Создание управляемой связи энергосистем для повышения надежности и экономичности их работы целесообразно, прежде всего, в тех местах, где имеются сложности в обеспечении надежной параллельной работы. Это межгосударственные линии электропередачи, где, как правило, возникает необходимость разделения энергосистем по частоте, а также «слабые» межсистемные электропередачи, существенно ограничивающие возможности обменов мощностью между параллельно работающими энергосистемами, например, линии электропередачи 220 кВ для связи энергосистем Сибири и Дальнего Востока, проходящие вдоль Байкало-Амурской (северный транзит) и Транссибирской (южный транзит) железнодорожных магистралей протяженностью до 2000 км каждая. Однако без специальных мероприятий параллельная работа энергосистем по северному и южному транзитам невозможна. Поэтому рассматривается объединение, представляющее собой вариант параллельной несинхронной работы энергосистем по южному двухцепному транзиту (на последующих этапах объединения возможно также несинхронное замыкание и северного транзита).
Актуальность проблемы состоит в том, что необходимо найти технические решения по обеспечению работы электропередачи 220 кВ Чита-Сковородино, питающей тяговые подстанции Забайкальской железной дороги и одновременно являющейся единственной электрической связью между ОЭС Сибири и Востока. На сегодняшний день эта протяженная связь не обладает требуемой пропускной способностью, а также не отвечает требованиям в части поддержания напряжения в диапазонах допустимых значений. Она работает в разомкнутом режиме и имеет точку деления на участке ВЛ-220 Холбон-Ерофей Павлович. Все это обусловливает недостаточную надежность сети 220 кВ, что является причиной неоднократных нарушений электроснабжения тяговых подстанций и сбоев работы устройств сигнализации, блокировок и графика движения поездов.
Одним из возможных вариантов несинхронного объединения энергосистем является использование так называемого асинхронизированного электромеханического преобразователя частоты (АС ЭМПЧ), представляющего собой агрегат из двух машин переменного тока одинаковой мощности с жестко соединенными валами, одна из которых выполнена как асинхронизированная синхронная машина (АСМ), а другая — как АСМ (АС ЭМПЧ типа АСМ+АСМ) или как синхронная машина (АС ЭМПЧ типа АСМ+СМ). Последний вариант конструктивно проще, но синхронная машина подключается к энергосистеме с более жесткими требованиями к качеству электроэнергии. Первая по направлению передачи мощности через АС ЭМПЧ машина работает в режиме двигателя, вторая — в режиме генератора [1]. Система возбуждения каждой АСМ содержит преобразователь частоты с непосредственной связью, питающий трехфазную обмотку возбуждения на шихтованном роторе.
Допустимая разность частот объединяемых энергосистем, а также управляемость АС ЭМПЧ определяются «потолочной» величиной напряжения возбуждения машин. Выбор места установки АС ЭМПЧ на рассматриваемой трассе обусловлен следующими факторами.
1. По данным ОАО «Институт Энергосетьпроект», в режиме зимнего максимума 2005 г. переток мощности через подстанцию Могоча составит примерно 200 МВт в направлении от подстанции Холбон в восточную сторону к подстанции Сковородино. Именно величиной этого перетока и определяется установленная мощность агрегата АС ЭМПЧ-200 (или агрегатов).
2. Комплекс с АС ЭМПЧ-200 рассчитан на сдачу «под ключ» с полностью автоматическим управлением. Но с диспетчерского пункта подстанции Могоча и из ОДУ Амурэнерго могут меняться уставки по величине и направлению перетоков активной мощности.
3. Место установки (подстанция Могоча) находится примерно в середине между подстанцией Холбон и мощной подстанцией Сковородино, тем более Харанорская ГРЭС может к указанному времени (то есть к 2005 г.) обеспечить требуемые уровни напряжения на подстанции Холбон. При этом включение АС ЭМПЧ-200 в рассечку линии электропередачи на подстанции Могоча практически разделит связь на два независимых участка с уменьшенными примерно в два раза сопротивлениями и независимыми ЭДС машин агрегата с каждой стороны, что позволит примерно в полтора-два раза увеличить пропускную способность всей двухцепной ЛЭП-220 кВ. В дальнейшем при режимной необходимости увеличения обменной мощности можно рассмотреть установку и второго агрегата АС ЭМПЧ-200 параллельно первому.
Это позволит существенно отодвинуть сооружение ЛЭП-500 кВ и сроки возможного расширения Харанорской ГРЭС. По предварительной оценке при параллельной работе энергосистем Сибири и Дальнего Востока только по южному транзиту предельные по статической устойчивости обменные потоки мощности в сечении Могоча-Аячи составляют без АС ЭМПЧ: в восточном направлении — до 160 МВт, в западном направлении — до 230 МВт.
После установки АС ЭМПЧ проблема статической устойчивости автоматически снимается и потоки соответственно могут составить 200-250 МВт и 300-400 МВт при контроле предельных перетоков по тепловому ограничению отдельных, например, головных участков ЛЭП. Вопрос увеличения обменных перетоков становится особенно актуальным с введением в эксплуатацию Бурейской ГЭС.
Предполагается, как указывалось, установка АС ЭМПЧ-200 в рассечку ВЛ 220 кВ на подстанции Могоча магистральной двухцепной межсистемной связи с многочисленными промежуточными отборами мощности.
На такой межсистемной связи возможны аварии с потерей электрической связи с мощной энергосистемой и образованием энергорайона с питанием через АС ЭМПЧ-200, то есть с работой АС ЭМПЧ-200 на консольную нагрузку. В таких режимах АС ЭМПЧ-200 не может и не должен поддерживать в общем случае заданное задатчиком доаварийное значение передаваемой мощности.
Если эта нагрузка больше установленной мощности АСМ, то АС ЭМПЧ шунтируется с переводом машин в компенсаторный режим. Важно также, что передача телеинформации о векторе напряжения за разомкнутым выключателем позволяет без улавливания синхронизма сразу же включить АС ЭМПЧ-200 в нормальную работу безударно после включения отключившегося выключателя.
Многолетними теоретическими и экспериментальными исследованиями, выполненными для комплекса управляемого соединения энергосистем Северного Кавказа и Закавказья на электропередаче 220 кВ Сочи-Бзыби Краснодарэнерго на основе проекта АС ЭМПЧ-200 [4], подтверждены ожидаемые и известные возможности АС ЭМПЧ по регулированию активной и реактивной мощностей, напряжений машин и частоты вращения ротора агрегата.
По сути, в пределах конструктивно заложенных возможностей АС ЭМПЧ является абсолютно управляемым элементом для объединения энергосистем, обладающим к тому же демпфирующими возможностями за счет кинетической энергии маховых масс роторов машин агрегата, чего лишены статические преобразователи. Система управления совместно с АРВ машин с системами самовозбуждения и пуска после подачи команды «Пуск» обеспечивает автоматическое тестирование состояния элементов всего комплекса с последующим автоматическим включением в сеть в необходимой последовательности без участия персонала или останов агрегата после подачи команды «Останов».
Предусмотрено также ручное включение в сеть и ручное регулирование уставок, аварийное отключение и АПВ [1, 6]. При запуске АС ЭМПЧ-200 в работу достаточно для спокойного включения обеспечить скольжение в предусмотренном диапазоне и уставки, обеспечивающие режим по ЛЭП до размыкания шунтирующих выключателей. Вообще к управлению АС ЭМПЧ-200 на межсистемной связи нужно подходить с той позиции, что структура регулирования должна осуществить требуемое управление работой агрегата в установившихся и неустановившихся режимах и обеспечить выполнение следующих основных функций в электрических системах.
1. Поддержание значений напряжений (реактивных мощностей) в соответствии с уставками в нормальных режимах. Так, например, каждая из машин АС ЭМПЧ способна в пределах, ограниченных номинальными токами, генерировать требуемое значение реактивной мощности или обеспечить без потери устойчивости ее потребление.
2. Управление в нормальных и аварийных режимах величиной и направлением перетока активной мощности в соответствии с уставкой при синхронной и несинхронной работе частей энергосистем, что, в свою очередь, способствует повышению пропускной способности межсистемных связей.
2.1. Регулирование перетока с помощью АС ЭМПЧ-200 по заранее согласованному между объединяемыми энергосистемами графику с учетом суточных и сезонных изменений нагрузок.
2.2. Оперативное регулирование межсистемного перетока вплоть до реверса с одновременным демпфированием нерегулярных колебаний. Если требуется быстро изменить направление передачи активной мощности через агрегат, то, изменяя согласованно уставки по активной мощности на первой и второй машинах, можно практически при постоянной частоте вращения изменять переток активной мощности, преодолевая лишь электромагнитную инерционность контуров обмоток машины. При соответствующих «потолках» напряжения возбуждения реверс мощности будет проходить достаточно быстро. Так, для АС ЭМПЧ, состоящего из двух АСМ-200, время полного реверса, от +200 МВт до -200 МВт, как показывают расчеты, составляет 0,24 с (в принципе, оно ограничивается только величиной T'(f ).
2.3. Использование АС ЭМПЧ-200 как оперативный источник для поддержания частоты, а также для подавления электромеханических колебаний после больших возмущений в одной из энергосистем или в консольном энергорайоне.
3. Работу на выделенный (консольный) энергорайон потребителей с обеспечением требуемого уровня частоты и напряжения.
4. Демпфирование колебаний в аварийных режимах работы электрических систем, существенное уменьшение возмущений, передаваемых из одной части электрических систем в другую. В переходных режимах благодаря возможности АС ЭМПЧ изменять в заданных пределах частоту вращения, то есть кинетическую энергию агрегата, возможно интенсивное демпфирование колебаний и в течение определенного времени возмущение, возникшее в одной части энергосистемы, не будет передаваться в другую. Так, при к.з. или АПВ в одной из энергосистем агрегат будет разгоняться или тормозиться, однако величина активной мощности АСМ, подключенной к другой энергосистеме, будет оставаться при соответствующем управлении неизменной.
5. Перевод в случае необходимости обеих машин агрегата в режим работы синхронного компенсатора. Стоимость сооружения преобразовательной подстанции с АС ЭМПЧ-200 обусловливается составом оборудования и, по сути, ничем не отличается от обычно сооружаемых подстанций с синхронными компенсаторами. Площадка для сооружения устройства должна обеспечивать удобства подвоза оборудования, компактность монтажа и связи с существующим силовым оборудованием на подстанции Могоча. Для упрощения всей системы подстанции необходим вариант без выделения АС ЭМПЧ-200 в отдельную подстанцию.
Для присоединения к энергосистемам агрегата, машины которого рассчитаны на полную мощность
= 200/0,95 = 210,5 МВ•А (по данным ОАО «Электросила», С-Петербург и [4]), требуются два трансформатора на напряжение 220/15,75 кВ. Технико-экономическое сравнение АС ЭМПЧ со статическими преобразователями проведено для передаваемой мощности 200 МВт. Сравниваемые параметры приведены в таблице. Вставка постоянного тока (ВПТ) — классический вариант. В таблице указана передаваемая через ВПТ мощность 355 МВт, что соответствует одному блоку Выборгской подстанции. В [7] указана удельная стоимость ВПТ (с учетом подстанционного оборудования), которая приведена в таблице. КПД подстанции ВПТ (с учетом синхронных компенсаторов, силовых трансформаторов и фильтров ) на уровне 0,96.
ВПТ на запираемых (двухоперационных) ключах с ШИМ и параллельно включенными обратными диодами [6, 8, 9, 12]. Известно, что внутренние потери запираемых ключей в 1,5-2 раза больше, чем у обычных тиристоров, поэтому КПД такого ВПТ со специальными силовыми трансформаторами с учетом фильтров высокой частоты коммутаций составляет 0,95. Вопрос стоимости четко не определен. Однако в [10, 12] указывается удельная стоимость ВПТ на основе STATCOM 165 долл./кВт и выше.
Для ВПТ по типу Directlink с двухуровневым формированием кривой выходного напряжения удельная стоимость выше и составляет 190 долл./кВт. В таблице приведены данные как для варианта STATCOM, так и для варианта на основе Directlink. 
По данным ОАО «Электросила», у АС ЭМПЧ-200 из двух АСМ
= 98,3 % (по [4] — 98,42 %) удельная стоимость установленной мощности cоставляет 40 долл./кВт. Тогда стоимость собственно агрегата преобразователя составит 16 млн долл. В соответствии с [7] базовая стоимость подстанции переменного тока 220 кВ с двумя трансформаторами составляет 4 млн долл., а удельная стоимость преобразователя с подстанцией составит
=(16+4)•10 6 /400•10 3 = 50 долл./кВт. С учетом трансформаторов общий КПД составит
= 0,983 2 •0,997 2 = 0,96.
Наряду с приведенными выше вариантами нужно рассмотреть и вариант преобразователя с использованием эксплуатируемых в энергосистемах синхронных компенсаторов типа КСВБМ с водородным охлаждением наружной установки [13]. Следует отметить, что в АС ЭМПЧ типа АСМ+СМ в качестве синхронной машины может использоваться без каких-либо переделок синхронный компенсатор КСВБМ 160-15У1 во всех режимах при соблюдении условия для тока статора
. Например, при 
= 1 мощность P = ±160 МВт; при = 0,95 (как в проекте ОАО «Электросила») P = 152 МВт, Q = ±50 МВ•А, а ЭДС Е=2,5<Еном =3 отн.ед.
По данным разработчика ОАО «Уралэлектротяжмаш», синхронный компенсатор КСВБМ 160-15У1 стоит 3,64•10 6 долл. Если ротор в тех же габаритах выполнен с неявнополюсной шихтовкой (конструкция СК это позволяет), то стоимость возрастет в 1,5 раза и составит 5,46•10 6 долл. и тогда полная стоимость преобразователя типа АСМ +СМ (то есть из серийного и переоборудованного синхронных компенсаторов) составит 9•10 6 долл. (см. табл.).
Здесь следует отметить, что ГОСТ 13109-97 на качество электрической энергии (Постановление Госкомитета по стандартизации и сертификации РФ, 1998 г.) допускает следующие отклонения частоты: нормальные ±0,2 Гц в течение 95% времени, предельные ±0,4 Гц в течение 5% времени суток. Учитывая, что далее будет срабатывать АЧР, можно утверждать, что заложенное в АСМ потолочное значение напряжения возбуждения на скольжение с частотой ±2 Гц обеспечит надежную работу АС ЭМПЧ и при других больших системных возмущениях. При номинальном токе статора потери [13] в СК составляют 1800 кВт и тогда КПД равен
= 0,988. Взяв КПД переоборудованного из СК АСМ таким же, как в проекте ОАО «Электросила», с учетом трансформаторов получим:
= 0,988•0,983•0,997 2 = 0,966.
В таблице приведены данные для двух агрегатов типа АСМ+СМ в параллель, что позволяет перекрыть ожидаемое увеличение пропускной способности транзита при установке преобразователя на подстанции Могоча. При этом удельная стоимость меньше, а КПД больше, чем у всех других вариантов. Следует также подчеркнуть очевидное преимущество — компенсаторы КСВБМ предназначены для наружной установки при температурах окружающего воздуха от -45 до +45 o С (то есть вся технология уже отработана), поэтому нет необходимости в сооружении машинного зала для агрегатов АС ЭМПЧ, а нужен лишь корпус для вспомогательных устройств площадью, как требуют строительные нормы, два шестиметровых пролета в ширину на шесть шестиметровых пролетов в длину, то есть 432 м 2 . Тепловые расчеты компенсаторов выполняются как для водородного охлаждения, так и для воздушного охлаждения. Поэтому упомянутый двухагрегатный АС ЭМПЧ может длительно работать на воздушном охлаждении при нагрузке в 70 % от номинальной, обеспечивая требуемый переток 200 МВт.
Кроме того, институтом Энергосетьпроект разработан [13] оригинальный типовой проект установки СК мощностью 160 МВ•А с реверсивным бесщеточным возбуждением, который позволяет существенно уменьшить объем строительных работ, ускоренно осуществить монтаж и ввод СК в работу и значительно сократить стоимость их установки.
ВЫВОДЫ
- Несинхронное параллельное объединение ОЭС Сибири и Дальнего Востока по южному двухцепному транзиту 220 кВ с помощью асинхронизированного электромеханического преобразователя частоты (АС ЭМПЧ) по сравнению с известными ВПТ на основе STATKOM и DIRECTLINK по технико-экономическим показателям является предпочтительным.
- Многолетние теоретические и экспериментальные исследования и выполненные проекты показали возможности АС ЭМПЧ по регулированию активной и реактивной мощностей, напряжений машин и частоты вращения ротора агрегата. Установкой преобразователя на подстанции Могоча транзит Холбон — Сковородино практически делится пополам, поэтому пропускная способность этого транзита возрастет в 1,5-2 раза, что позволит отодвинуть сроки строительства ЛЭП-500 кВ и сроки расширения Харанорской ГРЭС.
- Предварительное технико-экономическое сравнение преобразователей показало, что сооружение подстанции с ВПТ на запираемых ключах с ШИМ на передаваемую мощность 200 МВт на основе проекта Directlink стоит 76 млн долл., а на основе проекта STATKOM — 66 млн долл. В то же время АС ЭМПЧ-200 типа АСМ+АСМ по данным ОАО «Электросила» и НИИ «Электротяжмаш» (г. Харьков) стоит 20 млн долл.
- У АС ЭМПЧ типа АСМ+СМ на основе серийно выпускаемых ОАО «Уралэлектротяжмаш» и эксплуатируемых в энергосистемах синхронных компенсаторов с водородным и воздушным охлаждением для наружной установки КСВБМ 160 МВ•А удельная стоимость установленной мощности АС ЭМПЧ с полным подстанционным оборудованием составляет 40 долл./кВт и при этом КПД не ниже других типов преобразователей. Учитывая малый объем строительно-монтажных работ, низкую удельную стоимость и высокий КПД, именно такую подстанцию с АС ЭМПЧ полностью на отечественном оборудовании можно рекомендовать для несинхронного объединения ОЭС Сибири и Дальнего Востока. Автор: Цгоев Р.С., докт. техн. наук, ОАО ВНИИ Электроэнергетики
