Энергетические характеристики преобразователей

Благодаря тому что преобразователь является быстродействующим переключателем, каждая фаза вентильной обмотки трансформатора поочередно включается в цепь постоянного тока. При этом направление тока в обмотке меняется дважды за период частоты сети (рис. 11.8). В результате в каждой фазе протекает переменный ток, форма которого близка к трапеции, но в первом приближении может быть принята прямоугольной. Этот ток может быть представлен как сумма токов синусоидальной формы различных частот. Среди них есть ток 1-й гармоники, частота которого равна частоте сети, и токи высших гармоник. В токе преобразователя содержатся токи 5, 7, 11, 13-й и более высоких гармоник, частоты которых в соответствующее количество раз превышают частоту сети.

Энергия из сети переменного тока в сеть постоянного тока передается только током 1-й гармоники. Токи высших гармоник создают так называемую мощность искажения, которая приводит к дополнительному нагреву трансформатора преобразователя и другим нежелательным последствиям.

Если выделить из тока фазы трансформатора ток 1-й гармоники, то он будет сдвинут в сторону отставания на некоторый угол, близкий к углу управления вентилями, по отношению к напряжению сети (рис. 11.8). Это говорит о том, что выпрямитель потребляет из сети не только активную мощность, которая вся, за исключением незначительных потерь в трансформаторе и преобразователе, передается в сеть постоянного тока, но и реактивную мощность. Инвертор же генерирует в сеть активную и потребляет из сети реактивную мощность. Потребляемая преобразователями реактивная мощность достаточно велика и обычно составляет 50—60 % активной.

Это, в свою очередь, означает, что преобразовательные подстанции, мощность которых может измеряться многими сотнями и тысячами мегаватт, нуждаются в компенсирующих устройствах, способных генерировать эту реактивную мощность. Ни передающая, ни приемная системы ППТ или ВПТ не в состоянии обеспечить покрытие такой мощности, так как это может привести к нарушению баланса реактивной мощности систем с соответствующими тяжелыми последствиями. Поэтому компенсирующие устройства должны устанавливаться непосредственно на самих преобразовательных подстанциях, что приводит к увеличению их стоимости. В качестве компенсирующих устройств используются фильтры токов высших гармоник (40—60 % потребной реактивной мощности), синхронные компенсаторы, батареи статических конденсаторов и другие источники реактивной мощности.

Сказанное выше относится ко всем существующим и многим строящимся ППТ и ВПТ, где используются преобразователи рода тока, основанные на использовании тиристоров, у которых контролируется только момент их открытия, но не закрытия.

Если в качестве преобразователей применять преобразователи напря­жения, то проблема компенсации реактивной мощности снимается. Такой преобразователь, работая выпрямителем или инвертором, может одновре­менно обеспечивать баланс реактивной мощности в узле сети, где он включен, стабилизируя напряжение этого узла. Что же касается токов высших гармоник, то применение широтно-импульсной модуляции позво­ляет получить форму тока сети, близкую к синусоиде. Имеющиеся незна­чительные токи высших гармоник могут быть компенсированы филь­трами, мощность которых много меньше, чем при использовании преобразователей с обычными тиристорами.

Некомпенсированные токи высших гармоник, проникая от преобразова­тельной подстанции в прилегающую сеть переменного тока, могут вызвать ряд весьма нежелательных последствий. К их числу относятся:

увеличение потерь мощности и энергии в элементах сети переменного тока, главным образом в электрических машинах;

значительные помехи линиям связи, сигнализации и автоблокировки;

перегрев конденсаторных батарей, что может привести к выходу их из работы;

резонансные явления в электрической сети с возможностью пробоя изоляции;

отрицательные воздействия на вычислительные комплексы.

Отсюда следует, что токи высших гармоник, которые генерируются преобразователями, выпускать в сеть нельзя, их нужно компенсировать на самой преобразовательной подстанции. В настоящее время разработаны достаточно эффективные пути решения этой проблемы.

Сейчас широко используются два метода. Первый из них состоит в том, что два каскадно включенных преобразователя подключаются к трансформаторам с различными группами соединения обмоток, например Y/Y-12 и Y/Δ-11, что обеспечивает сдвиг по фазе между напряжениями вентильных обмоток на 30 эл. град. В результате компенсируются токи 5-й и 7-й гармоник, имеющие наибольшие величины, и некоторые другие. Временные диаграммы токов сетевых обмоток трансформаторов с различными группами соединений, а также их суммарный сетевой ток приведены на рис. 11.9. Как можно видеть, этот ток несколько ближе к синусоиде, чем его составляющие, однако в нем также содержатся высшие гармоники. Отсюда необходимость в использовании другого пути их компенсации.

Второй путь заключается в применении фильтров высших гармоник. Простейший фильтр представляет собой последовательное соединение индуктивности и емкости, настроенных в резонанс на частоту заданной гармоники. В этом случае сопротивление фильтра для этой гармоники близко к нулю, ее ток отфильтровывается на землю и не выходит в сеть. При этом для 1-й гармоники этот фильтр является генератором реактивной мощности и участвует в обеспечении ее баланса на подстанции.

Обычно на преобразовательных подстанциях оба эти пути используются одновременно. Существующие методы расчета фильтров и учета частотных характеристик сети позволяют практически полностью компенсировать токи высших гармоник. Естественно, необходимость применения фильтров высших гармоник также приводит к увеличению стоимости преобразовательной подстанции.

Электропередача постоянного тока так же, как передача переменного тока, имеет коэффициент полезного действия, который определяется потерями мощности и энергии в элементах этой передачи. В данном случае эти потери складываются из потерь мощности и энергии в оборудовании преобразовательных подстанций и в линии постоянного тока. Относительные потери мощности в основном оборудовании подстанций и расход мощности на собственные нужды в процентах от номинальной мощности подстанции приводятся ниже:

Как можно видеть, преобразовательная подстанция с точки зрения потерь мощности является достаточно экономичным элементом.

Основные потери в этих электропередачах — это потери в линии:

(11.6)

где I_d — ток в полюсе линии; l — длина линии; r₀ — удельное сопротивление полюса на 1 км длины.

Удельное сопротивление полюса линии определяется его конструкцией, которая выбирается на основании детальных технико-экономических сопоставлений. Важную роль играет длина линии. При относительно короткой линии (800—900 км) потери в ней могут составлять 4—5 %; при достаточно длинной (2—2,5 тыс. км) — 8—10 % передаваемой мощности.

На основании изложенного можно сделать следующий вывод. электропередача и вставка постоянного тока обладают свойствами, отсутствующими у обычных линий переменного тока, а именно:

· у этих электропередач отсутствует предел по передаваемой мощности, определяемый устойчивостью совместной работы связываемых электроэнергетических систем;

· электропередачи и вставки постоянного тока являются гибкими, управляемыми элементами электроэнергетической системы, что позволяет повысить надежность и устойчивость совместной работы систем переменного тока;

· преобразовательные подстанции потребляют значительную реактивную мощность и могут генерировать в сеть переменного тока токи высших гармоник; компенсация этих отрицательных качеств требует дополнительных капиталовложений и повышает стоимость преобразовательных подстанций.