Системы электроэнергетики с элементами силовой электроники

Электроэнергетическая система – это единый технологический комплекс систем генерации электроэнергии и электрических сетей: системообразующих – магистральных, а также распределительных (приближенных к потребителям). Управление комплексом осуществляют диспетчерские управления и службы, а также интегрированные в него локальные и централизованные системы автоматического регулирования и средства релейной защиты и автоматики. В нормальных режимах это технологическая автоматика, а в аварийных – релейная защита и противоаварийная автоматика. В ХХ веке рост эффективности электроэнергетики достигался, в основном, за счет освоения оборудования больших мощностей и высоких напряжений. Внедрение более прогрессивных технологий управления генерацией и передачей электроэнергии в рабочих, аварийных и послеаварийных режимах энергосистем тормозилось отсутствием достаточно экономичной и надежной элементной базы для систем регулирования.

Но уже в конце ХХ века появились быстродействующие высоконадежные силовые устройства управления режимами энергосистемы на базе новых силовых полностью управляемых полупроводниковых приборов, начала расти наблюдаемость состояния энергосистем за счет освоения оптоволоконных линий связи и радиосвязи, началось применение контроллеров, что резко увеличило надежность систем управления в целом.

Устройства регулирования в электроэнергетике должны иметь высокие КПД, надежность и быстродействие. Наибольший КПД можно получить, если устройство построено на основе идеальных (работающих без потерь энергии) «ключевых» элементах, которые могут быть в одном из состояний: «включено» или «выключено».

Ключи могут быть управляемыми и неуправляемыми. Управляемые ключи требуют для включения (а некоторые и для выключения, и для поддержания ключа во включенном состоянии) подачи сигнала в его цепь управления.

Включение неуправляемых ключей происходит либо при изменении знака напряжения на них (если ключ был выключен), либо при определенной величине напряжения, а выключение при снижении их тока до нуля. При этом эти ток и напряжение являются результатом электромагнитных процессов в схемах, в которых эти ключи установлены. Никакого дополнительного (управляющего) воздействия не требуется.

Некоторые управляемые ключи, параметры которых близки к параметрам идеальных ключей (выключатели, разъединители, короткозамыкатели, отделители, заземляющие ножи, предохранители, РПН силовых трансформаторов), широко известны в электроэнергетике. Они применяются для изменения оперативных схем распределительных устройств, для отключения коротких замыканий, для создания условий безопасной работы при ремонтах электрооборудования и др. Но их быстродействие недостаточно для создания устройств преобразования и регулирования параметров электроэнергии в режиме реального времени. И ресурс их ограничен, так как это электромеханические, контактные устройства.

Сегодня бесконтактные быстро переключающиеся (быстродействующие) приборы, имеющие вольтамперную характеристику (ВАХ) наиболее близкую к ВАХ идеальных ключей – это силовые полупроводниковые приборы. Построенные с их применением системы электроэнергетики являются Системами электроэнергетики с элементами силовой электроники. Первоначально такие системы развивались на базе ионных приборов. В конце 50-х годов ХХ столетия появились первые полупроводниковые диодные, а затем и тиристорные системы возбуждения синхронных генераторов. Такие же этапы прошло развитие передач и вставок постоянного тока с начала на базе ионных, а затем тиристорных преобразователей. Сегодня на базе силовых полупроводниковых приборов строятся высоконадежные (резервируемые, восстанавливаемые) силовые элементы управления, обладающие быстродействием, достаточным для управления нормальными и аварийными режимами энергосистем.

В системах генерации электроэнергии широко применяются следующие системы с элементами силовой электроники:

· системы возбуждения синхронных и асинхронизированных генераторов;

· регулируемый электропривод механизмов собственных нужд;

· системы гарантированного электроснабжения для питания особо ответственных потребителей собственных нужд;

· системы выдачи мощности электростанций с генераторами, работающими на несинхронной или нестабильной частоте;

· пусковые устройства газотурбинных установок;

· накопители энергии (кинетические, емкостные, индуктивные).

Мощность этих систем от сотен киловатт, до десятков МВт. В них применяются и полупроводниковые диоды, и однооперационные тиристоры, силовые транзисторы типа IGBT, полностью управляемые тиристоры типа IGСT.

В электрических сетях и системах широко применяются следующие системы с элементами силовой электроники:

· системы возбуждения синхронных и асинхронизированных синхронных компенсаторов;

· электропередачи и вставки постоянного тока на базе преобразователей тока и преобразователей напряжения;

· системы гарантированного электроснабжения для питания особо ответственных потребителей, в том числе, и некоторых потребителей собственных нужд районных подстанций;

· регуляторы величины (РПН–ПН) и фазы (ФПУ–ПН) узловых напряжений на базе преобразователей напряжения;

· регуляторы эквивалентного сопротивления электропередачи (УПК и др., тиристорные и на базе ПН);

· регуляторы выдачи / потребления реактивной мощности (СТК, СТАТКОМ, управляемые шунтирующие реакторы с тиристорным управлением);

· управляемые дугогасящие реакторы для сетей с изолированной нейтралью;

· активные фильтры для восстановления качества напряжения в энергосистеме, а также для согласования режимных параметров примыкающих элементов энергосистемы;

· накопители энергии (кинетические, емкостные, индуктивные).

Мощность этих систем от нескольких МВт до нескольких ГВт. В них обычно применяются как однооперационные тиристоры, так силовые транзисторы типа IGBT и полностью управляемые тиристоры типа IGСT.

Элементы систем электроэнергетики на базе силовой электроники, исходя из перечисленного, должны «уметь» регулировать величину и фазу напряжения в узле, изменять частоту напряжения, регулировать потребление и генерацию реактивной мощности, преобразовывать переменное напряжение в постоянное и инвертировать напряжение, а также преобразовывать его частоту. Эти элементы обычно большой мощности, от единиц до сотен (а в некоторых случаях и тысяч) МВт, и высокого напряжения. Несколько меньшие по мощности и напряжению только элементы систем генерации.

Так как в мостовых схемах преобразования параметров электрической энергии вентили эффективно используются по напряжению, то и «кубиком» для построения схем преобразования параметров электроэнергии в электроэнергетике является трехфазная мостовая схема, и её различные модификации. При этом применяются различные сочетания интервалов включенного состояния вентилей и, следовательно, различные алгоритмы управления вентилями. В результате получают разные характеристики, энергетические параметры и функциональные свойства схемы.

В зависимости от свойств источников электроэнергии и схем подключения входных и/или выходных цепей, применяемые сегодня в электроэнергетике преобразователи можно разделить на преобразователи тока (ПТ), связанные с источниками тока или схемами, в которых постоянная времени изменения тока существенно превышает период частоты напряжения преобразователя, и преобразователи напряжения (ПН), связанные с источниками напряжения или схемами, в которых постоянная времени изменения напряжения существенно превышает период частоты напряжения преобразователя.

ПТ обычно выполняются с импульсно-фазовым управлением тиристорами (СИФУ). ПН имеют управление на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или комбинированное на базе СИФУ и ШИМ.

Преобразователи напряжения строятся только на полностью управляемых вентилях (или их аналогах), преобразователи тока – и на полностью управляемых вентилях, и на диодах, и на однооперационных тиристорах. И ПТ и ПН могут работать как в автономном режиме в трехфазной сети без собственных источников энергии, так и совместно с сетью, имеющей собственные источники. ПТ, которые работают с трехфазной электрической системой, имеющей и собственные источники электроэнергии, обычно называются «зависимыми» от сети, «ведомыми сетью», с «сетевой коммутацией вентилей».

В части 1 учебного пособия исследуются электромагнитные процессы в ПТ, изучаются их энергетические параметры и характеристики, а также их функциональные свойства. В пособии приводится описание универсального лабораторного стенда лаборатории «Системы электроэнергетики с элементами силовой электроники» кафедры ЭССиС ЮУрГУ и программы испытаний отдельных элементов систем электроэнергетики, выполненных на базе силовой электроники. Методику испытаний, соответствующую программе, студент разрабатывает и защищает самостоятельно.