«Умные» провода
Тенденции развития электроэнергетики по всему миру говорят о грядущем переходе от централизованного управления энергосистемами к распределённому. Однако эффективно делегировать функции системного оператора на места представляется невозможным без внедрения распределённых систем автоматики как элемента будущих активно-адаптивных сетей. Предполагается, что сети обретут множество разных новых свойств и элементов, в том числе и распределённые средства компенсации реактивной мощности.
Вар против ватта
«Жизнь» сетей переменного тока проходит в единстве и жестокой борьбе двух противоположностей: активной и реактивной составляющих тока и напряжения. Упрощённо говоря, активная возникает при совпадении их фаз. Она-то как раз и обеспечивает работу электроприборов, и её мощность измеряется в ваттах (Вт). Реактивная составляющая, некая «тёмная сила», несущая риски для работы сетей и электрооборудования, порождается разностью фаз тока и напряжения. Соответственно, её мощность измеряется в вольт-амперах реактивных, или варах (Вар). Чем больше разность фаз, тем больше реактивная составляющая и, следовательно, больше риски.
Компенсировать избыточный реактивный компонент можно путём изменения полного эффективного сопротивления системы. Для этого существуют два основных способа: пассивный и активный. В первом случае в контур вводятся дополнительные индуктивности и/или ёмкости. Во втором - в комплексе с ними используется добавочный источник синхронного напряжения для «накачки» (см., например, № 11/2016, с. 7). Оба варианта применяются при построении управляемых компенсаторов реактивной мощности (КРМ), за рубежом известных как Flexible AC Transmission Systems (FACTS).
На практике установки компенсации реактивной мощности зачастую оказываются громоздкими и дорогостоящими. В стремлении избавиться от этих недостатков учёные и инженеры пришли к новой модели, в которой компенсационные устройства представлены в виде множества отдельных малогабаритных блоков D-FACTS (D - от английского distribution, «распределение»).
Чем меньше, тем умнее?
В отличие от традиционных управляемых сетей переменного тока с «концентрированными» компенсаторами, эти системы используют концепцию распределённого регулирования полного сопротивления элементами последовательного включения (Distributed Series Impedance - DSI) в линии.
Массогабаритные характеристики модулей, обеспечивающих подобное компенсационное воздействие, позволяют размещать их непосредственно на опорах и проводах линий электропередачи (см. рис. 1). При этом управляемые элементы распределяются вдоль всего маршрута передачи электроэнергии, к тому же их компоновка может быть максимально адаптирована к конфигурации сети. В итоге сами провода становятся «умными», а общий «интеллект» системы теряет в весе, зато выигрывает в оперативности.
Рис. 1. Подвеска компенсатора D-FACTS на провод -
несложная процедура
Расскажем о некоторых современных устройствах D-FACTS. Распределённые компенсаторы последовательного включения DSI в общем виде показаны на рис. 2. Их частные случаи - распределённые индукторы (DIS) и конденсаторы (DCS) последовательного включения.
Рис. 2. Общая схема компенсатора DSI
Как видим, в роли первичной обмотки трансформатора выступает провод линии электропередачи. Для регулирования полного сопротивления ЛЭП выключатель Sm размыкается и в контур вторичной обмотки посредством тиристорных ключей вводится дополнительная индуктивность ХL или ёмкость Xc.
Импеданс линии подстраивается сразу во многих местах сети за счёт подключения множества модулей DSI, DIS и DSI.
Любопытно устроены распределённые статические компенсаторы последовательного включения (Static Synchronous Series Compensators, DSSC). Они не только компенсируют реактивную мощность, но и улучшают стабильность участка сети при переходных процессах за счёт применения нелинейного контроллера. В таких устройствах к вторичной обмотке трансформатора подключён фильтр, после него - управляемый широтно-импульсный фазовый инвертор, нагруженный на конденсаторную батарею.
ШИМ-инвертор мощностью порядка 10 кВт создаёт возможность «подкачивать» линию плавно регулируемым по фазе напряжением. Высокочастотные гармоники ШИМ-преобразователя демпфируются фильтром.
В активной адаптации
Перечисленные распределённые компенсаторы обеспечивают коррекцию реактивной составляющей переменного тока, практически не влияя на её активный компонент. В зависимости от предполагаемых длительно допустимых уровней тока, конфигурации и протяжённости участков энергетических коридоров «интеллектуальные» линий электропередачи включают разные элементы D-FACTS. Используя широкий спектр подобных устройств, можно оперативно регулировать параметры сети, причём с высокой точностью. Так, типовой модуль DSR (90-110 кг) способен обеспечивать «настройку» реактивного сопротивления линии 150 кВ с шагом 0,015-0,03 Ом, причём существуют более тяжёлые блоки TRU (массой 500-600 кг, подвешиваемые на опорах), которые обеспечивают изменение реактивного сопротивления в пределах 1,5-2,0 Ом.
Рис. 3. Распределённые компенсаторы реактивной мощности обеспечивают
гибкость управления электросетевей системой
Для устройств D-FACTS характерны простота конструкции, а также сравнительно малые вес и габаритные размеры, откуда возможности распределить компенсаторы по воздушным линиям и сократить время монтажа по отношению к традиционным устройствам КРМ. Кстати, при изготовлении D-устройств используются преимущественно недорогие материалы.
Распределённые компенсаторы обладают ещё одной интересной особенностью - они способны обмениваться информацией посредством встроенных беспроводных модемов. Подобная связь позволит не только повысить гибкость управления сетевой системой, но и получать подробные данные о текущих параметрах каждого её участка. Оперативный контроль также позволит решить ряд проблем эксплуатации ЛЭП, например, в аспекте безопасности. На случай же кратковременных неисправностей и/или потери связи на линии в целом её отдельные участки можно запрограммировать на работу в автономном режиме.
Благодаря перечисленным свойствам модули D-FACTS становятся практически незаменимыми для интеллектуальной энергетики будущего.
