определяется влиянием МДС возбуждения на реактивную мощность. В некоторых случаях с целью экономии средств для управления реактивной мощностью используются старые генераторы, демонтированные с турбин. Вновь изготовленные синхронные компенсаторы использовались в конкретных местах системы для улучшения профиля напряжения и увеличения мощности короткого замыкания особенно в точке подключения высоковольтных вставок постоянного тока. Время отклика машин было улучшено с внедрением систем возбуждения с управлением с помощью тиристоров. На рис. 2 показана схема подключения синхронного компенсатора к системе высокого напряжения.

На рис. 3 показана вольт-амперная рабочая характеристика. Наклон характеристики зависит от реактивного сопротивления двигателя и его сетевого трансформатора. Изменение опорного напряжения приводит к работе синхронного компенсатора в перевозбуждённом или недовозбуждённом режиме, то есть он отдаёт (как ёмкость) или поглощает (как индуктивность) реактивную мощность. Он реагирует сам, то есть без управляющего воздействия, и обеспечивает поддержание напряжения вне рабочей характеристики в установившемся режиме в условиях переходного процесса.

B. Статические компенсаторы на основе насыщающихся реакторов

Эти первые статические компенсаторы строились из статических (неподвижных) компонентов, то есть конденсаторов и реакторов. Реакторы работали в области насыщения, ограничивая при этом изменения напряжения. На рис. 4 показано устройство такого компенсатора и его рабочие характеристики.

Насыщающийся реактор (SR) обычно выполняется на 9-стержневом стальном магнитопроводе для нейтрализации гармоники третьего порядка. Наклон характеристики SR уменьшается благодаря конденсатору Cs, подключенному последовательно. Параллельно им подключен шунтирующий конденсатор Cp, который обеспечивает емкостной характер устройства. В правой части рис. 4 показана характеристика каждого компонента (SR, Cs и Cp), суммарная характеристика SR и Cs (SR+Cs) и окончательная характеристика SR+Cs+Cp после параллельного подключения Cp. Насыщающиеся статические компенсаторы по существу реагируют на изменения напряжения системы. Регулировка опорного напряжения производится при помощи переключателя ответвлений сетевого трансформатора. Демпфирующие фильтры подключаются параллельно конденсатору Cs для устранения возможности феррорезонанса совместно с защитой от перенапряжения конденсатора. Общий рабочий диапазон может быть установлен ступенчатым переключением шунтирующих конденсаторов. Статический компенсатор нормально работает в условиях симметричного напряжения системы.

C. Статические компенсаторы реактивной мощности

Статические конденсаторные установки составлены из статических компонентов (индуктивностей и емкостей), с быстродействующим управлением с помощью полупроводниковых устройств (тиристоров). Преимуществами статических компенсаторов по сравнению с синхронными компенсаторами являются более низкие требования к техническому обслуживанию (нет движущихся частей),простое трёхфазное или однофазное управление, другие опциональные возможности управления, а также меньшая стоимость при тех же номинальных параметрах. На рис. 5 показано типовое устройство статического компенсатора.

Необходимая емкостная мощность для системы может быть установлена в емкостных ветвях, которые могут быть фиксировано подключенными к шине низкого напряжения или коммутируемыми с помощью тиристорных вентилей (конденсаторы с тиристорной коммутацией). Фиксированные ветви обычно настраиваются с помощью последовательных реакторов для фильтрации гармоник. Индуктивная мощность устанавливается в одной фазе или комбинациях трёхфазных реакторов, которые плавно регулируются с помощью тиристорных вентилей. Ветви подключены к высоковольтной системе через специальный трансформатор. Трансформатор изменяет напряжение системы до уровня, оптимального для работы тиристора.

Ветви реакторов с тиристорным управлением (TCR)

Ветви реакторов с тиристорным управлением содержат реакторы, которые управляются по углу с помощью тиристорных ключей. Три однофазные ветви соединяются в треугольник для уменьшения генерации гармоник, кратных трём, при симметричной работе.

Ветви конденсаторов с тиристорной коммутацией (TSC)

Ветви конденсаторов с тиристорной коммутацией содержат конденсаторы и токоограничивающие реакторы и коммутируются с помощью тиристорных ключей. Ветви могут соединяться треугольником или звездой. При соединении звездой один ключ становится лишним и может не приниматься во внимание в одной из трёх фаз. При использовании тиристоров с таким же номинальным током, как для TCR, номинал ветви будет соответственно ниже.

Тиристоры

Развитие технологий тиристоров большой мощности создало основу использования электронных устройств большой мощности в энергосистемах.

Процесс совершенствования тиристоров (см. рис. 6) начался в 70-х годах. Токопроводящая способность мощных тиристоров ступенчато возрастала от 800 А (эфф.) до 4000 А (эфф.) при использовании кремниевых подложек с диаметром от 40 до 125 мм. При этом величина максимально допустимого обратного напряжения увеличилась с 1,6 до 8 (10) кВ. Следующий этап дальнейшего увеличения номинальных токов тиристоров ожидается с 2009 г.

Конфигурации статической конденсаторной установки

Вначале в статических конденсаторных установках для соответствия условиям работы различных цепей, управляемых тиристорами, они устанавливались параллельно. Последовательное подключение тиристоров обуславливалось напряжением шины низкого напряжения (обычно до 36 кВ). 12-пульсное подключение использовалось для разделения ветвей, управляемых тиристорами, и уменьшения тока короткого замыкания цепи каждого вентиля, а также чтобы избежать 6-пульсных гармонических искажений в системе. На рис. 7 показан типовой статический компенсатор реактивной мощности в 12-пульсном соединении, использующий только одну ветвь TCR и фиксированную емкостную ветвь (FC).

Конфигурации TCR/TSC

Конфигурации статических компенсаторов изменялись со временем по мере повышения номинальных токов и в связи с обсуждающимися далее факторами, связанными с потерями, занимаемой площадью и мобильностью.

Потери

Величины потерь в статических компенсаторах с конфигурацией TCR/FC показаны на рис.8. Значение потерь не включает в себя нагрузку, потери трансформатора, потери реактора с тиристорным управлением и реактора фильтра, диэлектрические потери конденсаторов, потери в ключах, как в стационарном режиме, так и при переключении, потери в оборудовании охлаждения (трансформатор и вентили) и во вспомогательном оборудовании.

Средняя величина рабочих потерь в статических компенсаторах с конфигурацией TCR/FC составляет около 0,5 – 0,7% номинальной емкостной мощности. На рис. 9 показан график рабочих потерь установки с конфигурацией TCR/TSC/FC.

Средняя величина рабочих потерь в статических компенсаторах конфигурации TCR/TSC/FC составляет около 0,5 – 0,7% номинальной емкостной мощности компенсатора. Стоимость конфигурации компенсатора TCR/TSC/FC выше, чем конфигурации TCR/FC за счёт дополнительной стоимости конденсаторов с тиристорной коммутацией. Из-за того, что статический компенсатор должен работать основную часть времени при нуле на выходе, чтобы быть готовым к быстрому поддержанию напряжения при нештатных ситуациях в системе, стоимость потерь должна определяться в рабочей области.

Возможна следующая методика оценки:

Pveval = Pv1 x t1 + Pv2 x t2 + … + Pvn x tn, где
Pveval – значение общих рабочих потерь,
Pv1, 2, n – средние потери в рабочем диапазоне 1, 2, n для периодов работы t1, t2, tn.

Суммарное время работы – до 8760 часов за год. Стоимость потерь определяется умножением Pveval на конкретную стоимость потерь ($/кВт) у потребителя, величина которой зависит от поставщика электроэнергии от 1500 до 8000 $/кВт.

Общая стоимость компенсации реактивной мощности состоит из стоимости инвестиций (составные части, установка) и стоимости потерь. Решение статического компенсатора конфигурации TCR/TSC/FC может оказаться более экономичным, чем более простое – TCR/FC. Последние установки статических компенсаторов реактивной мощности в основном имели конфигурации TCR/TSC/FC.

Занимаемая площадь

Несмотря на то, что конфигурации TCR/TSC/FC требуют больше места, так как имеют больше ветвей, требования по площади размещения могут быть уменьшены более чем на 50% (в настоящее время – до 8 м2/Мвар) по сравнению с ранними конструкциями. Требования по занимаемой площади также могут использоваться в качестве критерия оценки.

Мобильность

Процессы либерализации и приватизации могут приводить к изменениям потоков в некоторых высоковольтных системах в течение короткого времени. Некоторые ранее установленные конденсаторные установки реактивной мощности могут оказаться больше не эффективными в данном месте, и может потребоваться их установка в другой точке системы. Возможность перемещения установки также может быть использована в качестве критерия при оценке общей стоимости.

Переход от аналогового управления к цифровому

Со временем происходил переход от чисто аналоговых систем управления и защиты к цифровым системам. Преимуществами цифровых систем являются отсутствие дрейфа параметризации и сигнализации, программное управление функциональностью, графическое конфигурирование, самодиагностика и модульное построение. Современные системы управления конденсаторных установок имеют многообразные функции и позволяют полностью интегрироваться в систему. На рис. 10 показана схема блока управления, включающего в себя различные функции управления и замкнутую петлю обратной связи.

Выделенная на рисунке часть схемы показывает прохождение сигнала управления напряжением. Сигнал управления напряжением может быть модулирован быстродействующим сигналом управления для подавления качаний мощности (POD) в случае серьёзных проблем со стабильностью после аварии системы. Замедленное действие тракта управления реактивной мощностью помогает статической конденсаторной установке оперировать из заданной оптимальной рабочей точки, например 0 Мвар. Из этой оптимальной рабочей точки конденсаторная установка сможет быстро отдавать или поглощать реактивную мощность в критических условиях работы системы.

D. Преобразователи напряжения

Идея применить самокоммутирующиеся преобразователи для статической компенсации реактивной мощности долго обсуждалась перед созданием в 70-е годы 20 века первой конструкции на тиристорах со специальной схемой для ускорения коммутации. В принципе, могут быть использованы преобразователи с фиксированным постоянным напряжением или током. Тем не менее, при поддержке других отраслей, например, систем электроприводов, стал доступен широкий ряд полупроводниковых приборов с управляемым запиранием и полным максимальным обратным напряжением. В первых экспериментальных образцах статических компенсаторов STATCOM на базе преобразователей напряжения были использованы запираемые тиристоры (GTO).

На векторной диаграмме, на рис. 11, показан емкостной характер работы. Фаза и амплитуда тока могут регулироваться изменением VVSC. Для данного напряжения системы VN регулируется напряжение преобразователя VVSC, чтобы получить ток IN, который может находиться внутри зоны, обозначенной «максимальный ток преобразователя». Если пренебречь потерями, можно считать, что ток опережает напряжение или отстаёт от напряжения на 90°. Значение максимального тока симметрично при опережении или отставании по фазе. В широком диапазоне изменения напряжения системы ток может оставаться неизменным. Эта функция графически представлена на рис. 12, где сравниваются вольт-амперные характеристики STATCOM и статические конденсаторные установки. В условиях низкого напряжения STATCOM может обеспечить большую мощность, чем СКРМ, а при перенапряжении максимальная выходная мощность STATCOM меньше.

Развитие технологий преобразователей напряжения для компенсации реактивной мощности было нацелено на следующие задачи: улучшение поддержания работы системы в случае понижения напряжения, повышение скорости отклика при компенсации фликеров, создание более компактных и мобильных конструкций, уменьшение взаимного влияния гармоник с системой энергоснабжения. В настоящее время предлагается много технических решений, которые сводятся к концепции мультипреобразования, высоковольтным ШИМ-преобразователям или многоуровневым преобразователям. Причины сложившейся ситуации и перспективы можно увидеть из истории развития. В первых преобразователях напряжения количество последовательно соединённых запираемых тиристоров было ограничено в основном тем, что нельзя было обеспечить равномерное распределение напряжений между отдельными тиристорами. Это приводило к тому, что выходная мощность одиночного преобразователя была мала. Также высокие потери при коммутации препятствовали эффективному использованию широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для получения синусоидальной формы тока. Эти ограничения были впервые преодолены сочетанием нескольких преобразователей при использовании подавления гармоник с помощью магнитных цепей.

Позднее появились полупроводниковые приборы с улучшенной коммутационной способностью. С внедрением коммутируемых по затвору запираемых тиристоров (IGCT) были созданы мощные преобразователи с номинальными мощностями до 10 МВА. С использованием высоковольтных биполярных транзисторов постоянного тока с изолированным затвором (IGBT) были созданы вентили на 300 кВ, что дало возможность реализации одиночных преобразователей диапазона 100 МВА.

В преобразователях на IGBT выходной синусоидальный ток формируется с помощью ШИМ с высокой частотой коммутации (в килогерцовом диапазоне). Кроме того факта, что высокая частота коммутации ведёт к значительным потерям преобразователя, наличие крутых фронтов высокого напряжения dv/dt требует применения специального оборудования для предотвращения воздействия высокой частоты и принятия мер по ограничению электромагнитных помех.

Дальнейшее увеличение предложения полупроводников высокой мощности и эффективных систем управления позволяют сегодня преодолевать проблемы, связанные с высокой частотой коммутации высоковольтных вентилей. Системы преобразования, появившиеся в последнее время, имеют модульное построение и генерируют выходное напряжение переменного тока, близкое к синусоидальному с большим количество уровней напряжения (многоуровневые преобразователи).

На рис. 13 показана конфигурация однофазного преобразователя, используемого для компенсации реактивной мощности. Три таких устройства могут быть соединены в треугольник. Напряжения и токи многоуровневых преобразователей аналогичны напряжениям и токам синхронных компенсаторов, но многоуровневые преобразователи имеют намного меньшие времена отклика. Благодаря сниженному взаимному влиянию гармоник с подключенной системой многоуровневые преобразователи на преобразователях напряжения по сравнению с другими типами статических компенсаторов имеют меньше компонентов и проще встраиваются в системы энергоснабжения. Потери энергии многоуровневого преобразователя значительно меньше по сравнению с преобразователями других типов, но всё-таки несколько больше, чем у компенсаторов на тиристорах.

На сегодняшний день общая мощность установленных статических компенсаторов составляет около 110 000 Мвар, из них мощность преобразователей напряжения, применяемых для систем передачи, достигает около 4000 Мвар.

Продольная компенсация реактивной мощности

Электростанции по экономическим причинам не строятся близко к нагрузкам, то есть выработанная энергия должна транспортироваться на большие расстояния. На рис. 14 показана зависимость напряжения на конце линии 345 кВ от передаваемой активной мощности для трёх величин длины линии (100, 200 и 300 км). Натуральная мощность этой линии – 410 МВт.

Чем длиннее линия, тем меньше максимальная передаваемая мощность. Электрическая длина линии может быть увеличена при установке последовательных конденсаторов. Этот принцип раньше использовался для компенсации импеданса трансформаторов, чтобы улучшить параметры напряжения при больших изменениях нагрузки, подключенной на стороне низкого напряжения.

A. Фиксированные последовательные конденсаторы

Последовательные конденсаторы могут быть установлены на обоих концах линии или в средней точке. Основное внимание уделяется профилю напряжения вдоль линии при передаче электроэнергии. Степень компенсации обычно не превышает 70% импеданса линии. Фиксированные последовательные конденсаторы могут быть установлены как один основной блок или в субблоках, чтобы обеспечить возможность ступенчатой адаптации степени компенсации для различных условий работы системы.

B. Последовательные конденсаторы с тиристорным управлением

В некоторых приложениях часть фиксированных последовательных конденсаторов может быть дополнена параллельными реакторами с тиристорным управлением, которые допускают плавное регулирование в пределах определённого диапазона угла управления. На рис. 15 показана установка с такими последовательными конденсаторами с тиристорным управлением и её возможная характеристика управления импедансом.

Последовательные конденсаторы с тиристорным управлением имеют ограниченный рабочий диапазон угла управления от около 150° до 180°. Продолжительность работы в индуктивном диапазоне невозможна из-за слишком больших токов тиристоров. Допустима только работа в режиме полной проводимости реактора, управляемого тиристором.

C. Преобразователи напряжения

Установки STATCOM с преобразователями напряжения, установленные последовательно в линию, формируют унифицированный контроллер потока мощности. В других станциях такие последовательно подключенные конфигурации преобразователей напряжения устанавливаются для целей распределения потоков мощности или нагрузки между параллельными линиями (трансформируемый статический компенсатор). Преимуществом установки последовательной компенсации реактивной мощности с преобразователем напряжения является возможность управления в индуктивной области.

Подведем итоги

Динамическая компенсация реактивной мощности с управлением при помощи силовой электроники обеспечивает улучшение работы систем передачи и теперь является признанным средством компенсации реактивной мощности среди других устройств.

Большое разнообразие технологий FACTS обеспечивает надёжные решения для большинства имеющихся и возникающих вновь требований при передаче электроэнергии.

Комбинация динамических и обычных коммутируемых устройств компенсации часто приводит к экономичным решениям для работы в установившемся режиме и при переходных процессах в электрической системе. FACTS на основе преобразователей напряжения будут использоваться более широко, особенно в диапазоне малых и средних мощностей.

В ближайшем будущем, вероятно, для преодоления имеющихся ограничений при работе систем передачи потребуется большее количество конденсаторных установок компенсации реактивной мощности, которые рассматриваются как важное средство для повышения стабильности системы и защиты от перебоев энергоснабжения.

Статические синхронные компенсаторы (СТАТКОМы/Статические генераторы реактивной мощности) - это представители новейшей технологии в области компенсации реактивной мощности. Они подключаются параллельно к электрическим сетям через реакторы и работают в качестве источника реактивного тока. Реактивный ток свободно регулируется для компенсации реактивной мощности.

Основная конфигурация СТАТКОМа – это мостовая 2-фазная или 3-фазная схема выпрямителя, состоящая из полностью контролируемых силовых электронных устройств, таких как IGBT и IGCT. Данный контур подключен к сети параллельно через реакторы. Путем регулирования амплитуды и фазы выходного напряжения или непосредственного контроля тока стороны схемы переменного тока, статический генератор реактивной мощности способен поглощать или генерировать реактивную мощность для обеспечения компенсации динамической реактивной мощности.

Примечание: US –напряжение сети; UI – выходное напряжение статического генератора реактивной мощности; IL – выходной ток статического генератора реактивной мощности.

При использовании для контроля за напряжением, СТАТКОМ обладает подавляющим преимуществом над регулируемым статическим компенсатором реактивной мощности (SVC). Чем ниже напряжение в системе, тем больше динамической реактивной мощности необходимо для поддержания напряжения. Реактивный ток на выходе СТАТКОМа не имеет ничего общего с системой напряжения, поэтому устройство компенсации реактивной мощности можно рассматривать как управляемый источник постоянного тока. Однако чем ниже напряжение в системе, тем слабее мощность реактивного тока, выводимого регулируемыми статическими компенсаторами типа TCR/ MCR.

Диаграмма теории регулирования СТАТКОМа

А. СТАТКОМ подключен параллельно к энергосистеме через реакторы для реализации компенсации емкостной и индуктивной мощности. Он осуществляет компенсацию реактивной мощности и подавление гармоник путем регулирования амплитуды и фазы напряжения переменного тока, или непосредственно регулируя переменный ток в Н-мостовой схеме для поглощения или генерирования реактивного тока.

B. Статический синхронный компенсатор осуществляет обмен электроэнергией с энергосистемой путем регулирования амплитуды и фазы выходного напряжения инвертора цепочного типа.

C. Топология СТАТКОМа показана ниже; фазоинвертор состоит из цепочки узлов.

Выше представленное изображение показывает многоуровневый каскадный инвертор, используемый в системе статических синхронных компенсаторов. Как показано, каждый блок преобразователя на базе Н-моста использует отдельный источник постоянного тока, так что требуемая емкость постоянного тока немного выше, чем ASVC. При этом данные конденсаторы постоянного тока намного меньше и более эффективны по сравнению с громоздкими трансформаторами ASVC.

D. Инвертор на БТИЗ использует оптимизированную фазовую модуляцию.