Победитель ежегодного общероссийского
Конкурса рукописей учебной, научно-технической
и справочной литературы
по электроэнергетике
2011	года
Книга издана при поддержке
Открытого акционерного общества
"Федеральная Сетевая Компания
Единой Энергетической Системы"
А.П.Бурман
Ю.К.Розанов
Ю.Г.Шакарян
Управление
потоками электроэнергии
и повышение эффективности
электроэнергетических систем
Учебное пособие для вузов
Допущено УМО вузов России по образованию в области
энергетики и электротехники в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по направлениям подготовки "Электроэнергетика",
"Электротехника, электромеханика и электротехнологии"
Москва
SJ/// Издательский дом МЭИ
2012

УДК 621.311 (075.8)
ББК 31.2я73
Б 915
Рецензенты:
доктор техн. наук Ю.И. Моржин (ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»),
канд. техн. наук В.А. Старшинов (НИУ МЭИ),
доктор техн. наук В.Я. Беспалов (НИУ МЭИ)
Бурман А.П.
Б 915 Управление потоками электроэнергии и повышение эффек¬
тивности электроэнергетических систем: учебное пособие /
А.П. Бурман, Ю.К. Розанов, Ю.Г. Шакарян. — М.: Издательский
дом МЭИ, 2012. — 336 с.: ил.
ISBN 978-5-383-00738-9
Рассматриваются различные технологии управления потоками электроэнер¬
гии и вопросы повышения эффективности работы энергосистем, связанные с его
основным оборудованием. Дан анализ современного состояния электрических
систем и их оборудования. Показана необходимость и возможность комплекс¬
ного решения проблемы по преобразованию электроэнергетики в рамках интел¬
лектуальных линий электропередач (Smart grids) с использованием современного
развития техники и в первую очередь приборов силовой электроники. Приведены
конкретные примеры по реализации на практике отдельных направлений разви¬
тия электроэнергетики.
Предназначено в качестве учебного пособия для студентов электроэнергети¬
ческих специальностей вузов, а также будет полезна для широкого круга работ¬
ников электроэнергетики и электротехнической промышленности.
УДК 621.311 (075.8)
ББК 31.2я73
© Бурман А.П., Розанов Ю.К.,
Шакарян Ю.Г., 2012
ISBN 978-5-383-00738-9	©	ЗАО	«Издательский	дом МЭИ», 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ		9
ВВЕДЕНИЕ	 	 П
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ		14
1.1.	Основные требования к электроэнергетическим системам 		14
1.1.1.	Современные тенденции развития электроэнергетики		14
1.1.2.	Обеспечение качества электроэнергии 		17
1.1.3.	Устойчивость электроэнергетических систем		20
1.1.4.	Надежность электроэнергетических систем		23
1.2.	Управление потоками электроэнергии 		25
1.2.1.	Передача электроэнергии переменным током		25
1.2.2.	Компенсация реактивной мощности 		27
1.2.3.	Линии электропередачи и вставки постоянного тока		32
1.3.	Управление качеством электроэнергии		35
1.3.1.	Отклонения и колебания напряжения 		35
1.3.2.	Несинусоидальность токов и напряжений		38
1.3.3.	Потери мощности на повышенной частоте		41
1.3.4.	Фильтрация высших гармоник тока и напряжения		50
1.3.5.	Несимметрия токов		61
1.3.6.	Источники бесперебойного питания 		65
Контрольные вопросы к главе 1 		71
Список литературы к введению и главе 1		72
Глава 2. СОВРЕМЕННАЯ СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
В УПРАВЛЕНИИ ПОТОКАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ		73
2.1.	Многофункциональный преобразователь управления потоками
электроэнергии		73
2.2.	Импульсная модуляция в преобразователях
переменного/постоянного тока		74
2.3.	Традиционные методы ШИМ в автономных	инверторах 		79
2.4.	Преобразование координат в пространстве переменных параметров
трехфазных электрических систем		96
2.5.	Модуляция пространственного вектора	 104
2.6.	Режимы работы преобразователей переменного/постоянного тока .	111
2.6.1.	Инвертирование	 Ш
2.6.2.	Выпрямление	 И7
2.7.	Типовые схемы активных фильтров	 120

6
Оглавление
2.8.	Типовые структуры систем управления в преобразователях
переменного/постоянного тока 	 126
Контрольные вопросы к главе 2 	 137
Список литературы к главе 2	 137
Глава 3. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОСНОВНОГО
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В СИСТЕМАХ
ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ	 138
3.1.	Развитие основного электрооборудования энергосистем
(с перспективой на 25 лет)	 138
3.2.	Оборудование системообразующих и распределительных сетей .. 140
3.2.1.	Основные задачи при создании новых комплексов
оборудования переменного тока	 140
3.2.2.	Требования к основному оборудованию подстанций	 141
3.3.	Кабели и провода линий электропередач	 142
3.3.1.	Технический уровень развития кабелей и проводов
в мире и России 	 142
3.3.2.	Новые решения в создании проводов ЛЭП	 145
3.4.	Трансформаторное оборудование (силовые и измерительные
трансформаторы) 	 146
3.4.1.	Достигнутый технический уровень трансформаторов в мире 147
3.4.2.	Пути решения проблем трансформаторостроения в России . 148
3.4.3.	Регулирование напряжения трансформаторами 	 150
3.4.4.	Классификация устройств РПН 	 159
3.4.5.	Способы регулирования напряжения трансформаторами ...	162
3.4.6.	Кабельные трансформаторы в энергосистеме	 168
3.4.7.	Разработка трансформаторов с использованием
высокотемпературной сверхпроводимости 	 168
3.4.8.	Разработка и освоение трансформаторов на напряжение
1150 кВ 	 171
3.5.	Перспективы применения в энергосистемах России
асинхронизированных турбогенераторов	 172
3.6.	Обобщенные сведение о создании оборудования
для электроэнергетики с применением явления свехпроводимости 182
3.6.1.	Общие реальные условия, создавшиеся
к настоящему времени по разработке нового оборудования	 182
3.6.2.	Линии электропередачи и кабели	 183
3.6.3.	Ограничители токов короткого замыкания 	 185
3.6.4.	Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии .... 186
3.6.5.	Сверхпроводниковые силовые трансформаторы		188
3.6.6.	Сверхпроводниковые вращающиеся машины	 192
Оглавление
7
3.6.7.	Современное состояние с освоением СП-техники
в электроэнергетике России	 194
Контрольные вопросы к главе 3 	 195
Список литературы к главе 3	 195
Глава 4. АППАРАТЫ КОММУТАЦИИ И ЗАЩИТЫ	196
4.1.	Коммутационная аппаратура и комплектные распределительные
устройства
4.1.1.	Требования к коммутационному оборудованию		196
4.1.2.	Способы совершенствования коммутационного
оборудования 	 1^7
4.1.3.	Современный мировой уровень разработок выключателей ..	199
4.1.4.	Перспективы развития коммутационных аппаратов в мире .. 199
4.1.5.	Комплектные распределительные устройства	 201
4.1.6.	Коммутационный аппарат нового типа — выключатель
с функцией разъединителя	 209
4.2.	Современные защитные аппараты от грозовых перенапряжений ..	211
4.3.	Реакторы в системах электроснабжения	 213
4.4.	Ограничители токов короткого замыкания	 226
Контрольные вопросы к главе 4 	 247
Список литературы к главе 4	 247
Глава 5. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ	249
5.1.	Современное состояние возобновляемых источников энергии 	 249
5.2.	Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую	 252
5.2.1.	Общие сведения	 252
5.2.2.	Принцип действия и основные виды ФЭП 	 253
5.2.3.	Объединение систем ФЭП с электрической сетью	 256
5.2.4.	Применение и развитие технологий ФЭП	 262
5.3.	Ветроэнергетика 			 263
5.3.1.	Общие сведения			 263
5.3.2.	Принцип действия ВЭУ 	 265
5.3.3.	Взаимодействие ВЭУ с сетью	 268
5.3.4.	Примеры разработок и применения ВЭУ 	 272
5.4.	Топливные элементы 	 275
5.4.1.	Общие положения	 275
5.4.2.	Принцип действия топливных элементов 	 276
5.4.3.	Классификация топливных элементов	 278
5.4.4.	Взаимодействие систем ТЭ с сетью		 280
5.4.5.	Применение ТЭ в мире	 283
Контрольные вопросы к главе 5 	 284
Список литературы к главе 5	 284

8
Оглавление
Глава 6. НАКОПИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 	 285
6.1.	Основные виды накопителей электрической энергии	 285
6.2.	Аккумуляторные батареи	 288
6.2.1.	Основные виды аккумуляторных батарей	 288
6.2.2.	Применение аккумуляторных батарей	 293
6.3.	Суперконденсаторы 	 296
6.3.1.	Принцип действия	 296
6.3.2.	Примеры применения суперконденсаторов	 297
6.4.	Сверхпроводящий индуктивный накопитель (СПИН)	 299
6.4.1.	Принцип действия	 299
6.4.2.	Применение СПИН	 302
6.5.	Маховики			 303
6.5.1.	Принцип действия	 303
6.5.2.	Применение маховиковых накопителей	 306
6.6.	Гидро- и воздушно-аккумулирующие накопители	 308
Контрольные вопросы к главе 6 	 309
Список литературы к главе 6	 309
Глава 7. СОСТОЯНИЕ ЗАРУБЕЖНЫХ РАЗРАБОТОК
С ПРИМЕНЕНИЕМ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИХ ВНЕДРЕНИЕ . 310
7.1.	Общие требования 	 310
7.2.	Электрооборудование электростанций	 310
7.2.1.	Вводы в крупные города и связь с ветрокомплексами 	 313
7.2.2.	Распределительные сети	 314
7.2.3.	Кабельные линии	 314
7.2.4.	Системы управления электрическими сетями	 316
7.3.	Обеспечение живучести энергосистемы	 317
7.4.	Повышение экономичности и эффективности электроснабжения .. 331
Контрольные вопросы к главе 7 	 334
Список литературы к главе 7	 334
ПРЕДИСЛОВИЕ
В конце XX века появилась возможность практического создания
полупроводниковых приборов большой мощности, отличающихся от
предшествующих полной управляемостью и быстродействием.
Книга посвящена состоянию и перспективам развития современной
электроэнергетики. На всех этапах использования электроэнергии
необходимо управление потоками электроэнергии. Применение уст¬
ройств на основе современных приборов силовой электроники поз¬
волило существенно повысить технико-экономические характерис¬
тики устройств выработки, передачи и распределения электроэнер¬
гии. При этом стало возможно не только придать новые функцио¬
нальные свойства устройствам, применяемым в электроэнергетике,
но и сократить потери электроэнергии, повысить ее качество и
успешно решать экологические проблемы.
В настоящее время значительно повысился интерес к промышлен¬
ному внедрению технологий управляемых (гибких) линий электропе¬
редачи (FACTS) и комплексному решению проблемы преобразования
электроэнергетики в рамках «умных» линий электропередачи (Smart
grids). В материалах этого учебного пособия также нашли отражение
и этй вопросы.
Учебное пособие состоит из семи глав, посвященных основным
задачам совершенствования систем электроснабжения, современной
силовой электронике и управлению потоками мощности, перспекти¬
вам развития основного электрооборудования в системах электро¬
снабжения, аппаратам коммутации и защиты, возобновляемым
источникам энергии, накопителям и состоянию зарубежных разрабо¬
ток с применением новых технологий и их внедрению. Учебное
пособие предназначено для различных электроэнергетических и
электротехнических специальностей. В этой связи глубина изучения
разделов книги предполагается различной в зависимости от направ¬
ленности обучения и специализации студента.
Некоторые главы могут быть использованы аспирантами и инже¬
нерами для повышения квалификации.
Аннотация, предисловие, введение и главы 3 и 4 написаны проф.
А.П. Бурманом; глава 1 (кроме § 1.1), главы 2 и 5 — проф. Ю.К. Роза¬
новым; § 1.1, главы 6 и 7 — проф. Ю.Г. Шакаряном.
В книге также использованы материалы канд. техн. наук Б.А. Алек¬
сеева, за которые авторы искренне ему благодарны. Авторы также
благодарят сотрудников кафедры «Электрические и электронные

10
Предисловие
аппараты» М.Г. Липатова и М.Г. Киселева за оформление рисунков
рукописи.
Большую признательность авторы выражают докт. техн. наук
В.Ф. Ситникову и докт. техн. наук Ю.А. Коваленко за полезные заме¬
чания по отдельным разделам рукописи. Авторы с благодарностью
примут все замечания и пожелания по адресу:
111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Издательский дом
МЭИ.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время, в том числе и в России наблюдается все воз¬
растающий интерес к быстроразвивающемуся во всем мире научно¬
технологическому инновационному направлению по преобразова¬
нию электроэнергетики на базе новой концепции, получившей и
ставшей уже практически общепринятой за рубежом название Smart
Grid, чаще всего читаемое в различных переводах как умная (интел¬
лектуальна) энергосистема (сеть) [1.1].
Следует считать, что однозначное понятие термина Smart Grid
пока еще не принято. В различных публикациях это понятие тракту¬
ется по-разному, отражая в первую очередь взгляды и позиции основ¬
ных участвующих и заинтересованных в развитии этого направления
сторон в соответствии с их интересами. Так, например, государствен¬
ные структуры в большинстве стран рассматривают Smart Grid как
идеологию национальных программ развития электроэнергетики, а
производители оборудования, как базу их устойчивого движения впе¬
ред, основанного на инновациях и т.д.
При это реализация новых технических решений, заменяющих
применяемые в настоящее время технологии, может вызвать сущест-
венйые проблемы, обусловленные совместимостью нового и эксплу¬
атируемого оборудования, технологий, и затратами на обслуживание,
а так же и многое другое, что сейчас трудно и предусмотреть.
Однако главное, что необходимо подчеркнуть — Smart Grid озна¬
чает инновационное преобразование электроэнергетики в целом, а не
отдельных ее функциональных и технологических сегментов.
Новая концепция связана с тем, что прогнозируемое развитие
электроэнергетики в мире характеризуется появлением целого ряда
причин, вызывающих необходимость кардинальных ее преобразова¬
ний. Перечислим некоторые из них:
быстрое развитие технического процесса, и в первую очередь
приборов силовой электроники;
возрастающий рост требований потребителей;
наметившееся снижение надежности, в том числе увеличиваю¬
щийся рост износа оборудования;
произошедшие изменения условий работы электроэнергетиче¬
ского рынка;
необходимость повышения требований энергоэффективности,
энергосбережения и безопасности, в том числе экологической.

12
Введение
При реализации требований программ Smart Grid, они могут быть
осуществлены путем развития как традиционных, так и созданием
новых функциональных свойств и новых характеристик энергосис¬
темы в целом или отдельных ее элементов.
В дальнейшем предполагается в первую очередь развитие следую¬
щих характеристик энергосистемы и ее элементов:
самовосстановление при аварийных возмущениях;
создание условий к активному поведению конечного потребителя,
в том числе расширение рынков мощности; открытый доступ на
рынки электроэнергии активного потребителя и распределенной
генерации;
повышение энергобезопастности электрических систем; наличие
специальных методов обеспечения устойчивости и их живучести;
обеспечение надежности и качества электроэнергии;
активизация в создании и развитии самых различных типов элект¬
ростанций, в первую очередь на возобновляемых источниках энер¬
гии, и систем аккумулирования электроэнергии (распределенная
генерация).
Для создания инновационного технологического базиса электро¬
энергетики можно выделить ряд основных технологических облас¬
тей, обеспечивающих выполнение поставленных задач:
новые технологии и компоненты электрической сети, в первую
очередь гибкие электропередачи переменного тока (FACTS), посто¬
янный ток, оборудование на основе эффекта сверхпроводимости,
полупроводниковая силовая электроника, накопители электрической
энергии и др.;
измерительные приборы и устройства, в том числе, различные
датчики состояния режимов энергосистем и оборудования;
усовершенствованные методы управления, включающие в себя
интеллектуальные системы управления и аналитические инстру¬
менты для поддержки на рабочем уровне различных объектов энер¬
госистемы, работающие в режиме реального времени, позволяющие
реализовать новые алгоритмы и методики управления энергосисте¬
мой, в том числе управления ее активными элементами;
интегрированные коммуникации, позволяющие обеспечивать вза¬
имосвязь и взаимодействие друг с другом всех элементов технологи¬
ческой системы Smart Grid.
В России Smart Grid («умная сеть») часто называют активно-адап¬
тивной сетью — это совокупность подключенных к генерирующим
источникам и потребителям линий электропередачи, устройств по
преобразованию электроэнергии, коммутационных аппаратов, уст¬
Введение
13
ройств защиты и автоматики, современных информационно-техноло-
гических и управляющих систем, источников генерации, в том числе
использующих возобновляемую энергию. Этот комплекс выдает
информацию о текущем состоянии оборудования, организует адап¬
тивную реакцию системы в реальном режиме времени на различные
возмущения, обеспечивая тем самым надежное энергоснабжение
потребителей, энергоэффективность и устойчивость функционирова¬
ния электроэнергетических систем в целом.
В книге рассматриваются основные технические средства Smart
Grid (активно-адаптивных сетей) играющие решающую роль в реа¬
лизации этой технологии на практике.

Глава 1
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
1.1. Основные требования
к электроэнергетическим системам
1.1.1.	Современные тенденции развития
электроэнергетики
К стратегическим целям развития российской электроэнергетики
следует отнести решение проблемы энергетической безопасности
как важнейшей составляющей национальной безопасности России.
Развитие электроэнергетики должно идти в направлении создания
интеллектуальной электроэнергетической системы (ЭЭС), придаю¬
щей ей ряд принципиально новых свойств и обеспечивающей надеж¬
ное и качественное электроснабжение потребителей, устойчивую и
надежную работу всех компонентов электроэнергетической системы,
энергосбережение.
При этом основной целью является сохранение целостности Еди¬
ной энергосистемы (ЕЭС) на всей территории России, ее развитие,
широкое вовлечение в процессы производства электроэнергии децен¬
трализованных и возобновленных источников электроэнергии, широ¬
кое применение в ЕЭС России новых технологий и соответствующих
средств, таких как гибкие электропередачи переменного тока
(FACTS), накопители электрической системы, устройства на базе
использование явления сверхпроводимости и др.
Важное место в развитии и совершенствовании электроэнергети¬
ческой системы отводится электрическим сетям. Ключевыми пробле¬
мами становятся проблемы повышения пропускных способностей
межсистемных связей, устранение технологических ограничений
при передаче электроэнергии между различными регионами, снятие
проблемы «запертых» мощностей.
Увеличение пропускной способности сечений электрической сети
должно осуществляться на основе оптимизации распределения пото¬
ков мощности по существующим линиям электропередачи. Для пере¬
дачи больших потоков мощности должен быть выбран оптимальный
1.1. Основные требования к электроэнергетическим системам
15
вариант электропередачи: переменный или постоянный ток, либо их
сочетание.
Эти проблемы наиболее эффективно могут быть решены путем
применения управляемых электропередач переменного и постоян¬
ного тока, основанных на применении устройств современной сило¬
вой электроники.
Управление режимами работы электроэнергетической системы и
электрических сетей должно осуществляться на базе создания совре¬
менных систем обмена информацией о состоянии режимов и элект¬
рооборудования. Должна быть развита система управления режи¬
мами работы на базе современных вычислительных средств.
Новые технологии, такие как различного рода накопители элект¬
рической системы, сверхпроводящие технологии и оборудование
призваны существенно повысить энергоэффективность функциони¬
рования ЕЭС. Важное значение для повышения надежности электро¬
снабжения потребителей играет развитие и применение в электро¬
энергетической системе России различного рода электроустановок
малой мощности (распределенная энергетика), устройств ограниче¬
ния токов короткого замыкания.
Все перечисленные выше технологии и устройства должны внед¬
ряться в электроэнергетические системы и в электрические сети на
фоне сложившейся ситуации, когда основное оборудование в боль¬
шой степени физически и морально устарело, требует коренной
модернизации и обновления.
Рассмотрим технологические условия, сложившиеся к настоя¬
щему времени в Единой энергетической системе России. Они в пер¬
вую очередь заключаются в том, что электрические сети высокого
напряжения, построенные в рамках Российской Федерации во время
существования Советского Союза, по своей технологии, используе¬
мым классам напряжения, режимным условиям, способам управле¬
ния и защиты и многим другим характеристикам и параметрам в зна¬
чительной степени отличаются от электрических сетей эксплуатиру¬
емых сейчас в странах Западной Европы и США [1.1]. Эти отличия
объясняются в основном историческими причинами, так как электро¬
энергетика стран Западной Европы развивалась со значительно мень¬
шей централизацией функций планирования и управления. Это
вызвало создание в странах большого количества практически обо¬
собленных энергосистем, которые имеют слабо связанные между
собой системы управления и очень разную структуру собственности.
Так в США централизованного управления энергосистемой на
государственном уровне не создано до настоящего времени. Евро¬

16 Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
пейский союз начинает делать определенные шаги в этом направле¬
нии, разрабатывая в разных странах единые стандарты управления
объединяющей энергосистемы европейского сообщества.
Отметим основные в настоящее время отличия энергосистем
Западной Европы от энергосистем России.
1)	относительно большие резервы генерируемой мощности.
Например в США он достигает 30 % пикового потребления;
2)	значительно большая пропускная способность линий электро¬
передач и межсистемных связей;
3)	сравнительно небольшое количество крупных электростанций;
4)	разветвленная сеть линий электропередачи среднего и высокого
напряжения со сравнительно небольшим расстоянием;
5)	более высокая степень надежности оборудования, что исклю¬
чает необходимость его дублирования.
Все выше сказанное разрешало энергосистемам ведущих запад¬
ных стран работать при номинальных нагрузках не только в нормаль¬
ных, но в большинстве случаев в послеаварийных режимах и при
этом в менее тяжелых условиях для всей энергосистемы. Поэтому
система работы релейной защиты была построена на традиционных
и простых принципах и позволяла успешно справляться с нарушени¬
ями режимов и с отключением аварийных участков энергосистемы.
Новые экономические и экологические условия в западных стра¬
нах и связанный с этим рост потребления электроэнергии потребовал
обеспечить более высокий и необходимый для этих условий уровень
надежности. Поэтому-то существующая в настоящее время в странах
Западной Европы и США система управления энергосистемами пот¬
ребовала ее значительной модернизации и преобразования, создание
так называемой «умной электроэнергетики».
Характерной особенностью российской энергетики являются:
протяженные линии электропередачи, недостаточная пропускная
способность межсистемных связей, большое количество одноцепных
линий электропередачи.
Вопросы повышения надежности электроснабжения вызваны в
первую очередь высокой степенью физического и морального износа
основного энергетического оборудования. По многим видам обору¬
дования эта степень значительно превысила 50—70 %. Наряду с этим
в бывшем СССР и соответственно в России разработана и успешно
функционирует система противоаварийного управления энергосисте¬
мами в режиме реального времени, которая может быть использована
при создании отечественной системы Smart Grid.
1.1. Основные требования к электроэнергетическим системам 17
Децентрализация некоторых функций управления электроэнерге¬
тикой вызвана в первую очередь все возрастающей долей малой
энергетики в общем объеме энергетической мощности страны.
В соответствии с энергетической стратегией России до 2030 г. выра¬
ботки малой и возобновляемой энергии в целом должна вырасти
в 4 раза.
Следует также иметь в виду, что в таких крупных городах, как
Москва, Санкт-Петербург и другие дальнейшее развитие энергети¬
ческих мощностей за счет строительства крупных электростанций
уже невозможно.
Во многих распределительных сетях, как правило, отсутствуют
резервы мощностей. Сети низкого напряжения и аппараты, обслужи¬
вающие их также перегружены. Все это требует приближения генера¬
ции к потребителю.
Низкая надежность изношенного оборудования на существующих
электростанциях, подстанциях и в электрических сетях заставляют
держать в резерве дополнительные мощности. Использование боль¬
шого количества маневренных источников распределенной и возоб¬
новляемой генерации позволило бы снизить вращающийся резерв
энергосистем, что повысит экономичность электроэнергетики.
Создание и применение новых парогазовых электростанций также
положительно скажется на экологии.
Все это позволяет утверждать, что особенности электроэнерге¬
тики России потребует более детального анализа всех положений
концепции Smart Grid, принятых за рубежом, с точки зрения возмож¬
ности и целесообразности их прямого применения в российской
электроэнергетике.
1.1.2.	Обеспечение качества электроэнергии
В настоящее время основные мощности электроэнергии выраба¬
тываются, передаются и потребляются на переменном токе. При этом
ток должен иметь синусоидальную форму основной гармоники с час¬
тотой, которая в большинстве стран равна 50 Гц и в некоторых,
например в США, 60 Гц. Для обеспечения совместимости источни¬
ков и потребителей электроэнергии ее характеристики должны соот¬
ветствовать принятым нормам, указанным в соответствующих стан¬
дартах. Отклонения показателей электроэнергии от установленных

18
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем..
норм определяют ее качество. Основными показателями, определяю¬
щими качество электроэнергии, являются:
отклонения значения и частоты напряжения от установленных
нормативами;
искажение (отклонения формы от синусоидального) тока и напря¬
жения;
несимметрия напряжения для трехфазных сетей;
колебания амплитуды основной гармоники напряжения;
значение и длительность отклонений напряжения в переходных
режимах;
значение и длительность отклонения тока нагрузки в динамиче¬
ских режимах.
Существует ряд требований к допустимым уровням электромаг¬
нитных излучений и др. Кроме того, следует учитывать, что допусти¬
мые нормы для видов потребителей могут значительно отличаться,
что определяет необходимость их разделения по группам с различ¬
ными требованиями к качеству электроэнергии.
Рассмотрим некоторые показатели качества более подробно.
К таким показателям в первую очередь следует отнести искажения
тока и напряжения. Известно, что синусоидальные колебания, назы¬
ваемые гармоническими, передают энергию с заданной, неизменной
частотой, т.е. для передачи энергии этот вид колебаний является иде¬
альным. При прохождении через линейные элементы частотный
спектр тока не изменяется. Однако прохождение тока в нелинейных
системах приводит к искажению синусоидального тока. Это приво¬
дит к изменению частотного спектра колебаний и соответственно к
снижению эффективности передачи энергии и возрастанию ее потерь
при дальнейшей передаче и использовании.
Импульсные скачки тока могут привести к сбоям систем автома¬
тики и помехам в информационных сетях. Они также являются
источниками радиопомех в окружающее пространство.
Длительные отключения напряжения приводят к нарушению
работы потребителей, а также росту потерь и выходу из строя отде¬
льных элементов в системах электроснабжения (СЭС) или потреби¬
телей в зависимости от знака отклонения.
Изменения частоты вызывает нарушение нормальной работы
электродвигателей, трансформаторов и других устройств вплоть до
выхода их из строя. Колебания напряжения с низкой частотой вызы¬
вают нарушение освещения.
Несимметрия токов нагрузки приводит к несимметрии напряже¬
ний и, как следствие, возникает несимметрия напряжений с повыше¬
1.1. Основные требования к электроэнергетическим системам
19
нием и понижением напряжений по фазам. Это приводит к росту
потерь мощности и нарушению работы электродвигателей. Причи¬
ной таких нарушений является возникновение напряжений и токов
обратной последовательности, а также рост тока нулевой последова¬
тельности в устройствах с нулевым приводом. При этом происходит
дополнительный нагрев частей электродвигателей и снижение
момента на валу, соединяющего их с нагрузкой. Все это приводит не
только к ненормальному функционированию электромеханических
систем, но и значительно сокращает срок их службы.
На ухудшение качества электроэнергии большое негативное влия¬
ние оказал ввод больших мощностей нелинейных нагрузок: электро¬
печей и электроприводов с преобразователями на традиционных
тиристорах. В частности, следует также отметить негативное влия¬
ние ряда нелинейных нагрузок на электрифицированном транспорте,
использующем тиристорные преобразователи. В результате резко
возросли искажения токов и напряжений в электрических сетях Рос¬
сии, где по соглашению до настоящего времени практически не дей¬
ствуют требования на ограничение этих искажений. Кроме того, при¬
менение тиристорных выпрямителей стало одной из причин ухудше¬
ния коэффициента мощности. Следует отметить, что в международ¬
ной практике давно действуют нормы IEEE (The Instite of Electrical
and Electronics Engineers), регулирующие эти вопросы в отношениях
между производителями и потребителями электроэнергии.
С другой стороны, развитие силовой электроники привело к
созданию и широкому практичному использованию мощных, быст¬
родействующих и полностью управляемых электронных ключей
типа IGBT, GTO, IGCT и др. В результате стала возможной импульс¬
ная модуляция преобразуемых токов и напряжений. Одновременно
начали развиваться многоуровневые схемы, позволяющие повысить
выходное напряжение преобразователей и повысить качество
импульсной модуляции токов и напряжения за счет сочетания ампли¬
тудной и частотной ее реализации. В этой связи стало возможным не
только создание новых, мало искажающих типов преобразователей,
но и средств обеспечения качества электроэнергии, потребляемой и
генерируемой существующими источниками.
Принцип действия новых электронных средств улучшения качества
электроэнергии основан на компенсации возникающих возмущений
посредством статических устройств их генерации. Базовой схемой
таких источников является преобразователь переменного/постоянного
тока с емкостным или индуктивным накопителем электрической энер¬
гии. Такая схема получила широкое применение в СЭС для компенса¬

20
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
ции реактивной мощности, благодаря своим свойствам генерировать и
потреблять реактивную энергию (емкостного или индуктивного)
характера. Такой регулятор реактивной мощности известен как стати¬
ческий компенсатор реактивной мощности (СТАТКОМ).
Эта схема может успешно использоваться для обеспечения каче¬
ства электроэнергии. Главное отличие заключается в алгоритмах сис¬
темы управления, реализуемых в программах современных микро¬
процессорных устройств и информационного интерфейса между сис¬
темой электроснабжения в местах подключений регулятора качества.
На этот интерфейс поступают данные о токах и напряжениях до
места включения регулятора качества электроэнергии и требуемых
значениях, соответствующих нормативам качества. Например, парал¬
лельно нелинейной нагрузке подключается преобразователь, форми¬
рующий ток, значение которого соответствует разности искаженного
и нормативного токов. В результате в узле соединения нагрузки и
регулятора они вычитаются, и в сеть поступает неискаженный ток
заданного значения. При этом интегральное значение искаженных
токов равно нулю и потребление энергии от накопителя отсутствует.
Потери активной мощности в преобразователе компенсируются
активной мощностью, потребляемой из сети. Этот же регулятор
может устранять кратковременные провалы напряжения за счет энер¬
гии накопителя.
Аналогичный принцип используется при компенсации небаланса
токов в трехфазных цепях. В этом случае он вырабатывает токи
обратной последовательности, обеспечивая симметрию токов источ¬
ника. Так как интегральное значение токов обратной последователь¬
ности равно нулю, то энергия от накопителя при этом потребляется.
Указанные способы можно назвать активными способами улучшения
качества электроэнергии. В отличие от пассивных фильтров, осно¬
ванных на использовании индуктивных и емкостных элементов,
активные фильтры являются пока более дорогостоящими и слож¬
ными. Однако в настоящее время можно успешно использовать и
гибридные методы фильтрации, сочетающие использование пассив¬
ных фильтров и активных малой мощности, с незначительным повы¬
шением стоимости оборудования в целом.
1.1.3.	Устойчивость электроэнергетических систем
Устойчивая работа электроэнергетических систем обеспечивается
генераторами электростанций и различными сетевыми устройствами
регулирования напряжения.
1.1. Основные требования к электроэнергетическим системам
21
Трудами российских ученых (А.А. Горев, В.М. Жданов,
В .А. Веников, М.М. Ботвинник, Г.Р. Герценберг, В.А. Строев и др.)
была разработана и широко использована на практике теория устой¬
чивости электроэнергетических систем, получившая мировое при¬
знание. Для синхронных генераторов и компенсаторов были созданы
так называемые регуляторы «сильного действия», позволившие обес¬
печить устойчивую передачу энергии на большие расстояния, надеж¬
ное и устойчивое функционирование ЕЭС России [1.2].
Дальнейшее развитие теории и практики устойчивости электро¬
энергетических систем с помощью генераторов тепловых электро¬
станций (ТЭС) и гидравлических электростанций (ГЭС) связан с раз¬
витием теории векторного регулирования параметров режима энер¬
госистем посредством разработок в нашей стране асинхронизирован-
ных генераторов [1.2, 1.15].
В качестве сетевых устройств обеспечения устойчивости ранее
использовались в основном синхронные компенсаторы. В ряде стран,
в том числе и в нашей стране, получили практическое применение
устройства продольной компенсации, представляющие собой кон¬
денсаторы, включаемые последовательно в линию электропередачи
(ЛЭП), уменьшающие суммарное реактивное сопротивление линии
электропередачи и, как следствие повышающие предельную (пропуск¬
ную) способность линии электропередачи Р
max-
U\U2
^max ~ Y _ Y '	(1-1)
с
где C/j и С/2 напряжения по концам некоторой линии электропере¬
дачи; х — сопротивление линии электропередачи; хс — сопротивле¬
ние конденсаторной батареи устройства продольной компенсации.
В последнее время намечен существенный прогресс в примене¬
нии различного рода устройств регулирования напряжения и устой¬
чивости и связан такой прогресс прежде всего с использованием для
этих целей силовой электроники.
Подробно эти устройства рассмотрены в гл. 3, 4. Здесь же кратко
остановимся на их основных типах.
1.	Устройства поперечной компенсации, включаемые в линию
электропередачи параллельно:
управляемые шунтирующие реакторы различных типов (УШР);
статические тиристорные компенсаторы (СТК);
СТАТКОМ;
асинхронизированные компенсаторы.

22
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
2.	Устройства продольной компенсации, включаемые в линию
электропередачи последовательно:
устройства управляемой продольной компенсации;
фазоповоротные устройства;
асинхронизированные компенсаторы.
3.	Устройства векторного регулирования (продольно-поперечное
регулирование):
объединенные регуляторы потоков мощности (ОРПМ), представ¬
ляющие собой два СТАТКОМ, один из которых включен в сеть
параллельно, другой — последовательно, объединенные общим зве¬
ном постоянного токая;
фазоповоротное устройство в сочетании с одним из устройств
поперечного регулирования;
каскад из двух асинхронизированных машин, расположенных на
одном валу, одна из машин включена в сеть параллельно, другая пос¬
ледовательно.
Устойчивая передача энергии на большие расстояния возможна
посредством не только переменного, но и постоянного тока. Как
показывает мировая практика передачи электроэнергии постоянным
током экономически выгодна, как правило, при расстоянии более
800—1200 км. В России, в отличие от зарубежных стран, электропе¬
редачи постоянного тока не применяются.
В зарубежной практике (США, Индия и др.) для объединения
энергосистем нашли большое применение вставки постоянного тока,
которые представляют собой комбинацию: выпрямитель-инвестор
без линии постоянного тока. В России была разработана и изготов¬
лена наиболее мощная вставка постоянного тока (1000 МВт) для объ¬
единения энергосистем России и Финляндии. В настоящее время
обсуждается вопрос об ее модернизации. Одновременно с этим в
нашей стране выполняются работы по объединению на параллель¬
ную работу ОЭС Сибири и ОЭС Дальнего Востока посредством
вставки постоянного тока, что повысит надежность работы данного
энергообъединения и расширит зону Единой энергосистемы России.
Современные тенденции в обеспечении устойчивости заключа¬
ются:
в широком применении устройств и технологий FACTS в электри¬
ческих сетях и на электростанциях в сочетании с современными сис¬
темами информации о состоянии режимов работы энергосистем,
поступающей в режиме темпа протекания процесса (on-line);
в применении векторного регулирования режимов работы элект¬
роэнергетических систем, состоящих из устройств силовой электро¬
1.1. Основные требования к электроэнергетическим системам
23
ники в сочетании с накопителями электрической энергии различного
типа, а также в применении асихронизированных машин;
в широком применении различного рода устройств противоава-
рийной автоматики;
в применении линий электропередачи и вставок постоянного тока.
1.1.4. Надежность электроэнергетических систем
Надежность — свойство объекта (оборудования, системы) выпол¬
нять заданные функции в заданном объеме при определенных усло¬
виях функционирования. Надежность объекта и ее составляющие
являются комплексными свойствами, которые в зависимости от
назначения объекта и условий его эксплуатации могут включать
(в отдельности или в определенном сочетании): безотказность, вос¬
станавливаемость, живучесть, безопасность (техническая), управляе¬
мость, сохраняемость, устойчивость.
При развитии электроэнергетических систем факторы надеж¬
ности приобретают исключительно важное значение. Глубокая
информатизация процессов управления системой, повышение тем¬
пов управления процессами и повышение ущербов от отказов обору-
дования требуют существенного повышения уровней надежности
всех без исключения звеньев систем. Под звеньями здесь понима¬
ются все сектора системы, начиная от технологических звеньев: про¬
изводства, преобразования, транспортирования, распределения и
потребления электроэнергии, — до звеньев управления на всех вре¬
менных этапах: от автоматического и оперативного в темпе процесса
до планирования режимов и управления развитием. Повышается
роль резервирования и диагностирования, самовосстановления эле¬
ментов систем.
По типу описываемых состояний и событий надежность опреде¬
ляется единичными свойствами безотказности и восстанавливае¬
мости. Безотказность и восстанавливаемость определяются рядом
сопряженных с надежностью свойств (имеющих лишь частичное
отношение к надежности и определяющих более широкие понятия,
выходящие за рамки надежности), таких как готовность, устойчи-
воспособность и живучесть. В свою очередь готовность, устойчи-
воспособность и живучесть определяются помимо безотказности и
восстанавливаемости сопряженными с надежностью свойствами
управляемости и ремонтопригодности.
В понятии надежность электроэнергетических систем следует
особо выделять понятие живучесть энергосистемы, как способность

24 Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем..,
противостоять каскадному развитию системных аварий, а также
самовосстанавливаться под воздействием автоматизированного или
ручного диспетчерского управления. При этом под системной ава¬
рией понимается нарушение устойчивости параллельной работы
электростанций, недопустимые отклонения частоты тока в энерго¬
системе и напряжений в узлах, перегрузки по току элементов основ¬
ной сети, приводящие к каскадному отключению последних, возник¬
новению асинхронного хода, делению системы на несбалансирован¬
ные части и массовому отключению потребителей электроэнергии
или ограничениям их нагрузок на большой территории.
При управлении электроэнергетической системой на всех уровнях
целесообразно иметь согласованное представление о взаимосвязи и
разграничении надежности электроснабжения и качества электро¬
энергии (по частоте, напряжению и другим параметрам). Очевидно,
что при низкой надежности обеспечение высокого качества электро¬
энергии невозможно в принципе. С другой стороны, изменением
качества электроэнергии можно регулировать последствия отказов:
меняя частоту и/или напряжение — снижать или повышать электро¬
потребление, т.е. осуществлять балансирование режимов по мощ¬
ности. Особенно это актуально для дефицитных режимов.
Низкое качество электроэнергии в порядке обратной связи сни¬
жает надежность оборудования как конечных потребителей, так и
системы в целом. Возникает замкнутый круг: при низкой надежности
электроснабжения имеет место низкое качество электроэнергии,
которое вызывает повышенную аварийность оборудования, что усу¬
губляет низкую надежность электроснабжения и дальнейшее сниже¬
ние качества электроэнергии или углубление дефицита мощности.
В результате, могут возникнуть явления в энергосистеме, называе¬
мые «лавиной ненадежности», «коллапсом качества (напряжения,
частоты)», «нарушением устойчивости параллельной работы», «раз¬
валом системы» и т.п.
В отличие от надежности, степень которой определяется потреби¬
телем, качество электроэнергии является неизменным параметром.
Так, изменение частоты нельзя менять для одного или группы потре¬
бителей. Частота в энергосистеме, как известно, для всех потребите¬
лей едина.
Провалы напряжения как параметр качества электроэнергии,
согласно ГОСТ 13109—97 — это, фактически, кратковременные
перебои в электроснабжении потребителей. К провалам должно быть
особое отношение. Они неизбежны и отстройка от них перекладыва¬
ется целиком на потребителей.
1.2. Управление потоками электроэнергии
25
Следует отметить взаимосвязанность устойчивой работы энерго¬
систем с качеством электрической энергии. Одни и те же элементы
могут использоваться для обеспечения качества электроэнергии и
для обеспечения устойчивости электроэнергетических систем. Это
прежде всего относится к системе регулирования напряжения и реак¬
тивной мощности, частоты и активной мощности. Должна обеспечи¬
ваться устойчивость: работы генераторов одной электростанции;
работа электростанции в энергосистеме при заданных значениях
активной и реактивной мощности, устойчивость межсистемных свя¬
зей, качество напряжения у потребителей. Соответствующая коорди¬
нация работы устройств осуществляется на базе стандартов для сис¬
темного оператора. Стабилизация напряжения в узлах межсистемной
связи с целью обеспечения устойчивости работы ЛЭП одновременно
позволяет улучшить качество напряжения.
Системная надежность имеет два аспекта: балансовый и режим¬
ный.
Надежность систем управления не играет значительной роли
относительно ее балансовой составляющей, поскольку для балансов
электрической энергии и мощности как активной, так и реактивной
определяющими являются запасы ресурсов и резервов (избыточ¬
ности) объектов энергосистемы.
Иная ситуация имеет место относительно режимной составляющей
системной надежности. В этом плане системы управления и их надеж¬
ность играют главную роль и, особенно, в предотвращении аварийных
режимов, их возможного развития до тяжелых последствий.
Существенная роль управления в электроэнергетической системе
при ненормальных режимах принадлежит автоматическим системам
защиты и противоаварийного управления (ПАУ). Значение этих сис¬
тем, очевидно, будет возрастать по мере развития энергосистем.
Для обеспечения надежности важное значение имеет исключение
или уменьшение влияния аварийных процессов в электроэнергети¬
ческих системах. Эти проблемы могут быть решены применением
накопителей электроэнергии различных типов и устройств, ограни¬
чивающих токи короткого замыкания.
1.2.	Управление потоками электроэнергии
1.2.1.	Передача электроэнергии переменным током
Передача электроэнергии по электрическим сетям характеризу-
ется распределенными параметрами, определяемыми последователь¬
ными активным и индуктивным сопротивлениями, а также парал-

26
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
дельными активной проводимостью и емкостью. Обычно в воздуш¬
ных линиях передачи электроэнергии переменного тока индуктивное
сопротивление превышает последовательное активное, а параллель¬
ная емкость превышает параллельную активную проводимость. Поэ¬
тому для упрощения расчетов рассматривают идеализированные
линии без активных потерь. В этом случае основным параметром
является волновое сопротивление Z = ^, где L и С — индуктив¬
ность и емкость линии, отнесенные к единице ее длины. В случае,
когда к концу линии без потерь подключается согласованная
нагрузка, сопротивление которой равно волновому сопротивлению,
на любом отрезке линии вся энергия, доставляемая падающей вол¬
ной, поглощается в нагрузке. При малой нагрузке, когда ее сопротив¬
ление выше волнового, происходит перекомпенсация емкости линии
и напряжение повышается. При перегрузках линии ее сопротивление
принимает индуктивный характер, вызывая снижение напряжения в
линии. В линиях, длина которых не позволяет пренебрегать скоро¬
стью распространения электромагнитной волны, следует учитывать
возникновение отраженных волн. В месте подключения нагрузки
энергия перераспределяется между электрическим и магнитным
полями, вызывая отраженную волну. В общем случае нагрузка изме¬
няется в широком диапазоне и возникает необходимость в компенса¬
ции избытка или недостатка реактивной мощности для стабилизации
напряжения в линии. Для упрощения процедуры анализа в отде¬
льных случаях, например, нагруженной или короткой линии, пренеб¬
регают параллельно включенными распределенными емкостями
линии [1.3]. В этом случае модель линии электропередачи представ¬
ляется сосредоточенными параметрами, источниками напряжений
двух генераторов, вырабатывающего и принимающего электроэнер¬
гию, разделенных индуктивным сопротивлением X = (oL (со — угло¬
вая частота, рис. 1.1). Передаваемая активная мощность в этом слу¬
чае может быть представлена следующим соотношением
и\и2
Р = —£-ьтд,	(1.2)
где 8 — угол фазового сдвига между напряжениями источника Ul и
потребителя t/2.
Напряжение передающего источника должно опережать напряже¬
ние принимающего. Из (1.2) следует, что максимальное значение
1.2. Управление потоками электроэнергии
27
J-+ Х=ш L
	ГУ"ЧЛ__
©	© и2
а) б) в)
Рис. 1.1. Передача активной мощности в линии без потерь:
а схема модели линии электропередачи; б — векторная диаграмма; в — зависи¬
мость активной мощности от угла 5
передаваемой мощности Рт будет при значении угла 5 = ^. Значе-
ние потока мощности можно регулировать следующими основными
способами, изменяя:
сопротивление X;
напряжения Ux и U2;
угол 8.
Согласно этим способам традиционно для управления потоком
электроэнергии использовались следующие методы:
компенсация реактивной мощности за счет параллельного под¬
ключения выключателями реакторов или конденсаторов;
компенсация посредством последовательного включения в линию
конденсаторов;
включение фазоповоротных устройств (ФПУ), которые позволяют
изменять величину угла 5 и, следовательно, управлять потоком элект¬
роэнергии.
1.2.2. Компенсация реактивной мощности
Первым этапом развития силовой электроники, оказавшим значи-
тельное влияние на повышение управляемости электропередачи
переменным током стало создание тиристора. На основе этого при¬
бора были созданы коммутационные и регулирующие устройства
с быстродействием не менее половины периода на частоте перемен¬
ного тока. Для быстрого подключения компенсирующих устройств
к линии электропередачи стали использовать тиристоры (рис. 1.2, а).

28
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем..,
а)
Рис. 1.2. Параллельная компенсация на основе конденсаторов и реактора со
встречно включенными тиристорами:
а — схема; б — диаграммы тока и напряжения; $ = Ш; SI—S4 — ключи
Следует отметить, что подключение конденсаторов осуществляется в
нуле напряжения. Фазовое регулирование тиристоров, включенных
последовательно с конденсаторами, в режиме естественной коммута¬
ции невозможно. На основе тиристоров был создан компенсирующий
реактор со встречно включенными тиристорами. Это устройство поз¬
воляет регулировать посредством фазового управления углом а
поток мощности индуктивного характера от нуля до величины, опре-
U2
деляющейся индуктивностью реактора QL = — (рис. 1.2, б). При
регулировании мощности угол а может изменяться за время не более
0,01 с для основной гармоники напряжения. Применение этих двух
устройств позволило создать быстродействующее параллельное ком¬
1.2. Управление потоками электроэнергии
29
пенсирующее устройство, реактивная энергия которого изменяется в
диапазоне
с^и2
LJ2
(1.3)
2 2 ’
где С2 и L — суммарная емкость конденсаторов и индуктивность
реактора.
При компенсации возможно плавное регулирование реактивной
мощности посредством фазового управления тиристорами, последо¬
вательно соединенными с реактором. Это устройство является не
только быстродействующим (t <0,01 с при /= 50 Гц) и надежным.
Основными недостатками его являются низкие удельные массогаба¬
ритные показатели, использование тиристоров для коммутации тока,
обусловленного полной мощностью необходимой для компенсации,
и искажение формы тока в реакторе. Различные модификации этого
устройства и сейчас успешно используются в электроэнергетике и
носят название статических тиристорных компенсаторов (СТК). Аль¬
тернативой реактору с последовательными тиристорами являются
реакторы с подмагничиванием [1.4]. Преимуществом реакторов с
подмагничиванием является малая мощность устройства, управляю¬
щего током подмагничивания. Такое устройство является обычно
низковольтным и слаботочным. Оно также позволяет изменять ком¬
пенсирующую мощность посредством регулирования индуктив¬
ности. Реактор с подмагничиванием является более инерционным по
сравнению с СТК, ток которого регулируется встречно включенными
тиристорами в широком диапазоне.
При последовательной компенсации тиристоры используются в
двух основных вариантах схем. Первая схема основана на шунтиро¬
вании встречно включенными тиристорами конденсаторных секций,
соединенных последовательно (рис. 1.3, а). Для исключения выхода
из строя тиристоров под воздействием разрядных токов конденсато-
С1
С2
СЗ
С4
—II—1
-Г*1
—II—|
Г*1
г41—1
г—II—|
г*Ь_
—ii—j
а)
б)
Рис. 1.3. Последовательная конденсаторная компенсация:
а — схема с конденсаторами; б — схема с реакторами

30
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
ров их шунтирование и включение осуществляется в нуле напряже¬
ния коммутируемой секции конденсаторов. Второй вариант последо¬
вательной компенсации состоит в использовании последовательно
включенных конденсаторов и реакторов со встречно включенными
тиристорами (рис. 1.3, б). Эти реакторы выполняют функцию анало¬
гичную реакторам в схеме с параллельной компенсацией (см.
рис. 1.2). Значение тока в них регулируется посредством фазового
управления тиристоров. В зависимости от угла управления тиристо¬
рами реакторы компенсируют емкость последовательных конденса¬
торов в линии. При отсутствии конденсаторной компенсации реак¬
торы включены и шунтируют конденсаторы, а при полной компенса¬
ции выключены.
Быстродействие ФПУ было повышено за счет замены механиче¬
ских ключей обмоток трансформаторов тиристорными ключами.
Напомним, что ФПУ используется в основном для регулирования
угла 8 в целях обеспечения баланса мощности в энергосистемах, содер¬
жащих линии электропередачи различного класса напряжения и для
увеличения стабильности систем в переходных процессах. Реализа¬
ция последней функции связана с повышением быстродействия
ФПУ, что дает замена механических ключей на тиристоры.
Ситуация существенно изменилась с созданием мощных, полно¬
стью управляемых приборов — запираемых тиристоров, силовых
транзисторов и др. Кроме того, начала активно развиваться схемотех¬
ника высоковольтных преобразователей на основе многоуровневых и
ячейковых схем. В результате стали разрабатываться высоковольтные
преобразователи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В част¬
ности, появились схемы преобразователей переменного тока с ШИМ
со свойствами источников тока или напряжения. На основе схемы
инвертора напряжения был создан статический компенсатор реактив¬
ной мощности (СТАТКОМ). Учитывая, что реактивная мощность
носит обменный характер, в качестве временного накопителя энер¬
гии были использованы электролитические конденсаторы. Эти кон¬
денсаторы включаются на стороне постоянного тока преобразова¬
теля, работающего в режиме инвертора напряжения, осуществляя
обмен реактивной мощностью с линией передачи электроэнергии
(рис. 1.4). Такой компенсатор имеет хорошие удельные массогаба¬
ритные показатели и высокое быстродействие. Переход из потребле¬
ния мощности индуктивного характера QL в режим генерации емко¬
стной мощности Qc и наоборот может осуществляться за время
меньше половины периода на частоте основной гармоники напряже¬
ния. Этот компенсатор не создает искажение тока и в переходных
1.2. Управление потоками электроэнергии
31
режимах работы энергосистемы является
идеальным устройством.
Совершенствование ФПУ на основе пол¬
ностью управляемых электронных ключей
привело к созданию нового устройства с
применением только силовых электрон¬
ных преобразователей электроэнергии
[1.6, 1.15]. Новое устройство названо объ¬
единенным регулятором потока мощности
(ОРПМ) электроэнергии. Принципиально
ОРПМ объединяет функции последова¬
тельного и параллельного компенсаторов
неактивной мощности, а также ФПУ. По
существу эта схема является универсаль¬
ной для создания «гибких» линий пере¬
менного тока. На рис. 1.5, а приведена
блок-схема ОРПМ, подключенного к линии электропередачи. Осно¬
вой этого устройства являются два преобразователя перемен¬
ного/постоянного тока: Пр1 и Пр2. На стороне постоянного тока они
объединены и к ним подключен общий конденсатор С (на рисунке не
показан). Один из преобразователей Пр1 подключен параллельно к
линии электропередачи, а другой Пр2 — последовательно с линией
через трансформатор Тр2. Поскольку преобразователи выполнены на
основе инверторов напряжения с ШИМ, они могут работать в четы-
Рис. 1.4. Схема СТАТКОМ
я)	б)	в)
Рис. 1.5. Объединенный регулятор потока мощности:
а — структурная схема; б — диаграмма тока с учетом тока параллельного преоб¬
разователя Пр1; в — диаграмма напряжения с учетом добавления напряжения пос¬
ледовательного преобразователя Пр2\ 1к — компенсирующий ток

32
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем..,
рех квадрантах комплексной плоскости на стороне переменного тока.
В этом случае можно представить, что преобразователь Пр1 является
потребителем или генератором тока, 1-я гармоника которого может
находиться в любом квадранте комплексной плоскости относительно
вектора напряжения (рис. 1.5, б). Второй преобразователь Пр2, вто¬
ричные обмотки которого включены последовательно, генерирует
или потребляет электроэнергию посредством последовательного
добавления напряжения Л£/, 1-я гармоника которого также может
находиться в любом квадранте комплексной плоскости относительно
протекающего через обмотку трансформатора тока (рис. 1.5, в). По
существу он выполняет функции регулятора напряжения. Очевидно,
что при пренебрежении потерями мощности в преобразователях и
трансформаторах активные мощности преобразователей должны
быть равными. В противном случае будет возникать избыток или
недостаток активной мощности в конденсаторе С, вызывающий
нестабильность среднего значения его напряжения. Это не распро¬
страняется на неактивные мощности (реактивные и мощности иска¬
жения), обмен которыми преобразователи осуществляют между кон¬
денсатором С и линией электропередачи, вызывая на конденсаторе
пульсации напряжения. Из рис. 1.5 следует, что ОРПМ является уст¬
ройством не только для компенсации реактивной мощности, но и для
создания изменяющегося по фазе дополнительного напряжения AU.
Изменение значения и фазы этого напряжения позволяют изменять
угол 5 между напряжениями различных пунктов линии, а также
управлять значением и фазой напряжения в месте подключения
трансформатора Тр2. В результате возможно эффективное управле¬
ние потоком мощности в линии.
1.2.3.	Линии электропередачи
и вставки постоянного тока
Развитие силовой электроники существенно повысило эффектив¬
ность передачи электроэнергии как переменного, так и постоянного
токов. Современные высоковольтные линии электропередачи посто¬
янного тока (ВДПТ) стали широко использоваться на практике также
благодаря достижениям силовой электроники. Силовая электроника
позволила свести к минимуму или исключить полностью следующие
недостатки ВЛПТ:
высокую стоимость преобразовательного оборудования;
высокий уровень генерации высших гармоник напряжения и тока.
1.2. Управление потоками электроэнергии
33
В то же время ВЛПТ имеет следующие преимущества перед пере¬
дачей на переменном токе:
отсутствие реактивной мощности;
скалярное управление потоком электроэнергии;
более низкую стоимость по сравнению со стоимостью передачи
на переменном токе на расстояния свыше 800—1200 км.
На рис. 1.6 приведена приближенная зависимость стоимостей
электропередачи на постоянном и переменном токах [1.3]. Из приве¬
денных зависимостей видно, что начальная стоимость передач на
переменном токе значительно меньше, чем на постоянном. Однако с
ростом расстояний передача на постоянном токе выигрывает по стои¬
мости. Основной недостаток ВЛПТ — невозможность трансформа¬
ции постоянного тока. Поэтому ВЛПТ находят применение для пере¬
дач электроэнергии без отбора мощности по пути прохождения
ВЛПТ. В то же время за период 1987—2007 гг. введено в эксплуата¬
цию более 50 ВЛПТ в разных странах мира. Мощность многих ВЛПТ
достигает 4000 МВт при напряжениях до 800 кВ. При этом следует
отметить, что при передаче на постоянном токе потери мощности в
линии снижаются в 20—30 раз по сравнению с передачей на пере¬
менном токе.
Развитие силовой электроники и ее достижения делает актуаль¬
ным использование постоянного тока не только при передаче элект¬
роэнергии, но и на других этапах ее применения. Например, при ее
получении от альтернативных источников энергии, в системах беспе-
Сп, руб.
Рис. 1.6. График затрат Сп на передачу электроэнергии в зависимости от рассто¬
яния /

34
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
ребойного электроснабжения в электроприводах и др. Главным
препятствием являются затраты на создание преобразователей посто¬
янного тока в переменный, которые существенно превышают затраты
на трансформатор переменного тока такой же мощности. Однако
существующее положение может существенно измениться с созда¬
нием более быстродействующих и мощных ключей, работающих на
принципе тиристора со статической индукцией, не имеющего элект¬
ронного /?-и-перехода аналогично диоду Шоттки [1.11].
Примером использования структуры, характерной для передач со
вставками на постоянном токе, стало объединение инверторов напря¬
жения на стороне постоянного тока. При этом к шинам постоянного
тока подключаются батареи конденсаторов. В результате исчезает
собственно линия передачи постоянным током. Поэтому такой прием
называется в некоторых зарубежных статьях «сшиванием», а для
обозначения этой структуры используется аббревиатура ВТВ* [1.11].
Структура объединяет несколько инверторов, имеющих, в общем
случае различные параметры на стороне переменного тока (рис. 1.7)
Это дает возможность подключать различные источники электро¬
энергии, включая нетрадиционные, к шинам постоянного тока основ¬
ного (основных) инвертора напряжения и к шинам соответствующей
сети. В принципе структура ВТВ соответствует системам передач со
вставкой постоянного тока. Отличием ее является практическое
отсутствие линий передач постоянного тока, благодаря локализации
расположения преобразователей.
Л1	JI2
Рис. 1.7. Структурная схема вставки постоянного тока на преобразователях Пр1
и Пр2 между линиями Л1 и JI2 переменного тока
*Англ. Back-to Back.
1.3. Управление качеством электроэнергии
35
1.3. Управление качеством электроэнергии
1.3.1. Отклонения и колебания напряжения
Отклонения значений напряжения и частоты относятся к первой
группе показателей качества электроэнергии (ПКЭ). В стандартах
указываются нормальные и предельно допустимые значения этих
отклонений. Так, например, в ГОСТ 13109—97 указываются для
напряжения нормальные отклонения, а предельные — для частоты
соответственно.
Основной причиной отклонений напряжения и частоты является
нарушение баланса активной и реактивной мощностей в системе
электропередачи. В результате изменяются токи источников электро¬
энергии, трансформаторов, в межсистемных линиях и др. В общем
случае устранение этих отклонений является задачей межсистемных
регуляторов. Рассмотрим эти вопросы более подробно на примере
участка сети, расположенного ближе к потребителю (рис. 1.8). Упро¬
щенная схема замещения его представлена трансформатором под¬
станции и шиной потребителей с напряжением С/н. Линия электропе¬
редачи представлена сосредоточенным активным сопротивлением
и индуктивным Хх. Для этой упрощенной схемы можно записать
отклонение напряжения под нагрузкой как
U
и
и -AU = и
г	н	г
1 -
(1.4)
Из (1.4) видно, что в зависимости от подключенной нагрузки
напряжение на шинах нагрузки будет изменяться. При больших
изменениях нагрузки эти отклонения напряжения могут превышать
допустимые значения.
иг
©
н=ь
"л
_rv>r\_
О2»
Рис. 1.8. Схема замещения участка электрической сети

36
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
Частота напряжения определяется статическими характеристи¬
ками генераторов электростанций и активной нагрузки Р, баланс
которых определяет установившийся режим работы с заданной
номинальной частотой. Восстановление этого баланса может осу¬
ществляться изменением нагрузки или регуляторами турбины, рабо¬
тающей совместно с генератором электростанции.
Колебания напряжения происходят с размахом амплитуд напряже¬
ния в диапазонах от 2 до 20 %. Источниками их являются электро¬
приемники с резкопеременным характером потребления активной и
реактивной мощности. Среди них основными являются дуговые и
другие термические печи, электродвигатели большой мощности,
осветительные приборы и др.
Отклонение и колебания напряжения, изменение частоты приво¬
дят к возникновению дополнительных потерь электроэнергии, нару¬
шению работы технологических комплексов вплоть до аварийных
режимов, сбою и нарушению работы в системах информации и авто¬
матики, негативному воздействию на человека и др.
В настоящее время для эффективного решения этих задач могут
быть использованы устройства, созданные на основе достижений
современной силовой электроники. Так, например, для устранения
отклонения и низкочастотных колебаний следует параллельно с
нагрузкой включить компенсатор реактивной мощности емкостного
и индуктивного характера типа СТАТКОМ (рис. 1.9). Они обладают
высоким быстродействием) за счет импульсной модуляции на повы¬
шенной частоте. В зависимости от задания компенсатор может рабо¬
тать в режимах как емкостного, так и индуктивного токов. Например,
для устранения отклонений напряжения на шинах нагрузки (рис. 1.9)
падение напряжения в линии согласно [1.15] может быть уменьшено
до требуемых значений при достаточной мощности СТАТКОМ.
Кроме того, напряжение на нагрузке может регулироваться регулято¬
ром напряжения сети посредством РПН. Использование в устройстве
коммутации РПН современных силовых электронных ключей позво¬
ляет эти многократные переключения производить практически с
неограниченным количеством коммутаций ключей. Комбинация рас¬
смотренных способов регулирования напряжения является наиболее
эффективным методом устранения недопустимых отклонений напря¬
жения на шинах нагрузки.
Высокое быстродействие и широкий диапазон генерируемых
реактивных токов позволяет использовать СТАТКОМ также для
демпфирования колебаний при резкопеременных нагрузках. В этом
1.3. Управление качеством электроэнергии
37
Рис. 1.9. Параллельно подключенный СТАТКОМ с емкостным накопителем:
/с — ток сети; /н — ток нагрузки; /к — ток компенсатора; Сф, — параметры
фильтра; Cd — емкость конденсатора на стороне постоянного тока компенсатора;
£/с, Lc — напряжение и индуктивность сети
случае регулятор СТАТКОМ должен быть выполнен с учетом возни¬
кающих низкочастотных колебаний. Естественно, что настройки
регулятора должны проводиться с учетом частотных характеристик
нагрузок и особенностей их схемы.
Отклонение частоты может устраняться межсистемным регулято¬
ром. Для этих целей могут также устанавливаться источники беспе¬
ребойного питания (ИБП). При этом для снижения требующейся
мощности ИБП следует выделять нагрузки наиболее критичные к
качеству электроэнергии. Следует отметить, что это хотя и дорогой,
но наиболее универсальный и эффективный способ обеспечения
качества электроэнергии. Системы ИБП позволяют также решить
проблему кратковременных провалов и кратковременного исчезнове¬
ния напряжения в сети. В последние годы для этих же целей начи¬
нают применять различного рода накопители электроэнергии [1.1].

38
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
1.3.2.	Несинусоидальность токов и напряжений
Основными причинами искажения формы тока или напряжения
является наличие в электрической цепи элементов с нелинейной
вольт-амперной характеристикой. Такие элементы могут входить в
состав нагрузки, согласующих устройств, например, трансформато¬
ров и др. На начальном этапе развития электротехники искажение
формы напряжения, происходило, как правило, в результате насыще¬
ния магнитопровода трансформатора, имеющего нелинейную зави¬
симость индукции от напряженности поля. При этом в выходном
напряжении трансформатора появилась явно выраженная 3-я гармо¬
ника.
Ситуация с возрастанием искажений сетевых токов и напряжений
начала ухудшаться с развитием силовой электроники. Особенно это
стало проявляться в период внедрения тиристорных устройств для
преобразования и регулирования параметров электроэнергии. Диск¬
ретный характер вентильных элементов этих устройств стал источ¬
ником существенных искажений токов и напряжений в широком час¬
тотном спектре. В качестве примера рассмотрим простейшую схему
переменного тока, работающую на активную нагрузку, представлен¬
ную на рис. 1.10, а резистором Rn. Регулирование напряжения в
нагрузке осуществляется изменением фаз включения тиристоров с
определенным углом подачи на них импульсов управления.
Мощность несинусоидалъного тока. Искаженный ток (рис. 1.10, б)
может быть представлен в виде суммы тока 1-й гармоники /^(со^) и
высших гармоник in{(&nt). Первая гармоника отстает на угол ср от
напряжения, которое считаем синусоидальным. Поэтому в мгновен¬
ной мощности, появляются составляющие, определяемые основной
гармоникой тока и его высшими гармониками. Среднее значение
мгновенной мощности от основной гармоники соответствует актив¬
ной мощности, а ее переменная часть — реактивной на этой частоте
аналогично мощности в Ж,-цепи с синусоидальным током и
высшими гармониками тока. Они создают энергообмен между
нагрузкой, включающей тиристорный регулятор, и генератором элек¬
троэнергии, точнее его накопителем. Реальный ток, не разложенный
в гармонический ряд, на интервале паузы 0—а падает до нуля и
вызывает падение до нуля мгновенной мощности. Это приводит к
снижению средней активной мощности, поступающей от генератора,
а затем частично компенсируется за счет превышения мгновенной
мощности относительно требуемого значения. В результате среднее
1.3. Управление качеством электроэнергии
3?
VS1
Рис. 1.10. Регулятор переменного тока на встречно включенных тиристорах:
а — схема; б — диаграммы напряжения и тока на элементах схемы
значение мощности, т.е. ее активная часть, уменьшается и в устано¬
вившемся режиме устанавливается равенство вращающего и тормоз¬
ного моментов. При этом возникает периодический обмен мощно¬
стью, имеющей неактивный характер между нагрузкой и генератором.

40
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
Анализ влияния искаженного тока может производиться различ¬
ными методами, в том числе и посредством разложения его в ряд
Фурье. Для этого должно сохраняться условие линейности исследу¬
емых параметров во всем частотном спектре. Вычисление отде¬
льных гармонических составляющих может производиться в про¬
странстве, которое является обобщением Евклидова, и позволяет
использовать его для анализа векторов функций, к которым приме¬
няется операция ортонормирования по базисным координатам. Ряд
Фурье является в этом пространстве полной ортонормированной
системой. Это позволяет применить его при вычислении мощности
высших гармоник тока, называемой мощностью искажения [1.12].
Во многих работах употребляется запись полной мощности с иска¬
женным током в виде
S = ^Р2 + q\ + D2,	(1.5)
где Р, Qx и D — мощности активная, реактивная основной гармоники
и искажения соответственно.
В соответствии с (1.5) долю активной мощности Р в общей мощ¬
ности S принято оценивать через коэффициент мощности
Р
X = - = vcos(p1?	(1.6)
где cos cpj — коэффициент мощности сдвига основной гармоники;
v — коэффициент искажения:
1
°° 2
I7-
(1.7)
1	+ ail
Однако среднее значение мощности высших гармоник тока равно
нулю не только за период основной частоты Г, как от основной гар¬
моники реактивного тока:
Т оо
1.3. Управление качеством электроэнергии
41
но и за период повторяемости каждой из высших гармоник во всем
частотном спектре тока:
Тп
<1.9)
«0
Поэтому мощность искажения не проявляется в общем балансе
мощности, характеризуемом в символическом методе для синусои¬
дальных токов и напряжений «треугольником» мощностей. След¬
ствием возникновения мощности высших гармоник являются дисси¬
пативные потери мощности в системе. В этой связи значение коэф¬
фициента мощности % в виде (1.6) с точки зрения его практического
использования некорректно, так как отражает различные физические
явления и их последствия. Если коэффициент сдвига cos ср отражает
уменьшения доли активной ее части при увеличении индуктивной
при неизменной полной мощности, то увеличение коэффициента
искажения характеризует рост диссипативных потерь мощности и
других негативных явлений.
Потери мощности от протекания высших гармоник тока в основ¬
ном проявляются в виде диссипативных потерь — тепловых в низко¬
частотной части спектра и электромагнитного излучения на высоких
частотах. Последние являются источником электромагнитных помех,
которые могут приводить к сбоям в работе систем автоматики и пере¬
дачи информации. Тепловые потери приводят к перегреву элементов
оборудования электрических систем, например, трансформаторов,
электромагнитных элементов, конденсаторов и других, играющих
важную роль в реализации заданных режимов работы и функций
электрических устройств. Учитывая важность этих вопросов для
электротехнических систем и потребителей, а также тенденции роста
использования методов импульсной модуляции в силовых электрон¬
ных устройствах, рассмотрим эти вопросы более детально.
1.3.3.	Потери мощности на повышенной частоте
Потери в магнитопроводе электромагнитных устройств.
Потери в магнитопроводе обусловлены различными физическими
процессами и в общем случае могут быть определены как сумма
потерь на гистерезис, от вихревых токов, магнитной вязкости и
дополнительных потерь. Точный расчет отдельных составляющих в
некоторых случаях оказывается более сложной задачей, чем расчет
полных потерь с использованием экспериментальных данных, полу¬
ченных при воздействии синусоидальным полем. Например, в [1.11]

42
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем..,
предложено учитывать удельные потери Руд (Вт/см3) в магнитопро-
воде следующим образом:
РУД
гв л
где/— рабочая частота; /* — базовая частота равная 1000 Гц
(обозначено звездочкой); Вт — максимальная индукция; В*т — базо¬
вая индукция равная 1 Тл, Р0, а, (3 — экспериментальные коэффици¬
енты.
Для материалов магнитопроводов коэффициент а > 1 и согласно
(1.10) с увеличением рабочей частоты потери в магнитопроводе уве¬
личиваются. В стальных магнитопроводах при повышенных часто¬
тах преобладают потери на вихревые токи, а в ферритах — потери на
гистерезис. Это различие в природе потерь может быть учтено раз¬
ными значениями экспериментальных коэффициентов. В частности,
для расчета потерь используют более простое и общее соотношение
PyA = AfmB2m,	(1.11)
где А — экспериментальный коэффициент, учитывающий различные
факторы, а также характер потерь в зависимости от материала магни-
топровода [1.11].
При воздействии периодических напряжений несинусоидальной
формы потери в магнитопроводе увеличиваются по сравнению с
потерями при воздействии синусоидального напряжения с частотой,
равной основной частоте несинусоидального напряжения. Это обус¬
ловлено наличием высокочастотных составляющих в частотном
спектре несинусоидального напряжения.
Влияние высших гармоник на потери в магнитопроводе может
быть учтено суммированием потерь, определенных для каждой гар¬
монической составляющей отдельно, т.е.
оо
РуЛ=ЪРп>	(1Л2>
и= 1
где Рп — мощность потерь л-й гармонической составляющей.
Гармонические составляющие напряжения находятся из разложе¬
ния несинусоидального напряжения в ряд Фурье. Для практических
1.3. Управление качеством электроэнергии
43
задач при оценке потерь достаточно ограничиться учетом нескольких
наиболее явно выраженных высших гармоник.
Потери в обмотках электромагнитных устройств. Напряжения
и токи повышенной частоты, в том числе и обусловленные несинусо-
идальностью их форм, вызывают дополнительные потери энергии не
только в магнитопроводах, но и в обмотках трансформаторов и реак¬
торов. Эти потери в основном обусловлены поверхностным эффек¬
том вытеснения тока в проводниках под воздействием электромаг¬
нитных полей. В результате этих явлений активное сопротивление
проводника при переменном токе становится больше сопротивления
Я0 при постоянном токе. Увеличение сопротивления переменному
току в этих случаях является следствием уменьшения эффективного
сечения проводника. При поверхностном эффекте происходит вытес¬
нение тока в радиальном направлении. Явление вытеснения тока
также происходит от воздействия электромагнитных полей соседних
проводников. В результате такого воздействия токи перераспределя¬
ются по сечениям проводников в направлениях, зависящих от кон¬
струкции обмоток и их расположения на магнитопроводе. Добавоч¬
ные потери в обмотке при переменном токе учитывается коэффици-
ентом Кдоб
R = Kao6R0.	(1.13)
Значение коэффициента Кдо$ рассчитывают для каждой конкрет¬
ной конструкции с учетом частоты воздействующего тока или напря¬
жения.
При несинусоидальных формах тока или напряжения определя¬
ются добавочные потери от каждой гармонической составляющей,
определяемой из разложения в ряд Фурье. Эти потери могут быть
учтены эквивалентным значением коэффициента Кдоб
£ ('Хоп .)
к				(1.14)
ДОП	^2	4	7
где ^доб п — коэффициент, учитывающий потери на частоте п-й гар¬
моники; /, 1п — действующие значения полного тока и его гармони¬
ческих составляющих соответственно.
Определение коэффициента Кдо6 п является сложной задачей, так
как он	зависит от многих факторов.	Среди	них наиболее значитель¬
ными	являются	площадь	сечения	и	конфигурация	проводников

44
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем..,
катушки и расположение последних на магнитопроводе. Так, напри¬
мер, поверхностный эффект характеризуется коэффициентом 8, кото¬
рый определяет глубину проникновения тока в проводник, т.е. рас¬
стоянию от максимальной плотности тока у поверхности проводника
до его снижения в е раз (в технической литературе иногда употреб¬
ляют термин глубины «скин-эффекта»). Этот коэффициент сильно
зависит от частоты и равен для меди при температуре 100 °С на час¬
тотах 50 Гц, 5 кГц и 500 кГц — 8,9 мм, 0,89 мм и 0,089 мм соответ¬
ственно. При повышении рабочей частоты увеличение номинального
тока обмотки требует принятия специальных мер по ограничению
поверхностного эффекта. Наибольшее распространение среди таких
мер получило использование специальных многожильных проводов,
получивших название литцендрат. Такие провода изготавливаются на
основе соединения большого числа проводников малого диаметра,
изолированных друг от друга. При этом проводники каждой пары
скручиваются между собой так, чтобы исключить образование маг¬
нитного потока, создаваемого токами, закороченных пар проводни¬
ков. Затем все пары объединяют между собой так, чтобы обмотка,
изготовленная из этих проводов, имела два внешних вывода.
Другим способом снижения поверхностного эффекта в сильно-
точных проводах является использование тонкой медной ленты
с изолированной поверхностью.
Если диаметр проводника d « 8, то этот эффект проявляется
незначительно. Однако в трансформаторах и реакторах, работающих
на повышенных частотах возникает также эффект взаимного влияния
проводников, который приводит к изменению плотности тока в вит¬
ках обмотки и, следовательно, к росту потерь мощности. Расчет
реальных потерь в этом случае является сложной полевой задачей.
Для качественного рассмотрения этой проблемы достаточно
упростить задачу до двухмерной и учесть симметрию расположения
обмоток на магнитопроводах [1.11].
Потери в конденсаторах. Конденсаторы переменного тока выпол¬
няют следующие основные функции:
компенсируют реактивную мощность на частоте основной гармо¬
ники переменного напряжения;
накапливают энергию для принудительной коммутации тиристо¬
ров;
формируют траектории переключения электронных ключей в
составе цепи формирования траектории переключения (ЦФТП);
фильтруют высшие гармоники тока и напряжения в силовых
цепях переменного тока.
1.3. Управление качеством электроэнергии
45
В компенсаторах и регуляторах реактивной мощности конденса¬
торы обычно работают при синусоидальных напряжениях на про¬
мышленной частоте. В этом случае их применение осуществляется в
соответствии с общепринятыми правилами эксплуатации электротех¬
нического силового оборудования. В то же время существуют схемы
компенсаторов реактивной мощности, в которых периодическая ком¬
мутация силовых ключей вызывает протекание высших гармоник
тока. В таких схемах при расчете и выборе типа конденсатора необ¬
ходимо учитывать влияние высших гармоник тока.
Коммутирующие конденсаторы, как правило, работают в режимах
быстрых перезарядов из одной полярности в другую в процессе ком¬
мутации тиристоров. Такие режимы работы приводят к воздействию
на конденсатор импульсных токов с достаточно крутыми фронтами
импульсов. Форма напряжения при этом приближается к трапецеи¬
дальной. На рис. 1.11 приведены диаграммы тока и напряжения при
коммутации. Конденсаторы в составе фильтрокомпенсирующих уст¬
ройств имеют меньшую емкость, чем коммутирующие. Но они
обычно работают в диапазоне более высоких частот, соответствую¬
щих спектральному составу напряжений в процессах переключения.
При этом они должны иметь слабую зависимость основных парамет¬
ров от частоты. В частности, их конструкция должна обеспечивать
минимальное значение индуктивности, которая может оказывать
отрицательное влияние на переходные процессы при выключении
ключей.
Рис. 1.11. Диаграммы тока и напряжения при коммутации конденсатора

46
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
В конденсаторах фильтров высших гармоник также протекают
несинусоидальные токи, спектральный состав которых необходимо
учитывать при выборе типа и параметров конденсаторов.
Несинусоидальные токи и напряжения приводят к росту потерь
мощности в конденсаторе, а также изменению ряда важнейших пара¬
метров. Известно, что при синусоидальном напряжении потери в
конденсаторе пропорциональны тангенсу угла потерь в диэлектрике
tg 6. При этом в расчетах часто принимают значение tg5 неизменным,
в то время как на него влияют различные условия эксплуатации и в
значительной мере частота приложенного напряжения. Зависимость
tg 8 от частоты необходимо учитывать при выборе конденсаторов,
работающих при несинусоидальных напряжениях. Приводимые в
технических условиях зависимости tg 8 от частоты позволяют учесть
дополнительные потери мощности при воздействии напряжений
повышенной частоты. Типовые зависимости tg 8 от частоты для кон¬
денсаторов неполярного типа показывают слабое его изменение от
частоты в диапазоне от 50 до 1000 Гц и значительное возрастание
примерно в 10 раз при увеличении частоты от 1000 до 10 000 Гц.
Изменение температуры в меньшей мере влияет на tg 8 для таких
типов конденсаторов. В целом же точная оценка потерь в конденсато¬
рах на повышенных частотах даже при синусоидальном напряжении
является достаточно сложной задачей.
Еще более сложной задачей является оценка потерь в конденса¬
торе при несинусоидальных токах и напряжениях. Среди известных
методов следует выделить наиболее общий, но весьма приближен¬
ный, основанный на частотном анализе напряжения или тока. При
расчетах этим методом потери мощности в конденсаторе от каждой
гармоники приложенного к нему напряжения суммируются
Pc = CcOi£«C/„2tg8„,	(1.15)
П= 1
где п — номер гармонической составляющей напряжения; со — угло¬
вая частота 1-й гармоники напряжения; Un — действующее значение
напряжения п-й гармоники; tg 8п — тангенс угла потерь на частоте
п-й гармоники.
Используя методы гармонического анализа, например, преобразо¬
вания Фурье, можно определить наиболее существенные гармоники
в несинусоидальном напряжении и оценить по (1.15) потери мощ¬
ности. Аналогичные методы можно применить при заданной форме
несинусоидального тока конденсатора.
1.3. Управление качеством электроэнергии
47
Увеличение потерь активной мощности приводит к необходи¬
мости снижать при повышении частоты допустимое действующее
значение напряжения на конденсаторе. Увеличение действующих
значений токов высших гармоник создает опасность выхода из строя
контактных выводов и других элементов конструкции конденсатора,
что также приводит к необходимости снижения допустимых действу¬
ющих значений напряжений на конденсаторе с ростом частоты.
Типичная зависимость допустимого действующего значения напря¬
жения синусоидальной формы на конденсаторе переменного тока
приведена на рис. 1.12.
В зависимости от частоты и формы напряжения при выборе требуе¬
мого типа конденсатора может преобладать тот или иной ограничива¬
ющий фактор. Например, при трапецеидальной форме напряжения на
конденсаторе при низких частотах и малой длительности фронтов
ограничивающим фактором является амплитудное значение импульс¬
ного тока, а при повышенных частотах синусоидального напряжения
(свыше 1 кГц) — дополнительная мощность потерь. В качестве огра¬
ничивающего фактора при выборе конденсатора выступает также его
кратковременная электрическая прочность, в соответствии с которой
нормируются значения номинальных напряжений. Допустимое дей¬
ствующее значение напряжения может также выбираться из условия
ограничения мощности частичного разряда, исходя из ограничения
максимальной температуры при постоянстве потерь.
Поскольку реактивная мощность конденсатора переменного тока
непосредственно зависит от частоты, удельные показатели конденса¬
торов (отношение реактивной мощности к объему, массе или дру¬
гому параметру) также являются функциями частоты. На рис. 1.13
приведены зависимости удельной реактивной мощности некоторых
отечественных типов конденсаторов переменного тока от частоты.
Рис. 1.12. Зависимость амплитуды допустимого напряжения конденсатора от час¬
тоты

48
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
Рис. 1.13. Зависимость удельной реактивной мощности конденсаторов от частоты
Из рис. 1.13 видно, что для конкретного типа конденсатора сущест¬
вует оптимальная частота приложенного напряжения, при которой
его объем будет минимальным.
Электролитические конденсаторы являются основными элемен¬
тами фильтров постоянного тока и накопителей. В рабочем режиме
конденсаторы находятся под постоянным воздействием как постоян¬
ной, так и переменной составляющих напряжения. Обычно в техни¬
ческих условиях на электролитические конденсаторы в качестве
основных параметров кроме значений емкости указываются номи¬
нальное значение постоянной составляющей и допустимое значение
переменной в виде синусоидального напряжения частотой /= 50 Гц.
Однако при более высоких частотах следует учитывать и другие фак¬
торы, вызывающие уменьшение проводимости конденсатора как эле¬
мента в целом и, как следствие, снижение его фильтрующей способ¬
ности [1.12]. Так, при синусоидальном токе фильтрующая способ¬
ность определяется полным сопротивлением конденсатора Zc, кото¬
рое соответствует схеме замещения, представленной на рис. 1.14, а.
Согласно схеме замещения при частоте /
Сэ =
zc JRS + \2nfC,
\2
э/
rS = гд +
2’
(1.16)
1.3. Управление качеством электроэнергии
49
ГД	ГЭЛ	ьэ
НИиннь-
б>
Рис. 1.14. Схема замещения электролитического конденсатора на повышенной
частоте (а) и зависимость относительного значения полного сопротивления
от частоты конденсатора К50-20 (б):
Сд — емкость, обусловленная диэлектриком; гд, гэл — активные сопротивления,
соответствующие потерям в диэлектрике и электролите, а Ьэ — эквивалентная
индуктивность секции и выводов
где индекс «s» — обозначает последовательно эквивалентное сопро¬
тивление;
/о	;=•
При расчетах необходимо учитывать зависимости параметров
схемы замещения от различных факторов. Значение Сд зависит от
типа конденсатора, его параметров и частоты. Индуктивность Ьэ
является стабильной величиной. Тангенс угла потерь и другие пара¬
метры имеют частотную, временную и температурную зависимости.
Кроме того, существуют технологические разбросы параметров,
носящих обычно случайный характер. Учитывая влияние указанных
факторов на проводимость конденсаторов, оценку и сопоставление
их удельных показателей при повышенных частотах следует произ¬
водить по так называемому эффективному значению емкости
1

50
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
На рис. 1.14, б качестве примера приведена зависимость относи¬
тельного значения Zq от частоты для конденсаторов типа К50-20 при
температуре окружающей среды 25 °С. Штриховой линией показана
частотная характеристика идеального конденсатора (1Э = гэ = 0).
Из приведенных зависимостей следует, что фильтрующая способ¬
ность конденсаторов К50-20 начинает снижаться при частотах свыше
10 кГц, а при частотах более 20 кГц применение их становится неце¬
лесообразным. При частотах выше указанных следует использовать
конденсаторы с органическим или керамическим диэлектриком.
Если форма переменной составляющей протекающего через кон¬
денсатор тока отлична от синусоиды, то эффективность фильтрации
конденсатора также изменяется. Например, при больших значениях
di/dt составляющие переменного напряжения на выводах конденса¬
тора, обусловленные индуктивностью L3, возрастают и могут значи¬
тельно превышать переменную составляющую напряжения непос¬
редственно на емкости Сд.
При воздействии на конденсаторы пульсаций напряжения несину¬
соидальной формы их фильтрующие и нагрузочные способности
изменяются от спектрального состава этих пульсаций. Поэтому на
некоторые типы оксидно-электролитических конденсаторов кроме
указанных выше частотных зависимостей в технических условиях
иногда приводятся номограммы, позволяющие определить допусти¬
мую амплитуду напряжения конкретной несинусоидальной формы,
например трапецеидальной, в функции частоты.
1.3.4.	Фильтрация высших гармоник тока
и напряжения
Пассивные фильтры. Традиционно для обеспечения синусоидаль¬
ности тока и напряжения в системах электроснабжения использу¬
ются пассивные фильтры, выполненные на основе индуктивных и
емкостных элементов. Принцип фильтрации пассивных фильтров
основан на зависимости сопротивлений их элементов от частоты
протекаемых в них токов и обычно на использовании явлений резо¬
нанса в последовательных и параллельных цепях, содержащих такие
конденсаторы и реакторы. Пассивные фильтры различаются боль¬
шим многообразием их схемотехнического исполнения и соответ¬
ственно частотными характеристиками. Среди фильтров, применяе¬
мых в электроэнергетике, принято различать расстроенные и под¬
строенные пассивные фильтры. Расстроенные фильтры имеют резо¬
1.3. Управление качеством электроэнергии
51
нанс на частоте ниже частоты фильтруемой гармоники. Коэффициент
Р (%), характеризующий степень расстройки, определяется из соот¬
ношения
\ 2
(1.18)
где coj И0Й — круговые частоты основной (1-й) и фильтруемой (п-й)
гармоник тока или напряжения.
Обычно значения Р находятся в диапазоне (5—15) % в зависи¬
мости от степени искажения фильтруемых параметров. Расстроен¬
ные фильтры рассчитаны не только на фильтрацию высших гармо¬
ник, но и на компенсацию реактивной мощности на частоте основ¬
ной гармоники. Поскольку частота фильтруемой гармоники расстро¬
енного фильтра лежит выше частоты его настройки, возникновение
резонанса в системе сеть — фильтр практически исключается.
Обычно основной функцией расстроенного фильтра является ком¬
пенсация реактивной мощности основной гармоники, что и опреде¬
ляет критерий выбора емкости его конденсатора. Реактор фильтра в
этом случае может рассматриваться как ограничитель тока конденса¬
тора, выполняющий функции его защиты в переходных процессах,
связанных с изменением напряжения сети.
Настроенные фильтры используются для фильтрации гармоник с
частотой, соответствующей резонансной частоте фильтра. Хотя в
этом случае также имеет место эффект компенсации реактивной
мощности основной частоты, но он не является определяющим для
выбора параметров фильтра. В этом случае критериями выбора пара¬
метров обычно является минимизация удельных массогабаритных
или стоимостных показателей фильтра. Обычно емкость конденса¬
тора в этом случае бывает значительно меньше емкости конденса¬
тора, расстроенного фильтра, рассчитанного на компенсацию реак¬
тивной мощности. Настроенные фильтры широко применяются для
обеспечения синусоидальности напряжений и токов и уменьшения
пульсации в преобразователях электрической энергии. Пассивные
фильтры являются простыми и надежными устройствами повыше¬
ния качества электроэнергии. Однако они имеют принципиальный
недостаток — неуправляемость параметров в процессе функциони¬
рования. В результате становится невозможным разрешить противо¬
речивость требований, предъявляемых к фильтрам в различных
режимах работы и производить коррекцию их параметров в процессе

52
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем..,
эксплуатации. Рассмотрим эти негативные качества пассивных филь¬
тров более подробно.
Одним из основных параметров пассивного LC-фильтра является
его добротность Q, определяемая как отношение максимальной энер¬
гии, накапливаемой в реактивных элементах (конденсаторе или реак¬
торе), к энергии, рассеиваемой в активных элементах фильтра. Из
приведенного определения следует, что добротность может быть
выражена посредством различных аналитических соотношений и, в
частности, для последовательного резонансного контура (рис. 1.15) в
виде
e = f,	(119)
где р =	—	характеристическое	сопротивление цепи; —
эквивалентное активное сопротивление фильтра.
Добротность определяет повышение напряжения на конденсаторе
Сф и реакторе Lф относительно напряжения, приложенного к цепи
фильтра. С ростом добротности крутизна зависимости полного
сопротивления от частоты возрастает, а полоса пропускания относи-
Сф
-II—.—^	1 ь-
а)
б)
Рис. 1.15. Схема замещения одночастотного пассивного фильтра (а) и зависи¬
мость сопротивления фильтра от частоты (б) для разных значений добротности Q
1.3. Управление качеством электроэнергии
53
тельно резонансной частоты сор становится более узкой. Следствием
этого является возникновение противоречий в требованиях к филь¬
тру, прежде всего, в статических, установившихся режимах работы.
С одной стороны, рост добротности повышает эффективность филь¬
трации высших гармоник на частоте настройки юр, с другой стороны,
возрастает отрицательное влияние отклонений от частоты настройки.
Такие отклонения возникают в результате старения элементов филь¬
тра или воздействия на них температуры окружающей среды. Воз¬
можно также отклонение частоты фильтруемой гармоники от значе¬
ния С0р и др. Более того, может происходить не только снижение
эффективности, но и возникновение явления «антирезонанса», при
котором происходит возрастание сопротивления фильтра на частоте
«антирезонанса» и увеличение соответствующей гармоники напря¬
жения на шинах системы электроснабжения. Это явление связано с
возникновением резонанса токов в параллельной цепи, включающей
в себя индуктивность сети Lc, к которой подключен фильтр в соот¬
ветствии с эквивалентной схемой, представленной на рис. 1.16.
Согласно этой схеме частота соар, на которой возникает «антирезо¬
нанс», при пренебрежении активным сопротивлением Rф может быть
определена из соотношения
1	(1-20)
®ар =
^ф + ^с)Сф
Из (1.20) видно, что при включении фильтра в сеть с источником
большой мощности, т.е. малой величиной Zc, частота «антирезо¬
нанса» приближается к резонансной частоте сор фильтра. В резуль¬
тате возникает возможность резкого возрастания соответствующей
Рис. 1.16. К описанию явления резонанса в сети:
а — эквивалентная схема замещения; б — частотная характеристика

54
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
гармоники напряжения и тока в сети и фильтре, которые приводят к
аварийным ситуациям из-за выхода из строя конденсатора фильтра,
пробоя изоляции и др. При этом высокое значение добротности Q
будет усугублять негативные последствия «антирезонанса».
Таким образом, уже в статических режимах возникает необходи¬
мость поиска компромиссных решений в выборе добротности пас¬
сивного фильтра. Ситуация усугубляется при анализе влияния доброт¬
ности на переходные процессы в системе электроснабжения с пас¬
сивными фильтрами. Различные возмущения в этой системе, обус¬
ловленные коммутацией нагрузки, внешними перенапряжениями,
изменением режимов работы связаны с возникновением переходных
процессов, вызывающих значительные отклонения напряжений и
токов от их установившихся значений. Наличие пассивных фильтров,
состоящих из реактивных элементов, не только приводят к увеличе¬
нию длительности этих процессов, но и к появлению значительных
перенапряжений и токовых перегрузок. При слабом демпфировании
резонансных цепей, т.е. высокой добротности фильтров, эти явления
могут способствовать возникновению аварий, приводящих к выходу
из строя всей системы электроснабжения. В этом случае компромис¬
сное решение по выбору добротности также принимается в направ¬
лении ее снижения. С учетом изложенного, на практике иногда в
состав пассивного фильтра вводят дополнительные резистивные эле¬
менты, снижающие добротность фильтра, но позволяющие исклю¬
чить возникновение опасных перенапряжений и токовых перегрузок
в системе электроснабжения.
При очевидной простоте схемотехнической реализации пассив¬
ных фильтров им присущи два основных недостатка:
ограниченность функциональных возможностей, определяемых
топологией схемы и параметрами ее элементов;
неуправляемо сть.
Указанные недостатки существенно снижают эффективность пас¬
сивных фильтров при изменении гармонического состава фильтруе¬
мых токов (напряжений), в частности, при колебаниях частоты, а
также при изменениях параметров сети, к которой они подключены.
Кроме того, переходные процессы в электрической системе могут
приводить к возникновению недопустимых перенапряжений и сверх¬
токов. Недостатком пассивных фильтров является также их чувстви¬
тельность к изменениям их собственных параметров, например,
обусловленных старением элементов и др.
Активные фильтры в отличие от пассивных содержат управляе¬
мые элементы, например, транзисторы, позволяющие управлять час¬
тотными характеристиками фильтра. Однако элементная база элект¬
1.3. Управление качеством электроэнергии
55
роники до недавнего времени не позволяла создавать активные филь¬
тры для нужд силовой электроники.
В начале 70-х годов XX в. были созданы первые маломощные
активные фильтры на основе аналоговых интегральных микросхем.
Они получили практическое применение в микроэлектронных уст¬
ройствах для систем информатики и управления.
Современное поколение полностью управляемых, быстродейству¬
ющих ключей (на транзисторах и запираемых тиристорах) стало осно¬
вой для разработки нового вида силовых электронных устройств —
силовых активных фильтров. Согласно определению Международ¬
ной электротехнической комиссии (МЭК) активным (силовым) филь¬
тром называется преобразователь для фильтрации. Этот термин явля¬
ется очень общим и не отражает существенных признаков фильтра.
Но прежде чем дать более конкретное определение необходимо ука¬
зать границы области устройств, адекватных новому термину. Во-
первых, следует отметить, что речь идет о фильтрах переменного
тока, поскольку в силовых цепях постоянного тока активные филь¬
тры не получили широкого практического применения и использу¬
ются преимущественно во вторичных источниках питания относи¬
тельно малой мощности. При этом их основой, как правило, является
не преобразователь, а усилитель электрических сигналов. В дальней¬
шем для этой категории фильтров будем использовать термин
«активные фильтры постоянного тока». С учетом изложенного
можно дать следующее, более конкретное, определение активных
фильтров. Активным (силовым) фильтром (АФ) называется преобра¬
зователь переменного/постоянного тока с емкостным или индуктив¬
ным накопителем электрической энергии на стороне постоянного
тока, формирующий методами импульсной модуляции усредненное
значение тока (напряжения), равное разности нелинейного (фильтру¬
емого) тока или напряжения и синусоидального тока (напряжения)
его основной гармоники.
Естественно, что активную фильтрацию могут выполнять и дру¬
гие устройства с более широкими функциями. Например, преобразо¬
ватель может выполнять одновременно функции компенсатора реак¬
тивной мощности основной гармоники и фильтрации высших гармо¬
ник. В таких случаях следует указывать на расширение функций
электронного устройства, называя его, например, фильтр-компенса¬
тор. Рассмотрим принцип действия АФ более подробно.
В зависимости от схемы и принципов управления АФ принято
разделять на источники тока и источники напряжения. На рис. 1.17
приведены упрощенные эквивалентные схемы включения активных
фильтров в виде источников напряжения иАФ и источников тока /Аф.

56
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
©-
а)
Нагрузка
(0_^_
>■ Нагрузка
б)
Рис. 1.17. Упрощенная эквивалентная схема включения АФ:
а — последовательное включение АФ источника напряжения иАФ; б — параллель¬
ное включение АФ источника тока *АФ
В схеме на рис. 1.17, а источник электропитания ис имеет несинусои¬
дальное напряжение. Для обеспечения синусоидальности напряже¬
ния на шинах нагрузки wH последовательно с источником питания
включается активный фильтр, представленный эквивалентным
источником напряжения иАф. Для этой схемы можно записать в
общем виде следующие соотношения
и„($) = ^жвтСд-ф!);
ОО
= I Unmsin№ - фи);
п= 1
(1.21)
или
мн(Э) = мс(^) - мАф(^)>
где фЛ — угловая частота п-й гармоники.
1.3. Управление качеством электроэнергии
57
Полагая потери в АФ и его элементах равными нулю, а нагрузку
линейной, получим активную мощность АФ на интервале периода
основной гармоники
2 к „
АФ
-М?.
пт\sin($ - Фг1) ёв = 0, (1.22)
„„«sin(и» - Ф„)]/,
о "п ф 1
где Inmi и фд — амплитуда и фазовый угол тока линейной нагрузки,
который является синусоидальным.
Из (1.22) следует, что при принятых допущениях АФ не влияет на
баланс активной мощности в системе: источник — нагрузка. В то же
время он непосредственно участвует в обмене мощностью искаже¬
ния с источником несинусоидального напряжения. Мощность иска¬
жения является неактивной и контуром ее циркуляции в рассматри¬
ваемом случае является: источник искажения — участок электриче¬
ской линии, соединяющей источник и АФ. В последнем элементом,
принимающим и отдающим энергию, обусловленную искажением
напряжения, является накопитель электрической энергии — конден¬
сатор или реактор.
Для фильтрации несинусоидального тока /н, создаваемого, как
правило, нелинейной нагрузкой, используются АФ, формирующие
несинусоидальный ток, равный разности фильтруемого тока /н и тока
его основной гармоники zHl. Обычно такой АФ подключается парал¬
лельно к нелинейной нагрузке. При этом место подключения АФ
выбирается из условия максимальной его близости к шинам нагрузки
(рис. 1.17, б). С учетом ранее принятого допущения об отсутствии
потерь мощности в АФ, можно записать
со
гн(д)= Е7»т81п(«э-фгй);
п= 1
гАф(^)= Z
пФ 1
*с(») = г'н(»)
2к
(1.23)
х sin(& - фг1) d» = О,
где 1тп и q>in — амплитуда и фазовый угол п-й гармоники тока АФ.

58
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
Согласно (1.23) параллельный АФ, работающий в режиме форми¬
рования тока, компенсирующего искажения тока нагрузки, также не
влияет на баланс активной мощности в системе источник —
нагрузка. Но в отличие от последовательно включаемого АФ обмен
мощностью искажения происходит между нелинейной нагрузкой и
АФ.
Соотношения (1.22) и (1.23) показывают, что в качестве АФ могут
использоваться преобразователи переменного/постоянного тока, спо¬
собные формировать на стороне переменного тока несинусоидаль¬
ный ток или напряжение по заданному закону. При этом для обмена
энергией неактивной мощности для сети с источниками искажения
на стороне постоянного тока преобразователя могут быть включены
емкостные или индуктивные накопители энергии. Очевидно, что
такие АФ в общем случае могут выполнять функции обмена неактив¬
ной мощностью, включающей в себя реактивную мощность основ¬
ной гармоники. Учитывая, что среднее значение мощности на сто¬
роне переменного тока АФ за период основной гармоники при при¬
нятых допущениях равно нулю, необходимость в источнике или пот¬
ребителе активной мощности на стороне постоянного тока АФ
отсутствует. Очевидно, что преобразователи, формирующие задан¬
ный несинусоидальный ток или напряжение, должны выполняться на
основе полностью управляемых, быстродействующих ключей, поз¬
воляющих использовать методы импульсной модуляции.
Гибридные фильтры. С развитием теории и расширения практики
использования методов активной фильтрации появилась возмож¬
ность управления параметрами пассивных фильтров. Целесообраз¬
ность практического применения методов активной фильтрации для
этих целей становится очевидной, если принять во внимание следу¬
ющие обстоятельства. Во-первых, чисто активные силовые фильтры
имеют большую установленную мощность их элементов, так как рас¬
считаны на работу с напряжениями и токами, максимальные значе¬
ния которых определяются полной мощностью нелинейной
нагрузки, создающей высшие гармоники тока. Поэтому высокая сто¬
имость активных фильтров ограничивает их применение. Во-вторых,
пассивные фильтры, являясь традиционным средством повышения
качества электроэнергии, не требуют создания новых технологий для
их изготовления и входят в состав практически всех эксплуатируе¬
мых энергосистем. С учетом изложенного в последние годы стали
разрабатываться различные методы управления пассивными филь¬
трами на основе применения активных фильтров, выполняющих
роль исполнительного органа регулятора параметров пассивного
1.3. Управление качеством электроэнергии
59
фильтра. При этом установленная мощность активной части снижа¬
ется более чем на порядок по сравнению с параллельным активным
фильтром и становится возможным устранить противоречие между
высокой величиной добротности пассивного фильтра и его устойчи¬
востью в динамических режимах работы. Кроме тока появляется воз¬
можность автоматической коррекции параметров фильтра в процессе
эксплуатации. Фильтр, выполненный на основе пассивного фильтра с
активной частью, подобной активному фильтру, принято называть
гибридным. Но международными стандартами по терминам силовой
электроники этот термин к настоящему времени не введен.
Принцип действия гибридного фильтра (ГФ) основан на форми¬
ровании силовым электронным устройством в цепях пассивных
фильтров токов и напряжений, изменяющих частотные характерис¬
тики фильтра в целом для повышения его эффективности. В качестве
электронного устройства, формирующего токи и напряжения в ГФ,
используются устройства, выполненные по схеме активных филь¬
тров, т.е. на полностью управляемых преобразователях перемен¬
ного/постоянного тока с импульсной модуляцией. Типовые варианты
подключения активной части фильтра к пассивной представлены на
рис. 1.18, из которого видно, что существуют два основных способа
подключения: параллельный (рис. 1.18, а, в) и последовательный
(рис, 1.18, б, г). Наибольшее распространение получили параллель¬
ные способы подключения активной части к пассивной. Формирова¬
ние модулированных значений напряжения или тока на стороне пере¬
менного тока активной части фильтра можно рассматривать как
изменение мгновенного значения ее входного сопротивления ^Аф(/),
обусловленного усредненными модулированными значениями /Аф(0
и ^аф(0- Для активной части с емкостным накопителем это сопротив¬
ление может быть выражено в виде
ZA®(0 = 1—— = ——77Г ’	О-24)
цАф(?) _ иыт(*)
;Аф(^) i Лф(!^
где m(t) — модулирующая функция (гладкая составляющая); Ud —
среднее значение напряжения на стороне постоянного тока активной
части (на емкостном накопителе).
Из (1.24) следует, что можно при соответствующей модулирую¬
щей функции m(t) обеспечить —^— , что будет эквивалентно актив-
си
ному сопротивлению R3. Причем, значение его может быть как поло-

60
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем..,
Рис. 1.18. Схемы подключения активной части фильтра к пассивной
жительным, так и отрицательным. Положительное значение R3 соот¬
ветствует потреблению энергии из накопителя, а отрицательное — ее
истоку. Изменению zm(t) с усредненным интегральным значением
за период основной частоты, равным нулю, соответствует обмен
неактивной мощностью (реактивной на частоте основной гармоники
и мощностью искажения) между активной частью фильтра и систе¬
мой, содержащей его пассивную часть. Таким образом, управляя
функцией m(t)9 можно получить изменение zm{t), обеспечивающее
получение желаемой частотной характеристики ГФ. Подобное
управление можно рассматривать как введение в пассивный фильтр
эквивалентного полного сопротивления, виртуального по природе,
но эффективного по результатам управления. Основными ограниче¬
ниями для решения задач в рассматриваемом случае являются частот¬
ные характеристики ключей и емкость накопителя. Последняя огра¬
ничивает скорость стока или истока энергии при реализации актив¬
ного сопротивления. Характер эквивалентного сопротивления zAO(0
определяется топологией ГФ, местом подключения активной его
части, входным сигналом регулятора и модулирующей функцией.
1.3. Управление качеством электроэнергии
61
Следует отметить, что место этого сопротивления в эквивалентной
схеме не обязательно совпадает с местом его фактического подклю¬
чения в реальной схеме, что не противоречит теории электрических
цепей.
Наличие в ГФ регулятора на основе схемы активного фильтра поз¬
воляет решить следующие задачи:
повысить эффективность фильтрации в статических режимах
работы посредством коррекции его частотной характеристики;
уменьшить негативное влияние изменения параметров фильтра и
отклонения частоты фильтруемой гармоники в процессе эксплуата¬
ции;
исключить возникновение «антирезонанса» в системе электро¬
снабжения на частотах, близких к частоте фильтруемой гармоники;
демпфировать нежелательные резонансные явления, обусловлен¬
ные пассивными элементами фильтров;
снизить гармонические составляющие тока сети, обусловленные
различными источниками высших гармоник.
Задачи, решаемые ГФ, связаны со спектральным составом вход¬
ного сигнала регулятора. Для повышения качества фильтрации пас¬
сивным фильтром на частоте его настройки достаточно отрабатывать
только гармонику входного сигнала этой частоты. В этом случае
установленная мощность активной части фильтра значительно
меньше, чем в случае отработки сигнала во всем его частотном спек¬
тре. Кроме того, упрощается процедура модуляции сигнала. В то же
время демпфирование активной частью резонансных явлений в сис¬
теме возможно только при использовании широкого спектра вход¬
ного сигнала регулятора ГФ. Методы регулирования и схемотехни¬
ческие варианты их реализации для ГФ отличаются значительным
разнообразием, но имеют много общего с активными фильтрами.
1.3.5.	Несимметрия токов
В трехфазных сетях несимметричное распределение нагрузки по
фазам приводит к негативному влиянию на работу сетей электро¬
снабжения. Несимметричная токовая загрузка приводит к возникно¬
вению несимметрии напряжения, росту потерь мощности, наруше¬
нию работы электрических двигателей и др.
Традиционно возникновение несимметрии устраняется посред¬
ством включения конденсаторов с емкостями, значения которых поз¬
воляют уменьшить несимметрию токов нагрузки для источника трех¬
фазного напряжения. Этот метод имеют ограниченные возможности

62
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
симметрирования токов из-за затруднительного дискретного подбора
конденсаторов для разных случаев несимметрии.
Плавное регулирование реактивной мощности с помощью ком¬
пенсаторов на базе тиристоров не получило широкого распростране¬
ния из-за ограниченных возможностей ее реализации [1.12].
Новым и перспективным способом симметрирования нагрузки
является использование статического компенсатора реактивной мощ¬
ности типа СТАТКОМ [1.6, 1.15]. Рассмотрим этот способ более под¬
робно.
Метод симметричных составляющих трехфазного тока позволяет
разложить любую несимметричную систему трех векторов на сим¬
метричные системы прямой, обратной и нулевой последовательно¬
стей векторов. Этот метод позволяет выразить токи в каждой из фаз
через общие параметры /1? /2, /0, ф19 ср2> Фо (Л> А) — токи пРям°й,
обратной и нулевой последовательностей; ф1? ф2, Фо — углы фазо¬
вого сдвига прямой, обратной и нулевой последовательностей тока).
Мгновенную мощность трехфазной системы электропередачи
можно представить в виде:
s(t) = sA(t) + Sg(t) + s^t) = uA(t)iA(t) + uB(t)iB(t) + uc(t)ic(t\ (1.25)
где s(t) — мгновенная мощность трехфазной системы; sA(t), sB(t),
sc(t) — мгновенные значения мощностей каждой фазы в отде¬
льности; uA(t), uB(t), uc(t) — мгновенные значения фазных напряже¬
ний сети; iA(t), iB(t), ic{t) — мгновенные значения фазных токов. Эти
мощности содержат постоянную и переменную, колебательную,
составляющие.
Для устранения колебательной составляющей мощности доста¬
точно свести к нулю токи обратной последовательности. При устра¬
нении токов обратной последовательности компенсирующим уст¬
ройством распределение потоков мощностей будет выглядеть так,
как это показано на рис. 1.19.
Рассмотрим подробней работу компенсирующего устройства (КУ)
в режиме генерации тока обратной последовательности для конкрет¬
ного случая несимметрии. На рис. 1.20 для каждой фазы приведены
диаграммы, показывающие результаты операций обратной последо¬
вательности тока с прямой последовательностью фазных напряже¬
ний сети в каждой из фаз по отдельности. Такими результатами опе¬
раций являются результаты вычисления активной и реактивной мощ¬
ности по каждой из фаз компенсирующего устройства.
1.3. Управление качеством электроэнергии
63
Рис. 1.19. Распределение потоков мощностей при компенсации тока обратной
последовательности:
s — мгновенная мощность прямой последовательности; J — мгновенная мощ¬
ность обратной последовательности
Из представленных диаграмм видно, что потребление активной и
генерирование реактивной мощностей — в фазе А, потребление
активной и реактивной мощностей — в фазе В, генерирование актив¬
ной мощности — в фазе С. Вычисление активной и реактивной мощ¬

64
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем..,
ностей для всей системы в целом, приведет к равенству этих мощ¬
ностей нулю:
Р = Рл+рв + ^с = 0; 1
А (1.26)
Q = Qa + Qb + Qc = ° J
Полученные равенства позволяют сделать вывод, что при проте¬
кании в фазах КУ тока обратной последовательности устройству
компенсации не требуется активная мощность. Отсутствие потреб¬
ности в активной мощности для компенсации тока обратной после¬
довательности подтверждает возможность применения в качестве
регулятора небаланса токов статического компенсатора реактивной
мощности (СТАТКОМ).
Устранение колебательной мощности в трехфазных сетях с нуле¬
вым проводом не достаточно для обеспечения симметрии токов сети.
Для устранения нулевой последовательности из тока сети необхо¬
димо обеспечить контур протыкания нулевой последовательности от
нагрузки через КУ (рис. 1.21).
Компенсация тока нулевой последовательности не требует актив¬
ной мощности, и при анализе протекания токов таким же образом,
как и на рис. 1.20 мы получим такие же равенства аналогичные
(1.26). При этом потребуется дополнительный узел соединения ней¬
трального проводника со СТАТКОМ. В этом случае СТАТКОМ спо-
Рис. 1.21. Обеспечение контура для тока в нейтрали с помощью КУ:
IN — ток в нейтрали
1.3. Управление качеством электроэнергии
65
Рис. 1.22. Структурная схема КТН
собен работать в комбинированном режиме устранения токов и
обратной, и нулевой последовательностей.
Следовательно компенсатор токов небаланса (КТН) может быть
выполнен на основе статического компенсатора реактивной мощ¬
ности, работающего в режиме компенсации токов несимметрии.
Компенсатор токов небаланса подключается параллельно к сети
между сетью и нагрузкой. Для наибольшей эффективности компенса¬
тор необходимо размещать как можно ближе к компенсируемой
нагрузке. На рис. 1.22 изображен КТН для случая трехфазной сети
с нейтралью N. Для этого используют схему с разделенными конден¬
саторами, между которыми подключается нейтральный проводник.
Принцип действия КТН заключается в генерировании токов
обратной и нулевой последовательностей в противофазе соответству¬
ющим токам сети. Таким образом, при несимметричном распределе¬
нии нагрузки по фазам обеспечивается протекание симметричных
токов сети и устранение тока в нейтральном проводнике между КТН
и сетью.
1.3.6.	Источники бесперебойного питания
Источником (электронным) бесперебойного питания (ИБП) назы¬
вается совокупность полупроводниковых преобразователей и нако¬
пителя электроэнергии, обеспечивающих непрерывное электроснаб¬
жение потребителя при выходе за норму параметров основной сети
питания. Наиболее широкое применение получили ИБП переменного
тока. Структуры ИБП и электрические системы на их основе разно¬

66
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем..,
образны. Наиболее распространенными основными структурами
ИБП являются:
с постоянным питанием нагрузки (англ. on-line);
с подключением ИБП при выходе параметров сети за норму (англ.
off-line)-,
с питанием нагрузки через регуляторы качества электроэнергии и
переключение питания нагрузки на ИБП при выходе параметров сети
за норму (англ. line interactive).
Эти структурные схемы представлены на рис. 1.23. Первая струк¬
тура (рис. 1.23, а) включает выпрямитель В, инвертор И и аккумуля¬
торную батарею АБ, подключенную к шинам постоянного тока.
Нагрузка получает питание постоянно от ИБП. При этом напряжения
питания АБ обычно ниже минимально допустимого уровня напряже¬
ния на шинах постоянного тока. Качество электроэнергии на
нагрузке определяется инвертором. В случае исчезновения напряже¬
ния в сети, электроэнергия потребителю поступает от АБ через
Сеть
а)	б)
в)
Рис. 1.23. Структурная схема ИБП:
а — с постоянным питанием нагрузки от ИБП; б — с подключением ИБП; в —
с регулятором PH и переключением нагрузки на ИБП; В — выпрямитель; И —
инвертор; Н — нагрузка; АБ — аккумуляторная батарея; PH — регулятор напряже¬
ния; SI, S2 — статические коммутационные ключи
1.3. Управление качеством электроэнергии
67
инвертор. Для вывода в ремонт ИБП, при кратковременных перегруз¬
ках и в различных аварийных случаях может быть использована
обводная сеть переменного тока резервного источника питания. Оче¬
видно, что ИБП с этой структурой может обеспечить бесперебойное
электроснабжение потребителя электроэнергией с высоким качест¬
вом, определяемым инвертором. Кратковременные провалы напря¬
жения на шинах потребителя могут быть в этой структуре полностью
исключены за счет автоматического ввода в работу АБ в режиме горя¬
чего резерва. Но в то же время платой за бесперебойное электроснаб¬
жение является двойное преобразование электроэнергии и, следова¬
тельно, понижение надежности и снижение коэффициента полезного
действия (КПД).
В ИБП, выполненном в соответствии со структурой, представлен¬
ной на рис. 1.23, б, постоянное электроснабжение осуществляется от
сети переменного тока. При выходе ее параметров за норму происхо¬
дит подключение инвертора, работающего в дежурном режиме.
Время подключения зависит от инерционности датчиков сетевого
напряжения и времени переключения нагрузки с сети на инвертор.
При применении безынерционных датчиков и статических коммута¬
ционных ключей S1 и S2 это время может не превышать половины
периода напряжения питающей сети. Выполненный по этой струк¬
туре ИБП имеет меньшую стоимость по сравнению с первой структу¬
рой. Но качество электроснабжения в основном будет определяться
качеством электроэнергии в сети. Кроме того, переключение
нагрузки с сети на инвертор требует времени, которое может ока¬
заться для потребителя недопустимым.
Третья структура в классическом варианте сходна со второй
(рис. 1.23, в). Отличие заключается в использовании ИБП в качестве
регулятора качества электроэнергии или кондиционера сети. Функ¬
ции таких кондиционеров могут выполнять различного рода регуля¬
торы напряжения PH и др. Но с промышленным внедрением АФ
стали создаваться структуры, в которых инвертор выполняет функ¬
ции АФ. В этом случае он обеспечивает компенсацию неактивной
мощности, включающей в себя реактивную мощность и мощность
искажения, создаваемую нелинейной нагрузкой. Таким образом,
инвертор в дежурном режиме выполняет функции АФ. При выходе
параметров сети за норму, инвертор принимает на себя функции не
только неактивной, но и активной мощности. В такой структуре
повышается надежность системы за счет постоянного функциониро¬
вания инвертора и обеспечивается переход нагрузки с сети на инвер¬
тор практически без значительного изменения напряжения. Указан¬

68
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
ная структура может работать также аналогично ОРПМ при включе¬
нии последовательного регулятора напряжения. Следовательно, ИБП,
выполненный по третьей структуре, в настоящее время является
наиболее рациональным источником бесперебойного электроснабже¬
ния потребителей.
В настоящее время области применения ИБП разнообразны и рас¬
ширяются. Основными потребителями традиционно являются объ¬
екты централизованного управления, содержащие средства связи и
автоматики, например, крупных аэропортов, атомных электростан¬
ций и др. Однако необходимость автономного, независимого элект¬
роснабжения стала расти с увеличением дефицита электроснабжения
в ряде стран и переходом на рыночные отношения. С другой сто¬
роны, массовая компьютеризация и автоматизация различных сфер
деятельности в развитых странах обострила потребность в беспере¬
бойном электроснабжении. Продажи ИБП в мире увеличивают еже¬
годно примерно на 10 % от общего количества продаваемых систем.
Лидерами среди производителей являются США, Европа и Япония,
которые производят свыше 99 % систем ИБП. При этом основная
часть производимых ИБП рассчитана на мощность до 30 кВ • А, что
свидетельствует об использовании их в основном для бесперебой¬
ного питания наиболее критичных к исчезновению электроэнергии
потребителей: компьютеров, средств управления и др.
До создания полностью управляемых, быстродействующих полу¬
проводников ключей, для обеспечения бесперебойного электроснаб¬
жения широко использовались электромашинные агрегаты. Послед¬
ние обычно объединяли на одном валу электрические двигатели
переменного и постоянного тока с генератором, питающим нагрузки.
В качестве резервных источников питания также использовались
аккумуляторные батареи (АБ). Преимуществом электромашинного
преобразователя являлась его инерционность, которая позволяла
обеспечить защиту потребителей от кратковременных отклонений
напряжения сети от нормы, включая провал напряжения до нуля в
течение нескольких секунд. При более длительном исчезновении
напряжения сети при необходимости осуществляется переход на
питание от резервного источника, например дизель-электрического
генератора. Сейчас, как правило, используют ИБП на основе полу¬
проводниковых преобразователей. Помимо последних они обяза¬
тельно содержат АБ и часто компьютеризированную систему управ¬
ления и контроля. Последняя функционирует на основе единого про¬
токола управления ИБП через микропроцессорную или компьютер¬
ную систему. Протокол, выполнен по типовой программе и является
1.3. Управление качеством электроэнергии
69
для пользователей общепризнанным документом по эксплуатации
систем с ИБП.
В зависимости от типа АБ в составе ИБП используются различ¬
ные резервные средства. В первую очередь, тип АБ определяет тре¬
бования к его зарядному устройству. Обычно зарядное устройство
выполняется на управляемых выпрямителях с ограничением и авто¬
матическим регулированием тока длительности и значения тока
заряда АБ. Функцию последней могут выполнять различные хими¬
ческие источники тока, которые не требуют применения зарядных
устройств. В качестве резервного источника питания могут также
использоваться различные нетрадиционные источники получения
электроэнергии. Некоторые типы АБ требуют при введении их в экс¬
плуатацию проведения зарядно-разрядных циклов. В этом случае
успешно используются обратимые преобразователи перемен¬
ного/постоянного тока. Они позволяют проводить в автоматическом
режиме разряд АБ, переключая их работу с выпрямительного режима
на инверторный. При этом энергия АБ начинает поступать в сеть.
Длительность разряда и значение разрядного тока устанавливаются
оператором с учетом конкретных требований к разряду АБ. Сам же
процесс разряда происходит автоматически так же, как и процесс
заряда АБ.
В ряде случаев для потребителей, способных функционировать на
постоянном токе, могут быть использованы ИБП постоянного тока.
Обобщенный ИБП постоянного тока состоит из выпрямителей и
накопителя электрической энергии — АБ. Выпрямитель В1 получает
питание от общей сети переменного тока, а выпрямитель В2 — от
резервной. Они объединены шинами постоянного тока, к которым
через электронный ключ S или постоянно подключена АБ (Н1—
Н4 — нагрузка ИБП). Отметим, что организация совместной или
параллельной работы выпрямителей существенно проще, чем инвер¬
торов. От первых требуется только равенство средних напряжений
постоянного тока, а от инверторов И1—ИЗ — равенство выходных
напряжений по модулю, частоте и фазе. К общим шинам бесперебой¬
ного электроснабжения постоянным током могут быть при необходи¬
мости подключены инверторы. Такая структура будет соответство¬
вать ИБП постоянного и переменного токов (рис. 1.24).
Ранее отмечалось, что ИБП находят широкое применение для бес¬
перебойного электроснабжения информационных систем управле¬
ния, связи, сигнализации и др. В этом отношении показательным
является пример их использования в так называемых «интеллекту¬
альных зданиях» (ИЗ) [1.9]. Эти здания оборудованы объединенной

70
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
И1
НЗ
В2
Резервная
-W-
ИЗ
ВЗ
Н4
АБ
Рис. 1.24. Обобщенная структура ИБП постоянного и переменного тока
системой информации, управления и др. Как правило, такие системы
автоматизированы и содержат компьютеры. При этом ряд подсистем
относят к потребителям электроэнергии категории А. В первую оче¬
редь, к таким подсистемам относятся средства информации и теле¬
коммуникаций без накопителей электроэнергии в их блоках питания.
Для обеспечения их функционирования требуется бесперебойное
электроснабжение высокого качества. Фактически это требование
означает безразрывность мгновенного значения напряжения с несу¬
щественными отклонениями его от синусоиды в динамических
режимах. В то же время блоки питания электронной аппаратуры в
настоящее время выполняются по «бестрансформаторной» схеме, в
которой переменное напряжение сети непосредственно выпрямля¬
ется, а затем преобразуется и распределяется на повышенной час¬
тоте. Это вызывает искажение тока, питающего эти блоки, и требует
соответствующей фильтрации его высших гармоник. Современные
инверторы позволяют сохранить синусоидальную форму выходного
напряжения при нелинейной нагрузке, искажающей потребляемый
ток. Поэтому для питания таких подсистем эффективно могут быть
применены ИБП различного типа в зависимости от технических тре¬
бований к их питанию. Обычно ИЗ используются в качестве цент¬
1.3. Управление качеством электроэнергии
71
ральных учреждений крупных организаций и мощность их электро¬
снабжения в целом, включая вспомогательные службы и устройства,
велика. Общая мощность потребителей, требующих бесперебойного
электроснабжения, достигает несколько сотен киловатт и более. Для
сокращения сроков разработки систем бесперебойного электроснаб¬
жения в настоящее время основные компании производства ИБП
используют модульный принцип. Согласно ему создается энергети¬
ческий массив (англ. array) ИБП требуемой мощности [1.9]. Мощ¬
ность одного модуля обычно лежит в диапазоне от 0 до 40 кВ • А.
Модульная конструкция ИБП позволяет успешно решать многие
задачи, включая частичное резервирование модулей.
В качестве резервного источника переменного тока ИЗ содержат
автоматизированные дизель-генераторные установки (ДГУ). Для
перехода на резервные источники в ИЗ используются устройства
автоматического включения резерва (АВР). Для ускорения времени
перехода на резервную сеть используются тиристорные переключа¬
тели, максимальное время переключения которых не превышает 10 мс
для несинхронных сетей. Для повышения надежности переключения
могут также использоваться электромеханические АВР на автомати¬
ческих выключателях с электроприводом, которые исключают воз¬
можность замыкания между собой двух сетевых входов [1.9].
Контроль за состоянием параметров ИБП в ИЗ осуществляется с
применением локального и удаленного пунктов обслуживания, а
также мобильного доступа в Интернет. При локальном контроле в
основном используются панели со светодиодными индикаторами, а
для дистанционного управления и контроля используется релейный
интерфейс, использующий «сухие» контакты. Состояние контактов
реле для передачи в локальные и удаленные сети обслуживания
могут быть адаптированы с выходами сетевых адаптеров, поддержи¬
вающих общепринятый для управления и контроля сетевой протокол
SNMP, о котором было сказано в этом подразделе. Отдельные фирмы,
поставляющие ИБП, выпускают специальные карты для контроля
состояния удаленных станций локальной сети через Интернет [1.11].
Контрольные вопросы к главе 1
1.	Какие основные направления развития электроэнергетики?
2.	Перечислите основные отличия энергосистем Западной Европы и США от
энергосистем России.
3.	В чем состоит комплексность преобразования энергосистемы по иннова¬
ционному направлению Smart Grid?
4.	Перечислите основные показатели качества электроэнергии.

72
Глава 1. Основные задачи и методы совершенствования систем...
5.	Приведите примеры нелинейных нагрузок, вызывающих искажение токов
сети.
6.	Поясните принцип действия статических регуляторов качества ЭЭС.
7.	Как осуществляется регулирование потоков электроэнергии в ЭЭС?
8.	Сформулируйте понятие надежности ЭЭС.
9.	Как влияет качество электроэнергии на надежность ЭЭС.
Список литературы к введению и главе 1
1.1.	Кобец Б.Б., Волкова И.О. Инновационное развитие электроэнергетики
на базе концепции Smart Grid. М.: ИАЦ Энергия, 2010.
1.2.	Сильное регулирование возбуждения и асинхронизированные машины.
М.: Изд-во Торус Пресс, 2011.
1.3.	Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения:
учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2007.
1.4.	Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей /
под ред. А.М. Брянцева. М.: Знак, 2004.
1.5.	Rashid Muhammed Н. Power Electronics Handbook. USA: Academic Press,
2001.
1.6.	Бурман А.П., Розанов Ю.К., Шакарян Ю.Г. Гибкие линии электропе¬
редачи // Электротехника. 2005. № 8.
1.7.	Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, В.Н. Тульский,
Р.Г. Шамонов и др.; под ред. Ю.В. Шарова. М.: Издательский дом МЭИ, 2006.
1.8.	Баков Ю.В. Мощность переменного тока. Иваново: Ивановский гос.
энерг. ун-т., 1999.
1.9.	Русин Ю.С., Гликман И.Я., Горский А.Н. Электромагнитные элементы
радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. М.: Радио и связь, 1998.
1.10.	Daan van Wyk J., Lee F.C., Boroyevich D. Power electronics technology:
present trends and future developments // Proceedings of the IEEE. 2001. Vol. 89. № 6.
P. 799—802.
1.11.	Розанов Ю.К., Рябчицкий M.B., Кваснюк A.A. Силовая электроника:
учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2007.
1.12.	Розанов Ю.К., Киселев М.Г. Анализ режимов работы статического
компенсатора реактивной мощности в режиме симметрирования нагрузки //
Электричество. 2012. № 3.
1.13.	Статические преобразователи в системах электроснабжения постоян¬
ного тока / В.А. Окунев, Ю.К. Розанов, А.М. Сухинин и др. // Электротехника.
1981. №8.
1.14.	Воробьев А.Ю. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникаци¬
онных систем. М.: Эко-Трендз, 2002.
1.15.	Кочкин В.И., Шакарян Ю.Г. Управляемые электропередачи перемен¬
ного тока. М.: Изд-во Торус Пресс, 2011.
Глава 2
СОВРЕМЕННАЯ СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
В УПРАВЛЕНИИ ПОТОКАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
2.1.	Многофункциональный преобразователь
управления потоками электроэнергии
В 60-х годах XX века был создан тиристор и появились большие
надежды на его успешное использование в электроэнергетике. Час¬
тично они оправдались и привели к созданию многих новых эффек¬
тивных устройств в этой области. Но их неполная управляемость
порождала новые проблемы. Например, внедрение мощных выпря¬
мителей в металлургии, на транспорте и других отраслях привело к
существенным искажениям токов и напряжений в системах электро¬
снабжения (СЭС), которые и сегодня являются трудно разрешимыми
проблемами для многих потребителей.
В конце XX века появились мощные полностью управляемые,
полупроводниковые приборы (силовые электронные ключи) — GTO,
IGCT, IGBT и др. Одновременно принципиально новые аппаратные и
схемотехнические решения созданы в информационных техноло¬
гиях. Это позволяет сегодня перейти на новые принципы создания
систем управления устройствами, созданными на базе силовых пол¬
ностью управляемых электронных ключей.
Основой многочисленных устройств для управления потоками
электроэнергии может стать многофункциональное устройство с
базовой схемой переменного/постоянного тока, выполненное на пол¬
ностью управляемых ключах. Оно сможет выполнять следующие
функции:
выпрямление;
инвертирование:
генерирование или потребление реактивной мощности;
активную фильтрацию высших гармоник тока или напряжения;
регулирование коэффициента мощности.
Возможность реализации этих функций обеспечивается полной
управляемостью электронных ключей на повышенной частоте. Эти
качества определяют работу преобразователя с традиционной схемой
выпрямления (инвертирования) в четырех квадрантах комплексной
плоскости переменных на стороне переменного тока преобразова¬
теля. При этом можно осуществлять импульсную модуляцию преоб¬

74 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
разуемых параметров по заданным законам. В результате стало воз¬
можным не только обеспечить синусоидальность токов и напряже¬
ний на входе и выходе преобразователя, но и осуществлять их актив¬
ную фильтрацию в сети. В гл. 2 эти методы и процессы, связанные с
ними, рассматриваются более подробно [1.11, 1.15].
2.2.	Импульсная модуляция в преобразователях
переменного/постоянного тока
Согласно определению МЭК 551-16-30, широтно-импульсной
модуляцией (ШИМ) называется импульсное управление, при кото-
ром ширина или частота импульсов, или и та и другая модулируются
в пределах периода основной частоты для того, чтобы создать опре¬
деленную форму кривой выходного напряжения. В большинстве слу¬
чаев ШИМ осуществляется в целях обеспечения синусоидальности
напряжения или тока, т.е. снижения уровня высших гармоник отно¬
сительно основной (первой) гармоники и называется синусоидаль¬
ной. Обычно на практике различают следующие основные методы
обеспечения синусоидальности:
синусоидальная ШИМ и ее модификации;
избирательное (селективное) подавление высших гармоник;
«гистерезисная» или «дельта» модуляция;
модуляция пространственного вектора.
Классическим вариантом организации синусоидальной ШИМ
является изменение ширины импульсов, формирующих выходное
напряжение (ток) посредством сравнения сигнала напряжения задан¬
ной формы, называемого опорным или эталонным, с сигналом напря¬
жения треугольной формы, имеющим более высокую частоту и назы¬
ваемым несущим сигналом. Опорный сигнал является модулирую¬
щим и определяющим требуемую форму выходного напряжения
(тока). В рассматриваемом случае этот сигнал имеет синусоидаль¬
ную форму и частоту основной (первой) гармоники формируемого
напряжения или тока. Существует много модификаций этого метода,
в которых модулирующие сигналы представлены специальными
функциями, отличными от синусоиды. Но при этом цели по сниже¬
нию уровня определенных гармоник успешно достигаются.
Метод избирательного подавления высших гармоник в настоящее
время успешно реализуется средствами микропроцессорных конт¬
роллеров на основе соответствующего программного обеспечения.
Третий метод основан на принципах релейного слежения за опор¬
ным сигналом, например, синусоидальной формы. В простейшем
2.2. Импульсная модуляция в преобразователях...
75
техническом исполнении этот метод сочетает принципы ШИМ и час¬
тотно-импульсной модуляции (ЧИМ). Однако посредством специаль¬
ных схемотехнических мер возможно стабилизировать частоту моду¬
ляции или ограничить диапазон ее изменения.
Последний метод является сравнительно новым, связанным с раз¬
витием микропроцессорной техники и считается весьма перспектив¬
ным для управления трехфазными инверторами, в частности, при
использовании их в области электропривода. В то же время он во
многом сходен с традиционной синусоидальной ШИМ.
Системы управления на основе ШИМ позволяют не только обес¬
печить синусоидальную форму усредненных значений основной гар¬
моники напряжения или тока, но и управлять значениями ее ампли¬
туды, частоты и фазы. Так как в этих случаях в преобразователе
используются полностью управляемые ключи, то становится воз¬
можным реализовать работу преобразователей переменного/постоян¬
ного тока совместно с сетью переменного тока во всех четырех квад¬
рантах, т.е. как в режимах выпрямления, так и инвертирования с
любым заданным значением коэффициента мощности основной гар¬
моники coscp, в диапазоне от -1 до +1. Более того, с ростом несущей
частоты расширяются возможности воспроизведения на выходе
инверторов токов и напряжений заданной формы. Это позволяет
создавать активные фильтры для подавления высших гармоник, что
также рассматривается в настоящей главе.
Основные определения, используемые при дальнейшем изложе¬
нии, рассмотрим на примере применения первого метода в однофаз¬
ной полумостовой схеме инвертора напряжения (рис. 2.1, а). В этой
схеме ключи S1 и S2 условно представлены полностью управляе¬
мыми коммутационными элементами, дополненными последова¬
тельно и параллельно соединенными с ними диодами VD1, VD2.
Последовательно включенные диоды отражают однонаправленную
проводимость ключей (например, транзисторов или тиристоров), а
параллельно включенные обеспечивают проводимость обратных
токов при активно-индуктивной нагрузке.
Диаграммы опорного модулирующего сигнала им($) и несущего
сигнала ин(Э) приведены на рис. 2.1, б. Формирование импульсов
управления ключами S1 и S2 осуществляется по следующему прин¬
ципу. При им(&) > ин($) ключ S1 — включен, a S2 — выключен. При
к	состояния	ключей	изменяются	на	противоположное:
S2 — включен, a S1 — выключен. Таким образом, на выходе инвер¬
тора формируется напряжение в форме двухполярных импульсов

-"*aa 2* Современная силовая электроника в управлении потоками...
Рис. 2.1. Однофазный полу мостовой инвертор напряжения:
а схема; б диаграммы напряжения при импульсной модуляции
(рис. 2.1, б). В реальных схемах для исключения состояний одновре¬
менной проводимости ключей S1 и S2 следует предусматривать опре¬
деленную задержку между моментами формирования сигналов на
включение этих ключей. Очевидно, что ширина импульсов зависит
от соотношения амплитуд сигналов г/м($) и wH($). Параметр, характе-
2.2. Импульсная модуляция в преобразователях...
77
ризующии это соотношение, называется индексом амплитудной
модуляции и определяется в виде
(2Л)
н т
где Uu т, Unm — максимальные значения модулирующего (управля¬
ющего) сигнала wM(&) и несущего сигнала wH(9') соответственно.
Частота несущего сигнала ин(0), имеющего в рассматриваемом
случае треугольную форму, равна частоте^ коммутации ключей S1 и
S2 и обычно значительно превышает частоту модулирующего сиг¬
нала Соотношение частот^ и/н является важным показателем
эффективности процесса модуляции и называется индексом частот¬
ной модуляции, который определяется по формуле
Mrj.	(2.2)
J M
При малых значениях Mf сигналы им($) и ин(3) должны быть син¬
хронизированы, чтобы избежать появления нежелательных субгар¬
моник. В [2.1] в качестве верхнего значения Mj-, определяющего
необходимость синхронизации устанавливается Mj- = 21. Очевидно,
что при синхронизированных сигналах мм(3) и ин(Э) коэффициент Му
является постоянной величиной.
Амплитуда 1-й гармоники выходного напряжения Ua0ml (рис. 2.1, б)
может быть с учетом (2.1) представлена в следующем виде
U*0ml=KY-	<2-3>
Согласно (2.3) при Ма = 1 амплитуда 1-й гармоники выходного
ud
напряжения равна высоте прямоугольника полуволн —. Характер¬
ная зависимость относительного значения 1-й гармоники выходного
напряжения от величины Л/а представлена на рис. 2.2. Изменение Ма
от 0 до 1 связано линейным соотношением с изменением амплитуды
^aOwi- Предельное значение линейного роста величины Ма определя¬
ется принципом рассматриваемого вида модуляции, согласно кото¬
рому максимальное значение t/a0mJ ограничено высотой полуволны

78 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
Рис. 2.2. Зависимость относительного значения амплитуды основной гармоники
выходного напряжения от индекса амплитудной модуляции для однофазной
полумостовой схемы
прямоугольной формы, равной При дальнейшем увеличении
коэффициента Ма модуляция приводит к нелинейному возрастанию
амплитуды f/aomi до максимального значения, определяемого форми¬
рованием на выходе инвертора напряжения прямоугольной формы,
которое в дальнейшем остается неизменным.
Разложение прямоугольной функции напряжения в ряд Фурье
дает величину
U.
aOml
4 Щ
тс 2
2U А
(2.4)
Достижением этой величины Mj- также ограничивается рост
индекса Ма до значения Матах, равного примерно 3. Очевидно, что
функция (рис. 2.2) на интервале а—б значений от 1 до 3,2 является
нелинейной. Режим работы на этом участке называется сверхмодуля¬
цией.
Значение на практике определяется выбором частоты несу¬
щего сигнала ин(Э) и существенно влияет на технические характе¬
ристики преобразователя. С ростом частоты увеличиваются коммута¬
ционные потери в силовых ключах преобразователей, но при этом
улучшается спектральный состав выходного напряжения и облегча¬
ется задача фильтрации высших гармоник, обусловленных процес¬
сом модуляции. Важным фактором выбора значения fB во многих
2.3. Традиционные методы ШИМ в автономных инверторах
79
случаях является необходимость его вывода за верхний предел звуко¬
вого диапазона частоты (20 кГц). При выборе/н следует также учи¬
тывать уровень рабочих напряжений преобразователя, его мощность
и другие параметры. Поэтому выбор является многокритериаль¬
ной оптимизационной задачей. Общей тенденцией здесь является
рост значений Mj для преобразователей малой мощности и низких
напряжений и наоборот.
2.3. Традиционные методы ШИМ
в автономных инверторах
Однофазный мостовой инвертор напряжения. Принцип дей¬
ствия инвертора напряжения рассмотрим на примере однофазной
мостовой схемы на транзисторах (рис. 2.3). Синусоидальная ШИМ в
этой схеме, как и в однофазной полумостовой, может быть осущест¬
влена на основе сравнения основной (первой) гармоники выходного
напряжения с несущим сигналом треугольной формы. При этом в
мостовой схеме, в отличие от полумостовой схемы, возможно
использование как однополярной, так и двухполярной модуляции.
На рис. 2.3 представлена упрощенная функциональная схема
однофазного мостового инвертора напряжения. В этой схеме ключи
SI—S4 аналогичны ключам в схеме на рис. 2.1. Для облегчения
представления процессов модуляции на стороне постоянного тока
посредством соединения двух конденсаторов равной емкости С обра-
2\D3
2\D2
Рис. 2.3. Однофазная мостовая схема инвертора напряжения

80 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
зована точка схемы, обозначенная 0. Выделение этого узла так же
показывает схожесть процессов в мостовой и полумостовой схеме.
В мостовом инверторе возможны различные комбинации состоя¬
ний ключей SI—S4. Эти состояния отражены в табл. 2.1, где вклю¬
ченное состояние ключа S обозначено «1», а выключенное — «0».
В табл. 2.2 для этих состояний представлены значения напряжений
иа0 иЬ0 (относительно точки 0) и их разница uab = иа0 - ubQ. В зависи¬
мости от вида модуляции в процессе работы инвертора могут
использоваться различные комбинации состояний ключей. Рассмот¬
рим возникновение и смену состояний ключей для однополярного и
двухполярного видов модуляции.
При однополярной модуляции используются два управляющих сиг¬
нала модуляции им(&) и -им($) одновременно (рис. 2.4, а). При этом
Таблица 2.1. Состояние ключей в схеме инвертора напряжения
при однополярной модуляции
Номер
состояния
Состояние ключей
S1
S2
S3
S4
I
1
1
0
0
II
0
0
1
1
III
1
0
1
0
IV
0
1
0
1
Таблица 2.2. Состояние ключей в схеме инвертора напряжения
при двухполярной модуляции
Номер
Ключи и диоды, находящиеся
в проводящем состоянии
Напряжение
состояния
*аЬ>0
*аЬ<0
ua0
ub0
uab
I
SI, S2
D1,D2
Ud
2
ud
2
Ud
II
D39 D4
S3, S4
ud
2
ud
2
-ud
III
S1,D3
Dl, S3
ud
2
ud
2
0
IV
S2, D4
S4, D2
ud
2
ud
2
0
2.3. Традиционные методы ШИМ в автономных инверторах
81
Рис. 2.4. Диаграммы основных сигналов при синусоидальной однополярной
модуляции в однофазной мостовой схеме инвертора напряжения:
а — модулирующий им и несущий ин сигналы; б — выходное напряжение иьо, иаЬ
существуют две независимых системы импульсов управления клю¬
чами, генерируемых системой управления инвертора. Одна последо¬
вательность образуется управлением ключей SI, S4, а вторая — клю¬
чей S3 и S2. Для принятых обозначений последовательность импуль¬
сов, создаваемая при сравнении опорного сигнала wM($), с сигналом
треугольной формы wH($), определяет напряжение иа0 (относительно

82 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
условного узла «О»). При использовании для сравнения с несущим
сигналом отрицательного модулирующего сигнала -им($) будет фор¬
мироваться последовательность импульсов, определяющих напряже¬
ние иьо. В результате происходит одновременная модуляция потенци¬
алов узла а относительно нуля «О» (ключами SI, S4) и модуляция
потенциала узла Ъ (ключами S3, S2). При этом потенциал узла а отно¬
сительно «О» равен у при включенных ключах SI, S2 (состояние I)
и —- при включенных ключах S2, S4 (состояние IV). Потенциал же
2
узла b относительно «О» равен — при включенных ключах S3, S4
(состояние II) и -у при включенных ключах S1, S3 (состояние III).
Изменение состояний определяется следующими условиями:
им(&) > ин(Э) состояние I;
мм(»)<мн(3) состояние IV; I	^
-им($) > ын(Э) состояние II;
-мм(Э) < мн(Э) состояние IV.
В результате на выходе схемы инвертора формируется напряже¬
ние uab(Q). Форма напряжения иаЬ(&) имеет вид последовательности
Г,,
однополярных импульсов на каждом полупериоде — синусоиды,
задаваемой сигналом модуляции им(0) (рис. 2.4).
Алгоритм переключения изменяется при переходе от однополяр¬
ной к двухполярной модуляции. При реализации последней периоди¬
чески сменяются два состояния ключей I и II (см. табл. 2.1). Условия
переключения имеют следующий вид:
им(Э) > ин(3) состояние I; 1	(2 6)
им(д) < ин($) состояние IV. J
В этом случае переключения состояний I и II соответствуют про¬
цессу модуляции в схеме полумостового инвертора напряжения
(рис. 2.1, а), реализуемой переключением ключей S1 и S2. Различие
2.3. Традиционные методы ШИМ в автономных инверторах
83
выходного напряжения в мостовом и полумостовом инверторе
заключается в амплитуде импульсов напряжения. Последняя стано-
Ud
вится в мостовой схеме равной Ud, а не — как в полумостовой.
Соответственно изменению напряжения изменится и максимальное
значение амплитуды 1-й гармоники напряжения при модуляции,
которая, согласно (2.3), станет равной Ud при Ма = 1. При переходе в
режим сверхмодуляции сМа> 1, происходит вырождение модулиро¬
ванного напряжения в напряжение прямоугольной формы с амплиту¬
дой 1-й гармоники (рис. 2.4):
V*bm 1 = lU4-	С-’)
Рассмотрим более подробно влияние на электромагнитные про¬
цессы в схеме однофазного инвертора напряжения активно-индук¬
тивной нагрузки. В этом случае ток основной гармоники нагрузки
отстает от напряжения основной гармоники, обусловливая необходи¬
мость изменения потока энергии из нагрузки в источник питания
постоянного тока. В результате после изменения знака основной гар¬
моники напряжения, ток продолжает протекать в прежнем направле¬
нии. Для этого в схеме предусмотрены диоды Dl—D4 (см. рис. 2.3),
включенные параллельно ключам SI—S4. Примем за положительное
направление тока нагрузки 1аЬ > 0 от узла а к узлу Ь, а в полумосто¬
вой — от узла а к узлу 0. Тогда на интервалах вывода энергии, накоп¬
ленной в индуктивностях нагрузки, ток iab будет отрицательным, и
будет протекать через встречно включенные диоды, возвращаясь в
источник постоянного тока с напряжением Ud (см. табл. 2.2). Момент
прохождения тока через нуль (смена его направления) зависит от
параметров нагрузки. Если учитывать только основную гармонику
тока и выходного напряжения, то этот момент определяется углом (рн:
Ю11н
Фн = arct§ >	(2-8)
н
где — круговая частота основной гармоники; LH, RH — индуктив¬
ность и активное сопротивление нагрузки соответственно.
Очевидно, что значение угла срн непосредственно влияет на рас¬
пределение тока нагрузки между ключевыми элементами и обрат¬
ными диодами. Так, например, при чисто активной нагрузке через

84 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
обратные диоды ток не протекает, а при чисто индуктивной нагрузке
среднее значение тока нагрузки распределяется поровну между
управляемыми ключами и обратными диодами.
Важной характеристикой эффективности модуляции является
спектральный состав выходного напряжения. Для синусоидальной
ШИМ в выходном напряжении присутствуют гармоники напряжения
п-го порядка, определяемые коэффициентом кратности частот М^[2.1]
п = lMf± к.	(2.9)
При двухполярной модуляции:
к = 1, 3, 5, ... при 1 = 2, 4, 6, ...
к = 2, 4, 6, ... при / = 1, 3, 5, ...
При однополярной модуляции:
к= 1, 3, 5, ... при / = 2, 4, 6, ...
Таким образом, частотные спектры выходного напряжения одно¬
фазных инверторов содержат кроме 1-й гармоники с частотой /j
высшие гармоники, кратные коэффициенту Му с боковыми часто¬
тами, зависящими от значений числа к в (2.9). Преимуществом одно¬
полярной модуляции является более высокое значение частоты
наиболее низкочастотной гармоники спектра, так как гармоники в
этом случае кратны удвоенному значению М^ при / = 2, 4, ... С повы¬
шением величины Mj коэффициент искажения выходного напряже¬
ния существенно снижается. Это позволяет использовать «легкие»
пассивные LC-фильтры для получения практически синусоидального
напряжения.
Величины первых гармоник выходного напряжения определяются
входным напряжением инвертора Uj и, согласно (2.1), индексом амп¬
литудной модуляции Ма. При работе инвертора с индексом 0 < Ма < 1
амплитуда 1-й гармоники выходного напряжения Uabml < Md. Для
того, чтобы повысить это значение, не ухудшая значительно спект¬
ральный состав выходного напряжения, применяются модифициро¬
ванные методы синусоидальной ШИМ. Например, в [2.1] приведен
ряд таких методов, основанных на сравнении несущего сигнала треу¬
гольной формы с модулирующим сигналом им специальной формы,
отличной от синусоиды. Среди них в качестве примера приведем сле¬
дующие:
трапецеидальный (рис. 2.5, а).
2.3. Традиционные методы ШИМ в автономных инверторах
85
б)
Рис. 2.5. Модифицированные методы синусоидальной ШИМ:
а трапецеидальный; б — ступенчатый; в — с инжекцией гармоник
ступенчатый (рис. 2.5, б)
с инжекцией гармоник (рис. 2.5, в).
Эти методы позволяют повысить амплитуду выходного напряже-
ния Uabml на 5—15 % по сравнению с традиционным методом срав¬
нения несущего сигнала треугольной формы с опорным синусои¬
дальным. При этом спектральный состав выходного напряжения поз¬
воляет обеспечить эффективную фильтрацию высших гармоник.
При существенных ограничениях на частоту импульсной модуля¬
ции успешно может быть использован метод селективного исключе¬

86 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
ния ряда высших гармоник. Обычно в таких случаях исключается
низкочастотная часть частотного спектра напряжения — 3,5, 7-я гар¬
моники. Это следует из зависимости значений высших гармоник от
ширины импульсов. Так, например, в схемах однофазных инверторов
напряжения, работающих с коммутацией ключей 1 раз за каждый
полупериод, выходное напряжение имеет прямоугольную форму.
При широтно-импульсном регулировании напряжения ширина пря¬
моугольных импульсов изменяется, и гармонический состав выход¬
ного напряжения иаЬ(§) может быть определен из следующей зависи¬
мости:
00	AUd пЪ
uab^=	Z		 sin—	sin иЗ,	(2.10)
1л	т ft ТС	^
, 3, 5
где Ud — входное напряжение на стороне постоянного тока инвер¬
тора; п — номер гармонической составляющей; S — относительная
(угловая) длительность прямоугольного импульса на интервале
одного полупериода.
2п
Из (2.10) видно, что при 8 = — 3-я гармоника будет исключена
из спектрального состава выходного напряжения инвертора. При
этом будут иметь место только две коммутации ключей за один полу-
период.
Если число коммутаций N за один полупериод увеличивать, то
можно обеспечить подавление большего числа гармоник. Общим
правилом для однофазных схем инверторов является исключение
числа гармоник, равного N - 1. Например, при числе коммутаций
N=3, производимых в схеме с двухполярной модуляцией сМа = 0,3
при углах ах = 35° и а2= 14° (рис. 2.6) из спектра будут исключены
гармоники с и = 3 и w = 5. Соответственно при N = 4 возможно
исключение гармоник 3, 5, 7-й. При однополярной модуляции значе¬
ния углов 5 будут отличаться от значений углов, определенных для
двухполярной модуляции.
Широкое практическое применение нашел метод «гистерезисной»
или «дельта» модуляции. Он позволяет получать сравнительно прос¬
тым способом напряжения и токи заданной формы. В простейшем
варианте этот метод применяется при импульсном управлении посто¬
янным током. По существу он сводится к слежению за нахождением
управляемого сигнала в области допустимых отклонений от теку¬
щего значения задающего или опорного сигнала. При отклонении
2.3. Традиционные методы ШИМ в автономных инверторах
87
иаЪ
а1
а2 п
2
к
1
3 к
2
2 к $
Рис. 2.6. Диаграммы избирательного исключения из спектрального состава
выходного напряжения однофазного инвертора напряжения 3-й и 5-й гармоник
управляемого сигнала сверх допустимого значения (+Д/) -ь (-Д/) про¬
исходит формирование сигналов на переключение силовых ключей
преобразователя. Обычно ширина полосы отклонений задается
шириной гистерезисной петли релейного компаратора, формирую¬
щего импульсы управления силовых ключей. При формировании
синусоидального напряжения в качестве задающего сигнала исполь¬
зуется сигнал синусоидальной формы с частотой основной гармо¬
ники. Здесь же отметим, что недостатком метода является изменение
частоты импульсов управления, которая зависит от скорости измене-
d и
ния модулирующего сигнала . Так, например, при модулирую¬
щем сигнале синусоидальной формы (рис. 2.7) частота импульсов на
интервале значений, близких к амплитуде выше, чем на интервалах,
близких к переходу синусоиды через нуль. Для стабилизации этой
частоты используют специальные методы управления. Для исключе¬
ния возможности возникновения низкочастотных гармоник «гистере-
зисный» метод модуляции обычно применяют при высоких значе¬
ниях коэффициента [2.3].
Трехфазный инвертор напряжения. Схема трехфазного инвер¬
тора напряжения представлена на рис. 2.8, где ключи Sj идентичны
ключам в ранее рассмотренных схемах однофазных инверторов.
В схеме на рис. 2.8 выделен узел 0, образованный соединением кон¬
денсаторов С1 и С2, относительно которого можно рассматривать
фазные напряжения uaQ, ubQ и ucq. В сбалансированной трехфазной
системе фазные напряжения и токи одинаковы в каждой фазе (с уче-

88 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
иаЬ
и*
1
к
2 л $
Рис. 2.7. Метод гистерезисиой модуляции тока в полумостовой схеме:
а — диаграмма тока нагрузки; б — диаграмма выходного напряжения
том межфазного сдвига) и сумма их значений для двух любых фаз
определяет значение напряжения и тока в третьей фазе. Это необхо¬
димо учитывать при задании опорных сигналов модуляции.
Как и в однофазных, в трехфазных схемах можно организовать
модуляцию, используя в качестве опорных модулирующих сигналов
синусоидальные сигналы и сигналы несущей частоты треугольной
формы.
В процессе модуляции в схеме имеет место восемь состояний
ключей SI—S6, указанных в табл. 2.3. В традиционных методах сину¬
соидальной ШИМ используется шесть состояний ключей (I—VI) для
2.3. Традиционные методы ШИМ в автономных инверторах
89
Рис. 2.8. Трехфазная мостовая схема инвертора напряжения
формирования выходных напряжений. Из табл. 2.3 видно, что суще¬
ствует еще два состояния (VII и VIII), в которых выходное напряже¬
ние не изменяется и равно нулю. Смена состояний ключей происхо¬
дит во времени в зависимости от соотношения текущих значений
опорного и несущего сигналов. Рассмотрим формирование линейных
напряжений на выходе инвертора. В целях единообразия модуляцию
в трехфазной и однофазной схемах будем рассматривать на примере
линейного напряжения иаЬ, как разность напряжений фаз а и Ь, опре¬
деленных относительно общей точки 0 (рис. 2.8). Выбор общей точки
не имеет принципиального значения. Например, в качестве такой
точки можно взять точку с потенциалом минусовой шины постоян¬
ного тока или какую-нибудь другую. С учетом выбора общей точки О
линейное напряжение иаЪ равно разности фазных напряжений иа0 и
иьо, т.е. иаЬ = иа0 - иьо. Согласно табл. 2.3 напряжения фаз иа0 и иьо
могут принимать следующие значения:
на интервалах включенного состояния ключа S1 фаза а соединя-
Ud
ется с шиной + Uj и иа0 ——, а на интервалах с включенным состо-
ии
янием ключа S4 фаза а соединяется с шиной -Udn иа0	;

90 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
на интервалах с включенным состоянием ключей S3 и S6 для
иа иа
фазы Ъ будем иметь w/,o = и соответственно-
Из табл. 2.3 видно, что состояния ключей <S7, S3, S5 противопо¬
ложны состояниям ключей S4, S6, S2. Это упрощает алгоритм управ¬
ления инвертором и его схемотехническую реализацию.
С учетом указанных значений при модуляции (рис. 2.9) условия
изменения состояний ключей 57 и S3 на интервале положительных
полуволн напряжений следующие:
им о(0) > мн(9), S1 включен; мм а(&) < ин($), S1 выключен;
им 6($) > ин(&) S3, включен; им ь(&) < ин($), S3 выключен.
На интервалах отрицательных полуволн ии а, иы ь указанные усло¬
вия справедливы для ключей S4 (фаза а) и S6 (фаза Ь). При этом в
положительный полупериод напряжений ии а и им ь потенциалы фаз
Таблица 2.3. Состояния ключей и напряжений фаз «а» и «Ь» в схеме трехфазного
инвертора напряжения (0 — выключенное, 1 — включенное)
Номер
состояния
Состояние ключей
Значения напряжений
S1
S3
S5
S4
S6
S2
иа0
ub0
uab
VIII
0
0
0
1
1
1
0
0
0
I
1
0
0
0
1
1
vd
2
vd
2
Vd
II
1
1
0
0
0
1
ud
2
ud
2
0
III
0
1
0
1
0
1
2
ud
2
-Ud
IV
0
1
1
1
0
0
ud
2
ud
2
-Ud
V
0
0
1
1
1
0
ud
2
ud
2
0
VI
1
0
1
0
1
0
ud
2
ud
2
Vd
VII
1
1
1
0
0
0
0
0
0
2.3. Традиционные методы ШИМ в автономных инверторах
91
и°ь
и.
-и.
в)
1тттл:°«;
:Г . j'flt
со/
г)
Рис. 2.9. Диаграммы синусоидальной ШИМ в трехфазном инверторе:
а напряжение модулирующих сигналов; б — напряжение фазы £/а0; в — напря¬
жение фазы Ub0; г — линейное напряжение Uab
Uj	jj
а и Ъ равны — при включенных ключах S1 и S3 и равны —- при
выключенных ключах. На интервалах отрицательных полуволн
потенциалы фаз а и b изменяются от —-- до —- в зависимости от
jL	2
состояния ключей (табл. 2.3). Равенство нулю потенциалов фаз а и b
соответствует проводимости ключей других плеч и обратных диодов
подобно тому как это имело место в однофазных инверторах напря¬

92 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками..,
жения. На рис. 2.9 представлены примеры диаграмм сигналов моду¬
ляции и напряжений инвертора.
В результате, согласно табл. 2.3 амплитуда 1-й гармоники линей¬
ного напряжения инвертора UabmX при коэффициенте амплитудной
модуляции 0 < Ма < 1, может быть записана в виде
tu.1 = Лм>Т	(2'П)
При переходе в режим сверхмодуляции (Ма > 1) амплитуды пер-
вых гармоник линейных напряжений возрастают до значения
4 Ли,
U = —			(2-12)
иаЪт\ 2к
Учитывая, что в частотном спектре линейных напряжений отсут¬
ствуют гармоники, кратные трем, частоту несущего сигнала выби¬
рают кратной трем относительно нечетных чисел (Mf= 9, 15, 21, ...),
округляя при малых значениях Mj до целого числа.
В трехфазных инверторах, как и в однофазных, токовую нагрузку
ключей можно оценивать по средним значениям токов, протекающим
через них, на интервале одного периода. Очевидно, что усредненные
значения токов ключей и диодов Di будут соответствовать отрезкам
синусоидальных фазных токов, т.е. первым гармоникам этих токов.
При этом следует учитывать, что на интервалах включенных состоя¬
ний ключей общий ток фазы при активно-индуктивной нагрузке рас¬
пределяется между ключом Sj и обратным диодом Dj. Таким образом,
через ключ St ток поступает в нагрузку, а при изменении знака воз¬
вращается в источник через обратный диод D{. Момент смены знака
тока определяется коэффициентом сдвига основных гармоник тока и
напряжения cos(p. Поэтому, учитывая только основную гармонику
токов, несложно произвести расчет статических потерь мощности в
коммутационных элементах и обратных диодах ключей.
При ограничениях на коммутационные потери в ключах в трех¬
фазных инверторах также может использоваться метод селективного
исключения высших гармоник низкочастотной части спектра. Учи¬
тывая отсутствие гармоник, кратных трем в линейных напряжениях
сбалансированной трехфазной системы, достаточно ограничивать
гармоники с п = 5, 7, 11, 13, ...
2.3. Традиционные методы ШИМ в автономных инверторах
93
Инверторы тока. До освоения промышленностью полностью
управляемых силовых электронных ключей импульсная модуляция в
инверторах тока практически не применялась. Причиной этого явля¬
лась сложность технической реализации импульсной модуляции
источников тока средствами принудительной коммутации традици¬
онных тиристоров (см. гл. 1). В то же время использование полно¬
стью управляемых ключей (транзисторов, запираемых тиристоров и
др.) позволяет также успешно осуществлять импульсную модуляцию
в инверторах тока, как и в инверторах напряжения. Возможность
использования практически идентичных методов модуляции в схе¬
мах инверторов тока и напряжения обусловлено дуальностью этих
схем. Следствием указанной дуальности является идентичность про¬
цессов изменения выходного тока в инверторах тока и выходного
напряжения в инверторах напряжения при импульсной модуляции.
Существенное различие в алгоритмах, реализующих импульсную
модуляцию в схеме инвертора напряжения и тока, заключается в
организации нулевых пауз в выходном напряжении или токе. Так,
например, интервалы нулевого напряжения в однофазном мостовом
инверторе напряжении (см. табл. 2.2) формируются переводом в про¬
водящее состояние ключей S1 и S3 или S4 и S2 ключей схемы и запи¬
ранием ключей S4, S2 или S1, S3 соответственно (см. рис. 2.3). При
этом нагрузка шунтируется и отключается от источника напряжения
Ud на стороне постоянного тока. Такая коммутация ключей не допус¬
тима в инверторе тока, так как в его схеме на стороне постоянного
тока включен реактор Ld с током id, поступающим в нагрузку, и раз¬
рыв этой цепи приводит к недопустимым перенапряжениям, равным
На рис. 2.10, а представлена однофазная мостовая схема
инвертора тока, выполненная на ключах однонаправленной проводи¬
мости (запираемый тиристор) или дополненных последовательными
диодами, защищающими управляемый ключ, например, транзистор
от воздействия обратных напряжений. Эквивалентная схема для уста¬
новившегося режима работы инвертора приведена на рис. 2.10, б, где
источник напряжения Ud и реактор Ld представлены источником Id, а
вентильная часть — источником с противоЭДС £/пэ. Из рис. 2.10, а
видно, что интервал времени с нулевым значением тока в цепи
нагрузки а—b может быть создан одновременным включением клю¬
чей SI, S4 или S3, S2. При этом через них начинает протекать ток Id,
а напряжение UU3 становится также равным нулю, т.е. источник тока Id

94 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
L Ь
d —► с
б)
Рис. 2.10. Однофазный инвертор тока на полностью управляемых ключах:
а — общая схема; б — эквивалентная схема
шунтируется проводящими ключами. Поскольку в цепях нагрузки
могут содержаться индуктивности, то для поглощения их энергии в
схеме необходимо предусматривать включение конденсаторов С.
Таким образом, в токе нагрузки возможно организовать по опреде¬
ленному алгоритму интервалы тока со значениями: 0, +Id и -Id. При¬
меняя различные методы синусоидальной модуляции тока, аналогич¬
ные рассмотренным для инверторов напряжения, можно обеспечить
синусоидальность переменного тока в инверторах тока. Для сниже¬
ния в спектральном составе тока высших гармоник, обусловленных
модуляцией, также используются «легкие» выходные LC-фильтры,
но с подключением конденсаторов на стороне переменного тока
инверторного моста. На рис. 2.11 приведен пример формы выходного
тока в однофазном инверторе тока (рис. 2.10, а) при синусоидальной
ШИМ.
Однофазные инверторы тока широкого практического примене¬
ния не получили. Однако трехфазные инверторы тока, схема которого
приведена на рис. 2.12, успешно используются в электроприводе на
средние и большие мощности. Поэтому обеспечение синусоидаль¬
ности напряжения на их выходе является актуальной задачей, кото¬
рая может решаться методами синусоидальной ШИМ тока, принцип
реализации которых рассмотрен на примере однофазной мостовой
схемы. В табл. 2.4 приведены состояния ключей и токи фаз в схеме
трехфазного инвертора тока, которые используются при синусои-
2.3. Традиционные методы ШИМ в автономных инверторах
95
—
—■
-
-
-
-
-
>
✓
Ч''
Зл
У
ч
s
2
V
'«•н.
-O'
—
_
__
Рис. 2.11. Выходной ток однофазного инвертора тока при синусоидальной моду¬
ляции
дальной модуляции выходных токов и их значения в каждом из
состояний. В отличие от инвертора напряжения в трехфазном инвер¬
торе тока могут иметь место три состояния (VII, VIII, IX), в которых
фазные токи равны нулю. Это отличие вытекает из принципа форми¬
рования интервалов тока с нулевыми значениями каждым из трех
плечей инверторного моста.
Другим существенными отличием инвертора тока от инвертора
напряжения является то, что в инверторе тока выходное напряжение
непосредственно зависит от нагрузки. Для его регулирования можно
использовать разные способы, включая изменение индекса модуля-

96 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
Таблица 2.4. Состояния ключей и напряжений фаз а и b в схеме трехфазного
инвертора тока (0 — выключенное, 1 — включенное)
Номер состояния
ключей
Состояние ключей
S1
S3
S5
S4
S6
S2
Значения токов
II
-ь
III
-h
IV
-h
VI
VII
VIII
IX
ции Ма. Для этого необходимо учитывать следующие зависимости
1-й гармоники линейного тока /awl от индекса модуляции Ма:
7з id
Ктх =Ма-1Л°<Ма<1;
7з/,
a	A^ud
г*7-,*—’M*>L
(2.13)
Из (2.13) видно, что в соответствии с дуальностью схем инверторов
тока и напряжения первая гармоника линейного тока в инверторе тока
имеет такую же зависимость от коэффициента Ма, как и первая гармо¬
ника линейного напряжения в инверторе напряжения (см. (2.11)).
Следует отметить, что формирование интервалов с нулевыми зна¬
чениями токов можно эффективно использовать также для селектив¬
ного подавления отдельных гармоник в спектре выходного тока,
подобно тому как это делается в инверторах напряжения.
2.4. Преобразование координат в пространстве
переменных параметров трехфазных
электрических систем
В линейных электрических цепях трехфазных систем токи и
напряжения изменяются во времени по синусоидальным законам с
заданной частотой и постоянным сдвигом по фазе на угол 2тг/3. При
2.4. Преобразование координат в пространстве переменных...
97
этом в электрических машинах переменного тока имеет место не
только изменение мгновенных значений отдельных параметров во
времени, но и реальном пространстве, как например, изменяются
электромагнитные потоки, создаваемые токами обмоток статора и
токами ротора электрических машин переменного тока. Для описа¬
ния таких систем часто используют преобразование координат трех-
фазной системы в координаты двухфазной системы. Это позволяет
упростить методы анализа и повысить их эффективность. Такие
методы, созданные и развитые в теории электрических машин, пос¬
леднее время стали успешно применяться в силовой электронике.
Основой таких преобразований является то, что в цепях сбаланси¬
рованной трехфазной системы сумма токов шп§ напряжений в каж¬
дый момент времени равна нулю. Иначе говоря, при векторном пред¬
ставлении этих величин, например, фазных токов имеет место соот¬
ношение
Ia+Ib+'Ic = 0■	'	(2-14)
Из (2.14) видно, что в сбалансированной системе две переменные
являются независимыми и достаточными для описания состояния
трехфазной системы. Иначе говоря, достаточно использования двух¬
координатной плоскостной системы для анализа трехфазной сис¬
темы. Как уже отмечалось, идея представления трехфазной системы
в виде двухфазной с различным смысловым значением координатных
осей оказалась плодотворной в теории электрических машин [1.2,
1.3]. С развитием микропроцессорной техники методы, реализующие
такое преобразование координат, стали использоваться для управле¬
ния трехфазными преобразователями электроэнергии. В гл. 2 кратко
рассматриваются некоторые из них.
Преобразование трехфазной системы в двухфазную с непод¬
вижными осями а и р. Предположим, что имеется трехфазная сба¬
лансированная система напряжений
иа = ^sinS;
uh = sin Гэ - —1;
Ъ т V 3J’l	(2.15)
ис=
где Э = tot\ Um — амплитуда напряжений.

98 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
Преобразуем (2.15) в двухкоординатную систему, соответствую¬
щую комплексной плоскости с координатами а и (5. На рис. 2.13
представлена трехфазная система напряжений (2.15). Условно при¬
мем, что вектор напряжения фазы А совпадает с осью действитель¬
ных чисел а. Реально система трех фазных векторов вращается с
угловой скоростью со. Поэтому их координаты в комплексной плос¬
кости, соответствующие проекциям векторов Uq9 Ub, Uc на оси а и
Р, изменяясь во времени, определяют вектор Us(S) в комплексной
плоскости:
(2.16)
Вектор Us(&) называется пространственным или обобщенным.
Координаты вектора по (2.16) определяются следующим матрич¬
ным преобразованием:
USaW
= к
1
2
cos-я
3
4
cos—тс
3
tV»)
пр
0
. 2
. 4
Sin-71
3
Sin -71
3
ис(Э)
(2.17)
Рис. 2.13. Диаграмма векторов при преобразовании трехфазной системы напря¬
жения к неподвижной двухфазной с координатами аир
2.4. Преобразование координат в пространстве переменных...
99
Коэффициент &пр зависит от выбранных соотношений между
модулями преобразуемых векторов трехфазной системы и обобщен¬
ного вектора на комплексной плоскости US(Q). Так, например, при¬
нимая равными значения модулей обобщенного вектора USm и моду¬
лей векторов сбалансированной системы U = U
am
Ubm = U
cm5
получим кпр = 2/3. Это нетрудно сделать, используя (2.17). Напри¬
мер, для момента совпадения вектора Ua(&) с осью (9 = 0) можно
записать следующие значения координат рассматриваемых векторов
в комплексной плоскости (рис. 2.13):
USa = Um = *пр(“
~аа иЪа иса
) =
= к
пр
/ \
и +-U +-U
т д т л т
V	^	^	J
и
sp
0+j—U -i—u = 0.
J A m J A m
(2.18)
Значение knp может изменяться в зависимости от принятых базо¬
вых значений преобразуемых координат и модуля обобщенного век¬
тора. Так, например, при представлении трехфазной системы инвер¬
тора в виде действующих значений линейных напряжений использу¬
ется коэффициент кпр =	.
Обратное преобразование координат двухфазной системы в трех¬
фазную, т.е. обратное соотношению (2.17) имеет следующий вид:
ив(»)
«*(»)
«г(&)
1
о
2 . 2
COS-л Sin —71
3	3
4	. 4
COS ~ 71 SHI —71
3	3
и
S а
U
S р
(2.19)
Согласно (2.19), координаты вектора &) определяются как его
проекции на оси трехфазной системы а, Ь, с.

100 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
Двухфазная система является ортогональной и координаты про¬
странственного вектора Us(&) могут быть записаны в виде:
^а(») =	1
\ (2.20)
US^) = -USm sin(d)J
ИЛИ
- VSJ*-
Согласно (2.20), пространственный вектор Us(&) вращается в
комплексной плоскости относительно неподвижных осей аир
(рис. 2.13) с круговой частотой со. При этом конец вектора перемеща¬
ется по траектории окружности с радиусом, равным модулю вектора
USm. Таким образом, каждая точка окружности соответствует мгно¬
венным значениям состояния трехфазной системы. В результате
появляется возможность оценки состояния сбалансированной трех¬
фазной системы по модулю и фазе одного вектора Us(&).
Преобразование трехфазной системы в двухфазную с осями,
вращающимися с синхронной скоростью. В неподвижной системе
координат аир, согласно (2.20) составляющие пространственного
вектора Us{§) изменяются по гармоническому закону: синусоидаль¬
ному по оси а и косинусоидальному по оси р. В отдельных случаях
вектор Us(&) целесообразно представлять в двухфазной системе
при неизменных значениях ортогональных составляющих. Для этого
используется система координат с осями d и q, которые вращаются с
угловой скоростью ш, равной скорости вращения пространственного
вектора, представляющего трехфазную сбалансированную систему в
координатах а, р. Преобразование вектора Us(&) из системы
а, Р-координат в систему d, g-координат может быть представлено в
виде
Usd
COS в
sinO
USa
usq
-sin 9
cos 9
USfi
что соответствует умножению вектора US(Q) на единичный вектор е
2.4. Преобразование координат в пространстве переменных...
101
Операция умножения пространственного вектора на вектор, вра¬
щающийся в противоположную сторону с угловой скоростью со,
означает его фиксацию в новой системе d, g-координат. Учитывая в
общем случае фазовый сдвиг на угол ср пространственного вектора
относительно новой системы g-координат, можно записать:
= uSd+ju,
Sq’
(2.22)
• •
где Udq — пространственный вектор Us(S) в системе d, g-коорди-
нат.
Графическое представление (2.21) приведено на рис. 2.14. Обрат¬
ному переходу от d, g-координат к а, Р-координатам соответствует
преобразование:
Я
=	(2.23)
При введении новой системы координат было принято, что про¬
странственный вектор Us(&) неподвижен относительно осей d и q,
которые вращаются с угловой скоростью со относительно неподвиж¬
ных осей аир. Зафиксировав этот вектор относительно неподвиж¬
ных осей d и q, т.е. принимая 0 = 0, получим
USd = -USmcosiР5
USq = -USms[n(?-
(2.24)
Рис. 2.14. Векторная диаграмма перехода к подвижной системе d, ^-координат

102 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками..,
Из (2.24) видно, что d, ^-координаты пространственного вектора
не зависят от времени. Приняв значения угла ср равным нулю, полу¬
чим значение координаты по оси q равным нулю, а по оси d— макси¬
мальному значению обобщенного вектора |f/5| = USm. На рис. 2.15
представлены диаграммы, иллюстрирующие зависимость координат
вектора от времени в различных системах координат.
Следует отметить, что общим случаем преобразования трехфаз¬
ной системы в двухфазную, является преобразование в ортогональ¬
ную (х, у) систему, оси которой вращаются с произвольной скоро¬
стью относительно векторов трехфазной системы.
Преобразование мгновенной мощности трехфазной системы в
мощность двухфазной системы. Для управления составляющими
мгновенной мощности в трехфазной системе также может быть
till
uSd
1 /| 1 1
—2л _ Зл —к к
2 2
-USm
0 п п Зп 2п в
2 2
б)
Рис. 2.15. Диаграмма изменения координат во времени при ср = 0:
а — система а, (3-координат; б — система d, g-координат
2.4. Преобразование координат в пространстве переменных...
103
использовано преобразование сигналов трехфазной системы в двух¬
фазную.
Теория такого преобразования, получившего название p-q-теории,
и нашла практическое применение для разработки систем управле¬
ния компенсаторами реактивной мощности и активными фильтрами.
Согласно p-q-теории, вводятся понятия действительной р и мнимой q
мгновенных мощностей в а, Р-координатах:
р = магр+ Va;
q = -ма/р + гуа.
(2.25)
Действительная составляющая из (2.25) мгновенной мощности
соответствует активной мгновенной мощности в традиционном
представлении. В то же время, мнимая мгновенная мощность из
(2.25) полностью не соответствует традиционной реактивной мгно¬
венной мощности.
Выражая токи в а, Р-координатах, как функцию составляющих
мгновенной мощности из (2.25) получаем
- -
-
п
- -
I
—1
*'а
1
иа
Мр
Р
+
иа мр
0
А
(иа + ир)
_«Р
— ма
0
_Мр -иа_
ч
~
гар
+
laq
.*Р Р.
(2.26)
где iap, iaq, /р и i^q — составляющие тока, определяющие действи¬
тельную и мнимую мгновенную мощности, находятся как
Ua Р
ар 2
(иа + мр)
2.	’ га?
(«а + ф'
*РР	, 2	2 ’ *Р<?	,2	2.
(ма + мр)	(ма + мр)
иаЯ
(2.27)

104 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
Согласно р, ^-теории, действительная и мнимая мощность могут
быть представлены как сумма постоянной и переменной составляю¬
щих:
Р =Р+Р'Л
_ ~ >, (2.28)
Я = Ч + Я,\
где р и q — постоянные составляющие мгновенных мощностей р и
q, соответствующие активной и реактивной мощности на основной
частоте; р — переменная составляющая действительной мгновен¬
ной мощности р, среднее значение которой равно нулю, и обуслов¬
ленной наличием высших гармонических составляющих; q — пере¬
менная составляющая мнимой мгновенной мощности q, которая
также имеет среднее значение равное нулю и обусловлена вы&шми
гармоническими составляющими.
Таким образом, для компенсации реактивной мощности на основ¬
ной частоте и высших гармонических составляющих тока, сигнал
задания должен учитывать компоненты q, р и q мгновенной мощ¬
ности.
2.5.	Модуляция пространственного вектора
Преобразование параметров трехфазной системы в двухфазную
систему координат упрощает методы управления напряжениями и
токами трехфазных преобразователей. Кроме того, указанное преоб¬
разование хорошо согласуется с управлением электрическими маши¬
нами переменного тока посредством статических преобразователей
частоты. В этой связи получил большое распространение метод
модуляции пространственного вектора напряжения трехфазных пре¬
образователей. Основой этого метода является представление трех¬
фазных напряжений в а, р-координатах в виде векторов с дискретно
изменяющейся фазой в соответствии с состояниями ключей преобра¬
зователя. В начале гл. 2 было показано, что в трехфазном мостовом
преобразователе ключи могут находиться в восьми допустимых для
работы преобразователя состояниях, из которых шесть называются
активными, а два нулевыми (см. табл. 2.3). Эти состояния опреде¬
ляются комбинациями включенных и выключенных ключей, которые
зависят от значений трехфазных напряжений преобразователя.
В этом аспекте можно говорить о модуляции напряжений в про¬
странстве состояний трехфазной системы преобразователя, которые
дискретно изменяются во времени. Учитывая периодичность измене¬
2.5. Модуляция пространственного вектора
105
ния трехфазной системы напряжений с рабочей частотой выходного
напряжения преобразователя, можно отметить, что за один период
выходного напряжения изменяется шесть активных состояний клю¬
чей преобразовательного моста с частотой модуляции. Эту частоту
можно рассматривать в качестве несущей, как это принято в класси¬
ческой синусоидальной модуляции. Рассмотрим изменение этих состо¬
яний более подробно с использованием понятия обобщенного или
пространственного вектора в системе неподвижных осей с а, |3-коор-
динатами.
Таблица 2.5 отражает состояния ключей трехфазного моста с уче¬
том изменения основных гармоник выходных напряжений иа, иь, ис
во времени. Диаграммы на рис. 2.16 отражают алгоритм управления,
соответствующий управлению каждым ключом фазы на интервале
длительностью тт, при котором включенному состоянию каждого
ключа из верхней группы (57, S3, S5) соответствует выключенное
состояние ключа той же фазы из нижней группы (52, S4, S6) и наобо-
Таблица 2.5. Состояние ключей
Номер
состояния
ключей
Ключи
Пространствен¬
ный вектор Ut
S1
S3
S5
VIII
0
0
0
0
I
1
0
0
2ТТ 1
3 ude
II
1
1
0
.п
2	71 '3
3	ude
III
0
1
0
,2п
2 тт 'Т
ъи“е
IV
0
1
1
2ТТ in
3 ude
V
0
0
1
An
2rr ‘T
3 ude
VI
1
0
1
.5п
2,. 'T
3 ude
VII
1
1
1
0

106 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
Рис. 2.16. Состояние ключей трехфазного моста:
а — диаграммы основных гармоник выходного фазного напряжения; б — схема
соединения ключей
рот. Нумерация состояний не имеет принципиального значения, но
последовательность ее должна строго соответствовать порядку чере¬
дования напряжений иа,	ис. На рис. 2.16, а в качестве первого
состояния принято состояние, при котором линейное напряжение иаЪ
имеет максимальное значение. Из рис. 2.16 видно, что каждому
состоянию соответствует интервал длительностью я/3, т.е. на гра¬
нице этих интервалов происходит дискретное изменение состояния
ключей Sj. Следует отметить, что при такой длительности интервалов
учитываются только шесть активных состояний и не учитываются
нулевые, при которых выходные напряжения равны нулю. Поэтому
можно в плоскости а, Р-координат выделить шесть векторов Ux— С/6,
отражающих положение пространственного (обобщенного) вектора
трехфазной системы на границах смены состояний ключей Sj.
В результате на плоскости в а, Р-координатах образуется шесть сек¬
торов, разграниченных векторами Ux—U6 (рис. 2.17). Если учесть,
что рассматривается сбалансированная трехфазная система напряже¬
ний, в которой модули фазных напряжений равны между собой, а
фазовые сдвиги соответствуют 2л/3 и 4л/3, то концы векторов могут
2.5. Модуляция пространственного вектора
107
Рис. 2.17. Диаграмма модуляции пространственного вектора
быть соединены между собой прямыми линиями, образовав правиль¬
ный шестиугольник (рис. 2.17). При этом векторы будут разделять
его площадь на сектора, соответствующие активным состояниям
ключей I—VI, а центр шестиугольника, объединяющий начала век¬
торов, может отражать два состояния: VII и VIII с нулевыми значе¬
ниям напряжения. Обычно длины векторов равны максимальным
значениям модулирующих функций. В частности, в предельном слу¬
чае модуляции, когда выходное напряжение приобретает прямо¬
угольно-ступенчатую форму (для инверторов напряжений) макси¬
мальное значение фазного напряжения (рис. 2.17), определяющего
2
длину векторов, равно ^^d9 где ^d— напряжение на шинах посто¬
янного тока.
При традиционной синусоидальной модуляции переключение
ключей Sj происходит в моменты равенства модулирующих синусои¬
дальных функций с сигналами треугольной формы несущей частоты
fH (см. рис. 2.9). Обычно в качестве задающих (опорных) сигналов
используются сигналы синусоидальной формы с амплитудой, учиты¬
вающей коэффициент модуляции Ма. В общем случае такие сигналы
модуляции могут формироваться для каждой фазы, образуя трехфаз¬
ную систему, которая должна воспроизводиться на выходе преобра¬
зователя. Иначе происходит процесс модуляции пространственного
вектора, который по существу является единственным сигналом
модулирующей функции, выполняя роль задающего сигнала для фор¬
мирования всей трехфазной системы выходных напряжений (токов)

108 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
трехфазного ключевого преобразователя. Если в традиционном спо¬
собе синусоидальной ШИМ сигналы на переключение могут опреде¬
ляться аналоговым способом сравнения сигналов синусоидальной и
треугольной форм, то при модуляции пространственного вектора
моменты переключения определяются методом вычислений различ¬
ными цифровыми устройствами и формированием команд на пере¬
ключение ключей Sj с периодичностью частоты модуляции^. Диапа¬
зоны частот /н в рассматриваемом и традиционном методах модуля¬
ции примерно одинаковы.
Существо метода модуляции пространственного вектора состоит
в усреднении его значений в пределах каждого из шести секторов с
учетом изменения его нахождения в состояниях двух смежных векто¬
ров Uk и Uk+ j в пределах к-то сектора и состояниях VII и VIII с нуле¬
выми значениями напряжения. В этом случае производится вектор¬
ное суммирование, но с учетом относительной длительности нахож¬
дения пространственного вектора в состоянии Uk. Эту длительность
ук можно рассматривать как коэффициент заполнения при ШИМ пос¬
тоянного тока. Соответственно время нахождения ключей в состоя¬
нии, соответствующем вектору Uk, tk = укТи, где Гн = \//я — период
несущей частоты, на которой происходит модуляция. Учитывая, что
полное время пребывания в указанных состояниях за период модуля¬
ции не должно превышать собственное время периода Тк, можно
записать для общего случая
Ук + Ук+1 +Y7 + Y8= 1
ИЛИ
h + h +1 + h + *8= 1 >	(2.29)
где ук, yk+i — относительное время нахождения в состояниях векто¬
ров Uk и Uk+ i; у7, у8 — относительное время нахождения в состоя¬
ниях VII и VIII с нулевыми значениями пространственного вектора в
к-м секторе.
Пространственный вектор Us вращается с частотой выходного
напряжения сом в системе неподвижных а, Р-координат. Модуль и
фаза этого вектора для сбалансированной трехфазной системы пол¬
ностью определяются его координатами USa, USp в осях а, р. В этом
случае времена tl9t2 в первом секторе могут быть определены из три¬
гонометрических соотношений в квадратуре осей а, Р с учетом при¬
2.5. Модуляция пространственного вектора
109
нятых значений /7 и *8, рекомендуемых для различных модификаций
рассматриваемого метода модуляции.
На рис. 2.17, б приведен фрагмент рис. 2.17, а, из которого можно
определить времена tx и t2 при нахождении пространственного век¬
тора Us в первом секторе с фазовым углом а. Так как обычно час¬
тота модуляции ^ значительно превышает частоту выходного напря¬
жения инвертора fM, можно считать параметры вектора Us неизмен¬
ными на интервале периода Гн. Согласно рис. 2.17, б
USp = У2^2 s*n 60° = Us sin а	(2.30)
t2 I
или, учитывая, что у2 = — и Ма =
Т-	2
н	\Un
МаГн sin а
получим и = —.	—	•
z	sin 60°
Аналогично для определения можно записать
USa = JlUl+y2U2C0S 60°
или
Ма cos а = yi + у2 cos 60°.	(2.31)
С учетом (2.30) получим
М Т sin(60° - а)
tl =	sin	60°	‘
Значения tx и t2, рассчитанные для каждого угла а на интервалах в
первом секторе, пересчитываются микроконтроллером для осталь¬
ных секторов. Таким образом, в качестве задающего напряжения при
модуляции используется один параметр — пространственный вектор
Us, являющийся суммой усредненных значений ближайших гранич¬
ных векторов в каждом к-м секторе с учетом коэффициентов заполне¬
ния ук и ук + j в общем случае с добавлением нулевых напряжений на
интервалах с коэффициентами заполнения у7 и у8. Управление амп¬
литудой задающего вектора Us осуществляется изменением индекса
модуляции Ма. При этом одновременно происходят модуляции всех
фазных напряжений, которые связаны с пространственным вектором

110 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками..,
обратным преобразованием из а, Р-координат в трехфазную систему
а, Ъ, с:
««<»)
«*(9)
ис(»)
1	0
1 &
2	2
1	_тз
2	2
(2.32)
В этом смысле методическая разница между традиционной сину¬
соидальной модуляцией и модуляцией пространственного вектора
заключается в том, что в первом случае используют в качестве опор¬
ных сигналов напряжения всех трех фаз, а в последнем — только
один обобщенный вектор — пространственный. В то же время функ¬
циональные возможности этих методов различаются схемотехниче¬
скими средствами реализации, которые в конечном итоге определяют
преимущества того или иного метода.
Существует большое количество модификаций методов модуля¬
ции пространственного вектора [2.2]. Среди них наиболее широкое
применение получил метод с симметричными нулевыми состояни¬
ями /07 и /08 на интервалах периода модуляции Гн. В этом случае,
учитывая, что обычно в каждом полупериоде частоты модуляции
TJ2 состояния ключей изменяются одинаково, но в обратной после¬
довательности (рис. 2.18), для сектора I (с переходом для последую¬
щих) можно записать:
f? /8.
(2.33)
Существуют модификации рассматриваемого метода, в которых
на каждом периоде тактовой частоты используется только одно
состояние /07 или /08, обеспечивающее нулевое выходное напряжение
с разным расположением и длительностью этих интервалов. Приме¬
нение отдельных модификаций метода позволяет снижать рабочую
частоту коммутации Ун на 33 % без изменения эффективности моду¬
ляции. Кроме того, в зависимости от коэффициента мощности
нагрузки могут быть уменьшены коммутационные потери на 50 %.
Диапазон регулирования выходного напряжения при векторной
модуляции ограничивается верхним значением индекса модуляции
Ма. Линейной зависимости выходного напряжения, ограниченной
2.6. Режимы работы преобразователей переменного/постоянного тока 111
V
1 1 1
^iii
1 1 ти
1 1 1 1 9
1 1 1 * 1
Вектор
1
1
1
1
1
t
J
1 I I
[ ^08_| ^08_|
1 1 Ui 1 ^07 ^
1 2_J 1 L U
S1
о I 1 ! 1 ;
I ' j	1 1 1
1 1 1 1 1
! 1 i 1 I о !
1 1 1
1 1 1
1 1 1
1 1 1
1 1 In
1 1 1 \ V
S3
о
о
1 1 1 1 1
1 1 1
о
о
1 1 1
1 1
1 1 1
|
1 1 1 10
1 1 1
S5
0 10 10
1 |
1 1 1
1
о
о
о
Время
*07 ! h \ h \
оо
оо
j <2 j h j 1'07 j 9
Номер
VII Г I I п Т ми 1 viii”!
! и 1 i Г vii Г
состояния
1 1
1 1 1
1 1 1 1
Рис. 2.18. Диаграммы коммутации ключей при модуляции пространственного
вектора в секторе 1
Ма = 1 на рис. 2.18, а соответствует область, ограниченная окружно¬
стью, вписанной в шестиугольник. При этом максимальное значение
ud
Us = —, где Ud — напряжение на стороне постоянного тока. При
л/ 3
переходе в режим сверхмодуляции в пределах области, ограниченной
окружностью, описывающей шестиугольник (рис. 2.17, а), можно
увеличить индекс Ма до 1,15. В этом режиме интервалы /7 или f8
равны нулю. Дальнейший рост величины Ма приводит к искажению
синусоидальной формы с конечным переходом к выходным напряже¬
ниям прямоугольной формы, соответствующим работе с смодулиро¬
ванным напряжением.
2.6.	Режимы работы преобразователей
переменного/постоянного тока
2.6.1.	Инвертирование
Работа преобразователей переменного/постоянного тока на полно¬
стью управляемых ключах без модуляции выходных параметров иска¬
жает форму преобразуемого тока. Поэтому токи и напряжения в них на
стороне переменного тока имеют явно выраженную несинусоидаль¬
ную форму. Это ухудшает совместимость преобразователей с сетью
переменного тока и ограничивает область их применения. Создание

112 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
мощных высокочастотных, полностью управляемых, ключей позво¬
лило решить эту проблему посредством использования ШИМ. Наибо¬
лее полно преимущества преобразователей переменного/постоянного
тока с ШИМ проявляются в режимах инвертирования.
Традиционно в качестве основной схемы этого вида преобразова¬
телей, используемых в режимах инвертирования, была схема со сгла¬
живающим реактором на стороне постоянного тока, который явля¬
ется характерным признаком инверторов тока (рис. 2.19). Необходи-
А
\
S
\
дл/а
*2
Аги1
sLd
Рис. 2.19. Работа преобразователя переменного/постоянного тока в режиме
инвертирования:
а — схема со свойствами инвертора тока; б — диаграммы напряжения сети Uc
и инвертированного тока ; в — структурная схема связи выходного тока /и1
и индекса модуляции Ма; К{, К2 — коэффициент передачи;
2.6. Режимы работы преобразователей переменного/постоянного тока 113
I ud
1_
д мл
К,
AU
w
к2
А'н1
Л1
е)
Рис. 2.19. (Окончание):
г — схема со свойствами инвертора напряжения; д — диаграммы напряжения сети
ис и напряжения преобразователя ии; е — структурная схема связи выходного тока
/и1 и индекса модуляции Л/а
мость использования этой схемы очевидна, если принять во внима¬
ние разницу в мгновенных значениях напряжений на сторонах
постоянного и переменного тока. Как уже отмечалось, без примене¬
ния ШИМ фазные токи в этом преобразователе имеют форму, при¬
ближающуюся к прямоугольной при больших значениях индуктив¬

114 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
ности реактора Ld на стороне постоянного тока. Поступление неси¬
нусоидального тока в сеть может приводить к недопустимым искаже¬
ниям сетевого напряжения. В связи с высоким уровнем гармоник в
низкочастотном диапазоне частотного спектра токов прямоугольной
формы необходимо использовать громоздкие фильтры для их филь¬
трации. Синусоидальная ШИМ фазных токов позволяет существенно
уменьшить установленную мощность выходных фильтров преобра¬
зователей переменного/постоянного тока с характерными свойствами
инверторов тока.
Если преобразователь выполнен на основе схемы инвертора
напряжения, то он не может работать без выходного индуктивного
фильтра совместно с сетью переменного тока в режиме инвертирова¬
ния. Причиной этого является периодическое соединение в процессе
коммутации цепей источников постоянного и переменного тока, име¬
ющих разные напряжения. В инверторах тока эти цепи разделяются
реактором на стороне постоянного тока, индуктивность которого
ограничивает скорость изменения тока в цепях, объединяющих эти
источники. В преобразователях, выполненных на основе схем инвер¬
торов напряжения, ограничение скорости токов достигается посред¬
ством включения реакторов на стороне переменного тока. В автоном¬
ных инверторах эти реакторы являются элементами выходных
фильтров, сглаживающих пульсации выходных напряжений, обус¬
ловленные ШИМ на повышенной частоте. В рассматриваемых пре¬
образователях они используются для сглаживания пульсаций токов,
создаваемых разностью мгновенных значений напряжений источ¬
ника постоянного тока и сети. Повышенные частоты модуляции поз¬
воляют решать указанные задачи реакторами с малой индуктивно¬
стью. В инверторах без синусоидальной ШИМ такое решение потре¬
бовало бы использования реакторов с большой индуктивностью,
существенно ухудшающих технико-экономические показатели пре¬
образователя. Поэтому преобразователи переменного/постоянного
тока на основе инвертора напряжения без синусоидальной ШИМ
практического применения не имели. Рассмотрим более подробно
основные характеристики преобразователей переменного/постоян¬
ного тока, выполненных на основе схем со свойствами инверторов
тока и инверторов напряжения. Для большей ясности в качестве при¬
меров сравниваемых схем возьмем схемы однофазных преобразова¬
телей (рис. 2.19), процессы в которых подобны процессам, протекаю¬
щим в каждой из фаз трехфазных преобразователей. Как отмечалось
ранее, преобразователи переменного/постоянного тока разрабатыва¬
2*6. Режимы работы преобразователей переменного/постоянного тока 115
ются преимущественно на средние и большие мощности в трехфаз¬
ном исполнении для использования в области электроэнергетики.
Преобразователи со свойствами инвертора тока (рис. 2.19, а).
Для фильтрации высших гармоник инвертируемого тока / , обуслов¬
ленных его модуляцией на повышенной частоте, на стороне перемен¬
ного тока преобразователя включен «легкий» 1фСф-фильтр, подклю¬
ченный конденсатором непосредственно к преобразовательному
мосту. После фильтрации инвертируемый ток поступает в сеть с
напряжением Uc. На рис. 2.19, б показаны диаграммы сетевого
напряжения ис и инвертируемого тока /и до его фильтрации. Этот ток
можно представить в виде гармонического ряда
ОО
*h(<V) = S sin(«<v + фи),	(2.34)
П= 1
где (О) — круговая частота 1-й гармоники тока; /и п — амплитуда п-й
гармоники тока; <ptt — фазовый угол п-й гармоники.
Ток, поступающий в сеть после фильтрации, равен току реактора
iL, амплитуда п-й гармоники которого равна
hn = ~Т^	•	(2-35)
“ 1
Из (2.35) видно, что высшие гармоники тока с частотами <рп » <pl9
могут быть успешно отфильтрованы конденсатором фильтра Сф при
малых значениях индуктивности £ф. Это становится возможным бла¬
годаря тому, что основные функции сглаживания тока между источ¬
никами переменного и постоянного тока, имеющими разные уровни
напряжений, выполняет реактор, включенный на стороне постоян¬
ного тока, индуктивность которого Ld достаточно велика. По этой
причине в преобразователе со свойствами инвертора тока сравни¬
тельно просто обеспечить защиту ключей в аварийных режимах,
например, при возникновении короткого замыкания (КЗ) на стороне
переменного тока. Другим преимуществом схемы является ее эффек¬
тивность при работе с индуктивными накопителями электроэнергии.
Оборотной стороной указанных достоинств является очевидный
недостаток этой схемы — инерционность процессов, связанных с
изменением тока в реакторе, обладающим относительно большой
индуктивностью. На рис. 2.19, в приведена упрощенная структурная

116 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
схема связи изменения индекса модуляции АМа с током основной
гармоники Дги1. Эти связи показаны для малых отклонений указан¬
ных параметров. Динамические характеристики преобразователя в
рассматриваемом случае будут в основном определяться значением
индуктивности Ьф представленной на рис. 2.19, в в виде интеграль¬
ного звена в операторной форме. Влияние Х,фСф-фильтра на дина¬
мику существенно меньше, чем индуктивности Ld и в структурной
схеме не отражено.
Преобразователь со свойствами инвертора напряжения
(рис. 2.19, г). В этой схеме реактор фильтра 1ф является основным
элементом, сглаживающим ток, обусловленный разностью модулиро¬
ванного напряжения преобразователя ми (рис. 2.19, д) и напряжения
сети переменного тока ис. При мощности сетевого источника, значи¬
тельно превышающей мощность преобразователя, высшие гармо¬
ники тока преобразователя (без учета 1-й гармоники) могут быть
приближенно представлены следующим гармоническим рядом
оо	и
= I sin(”“i'+ip")’	(2-36>
п* 1	1 Ф
где (7И п — амплитуда п-й гармоники напряжения инвертора.
Из (2.36) видно, что в отличие от преобразователя со свойствами
инвертора тока в рассматриваемой схеме уровень высших гармоник
определяется значением индуктивности фильтра Lф. Это вызывает
необходимость повышать ее в сравнении со значением индуктив¬
ности фильтра в инверторе тока. В то же время благодаря повышен¬
ным частотам модуляции индуктивность £ф в этой схеме значительно
меньше величины Ld в схеме на рис. 2.19, а). Поэтому процессы при
управлении выходным током будут менее инерционными. Структур¬
ная схема, отражающая динамические характеристики преобразова¬
теля при управлении током ги1, представлена на рис. 2.19, е. Указан¬
ное преимущество преобразователя со свойствами инвертора напря¬
жения часто является определяющим при сравнении с преобразова-
телем со свойствами инвертора тока.
В заключение краткого сравнения указанных видов преобразова¬
телей, можно сказать, что обе схемы, благодаря применению^полно-
стью управляемых ключей и принципов широтно-импульсной моду¬
ляции, могут успешно работать совместно с сетью переменного тока
в четырех квадрантах комплексной плоскости.
2.6. Режимы работы преобразователей переменного/постоянного тока 117
2.6.2.	Выпрямление
Импульсная модуляция в режимах выпрямления используется в
целях:
выделения в спектральном составе тока основной гармоники на
стороне сети методом относительного ослабления уровней высших
гармоник с одновременным обеспечением их в более высокочастот¬
ной части спектра;
повышения коэффициента мощности за счет уменьшения как
реактивной мощности основной гармоники тока, так и мощности
искажения.
Эти задачи могут успешно решаться в схемах преобразователей
переменного/постоянного тока, выполненных на базе полностью
управляемых ключей (рис. 2.19), переходом к формированию токов в
области выпрямления. При переходе к режимам выпрямления углы
первых гармоник тока соответствуют расположению их векторов в I
и IV квадрантах комплексной плоскости. Следует также отметить,
что режимы выпрямления и инвертирования в преобразователях
переменного/постоянного тока на тиристорах получили практиче¬
скую реализацию в основном на основе схем со свойствами инвер¬
тора тока. Преобразователи со свойствами инверторов напряжения,
работающие совместно с сетью, стали применяться сравнительно
недавно в связи с созданием мощных управляемых ключей. Поэтому
рассмотрим более подробно режим выпрямления на примере схемы
этого класса преобразователей (рис. 2.19, г). Наиболее наглядно связь
первых гармоник тока и напряжения отражает векторная диаграмма.
Для ее построения представим первые гармоники токов и напряже¬
ний в виде комплексных амплитуд, полагая напряжение сети синусо¬
идальным, а ток конденсатора фильтра Сф равным нулю
• • •
в режиме выпрямления	=	С/и1,
в режиме инвертирования Uc + ycojZ^j = (Уи1,	(2.37)
где ия1 и /и1 — амплитуды первых гармоник напряжения и тока
инвертора соответственно.
Приняв вектор напряжения сети U в качестве базового, получим
согласно (2.37) векторные диаграммы (рис. 2.20) напряжений сети и
инвертора при разных значениях фазы тока инвертора как в режимах
выпрямления (области I, IV), так и инвертирования (области II, ITT)

118 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
Рис. 2.20. Векторная диаграмма преобразователя постоянного/переменного тока
со свойствами инвертора напряжения в режимах выпрямления а, IV) и инверти-
рования (И, III)
На диаграмме окружность 1 является геометрическим местом точек
концов вектора основной гармоники напряжения 1/и1 преобразова¬
теля при изменении фазы вектора тока /и1 в диапазоне углов 0 < ср <
< 2п. Геометрическим местом точек концов вектора тока /и1 будет
окружность 2. Из (2.35) следует, что радиусу окружности 1 соответ¬
ствует напряжение на реакторе фильтра =	1м 1	диа"
граммы видно, что при работе в областях с опережающим током /и1
(II, IV) напряжение преобразователя возрастает на величину напря¬
жения на реакторе AUL, а в областях (I, III) при работе с отстающим
током уменьшается.
2.6. Режимы работы преобразователей переменного/постоянного тока 119
Регулирование реактивной мощности. Работа преобразователя
на границе областей I, II и III, IV соответствует обмену его с сетью
реактивной мощностью, обусловленной основными гармониками
тока и напряжения. При этом на границе I, II мощность имеет индук¬
тивный характер, а на границе III, IV — емкостной. Такой обмен
используется для регулирования реактивной мощности в сети или
компенсации реактивной мощности определенного характера.
Например, при передаче электроэнергии индуктивность линии элект¬
ропередач вызывает появление реактивной мощности, для компенса¬
ции которой требуется мощность емкостного характера. Если в сети
имеет место избыток реактивной мощности емкостного характера, то
для компенсации требуется источник реактивной мощности индук¬
тивного характера. В преобразователях, выполняющих функции ком¬
пенсаторов реактивной мощности, вместо источника постоянного
тока включается конденсатор или индуктивный накопитель энергии.
Естественно, что в этом случае активная мощность требуется только
для компенсации потерь активной мощности в элементах схемы,
включая накопитель энергии на стороне постоянного тока. Такая
мощность, незначительная по величине, потребляется преобразова¬
телем из сети. Поэтому преобразователь в режиме работы обмена
реактивной мощностью между накопителем энергии на стороне пос¬
тоянного тока и сетью будет работать с учетом компенсации потерь
активной мощности вблизи границ, указанных выше областей со сто¬
роны потребления активной мощности из сети. На рис. 2.20 это отра¬
жено штриховкой вдоль границ в сторону областей I и IV.
Таким образом, применение полностью управляемых ключей и
импульсной модуляции позволяет обеспечить работу преобразовате¬
лей переменного/постоянного тока совместно с сетью с любым зна¬
чением коэффициента мощности при синусоидальной форме тока.
Указанные возможности реализуются в преобразователях, как со
свойствами инвертора тока, так и инвертора напряжения. Это имеет
большое значение для создания «экологически» чистых в части влия¬
ния на сеть преобразователей электроэнергии, не создающих высших
гармоник тока и напряжения, а также реактивной мощности на час¬
тоте основной гармоники. Однако для наиболее многочисленного
класса выпрямителей малой мощности, например, однофазных,
такое решение проблемы совместимости с сетью, как правило,
неприемлемо из-за существенного повышения их стоимости при
использовании указанных методов.

120 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
2.7. Типовые схемы активных фильтров
В зависимости от вида накопителя в качестве базовых схем АФ
используются преобразователи со свойствами источника тока или
источника напряжения. Рассмотрим работу АФ на примере однофаз¬
ных схем, в которых в качестве накопителей энергии используются
электромагнитный реактор (рис. 2.21) или конденсатор (рис. 2.22).
На рис. 2.21 схема активного фильтра соответствует схеме инвер¬
тора со свойствами источника тока, обусловленными реактором с
индуктивностью LМетодами импульсной модуляции на выходе АФ
ключами VT1—VT4 формируется последовательное модулирование
импульсов /АФ по заданному системой управления закону. После
фильтрации этого тока высокочастотным фильтром высших гармо¬
ник (ФВГ) в сеть переменного напряжения UAB поступает усреднен-
Рис. 2.21. Активный фильтр с индуктивным накопителем:
а — однофазная схема; б — диаграммы тока и напряжения (/3, i$	3-я и 5-я гар¬
моники тока)
2.7. Типовые схемы активных фильтров
121
Рис. 2.22. Активный фильтр с емкостным накопителем:
а однофазная схема; б диаграммы тока и напряжения (U, L — 3-я и 5-я гао-
моники тока)	F
ныи (отфильтрованный) ток гАФср, мгновенное значение которого
изменяется в соответствии с функцией модуляций тока id. На диа¬
граммах рис. 2.21, б, в качестве примера приведены напряжение сети
иАВ и тока АФ при формировании выходного тока /Аф равного
сумме 3-й и 5-й гармоник по отношению к основной частоте сетевого
напряжения. Диаграммы приведены для идеализированной в соот¬
ветствии с общепринятыми допущениями схемы при пренебрежении
пульсациями тока id (Ld = оо). Изменяя функцию модуляции, можно
получить выходные токи с различными мгновенными значениями во
времени. Основным ограничением точности воспроизведения задан¬
ной функции изменения тока является значение рабочей частоты
инвертора, соответствующее частоте модуляции^. В первом прибли¬
жении можно считать, что значение/н должно быть на порядок и

122 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
более выше верхнего предела диапазона частотного спектра форми¬
руемого тока или напряжения. Другим принципиальным ограниче¬
нием является отсутствие на выходе АФ активной мощности за
исключением мощности в его элементах. Нарушение баланса актив¬
ной мощности между АФ и сетью будет приводить к возрастанию
или убыванию тока id в рассматриваемом накопителе (или напряже¬
ния Ud в емкостном накопителе).
Схема АФ с емкостным накопителем (рис. 2.22) обладает свой¬
ствами источника напряжения и поэтому является дуальной по отно¬
шению к рассмотренной выше схеме. В этой связи процессы форми¬
рования выходного напряжения иаЬ в схеме на рис. 2.22 и тока /АФ
в схеме на рис. 2.21 подобны. В зависимости от того, формируется ли
системой управления ток /Аф или напряжение иаЬ выходные фильтры
высших гармоник ФВГ формируют ток или напряжение соответ¬
ственно. Пример диаграмм выходных напряжений и токов в АФ
с емкостным накопителем приведены на рис. 2.22, б для работы
с модулирующей функцией, определяемой суммой 3-й и 5-й гармо¬
ник выходного тока.
В рассматриваемых примерах (рис. 2.21 и 2.22) АФ подключаются
параллельно шинам сети, что обычно соответствует представлению
их эквивалентными источниками несинусоидального тока требуемой
формы. Очевидно, что эти же схемы могут быть включены в сеть
последовательно и рассматриваться как эквивалентные источники
несинусоидального напряжения. При последовательном (обычно
через трансформатор) включении в сеть АФ с индуктивным накопи¬
телем, необходимо подключать на выходе АФ сопротивление гАФ>
обеспечивающее протекание тока основной гармоники нагрузки /н в
цепи: источник сетевого напряжения Uc — нагрузка ZH (рис. 2.23).
Такая необходимость обусловлена высоким внутренним сопротивле¬
нием АФ с индуктивным накопителем. Естественно, что подключае¬
мое сопротивление должно не значительно понижать напряжение
основной гармоники сети. Таким образом, с учетом вида накопителя
можно выделить четыре схемы АФ — с параллельным и последова¬
тельным подключением к сети при индуктивном или емкостном
накопителях. Наибольшее практическое применение получили
схемы АФ с емкостным накопителем благодаря их более высокому
быстродействию и лучшим технико-экономическим показателям.
Следует, однако, отметить, что схемы с индуктивным накопителем
находятся вне конкуренции при использовании сверхпроводящих
индуктивных накопителей (СПИН) в целях решения не только задач
2.7. Типовые схемы активных фильтров
123
АФ
Рис. 2.23. Структурная схема последовательного подключения к сети АФ с индук¬
тивным накопителем
1АФ
о
б)
Рис. 2.24. Параллельно подключенный к сети АФ с емкостным накопителем:
а — схема; б — диаграммы тока
компенсации реактивной мощности или мощности искажения, но и
обеспечения резерва электрической энергии при исчезновении сете¬
вого напряжения. Естественно, что в таких случаях рассматриваются
фильтрокомпенсирующие устройства большой мощности.
На рис. 2.24 и 2.25 представлены однофазные схемы АФ с емкост-
ными накопителями с параллельным и последовательным подклю¬
чением к сети. Схема с параллельным подключением к сети (см.

124 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками..,
и,
АФ
0^
“АФ'
Рис. 2.25. Последовательно включенный АФ с емкостным накопителем:
а — схема; б — диаграммы напряжения
рис. 2.24) обычно используется для устранения искажений токов,
создаваемых нелинейной нагрузкой, например, выпрямителем с боль¬
шой индуктивностью на стороне постоянного тока, обусловленной
выходным фильтром или системой возбуждения двигателя. Для повы¬
шения эффективности фильтрации АФ подключается непосред¬
ственно к шинам нелинейной нагрузки. При отсутствии АФ искажен¬
ный ток нагрузки вызывает падение напряжения на выходном сопро¬
тивлении сети. В результате напряжение на шинах различных потре¬
бителей становится несинусоидальным. Для исключения этого явления
или уменьшения степени искажения тока потребителей АФ, подклю¬
ченный к шинам нелинейной нагрузки, создает ток /Аф, который в
сумме с искаженным током нагрузки /н обеспечивает поступление в
сеть синусоидального тока, равного току основной гармоники /н1. На
диаграммах (рис. 2.24, б) приведены указанные токи, иллюстрирую¬
щие эффект фильтрации. Как отмечалось выше, одновременно с фун¬
кцией фильтрации высших гармоник тока АФ может выполнять фун¬
кции компенсатора реактивной мощности основной гармоники тока
нелинейного потребителя. При этом необходимо учитывать, что мак¬
симальное значение мощности АФ будет определяться максималь¬
ными значениями суммы компенсируемого и фильтруемого токов.
Расчет основных элементов силовой части проводится по методикам,
применяемым для расчета инверторов напряжения с импульсной
модуляцией.
2.7. Типовые схемы активных фильтров
125
Последовательно включенный фильтр с емкостным накопителем
представлен на рис. 2.25. Фильтр позволяет обеспечить синусоидаль¬
ность напряжения на нагрузке при источнике питания с искаженным,
несинусоидальным напряжением Uc. По существу, последовательно
включенный АФ является высокочастотным вольтодобавочным уст¬
ройством, позволяющим получить напряжение заданной формы и
величины. Однако необходимо учитывать, что АФ с накопителем
электрической энергии не может в течение длительного времени
генерировать или принимать активную мощность из-за отсутствия ее
источников или приемников. В то же время последовательно вклю¬
ченный АФ может устранять низкочастотные колебания напряжения
или кратковременные его провалы. Это свойство позволяет расши¬
рять его функции. Так, например, широкое практическое применение
нашла структура совместного использования параллельно и последо¬
вательно включенного АФ (рис. 2.26). В этой структуре параллельно
включенный АФ используется не только для фильтрации и компенса¬
ции реактивной мощности, но и в качестве источника постоянного
тока с напряжением С/^, обеспечивающим обмен активной мощно¬
стью между сетью переменного тока и последовательно включенный
АФ. В результате последний может быть использован в качестве
регулятора напряжения на шинах переменного тока.
Рис. 2.26. Схема последовательно и параллельно включенных АФ

126 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками..,
2.8. Типовые структуры систем управления
в преобразователях переменного/постоянного тока
В самом общем виде способы реализации управления с ШИМ в пре¬
образователях (Пр) переменного тока можно разделить на две группы:
с прямым управлением напряжением без обратной связи по току;
с обратной связью по току.
Внутри групп способы реализации управления различаются по
используемому методу ШИМ и используемой элементной базе.
Способы первой группы в основном применяются для инверторов
напряжения, например в составе агрегатов бесперебойного питания.
Они используют как традиционные методы ШИМ, так и новые,
например метод пространственного вектора.
На рис. 2.28 приведена обобщенная структурная схема управле¬
ния и организации синусоидальной ШИМ трехфазного инвертора
напряжения с нагрузкой Я. Согласно приведенной структурной
схеме, формирование импульсов управления ключами преобразова¬
теля происходит в моменты, определяемые сравнением опорных фаз¬
ных напряжений U*, и£ и U* (звездочка обозначает эталонное
значение) с сигналами треугольной формы несущей частоты, выраба¬
тываемыми генератором несущей частоты ГНЧ. При этом учитыва¬
ется задаваемый индекс модуляции Мф который может определяться
системой регулирования (не показана на рис. 2.27). Формирование
импульсов управления ключами осуществляется оконечными каска¬
дами управления, входящими в блок формирования импульсов
управления ФИУ в моменты срабатывания компараторов К1—КЗ,
зависящие от уровня сигналов рассогласования 8. В рассматривае¬
мом случае управления преобразователем со свойствами источника
напряжения осуществляется ключами S1, S3 и S5, которые включа¬
ются при выключенных ключах S4, S6 и S2 благодаря логическим
элементам НЕ в каналах управления последних. Пунктиром на
рис. 2.27 показаны возможные связи для улучшения характеристик
преобразователя, например, добавления к опорным сигналам напря¬
жения 3-й гармоники для расширения линейной части диапазона
модуляции напряжения. Кроме того, для «размывания» частотного
спектра на генератор несущей частоты ГНЧ могут подаваться сиг¬
налы от генератора случайных чисел ГСЧ, которые с учетом функции
плотности распределения вероятностей, определяют период треу¬
гольной функции несущей частоты. Для коррекции изменений или
контроля пульсаций входного напряжения на стороне постоянного
2.8. Типовые структуры систем управления в преобразователях... 127
1М„
\мь
Uh А1*
и.
ум.
Iкч\~
зг
ДН-
ф
it
К1
ч
К2
Афиу1[
S1
НЁ]—>\ФИУ2\^-*~
\ФИУЗ\-^-*.
КЗ
f^o-dh—
ГНЧ
ГИС- 2'27;°®”бЩеННаЯ структурная схема управления и организации синусои-
дальнои ШИМ:
ЗГ — задающий генератор
тока может быть предусмотрен канал с датчиком напряжения ДН
Рассмотренная структура позволяет реализовать модуляцию как
непосредственно на основе сравнения аналоговых, так и цифровых
сигналов формируемых микропроцессорным контроллером. Приме¬
нение цифровых методов позволяет повысить устойчивость системы
управления к типовым возмущениям, обусловленным различного
рода погрешностями.
На рис. 2.28 приведена упрощенная структурная схема ШИМ про¬
странственного вектора. В данном случае управление осуществля¬
ется относительно одного пространственного вектора, выполняю¬
щего роль опорного и определяемого расчетным путем микропроцес¬
сорными средствами. Опорный вектор U* с учетом индекса модуля¬
ции задается в качестве эталонного значения выходного напряжения
инвертора. В частности, его значение может поступать из канала
автоматического регулирования выходных параметров преобразова¬
теля, работающего в системе электропривода. При этом могут одно¬
временно учитываться возмущения со стороны входного напряжения
Ud на стороне постоянного тока. Тактовая частота, соответствующая
частоте модуляции выходного напряжения преобразователя, опреде¬
ляется задающим генератором ЗГ. Эта же частота определяет число
коммутации ключей преобразователя за период основной частоты
выходного напряжения преобразователя. На интервале каждого такта

128 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
Us	us
Рис. 2.28. Упрощенная структурная схема управления с ШИМ пространствен¬
ного вектора:
t — расчетное время для к и к + 1 секторов
(или полутакта) расчетное устройство РУ производит расчет коорди¬
нат вектора Ug для одного сектора. Затем производится выбор сек¬
тора устройством выбора сектора ВС, соответствующего состоянию
вектора U$ на данный момент, и производится пересчет его коорди¬
нат в а, p-осях. По результатам перерасчета в ФИУ формируются
сигналы на коммутацию соответствующих ключей преобразователя
ОS1—S6).
Современные способы реализации управления с ШИМ без обрат¬
ной связи по току позволяют обеспечить широкий диапазон модуля¬
ции напряжения, включая режимы сверхмодуляции, ограничивать
коммутационные потери и уровень высших гармоник. Кроме того,
они хорошо согласуются с постоянно возрастающими возможно¬
стями микропроцессорной техники.
С другой стороны, системы с обратной связью по току обладают
более высоким быстродействием при возмущениях со стороны
нагрузки Н9 позволяя улучшить динамические характеристики преоб¬
разователей. Использование обратной связи по току позволяет повы¬
сить точность управления при изменении мгновенных значений тока,
обеспечив эффективную защиту преобразователя от перегрузок по
току. Способы реализации управления с ШИМ с обратной связью по
току широко применяются в преобразователях для электропривода.
На рис. 2.29 представлена упрощенная структурная схема управ¬
ления преобразователем переменного/постоянного тока со свой-
2.8. Типовые структуры систем управления в преобразовать»
129
Zсмм по таку	^Г™„„
вделить схемы с непосредственным слежением реального тока iL за
эталонным его значением i*L в пределах полосы, ширина 5 которой
определяет частоту коммутации ключей. Такие системы «гистерезис-
о» типа получили большое распространение благодаря простоте
^	Г3™"' ИЗВеСТ"ЫМ	*™х	«схем	ям"
ется изменение частоты коммутации в процессе слежения за нели
™ например, синусоидальным сигналом. Существуют спо¬
собы, ограничивающие диапазон изменения частоты но их эсЬбек
»отьТ	- основном ограни^аютеГ/аз
остью частот модулируемого сигнала и несущей частоты
отношение которых должно различаться более чем на порядок Пос’
леднее становится особенно существенным при модуляции в актив
ных фильтрах для устранения гармоник высокого порядка Следует
также отметить, что дискретная реализация «гис^сного»

130 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
ципа в цифровых системах управления требует в отличие от аналого¬
вых систем существенного повышения рабочей частоты микроконт¬
роллера для обеспечения заданной шириной полосы 8 (точности
управления). В таких случаях целесообразным становится примене¬
ние прогнозных методов модуляции [17], учитывающих скорость
изменения контролируемых параметров.
Развитие активных фильтров и компенсаторов реактивной мощ¬
ности вызвало необходимость создания систем с ШИМ, позволяю¬
щих управлять отдельными гармониками или спектрами гармоник
несинусоидальных токов и напряжений. Эта необходимость вытекает
из принципа действия различных компенсаторов неактивной мощ¬
ности, включая активные фильтры. Рассмотрим более подробно
типовые структуры и звенья систем управления с ШИМ для решения
указанных задач на примере систем управления преобразователями
переменного/постоянного тока со свойствами источника напряжения.
При этом для обобщения их характерных свойств будем считать, что
они могут выполнять функции следующих видов регуляторов неак¬
тивной мощности:
активных фильтров;
гибридных фильтров;
компенсаторов реактивной мощности основной гармоники
(СТАТКОМ).
Во всех этих случаях силовой преобразователь содержит на сто¬
роне постоянного тока конденсатор Сф для обмена неактивной мощ¬
ностью между преобразователем и сетью переменного тока. Обоб¬
щенная структурная однолинейная схема такого преобразователя
приведена на рис. 2.30, где ключи силовой части преобразователя Пр
управляются от блока формирователя импульсов управления ФИУ.
Алгоритмы управления реализуются в блоке микропроцессорной
системы управления МП СУ, на вход которой поступают сигналы с
датчиков токов нагрузки и преобразователя iL, /н, линейного напря¬
жения сети Uc и напряжения на конденсаторе Ud. Поскольку для
управления отдельными гармониками или частью спектра несинусо¬
идальных сигналов необходима информация о них, в состав МП СУ
должны входить фильтры. Анализ различных методов фильтрации
сигналов для этих целей показал, что наиболее эффективными явля¬
ются цифровые фильтры сигналов, преобразованных из координат
трехфазной сбалансированной системы в систему двухфазных орто¬
гональных координат. Преобразованная трехфазная/двухфазная сис¬
тема координат должна быть синхронизирована с частотой и фазой
сетевого напряжения. Для этого в МП СУ входит блок синхрониза-
2.8. Типовые структуры систем управления в преобразователях...
131
Рис. 2.30. Обобщенная структурная схема регулятора неактивной мощности
Рис. 2.31. Структурная схема микропроцессорной системы управления для
работы преобразователя в режиме компенсатора реактивной мощности
ции Синхр. (рис. 2.31), основой которого является система фазовой
автоподстройки частоты (ФАПЧ). По принципу действия ФАПЧ
является следящей системой автоматического регулирования, обес¬
печивающей высокую точность подстройки частоты в установив¬
шемся режиме.
Упрощенные структурные схемы МП СУ и их отдельные блоки
представлены на рис. 2.31—2.34. В блочной схеме МП СУ для ком¬
пенсатора реактивной мощности основной гармоники (рис. 2.31)
выделены три основных блока, на вход которых поступают внешние

132 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
сигналы от датчиков контролируемых параметров и сигнал задания
реактивной мощности:
блок синхронизации (Синхр.), обеспечивающий генерацию опор¬
ных единичных синусоидальных сигналов, синхронизированных по
частоте и фазе с напряжением сети;
блок синхронного преобразования координат abc/dq, на вход кото¬
рого поступают сигналы от датчиков тока трех фаз преобразователя,
контролируемых в реакторах выходных фильтров Lф. Этот блок
вычисляет значения токов в d, ^-координатах с использованием еди¬
ничного сигнала блока синхронизации;
блок расчета задания БРЗ получает сигналы с датчика напряжения
на конденсаторе преобразователя. Сигнал задания значения и харак¬
тера реактивной мощности поступает либо от внешней системы
управления компенсатором, либо определяется самим БРЗ. Сигнал,
определяющий значение напряжения на конденсаторе, используется
для компенсации потерь активной мощности в компенсаторе, обеспе¬
чивая поддержание заданного уровня напряжения на конденсаторе.
Разница между реальными и заданными токами в системе d, ^-коор¬
динат поступает на блоки ПИ с пропорционально-интегральными
передаточными функциями для частотной коррекции сигналов рассо¬
гласования, а затем на вход блока обратного преобразования коорди¬
нат dqlabc. Выходные сигналы с этого блока сравниваются с сигна¬
лами генератора пилообразного напряжения /77#, вырабатывающего
треугольные сигналы с тактовой частотой коммутации ключей пре¬
образователя. Компаратор Ком. формирует импульс управления в
фазах, соответствующих разности сигналов 7777/ и блока dqlabc,
которые затем поступают на оконечные каскады формирователей
импульсов управления ФИУ. Диаграммы сигналов, иллюстрирующие
работу преобразователя в режиме компенсации реактивной мощ¬
ности основной гармоники, приведены на рис. 2.32. Структурная
схема МП СУ для преобразователя, работающего в режиме активного
фильтра, приведена на рис. 2.33. Эта схема рассчитана на реализа¬
цию «гистерезисного» принципа слежения за токами преобразова¬
теля. Схема включает в себя два основных блока, определяющих ток
задания i * в следящей системе:
блок расчета тока компенсации потерь РТКП, на вход которого
поступает сигнал от датчика напряжения Ud на конденсаторе преоб¬
разователя. Этот блок рассчитывает значение активных токов ik ,
необходимых для компенсации потерь мощности в преобразователе
2.8. Типовые структуры систем управления в преобразователях...
133
10
0
-10
\
1 \
\
\
/А
\
* t
/
V V
/
f
V
/
/
0	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	Э
б)
10
о
-5
-10
'"Ч
■\У
N
(
\
N
	S.
—
0	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	в
в)
0	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	О
г)
Рис. 2.32. Диаграммы тока в ^-координатах:
а — ток нагрузки (штриховая линия) и ток сети (сплошная линия) (напряжение
имеет нулевую начальную фазу); б — d и ^-составляющие тока нагрузки (соответ¬
ственно, активная и реактивная); в — d и ^-составляющие тока преобразователя;
г — d и ^-составляющие тока сети (^-составляющие — штриховые линии,
^-составляющие — сплошные линии)
и, следовательно, поддержания напряжения на конденсаторе на
заданном уровне;
блок выделения высших гармоник ВВГ, который выделяет на
основе цифровых фильтров требуемую часть спектра высших гармо¬
ник in тока нагрузки zH, поступающего на этот блок. Сумма токов in и
i£ определяет ток задания i * . Ток задания / * и выходной ток преоб-

134 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками...
Рис. 2.33. Структурная схема микропроцессорной системы управления для
работы преобразователя в режиме активного фильтра
Рис. 2.34. Структурная схема выделения высших гармоник (в.г.)
разователя /Аф поступают на компаратор Ком., обеспечивая форми¬
рование импульсов управления для коммутации ключей преобразова¬
теля.
Блок ВВГ может иметь различное схемотехническое исполнение.
На рис. 2.34 приведен пример блок-схемы ВВГ на основе выделения
высших гармоник из двух фаз А и В с последующим определением
их содержания в фазе С. В этом варианте высшие гармоники токов
нагрузки фаз А и В выделяются цифровыми полосовыми фильтрами
ПФ. Ток фазы С вычисляется по найденным значениям токов двух
других фаз.
На рис. 2.35 представлен вариант блок-схемы ВВГ на основе
фильтрации составляющих тока нагрузки в синхронных d, ^-коорди¬
натах. На рис. 2.35 показано, что первые гармоники тока в синхрон¬
ных координатах являются постоянными во времени значениями.
Поэтому их можно выделять в виде среднего значения, используя
фильтры переменной составляющей. В результате обратного преоб¬
разования координат dq/abc будут получены высшие гармоники
токов нагрузки. Диаграммы, иллюстрирующие работу блока, пред¬
ставлены на рис. 2.36.
2.8. Типовые структуры систем управления в преобразователях... 135
Рис. 2.35. Структурная схема выделения высших гармоник на основе фиксации
тока нагрузки в синхронных координатах:
ФНЧ — фильтр низких частот
i
10
0
-10
А
А
А
Л_
V/
V
Л/
V"
i
10
о
-10
0	0,005	0,010	0,015	0,020	0,025	0,030	0,035	в
а)
J\
А
—л Г
Л г—
-л /
\ г-
л/
V
^ V
У ^
V/
V
0	0,005	0,010	0,015	0,020	0,025	0,030	0,035 а
б)
Рис. 2.36. Выделение высших гармоник тока нагрузки:
а — ток нагрузки фазы А; б — сумма высших гармоник тока нагрузки фазы А
На рис. 2.37 представлена схема корректора мощности неуправля¬
емого выпрямителя. Рассмотрена типовая структурная схема сис¬
темы управления таким корректором. Управление осуществляется
методом ШИМ коммутации ключа S в силовой схеме выпрямителя,
работающего в режиме с непрерывным током ic. Обычно такие кор-

136 Глава 2. Современная силовая электроника в управлении потоками..
Рис. 2.37. Типовая структурная схема системы управления корректора мощности
однофазного выпрямителя
ректоры осуществляют не только коррекцию входного тока выпрями¬
теля ic, обеспечивая его синусоидальность и cos срх = 1, но и повы¬
шают выходное напряжение, стабилизируя его значение на заданном
уровне. Поэтому в системе управления СУ предусмотрено два канала
регулирования: один — по выходному напряжению иф другой — по
модулю выпрямленного тока /в. Естественно, первый канал является
значительно более инерционным из-за емкости выходного фильтра
С. Произведение сигнала выходного напряжения выпрямителя ив и
сигнала рассогласования между выходным напряжением ud и опор¬
ным напряжением иJ является сигналом задания z* для формирова¬
ния тока ключа корректора S. Разность модуля выпрямленного тока /в
и сигнала задания z * поступает на вход ШИМ регулятора одновре¬
менно с сигналом модуляции треугольной или пилообразной формы,
формируемым генератором несущих сигналов ГНС. При равенстве
2.8. Типовые структуры систем управления в преобразователях..,
137
этих сигналов срабатывает компаратор Ком. и на выходе оконечного
каскада ФИУ формируется импульс управления ключом S. При этом
коэффициент заполнения импульсов управления изменяется по
закону, обеспечивающему синусоидальность входного тока выпрями¬
теля с cos = 1, и одновременно стабилизируется напряжение на
нагрузке. Для улучшения динамических характеристик выпрямителя
в систему управления входят корректоры Kopl и Кор2 с требуемыми
передаточными функциями.
Контрольные вопросы к главе 2
1.	Какие функции выполняют статические преобразователи с накопителями
на стороне постоянного тока в регулировании потоков электроэнергии?
2.	Для чего в преобразователях электроэнергии используется импульсная мо¬
дуляция токов и напряжений?
3.	Какие возможности дает применение полностью управляемых электрон¬
ных ключей в статических преобразователях?
4.	На чем основан метод селективного исключения высших гармоник тока в
преобразователях?
5.	Какие преимущества дает метод модуляции пространственного вектора
при модуляции токов?
6.	Какую форму имеют фазные токи инверторов тока при большой индуктив¬
ности на стороне постоянного тока без применения импульсной модуляции?
7.	Поясните различие в силовых схемах инвертора тока и напряжения.
8.	В каких квадрантах входных токов и напряжений работают статические
компенсаторы реактивной мощности?
9.	Поясните принцип активной фильтрации тока и напряжения.
10.	Какие фильтры называются гибридными?
Список литературы к главе 2
2.1.	Rashid Muhammed Н. Power Electronics. — USA: Prentice—Hall, 1988.
2.2.	Kazmierkowski M.P., Krishnan R., Blaabjerg F. Control in Power
Electronics. Selected Problems. — USA: Academic Press, 2002.
2.3.	Ковалев Ф.И., Мустафа Г.Н., Барегамян E.B. Управление по вычисля¬
емому прогнозу импульсным преобразователем с синусоидальным выходным на¬
пряжением // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техни-

Глава 3
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОСНОВНОГО
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В СИСТЕМАХ
ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
3.1.	Развитие основного электрооборудования
энергосистем (с перспективой на 25 лет)
Особенности проблемы создания оборудования для энергосистем
состоят в ее многоплановости (в разнообразии видов оборудования и
аспектов его применения), а также в специфике условий нашей элек¬
троэнергетики [Единая энергетическая система (ЕЭС) страны огром¬
ной протяженности с самыми различными климатическим услови¬
ями и особо высокими требованиями к надежности электроснабже¬
ния] [3.1].
Выполнение задачи по обеспечению энергетической безопасности
страны возможно лишь при грамотном определении целей и техни¬
ческих возможностей создания новых типов оборудования, правиль¬
ном прогнозировании его развития, создании необходимых мощно¬
стей для его производства и плановой замены в процессе эксплуа¬
тации.
Большое значение для обеспечения энергетической безопасности
страны имеет и всемерное развитие рассредоточенной энергетики на
основе создания сети электростанций малой мощности (включая
электростанции на нетрадиционных и возобновляемых источниках
энергии) с комбинированной вырабткой электрической и тепловой
энергии, интегрированных в ЕЭС.
Для решения всех этих задач требуется создание электрооборудова¬
ния для энергосистем с техническими характеристиками на высоком
(мировом) уровне и в достаточном для их выполнения количестве.
Условия, влияющие на развитие основного электрооборудования
следующие:
старение оборудования плюс рост производства электроэнергии,
требующие масштабных программ замены и реконструкции как гене¬
рирующего, так и сетевого оборудования;
ужесточение требований к охране окружающей среды — к сниже¬
нию выбросов в атмосферу, электромагнитных излучений, шума от
оборудования, к соблюдению норм экологической защиты;
3.1. Развитие основного электрооборудования энергосистем
139
необходимость повышения качества электроэнергии из-за разви¬
тия цифровой техники и технологических процессов, весьма чув¬
ствительных к изменениям и перерывам напряжения, к наличию
высших гармоник в сети;
либерализация рынка электроэнергии, приводящая к конкуренции
при производстве и передаче электроэнергии и соответственно тре¬
бующая снижения расходов, приводящих к ограничению резервных
мощностей;
расширение межгосударственного и регионального обмена элект¬
роэнергией, вызывающее рост перетоков мощности.
Преодоление влияния этих факторов связано с соблюдением опре¬
деленных условий для конкретных объектов электроэнергетики.
Требования для энергосистемы в целом следующие:
устойчивость работы в статических и переходных режимах;
высокая управляемость;
развитие системных защит с широкомасштабным охватом ситуа¬
ции в электрической сети для предотвращения каскадных аварий;
высокое качество электроэнергии и надежность электроснабже¬
ния;
снижение уровней токов коротких замыканий в энергосистеме
схемными и аппаратными средствами;
поддержание режима и устойчивости при расширении доли (до
20—30 %) генерирующих мощностей с переменным плохо прогнози¬
руемым выходом (ветроэнергетика, распределенная энергетика).
Требования для электростанций следующие:
соответствие характеристик оборудования требованиям развития
энергосистем;
устойчивость работы при изменениях режима и возмущениях в
сети;
высокая маневренность агрегатов;
регулирование реактивной мощности в широких пределах;
высокий КПД — снижение всех видов потерь;
высокая надежность без увеличения эксплуатационных затрат;
блоки средней и малой мощности для автономных потребителей;
эффективный контроль состояния оборудования с удлинением
срока его службы;
экологическая чистота с применением соответствующих материа¬
лов, включая ликвидацию оборудования по истечении срока службы.

140 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
Требования для электрических сетей следующие:
соответствие управляемости и передающей способности оборудо¬
вания сети требованиям развития энергосистем;
максимальное использование пропускной способности линий;
повышение межсистемных связей до 10—20 % всей мощности;
надежность и высокое качество поставок электроэнергии, осо¬
бенно надежность распределительных сетей;
высокая управляемость режимов работы в условиях меняющихся
перетоков мощности с использованием силовой электроники и
информационных технологий;
автоматическое регулирование в сети с возможностью стабилиза¬
ции стационарных и переходных режимов.
3.2.	Оборудование системообразующих
и распределительных сетей
3.2.1.	Основные задачи при создании новых комплексов
оборудования переменного тока
При создании комплексов нового поколения оборудования пере¬
менного тока необходимо иметь в виду следующие принципы:
наличие у современного электротехнического оборудования
повышенной эксплуатационной надежности;
совершенствование нормативной базы с обязательным контролем
новой продукции в испытательных центрах России для предотвраще¬
ния поступления на подстанции некачественного оборудования;
высокая степень автоматизации контролируемых и управляемых
технологических процессов;
оснащение всех видов оборудования подстанций диагностиче¬
скими комплексами;
значительное сокращение объема эксплуатационного и ремонт¬
ного обслуживания, в том числе за счет выполнения ремонтов по
фактическому состоянию оборудования и перехода в перспективе к
работе без постоянного обслуживающего персонала;
применение технико-экономически обоснованного глубокого
уровня ограничения перенапряжений путем использования наиболее
прогрессивных ограничителей перенапряжений, шунтирующих и
управляемых шунтирующих реакторов, стабилизации напряжения в
электрической сети в установившемся и переходном режимах с
помощью устройств регулирования реактивной мощности;
3.2. Оборудование системообразующих и распределительных сетей 141
применение новых наиболее прогрессивных материалов, техноло¬
гических и технических решений при разработке отдельных узлов и
оборудования в целом;
преимущественное использование комплектных распределитель¬
ных устройств с элегазовым наполнением, особенно в районах с
тяжелыми условиями окружающей среды, и в местах, где площадь
для подстанции ограничена.
3.2.2.	Требования к основному оборудованию
подстанций
Современные автотрансформаторы и трансформаторы должны
иметь обоснованно сниженные значения потерь в режимах холостого
хода (XX), короткого замыкания (КЗ), затрат электроэнергии на
охлаждение, необходимую динамическую стойкость к токам КЗ,
должны быть оснащены современными высоконадежными вводами
(в том числе, с твердой изоляцией), устройствами регулирования
напряжения под нагрузкой (РПН), встроенными интеллектуальными
датчиками и контроллерами, системами пожаротушения или предо¬
твращения пожара.
Системы регулирования реактивной мощности (шунтирующие и
управляемые шунтирующие реакторы, СТАТКОМ, статические
тиристорные компенсаторы — СТК и т.д.) должны соответствовать
конкретной схеме сети, требованиям по точности регулирования
напряжения, быстродействия и др.
К аппаратам высокого напряжения предъявляются дополнитель¬
ные требования:
выключатели должны быть взрывобезопасными, с элегазовой сме¬
сью (колонковыми и баковыми со встроенными трансформаторами
тока), предвключаемыми резисторами и программированием комму¬
таций;
разъединители должны быть с высоконадежными изоляторами, с
улучшенной кинематикой и контактной системой, с электродвига-
тельным приводом и подшипниковыми устройствами, не требую¬
щими ремонта с разборкой в течение всего срока службы (полупан-
тографные, пантографные, горизонтально-поворотные).
Измерительные трансформаторы изготавливаются взрывобезо¬
пасными, с элегазовой смесью (на более дальнюю перспективу —
оптико-электронные), встроенными, отдельно стоящими, включая
комбинированные в одном корпусе. Отдельно стоящие трансформа¬
торы тока применяются в тех случаях, когда встроенные не обеспечи¬

142 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
вают требуемых условий работы устройств релейной защиты и авто¬
матики (РЗА), автоматизированной системы контроля и учета элект¬
роэнергии (АСКУЭ) и питания измерительных приборов.
Трансформаторы напряжения должны иметь отдельную вторич¬
ную обмотку для подключения средств АСКУЭ и измерительных
приборов класса точности не хуже 0,2. На подстанциях, где сущест¬
вуют условия для возникновения феррорезонансных перенапряже¬
ний, они должны обладать антирезонансными свойствами.
Ограничители перенапряжений должны быть взрывобезопас¬
ными, с достаточной энергоемкостью и необходимым защитным
уровнем.
3.3.	Кабели и провода линий электропередач
3.3.1.	Технический уровень развития кабелей
и проводов в мире и России
В мире все большая часть распределительных сетей прокладыва¬
ется под землей. К примеру, в Германии в линиях низкого напряже¬
ния (НН) доля кабелей составляет более 80 %, а в линиях среднего
напряжения (СН) доля кабелей — 65 %. Специалисты в Европе счи¬
тают, что чем больше доля кабельных сетей, тем надежнее энерго¬
снабжение.
Кабели сверхвысокого напряжения (СВН) соединяют между
собой разделенные морями страны, используются для глубокого
ввода мощности в города и крупные предприятия, соединяют генера¬
торную часть электростанций с сетевыми подстанциями.
Для электропередач большой мощности широко используются
кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), обладающие
большой пропускной способностью (на 17—25 % выше, чем у кабе¬
лей с пропитанной бумажной изоляцией), термической устойчиво¬
стью при КЗ, низкой массой и меньшим диаметром, что облегчает
прокладку и позволяет использовать большие строительные длины
кабеля. Такие кабели высокоэкологичны (нет масляной изоляции,
свинцовой оболочки), имеют низкую удельную повреждаемость (на
один-два порядка ниже, чем у маслонаполненного). Первый отечест¬
венный кабель с СПЭ-изоляцией на 500 кВ введен в работу в 1996 г.
К настоящему времени в мире мощность всех кабельных линий
постоянного тока, подводных и подземных, превышает 8000 МВт,
передаваемые мощности достигают 1000 МВт.
Доля кабелей с бумажно-масляной изоляцией и с изоляцией из
термопластичного полиэтилена заметно снижается.
3.3. Кабели и провода линий электропередач
143
Также начинается ввод линий электропередачи (ЛЭП) с изоляцией
из элегаза или его смеси с азотом на СВН. В Женеве эксплуатируется
такая линия на напряжение 420 кВ с передаваемой мощностью
2000 MB • А. Общая длина таких линий достигает 100 км.
В конструкциях современных кабелей предусмотрен встроенный
оптоволоконный модуль для контроля их состояния и параметров
передачи мощности.
Кабели высокого напряжения 110, 220, 330 и 500 кВ, применяются
для передачи мощности от генерирующих электростанций к магист¬
ральным ЛЭП. Подземные кабельные линии высокого напряжения
(ВН) в условиях плотной городской застройки являются оптималь¬
ным вариантом для глубокого ввода больших мощностей к центрам
потребления нагрузок в крупных мегаполисах, таких как Москва,
Санкт-Петербург и других, а также для связи и резервирования
городских подстанций на ВН. Электрическая изоляция новых кабе¬
лей ВН 110—500 кВ в настоящее время и в ближайшей перспективе —
это сшитый полиэтилен. Промышленное освоение кабелей с
СПЭ-изоляцией в нашей стране существенно отстает от мирового
уровня.
Ведутся разработки кабелей на высокотемпературных сверхпро¬
водниках (ВТСП), сооружаются опытные отрезки линий, например,
компанией «Niagara Mohawk» (США) проложен кабель на ВТСП вто¬
рого поколения длиной 350 м на напряжение 34,5 кВ и ток 800 А,
охлаждаемый жидким азотом. Вообще в области сверхпроводнико-
вой технологии в мире наиболее «передовые» ВТСП-кабели. Главное
их назначение — глубокий ввод больших мощностей в крупные
города и промышленные предприятия. Успешно испытан отечествен¬
ный опытный образец кабеля на напряжение 20 кВ и ток 1500 А и
предусматривается опытно-промышленная эксплуатации кабеля в
Москве. В перспективе можно ожидать и создания ВТСП-линий
большой протяженности.
Для мощных дальних электропередач на постоянном токе (напря¬
жение до ±600 кВ) и вводов в преобразовательные подстанции потре¬
буются кабельные вставки на СВН постоянного тока. Помимо сверх¬
мощных дальних электропередач кабельные линии постоянного тока
целесообразно применять для прокладки под водой при их длине
более 50 км.
При достаточно высокой потребности в кабелях постоянного тока
следует организовать производство кабелей с экструдированной
полимерной изоляцией на базе производства кабелей высокого
напряжения переменного тока с дооснащением испытательной базы.

144 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
В России протяженность подземных кабельных сетей исчисляется
сотнями тысяч километров, только в Москве имеется около 20 тыс. км
кабелей на напряжение 0,4 кВ, 36 тыс. км кабелей 10 кВ и около
760 кабельных линий на напряжение 110—220 и 500 кВ. Большин¬
ство силовых кабелей имеют старую конструкцию с пропитанной
бумажной изоляцией в свинцовых и алюминиевых оболочках. Сроки
службы силовых кабелей составляют 40 лет и более, что обусловли¬
вает их высокую повреждаемость.
Городские распределительные сети выполняются в настоящее
время в классах среднего напряжения (в основном 10 кВ, частично —
6 кВ). Прогнозируемый рост потребления электроэнергии как в
жилищном секторе, так и в деловом секторе требует перехода на сле¬
дующий номинал напряжения — 20 кВ, как это осуществлено в стро¬
ящемся районе Москвы «Сити Центр». Этот переход даст возмож¬
ность увеличить в 3—4 раза передаваемую по кабелям мощность от
распределительных подстанций 20/0,4 кВ по сравнению с кабелями
подстанций 10/0,4 кВ за счет повышения напряжения, замены алю¬
миниевых токопроводящих жил медными, а также увеличения их
сечений. При этом потери электроэнергии в распределительных
кабельных сетях 20 кВ снизятся как минимум в 2 раза.
В ближайшее время на предприятиях России необходимо перейти
на производство кабелей с СПЭ-изоляцией, отказавшись от примене¬
ния кабелей с пропитанной бумажной изоляцией, объем которых в
настоящее время составляет около 60 %.
Важной задачей является развитие производства и внедрения
пожаробезопасных кабелей, применение которых необходимо на объ¬
ектах с большим количеством людей, в помещениях генерирующих
станций и подстанций, в первую очередь атомных электростанций
(АЭС).
Широкими возможностями обладают пожаробезопасные кабели
последнего поколения. Это кабели, не распространяющие горение,
особенно нужные для прокладки в кабельных тоннелях с большим
числом кабелей различного назначения (силовых, контрольных,
управления, связи и др.); кабели с низким газо- и дымовыделением,
не выделяющие опасные для здоровья людей продукты горения и
характеризующиеся низкой концентрацией дыма в случае пожара;
огнестойкие кабели с пределом функционирования при пожаре в
течение 3 ч в широкой номенклатуре (силовые, контрольные, связи и
др.), что особенно важно для электрических цепей безопасности в
условиях пожара.
3.3. Кабели и провода линий электропередач
145
3.3.2.	Новые решения в создании проводов АЭП
Требуемая высокая надежность электроснабжения заставляет
искать различные пути усиления сетей при наличии жестких эконо¬
мических ограничений.
За рубежом в последние годы наблюдаются существенные сдвиги
в усилении сетей. Кроме прокладки новых линий, в широких масш¬
табах проводится реконструкция воздушный линий (BJI) с примене¬
нием новых типов проводов и опор, имеющая целью повышение
нагрузочной способности при минимальном увеличении площадей
под коридоры ЛЭП.
Наиболее эффективный метод повышения пропускной способ¬
ности BJI (без какой-либо реконструкции опор) — замена типа про¬
вода. Новые типы проводов с высокой термостойкостью (до 212 °С) и
малым провесом позволяют повысить мощность более, чем вдвое.
В разных странах мира разработано много типов проводов, позво¬
ляющих существенно повысить нагрузку BJI.
В качестве примера можно привести их применение в энергоком¬
пании «National Grid» (Великобритания). Анализ показал, что наибо¬
лее эффективным в отношении возможности повышения темпера¬
туры при допустимом провесе является провод из циркониевого
сплава и высокотемпературного алюминия, усиленный стальной сер¬
дцевиной с зазором относительно провода (GZTACSR). Однако более
экономично применение сталеалюминиевого провода с трапецеи¬
дальной формой жил (ACSSTW), который сравнительно немного
дороже обычного сталеалюминиевого провода ACSR, но дешевле,
чем другие провода.
Применение провода «с зазором» типа GZTACSR сечением
620 мм позволило поднять передаваемую мощность на 130 % по
сравнению с проводом ACSR сечением 400 мм2. Полученная в
результате снятия ограничений по передаваемой мощности за 5 лет
экономия была вдвое больше, чем стоимость замены провода.
Пример другого решения — увеличение сечения провода с соот¬
ветствующим усилением опор либо замена проводов ACSR на про¬
вод TACFR с полимерным сердечником из эпоксидной смолы, арми¬
рованной высокопрочными углеродными волокнами. В конкретном
случае это позволило повысить пропускную способность BJI 66 кВ
протяженностью 10 км с 454 до 705 А. Вариант реконструкции с
заменой сечения обычного провода с усилением опор — в 2 раза
дороже, несмотря на более дорогой провод TACFR.

146 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
В связи с необходимостью усиления электрических сетей в Рос¬
сии следует осуществить разработку и широко внедрять такие про¬
вода.
За рубежом широко применяются провода, совмещенные с воло¬
конно-оптическими линиями связи. Это технически и экономически
целесообразное решение в России также применяется при строитель¬
стве новых и реконструкции старых ЛЭП (провода с оптико-волокон-
ными каналами типа OPGW).
3.4.	Трансформаторное оборудование
(силовые и измерительные трансформаторы)
Обеспечение надежности работы ответственных трансформато¬
ров, в том числе с продленным сроком службы связано с широким
внедрением систем автоматического контроля состояния и управле¬
ния режимом их работы.
Особое внимание в ближайшее время будет уделено снижению
потерь в трансформаторах, составляющих значительную долю
потерь в сетях и обеспечению экологической безопасности этого
вида оборудования. Важную роль в решении этих проблем будет
играть освоение техники на основе высокотемпературной сверхпро¬
водимости.
Повышение необходимой точности расчетов за электроэнергию в
условиях либерализации ее рынка, а также создание высокоэффек¬
тивных системных защит повлечет за собой разработку новых изме¬
рительных трансформаторов высокой надежности и точности, с
широким динамическом диапазоном измерений.
Трансформаторное оборудование должно иметь обоснованно сни¬
женные значение потерь в режимах XX, КЗ, затрат электроэнергии на
охлаждение, необходимую динамическую стойкость к токам КЗ,
должны быть оснащены современными высоконадежными вводами
(в том числе с твердой изоляцией), устройствами РПН, встроенными
интеллектуальными датчиками и контроллерами, системами пожаро¬
тушения или предотвращения пожара.
Для активного участия в регулировании режима сети необходимы
трансформаторы с надежными устройствами РПН, выдерживаю¬
щими многократные переключения в течение суток. Требуются фазо¬
поворотные трансформаторы, позволяющие оптимизировать распре¬
деление потоков мощности по параллельным линиям разного напря¬
жения.
3.4. Трансформаторное оборудование
147
Резкого снижения потерь в трансформаторах можно достичь с
применением ВТСП-обмоток, т.е. создание трансформаторов на
использовании явления сверхпроводимости.
Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН)
должны выполняться взрывобезопасными, с элегазовым наполне¬
нием, встроенными, отдельно стоящими (включая комбинированные
в одном корпусе). Отдельно стоящие ТТ применимы в тех случаях,
когда встроенные не обеспечивают требуемых условий работы уст¬
ройств РЗА, АСКУЭ и питания измерительных приборов.
Отдельную вторичную обмотку должны иметь ТН для подключе¬
ния средств АСКУЭ и измерений класса точности не хуже 0,2. На
подстанциях, где существуют условия для возникновения феррорезо-
нансных перенапряжений, ТН должны обладать антирезонансными
свойствами.
В перспективе намечается использование оптико-электронных
измерительных трансформаторов.
3.4.1.	Достигнутый технический уровень
трансформаторов в мире
Созданы трансформаторы для энергоблоков мощностью до
1500 MB • А, сетевые автотрансформаторы мощностью до 2000 MB • А
в группе из трех однофазных. Проблемы транспортировки крупнога¬
баритных машин решаются оптимизацией конструкции, позволяю¬
щей сборку на месте установки. Рекордные параметры имеют прото¬
тип сетевого трансформатора 1000 кВ на мощность 3000 MB-А и
фазоповоротный трансформатор с проходной мощностью комплекса
2750 MB • А.
Для помещений с особо высокими требованиями к пожарной и
экологической безопасности разработаны и серийно выпускаются
трансформаторы с элегазовой изоляцией, безмасляные трансформа¬
торы с кабельной обмоткой.
Принципиально новую конструкцию имеет вращающийся транс¬
форматор для связи несинхронных сетей с обменом мощностью до
100 MB • А.
Созданы опытные образцы с использованием эффекта высокотем¬
пературной сверхпроводимости: ВТСП-трансформаторы мощностью
до 1000 кВ • А.
Парк трансформаторов во всех промышленно развитых странах в
значительной мере состоит из машин, вышедших за нормативный
срок службы (их доля составляет 50—60 %). В этих странах, как пра¬

148 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
вило, осуществляются программы массовой замены и модернизации
трансформаторов. Для контроля состояния наиболее ответственных
трансформаторов разработаны и применяются автоматизированные
системы диагностики на основе моделей работы основных узлов и
экспертной системы принятия решений.
В области измерительных трансформаторов прогрессивны пере¬
ход на цифровые системы передачи данных, оптические датчики тока
и напряжения, снижение погрешности измерений до 0,2 % и ниже,
разработка трансформаторов постоянного тока на датчиках Холла и
оптоволоконных датчиках.
В целях повышения надежности большая часть измерительных
трансформаторов с масляной изоляцией за рубежом заменена на эле-
газовые.
Конкурентоспособность трансформаторов, изготовляемых в Рос¬
сии, недостаточна из-за повышенных потерь, использования нена¬
дежных комплектующих изделий, материалов низкого качества. Это
особенно относится к трансформаторам малой мощности I и II габа¬
ритов.
3.4.2.	Пути решения проблем
трансформаторостроения в России
Предлагается выпуск сетевых и блочных трансформаторов мощ¬
ностью до 1500—2000 MB-А в группе, освоение преобразователь¬
ных трансформаторов на весь необходимый диапазон мощностей,
фазоповоротных трансформаторов на проходную мощность порядка
2000 MB • А. Потребуется серийный выпуск трансформаторов ульт-
равысокого напряжения (УВН) для ЛЭП 1150 кВ переменного и до
±600 кВ постоянного тока.
Восстановление объема выпуска трансформаторов до необходи¬
мого уровня должно сопровождаться освоением самых современных
технологий изготовления, которое существенно улучшит такие тех¬
нические характеристики, как потери, шум, усадку изоляции в
работе, защиту от увлажнения и соприкосновения с воздухом и пр.
Для того чтобы доля оборудования, выработавшего свой ресурс не
превышала 30 %, нужно ежегодно заменять или модернизировать по
40—70 ГВ • А трансформаторной мощности. Масштабы замены даже
без постройки новых ЛЭП — очень большие.
Снижение потерь и повышение КПД достигаются повышением
эффективности систем охлаждения, применением высококачествен¬
ной стали с уровнем потерь до 0,5 Вт/кг, в том числе с лазерной обра¬
3.4. Трансформаторное оборудование
149
боткой, применением аморфных сплавов (для распределительных
трансформаторов) в перспективе — использование в трансформато¬
рах сверхпроводниковых обмоток.
Повышение надежности и продление срока службы обеспечат
равномерное распределение температуры по обмоткам, применение
нагревостойких изоляционных материалов, в том числе в местах
наибольших нагревов. Эффективный путь повышения надежности —
автоматическое регулирование охлаждающей системы при изме¬
нениях нагрузки, поддерживающее постоянную рабочую темпера¬
туру активных частей. Важные мероприятия для повышения надеж¬
ности — разработка и широкое внедрение надежных устройств пере¬
ключения напряжения под нагрузкой (в том числе, с применением
вакуумных камер и устройств силовой электроники), применение
твердой изоляции во вводах.
Динамическая устойчивость достигается поддержанием постоян¬
ного давления прессовки обмоток, применением безусадочных изо¬
ляционных материалов, ленточных кабельных обмоток. Объективной
проверкой устойчивости к внешним воздействиям являются обяза¬
тельные испытания головных образцов каждого типа трансформа¬
тора на комбинированные воздействия разных видов перенапряже¬
ний и на стойкость к коротким замыканиям.
Повысить экологическую безопасность позволит выпуск взрыво-
и пожаробезопасных трансформаторов с синтетическими негорю¬
чими жидкостями вместо масла, с элегазовой и синтетической поли¬
мерной изоляцией, а также с кабельными обмотками со сшитой поли¬
этиленовой изоляцией (СПЭ-изоляцией) — главным образом для
городских подстанций и предприятий с большим персоналом. Важно
также снижение уровня шумов трансформаторов, устанавливаемых в
населенных пунктах.
При обновлении парка измерительных трансформаторов (ИТ),
должна проводиться постепенная замена масляных ИТ на взрывобе¬
зопасные элегазовые и малообъемные масляные с применением ком¬
позиционных изолирующих материалов. Снижение массы и габарит¬
ных размеров достигается разработками ИТ с применением оптико¬
электронных приборов (с использованием эффектов Фарадея и Пок-
кельса), и с передачей сигнала по волоконно-оптическим линиям.
Цифровая обработка данных позволит существенно повысить точ¬
ность и расширить динамический диапазон измерений (по требова¬
нию коммерческого учета — до 0,2 %).

150 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
Совершенно необходимо повышение технического уровня транс¬
форматоров малой мощности до уровня, характерного для крупных
машин.
Ввиду перспектив создания ЛЭП на постоянном токе потребуется
разработка соответствующих измерительных средств.
3.4.3.	Регулирование напряжения трансформаторами
Основными показателями качества электроэнергии при питании
от электрических сетей трехфазного тока является отклонения и
колебания частоты, степень несинусоидальности формы кривой
напряжения, несимметрия напряжений и смещение нейтрали, откло¬
нения и колебания напряжения [3.2].
Отклонения показателей качества электроэнергии, в том числе
уровня напряжения, от номинальных значений подразделяются на
нормально допустимые, которые должны соблюдаться в течение
95 % времени суток и максимально допустимые, которые не должны
быть превышены в течение всего времени, включая послеаварийные
режимы.
Требования к точности поддержания напряжения различны для
видов нагрузки и изложены в действующих стандартах. Весьма чув¬
ствительны к отклонениям напряжения осветительные установки.
Показатель степени зависимостей светового потока и срока службы
ламп накаливания составляет соответственно 3,61 и 13,57, поэтому
при снижении напряжения на 10 % световой поток уменьшается на
32 %, а при увеличении напряжения на 10 % срок службы снижается
в 4 раза. Люминесцентные лампы менее чувствительны к отклоне¬
ниям напряжения, однако при больших снижениях напряжения
лампы или не загораются или мигают, что резко снижает срок их
службы.
Весьма значительный ущерб от отклонений напряжения имеет
место в промышленных электротермических и электролизных уста¬
новках. Снижение напряжения питания дуговых электропечей всего
на 8 % приводит к столь резкому снижению температуры, что плавка
вообще не может быть доведена до конца. Отклонения, а тем более
быстрые колебания напряжения в пределах ±5 % полностью нару¬
шают нормальную работу установок электролиза для производства
хлора и каустической соды.
Отклонение напряжения влияет и на работу асинхронных двига¬
телей. Правда, влияние отклонений напряжения на их частоту враще¬
ния, а следовательно, и на производительность механизмов не столь
3.4. Трансформаторное оборудование
151
велико, если эти отклонения не носят аварийного характера, однако
такие отклонения вызывают увеличение потребляемого тока и реак¬
тивной мощности, что приводит к дополнительному ущербу для дру¬
гих потребителей.
Современные электросети являются сложными системами, к тому
же они подвержены постоянным изменениям, поэтому совершенно
невозможно заранее обеспечить оптимальные условия работы для
каждого потребителя, и оперативное регулирование напряжения
является необходимым.
Простейший вид регулирования — это стабилизация напряжения
непосредственно у потребителя на практически неизменном уровне
при помощи регулирующего устройства малой мощности. Нетрудно,
однако, показать, что, удовлетворяя потребности данного конкрет¬
ного потребителя, такой способ регулирования всегда вреден для
других потребителей.
В самом деле, предположим, что напряжение в точке подключе¬
ния энергоприемника снизилось до недопустимых пределов. Вклю¬
чив местное регулировочное устройство, например, автотрансформа¬
тор или стабилизатор напряжения, нетрудно ввести уровень напря¬
жения в требуемые пределы. Однако при этом неизбежно возрастет
потребляемый ток и реактивная мощность, что приведет к дальней¬
шему снижению напряжения на входе регулятора, а значит, и к допол¬
нительному ущербу для всей системы в целом.
Гораздо выгоднее поддерживать напряжение на надлежащем
уровне в тех точках энергетической системы, к которым подсоеди¬
нены распределительные сети, т.е. в центрах питания.
При этом в период наибольших нагрузок напряжение устанавли¬
вается выше номинального напряжения сети с целью компенсации
потери напряжения в сетях и поддержания напряжения у достаточно
удаленного потребителя близким к номинальному. В период наимень¬
ших нагрузок напряжение понижают. Такое регулирование называют
встречным.
Ясно, что полностью избежать необходимости регулирования
напряжения непосредственно у потребителя невозможно, хотя бы
потому, что невозможно согласовать графики нагрузки и периоды
включенного и отключенного состояния всех потребителей, питае¬
мых от данного узла энергосистемы.
Тем более необходимо местное регулирование, если требуется не
просто поддерживать напряжение на неизменном уровне, а регулиро¬
вать его по определенному закону в соответствии с требованиями
технологического процесса. Например, в металлургических электро-

152 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
печных установках требуется большая мощность в период расплава
шихты и меньшая — в более спокойном режиме «доводки» продукта
до требуемого состояния.
В общем случае только сочетание местного и «узлового» регули¬
рования напряжения может обеспечить режим, достаточно близкий
к оптимальному.
Существуют различные способы регулирования напряжения в
энергосистемах.
Нередко говорят не просто о регулировании напряжения, но о
регулировании напряжения и (или) реактивной мощности. В дей¬
ствительности оба эти процесса взаимосвязаны, и не всегда их можно
разграничить. В самом деле, непосредственное изменение напряже¬
ния в некоторой точке энергосистемы неизбежно вызывает измене¬
ния потоков реактивной мощности. С другой стороны, подключение
устройства, потребляющего реактивную мощность (электрического
реактора) или генерирующего ее (конденсаторной батареи), или
регулируемого устройства, которое может выполнять обе функции
(синхронного или статического компенсатора) вызывает изменение
напряжения в точке подключения и, собственно, преследует именно
эту конечную цель.
Несмотря на развитие других средств регулирования, наиболее
распространенным методом является ступенчатое изменение коэф¬
фициента трансформации путем переключения ответвлений обмоток
трансформатора. Для промышленных электроустановок на сегодня
это единственное средство регулирования режима.
В настоящее время большинство силовых трансформаторов
выполняются с регулированием напряжения, которое может осу¬
ществляться либо без возбуждения, т.е. при отключенном трансфор¬
маторе, либо под нагрузкой (без перерыва электроснабжения потре¬
бителя).
При способе регулирования без возбуждения переключение осу¬
ществляется не просто при отсутствии тока в коммутируемой цепи,
но и при полном отсутствии напряжения на всех обмотках трансфор¬
матора, вследствие чего этот способ и именуется переключением без
возбуждения (ПБВ).
Для распределительных трансформаторов, питающих заведомо
«тупиковую» нагрузку, например, для электропечных трансформато¬
ров, достаточно отключить трансформатор от питающей сети высо¬
кого напряжения. В остальных случаях трансформатор должен быть
отключен внешними коммутационными аппаратами от всех подсо¬
единенных к нему сетей.
3.4. Трансформаторное оборудование
153
Другой способ — регулирование напряжения трансформаторов
под нагрузкой (РПН):
Рассмотрим принципы выполнения устройств РПН.
Только возможность изменения напряжения без перерыва питания
потребителя может быть достаточно оперативным, в частности обес¬
печить встречное регулирование в энергосистемах и наиболее уни¬
версальное регулирование режима в промышленных электроустанов¬
ках. Поэтому потребность в устройствах регулирования под нагруз¬
кой возникла практически сразу же, как только появились промыш¬
ленные силовые трансформаторы.
Устройство для переключения под нагрузкой (УРПН) обязательно
содержит две токоведущие цепи, причем ни при каких условиях они
не должны быть одновременно разомкнуты, напротив, обязательно
существует такое промежуточное положение, называемое положе¬
нием мост, в котором обе эти цепи оказываются замкнутыми одно¬
временно, и два соседних ответвления регулировочной обмотки
соединены между собой.
Во избежание короткого замыкания между указанными ответвле¬
ниями, в одну из цепей УРПН или в обе его цепи должен быть вклю¬
чен токоограничивающий элемент, т.е. либо реактор, либо резистор.
Сопротивление токоограничивающего элемента выбирается таким
образом, чтобы циркулирующий ток, в контуре, образованном участ¬
ком обмотки между ответвлениями (коммутируемой ступенью) и
цепями избирателя и контактора, был одного порядка с током
нагрузки (обычно от 50 до 100 % номинального тока).
Ответвления регулировочной обмотки коммутируются избирате¬
лем, который имеет, как минимум, две контактные системы. Чаще
всего они переключаются в обесточенном состоянии, такой избира¬
тель представляет собой, по существу, два устройства ПБВ.
В этом случае УРПН имеет еще одну часть — контактор, который
также имеет две контактные системы, предназначенные для предва¬
рительного обесточивания цепей контактов избирателя прежде их
перехода на новое ответвление регулировочной обмотки и для их
включения в цепь тока после такого перехода. Выпускаются также
УРПН, не имеющие отдельного контактора, в них избиратель комму¬
тируется под нагрузкой, в этом случае он именуется избирателем под
нагрузкой.
Устройство для переключения под нагрузкой приводится в дей¬
ствие электроприводом.

154 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
Приведенное здесь описание принципа работы УРПН позволяет
сделать следующие выводы:
а)	Должна быть обеспечена строгая последовательность срабаты¬
вания контактов избирателя и контактора. Эта последовательность
описывается угловой или временной диаграммой УРПН, на которой
фиксируются моменты срабатывания контактов при определенных
углах поворота механизма или при определенных временах, отсчиты¬
ваемых от начала переключения.
б)	Коммутация контактов избирателя происходит без тока, т.е. эти
контакты должны сколь угодно длительно проводить ток, но не раз¬
мыкать и не замыкать его. Таким образом, их роль подобна роли
разъединителя.
в)	Контакты контактора или избирателя под нагрузкой должны
непосредственно включать или отключать ток, при этом на них воз¬
никает электрическая дуга. Время горения дуги не должно быть чрез¬
мерно большим, чтобы не вызвать нарушения фактической последо¬
вательности коммутационных операций. Кроме того, время горения
дуги ограничивается требованием достаточной износостойкости кон¬
тактов.
Таким образом, работа контактора или избирателя под нагрузкой
аналогична работе выключателей нагрузки.
г)	Из пункта «в» вытекает, что контакты избирателя могут нахо¬
диться внутри бака трансформатора, тогда как контакты контактора
или избирателя нагрузки должны располагаться в отдельном объеме,
например, в отдельном масляном баке, чтобы продукты горения дуги
не могли попасть внутрь бака трансформатора.
В зависимости от типа токоограничивающего элемента различают
реакторные и резисторные УРПН.
Ниже показаны отдельные схемы трансформаторов с РПН.
Так в трансформаторах со встроенным регулированием напряже¬
ния регулировочная обмотка и само устройство РПН располагаются
в самом трансформаторе. На выводах этого трансформатора непос¬
редственно получается отрегулированное напряжение. Наиболее рас¬
пространенные схемы трансформаторов общего назначения со встро¬
енным регулированием напряжения под нагрузкой приведены на
рис. 3.1. Переключающее устройство показано упрощенно — в виде
одной стрелки («движка») 4 без обозначения двух ветвей. Такое обоз¬
начение наряду с расположением на схеме неподвижных контактов
избирателя (фактически расположенных по окружности) в один ряд,
широко применяется в документации по трансформаторам.
3.4. Трансформаторное оборудование
155
Рис. 3.1. Схемы встроенного регулирования на трансформаторах:
а схема без предызбирателя; б — схема с реверсированием регулировочной
обмотки; в — схема со ступенью грубого регулирования; 1 ~ основная первичная
обмотка, 2 - вторичная обмотка; 3 - регулировочная обмотка с ответвлениями*
4- переключающее устройство; 5 - предызбиратель; 6 - дополнительный кон-
такт избирателя; 7 — ступень грубого регулирования
В схеме на рис. 3.1, а направление включения регулировочной
обмотки (РО) неизменно, и диапазон регулирования равен напряже¬
нию этой обмотки. Распространены также схемы с реверсированием
РО (рис. 3.1, б) и со ступенью грубого регулирования (рис. 3.1, в).
Число витков ступени грубого регулирования обычно равно числу
витков обмотки РО. Реверсирование и переключение ступени гру¬
бого регулирования осуществляется предызбирателем, переключаю¬
щемся без тока и конструктивно представляющим одно целое с изби¬
рателем УРПН. Предызбиратель для реверсирования РО называется
также реверсором.
На всех схемах показано положение устройства, соответствующее
наименьшему количеству включенных витков на стороне регулиро¬
вания. В схеме на рис. 3.1, б РО включена встречно по отношению к
основной обмотке, а в схеме на рис. 3.1, в отключена грубая ступень
регулирования.
При переключении устройство сначала проходит все положения
избирателя при указанном на схеме положении предызбирателя, т.е
осуществляется переключение на половину полного диапазона, и РО
оказывается обесточенной. Для обеспечения возможности переклю¬
чения предызбирателя без разрыва цепи приходится добавить еще

156 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
один неподвижный контакт избирателя 7, подключенный не к РО, а к
основной обмотке.
После переключения предызбирателя избиратель вновь проходит
все свои положения — в схеме на рис. 3.1, б при согласном включе¬
нии РО, а в схеме на рис. 3.1, в — при включенной грубой ступени.
В трех средних положениях включенное число витков, а следова¬
тельно, и напряжение не изменяется. Эти положения УРПН, соот¬
ветствующие одинаковому (обычно номинальному) напряжению, в
литературе часто называют «мертвыми ступенями». Применяются
схемы, свободные от этого недостатка: это схемы с добавочной (не
коммутируемой) ступенью при реверсировании или с увеличенным
числом витков в ступени грубого регулирования.
Рассмотрим схемы автотрансформаторов со встроенным регули¬
рованием напряжения и линейные регулировочные трансформатор¬
ные агрегаты.
На рис. 3.2 показаны схемы регулирования на автотрансформато¬
рах. Схема на рис. 3.2, а с регулированием в общей нейтрали позво¬
ляет применять УРПН сравнительно низкого напряжения (такие же,
как на трансформаторах, к тому же рассчитанные на разность токов
сторон ВН и СН). Однако регулирование получается связанным (при
переключении одновременно меняется напряжение сторон ВН, СН и
НН, что создает крайне невыгодный режим сети и самого трансфор¬
матора и не позволяет полностью использовать диапазон регулирова¬
ния). От этого недостатка свободны схемы раздельного регулирова-
1
я
5 И
Г1
а)
£
А
3
б)
2 9
$=8
А
3
г)
Рис. 3.2. Схемы встроенного регулирования на автотрансформаторах (обмотка
НН не показана):
а — регулирование в нейтрали; б — регулирование на стороне ВН; в, г — регули¬
рование на стороне СН; 1 — вывод ВН; 2 — вывод СН; 3 — нейтраль; 4 — регу¬
лировочная обмотка (РО); 5 — переключающее устройство
3.4. Трансформаторное оборудование
157
ния, осуществляемого на стороне ВН (рис. 3.2, б) или на стороне СН
(рис. 3.2, в), однако для их осуществления требуются устройства
более высокого класса напряжения.
Автотрансформаторы по схемам на рис. 3.2 применяются для
связи сетей разных напряжений и позволяют регулировать переток
реактивной мощности между этими сетями.
Не всегда можно обеспечить необходимые уровни напряжения в
сети с помощью только одних трансформаторов и автотрансформато¬
ров со встроенным регулированием напряжения. При развитии сетей
часто бывает необходимо изменить режим путем регулирования
напряжения в определенной точке. Для этой цели служат линейные
регулировочные трансформаторные агрегаты. Их установка позво¬
ляет осуществить регулирование без замены ранее установленных
нерегулируемых трансформаторов.
Схема такого агрегата показана на рис. 3.3. Регулируемое напря¬
жение, получаемое от автотрансформатора, подается на последова¬
тельный трансформатор, включенный в сеть у линейного ввода или
неитрали основного (регулируемого или нерегулируемого) транс¬
форматора. Реверсирование в УРПН обеспечивает изменение фазы
добавляемого напряжения на 180°. Включение агрегата в качестве
дополнительного средства иногда требуется для компенсации связан¬
ного регулирования, если УРПН основного автотрансформатора
установлено в нейтрали.
Электропечные трансформаторы также часто имеют агрегатное
исполнение.
Рис. 3.3. Схема линейного регулировочного трансформаторного агрегата (линей-
ного регулятора):
/ — цепь, в которой осуществляется регулирование; 2 — регулировочный авто¬
трансформатор с переключающим устройством; 3 - последовательный (вольтодо-
оавочныи) трансформатор

158 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
В рассмотренных схемах напряжение изменяется только по значе¬
нию; такое регулирование обычно называют продольным регулиро¬
ванием. Иногда возникает потребность в регулировании напряжения
также и по фазе. Такую возможность предоставляют трехфазные
агрегаты со специальными схемами соединения регулировочных
обмоток.
На рис. 3.4 приведен пример простейшей (одноагрегатной авто¬
трансформаторной) схемы, позволяющей осуществлять такое регули¬
рование. В этой схеме между первичными и вторичными выводами
каждой фазы включены вольтодобавочные обмотки с переключаю¬
щими устройствами. Вектор напряжения каждой из этих обмоток
сдвинут на 90° относительно вектора потенциала соответствующей
фазы. Вследствие этого векторы вторичных напряжений оказыва¬
ются сдвинутыми относительно векторов первичных напряжений на
угол а, зависящий от положения переключающего устройства. Ска¬
занное иллюстрируется векторной топографической диаграммой,
приведенной на рис. 3.5. Фактически напряжения изменяются не
только по фазе, но и по значению, однако при не очень большом диа¬
пазоне регулирования последнее изменение мало. Поэтому указан¬
ное регулирование именуется поперечным регулированием.
Комбинация поперечного регулирования с обычным продольным,
для чего требуется два комплекта переключающих устройств, позво¬
ляет осуществить практически независимое регулирование по вели¬
чине и фазе (продольно-поперечное регулирование).
А	а	В	b	С	с
Рис. 3.4. Пример схемы поперечного регулирования напряжения:
7, 2, 3 — основные обмотки; 4, 5, 6 — вольтодобавочные обмотки; А, В, С — пер¬
вичные выводы; а, Ь, с — вторичные выводы автотрансформатора
3.4. Трансформаторное оборудование
159
Рис. 3.5. Векторная топографическая диаграмма
напряжений регулировочного агрегата, по схеме
рис. 3.4:
Ш — добавляемое регулируемое напряжение;
а угол сдвига фаз между первичным и вторич¬
ным напряжением. Обозначение векторов соот¬
ветствует обозначениям выводов на рис. 3.4
3.4.4.	Классификация устройств РПН
нымХ™РПН pa3™™	классификации.
иые устройс^^аНИЧИВаЮЩеГ° ЭЛеМеНТа “	" Р^истор.
б)	наличие контактора — устройства с контакторами и устройства
без контакторов (избиратели под нагрузкой).
Схемы, соответствующие этой классификации, рассмотрены
выше. Главная конструктивная особенность резисторных переключа-
щих устройств — наличие быстродействующего пружинно-акку-
мулирующего механизма, который обеспечивает завершение пепе-
без остановки в промежуточном положении независимо от
аличия электропитания приводного механизма;
в)	тип коммутации тока:
"ГРЫВ ДУГИ В тРансФ0РматоРном масле; обычно применяются
i"* контакты, гасящие дугу в свободном объеме масла
(дутьяК)Т°Ра специальных устройств форсированного дугогашения
2)	разрыв дуги в вакууме; для этой цели применяются вакуумные
дугогасительные камеры общепромышленного назначения-
3)	применение бездушвого отключения тока при помощи тиристоров-
4)	смешанные способы коммутации, — например, включение тока
контактами и отключение тиристорами.
Иные способы коммутации, например, разрыв дуги в газовой
среде пока не получили распространения.
напояженийТ0,™6111151 В ПОЛНОМ объеме Функций регулирования
напряжении в электрических сетях устройства РПН должны снаб-
Г™°ИСТВаМИ аВТ°МаТИЧеСКОГО К0НТР°™ и регулирования

160 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
Структурная схема автоматического регулирования напряжения в
трансформаторах электрических сетей изображена на рис. 3.6.
Напряжение и ток на выходе регулируемого трансформатора РТ
через измерительные трансформаторы напряжения ТН и тока ТУ
подаются на входы автоматического регулятора. Устройство токовой
компенсации ТК вырабатывает напряжение, пропорциональное току
нагрузки трансформатора, которое суммируется с напряжением,
полученным с трансформатора напряжения на входе измерительного
органа ИО. В последнем осуществляется сравнение суммарного сиг¬
нала с некоторыми опорными напряжениями, называемыми напряже¬
ниями уставки. Эти напряжение устанавливаются при помощи регу¬
лятора уставок РУ. Если значение напряжения на входе измеритель¬
ного органа меньше меньшего напряжения уставки, появляется
управляющий сигнал «прибавить» на выходе 1 измерительного
органа. Если же это значение больше большего напряжения уставки,
появляется управляющий сигнал «убавить» на выходе 2 измеритель¬
ного органа. Разность между большим и меньшим напряжением
уставки называется зоной нечувствительности регулятора и обычно
выражается в процентах от одной из уставок. Каждый из управляю¬
щих сигналов усиливается усилительными органами У и через
органы выдержки времени В поступает на исполнительные органы
И. Последние обычно представляют собой просто электромагнитные
реле. Их контакты включают приводной механизм ПМ устройства
РПН, и последнее переключается в сторону повышения или в сто¬
рону понижения напряжения.
Рис. 3.6. Структурная схема автоматического регулирования напряжения
3.4. Трансформаторное оборудование
161
Наличие токовой компенсации позволяет не просто стабилизиро¬
вать напряжение на выходе трансформатора, но также повышать его
при увеличении нагрузки или понижать при ее уменьшении, осу¬
ществляя, таким образом, встречное регулирование.
Наличие зоны нечувствительности и выдержки времени предо-
твращает слишком частые переключения устройства. Для получения
устойчивого регулирования зона нечувствительности ни в коем слу-
чае не должна быть меньше ступени регулирования и обычно выби¬
рается в пределах 120—140 % ступени. При больших значениях
нечувствительности снижается частота срабатывания устройства,
однако, уже при нечувствительности более 200 % ступени регулиро¬
вание малоэффективно.
Выдержка времени обычно регулируется в пределах от 1 до 3
5 мин и устанавливается на основании расчетов оптимального регу-
лирования в сети или опытным путем.
Перспективы развития переключающих устройств. Устрой¬
ства ПБВ будут развиваться, в основном, в направлении появления
новых модификаций таких устройств с электроприводом, увеличен¬
ным числом ступеней и совершенствования изоляционных конструк¬
ций, в особенности в связи с расширением применения этих уст¬
ройств в электропечных трансформаторах (в ряде случаев вместо
РПН).
Что касается устройств РПН, то представляется перспективным
более широкое внедрение вакуумных дугогасительных камер в
качестве коммутирующих элементов контакторов. Основная цель —
сблизить величины электрического и механического ресурса уст¬
ройств и полностью избавиться от необходимости замены масла в
контакторе. Фирма «Reinhausen» для своего нового устройства назы¬
вает одинаковую величину (800 тыс. переключений) и для того, и для
другого и указывает срок ревизии устройства 15 лет при сроке
службы трансформатора 40 лет.
Применение гашения дуги в вакууме в устройствах РПН для элек¬
тропечных трансформаторов является, по-видимому, единственной
возможностью использования определенных преимуществ реактор¬
ных устройств (более простая конструкция и технология, использо¬
вание положения «мост» в качестве нормального положения и т.д.).
Положительный опыт применения таких устройств в промышленных
установках стран СНГ (например, для рудно-термических печей
и электролизных установок) доказывает перспективность этого
направления.

162 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
В дальнейшем вполне реальна возможность вытеснения уст¬
ройств с гашением дуги в масле устройствами с вакуумным дугога-
шением (в первую очередь для реакторных, а затем и для резистор¬
ных устройств).
Для элегазовых трансформаторов с РПН применение гашения
дуги в вакууме пока является единственной реальной возможностью,
поскольку устройства с гашением дуги в элегазе пока не разрабо¬
таны.
Применение бездуговой (тиристорной) коммутации не исключа¬
ется, но пока не получила широкого применения, главным образом в
связи с трудностью совмещения с механической частью устройств
РПН, а также отсутствием надежных приборов с достаточно боль¬
шими токами и напряжениями. Из-за этого на мощных устройствах
приходится применять последовательное и параллельное соединение
тиристоров, что уменьшает надежность и увеличивает габариты.
3.4.5.	Способы регулирования напряжения
трансформаторами
Изменение напряжения по заданному закону осуществляется с
помощью регулируемых трансформаторов и автотрансформаторов,
различных устройств, позволяющих раздельно или совместно изме¬
нять значение и знак добавляемого напряжения, специальных схем с
использованием нерегулируемых и регулируемых полупроводнико¬
вых выпрямителей. Так как преобразовательный трансформатор
может иметь несколько вентильных обмоток на большие токи, пере¬
ключающие и регулирующие устройства в большинстве случаев рас¬
полагают на стороне сетевой обмотки. В устройствах, позволяющих
раздельно или совместно изменять значение и знак добавляемого
напряжения, регулирование напряжения осуществляется вольтодоба¬
вочными трансформаторами и автотрансформаторами со ступенча¬
тым, плавным и комбинированным РПН. Регулирование напряжения
может также осуществляться с помощью управляемых тиристорных
преобразователей, а в схемах с неуправляемыми полупроводнико¬
выми выпрямителями с помощью управляемых реакторов, включае¬
мых последовательно с полупроводниковыми вентилями.
Ступенчатое регулирование напряжения под нагрузкой дает воз¬
можность регулирования напряжения без перерыва питания и отклю¬
чения обмоток от сети, что позволяет также автоматизировать про¬
цесс регулирования. По ГОСТ 16772—77 регулирование под нагруз¬
кой предусматривается для трансформаторов с междуфазным напря¬
3.4. Трансформаторное оборудование
163
жением 6 и 10 кВ при мощности сетевой обмотки 800 кВ • А и более,
20 и 35 кВ — при 4000 кВ • А и более, 110 кВ — при 10 000 кВ • А и
более и 220 кВ — при мощности сетевой обмотки 16 000 кВ • А и
более. Во многих установках регулирование напряжения под нагруз¬
кой (РПН) осуществляется автотрансформаторами, включенными
перед трансформаторами. Это значительно увеличивает мощность
трансформаторного оборудования в преобразовательных установ¬
ках. Более экономным является применение регулирования непос¬
редственно на трансформаторе. Анализ показал, что для мостовой
схемы выпрямления и схемы две обратные звезды с уравнительными
реакторами при глубине регулирования до 50 %, типовая мощность
трансформатора с встроенным РПН меньше суммы типовых мощ¬
ностей регулировочного автотрансформатора и трансформатора без
РПН. В трансформаторах с напряжением 6 и 10 кВ встроенное РПН
выгоднее при мостовой схеме выпрямления до глубины регулирова¬
ния 68 %, а для схемы две обратные звезды с уравнительным реакто¬
ром — до 73 %.
В отечественных преобразовательных трансформаторах приме¬
няют в основном переключающие устройства быстродействующие с
токоограничивающим резистором типа РНТА.
В таких производствах, как электролиз алюминия, необходимо
производить 25—80 переключений в сутки, при электролизе меди и
магния — 25—50, а цинка — до 50—100. Поэтому требования к
условиям работы с РПН во многих преобразовательных трансформа¬
торах значительно жестче, чем для трансформаторов общего назна¬
чения. В связи с этим в настоящее время они изготавливаются с уст¬
ройствами для ступенчатого РПН, допускающими не менее 1 млн
переключений механизмов устройства и его контактов, не разрываю¬
щих ток, а также не менее 80—100 тыс. переключения контактов уст¬
ройств РПН, разрывающих ток. В переключающих устройствах типа
РНТА, удовлетворяющих перечисленным требованиям, для разрыва
электрической дуги применяются контакторы с вакуумными дуго¬
выми камерами (ВДК), эти устройства выполняются погруженными
в масло и устанавливаются непосредственно в баках трансформа¬
торов.
Глубина регулирования напряжения в электролизных производ¬
ствах как цветной металлургии, так и в химической промышлен¬
ности до 80—85 % номинального выпрямленного напряжения. Она
осуществляется в преобразовательных трансформаторах в основном
с применением глубоко встроенного РПН непосредственно в сетевой
обмотке преобразовательного трансформатора. Использование пере¬

164 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
ключающего устройства с 12 или 24 ступенями обеспечивает диапа¬
зон регулирования напряжения 50 % номинального с величиной сту¬
пени (в близких к номинальному режиму положениях) около 4,5—
5 %. При этом, как правило, применяется схема с «грубой» ступенью,
как схема, обеспечивающая по сравнению со схемой с реверсом
более высокий КПД в положениях, близких к номинальному.
Для электролизных установок в отдельных случаях применяется
также схема с двумя «грубыми» ступенями, позволяющая снизить
напряжение ступени до 2 % номинального при сохранении общей
глубины регулирования. Это достигается путем уменьшения числа
витков в ступени при сохранении общего количества регулировоч¬
ных витков за счет второй «грубой» ступени регулирования, включа¬
емой в схему без нагрузки с помощью дополнительного переключа¬
теля диапазонов. Однако, обладая преимуществами в обеспечении
достаточно малого значения напряжения ступени при относительно
небольших дополнительных затратах, она несколько усложняет экс¬
плуатацию, в частности в режимах пуска, так как имеет шесть диапа¬
зонов.
Глубина регулирования напряжения в ряде типов трансформато¬
ров увеличивается (до 80—85 %) переключением сетевой обмотки с
треугольника на звезду или параллельно-последовательным пере¬
ключением ее частей.
Преобразовательные трансформаторы со ступенчатым РПН имеют
высокие КПД и коэффициент мощности. Однако, например, на элект¬
рифицированном на постоянном токе железнодорожном транспорте
и в электрометаллургии, где требуется очень большое число пере¬
ключений при автоматическом регулировании, а также для устано¬
вок, где технология требует плавного регулирования напряжения,
используются трансформаторы с плавным бесконтактным РПН.
Такие трансформаторные устройства повышают надежность работы
установок, сокращают эксплуатационные расходы и облегчают авто¬
матизацию производственных процессов.
Трансформаторы с бесконтактным РПН весьма надежны в работе,
удобны в эксплуатации, облегчают автоматизацию регулирования
напряжения и позволяют получить требуемые внешние характерис¬
тики агрегата. Однако с увеличением диапазона регулирования воз¬
растают массы, размеры и стоимость таких регулирующих уст¬
ройств. Поэтому в ряде случаев применяют комбинированное, т.е.
плавно-ступенчатое регулирование под нагрузкой. Комбинированное
РПН обеспечивает плавное регулирование напряжения в широких
пределах и имеет достаточно хорошие технико-экономические пока¬
3.4. Трансформаторное оборудование
165
затели. Сущность способа заключается в одновременном использова¬
нии переключающего устройства, осуществляющего ступенчатое
переключение ответвления регулировочной обмотки, и управляемых
реакторов или тиристоров, рассчитанных на напряжение регулиро¬
вочной ступени и позволяющих плавно регулировать напряжение
внутри каждой ступени.
В некоторых случаях необходимо регулировать напряжение сту¬
пенями 1—1,5 % номинального напряжения. При глубине регулиро¬
вания 50 % такое регулирование можно было бы осуществить сту¬
пенчатым изменением числа витков, если принять 40— 50 регулиро¬
вочных ответвлений РО и контактов переключающего устройства.
Такое большое число ответвлений и контактов переключающего уст¬
ройства резко усложняет конструкцию и увеличивает размеры не
только устройства, но и трансформатора, а также ухудшает технико¬
экономические показатели.
Уменьшения напряжения ступени регулирования при ограничен¬
ном количестве ответвлений можно достичь пофазным регулирова¬
нием, позволяющим снизить напряжение ступени примерно в 3 раза.
Для пофазного регулирования используется схема ABC, осуществля¬
ющая поочередное переключение ответвлений фаз трехфазного
трансформатора. Сначала переключается одна, например, фаза А,
затем другая — В и далее третья — С. Если положение переключаю¬
щих устройств на всех фазах, при котором число включенных витков
в обмотках фаз одинаково назвать симметричным, то при пофазном
регулировании осуществляется поочередный переход подвижных
контактов переключателя с одного симметричного на другое симмет¬
ричное положение. Такой переход называют циклом переключения.
Схема переключения фаз ABC неизменна во всех циклах на всем диа¬
пазоне регулирования. Положения переключающего устройства в
цикле переключения, при которых числа включенных витков в фазах
неодинаковы, называют несимметричными.
При неравных числах витков в обмотках фаз и симметричном
напряжении питающей сети в трансформаторе несколько искажа¬
ются магнитные потоки, напряжение, токи по амплитуде и фазе.
В схеме соединения обмоток в треугольник появляются поток и ток
нулевой последовательности, влияние которых может быть снижено
встраиванием в части обмоток индуктивных устройств, а также
встраиванием тепловых нагрузок всех фаз обмоток в процессе экс¬
плуатации. В трансформаторах для 12-фазной схемы преобразования
с соединением обмоток в треугольник экономически целесообразно
использовать пофазное регулирование напряжения с коэффициентом

166 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
несимметрии 0,9—1,1. В этом случае нет необходимости принимать
меры для подавлением тока нулевой последовательности в обмотках,
соединенных в треугольник.
К устройствам, позволяющим управлять мощностью, передавае¬
мой по линии, относятся и устройства, способные изменять фазный
угол между напряжениями по концам линии, как уже указывалось в
гл. 1, так называемые фазоповоротные устройства (ФПУ) [3.3]. Такие
устройства включаются в начале линии последовательно в каждую
фазу.
Для создания ФПУ используется то обстоятельство, что напряже¬
ние каждой фазы сдвинуто по отношению к междуфазному напряже¬
нию двух других фаз на 90°. Схема ФПУ состоит из двух трансфор¬
маторов (рис. 3.7, а). Один из них представляет собой возбуждающий
трансформатор, первичные обмотки которого соединены в треуголь¬
ник и включены на междуфазные напряжения линии. К его вторич-
А U
Тиристорный
переключатель
Установочные
параметры
(уставки)
а)
Рис. 3.7. Полупроводниковое фазоповоротное устройство:
а — схема ФПУ; б — векторная диаграмма
3.4. Трансформаторное оборудование
167
ным обмоткам при соответствующих сочетаниях фаз подключаются
с помощью тиристорных ключей первичные обмотки второго транс¬
форматора, который и является собственно фазосдвигающим. Вто¬
ричные обмотки последнего включены последовательно в каждую
фазу линии. Соединения обмоток этих двух трансформаторов пре¬
дусматривают сдвиг на электрический угол 90° между напряжением
данной фазы и напряжением последовательной обмотки.
В результате напряжение в начале линии представляет сумму двух
напряжений — напряжения фазы и напряжения последовательной
обмотки, сдвинутого по отношению к напряжению фазы на электри¬
ческий угол 90°.
Угол 8' между напряжениями по концам линии равен
5' = 5 ± Л8.
Угол А5 может регулироваться как по значению, так и по знаку.
Поэтому угол 8' может изменяться в желаемых пределах как в сто¬
рону увеличения, так и в сторону уменьшения, а значит будет изме¬
няться и передаваемая по линии мощность. При увеличении угла 8'
мощность будет увеличиваться, при уменьшении — уменьшаться.
В то же время угол 8 между напряжениями Щ и U2 будет оставаться
неизменным.
Изменение угла А8 производится средствами силовой электро¬
ники. Вторичная обмотка возбуждающего трансформатора состоит
из нескольких отдельных секций, каждая из которых имеет разное
количество витков, и, следовательно, разное напряжение. Каждая из
этих секций подключена к двум тиристорным ключам, один из кото¬
рых работает при одной полярности секции, другой — при ее проти¬
воположной полярности. Через тиристорные ключи каждая из сек¬
ций связана с первичной обмоткой трансформатора, включенного
последовательно в линию.
Если напряжения секций соотносятся, например, как 1:3:9, то,
используя различные комбинации включенных секций с изменяю¬
щейся полярностью, можно иметь 27 различных ступеней регулиро¬
вания угла сдвига выходного напряжения.
Блоки тиристорных ключей имеют систему управления, на вход
которой подаются измеряемые величины (угол сдвига напряжений,
мощность линий и др.) и заданные значения регулируемых величин
(уставки), на ее выходе — система команд на включение соответству¬
ющих комбинаций тиристорных ключей.

168 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
3.4.6.	Кабельные трансформаторы в энергосистеме
Экологические преимущества и безопасность кабельных транс¬
форматоров позволяет приблизить их установку к местам потребле¬
ния энергии, в том числе к бытовым потребителям [3.2].
Разработаны сухие трансформаторы с использованием поперечно¬
сшивного полиэтиленового кабеля. Изготовлен первый кабельный
трансформатор мощностью 20 MB • А на напряжение 140/6,6 кВ.
Проведены все типовые испытания, включая испытания на проч¬
ность при токах короткого замыкания.
Фирма «АВВ» предлагает кабельные трансформаторы в диапа¬
зоне напряжений 36—145 кВ и мощностью до 150 MB • А. Дальней¬
шее развитие технологии изготовления кабеля позволит расширить
эти границы.
Кабельные трансформаторы обладают повышенной надежностью
благодаря простоте конструкции и высокой надежности кабеля.
Благодаря отсутствию масла кабельные трансформаторы меньше
воздействуют на окружающую среду, чем маслонаполненные, и
более безопасные.
Кабельные трансформаторы открывают новые возможности для
глубокого ввода энергоснабжения на высоком напряжении в густона¬
селенные районы, где имеются высокие требования к пожаро- и
взрывобезопасности и снижению загрязнения воздуха и почвы.
Фактором, препятствующим промышленному применению кабель¬
ных трансформаторов в настоящее время, является их высокая стои¬
мость.
3.4.7.	Разработка трансформаторов с использованием
высокотемпературной сверхпроводимости
Одним из основных требований, предъявляемых к энергоснабже¬
нию, является снижение потерь электроэнергии экономически оправ¬
данными средствами. Жестокие требования к ограничению площади,
занимаемой энергетическим оборудованием, особенно в густонасе¬
ленных городских районах, приводят к необходимости уменьшения
размеров оборудования. Транспортные ограничения по мере возрас¬
тания мощности в единице определяют предельную мощность транс¬
форматоров. В случае необходимости замены оборудования действу¬
ющей подстанции более мощным оборудованием, крайне желательно
не увеличивать площадь, занимаемую подстанцией.
Все более жестким становятся экологические требования к транс¬
форматорам, в том числе к их пожаробезопасности, особенно в слу¬
3.4. Трансформаторное оборудование
169
чае установки трансформаторов в густонаселенных районах, закры¬
тых помещениях, например, в цехах предприятий и пр.
Технология проектирования и изготовление трансформаторов
весьма совершенны и оставляют мало возможностей для значитель¬
ного снижения стоимости и уменьшения потерь трансформаторов.
Значительные улучшения можно ожидать только от применения
новых материалов для проводников, магнитной системы или элект¬
рической изоляции.
С открытием (в конце 80-х годов XX в.) явления «теплой сверх¬
проводимости» технология применения ее для производства сило¬
вого электрооборудования стала развиваться достаточно высокими
темпами. Это, в частности, относится и к применению высокотемпе¬
ратурных сверхпроводников (ВТСП) в силовых трансформаторах.
По экономическим соображениям максимальный ток перегрузки
ограничивают значением тока менее двойного номинального. Поэ¬
тому передача тепла от проводника к охлаждающей среде не явля¬
ется ограничивающим фактором. Для тока, значительно превышаю¬
щего критическое значение, потери увеличиваются на порядок. Этот
режим является режимом ограничения аварийного тока, кратковре¬
менным переходным режимом. Энергия, выделенная в проводнике в
переходном режиме, будет поглощена испарением части охлаждаю¬
щей жидкости. Эти свойства сверхпроводников могут позволить зна¬
чительно повысить коэффициент полезного действия трансформато¬
ров, сделать их более компактными, исключить масло, как охлажда¬
ющую жидкость, и принять на себя функцию ограничения больших
токов.
Ведущие промышленно развитые страны (США, Германия, Фран¬
ция, Япония, Австралия, Швеция, Англия) к настоящему времени
произвели опытные образцы силовых трансформаторов. В боль¬
шинстве случаев эти образцы использовались для проверки приня¬
тых при конструировании новых решений [3.2]. Часть из них была
установлена в опытную эксплуатацию в реальные сети с целью про¬
верки их работоспособности параллельно с традиционными кон¬
струкциями.
Потери короткого замыкания в ВТСП трансформаторах при номи¬
нальном токе могут быть уменьшены на 80—90 %, а общая масса
приблизительно в 2 раза. Замена масла жидким азотом и уменьшен¬
ные размеры позволят установить такие трансформаторы в город¬
ских условиях и помещениях. На рис. 3.8 представлена зависимость
минимальных суммарных потерь от мощности обычных и ВТСП
транс форматоров.

170 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
О 50	100	150	200	250 5ном,МВ-А
Рис. 3.8. Зависимость суммарных потерь CPcyM>MIIH) от мощности трансформа-
т°Ра ^ном:
1 — обычные трансформаторы; 2 — ВТСП трансформаторы
Применение ВТСП трансформаторов в энергосистеме позволяет
воспользоваться их способностью ограничивать токи короткого
замыкания. При замене обычного трансформатора на ВТСП транс¬
форматор большей мощности не потребуется замена выключателей.
Ограничение токов короткого замыкания в ВТСП трансформаторах
уменьшает напряжение короткого замыкания трансформатора на
50 %. Это позволит иметь более стабильное трансформаторное
напряжение, не прибегая к регулированию, что повысит качество
напряжения.
Одним из существенных преимуществ ВТСП трансформаторов
является отсутствие термического старения изоляции.
Исследования показывают, что ВТСП трансформаторы могут
быть совместимы с существующими сетями и их защитными уст¬
ройствами.
Коммерческие перспективы практического использования ВТСП
трансформаторов зависят главным образом от стоимости сверхпро¬
водящих материалов (СП-материалов). США планируют, что после
2015 г. ВТСП-трансформаторы станут коммерческим продуктом.
3.4. Трансформаторное оборудование
171
3.4.8.	Разработка и освоение трансформаторов
на напряжение 1150 кВ
Работы по проектированию автотрансформатора 1150/500 кВ
были начаты в 1969 г. В 1970 г. был изготовлен опытный автотранс¬
форматор 1150/500 кВ, 210 MB • А, в котором обмотки 1150 и 500 кВ
были расположены на разных стержнях остова [3.2]. Целью создания
этого автотрансформатора, была проверка в опытной эксплуатации
повышенных рабочих напряженностей в главной изоляции. Опытный
автотрансформатор был установлен на подстанции Белый Раст под
Москвой и успешно прошел опытную эксплуатацию. Однако по тех¬
нико-экономическим характеристикам (мощность, масса, габариты,
напряжение короткого замыкания) опытный автотрансформатор не
удовлетворял требованиям, предъявляемым к промышленным образ¬
цам (мощность 210 MB • А, напряжение короткого замыкания 18 %).
Выполненные в начале 70-х годов XX в. эскизные проработки раз¬
личных конструктивных исполнений автотрансформаторов 667 MB • А,
1150/500 кВ показали, что создание такого автотрансформатора пред¬
ставляет серьезную техническую проблему, значительно более слож¬
ную, чем создание автотрансформаторов 750 кВ. Опыт освоения под¬
твердил это положение. Расчеты показывали, что с учетом прогнози¬
руемых совершенствований изоляционных конструкций выполнить
транспортабельный в рабочем баке автотрансформатор с классиче¬
ской схемой соединения обмоток в тот период не представлялось воз¬
можным даже на четырехстержневом остове.
Поэтому была разработана и применена схема с последователь¬
ным соединением частей обмоток 1150 и 500 кВ, расположенных на
разных стержнях остова. Помимо технико-экономических преиму¬
ществ эта схема позволила решить проблему обеспечения импуль¬
сной прочности обмотки 1150 кВ. Однако эта схема обладает и
существенными недостатками: сложностью конструкции (особенно
концевой изоляции близкой к классу напряжения 750 кВ).
В процессе освоения первых автотрансформаторов в конструк¬
цию и технологию был внесен ряд усовершенствований.
В 1983 г. была выполнена модернизация автотрансформатора,
конструкция главной изоляции и установки ввода 1150 кВ были
существенно усовершенствованы. Первый модернизированный обра¬
зец был успешно испытан напряжениями, превышающими испыта¬
тельные на 10 %.

172 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
Всего было изготовлено 18 фаз, из них три первые были установ¬
лены в опытную эксплуатацию. В промышленную эксплуатацию на
электропередачу Экибастуз—Челябинск было установлено 9 фаз.
Трудности, которые возникли при освоении автотрансформаторов
667 MB • А, 1150/500 кВ, были обусловлены, наряду с особенностями
нового класса напряжения, также сложностью конструкции. Поэтому
в 80-х годах XX в. велись поиски конструктивных решений, позволя¬
ющих применить классическую схему соединений обмоток. При
этом основной проблемой было обеспечение электрической проч¬
ности обмотки 1150 кВ при воздействии грозовых импульсов.
3.5.	Перспективы применения в энергосистемах
России асинхронизированных турбогенераторов
Для энергосистем России постоянно существовала и существует
проблема обеспечения требуемых нормативами уровней напряжения
в электрических сетях напряжением 220—500 кВ.
Это обусловлено следующими причинами:
физическим свойством линий электропередачи высокого напря¬
жения генерировать в электрическую сеть реактивную мощность.
Каждые 100 км линии 220 кВ генерируют 13 MB-А реактивной
мощности, для линий 330 и 500 кВ эти величины составляют
39	MB • А и 96 MB • А соответственно;
большой протяженностью линий электропередач;
недостаточным объемом либо отсутствием средств компенсации
реактивной мощности линий. В энергосистемах России избыточная
реактивная (зарядная) мощность в линиях электропередачи 500 кВ
скомпенсирована в среднем на 42 %, а в линиях электропередач 330 и
220 кВ она вообще не компенсируется;
неравномерным распределением потоков реактивной мощности
между сетями различного класса напряжений;
снижением в последние 10—12 лет уровней электропотребления в
стране и, как следствие, генерированием реактивной мощности
малозагруженными линиями электропередач, что приводит к увели¬
чению напряжения в электрических сетях.
Следствием работы с высокими уровнями напряжения являются
ускоренный износ и повышенная аварийность электрооборудования,
работающего в этих условиях.
Для решения этой проблемы принимаются специальные меры,
которые нередко приводят к ухудшению показателей устойчивости и
экономичности работы энергосистем, в частности, для нормализации
3.5. Перспективы применения в энергосистемах России...
173
напряжения персонал электростанций, работающих на шины 220—
500 кВ, вынужден переводить турбогенераторы в режимы потребле¬
ния реактивной мощности, что позволяет несколько снизить уровни
напряжения, но со временем приводит к ускоренному износу этих
турбогенераторов, а в ряде случаев и к аварийным отключениям из-за
разрушения торцевых зон активной стали статоров, так как серийные
турбогенераторы фактически не рассчитаны на эти режимы.
В результате по этой причине происходило значительное число
аварийных отключений и простоев с вынужденными восстанови¬
тельными ремонтами на турбогенераторах более 30 электростанций
единичной мощностью по 200—300 МВт. Ситуация усугубляется
еще и тем, что у более половины всего генераторного парка страны
превышен установленный нормативами срок службы.
При этом следует отметить, что необходимость обеспечения
работы энергоблоков АЭС в базовой части графиков нагрузки энерго¬
систем существенно повысила требования к объемам маневренных
мощностей и, как следствие, из-за нехватки маневренных мощностей
[гидроаккумулирующих (ГАЭС), газотурбинных и парогазовых уста¬
новок] в переменную часть графиков нагрузки вытесняются не
только энергоблоки конденсационных тепловых электростанций
(ТЭС), но и агрегаты теплоэлектроцентралей (ТЭЦ).
Также не менее важными и все более актуальными являются про¬
блемы повышения устойчивости и надежности электроэнергетиче¬
ских систем в целом, что объясняется стремлением увеличивать пере¬
токи мощности по существующим линиям электропередач, а также
обеспечения транспорта электроэнергии на значительные расстоя¬
ния.
К этому нужно добавить возросший интерес к повышению эконо¬
мичности работы электрических станций и сетей в связи с развитием
рыночных отношений. Схожие условия, в целом, характерны и для
зарубежных энергообъединений, для которых, однако, в отличие от
отечественных энергосистем, как правило, нет дефицита средств
компенсации реактивной мощности, но всегда была высокая заинте¬
ресованность в повышении экономичности работы электростанций,
используемых в маневренных режимах.
Все вышеизложенное обусловливает то, что традиционные синх¬
ронные турбо- и гидрогенераторы, соответствовавшие по своим
характеристикам условиям работы, характерным в 60—70-е годы
XX в. для отечественных энергосистем, не всегда удовлетворяют
новым требованиям, определяемым перечисленными особенностями
режимов энергосистем.

174 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
Поэтому в нашей стране, а также и за рубежом, более 30 лет про¬
водятся исследования и разработки, давшие уже положительные
результаты, по созданию и использованию, наряду с традиционными
(синхронными) генераторами, новых, хотя и несколько более доро¬
гих, более управляемых генераторов с улучшенными техническими и
эксплуатационными характеристиками [1.15, 3.4].
Одним из кардинальных способов решения отмеченных проблем
является применение турбогенераторов нового типа — асинхронизи-
рованных турбогенераторов (АС-турбогенераторов). В отличие от
турбогенераторов обычного типа (синхронных) АС-турбогенераторы
обладают существенно более высокими пределами устойчивости и
предназначены для работы в режимах не только выдачи, но и глубо¬
кого потребления реактивной мощности.
Указанные преимущества АС-турбогенераторов достигаются за
счет применения новой конструкции ротора, который содержит не
одну, как в синхронных, а две обмотки возбуждения, сдвинутые по
окружности ротора друг относительно друга на 90 эл. град., и специ¬
альной системы автоматического регулирования возбуждения.
Автоматический регулятор возбуждения (АРВ) асинхронизиро-
ванного турбогенератора содержит два канала регулирования: канал
электромагнитного момента и канал напряжения или реактивной
мощности (рис. 3.9). Сигналы этих каналов являются ортогональ¬
ными составляющими вектора сигнала управления, который форми¬
руется в синхронной системе координат и далее при помощи преоб¬
разователя координат преобразуется в сигналы по осям обмоток воз¬
буждения (d и q).
В канале регулирования электромагнитного момента РЭМ исполь¬
зуются обратные связи по углу поворота ротора, скольжению s и
отклонению активной мощности генератора Р. Канал обеспечивает
также выравнивание токов обмоток возбуждения в установившихся
режимах.
Рабочее скольжение в нормальном установившемся режиме тур¬
богенератора равно нулю, т.е. турбогенератор работает с синхронной
частотой вращения ротора. В переходных процессах скольжение
отлично от нуля, и, согласно принятому закону регулирования, систе¬
мой возбуждения создается составляющая электромагнитного момента,
улучшающая динамические характеристики турбогенератора. В канале
напряжения PH формируется сигнал для управления реактивной
мощностью Q или напряжением U генератора.
Автоматический регулятор возбуждения позволяет осуществлять
практически раздельное управление электромагнитным моментом и
3.5. Перспективы применения в энергосистемах России..,
175
Рис. 3.9. Функциональная электрическая схема асинхронизированного турбоге¬
нератора:
АСТГ — асинхронизированный турбогенератор; ОВф OBq — обмотки возбуждения:
продольная (d) и поперечная (q); ТВф TBq — управляемые реверсивные тиристор¬
ные возбудители; Г, Гсв — трансформаторы блочный и системы возбуждения;
АГП — автоматы гашения поля; АЗОd — автоматы закорачивания обмоток возбуж¬
дения; PH — регулятор напряжения (реактивной мощности); РЭМ — регулятор
электромагнитного момента; Д — датчик углового положения ротора; ПК — преоб¬
разователь координат
напряжением в установившихся и переходных режимах. Вследствие
независимости регулирования по каналам процесс регулирования
напряжения имеет электромагнитный характер, не связан с электро¬
магнитным моментом, скольжением, угловым положением ротора и
является всегда устойчивым, поэтому статическая устойчивость
определяется устойчивостью электромеханических процессов. Необ¬
ходимый запас статической устойчивости обеспечивается в области,
которая ограничивается только допустимыми токами обмоток ста¬
тора и ротора.
Регулирование реактивной мощности (или напряжения) в АС-тур-
богенераторах производится электромагнитным путем, а в синхрон¬
ных этот процесс носит электромеханический характер, поэтому
процесс регулирования напряжения в AC-турбогенераторах проте¬
кает быстрее.
В динамических режимах, связанных с авариями в энергосистеме,
преимущества AC-турбогенераторов перед синхронными обуслов¬

176 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
лены возможностью управления углом нагрузки независимо от угла
поворота ротора. Автоматический регулятор возбуждения осущест¬
вляет при необходимости поворот результирующего вектора поля
возбуждения так, чтобы обеспечить максимальное значение электро¬
магнитного ускоряющего (тормозящего) момента и погасить колеба¬
ния ротора.
Первый в мировой практике такой AC-турбогенератор мощно¬
стью 200 МВт был разработан и изготовлен на НПО «Электротяж-
маш» и в 1985 г. установлен на Бурштынской ГРЭС (Украина).
В 1991 г. на той же ГРЭС был включен в эксплуатацию второй такой
же турбогенератор уже серийного исполнения.
ОАО «Электросила» разработало и в настоящее время готово раз¬
вернуть производство AC-турбогенераторов мощностью 110—
350 МВт типа ТЗВА с полностью водяным охлаждением и мощно¬
стью 110—320 МВт типа ТЗФА с полностью воздушным охлажде¬
нием. Изготовлен и в декабре 2003 г. введен в эксплуатацию на
ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго» AC-турбогенератор типа ТЗФА-110 мощ¬
ностью 110 МВт. Изготовлены и установлены три генератора такого
же типа мощностью 160 MB*А на ТЭЦ-27 и ТЭЦ-21 ОАО «Мос¬
энерго». На Каширской ГРЭС введен в эксплуатацию АС-турбогене-
ратор мощностью 320 МВт.
Возбуждение турбогенератора осуществляется с помощью быст¬
родействующей статической реверсивной тиристорной системы
самовозбуждения.
Управляет тиристорными мостами микропроцессорный автомати¬
ческий регулятор возбуждения типа АРВ-МА со 100 %-ным резерви¬
рованием. Фактически параллельно работают два АРВ, при этом
один из них обеспечивает все функции управления, а второй нахо¬
дится в «горячем» резерве, следит за режимом турбогенератора и
одновременно осуществляет самодиагностику и диагностику работа¬
ющего АРВ. При появлении неисправности или отказа автомати¬
чески вводится в работу резервный АРВ.
Кроме того, генератор может работать в резервных режимах как
обычный синхронный турбогенератор, причем с одной или двумя
обмотками возбуждения, а также в асинхронном режиме — без воз¬
буждения с замкнутыми накоротко обмотками ротора.
Важно отметить, что благодаря возможности автоматического
перевода генератора в асинхронный режим он сохраняет работоспо¬
собность при полном отказе системы возбуждения. В этом режиме, с
замкнутыми накоротко обмотками возбуждения, генератор несет
нагрузку от 55 до 75 % номинальной (в зависимости от напряжения
3.5. Перспективы применения в энергосистемах России...
177
на шинах генератора) без заметных колебаний режимных парамет¬
ров. В таком режиме генератор может работать неограниченно долго,
что обеспечивает высокую надежность («живучесть») его в эксплуа¬
тации.
Опыт эксплуатации асинхронизированных
турбогенераторов
Бурштынская ГРЭС (Львовэнерго)
Необходимость установки AC-турбогенераторов на Бурштынской
государственной районной электростанции (ГРЭС) была обуслов¬
лена режимом работы энергосистемы [3.4]. В течение длительного
времени, практически с начала ввода ГРЭС в работу в 1985 г., на
шинах 330 кВ наблюдался избыток реактивной мощности и для под¬
держания заданного уровня напряжения часть синхронных генерато¬
ров переводилась в режим потребления реактивной мощности (10—
40	MB • А). Отмеченные уровни потребления реактивной мощности
синхронного турбогенератора (СТГ) при значительной активной
нагрузке превышали допустимые по условиям нагрева торцевых зон
стали статора и устойчивости. В условиях частых пусков, цикличе¬
ских изменений нагрузки и высоких значений cos ср имели место пов¬
реждения крайних пакетов сердечника статора турбогенераторов и
обмотки. Проведенные технические мероприятия, направленные на
улучшение вентиляции пакетов стали статора, их прессовки, спо¬
собствовали некоторому снижению общего уровня повреждаемости,
однако полного устранения повреждений добиться не удалось.
Установка турбогенераторов типа АСТГ-200 на блоках № 10
(1985 г.) и № 9 (1991 г.) позволила в значительной степени снять про¬
блему избытка реактивной мощности. Эти генераторы в ночные часы
с 0.00 до 6.00 ч систематически, а также довольно часто в остальное
время рабочих суток, в праздничные и выходные дни работали в
опасных режимах потребления реактивной мощности. Значение пот¬
ребляемой мощности составляло 90—150 MB-А. При этом парал¬
лельно работающие синхронные генераторы электростанции были
переведены в режимы с выдачей реактивной мощности. Поврежде¬
ний крайних пакетов стали статора у них в дальнейшем не обнаружи¬
валось.
Со времени установки в 1985 г. на энергоблоке № 10 Бурштын¬
ской ГРЭС опытно-промышленного образца АС-турбогенератора
АСТГ-200 был проведен обширный комплекс натурных испытаний и
исследований, позволивший проверить практически все свойства

178 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
таких генераторов и подтвердить достоверность выполненных расче¬
тов и теоретических исследований. Генератор переводился в устано¬
вившиеся режимы глубокого потребления реактивной мощности до
205 MB • А при нагрузке 50 МВт, (угол нагрузки 0 = 158 эл. град.), на
работу с управлением как по асинхронизированному принципу, так и
по синхронному с возбуждением от основной тиристорной и от
резервной (электромашинной) систем. Была исследована работа
генератора на одной обмотке возбуждения в длительных неуправляе¬
мых (с короткозамкнутыми обмотками возбуждения) и в управляе¬
мых асинхронных режимах со скольжением ротора. Проверялось
быстродействие регулирования по результатам опыта форсировки.
Были проведены исследования статической устойчивости генера¬
тора в широкой области допустимых установившихся режимов [Р =
= 0—200 МВт, Q = +60	(-200)	MB • А], т.е. при изменениях углов
нагрузки от 0 до 158°. Проверка осуществлялась введением кратков¬
ременного возмущения в выходной сигнал канала электромагнитного
момента. При этом процесс затухания колебаний ротора (-1 Гц) соот¬
ветствовал техническому оптимуму.
Натурные испытания подтвердили возможность и практическую
реализуемость успешных переходных процессов при переводе гене¬
ратора в резервные асинхронные режимы с замкнутыми накоротко на
сопротивление самосинхронизации и с разомкнутыми обмотками
возбуждения с близкой к номинальной исходной нагрузкой, при отка¬
зах основной и резервной систем возбуждения, а также при «обрат¬
ных» переходах в управляемый режим, на одноосное возбуждение и
обратно и т.п.
С целью оценки уровня динамической устойчивости в 1990 г. был
проведен опыт внезапного трехфазного короткого замыкания дли¬
тельностью 0,2 с на шинах 330 кВ подстанции «Западно-украинская»
при подключении к выделенной линии (30 км) энергоблока № 10
Бурштынской ГРЭС с генератором АСТГ-200. Данные эксперимента
свидетельствуют о высоком запасе динамической устойчивости гене¬
ратора и хорошем демпфировании электромеханических колебаний
В процессе нормальной эксплуатации генераторов АСТГ-200 гра¬
фик нагрузок требовал систематического использования не только
режимов выдачи, но и глубокого потребления реактивной мощности
(от 8 до 140 MB*А) в зависимости от режима энергосистемы для
поддержания уровня напряжения на шинах 330 кВ, а также с целью
исключения режимов потребления реактивной мощности парал¬
лельно включенными турбогенераторами ТГВ-200. При имевших
место возмущениях, связанных с изменением конфигурации энерго¬
3.5. Перспективы применения в энергосистемах России..,
179
системы, отключением мощных линий и т.п., признаков нарушения
устойчивости работы генераторов отмечено не было.
ТЭЦ-22 ОАО ((Мосэнерго»
Для режимов работы электрических сетей 110—500 кВ ОАО
«Мосэнерго» характерны значительные изменения уровней напряже¬
ния, возникающие при суточных и сезонных изменениях нагрузки,
причем проблемы поддержания напряжения на требуемом уровне
усугубляются в связи:
с электрическим положением ОАО «Мосэнерго» внутри ОЭС Цен¬
тра, высокие уровни напряжения в сетях 500 кВ, которые обусловлены
режимами работы крупнейших электротанций (Калининской АЭС,
Рязанской ГРЭС, Конаковской ГРЭС, Костромской ГРЭС и т.д.);
с отсутствием средств компенсации реактивной мощности линий
электропередачи 220 кВ;
с наличием большого количества кабельных связей;
с преобладанием в составе генерирующего оборудования тепло¬
фикационных электростанций, сезонный состав оборудования и
электрическая мощность которых в значительной степени определя¬
ются тепловыми нагрузками.
Для нормализации уровней напряжения максимально использу¬
ются синхронные компенсаторы, гидрогенераторы Загорской гидроак¬
кумулирующей электростанцией (ГАЭС) в режиме синхронных ком¬
пенсаторов, РПН трансформаторов и автотрансформаторов 500/110,
500/220, 220/110 кВ, но их эффективность недостаточна.
По указанию диспетчера энергосистемы турбогенераторы, рабо¬
тающие на шины 220—500 кВ, при необходимости переводятся в
режимы потребления реактивной мощности. Это позволяет дополни¬
тельно снизить уровни напряжения, но приводит к ускоренному
износу торцевых зон активной стали статоров турбогенераторов, так
как абсолютное большинство установленных турбогенераторов фак¬
тически не рассчитано на эти режимы.
В этой связи ведущими научно-исследовательскими и проект¬
ными институтами ОАО «ВНИИЭ» и ОАО «Институт Энергосеть-
проект» были проработаны возможные варианты решения проблемы
нормализации уровней напряжения в сетях 110—500 кВ, с примене¬
нием асинхронизированных турбогенераторов.
В 2003 г. головной образец асинхронизированного турбогенера¬
тора типа ТЗФА-110-2УЗ был введен в опытно-промышленную экс¬
плуатацию на энергоблоке № 8 ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго».

180 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
В течение 2004 г. были проведены испытания генератора ТЗФА-110
во всех штатных и резервных режимах, осуществлялся непрерывный
мониторинг режимных параметров, температурных и вибрационных
показателей.
На основании результатов этих испытаний было сделано заключе¬
ние о том, что система воздушного охлаждения, принятая в конструк¬
ции турбогенератора, обеспечивает эффективный отвод тепла от
активных частей и имеется перспектива использования этой системы
в AC-турбогенераторах с полностью воздушным охлаждением после¬
дующих поколений, в частности, для AC-турбогенератора ТЗФА-160
мощностью 160 МВт.
Были измерены электрические, температурные и вибрационные
параметры генератора во всей области допустимых режимов. В част¬
ности, была получена асинхронная характеристика работы генера¬
тора с закороченными обмотками возбуждения. Было подтверждено,
что генератор может работать в этом режиме без ограничений по вре¬
мени и нести нагрузку до 62 МВт с потреблением реактивной мощ¬
ности 78 MB • А.
Были проверены заложенные для обеспечения высокой «живу¬
чести» в систему управления алгоритмы переходов генератора
в резервные режимы (асинхронный без возбуждения, синхронный
с двумя и с одной обмоткой возбуждения) и из резервных режимов
в штатный. Все переходы успешные, без чрезмерных колебательных
процессов и соответствуют расчетным данным.
Можно считать, что в ОАО «Мосэнерго» сделан крупный шаг
в решении важной для Единой энергетической системы проблемы —
внедрения нового энергетического оборудования, способного не
только генерировать электрическую энергию с высокой надежно¬
стью, но и эффективно участвовать в процессе нормализации уров¬
ней напряжения в электрических сетях.
Учитывая баланс генерирующих мощностей в схеме развития
ЕЭС России, проблемы с нормализацией уровней напряжения в элек¬
трических сетях напряжением 220—500 кВ и износ генерирующего
оборудования, было предложено установить АС-турбогенератор
мощностью 320 МВт на Каширской ГРЭС.
В течение 2007—2010 гг. были проведены полномасштабные
испытания AC-турбогенераторов на ТЭЦ № 21 и 27 ОАО «Мос¬
энерго» и на Каширской ГРЭС, подтвердившие их высокую эффек¬
тивность и позволившие сделать следующие выводы.
1.	Проведенные полномасштабные испытания и опыт длительной
промышленной эксплуатации двух AC-турбогенераторов разре¬
3.5. Перспективы применения в энергосистемах России...
181
шили подтвердить и сформулировать основные отличительные
свойства таких генераторов, обусловливающие целесообразность их
применения.
2.	Расчеты, выполненные для ряда энергосистем, показали, что
электростанции ЕЭС России располагают широкими регулировоч¬
ными диапазонами по реактивной мощности и способны в значи¬
тельной степени обеспечить поддержание в допустимых пределах
уровни напряжения в сетях всех классов как в суточных, так и в
сезонных интервалах времени. Однако поскольку указанные выше
факторы приводят к смещению режимов синхронных турбогенерато¬
ров в область недовозбуждения, то для полного использования этих
диапазонов в современных условиях, в том числе при пониженном
электропотреблении и разгруженности электрических сетей, необхо¬
димы дополнительные мероприятия для вывода рабочих режимов
синхронных турбогенераторов тепловых электростанций из зон
недовозбуждения. В числе этих мероприятий дает существенный
эффект замена синхронных турбогенераторов АС-турбогенераторами
на электростанциях, где требуется расширение регулировочного диа¬
пазона в сторону потребления реактивной мощности или облегчение
режима синхронных генераторов по реактивной мощности (для про¬
дления межремонтных периодов и надежности их работы).
3.	Оценочные расчеты показывают, что, несмотря на определен¬
ное удорожание AC-турбогенераторов по сравнению с синхронными,
замена последних с отказом от подключения шунтирующих реакто¬
ров к шинам электростанции экономически оправдана. Такая замена
дает экономию как по капиталовложениям, так и по издержкам, пос¬
кольку удорожание AC-турбогенератора в абсолютном выражении в
1,5—2 раза меньше затрат на установку и эксплуатацию одного шун¬
тирующего реактора 500 кВ, 180 MB • А. При этом АС-турбогенера-
тор не только полностью замещает реактор на шинах электростанции
в части потребления реактивной мощности, но и дает все преиму¬
щества непрерывно регулируемого средства компенсации реактив¬
ной мощности.
4.	Оснащение тепловых электростанций АС-турбогенераторами
может быть рекомендовано как направление, обеспечивающее
существенное повышение уровня управляемости режимами работы
энергосистем по напряжению и реактивной мощности при одновре¬
менном снижении по сравнению с другими вариантами необходи¬
мого суммарного объема инвестиционных и эксплуатационных
затрат.

182 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
3.6.	Обобщенные сведение о создании
оборудования для электроэнергетики
с применением явления свехпроводимости
3.6.1.	Общие реальные условия, создавшиеся
к настоящему времени по разработке нового
оборудования
Эффективность выработки электроэнергии, ее транспортировки
к потребителю, повышение качества поставляемой энергии становятся
приоритетными направлениями в развитии электроэнергетики в XXI в.
Одной из технологий, позволяющих удовлетворить возрастающие
потребности электроэнергетики является использование явления
сверхпроводимости. Использование сверхпроводниковых техноло¬
гий возможно практически в любых видах электротехнических уст¬
ройств, в том числе, в оборудовании электростанций и электриче¬
ских сетей [3.1].
Достигнутый к настоящему времени уровень развития сверхпро¬
водниковых технологий как при низких рабочих температурах низко¬
температурной сверхпроводимости (НТСП), так и при более высоких
температурах высокотемпературной серхпроводимости (ВТСП), поз¬
волил реализовать их преимущества при создании различных видов
оборудования производства, передачи и распределения электроэнер¬
гии большой мощности (десятков мегавольтампер). Увеличение
плотности токов, повышение удельной мощности, а также наличие
особых, присущих только сверхпроводникам физических свойств,
дают возможность разработать высокоэффективные виды электро¬
технического оборудования.
Открытие для ВТСП-материалов позволяет создать устройства,
которые не требуют сложных и дорогостоящих охлаждающих уст¬
ройств на основе жидкого гелия, так как охлаждаются дешевым и
легкодоступным жидким азотом.
Интенсивные исследования и разработки в области технологии
ВТСП-материалов привели к созданию базовых лент и проводов с
достаточно высокой токонесущей способностью. Поставки на миро¬
вом рынке ВТПС-проводников в необходимых количествах уже не
являются серьезной проблемой. Основная проблема — это высокая
стоимость ВТСП-проводников и недостаточное развитие массового
производства криогенной техники для организации охлаждения
ВТСП-материалов жидким азотом.
В настоящее время во многих странах (США, Японии, Южной
Корее, КНР, странах Евросоюза, а также в Мексике, Бразилии, Авст¬
3.6. Обобщенные сведение о создании оборудования..,
183
ралии и др.) на основе ВТСП-материалов 1-го и 2-го поколений
ведутся интенсивные работы по созданию электротехнического обо¬
рудования. Разработаны национальные программы по СП-техноло-
гиям и оборудованию. Целый ряд прототипов сверхпроводниковых
устройств проходит испытания в реальных условиях.
Наилучшие результаты опытно-промышленной проверки к настоя¬
щему времени имеют ВТСП-кабели для передачи больших мощностей.
Ведутся интенсивные разработки ВТСП-трансформаторов, огра¬
ничителей токов короткого замыкания (ОТКЗ), сверхпроводящих
индуктивных накопителей энергии (СПИН), вращающихся электри¬
ческих машин (электродвигателей, генераторов и синхронных ком¬
пенсаторов).
3.6.2.	Линии электропередачи и кабели
Наиболее перспективными разработками в области использова¬
ния явления сверхпроводимости в электроэнергетике являются
ВТСП-кабели для передачи больших мощностей. Сверхпроводнико¬
вые ЛЭП на основе НТСП-технологии создавались и испытывались
еще в 70—80-е годы XX в. в СССР, США и ряде других стран.
Однако из-за высоких капитальных затрат и эксплуатационных рас¬
ходов такие линии были неконкурентоспособны по сравнению с
обычными. Появление ВТСП-материалов позволило значительно
упростить конструкцию СП-кабеля и почти в 50 раз снизить эксплуа¬
тационные расходы по сравнению с НТСП-кабелями.
В ряде стран (США, Японии, Дании, Южной Корее и др.) образцы
кабелей длиной от 30 до 650 м проходят опытную эксплуатацию в
электрических сетях.
Преимущества кабелей из ВТСП-материалов позволяют иметь:
возможность замены обычного кабеля на кабель с большей (в 3—
4 раза) передаваемой мощностью при тех же габаритных размерах,
т.е. возможность передачи большей мощности в существующей инф¬
раструктуре сети;
высокую эффективность электропередачи в связи с малыми поте¬
рями в сверхпроводнике; снижение потерь в кабелях, экономию на
эксплуатационных расходах;
увеличение срока службы кабеля за счет снижения рабочей темпе¬
ратуры изоляции;
экологическую чистоту и пожаробезопасность.
Замена воздушных линий на мощные сверхпроводниковые линии
позволит получить значительный эффект благодаря уменьшению

184 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
площади отчуждаемых земель, а малые размеры кабеля и масса поз¬
волят снизить стоимость кабельного туннеля.
Создание СП-кабеля на большие токи позволяет эффективно
решить проблему глубоких вводов мощности в крупные города, а
также выдачу мощности от крупных электростанций, расположен¬
ных в сложных географических условиях. Именно в этой части
ВТСП-кабели находят практическое применение за рубежом. В
настоящее время ведутся работы более чем по десяти крупным про¬
ектам такого рода.
Весьма существенным преимуществом СП-кабеля является воз¬
можность передачи большей мощности при пониженном напряже¬
нии. В таких мегаполисах, как Москва, распределение электроэнер¬
гии внутри города в целях снижения потерь происходит на напряже¬
нии 110 кВ с последующим понижением до 10 и 0,4 кВ. Минималь¬
ные потери в ВТСП-кабелях при их повышенной токонесущей
способности могут позволить перевести распределение электроэнер¬
гии в городе сразу на напряжение 10—35 кВ при значительном сни¬
жении стоимости подстанций.
В будущем сверхмощные СП-кабельные линии могут составлять
глобальную энергетическую сеть с передачей электроэнергии на
сверхдальние расстояния, выполнять межсистемные связи, делить
при необходимости сложные энергосистемы, использоваться при
прокладке длинных подводных линий и пр. Параметры такой пере¬
дачи — 10 ГВ • А и более на многие тысячи километров.
Ниже приведены примеры разработки кабелей в мире.
В Европе при поддержке Комиссии ЕС активно ведутся работы по
созданию и испытанию моделей ВТСП-кабеля длиной от 5 до 100 м
такими фирмами, как Alcatel, Siemens, Pirelli, ABB и др. В Японии
при поддержке компании ТЕР Со подобные работы проводят фирмы
Furukawa Electric Со, Sumitomo Electric Ind. Ltd и др.
Наиболее широко работы по ВТСП-электропередачам развернуты
в США с координацией и поддержкой со стороны Министерства
энергетики (DOE) и Института электроэнергетики (EPRI). Наряду с
коммерческими фирмами (Pirelli Cable Со, ASC, IGC, Southwire и др.)
в работах участвуют основные национальные лаборатории США:
Аргоннская, Лос-Аламосская, Окриджская и др.
В Японии введен демонстрационный ВТСП-кабель длиной 500 м
(77 кВ, 1 кА), в США введен в работу кабель длиной 600 м (138 кВ,
2,4 кА).
В России при финансовой поддержке ОАО «ФСК ЕЭС» создан
ВТСП-кабель на напряжение 20 кВ и ток до 1,5 кА. Головной оргни-
3.6. Обобщенные сведение о создании оборудования...
185
зацией по созданию этого кабеля является ЭНИН им. Г.М. Кржижа¬
новского. В проекте участвуют ОАО ВНИИКП, ОАО НТЦЭ, МАИ.
Ввод кабеля на одном из объектов Москвы намечен на 2012 г.
В настоящее время этим же коллективом начата работа по созданию
ВТСП-кабеля постоянного тока 50 МВжА длиной более 1500 м.
3.6.3.	Ограничители токов короткого замыкания
Значение токов короткого замыкания (КЗ) в сетях определяет
параметры оборудования подстанций и ЛЭП. Чем больше ток КЗ, тем
больше должна быть отключающая способность выключателей,
тяжелее конструкции ошиновки и опорных изоляторов, разъедините¬
лей и т.д., тем жестче требования по термической устойчивости
кабельных линий.
Широкие перспективы для ограничения токов КЗ в сетях откры¬
вает применение сверхпроводниковых ограничителей токов которот-
кого замыкания (ОТКЗ). В них используется уникальное свойство
СП-материалов иметь нулевое сопротивление до определенных, пре¬
дельных значений магнитного потока. Сверхпроводниковые ОТКЗ
позволяют надежно решить проблему защиты оборудования, ограни¬
чивают первый, наиболее опасный бросок тока при КЗ, обеспечи¬
вают время срабатывания менее четверти периода колебаний пере¬
менного тока.
Существует большое количество различных вариантов ОТКЗ как
резистивных, так и индуктивных.
Сверхпроводниковые ОТКЗ можно принципиально применять в
сетях напряжением 10—220 кВ для снижения ударных значений
токов КЗ, согласовывать значения токов КЗ с отключающей способ¬
ностью коммутационной аппаратуры, продлевая срок ее службы. Это
особенно важно при росте уровней токов КЗ и развитии сети, а также
при эксплуатации выключателей, отработавших свой срок или подле¬
жащих замене из-за недостаточности тока отключения. Так, СП-ОТКЗ
в комплекте с воздушным выключателем вполне может заменить
дорогостоящий элегазовый выключатель и при этом обеспечить высо¬
кую скорость срабатывания.
Сверхпроводниковые ОТКЗ позволяют решать проблемы самоза-
пуска двигателей собственных нужд тепловых электростанций (ТЭС)
и двигателей, установленных на промышленных предприятиях с
непрерывными технологическими процессами. При этом улучша¬
ются оба параметра, влияющих на самозапуск двигателей: увеличи¬
вается напряжение на шинах с подключенными двигателями, которое
прикладывается к ним после отключения КЗ, и уменьшается дли¬

186 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
тельность снижения напряжения при КЗ и соответственно уменьша¬
ется время торможения двигателей.
По мнению многих специалистов ВТСП ОТКЗ может стать наибо¬
лее востребованным СП-устройством для электроэнергетики и пер¬
вым широким коммерческим применением СП-техники.
В настоящее время осуществлено несколько реальных проектов
ВТСП ОТКЗ на напряжение до 20 кВ и на мощности порядка 10—
15 MB* А. Начаты разработки ВТСП ОТКЗ на напряжение 110—
138 кВ. Так, в Европе компания Nexans SC GmbH создала демон¬
страционный проект ВТСП ОТКЗ на 10 кВ и разрабатывает коммер¬
ческий прототип на напряжение 110 кВ мощностью 300 MB • А.
3.6.4.	Сверхпроводниковые индуктивные
накопители энергии
Особый вид сверхпроводниковых устройств — индуктивные
накопители электроэнергии (СПИН). Индуктивный метод накопле¬
ния и преобразования энергии дает возможность генерирования
мощных и одновременно энергоемких импульсов при быстрой реак¬
ции накопителя энергии. В этих устройствах применяются НТСП-
материалы, работающие в высоких магнитных полях, чего требует
накопление больших количеств энергии.
Низкотемпературные СПИН можно применять как эффективное
средство повышения устойчивости энергосистем.
Перечислим достоинства СПИН:
мгновенная выдача электроэнергии в ответ на падающее напря¬
жение;
большая выходная мощность устройства;
возможность достижения меньшей стоимости за 1 кВт выдавае¬
мой мощности по сравнению с альтернативными способами;
высокая плотность запасаемой энергии, компактность, возмож¬
ность размещения вблизи потребителя энергии;
низкий уровень потерь при хранении электроэнергии;
высокие КПД при накоплении и выдаче электроэнергии и быстро¬
действие в этих режимах;
возможность регулирования активной и реактивной мощности
при выдаче электроэнергии;
более длительный жизненный цикл по сравнению с альтернатив¬
ными способами (маховиковыми, емкостными и аккумуляторными
накопителями);
экологическая чистота и высокая надежность.
3.6. Обобщенные сведение о создании оборудования...
187
Функции СПИН зависят от их энергоемкости:
накопители энергоемкостью 108—1011 Дж можно применять для
повышения статической и динамической устойчивости энергосистем;
накопители энергоемкостью 105—107 Дж (микроСПИН) исполь¬
зуются для локального поддержания напряжения на подстанциях при
изменениях нагрузки, а также при кратковременных аварийных пере¬
рывах электроснабжения потребителей при внезапных отключениях
ВЛ или кратковременного снижения напряжения на 30—90 %.
При современных уровнях цен на НТСП-оборудование примене-
О	11
ние СПИН энергоемкостью 10—10 Дж экономически невыгодно.
Применение же микроСПИН энергоемкостью 105—107 Дж уже осу¬
ществляется на практике во многих случаях для обеспечения беспе¬
ребойного энергоснабжения потребителей. Такие устройства осо¬
бенно потребовались с начала 90-х годов XX в. как средство противо¬
стоять аварийным ситуациям, связанным с отключением питания или
падением напряжения в сети. МикроСПИН, для начала созданные
еще на базе НТСП-технологии, применяются как основа устройств
стабилизации переходных процессов в ограниченной части электри¬
ческой сети.
Связь накопителя с электрической сетью осуществляется через
устройства на базе силовой электроники. Быстродействие такого
комплекса составляет 0,5—4 мс, что позволяет с помощью СПИН в
высшей степени эффективно влиять на переходные режимы в сетях и
энергосистемах и применять их в компенсаторах активной и реактив¬
ной мощности, стабилизаторах напряжения и частоты, демпферах
периодических и апериодических колебаний мощности и др.
По мнению зарубежных специалистов после 2012—2017 гг. наме¬
чаются перспективы создания СПИН на основе ВТСП-материалов,
снижения их стоимости: появляется возможность практического при¬
менения СПИН большой энергоемкости для повышения устойчи¬
вости энергосистем.
Наиболее успешно конкурирующими с другими подходами к ста¬
билизации режима работы электрической сети оказались микро¬
СПИН с запасаемой энергией 3—5 МДж и рабочей мощностью на
инверторе до 8 MB • А и быстродействием менее 1 мс. Основной про¬
изводитель микроСПИН — фирма American Superconductors (AMSC)
в США — выпускает с начала 90-х годов XX в. малыми сериями
НТСП микроСПИН для страховки потребителей от кратковременных
отключений либо в качестве быстродействующей части системы ава¬
рийного питания, для компенсации провалов напряжения.

188 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
3.6.5.	Сверхпроводниковые силовые трансформаторы
Развитие работ по НТСП-технологии показало принципиальную
возможность резко улучшить технические и эксплуатационные харак¬
теристики трансформаторов. В разных странах были созданы макеты
СП-трансформаторов мощностью до 1 MB • А. Однако сложность и
дороговизна систем охлаждения до температуры жидкого гелия опре¬
делили неконкурентоспособность таких трансформаторов по сравне¬
нию с обычными.
Появившаяся возможность использовать сверхпроводниковую тех¬
нологию на основе ВТСП-материалов первого поколения коренным
образом изменила положение в этой области электромашинострое¬
ния. В результате многие крупные фирмы с конца 90-х годов XX в.
приступили к разработке промышленных СП-трансформаторов [3.2].
Их основными преимуществами являются:
снижение потерь электроэнергии;
возможность длительной работы с перегрузкой;
снижение массы и габаритов благодаря более высокой плотности
тока в обмотке;
увеличение срока службы за счет замедления старения изоляции
при низких температурах;
экологическая и пожарная безопасность (отсутствие горючего
масла).
Важной особенностью является высокая перегрузочная способ¬
ность ВТСП-трансформатора на многие часы (до 100 %). Реактивное
сопротивление СП-трансформатора примерно в 4 раза ниже, чем у
обычного и это облегчает условия регулирования реактивной мощ¬
ности и напряжения в сети и способствует повышению степени
устойчивости всей системы.
Еще одно привлекательное для работы в сети свойство ВТСП-
трансформаторов — их четкая токоограничивающая способность.
В настоящее время созданы опытные образцы ВТСП-трансформа-
торов напряжением 20 кВ мощностью до 10 MB*А. В Японии и
Швеции трансформаторы мощностью порядка 1000 кВ • А испытыва¬
ются в реальных условиях на подстанциях.
Долговременная программа по исследованию и разработке сило¬
вых трансформаторов на базе «теплой сверхпроводимости» пред¬
ставлена корпорацией «АВВ». После проведения исследований
(1990—1994 гг.) компонентов трансформатора (с холодной сверхпро¬
водимостью) в 1994 г. был разработан опытный образец трехфазного
силового трансформатора мощностью 630 кВ • А.
3.6. Обобщенные сведение о создании оборудования...
189
В 1997 г. этот трансформатор был подключен к промышленной
сети г. Женевы и успешно проработал более 1 года. В настоящее
время завершается начатый в 1997 г. этап разработки и сетевых
испытаний силового трансформатора мощностью 10 MB • А.
Государственная программа разработки сверхпроводящего элект¬
рооборудования реализуется в Японии с 1998 г. К 2000 г. были разра¬
ботаны и подключены к реальной сети трансформаторы мощностью
800 и 1000 кВ • А. Положительные результаты этих работ дали осно¬
вание предположить, что промышленное применение сверхпроводя¬
щих трансформаторов большой мощности (до нескольких сотен
мегавольтампер) может быть осуществлено в период до 2015 г.
Большинство из разработанных проектов трансформаторов осно¬
вано на применении в качестве проводника многожильного транспони¬
рованного провода и Bi 2223 с серебряной или с серебряно-магниевой
основой. При этом магнитопровод остается теплым (не охлаждается).
Рассмотрена и концепция ВТСП-трансформатора без азотного
криостата, в котором обмотки и магнитопровод размещены в общем
баке при высоком вакууме. Охлаждение обмоток производится по
специальной схеме с использованием криокулеров.
Приведем примеры некоторых опытных образцов трансформато¬
ров с использованием высокотемпературной сверхпроводимости:
1.	Трансформатор мощностью 630 кВ • А
Трансформатор был выполнен для распределительной сети
г. Женевы. Трехфазная мощность трансформатора 630 кВ • А, напря¬
жение 187000/420 В, частота 50 Гц, номинальный ток обмотки ВН —
11,2 А, НН — 866 А. Магнитопровод трансформатора теплый, а обмотки
находятся в трех криостатах при температуре 77 К.
Передача тепла через отводы обмоток в криостат является мини¬
мальной в том случае, когда теплый и холодный концы отвода имеют
одинаковую температуру. Поэтому было предусмотрено охлаждение
теплого конца отводов парами кипящего азота из теплообменника
криогенной установки. При отсутствии теплового градиента вдоль
отвода вход тепла в криостат будет одинаков, как при отсутствии
тока в отводе, так и при номинальном токе. Для оптимизированных
отводов для ввода в жидкий азот ввод тепла составил 45 Вт/кА для
неохлажденных отводов и 17 Вт/кА для охлажденных отводов при
номинальном токе.
На стороне ВН вводы не охлаждались. Слоевые обмотки транс¬
форматора намотаны проводом в несколько параллелей. Наибольшие

190 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования...
трудности представило обеспечение прочности обмоток при токах
короткого замыкания.
Криостаты, в которых размещены обмотки, были изготовлены из
стеклопластика, пропитанного эпоксидом, с вакуумной изоляцией.
Потребовалась постоянная работа насосов для обеспечения вакуума.
Утечка составляла 0,001 мбар/с. Дополнительно снаружи криостаты
изолированы несколькими слоями суперизоляции.
Специальные испытания импульсные и при воздействии токов
короткого замыкания были проведены на однофазном прототипе
трансформатора. Остальные испытания проводились на трехфазном
трансформаторе. Испытательные напряжения составляли:
двойное индуцированное напряжение — 37,4 кВ;
приложенное напряжение — 50 кВ;
импульсное напряжение — 125 кВ.
Длительность испытания при токе короткого замыкания была
ограничена 100 мс, чтобы ограничить нагрев. Испытание показало,
что теоретически ток короткого замыкания (61,5/ном) был ограничен
переходным сопротивлением провода до 71 % этой величины. Трех¬
фазный трансформатор имел потери короткого замыкания 337 Вт.
Потери холостого хода в теплом магнитопроводе составили 2,1 кВт.
При включении трансформатора в сеть ток включения может
достигнуть 20-кратного номинального значения, что может привести
к изменению сопротивления ВТСП провода. Этого можно избежать с
помощью специального устройства путем предварительного намаг¬
ничивания, позволяющего включить трансформатор без переходного
тока.
Трансформатор был установлен в подземной камере и включен в
работу параллельно с обычным трансформатором 1000 кВ • А в рас¬
пределительной сети г. Женевы.
Особое внимание было уделено защите трансформатора. Был
установлен отдельный резервуар с 4500 л жидкого азота (для компен¬
сации испарения азота). Каждый криостат имеет свой регулятор
уровня азота, измеряемого аргоновым датчиком. В случае перерыва
энергоснабжения ВТСП трансформатор отключается, и процедура
предварительного намагничивания вновь начинается после подачи
напряжения. Время отключения выключателей — 100 мс.
В случае утечки азота в помещение оксидные датчики контроли¬
руют его содержание в воздухе. Для безопасности персонала содер¬
жание кислорода должно быть менее 19 %. Датчики в случае необхо¬
димости дают сигнал на включение вентиляторов.
3.6. Обобщенные сведение о создании оборудования...
191
Опыт эксплуатации ВТСП трансформатора показывает возмож¬
ность его работы в сети с обеспечением его защиты, в частности,
малого времени отключения.
При параллельном включении обычных трансформаторов каждый
из трансформаторов может нести полную нагрузку в случае отключе¬
ния одного из них. Вероятностная кривая нагрузки каждого транс¬
форматора обычно имеет максимум при нагрузке до 40 % номиналь¬
ной. Параллельно могут работать обычный и ВТСП трансформа¬
торы. При отключенном обычном трансформаторе всю нагрузку
несет ВТСП трансформатор. При возникновении аварийных токов в
течение 200 мс должен быть включен обычный трансформатор, а
ВТСП трансформатор отключен. Повторное включение ВТСП транс¬
форматора может быть произведено только через нескольких минут,
требуемых, чтобы привести ВТСП провод в нормальное рабочее
состояние.
2.	Опытный образец с регулированием поля рассеяния
Так как критический ток и потери ВТСП провода зависят от
индукции магнитного поля, необходимо, чтобы магнитная система
ВТСП трансформатора создавала минимальный поток рассеяния в
обмотке. Так, для регулирования потока рассеяния на концах ВТСП
обмотки установлены магнитные шунты.
Опыты показали, что критический ток ВТСП-провода в реально
возможном поле может быть снижен примерно вдвое. Провод пред¬
ставлял собой ВТСП ленту из материала Bi 2223 с номинальным
током 20 А. Номинальная мощность модели 10 кВ • А была получена
при токе равном примерно 60 % этого уменьшенного значения.
Основной целью исследования модели было определение зависи¬
мости потерь в ВТСП проводе от тока. Потери определялись калори¬
метрическим методом в криостате, содержащем ВТСП обмотку.
Поскольку обычный трансформатор имеет большие тепловую
массу и постоянную времени, он имеет высокую перегрузочную спо¬
собность, вплоть до двойной мощности в течение короткого времени.
Для ВТСП трансформатора определить номинальную мощность
труднее, ввиду некоторой неопределенности значения критического
тока.
Номинальную мощность трансформатора можно определить как
мощность, которой трансформатор может быть нагружен с удвоен¬
ным значением номинального тока в течение некоторого времени без
отключения. Такое определение вытекает из неспособности ВТСП
трансформаторов нести большую перегрузку в течение более чем

192 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
несколько сотен миллисекунд. Предполагается отключение транс¬
форматора при нагрузке больше двойной номинальной. При нагрузке
немного большей номинальной значительно возрастают потери и
длительная работа в этой области неэкономична. Кроме того, после
такой перегрузки в течение более 200 мс, даже после отключения,
требуется несколько минут, чтобы ВТСП трансформатор вернулся в
исходное состояние.
3.6.6.	Сверхпроводниковые вращающиеся машины
Определенную перспективу применения в электроэнергетике
имеют СП-генераторы и электродвигатели. Стремление создать
машины большой мощности с относительно небольшими габарит¬
ными размерами вызвали к жизни проводившиеся в 70—80-х гг.
XX в. разработки НТСП-вращающихся машин. В 1977—1979 гг. ком¬
пания Westinghouse разработала эскизные проекты НТСП-генерато-
ров мощностью 300 MB • А с рабочими напряжениями 30 и 500 кВ.
По коммерческим соображениям эти работы были прекращены.
Реально были созданы НТСП-генератор мощностью 20 MB • А
(ВНИИЭлектромаш — «Электросила», 1983 г.) и три исследователь¬
ских модели НТСП-генератора мощностью 70 MB • А с обмоткой
статора Nb-Ti в зазоре [японские фирмы, проект «Moon Light»,
начало работ 1988 г., первый СПСГ 70 MB-А испытан компанией
Hitachi в 1997 г.].
Разработка ВТСП-материалов возродила исследования по созданию
сверхпроводящих вращающихся машин. Были созданы генераторы и
двигатели мощностью 4—40 MB • А для авиации и морского флота.
Имеются и проекты ВТСП-генераторов на мощность 100 MB • А
и выше, с 1994 г. компания General Electric начала разработки ВТСП-
генератора, создана модель мощностью 1,8 MB* А, далее планиру¬
ется изготовление прототипа мощностью 100 MB • А.
Преимущества сверхпроводниковых вращающихся машин:
высокое магнитное поле в зазоре без использования железа;
малое синхронное реактивное сопротивление;
малые потери на возбуждение;
небольшая масса;
меньшие размеры.
Примером СП вращающейся машины, использующей эти преиму¬
щества, является синхронный компенсатор.
В современных энергосистемах реактивная мощность становится
важным параметром для управления напряжением и сглаживания его
3.6. Обобщенные сведение о создании оборудования..,
193
изменений. С помощью синхронных и статических компенсаторов
решаются проблемы стабилизации напряжения и регулирования пере¬
токов реактивной мощности в стационарных режимах, обеспечения
статической и динамической устойчивости и другие задачи. В связи с
этим представляется перспективным применением ВТСП-синхрон-
ных компенсаторов.
Их применение позволит:
обеспечить широкий диапазон регулирования реактивной мощ¬
ности как в режиме выдачи, так и потребления реактивной мощ¬
ности без реверсирования тока возбуждения благодаря более низ¬
ким, чем у традиционных электрических машин, синхронным реак¬
тивным сопротивлениям;
получить возможность создать компенсирующие устройства на
высокие уровни рабочего напряжения (до 110—220 кВ) и на большие
мощности (до 200—500 MB • А);
сохранить высокую синусоидальность кривых тока и напряжения,
выдаваемых ВТСП-компенсаторами (содержание высших гармоник
менее 1 %), трудно достижимую в компенсаторах на основе силовой
электроники).
Первое практическое исполнение такой машины — НТСП-синх-
ронный компенсатор на мощность 20 MB • А (ВНИИЭлектромаш).
В настоящее время предполагается создание ВТСП-компенсатора
той же мощности. Имеется проект компенсатора мощностью 200 MB • А
на напряжение 220 кВ, но не решен вопрос о ВТСП-проводе.
В 2004 г. в работу введен первый ВТСП-синхронный компенсатор
SuperVAR™ компании AMSC, разработанный на основе корабель¬
ного двигателя той же компании. Назначение компенсатора — «пог¬
лощать» толчки реактивной мощности, поддерживать напряжение в
сети на металлургическом заводе в штате Тенесси (США). Особен¬
ность машины — способность выдерживать большие перегрузки
(в первые периоды в 6—8 раз в течение 60 с, по току статора —
в 2 раза). Имеется заказ на изготовление серии из пяти машин, опре¬
делен мощностной ряд таких машин — от 0,5 до 15 MB • А.
Весьма существенна возможность рационального сочетания уст¬
ройств Flexibe Alternating Current Transmission Systems (FACTS) и
ВТСП-синхронных компенсаторов.
Дата начала практического применения ВТСП-вращающихся
машин по оценкам наших специалистов лежит за пределами 2015—
2020 гг.

194 Глава 3. Перспективы развития основного электрооборудования..,
3.6.7.	Современное состояние с освоением СП-техники
в электроэнергетике России
В настоящее время наиболее быстро реализуемы для нашей энер¬
гетики технологии и оборудование СП-кабелей переменного и посто¬
янного тока.
Приоритетом здесь могут пользоваться кабельные вводы в мега¬
полисы и города (Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург и др.) на
напряжение 10—35 кВ. Как уже указвалось, кабельные линии могут
выполняться как на переменном токе, так и на постоянном с инверто¬
рами — выпрямителями по концам для передачи без потерь значи¬
тельной мощности, а также для решения комплекса других проблем:
оптимизации потоков мощности в параллельных линиях электропе¬
редачи и ограничители токов КЗ.
Вторым направлением, более отдаленным по срокам исполнения,
является использование СП-линий промышленной электропередачи.
Ожидается, что при освоении производства ВТСП-материалов вто¬
рого поколения ВТСП-кабельные линии будут превосходить по тех¬
нико-экономическим параметрам BJI при мощности 100 MB’А и
более.
Важной проблемой в наших сетях является рост уровней токов
КЗ, не обеспечивающийся соответствующим ростом отключающей
способности коммутационной аппаратуры. В ряде энергосистем
(в том числе в Москве) уровни токов КЗ уже сейчас достигли очень
больших значений, а доля выключателей, не способных отключать
токов КЗ столь значительна, что это отрицательно сказывается на
проблемах надежности электроснабжения потребителей. Вопрос
ограничения токов КЗ актуален как для распределительных сетей и
подстанций с напряжением 6—10 кВ, так и для сетей 110—750 кВ.
Для этих целей могут использоваться специально созданные
ВТСП-ограничители токов КЗ.
По мере освоения производства ВТСП-материалов возможна раз¬
работка СПИН большой энергоемкостью 108—Ю10 Дж, что позволит
решать проблемы выравнивания графиков нагрузки, повышения ста¬
тической и динамической устойчивости энергосистем, это особенно
важно для надежной работы огромного энергообъединения ЕЭС Рос¬
сии.
После освоения производства и совершенствования свойств
ВТСП-материалов 2-го поколения и снижения их стоимости возрас¬
тет возможность практического использования СП-трансформато-
ров, для ее быстрейшей реализации работа по созданию и практиче¬
3.6. Обобщенные сведение о создании оборудования...
195
скому использованию опытных и макетных образцов должна быть
организована в ближайшее время.
Совершенно необходимо скорейшее создание отечественного про¬
изводства ВТСП-материалов 2-го поколения. По высказываниям рос¬
сийских специалистов представляется, что наиболее оптимальным
было бы создание такого производства в рамках федерального агент¬
ства по атомной энергии.
Контрольные вопросы к главе 3
1.	Каковы основные условия, влияющие на развитие электрооборудования
энергосистем?
2.	Какой технический уровень трансформаторов в мире?
3.	Перечислите основные требования к электрооборудованию энергосистем.
4.	Каковы перспективы развития кабелей и проводов в мире и в России?
5.	Перечислите различные способы регулирования напряжения трансформа¬
торами.
6.	Как осуществляется регулирование напряжения трансформаторов и авто¬
трансформаторов с помощью РПН?
7.	Какое состояние дел с разработками и освоением трансформаторов на на¬
пряжение 1150 кВ?
8.	Каковы перспективы применения в энергосистемах асинхронизированных
генераторов?
9.	Назовите перспективы создания оборудования для электроэнергетики
с применением явления сверхпроводимости.
10.	Оцените реальные перспективы создания линий электропередач с исполь¬
зованием ВТСП-кабелей.
Список литературы к главе 3
3.1.	Перспективы развития основного электрооборудования ЕЭС России /
под ред. А.П. Бурмана. М.: Издательский дом МЭИ, 2006.
3.2.	Силовые трансформаторы. Справочная книга / под ред. С.Д. Лизунова
и А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004.
3.3.	Основы современной энергетики. Т. 2. Современная электроэнергетика /
под ред. А.П. Бурмана и В.А. Строева. М.: Издательский дом МЭИ, 2008.
3.4.	Опыт создания и внедрения в электроэнергетику асинхронизированных
турбогенераторов / Ю.Г. Шакарян, И.А. Лобунец, Н.Д. Пинчуг и др. // Энергоэкс¬
перт. 2009. № 3. С. 46—51.

Глава 4
АППАРАТЫ КОММУТАЦИИ И ЗАЩИТЫ
4.1.	Коммутационная аппаратура и комплектные
распределительные устройства
4.1.1.	Требования к коммутационному оборудованию
Будущее коммутационной аппаратуры высокого напряжения в
России связано с решением двух основных проблем — поиском
новых высокоэффективных технических решений и вытеснением из
эксплуатации устаревших (и экономически невыгодных) аппаратов.
Решение обеих проблем требует больших финансовых затрат и вре¬
мени [4.1, 4.2].
Одной из основных задач в области коммутационной аппаратуры
является повышение ее надежности, которая зависит как от разра¬
ботки аппаратов новых поколений, так и от своевременной замены
устаревших аппаратов, находящихся в эксплуатации.
В мире регулярно проводится анализ отказов аппаратов. Рабочая
группа АЗ.06 Исследовательского комитета АЗ СИГРЭ готовит обзор
данных о надежности коммутационной аппаратуры, который охваты¬
вает 42 ООО выключателей, 220 ООО разъединителей и заземлителей и
15 ООО комплектных распредустройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ).
Другая важная задача — снижение массогабаритных характерис¬
тик и материалоемкости аппаратов, уменьшение их числа за счет
использования прогрессивных технических решений. При этом
выполнение этой задачи не должно приводить к снижению надеж¬
ности оборудования.
К важным задачам можно отнести и снижение эксплуатационных
затрат, создание практически необслуживаемого в течение всего
срока службы оборудования.
В мире ужесточаются требования к экологической чистоте обору¬
дования, и технические решения, которые раньше считались прием¬
лемыми, подвергаются пересмотру. Во многих случаях задача обес¬
печения экологической чистоты выходит на первый план.
Наконец, следует отметить в числе важных задач снижение энер¬
гопотребления коммутационных аппаратов (в частности, уменьше¬
ние энергопотребления приводами аппаратов). Для решения этой
задачи в мире предпринимаются серьезные усилия.
4.1. Коммутационная аппаратура и комплектные распределительные... 197
К классу коммутационных аппаратов следует отнести и ограничи¬
тели токов коротких замыканий (ОТКЗ), основной задачей которых
является облегчение режима отключения короткого замыкания (КЗ)
коммутационными аппаратами и снижение уровня динамических
воздействий на любую аппаратуру и конструктивные элементы под¬
станций. Внедрение ОТКЗ — неотложная задача в нынешних усло¬
виях роста мощности КЗ энергосистемы при прежней отключающей
способности аппаратуры.
4.1.2.	Способы совершенствования
коммутационного оборудования
Проведенный анализ отказов оборудования показывает, что его
надежность снижается, если не принимаются специальные меры.
Так, например, в Японии надежность выключателей ВН за последние
годы заметно снизилась (частота больших аварий выросла до 0,16 на
100 выключателей в год, а малых — до 0,64 на 100 выключателей в
год). Это связано с электрической эрозией, износом и старением эле-
газовых выключателей, установка которых началась 35 лет назад.
Слабым местом выключателей считаются делительные конденса¬
торы, их срок службы сейчас значительно ниже (всего 15—20 лет),
чем у самих выключателей (до 40 лет, в будущем возможно повыше¬
ние их срока службы до 50 лет). Основная причина заключается в
различных воздействиях на конденсаторы во время операций отклю¬
чения. Изучается возможность создания выключателей без делитель¬
ных конденсаторов.
Высокая надежность коммутационных аппаратов прежде всего
достигается повышением эффективности дугогашения. В мире для
этого широко используются расчетные методы. Моделируются про¬
цессы при отключении тока, рассчитывается распределение электри¬
ческого поля в дугогасительном устройстве.
Для элегазовых выключателей ВН используется комбинирован¬
ный способ гашения дуги, когда дуга при токах КЗ гасится за счет
автогенерации давления, а при малых токах — автопневматическим
способом. Это дает возможность увеличить напряжение на один раз¬
рыв выключателя. В настоящее время уже созданы элегазовые
выключатели на напряжение 362—550 кВ (последняя цифра — для
баковых выключателей и КРУЭ) с одним разрывом и вакуумные
выключатели на напряжение 145 кВ с одним разрывом в полюсе. Тех¬
нически возможно и дальнейшее увеличение напряжения на один

198
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
разрыв. Однако следует отметить, что наилучшие технико-экономи-
ческие показатели характерны для аппаратов с более умеренными
значениями напряжения: для элегазовых колонковых выключателей
при напряжении около 300 кВ на разрыв; для выключателей КРУЭ —
400—500 кВ; для вакуумных выключателей — 70—80 кВ на разрыв.
Повышение эффективности дугогашения дает возможность при¬
менять простые, дешевые пружинные привода (вместо гидравличе¬
ских) с малой потребляемой энергией вплоть до напряжения 800 кВ.
Использование одноразрывных выключателей в КРУЭ на напря¬
жение до 420 кВ дает существенное снижение габаритных размеров
и материалоемкости. Кроме того, значительное снижение размеров
достигается использованием нетрадиционных (оптических) измери¬
тельных трансформаторов. Вместе с применением пружинного при¬
вода перечисленные технические решения являются типичными для
современных КРУЭ нового поколения, уменьшение размеров КРУЭ
достигается и размещением трех фаз в одном корпусе, что перспек¬
тивно для напряжений до 330 кВ.
Большую роль в повышении надежности играет использование
систем диагностики и мониторинга оборудования. Так, для повыше¬
ния надежности КРУЭ оснащаются контроллером, который выпол¬
няет функции диагностики, мониторинга, управления и защиты.
Работы по повышению надежности коммутационных аппаратов
включают в себя расширение области применения новых аппаратов,
поиск нетрадиционных решений, снижение воздействий на оборудо¬
вание, уменьшение энергопотребления.
Ужесточение экологических требований дало толчок к созданию
во многих странах экологически чистых вакуумных выключателей и
комплектных распределительных устройств (КРУ) на их базе на
напряжение свыше 72,5 кВ взамен элегазовых. Доля вакуумных
выключателей и КРУ на их основе будет расти до 2020 г. опережаю¬
щими темпами в классах напряжения до 170 кВ (в наших сетях — до
220 кВ). В более высоких классах напряжения в этот период будут в
основном использоваться элегазовые аппараты.
Следует ожидать быстрых темпов создания и внедрения ограни¬
чителей токов КЗ, на первых этапах — в сетях до 220 кВ, а далее —
во всем диапазоне напряжений передающих и распределительных
сетей. Наиболее перспективны ОТКЗ с использованием высокотем¬
пературной сверхпроводимости.
4.1. Коммутационная аппаратура и комплектные распределительные... 199
4.1.3.	Современный мировой уровень
разработок выключателей
Состав парка выключателей на напряжение 63 кВ и выше, эксплу¬
атируемых в мире в начале XXI в. (по данным СИГРЭ), показан в
табл. 4.1.
Таблица 4.1. Состояние старения парка выключателей
Тип выключателя
Количество выключателей разных типов по срокам службы
до 10 лет
10—20 лет
более 20 лет
Элегазовые
18 000
10 000
1500
Маломасляные
500
2000
4000
Баковые
—
300
3500
Воздушные
—
1000
4000
Вакуумные
300
300
400
Из табл. 4.1 видно, что в последние 10 лет для классов напряже¬
ния 63 кВ и выше в мире вводились в эксплуатацию практически
только элегазовые выключатели. Вакуумные выключатели в настоя¬
щее время в основном используются для средних классов напряже¬
ния, их количество пока невелико. Среди выключателей со сроком
службы от 10 до 20 лет явно преобладают элегазовые выключатели
(примерно 30 % приходится на маломасляные выключатели). И только
среди очень старых выключателей (со сроком службы от 20 до
30 лет) элегазовых меньше, чем маломасляных и воздушных.
В целом совершенствование парка эксплуатируемых аппаратов в
мире идет по пути наращивания доли элегазовых выключателей и
КРУЭ, вакуумных выключателей и аппаратов нетрадиционных кон¬
струкций при постоянном снижении доли устаревших аппаратов.
4.1.4.	Перспективы развития коммутационных
аппаратов в мире
Прогрессивными направлениями улучшения коммутационных
аппаратов в мире являются: создание аппаратов с управляемой ком¬
мутацией (самоуправляемых аппаратов); совмещение функций ком¬
мутационных аппаратов; разработка альтернативных способов ком¬
мутации (экологически чистые полупроводниковые и сверхпровод¬
никовые аппараты); поиск новых диэлектрических сред для изоляции
и дугогашения.

200
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
Число выключателей с управляемой коммутацией за рубежом
непрерывно растет. Управляемая коммутация решает проблемы пре¬
дотвращения опасных бросков тока и перенапряжений, увеличения
ресурса оборудования и его надежности. Применение выключателей
с управляемой коммутацией является шагом в направлении совмеще¬
ния функций управления и защиты оборудования.
Совмещение систем управляемой коммутации с системами диа¬
гностики и мониторинга приведет к созданию так называемых интел¬
лектуальных аппаратов. Такие аппараты получат широкое распро¬
странение к 2020 г., а к 2030 г. все вновь устанавливаемые аппараты
будут оснащены такими системами. Применение для управляемой
коммутации быстродействующих управляемых коммутаторов (раз¬
рядников) расширит возможности «интеллектуальных» аппаратов.
Совмещение функций коммутационных аппаратов позволяет
выбирать простые, высокоэкономичные компоновки подстанций.
Такие технические решения обеспечивают уменьшение количества
оборудования на подстанции, уменьшение требуемых для его уста¬
новки площади и объема, улучшение экологических характеристик.
В настоящее время в мире проводятся работы по объединению
функций выключателя и разъединителя, а также разъединителя и
заземлителя в одном аппарате. Исследуется возможность примене¬
ния схем подстанций без разъединителей, когда функции разъедини¬
теля выполняет высоконадежный выключатель или когда выключа¬
тель оснащен прозрачными изоляторами для контроля положения
контактов. Выполняются работы по повышению коммутационной
способности разъединителей.
Поиск альтернативных способов коммутации вызван тем, что воз¬
можности элегазовой и вакуумной аппаратуры по совокупности элек¬
троизоляционных, дугогасительных и эксплуатационных свойств не
имеют конкуренции со стороны других материалов. Пока недостато¬
чен уровень развития полупроводниковой техники и сверхпроводя¬
щих устройств для конкуренции с традиционными коммутацион¬
ными аппаратами. Однако в мире в этих направлениях развернуты
серьезные работы, и можно прогнозировать, что появление альтерна¬
тивных аппаратов является делом недалекого будущего.
При успешном результате поиска новых диэлектрических сред
для изоляции и дугогашения их использование может начаться уже с
2020 г.
4.1. Коммутационная аппаратура и комплектные распределительные... 201
4.1.5.	Комплектные распределительные устройства
Комплектные распределительные устройства высокого напряже¬
ния (КРУ) предназначаются для приема и распределения электриче¬
ской энергии трехфазной системы переменного тока промышленной
частоты. Они применяются в распределительных устройствах (РУ)
электростанций и подстанций, энергосистем, преобразовательных
подстанциях, подстанциях промышленных и сельскохозяйственных
предприятий, угольных шахтах, нефтебуровых установках, жилых
комплексов и др. [4.2].
Создание КРУ и освоение их промышленного производства обес¬
печили возможность отказа от строительства РУ и монтажа отдельного
оборудования в условиях строительной площадки. Изготовление
необходимого для РУ комплекта шкафов КРУ производится на спе¬
циализированных предприятиях в заводских условиях по отработан¬
ным технологическим процессам. Это позволяет резко сократить
трудовые затраты на электромонтажные работы и численность заня¬
того на монтаже квалифицированного персонала. Кроме того, повы¬
шаются качество и надежность самих электротехнических уст¬
ройств.
Комплектные распределительные устройства составляются из
полностью или частично закрытых шкафов, или блоков со встроен¬
ными в них аппаратами высокого напряжения (АВН), устройствами
защиты автоматики и контрольно-измерительной аппаратуры. Пос¬
тавляются КРУ или полностью изготовленными на заводе, или мак¬
симально подготовленными на заводе блоками для их стыковки и
монтажа на месте.
Различают КРУ внутренней и наружной установки.
В последнее время начали широко применяться герметизирован¬
ные КРУ (ГРУ), в которых все токоведущие элементы и весь комп¬
лекс аппаратуры (выключатели, разъединители и т.д.) расположены
внутри герметичной оболочки со сжатым элегазом SF6.
Комплектные РУ 10—35 кВ. Наиболее распространены КРУ 6—
10 кВ внутренней установки в помещении. Эти КРУ набираются из
отдельных шкафов в соответствии с выбранной схемой. Комплект¬
ные РУ бывают стационарного исполнения, когда коммутационные
аппараты, измерительные трансформаторы, разрядники и т.д. уста¬
навливают в корпусе шкафа неподвижно, и выдвижного исполнения,
когда размещение электрических аппаратов производится в шкафу на
подвижных тележках. Опыт эксплуатации КРУ показал, что наиболее
удобной конструкцией являются КРУ с выдвижными элементами,

202
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
так как они обеспечивают удобство обслуживания и ремонта, а в
необходимых случаях можно быстро и легко производить замену
выдвижных элементов.
Сами шкафы в помещении могут располагаться на некотором рас¬
стоянии от стен, чтобы был доступ к задней стенке шкафа, или вплот¬
ную к стенам помещения, так называемые КРУ «прислонного типа».
Коммутационная способность КРУ определяется параметрами
встраиваемых выключателей с соответствующим приводом. При воз¬
никновении внутри шкафа КРУ короткого замыкания с открытой
электрической дугой его конструкция должна обеспечивать локали¬
зацию аварии в пределах шкафа или монтажной схемы главной цепи
присоединения, при времени действия электрической дуги 1 с.
В настоящее время наиболее широко в энергосистемах России
применяются шкафы КРУ с малообъемными масляными выключате¬
лями со встроенным электромагнитным приводом.
Наиболее перспективным направлением в КРУ 6—10 кВ является
применение вакуумных выключателей, которые более надежны в экс¬
плуатации по сравнению с масляными и электромагнитными и
имеют значительно меньшие размеры, что позволяет создать малога¬
баритные КРУ двухъярусного типа. Применение вакуумных выклю¬
чателей дает еще ряд преимуществ: хорошие коммутационные харак¬
теристики, отсутствие опасности загорания или взрыва, отсутствие
шума и, наконец, срок службы этих выключателей практически не
ограничен.
Комплектные КРУ наружной установки (КРУН) до 35 кВ по своей
конструкции можно разделить на три основные группы:
первая группа представляет собой помещение РУ, сделанное из
металла, со встроенным оборудованием и аппаратурой и с наличием
коридора для обслуживания. Эти конструкции рассчитаны на одно¬
стороннее обслуживание оборудования и аппаратуры;
вторая группа состоит из шкафов индивидуального исполнения с
выдвижными элементами. В этих конструкциях каждый шкаф пред¬
ставляет собой самостоятельный элемент, рассчитанный для уста¬
новки его на открытом воздухе. Здесь предусматривается двухсто¬
роннее обслуживание встраиваемого в шкафы оборудования и аппа¬
ратуры, для чего на фасаде и в задней стенке шкафа предусмотрены
двери. Обслуживание и установка выдвижных элементов для испы¬
тания и ремонта осуществляется при открытых дверях шкафа;
третья группа — шкафы индивидуального исполнения без
выдвижных элементов, т.е. со стационарно установленным оборудо¬
ванием и аппаратурой.
4.1. Коммутационная аппаратура и комплектные распределительные... 203
К шкафам КРУ наружной установки предъявляются в основном те
же требованиям, что и к шкафам КРУ внутренней установки с учетом
дополнительного требования по нормальной эксплуатации на откры¬
том воздухе в любую погоду и в любом климатическом районе.
Основными направлениями дальнейшего развития и совершен¬
ствования КРУ являются: повышение их надежности и безопасности,
повышение уровня их заводской готовности и укрупнение блочности
их поставки, оптимальное сокращение размеров КРУ, создание
новых конструкций КРУ на более высокие параметры и др.
Характерным для конструкции КРУ зарубежных фирм является
широкое применение твердой изоляции токоведущих частей, а в ряде
случаев и изоляции аппаратов.
На замену КРУ с маломасляными и электромагнитными выключа¬
телями пришли вакуумные и элегазовые выключатели. Благодаря
свойствам элегаза удалось создать традиционные КРУ значительно
меньших размеров на номинальные напряжения 10, 24 и 36 кВ, токи
до 3000 А и номинальные токи отключения до 40 кА.
Следует отметить, что часто габаритные размеры элегазовых и
вакуумных выключателей позволяют применять их вместо отслужив¬
ших срок маломасляных.
Герметизированные комплектные РУ на основе элегаза (КРУЭ).
Свойства элегаза идеально подошли для создания конструкций не
только отдельно стоящих выключателей и традиционных КРУ, но и
всего комплекса оборудования для герметизированных КРУ (ГРУ).
Как известно, элегаз (шестифтористая cepa-SF6) обладает высокими
изоляционными и дугогасящими свойствами и практически не разла¬
гается под воздействием дуги. Трехполюсные комплектные распре¬
делительные устройства, имеющие элегазовую изоляцию главных
цепей (КРУЭ), предназначены для приема, распределения и передачи
электроэнергии, измерения параметров и коммутации электрических
цепей при нормальных и аварийных режимах в сетях трехфазного
переменного тока на напряжение 110 кВ и выше.
Основные области применения КРУЭ:
крупные города для ввода энергии в центральные районы;
районы с полностью автоматизированными подстанциями;
предприятия металлургии и химии, а также для электростанций,
расположенных в районах с сильно загрязненной атмосферой;
районы с солевыми туманами;
гидроэлектростанции в скальном грунте с ограниченными или
трудноосваиваемыми площадями под подстанции.

204
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
Кроме уменьшения размеров оборудования и герметизации их
конструкций, применение элегаза, обладающего уникальными свой¬
ствами, дает еще ряд дополнительных преимуществ при создании гер¬
метизированных РУ. Это защита обслуживающего персонала от воз¬
действия электрических и магнитных полей; повышение электробе¬
зопасности персонала; отсутствие атмосферных воздействий на
работу изоляции, контактных и конструктивных элементов; сниже¬
ние уровня шума при работе оборудования, исключение радиопомех,
более высокая сейсмостойкость и ряд других, так как токоведущие
части КРУЭ расположены в заземленных немагнитных оболочках
заполненных элегазом под давлением. Разрыв оболочек исключен
даже при дуговом перекрытии.
Конструкции КРУЭ, включающие весь набор универсального
оборудования распределительного устройства и выполнение ее в
виде отдельных блоков, сокращают трудоемкость и сроки выполне¬
ния проектных работ. Малогабаритность КРУЭ и высокая готовность
к работе их элементов, поступающих на монтаж, позволяет снизить
трудоемкость и стоимость РУ, а также сократить сроки ввода их в
эксплуатацию.
При более высокой трудоемкости изготовления герметичного эле-
газового оборудования по сравнению с затратами на изготовление
одноименной аппаратуры отдельно стоящего традиционного испол¬
нения, изготовителям КРУЭ удалось достигнуть наиболее высоких
ресурсных характеристик их элементов, что дает им дополнительные
преимущества при выборе оборудования потребителям.
В настоящее время КРУЭ конструкционно представляет собой
совокупность стандартных элементов: коммутационных, измери¬
тельных и других аппаратов и устройств, заключенных в герметич¬
ную металлическую оболочку, заполненную элегазом.
Отдельные аппарат или устройство представляют собой элемент
КРУЭ. Для соединения между собой отдельных элементов оболочки
каждого из них имеют изоляторы, фланцы или патрубки, контакты и
уплотнения. КРУЭ изготовляются либо как комплекс различных функ¬
циональных ячеек, каждая из которых выполняет функцию какой-
либо электрической схемы РУ, либо как комплекс всех необходимых
элементов в соответствии с заданной заказчиком схемой. По функци¬
ональному назначению ячейки КРУЭ могут быть линейные, шиносо¬
единительные, трансформаторов напряжения и секционные с одной
или двумя системами сборных шин. На рис. 4.1 показана схема
КРУЭ, условно названная «четырехугольником».
4.1. Коммутационная аппаратура и комплектные распределительные... 205
К трансформатору
W1
К трансформатору
W2>
QS\
ТА-
Q
ТА
QSG QS\
н^Н|.
QS
Q
ТА
QSG QS\
О мО тлО тлО
QSG
н^-Hh
QSG QS
Ф7М=0	ТА^С")	ТА\)
OSG М> OSG М-/ QSG	М-'
II-
QSG
—II
QSG QS\
ч^Н|.
Q
ТА
QSG
QSG QS \ QSG
QS
QSG
QSG
Рис. 4.1. Пример выполнения КРУЭ по схеме «четырехугольника»:
Wl, W2 — линия; Q — выключатель; QS — разъединитель; QSG — заземлитель;
ТА — трансформатор тока
В последнее время проявляется тенденция к объединению в
одном герметизированном объеме различных аппаратов. Например,
объединение выключателя с трансформаторами тока, а сборных шин
с разъединителями и т.д. К особенностям КРУЭ при их эксплуатации
следует отнести требования к оболочкам элементов, обеспечиваю¬
щие их стойкость при внутреннем коротком замыкании на корпус и
горении дуги в течение 0,3 с, а также повышении давления в них.
Кроме того, особое внимание уделяется системе заземления, которое
предусмотрено как в конструкции отдельных элементов, так и для
всего распределительного устройства КРУЭ.
В настоящее время известны различные конструкции КРУЭ на
напряжение от 110 до 800 кВ.
Рассмотрим одно из наиболее часто применяемых КРУЭ на напря¬
жение 110 кВ. КРУЭ, скомплектованное по электрической схеме,
показанной на рис. 4.1, и состоящее из разных по назначению ячеек,
соединительных секций, различных вводов и нестандартных элемен¬
тов. Пример компоновки такой схемы с габаритными размерами

206
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
показан на рис. 4.2. Ячейка состоит из трех одинаковых полюсов и
секций сборных шин. Полюс в зависимости от типа исполнения
ячейки состоит из модулей: выключателя с гидроприводом, разъеди¬
нителей и заземлителей с приводами, измерительных трансформато¬
ров, соединительных секций. Полюс линейной ячейки в разрезе типа
ЯГК — 110Л-23УХЛЧ показан на рис. 4.3.
Все внутренние механизмы и токоведущие части элементов ячеек
заключены в газонепроницаемые алюминиевые корпуса, полости
которых заполнены элегазом, а сами корпуса заземлены.
Между корпусами отдельных элементов установлены изоляторы
из эпоксидного компаунда. Изоляторы служат опорой для токоведу¬
4.1. Коммутационная аппаратура и комплектные распределительные... 207
1	17
Рис. 4.3. Полюс линейной ячейки типа ЯГК-110Л-23 УХЛ4 (разрез):
1 — выключатель; 2 — трансформатор тока; 3 — шкаф аппаратный; 4 — разъеди¬
нитель линейный; 5 — гидропривод; 6 — заземлитель линейный; 7 — разъедени-
тель кабельного ввода; 8 — ввод кабельный; 9 — разъединитель шинный; 10 —
сильфонный компенсатор; 11 — заземлитель шинный; 12 — рама; 13 — привод
разъединителя или заземлителя (трех фаз); 14 — сборная трехфазная шина; 15 —
мембрана; 16 — датчик плотности элегаза; 17 — элегаз
щих частей элементов ячеек и вместе с элегазом обеспечивают изо¬
ляцию частей, находящихся под напряжением, от заземленных кор¬
пусов.
Газовый объем полюса разделен на четыре герметичные, изолиро¬
ванные друг от друга полости: выключателя, линейного разъедини¬
теля, разъединителя сборных шин, находящихся под разными давле¬
ниями. Кроме того, есть герметичные полости на каждую систему
сборных шин всего КРУЭ. Газовые полости с одним давлением объ¬
единены медными трубками. Каждая герметичная или объеденная
полость снабжена обратным клапаном для заполнения ее элегазом и
датчикам давления с температурной компенсацией. При необходи¬

208
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
мости полость снабжена предохранительным мембранным устрой¬
ством.
Наличие обратного клапана типа DILO позволяет заполнять и
опорожнять герметичные полости независимо друг от друга.
Выключатель состоит из трех полюсов и гидравлического при¬
вода, общего для трех полюсов.
Разъединители предназначены для отделения (разъединения) эле¬
ментов полюса от смежных частей, находящихся под напряжением.
Разъединитель шинный состоит из сферического корпуса, в котором
расположены неподвижный и подвижный контакты. Разъединитель
линейный состоит из цилиндрического корпуса, вдоль оси, которого
расположены неподвижный и подвижный контакты. Управление
разъединителями осуществляется электрическим приводом, общим
для трех полюсов.
Заземлитель, расположенный в одном блоке с разъединителем,
предназначен для заземления контактов ячейки на заземленный кор¬
пус при проведении монтажных и ремонтных работ. Заземлитель
имеет электрический привод, аналогичный приводу разъединителя.
Линейные заземлители снабжены датчиками, для подключения к ним
индикатора системы контроля присутствия напряжения на элегазо¬
вых аппаратах.
Сборная шина представляет собой специальный корпус, в котором
на распорках закреплены секции токоведущих трубчатых шин трех
полюсов ячейки. Соединение шин между секциями осуществляются
контактами. При соединении секций сборных шин отдельных ячеек в
одну сборную шину их внутренние полости объединяются в общий
герметичный объем.
Трансформатор тока предназначен для передачи сигнала измери¬
тельной информации приборам устройств защиты и управления
выключателей. Первичной обмоткой трансформатора служит контак¬
тный стержень, закрепленный в неподвижных контактах элементов
ячейки.
Гидропривод элегазовых выключателей предназначен для быст¬
рого включения и отключения контактов выключателей высокого
напряжения. Привод должен обладать относительно большой мощ¬
ностью, так как ему необходимо совершать работу по переводу кон¬
тактов выключателя из одного положения в другое, обеспечивая при
этом необходимую скорость их перемещения при отключении и,
кроме того, должен производить при отключении работу по сжатию
элегаза в цилиндрах дугогасительных устройств с целью создания
потока газа направленного в зону горения дуги. При этом приводные
4.1. Коммутационная аппаратура и комплектные распределительные... 209
устройства должны занимать малые объемы, иметь малую массу и
гибкое регулирование динамических характеристик.
4.1.6.	Коммутационный аппарат нового типа —
выключатель с функцией разъединителя
В существующих схемах открытых распределительных устройств
с обеих сторон выключателя установлены разъединители. Разъедини¬
тели обеспечивают возможность создания видимого разрыва при
проведении технического обслуживания и ремонта выключателя.
За последние годы технические характеристики выключателей
значительно улучшились, что позволило значительно снизить объ¬
емы технического обслуживания. За этот период объемы работ по
техническому обслуживанию разъединителей практически не сокра¬
тились. Контакты разъединителей не защищены от воздействия окру¬
жающей среды и требуют постоянного контроля.
Рядом зарубежных компаний проведены работы по созданию ком¬
бинированных аппаратов, применение которых позволяет отказаться
от использования традиционных разъединителей [4.3].
К таким аппаратам в частности относятся выключатели — разъ¬
единители (ВР) производства компании «АВВ», схема которого пока¬
зана на рис. 4.4. Контакты ВР расположены внутри заполненного эле¬
газом дугогасительного устройства и в отключенном положении
выполняют функцию разъединителя. Надежная система блокировки
в сочетании со встроенным заземлителем оснащенным моторным
приводом и четкая фиксация положения контактов обеспечивают
безопасность работы персонала при техническом обслуживании и
ремонте.
Выключатель-разъеденитель создан на основе элегазовых колон¬
ковых выключателей типов LTB и HPL с пружинными приводами с
пополюсным или трехполюсным управлением
Основные отличия ВР от традиционных выключателей:
межконтактный промежуток ВР в отключенном положении
выдерживает испытательные напряжения нормированные стандар¬
тами для межконтактного промежутка разъединителя. При отключе¬
ниях ВР электрическая прочность межконтактного промежутка сни¬
жается, требования к нормированному испытательному напряжению
должны выполняться после наработки механического и коммутаци¬
онного ресурса;
в отключенном положении ВР блокируется от ошибочного или
случайного включения в приводе и специальным блокирующим

210
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
Рис. 4.4. Схема ВР типа DCB HPL 245В1 со встроенным заземлителем:
1 — камера дугогасительного устройства (полюс); 2 — привод выключателя-разъ¬
единителя; 3 — опорная рама; 4 — узел блокировки тяги полюса; 5 — механизм
блокировки полюсных тяг; 6 — привод заземлителя; 7 — заземлитель; 8 — непод¬
вижный контакт заземлителя
механическим устройством с дистанционным и ручным управле¬
нием, фиксирующим тягу соединяющую привод с полюсами и
исключающим возможность ее перемещения.
Поскольку положение контактов ВР нельзя определить визуально,
важным фактором обеспечения безопасности работ является наличие
заземлителя, положение контактов которого легко контролировать.
При одиночной системе шин заземлитель встраивается в ВР.
Неподвижные контакты заземлителя устанавливаются на нижних
выводах ВР. В схемах, где напряжение может быть подано с двух сто¬
рон, например при двойной системе шин или в полуторной схеме,
более рационально устанавливать аппарат заземлитель отдельно от ВР.
Внедрение выключателей-разъединителей в ЕЭС России позволит:
повысить надежность энергосистемы за счет исключения допол¬
нительных элементов и снижения количества оперативных ошибок;
уменьшить земельный участок, отводимый под подстанцию (ПС);
снизить эксплуатационные издержки.
4.2. Современные защитные аппараты от грозовых перенапряжений 211
Элегазовые колонковые выключатели компании «АВВ» имеют
интенсивность отказов 0,25 отказа/100 лет, при этом около 70 % отка¬
зов выключателей приходится на вторичные цепи. Современные
разъединители имеют интенсивность отказов 0,20 отказа/100 лет при
этом почти все отказы приходятся на первичные цепи.
Предполагается, что интенсивность отказов выключателей сохра¬
нится и для ВР, т.е. интенсивность отказов ВР будет существенно
меньше, чем суммарная интенсивность отказов выключателей и разъ¬
единителей в традиционных схемах.
Поставка ВР на энергетические объекты началась в 2000 г. До
настоящего времени поставлено более 600 ВР на номинальные
напряжения 72,5—420 кВ на подстанциях 10 стран. Отсутствие отка¬
зов ВР после начала их внедрения в 2000 г. не дает пока возможности
корректной оценки интенсивности их отказов.
В традиционных схемах подстанций в случае повреждения
выключателя он отключается от схемы подстанции разъединителями,
после чего на нем проводятся необходимые для восстановления
работы. Вывод из работы ВР осуществляется аналогично выводу
разъединителя из работы.
4.2.	Современные защитные аппараты
от грозовых перенапряжений
Вентильные разрядники, которые ранее устанавливались на ПС,
сняты с производства. Защита электрооборудования ПС от грозовых
и коммутационных перенапряжений осуществляется в настоящее
время нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН). Про¬
ведение изготовителями ОПН широкого спектра квалификационных
испытаний, предусмотренных ГОСТ Р 52725—2007 «Ограничители
перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного
тока напряжением от 3 до 750 кВ. Общие технические требования»
и стандартом МЭК60099-4—2004 «Разрядники. Часть 4. Металло¬
оксидные разрядники» обеспечивают требуемый защитный уровень,
достаточно высокую пропускную способность, практически не изме¬
няют свои характеристики за период эксплуатации и потому не тре¬
буют проведения эксплуатационных испытаний. В настоящее время
в России применяются как отечественные (Феникс, Позитрон и др.),
так и зарубежные ОПН (фирмы «Сименс», «АВВ»).
Ограничители перенапряжений имеют широкий диапазон пара¬
метров (защитные характеристики, пропускная способность и т.д.),

212
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
что позволяет обеспечить высокую надежность работы электрообо¬
рудования и электрической сети в целом.
Актуальной задачей является повышение грозоупорности дей¬
ствующих воздушных линий (ВЛ) 110—750 кВ для надежного и бес¬
перебойного обеспечения потребителей.
Наиболее распространенной причиной, способствующей сниже¬
нию грозоупорности и увеличению числа отключений BJI 110—
750 кВ является повышенные сопротивления заземления опор. Осо¬
бенно опасно увеличение сопротивления заземления двухцепных
опор, которое может приводить к отключению одновременно двух
цепей ВЛ и серьезному нарушению электроснабжения потребителей.
Понижение грозоупорности ВЛ может быть также связано с пло¬
хим экранированием ВЛ тросами при использовании повышенных
защитных углов троса и сниженных расстояний по вертикали между
тросом и верхним проводом, особенно сочетающихся с большой
высотой опор (башенные опоры), что является следствием недостат¬
ков проектирования ВЛ.
В ряде районов с повышенными гололедно-ветровыми нагруз¬
ками с целью уменьшения технологических нарушений за счет
коротких замыканий провод—трос и повреждения конструкции опор
ВЛ осуществляется демонтаж троса. При этом в грозовой период
значительно увеличивается число грозовых отключений ВЛ.
В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ)
воздушные линии электропередачи 110—750 кВ должны быть защи¬
щены от прямых ударов молнии тросами по всей длине. Эффектив¬
ность применения молниезащитного троса снижается с увеличением
сопротивления заземления опор, что приводит к увеличению числа
отключений В Л за счет обратных перекрытий. Поэтому в районах с
высоким сопротивлением грунтов и высоким сопротивлением зазем¬
ления опор для повышения грозоупорности ВЛ дополнительно к тро¬
совой защите применяются нелинейные ограничители перенапряже¬
ний (ОПН), устанавливаемые, параллельно гирлянде изоляторов.
Нелинейные ограничители перенапряжений устанавливаются как
непосредственно, так и через искровой промежуток.
Для повышения грозоупорности ВЛ без троса также можно под¬
ключить параллельно гирлянде изоляторов ОПН либо непосред¬
ственно, либо через искровой промежуток.
Разработаны новые защитные аппараты, предназначенные для
повышения грозоупорности ВЛ. К ним относятся: длинно-искровые
разрядники (типов РДИ, РДИП, РДИШ, РДИМ) и изолятор-разрядник
типа ГИРМК.
4.3. Реакторы в системах электроснабжения
213
Длинноискровые разрядники предназначены для защиты подхо¬
дов воздушных линий напряжением 6—10 кВ с неизолированными и
защищенными проводами от грозовых перенапряжений. Принцип
действия их заключается в удлинении канала грозового перекрытия и
предотвращения, тем самым, дугового замыкания и отключения ВЛ.
Длинноискровые разрядники применяются на подходах ВЛ 6—
10 кВ взамен трубчатых разрядников, которые в настоящее время
практически полностью сняты с производства.
Изолятор-разрядник типа ГИРМК состоит из гирлянды изолято¬
ров, выполненных на основе стеклянных тарельчатых изоляторов
U120AD и мультикамерных систем (МКС), сцепной, защитной и под¬
держивающей арматуры. Мультикамерная система состоит из сили¬
конового профиля, прикрепленного к стеклянному изолятору вдоль
его периметра. В профиле на длине 5/6 от окружности ребра с одина¬
ковыми интервалами устанавливаются 60—100 сферических элект¬
родов. В профиле между электродами выполняются отверстия.
К концевым электродам МКС прикрепляются дополнительные про¬
тивоположно направленные стержневые электроды.
Мультикамерные системы с дополнительными электродами и
подводящие верхние и нижние электроды образуют при появлении
на ВЛ опасных перенапряжений разрядную цепочку существенно
большей длины, способствующей быстрому гашению дуги.
Изолятор-разрядник особенно целесообразно применять для
повышения грозоупорности ВЛ, у которых снят трос.
4.3.	Реакторы в системах электроснабжения
При работе линий электропередачи по ним передается как актив-
ная, так и реактивная мощность. Последняя может быть индуктив¬
ной, зависящей от полезной нагрузки линии (электродвигатели,
трансформаторы), или емкостной. Емкостная мощность определя¬
ется, прежде всего, емкостью линий, а также емкостью конденсатор¬
ных батарей.
Для регулирования потоков реактивной мощности используются
электрические шунтирующие реакторы [4.5]. Реакторы включаются
между фазами линии и землей и компенсируют емкости линии.
Необходимая мощность подключаемых реакторов зависит от
длины линии и нагрузки. В первую очередь реакторы нужны для
дальних линий электропередачи высоких и сверхвысоких напряже¬
ний (СВН).

214
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
Режимы работы линий и роль реакторов. Любая линия электро¬
передачи может быть представлена схемой замещения (рис. 4.5) с
распределенными параметрами — индуктивностью, определяемой
магнитным полем тока линии, емкостью, характеризующей электри¬
ческое поле в изоляции линии, и активными сопротивлениями, опре¬
деляемыми потерями энергии в проводах и в изоляции (за счет токов
проводимости и короны). Распределение напряжения вдоль линии
бесконечной длины выражается формулой
U(x) = U(0) ch ух -1(0)Z sh ух,	(4.1)
где х — текущая координата линии; U(0) — амплитуда напряжения в
начале линии; Z — волновое сопротивление; у — постоянная распро¬
странения, определяемые распределенными параметрами линии.
При удалении от начала линии напряжение и ток меняются по
амплитуде и по фазе, причем напряжение возрастает в соответствии с
рис. 4.6. В реальных линиях при наличии в конце линии активной
нагрузки напряжения вдоль линии снижаются, и при мощности
нагрузки, равной
Р = ifiiZ при U = 1/(0),	(4-2)
напряжения во всех точках линии становятся одинаковыми. Такая
мощность называется натуральной мощностью линии.
W ^пров	^пров
Рис. 4.5. Схема замещения длинной линии:
Ln _ индуктивность линии; Сл - емкость линии; Дпров - сопротивление провода,
Rm — сопротивление изоляции
Рис. 4.6. Распределение напряжения вдоль ненагруженной длинной линии
4.3. Реакторы в системах электроснабжения
215
При передаче активной мощности меньше натуральной и наличии
индуктивной нагрузки напряжение в конце линии может быть равно
по модулю напряжению в начале, но в промежуточных точках оно
будет повышенным. От обоих концов линии к ее середине будут течь
емкостные токи. Повышенные напряжения могут быть опасны для
изоляции линии и присоединенного оборудования, а емкостные токи
вызывают дополнительные потери энергии, снижают пропускную спо¬
собность линии и устойчивость параллельной работы энергосистем.
Включение шунтирующих реакторов устраняет эти недостатки
благодаря компенсации емкости линии. При равномерном распреде¬
лении индуктивности реакторов вдоль линии их суммарная мощ¬
ность для полной компенсации определяется емкостной проводимо¬
стью всей линии. В действительности реакторы устанавливаются в
ограниченном числе точек, например, по концам линии и в середине
длинь! линии. Необходимая мощность будет тем больше, чем меньше
число точек подключения. Так, при подключении к линии длиной
1000 км только на одном конце необходима мощность реакторов 1,73
натуральной, на двух концах (по 50 %) — 1,16, а в трех точках (по
25 % по концам и 50 % в середине) — 1,075 натуральной. Выбор
точек подключения должен определяться технико-экономическим
расчетом, учитывающим параметры линии и режимы ее работы. Для
линий 500 кВ оптимальным является расстояние между точками под¬
ключения реакторов порядка 400 км.
Кроме повышения рабочих напряжений, в энергосистемах возни¬
кают повышенные напряжения, вызванные различными отклонени¬
ями от нормального режима работы. Так, отключение нагрузки на
конце линии приводит к повышению напряжения не только за счет
емкостных токов, но и вследствие возникающего при этом самовоз¬
буждения генераторов. Другой причиной может быть феррорезонанс,
вызванный нелинейностью индуктивности намагничивания транс¬
форматоров. Длительность таких режимов может достигать десятков
минут.
Различные коммутации сопровождаются перенапряжениями при
переходных процессах, когда возникает свободная составляющая
напряжения, наложенная на принужденную. Длительность перена¬
пряжений определяется свободной составляющей, имеющей обычно
характер колебаний частотой от килогерц до десятков килогерц с
большой амплитудой в начале и быстрым затуханием. Длительность
переходного процесса обычно составляет 0,12—0,15 с, а время воз¬
действия максимальных перенапряжений — 0,01—0,03 с. Наиболее
опасные коммутационные перенапряжения возникают при отключе¬

216
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
нии несимметричных коротких замыканий, отключении линий в
режиме асинхронного хода (после неудачного включения двух энер¬
госистем на параллельную работу или при потере устойчивости
параллельной работы) и ненагруженных линий. Во всех этих случаях
перенапряжения на линиях СВН могут достигать (3—3,5)[/ф, в то
время как изоляция рассчитана на коммутационные перенапряжения
2,5С/ф для линий 500 кВ и 2,Шф для 750 кВ (где С/ф — фазное напря¬
жение).
На рис. 4.7 показаны наибольшие коммутационные перенапряже¬
ния, зарегистрированные в линиях 500 кВ при отключениях реакто¬
ров и при автоматической повторном включении (АПВ).
Для снижения коммутационных перенапряжений в аварийной
ситуации может потребоваться подключение дополнительных реак¬
торов. При этом нельзя использовать обычные выключатели из-за
слишком большого времени срабатывания. Для таких случаев разра¬
ботана схема искрового подключения, когда при перенапряжениях
срабатывает специальный искровой промежуток, отделяющий реак¬
тор от линии. После срабатывания он шунтируется разъединителем-
отделителем, а после восстановления нормального режима реактор
отключается выключателем. Реакторы являются одним из средств,
позволяющих снизить коммутационные перенапряжения и повыше¬
ние рабочих напряжений. Реакторы, присоединенные на генератор¬
ных шинах, компенсируют емкостной ток линии и препятствуют
самовозбуждению. Реакторы уменьшают амплитуду принужденной
составляющей и частоту собственных колебаний, снижают вероят¬
ность повторных зажиганий в выключателях при отключениях холос¬
тых линий, облегчают условия гашения дуги при КЗ на линии. Все
это позволяет снизить воздействия на изоляцию линий и оборудова¬
ния и повысить надежность энергосистем.
Наиболее широкое распространение в энергосистемах получили
реакторы постоянной мощности для работы в сетях напряжением
500 кВ и выше, однофазные, соединяемые в трехфазную группу по
схеме «звезда с глухо заземленной нейтралью». Они достаточно
надежны и просты в эксплуатации. Их основной недостаток —
отсутствие возможности регулировать мощность, поэтому в случае
необходимости приходится отключать часть реакторов, имеющихся в
линии передачи.
В некоторых случаях это приходится делать очень часто, напри¬
мер, ежедневно при суточных изменениях нагрузки. С другой сто¬
роны, при отключении части реакторов ухудшается защита линии от
перенапряжений. В связи с этим желательно иметь реакторы, мощ-
4.3. Реакторы в системах электроснабжения
217
1	1	1	t	1	I	1	I
0	10	20	30	40	50	60	70	мс
6)
Рис. 4.7. Перенапряжения в линии 500 кВ:
а — напряжение на реакторе при отключении воздушным выключателем; б —
напряжение на линии при трехфазном АПВ

218
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
ность которых можно регулировать под напряжением (управляемые
реакторы).
Иногда требуется иметь возможность отобрать от линии высокого
напряжения небольшую мощность в месте установки реактора —
например, для питания собственных нужд подстанции, или для элек¬
троснабжения небольших населенных пунктов. В таких случаях
вместо установки дорогостоящих высоковольтных трансформаторов
небольшой мощности можно использовать реакторы с устройством
отбора мощности. Отбор может быть осуществлен по трансформа¬
торной или автотрансформаторной схеме. Кроме снижения капиталь¬
ных затрат, такие реакторы можно использовать для кратковремен¬
ной форсировки реактивной мощности, замыкая накоротко или через
сопротивление вторичную сторону отбора, например, с целью огра¬
ничения коммутационных перенапряжений.
Если с той же целью применяется искровое подключение, то
можно специально разработать реакторы для кратковременного
включения в аварийных режимах. Они требуют значительно мень¬
шего расхода материалов, простой системы охлаждения (или могут
работать вообще без системы охлаждения). С другой стороны, к ним
могут предъявляться более жесткие требования по электрической
прочности при коммутационных перенапряжениях и по электродина¬
мической стойкости при токах включения.
Для увеличения мощности при повышении напряжения на линии,
в том числе при перенапряжениях, можно применять насыщающиеся
реакторы с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Такие
реакторы должны иметь замкнутую магнитную систему без немаг¬
нитных зазоров, с индукцией в рабочей области близкой к колену
насыщения.
Для облегчения условий восстановления нормальной работы линий
передачи после короткого замыкания и автоматического повторного
включения применяются реакторы, нейтраль трехфазной группы кото¬
рых замыкается на землю через так называемый компенсирующий
реактор. При этом на изоляцию нейтрали в условиях эксплуатации
воздействуют как напряжения рабочей частоты, вызванные несиммет-
рией фазных напряжений, так и грозовые и коммутационные перена¬
пряжения. Поэтому в технические требования включаются соответ¬
ствующие испытательные напряжения изоляции нейтрали. Реакторы с
нейтралью, заземляемой через компенсирующий реактор, по кон¬
струкции могут отличаться от обычных реакторов.
Управляемые реакторы в системах электроснабжения. Во
многих случаях, в условиях переменных нагрузок и переменных
4.3. Реакторы в системах электроснабжения
219
перетоков реактивной мощности, применение реакторов постоянной
индуктивности является недостаточным, а применение реакторов,
коммутируемых выключателями, не обеспечивает достаточной
надежности работы и необходимой гибкости регулирования. Разви¬
тие энергетики настоятельно требует применения регулируемых
(управляемых) реакторов (УР).
Наиболее распространены следующие виды таких реакторов:
управляемые подмагничиванием магнитопровода
б)	реакторы, управляемые тиристорными ключами (УШРТ).
Ниже будут рассмотрены реакторы УШРП, так называемые реак-
торы, управляемые тиристорами (УШРТ) были рассмотрены ранее.
Реакторы, управляемые подмагничиванием. Преимущества
реакторов, управляемых подмагничиванием. Применение таких
реакторов значительно повышает надежность оперативного регули¬
рования в энергосистемах. Применение для этой цели РПН транс¬
форматоров ограничивается их недостаточной надежностью, а такие
средства регулирования, как статические компенсаторы (СТК) и
тиристорно-реакторные группы (ТРГ), требуют применения мощных
и дорогих высоковольтных преобразователей.
Управляемые подмагничиванием реакторы имеют целый ряд осо¬
бенностей и частично могут быть применены при разработке новых
высоковольтных и сверхвысоковольтных линии электропередачи
(ЛЭП), а также при модернизации уже существующих ЛЭП.
Применение управляемых шунтирующих реакторов особенно
целесообразно в электрической сети с переменным графиком
нагрузки взамен нерегулируемых или ступенчато регулируемых
реакторов. Совместно с батареями конденсаторов управляемые реак¬
торы выполняют функцию вращающихся синхронных компенсато¬
ров или статических тиристорных компенсаторов и тиристорно-реак¬
торных групп. При этом необходимо отметить, что УШРП не обла¬
дают по сравнению с СТК и другими устройствами на базе силовой
электроники и электромашиновентильных систем необходимым быс¬
тродействием. Их предпочтительная область применения — распре-
делительные сети.
Управляемые реакторы могут применяться как средство попереч-
ной компенсации в протяженных линиях высокого и сверхвысокого
напряжения. Их использование позволяет:
автоматизировать процесс стабилизации напряжения или одного
из заданных параметров режима с одновременной разгрузкой комму¬
тационного оборудования в схемах регулирования напряжения;

220
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
снизить потери мощности в электрических сетях и повысить
надежность их эксплуатации, в том числе и за счет резкого снижения
числа срабатывания устройств РПН трансформаторов;
повысить предел передаваемой мощности по условию статиче¬
ской и динамической устойчивости системы.
По конструкции, условиям и простоте эксплуатации управляемые
реакторы сопоставимы с обычным трансформаторным и реакторным
оборудованием, а по функциональным возможностям являются авто¬
матически регулируемыми электротехническими комплексами, на
новом уровне решающими многие вопросы управления и оптимиза¬
ции режимов работы электрических сетей. Потери в реакторах и рас¬
ход материалов на изготовление УШРП не превышает 1,5—2-крат-
ного значения этих же показателей для обычных шунтирующих реак¬
торов.
Принципиальная схема УШРП и описание его работы. Рас¬
смотрим кратко принцип действия таких реакторов [4.7]. Принципи¬
альная схема реактора для одной фазы представлена на рис. 4.8, а. На
одной фазе расположены две обмотки — сетевая ОС и управления
ОУ Эти обмотки разделены на секции, каждая из которых находится
на одном из стержней расщепленного магнитопровода, состоящего
из двух стержней для каждой фазы I и И. На одном стержне секции
ОС и ОУ включены встречно, а на другом — согласно. Обмотка
управления ОУ подключается к источнику напряжения постоянного
/ А
X и
Bt
3
о
=1
II
2
0
н
б)
Рис. 4.8. Управляемый реактор с подмагничиванием:
а — упрощенная схема; б — линеаризованная кривая намагничивания магнитопро¬
вода реактора
4.3. Реакторы в системах электроснабжения
221
тока £/у, а обмотка ОС — к сети. Принимая допущения, не искажаю¬
щие существенно физические процессы работы реактора, можно
кривую намагничивания стали магнитопровода аппроксимировать
линейными участками (рис. 4.8, б), которые соответствуют насыщен¬
ному состоянию магнитопровода:
+В > Bs при Н > 0;	(4.3)
-В > -Bs при Н < 0.	(4.4)
При Н — 0 кривая намагничивания соответствует ненасыщенному
состоянию с динамической индуктивностью, принимаемой равной
бесконечности. Подключение обмотки ОС к сети создает в магнито¬
проводе индукцию, максимальное значение которой Вт определяется
амплитудой сетевого напряжения Um. При подмагничивании магни¬
топровода обмоткой управления ОУ кривая подмагничивания смеща¬
ется на величину В0, определяемую напряжением обмотки управле¬
ния Uy. Таким образом, изменяя величину С/у, можно смещать индук¬
цию магнитопровода на требуемую величину. Эта величина связана
через угол ср с кривой индукции, создаваемой ОС (рис. 4.9). Когда
Рис. 4.9. Изменение индуктивности в реакторе при насыщении магнитопровода

222
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
индукция превышает значения индукции насыщения Bs, происходит
насыщение сердечника и начинает протекать ток в секциях ОС, зна¬
чение которого ограничивается линейной индуктивностью насыщен¬
ного реактора [участок 1 или 3 (см. рис. 4.8, б)]. В работе выделены
три основных характерных режима работы реактора:
оба стержня ненасыщены;
насыщаются поочередно оба стержня;
оба стержня насыщены.
Рассмотрим эти режимы более подробно.
В первом режиме оба стержня магнитопровода ненасыщены и ток
ic в согласно включенных секциях обмотки равен нулю, так как
индукции в них Вх и В2 меньше Bs. Динамическая индуктивность для
каждой секции обмотки равна бесконечности. Этот режим называ¬
ется режимом холостого хода.
Во втором режиме насыщаются поочередно первый и второй
стержни: в один полу период — стержень /, а в следующий — стер¬
жень II. Насыщение происходит при +BS и -Вs в каждом из стержней.
При этом потоки в насыщающемся стержне направлены встречно, а в
другом — согласно. Через половину периода направления потоков
изменяются наоборот. В режимах работы с углом 0 < ср < тс/2 возни¬
кает прерывистый ток в ОС и ОУ. При этом электромагнитные про¬
цессы в реакторе с подмагничиванием и реакторе со встречно-парал-
лельными тиристорами идентичны. Насыщению магнитопровода
соответствует включение тиристора в одном стержне, а затем в сле¬
дующий полупериод происходит насыщение другого стержня магни¬
топровода. При пренебрежении активными потерями в реакторе ток
в секциях сетевой обмотки носит индуктивный характер и отстает от
напряжения на угол тг/2. Этот режим соответствует режиму реактора
с тиристорами при поступлении на них импульсов управления в
момент прохождения тока через нуль, когда в схеме реактора с тирис¬
торами сразу же наступает установившийся режим.
Режим работы с углом тс/2 называется режимом полупериодного
насыщения. В этом режиме динамическая индуктивность обмотки
ОС равна удвоенной сумме индуктивностей сетевой обмотки
стержня 2Lc и обмотки управления Ly. Ток в обмотке управления в
этом режиме равен по модулю току сетевой обмотки. Следует отме¬
тить, что при полупериодном насыщении и принятых допущениях
искажение сетевого тока равно нулю. С этой точки зрения указанный
режим является предпочтительным по сравнению с режимами, име¬
4.3. Реакторы в системах электроснабжения
223
ющими прерывистый ток в сетевой обмотке и, следовательно, созда¬
ющими искажение сетевого тока.
В третьем режиме насыщены оба стержня магнитопровода в тече¬
ние всего периода, т.е. в любой момент времени индукция в стержнях
больше индукции насыщения Bs. Этот режим имеет место, если
подмагничивание обеспечивает угол ср = тс, и называется режимом
полнопериодного насыщения. Ток сетевой обмотки ограничивается
динамической индуктивностью, значение которой равно сумме
индуктивностей подсекций на насыщенных стержнях магнитопро¬
вода. Эта величина меньше динамической индуктивности в режиме
полупериодного насыщения, что приводит к увеличению сетевого
тока в рассматриваемом режиме. Ток в обмотке управления / содер¬
жит в этом режиме только постоянную составляющую, которая обес¬
печивает подмагничивание стали для работы в режиме с углом ср = тс.
Переменная составляющая из сетевой обмотки в обмотке ОУ не
трансформируется, так как ее секции включены встречно. Как и во
втором характерном режиме, работа с углом ср не дает существенных
искажений сетевого тока. В то же время, как и во всех режимах
работа с углами а, не равными тс/2 и тс, происходит значительное
искажение сетевого тока. На рис. 4.10 приведены диаграммы токов и
напряжений в обмотках реактора в различных режимах его работы.
Искажение сетевого тока ограничивает применение реакторов с
подмагничиванием в системах с плавным регулированием индуктив¬
ности в широком диапазоне и требует применения специальных
конструктивных мер. Другим недостатком реакторов с подмагничи¬
ванием является их инерционность при переходе из одного режима
работы в другой. В то же время энергия для поддержания значения
тока подмагничивания невелика и определяется в основном поте¬
рями активной мощности в реакторе. Однако процессы накопления и
вывода энергии требуют кратковременного значительного повыше¬
ния мгновенной мощности обмотки управления. Так, например,
отмечается, что для перехода из одного стационарного режима в дру¬
гой за время не более двух периодов требуется увеличение мощности
обмотки управления до 5 % номинальной мощности реактора.
Управляемые реакторы с переменным эффективным сечением.
Время изменения индуктивности реактора может быть существенно
уменьшено в конструкциях с переменным эффективным сечением маг¬
нитопровода. Принцип действия таких реакторов основан на вытес¬
нении магнитного потока из обмоток управления при ее коротком
замыкании. При этом ток КЗ этой обмотки создает магнитный поток,
направленный встречно основному потоку в реакторе. В результате

224
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
Ч Ч	*3	Ч	*5	#6	7
Номинальный	Максимальный	Номинальный	Холостой
режим	режим	режим	ход
Рис. 4.10. Диаграммы токов и напряжений в реакторе с подмагничиванием
происходит вытеснение магнитного потока из пространства сетевой
обмотки и уменьшение ее индуктивности. Вследствие чего ток, про¬
текающий через реактор, возрастает. Процесс изменения индуктив¬
ности происходит практически мгновенно. На рис. 4.11 приведена
простейшая конструкция реактора этого типа при пренебрежении
площадью сечения обмоток реактора. В этой конструкции две коак¬
сиальные катушки: сетевая (ОС) с диаметром и управления (ОУ) с
диаметром d2. Катушки окружены стальной рамой, экранирующей
окружающее пространство от влияния реактора. При разомкнутой
обмотке управления магнитный поток проходит через все внутреннее
пространство ОС, включая пространство ОУ. Замыкание ОУ приво¬
дит к возникновению в ней тока КЗ, создающего встречный магнит¬
ный поток в пространстве ОУ, а следовательно, и в сетевой обмотке.
Эффективное сечение ОС в этом случае уменьшается до величины
эф min 4
= -М-4)-
(4.5)
Индуктивность реактора станет равной
4.3. Реакторы в системах электроснабжения
225
Рис. 4.11. Упрощенная конструкция реактора с переменным сечением
L = »NlS^ min,	(46)
где Ni — число витков ОС; / — средняя длина магнитного потока;
|и — магнитная проницаемость среды, проводящей магнитный поток.
Из формулы (4.6) видно, что при уменьшении эффективного сече¬
ния происходит уменьшение индуктивности реактора.
Учет реальных параметров конструкции показывает, что измене¬
ние эффективного сечения магнитного потока позволяет получить
разницу минимального и максимального значений индуктивности не
более чем в 3—4 раза. Для расширения этого диапазона в работе рас¬
сматривается использование двух способов регулирования индуктив¬
ности: изменением эффективного сечения и магнитной проницае¬
мости среды в ОУ Второй способ может быть реализован помеще¬
нием внутрь ОУ стержня из электротехнической стали с высокой
магнитной проницаемостью jn. В таком реакторе при разомкнутой
ОУ индуктивность увеличивается в десятки раз за счет повышения ц
на пути магнитного потока. При коротком замыкании ОУ магнитный
поток вытесняется из пространства внутри обмотки, где расположен
стержень с высокой магнитной проницаемостью. В результате маг¬
нитный поток начинает протекать, минуя стержень, и индуктивность
в этом случае определяется средой с низкой магнитной проницаемо¬

226
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
стью, т.е. имеет малое значение. Диапазон изменения индуктивности
в этом случае может достигать сотни раз.
Замыкание ОУ должно осуществляться быстродействующими
коммутационными аппаратами. Если требуется регулирование значе¬
ния тока КЗ в ОУ, то наиболее подходящими для этих целей являются
коммутационные устройства на основе встречно включенных тирис¬
торов. Однако в этом случае ток в обмотке при регулировании имеет
прерывистый характер. Следствием прерывистого режима является
появление искажений тока в реакторе. Для их устранения рассматри¬
вается схема с дополнительной обмоткой, называемая компенсацион¬
ной. К этой обмотке подключаются пассивные LC-фильтры, настро¬
енные на частоты возникающих высших гармоник тока (5-ю, 7-ю и
др.). Эти фильтры создают контуры шунтирования указанных гармо¬
ник. Установленная мощность таких фильтров определяется значе¬
нием шунтируемых токов и по сравнению с номинальной мощно¬
стью реактора мала. Отметим, что на основной, низкой, частоте кон¬
денсаторы фильтра являются источником дополнительной емкостной
мощности при разомкнутой обмотке управления, что расширяет диа¬
пазон регулирования реактора.
4.4.	Ограничители токов короткого замыкания
Принимаемые в настоящее время способы ограничения токов
короткого замыкания решаются автоматическим или ручными деле¬
нием сети и ввода в нее дополнительных реактивных сопротивлений.
Это снижает управляемость сети, ограничивает возможности перето¬
ков мощности в сети и не позволяет расширять сеть с повышением ее
передающей способности.
Выход из положения — применение ограничителей, снижающих
амплитуду или продолжительность протекания токов короткого
замыкания [4.6, 4.8].
Повышение мощности энергосистем сопровождается увеличе¬
нием мощности короткого замыкания в системе, токов коротких
замыканий (КЗ) усилением механических и термических воздей¬
ствий на оборудование сети.
Экономические соображения требуют жестких ограничений токов
КЗ в энергосистемах и ограничивают возможность замены оборудо¬
вания, недостаточно стойкого к увеличивающимся токам КЗ. Так,
недостаточная отключающая способность выключателей требует
больших затрат на их модернизацию или замену. Стоимость выклю¬
чателей с нужной отключающей способностью выше максимальной
4.4. Ограничители токов короткого замыкания
227
сегодняшней (63 кА) по приблизительным подсчетам для сетей с
напряжением 110 кВ может достигать 100—400 тыс. долл. Затраты
на проектирование, монтаж и наладку увеличат затраты не ниже, чем
на 30 %. Для сравнения — турбогенератор мощностью 100 МВт без
вспомогательных систем стоит около 1 млн долл.
Подчеркивается особенная важность ограничителей токов корот¬
кого замыкания (ОТКЗ) в условиях подключения независимых про¬
изводителей энергии, когда может увеличиваться мощность КЗ.
Пассивные ограничители токов КЗ в сетях 110 и 220 кВ — реак¬
торы, выполняются со сравнительно небольшим значением сопро¬
тивления (1—4 Ома), что не позволяет достичь глубокого токоогра-
ничения. Большое сопротивление реакторов негативно влияют на
работу электрической сети: увеличиваются потери, снижаются
уровни напряжения и пределы устойчивости. Вместе с тем необхо¬
димо отметить, что в целом ряде случаев бывает вполне достаточно
для ограничения токов КЗ применять указанные реакторы.
Активные ограничители токов КЗ в сетях имеют малое сопро¬
тивление при малой нагрузке, которое быстро растет при КЗ. К ним
относятся токоограничивающие предохранители ВН — коммутаци¬
онные ограничители с прерыванием тока, резисторы с положитель¬
ным температурным коэффициентом, полупроводниковые ограни¬
чители.
К ограничителям токов КЗ относятся также разрабатываемые в
последнее время сверхбыстродействующие выключатели с использо¬
ванием тиристорной коммутации или специальных устройств быст¬
рого дугогашения.
Обычная коммутационная аппаратура и предохранители, отклю¬
чающие часть сети с коротким замыканиям по своим возможностям
не обеспечивают защиту от разрушающего термического и динами¬
ческого воздействия на оборудование. Так, при предельных токах
отключения современных выключателей — 63 кА, их время отключе¬
ния составляет не менее 3—5 периодов и они не успевают защитить
аппаратуру.
Являющиеся по сути прерывателями токов КЗ предохранители и
плавкие вставки обладают значительно меньшей отключающей спо¬
собностью.
Деление электрической сети в стационарных режимах пока оста¬
ется наиболее эффективным методом ограничения уровня токов КЗ,
однако его применение не всегда возможно, а также ведет к ухудше¬
нию оперативной устойчивости и гибкости в управлении.

228
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
Идеальным решением было бы ограничение токов КЗ в сети без
повышения сопротивления во время нормальной работы, но с введе¬
нием высокого сопротивления в условиях КЗ — активных ограничи¬
телей токов КЗ.
Ограничители токов КЗ позволяют соединить потребителя с мощ¬
ной сетью или отдельные части сети без увеличения мощности КЗ
системы. Это снижает обычные в таких случаях расходы на усиление
коммутационной аппаратуры, на повышение перегрузочной способ¬
ности кабелей, на подключение к сети с более высоким классом
напряжения.
Наиболее эффективным считается применение ограничителей
токов КЗ в диапазоне средних напряжений, предпочтительно их
включение в разрез систем шин, соединяющих систему.
Анализ ответов на вопросник рабочей группы СИГРЭ 13.10 пока¬
зал, что стоимость ограничителей считается допустимой в пределах
до 5 стоимостей одного выключателя. Требуемое число срабатываний
ОТКЗ до ремонта или ревизии указывалось в пределах от 5 до 50.
В последние десятилетия активно разрабатываются ОТКЗ на
основе силовой электроники и с использованием высокотемператур¬
ной сверхпроводимости. По мнению специалистов, обсуждавших эти
вопросы в Цюрихе в конце 2002 г., коммерческий выпуск ограничи¬
телей на силовой электронике должен был начаться в 2005—2010 гг.,
а высокотемпературных сверхпроводниковых — в 2012—2016 гг.
Определенной проблемой как технической, так и экономической
является проблема создания ВТСП ОТКЗ на напряжение 110 кВ и
выше.
Применение ограничителей наиболее эффективно:
на связи двух систем (в разрез двух систем шин среднего напря¬
жения), что дает снижение мощности КЗ всей системы, снижение
сопротивления сети, не отключает трансформаторы при срабатыва¬
нии ОТКЗ от питаемых линий;
на питающих шины СН линиях (последовательно с трансформа¬
торами и генераторами, работающими на эти шины);
на отходящих линиях СН (последовательно с каждой нагрузкой),
что кроме вышеуказанных преимуществ, защищает каждую отходя¬
щую линию. Главные шины рассчитаны на полный ток КЗ. Пример
размещения ОТКЗ в энергосистеме показан на рис. 4.12.
Опрос, проведенный рабочей группой СИГРЭ АЗ. 10, показал, что
наиболее полезным считается включение ОТКЗ на соединениях шин
(52 % опрошенных), на входе трансформатора (18 %), на линиях
(15 %) и на входе генератора (15 %).
4.4. Ограничители токов короткого замыкания
229
1Ж1 ОТКЗ
Рис. 4.12. Возможные места размещения ОТКЗ в энергосистеме
Требования к ОТКЗ: малое полное сопротивление в рабочем
состоянии, малые омические потери, стабильность характеристик в
работе, совместимость с имеющимися схемами защиты, высокая
надежность, малые требования по уходу, безопасность для персо¬
нала, экологичность.
Требуемые параметры, определяемые местом включения ОТКЗ:
напряжение, уровень изоляции, частота, характеристики токоограни-
чения: ток срабатывания, ограничиваемый ток, остающийся продол¬
жительно ток, время срабатывания, продолжительность КЗ, время
возврата к нормальному состоянию, коммутационные перенапряже¬
ния. При выборе типа ОТКЗ учитываются: внутренняя или внешняя
установка, условия обслуживания — нормальные или специальные,
требования по размерам и массе, трехфазные или однофазные, необ¬
ходимость во внешнем разъединителе, требования к непрерывному
контролю аппарата.
В наибольшей степени этим требованиям в принципе удовлетво¬
ряют сверхпроводниковые ОТКЗ, быстродействие которых почти на
порядок выше, чем у выключателей. Это позволяет ограничить токи

230
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
КЗ уже в процессе его нарастания, прежде, чем успевает развиться
повреждение в оборудовании.
Как уже было отмечено, разработки ограничителей токи КЗ с
использованием срыва эффекта сверхпроводимости проводятся рядом
стран.
Ограничители токов КЗ с использованием силовой электроники
являются новым типом устройств технологии FACTS для гибкого
управления линиями электропередачи переменного тока.
Разные условия ограничения токов КЗ соответствуют различному
применению устройств в сетях, в зависимости от необходимых
защитных функций и нужной селективности.
Приведем примеры таких устройств, разработанных в разных
странах:
Разработка Института электроэнергетики EPRI (США) представ¬
ляет собой ОТКЗ типа SSCL (Solid State Current Limiter) — устрой¬
ство с очень быстрой реакцией на базе силовой электроники.
Для ограничения тока SSCL быстро вводит в цепь защищаемой
линии поглощающее энергию сопротивление. Ограничение токов КЗ
должно начинаться еще до окончания первого периода тока. Если
использовать GTO-тиристор, можно блокировать напряжение 7200 В
с очень большой скоростью.
При опыте с ограничением токов КЗ 85 кА переключение с нор¬
мальной схемы на добавочное сопротивление длилось менее 1 мс.
После 200 мкс работы ограничителя, вместо того, чтобы вырасти к
концу полупериода до 82 кА ток удерживался на уровне 22 кА.
В проекте ограничитель должен действовать до тока 160 кА.
Устройство типа SSCL может срабатывать чаще, чем обычный
электромеханический выключатель.
Первоначальная цель разработки SSCL — поддержание работы
распределительной сети при ее расширении без замены выключа¬
телей.
Был создан однофазный прототип, затем трехфазный, на напряже¬
ния распределительной сети. Прототипы всесторонне испытаны,
конечная стадия разработка SSCL на 138 кВ. Пока что о более высо¬
ких напряжениях вопрос не стоит.
На рис. 4.13 показана схема одного модуля SSCL на GTO-тиристо-
рах. Два звена тиристоров по встречно-параллельной схеме каждое в
этой схеме шунтируют варистор. Гашение тиристоров осуществля¬
ется двумя LC-цепочками.
Применение варистора в качестве поглотителя энергии сущест¬
венно замедляет процесс возврата ОТКЗ в начальное состояние.
4.4. Ограничители токов короткого замыкания
231
Рис. 4.13. Схема одного модуля SSCL на GTO-тиристорах:
Тх—Г4 — основные тиристоры
В этом смысле предпочтительнее описываемая ниже схема SCCL
(Short-Circuit Current Limiter) Siemens с последовательным включе¬
нием реактора.
Типичный пример электрических сетей, где особенно нужны
ограничения токов КЗ — энергосистемы Японии. В настоящее время
токи отключения силовыми выключателями составляют макси¬
мально 63 кА. С расширением сетей в стране потребуются аппараты
на 70—80 кА. Это вызовет усиление и других элементов сети.
В связи с этим в Японии активно проводятся разработки ограни¬
чителей токов КЗ для сетей 6,6 и 22 кВ, как прототипов будущих
ОТКЗ для сетей УВН. Основной принцип — сокращение времени
воздействия токов КЗ (сверхбыстродействующий выключатель).
Разработанный в Японии полупроводниковый ОТКЗ — комбина¬
ция быстродействующего вакуумного выключателя и встречно¬
параллельных GTO-тиристоров (рис. 4.14).
Сигнал на отключение при КЗ подается одновременно на откры¬
тие тиристоров и на отключение вакуумного выключателя. Пока раз¬
мыкаются контакты выключателя, горит дуга, напряжение которой
прикладывается к тиристорной схеме. Когда на нее ток КЗ переходит
полностью, по сигналу от системы управления тиристоры отключа¬
ются. Окончательно ток КЗ ограничивается параллельно включен¬
ным сопротивлением.
Практические испытания полупроводникового ОТКЗ проведены в
1998 г., при этом возможный ток КЗ 13 кА был ограничен до 3,5 кА в
максимуме. Время до максимума ограниченного тока КЗ составляло
1—2 мс, т.е. в 100 раз меньше, чем для обычного силового выключа¬
теля.

232
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
Рис. 4.14. Схема быстродействующего выключателя:
ИТТ — измерительный трансформатор тока; ИТН — измерительный трансформа¬
тор напряжения
При разработках ограничителей ТКЗ компания Siemens парал¬
лельно испытывала ВТСП-ОТКЗ и быстродействующий полупровод¬
никовый выключатель на базе полностью управляемых вентилей
IGCT. Схема из двух модулей IGCT может отключать большие токи
за время до 500 мкс. Сравнительная работа ограничителей показана
на рис. 4.15.
По мнению разработчиков, оба варианта ограничения токов КЗ
эффективно снижают требования к распределительным устройствам,
от которых не требуется выдерживать полный ток КЗ, и соответ¬
ственно общие затраты в сети.
Вариант полупроводникового ограничителя представляет собой
быстродействующий вакуумный выключатель (ВВ): шунтированный
встречно-параллельной группой GTO-тиристоров. Сигнал о КЗ вклю¬
чает тиристоры и отключает вакуумный выключатель. Рост напряже¬
ния на дуге между его контактами включает тиристоры и они берут
ток на себя.
После сигнала на отключение тиристоров ток КЗ ограничивается
резистором, который включен параллельно всей схеме ОТКЗ. При
4.4. Ограничители токов короткого замыкания
233
>10/»
Рис. 4.15. Ограничение тока короткого замыкания ВТСП-ОТКЗ и выключателем
с IGCT-тиристорами
испытаниях схемы на напряжении 6,6 кВ ток КЗ 13 кА снижался до
3,5	кАтах, время реакции схемы было не более 2 мс, что в 100 раз
быстрее обычного выключателя.
Порядок работы ограничителя подобен приведенному на рис. 4.16.
Разработка ОТКЗ для сети 20 кВ со схемой распределенной энер¬
гетики проводится в Германии на базе полностью управляемых вен¬
тилей IGBT, GCT и ОТО. Задача — достичь уменьшения времени
отключения токов КЗ до 100 мкс вместо 100 мс, имеющегося у обыч¬
ного выключателя при последовательном соединении вентилей.
Достаточная для таких сетей мощность устройства — 63 MB • А.
Отмечается, что существует проблема работы ОТКЗ с действием
релейной защиты, что требует соответствующей синхронизации.
Одним из вариантов решения проблемы является применение полу¬
проводниковых ОТКЗ.
В конце 90-х гг. XX в. в Германии были разработаны тиристорные
ОТКЗ для подключения отдельных генерирующих установок сравни¬
тельно малой мощности (например, ветроэлектрических установок)
к общей сети. Ограничитель защищает сеть от КЗ в установке. Про¬
тотип LimSoft РЕ600, рассчитанный на рабочий ток 600 А, напряже¬
ние 690 В при испытаниях в системе ограничил ток КЗ 7,7 до 2,1кА,

234
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
Рис. 4.16. Порядок работы элементов схемы быстродействующего выключателя
а в течение 3 мс после начала КЗ снизился до нуля. Ограничитель
LimSoft РЕ 1000 с номинальным током 1000 А может применяться
для ветроустановок мощностью 1 МВт.
Значительный практический интерес представляют устройства
ограничения токов КЗ в схемах продольной компенсации линий элек¬
тропередачи.
Ниже описывается один из вариантов такого ограничителя, как
устройства технологии FACTS — развития схемы продольной ком¬
пенсации реактивной мощности с тиристорной защитой конденсато¬
ров (разработка компании «Siemens»). Упрощенная схема приведена
на рис. 4.17.
Продольная компенсация с введением последовательно в линию
конденсатора как бы «укорачивает» линию, уменьшает угол электро¬
передачи и повышает устойчивость работы линии. Однако при пере¬
ходных процессах токи КЗ могут быть причиной перенапряжений на
конденсаторе, которые нужно ограничить до допустимого значения.
Обычно это обеспечивается металлооксидными разрядниками в
сочетании с пробивным промежутком.
Током короткого замыкания на металлооксидном резисторе R
выделяется большая энергия, и он сильно нагревается. С верхней
предельной температуры разрядник должен охладиться до следую¬
щего срабатывания. Постоянная времени охлаждения составляет
несколько часов и все это время компенсация не действует (замкнут
4.4. Ограничители токов короткого замыкания
235
В
Рис. 4.17. Принципиальная схема продольной компенсации с тиристорной защитой
В
Рис. 4.18. Схема ограничителя типа SCCL
шунтирующий выключатель В). Соответственно снижается степень
компенсации линии и ее передающая способность.
Новое решение, свободное от этих недостатков — продольная
компенсация с тиристорной защитой TPSC (Thyristor Protected Series
Compensation) (рис. 4.18).
Преимущество защиты TPSC — полная готовность сразу после
затухания тока КЗ. Такое решение позволяет существенно снизить
ущерб после аварийного режима.
Три установки TPSC успешно введены в работу в 1999 и 2000 гг.
в США на подстанции 500 кВ в сети Южной Калифорнии. Приме¬
ненные тиристоры — большой мощности, со световым управлением,
рассчитаны на пик тока 110 кА и имеют очень малое время охлажде¬
ния — восстановления рабочих свойств.
Экономия, получаемая при каждом КЗ на одной из трех линий,
отходящих от подстанции 500 кВ Vincent в США, где установлена
система TPSC весьма существенна. В случае близкого к подстанции
КЗ все три линии переходят в аварийный режим. Ущерб от этого

236
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
составляет 270 тыс. долл. на каждое КЗ [25 долл/(МВт • ч) при 600 МВт
в течение 6 ч].
Снижение ущерба на 90 тыс. долл. на линию происходит за счет
быстрого восстановления действия защиты TPSC, при отсутствии
которой (защита разрядным промежутком и металлооксидным резис¬
тором) пропускная способность линии снижается с 1200 до 600 МВт.
Быстрый ввод компенсирующей емкости в схему достигается бла¬
годаря очень короткому времени охлаждения тиристоров со свето¬
вым управлением. На рис. 4.19 показан процесс срабатывания уст¬
ройства TPSC.
Успешная работа установок с отличным соотношением при¬
быль/стоимость и высокой готовностью работы по жесткому плану
привели еще к двум заказам на установки той же энергокомпанией.
Пример срабатывания системы защиты продольной компенсации —
реальное КЗ на 500 кВ. Через первые полпериода (до тока 5 кА)
тиристорная схема взяла на себя токи КЗ и работала около 0,6 с,
нагрев при этом составил 10 °С. Обычная схема с защитой металло¬
оксидным резистором требует на охлаждение до рабочего состояния
около 8 ч.
Успешность экспериментов показывает возможность использова¬
ния защиты TPSC для ограничения токов короткого замыкания, у
такой системы может быть достигнута высокая надежность и готов¬
ность наибольшая из всех электронных схем ограничителей токов КЗ.
260 °С
Температура
тиристора
50 °С
Выключен
тиристор
Выклю¬
чатель
0,5
Через 0,6 с после КЗ вентиль возвращается
в состояние, которое предшествовало КЗ
0,7
Пауза АПВ
0,9	1,1
\	Время,	с
5 периодов гашения КЗ
Включен шунтирующий
выключатель
1,3
1,5
Рис. 4.19. Диаграмма работы тиристорной защиты TPSC
4.4. Ограничители токов короткого замыкания
237
Возможно его применение в сетях как ВН, так и СН. Дополни¬
тельные возможности устройств TPSC и SCCL — возможность
демпфирования качаний и подсинхронных резонансов в сети.
Подобные исследования ведутся и в других странах, но схема
ограничителя токов короткого замыкания типа SCCL в наибольшей
степени доработана для использования в электрических сетях.
Комбинация схемы TPSC с внешним реактором весьма эффективна
для ограничения токов коротких замыканий. Параметры реактора
выбираются по допустимому уровню токов КЗ. Новое устройство в
статическом режиме имеет нулевое полное сопротивление, а при КЗ
за несколько миллисекунд в линию включается реактивное сопротив¬
ление реактора.
Типичная схема использования ограничителя типа SCCL приве¬
дена на рис. 4.20.
При КЗ на шинах 2 ток 11 + 2 за счет действия ОТКЗ снизился с 80
до 50 кА, что позволяло бы при расширении сети иметь коммутаци¬
онную аппаратуру с током отключения 63 кА, а не следующего
класса по току. При КЗ ток /2 составил 10 кА при использовании
ограничителя тока и был бы равен 40 кА при его отсутствии.
Преимущества данной схемы — в использовании быстрого вклю¬
чения вместо отключения, как это имеет место в других электронных
устройствах.
Можно считать, что ОТКЗ типа SCCL найдут применение не
только в системах ВН, но и в сетях среднего напряжения, например в
Существующая
линия 500 кВ 110 кВ
Существующая
110 кВ 500 кВ	линия
Новая линия
©-
Нагрузка
I', h\
SCCL
Новая линия
.©
Шины 1	Шины	2
Нагрузка
Рис. 4.20. Ограничитель SCCL в качестве шиносоединительного звена

238
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
сети собственных нужд генераторов на электростанции. На рис. 4.21
показан вариант включения ограничителя типа SCCL в кольцевой
схеме.
Как система продольной компенсации TPSC, так и ОТКЗ типа
SCCL могут использоваться для подавления колебаний в системе и
ликвидации подсинхронного резонанса, которые могут возникнуть
при расширении сети или появлении межсистемных связей. Такие
возможности дает быстродействующее тиристорное управление
токами в линиях, плюс устройства выявления качаний и резонансов.
Моделирование таких переходных процессов показало активное их
демпфирование с помощью как TPSC, так и ОТКЗ типа SCCL.
Разработка устройств FACTS типов TPSC и SCCL по мнению спе¬
циалистов означает прорыв новой технологии в области электропере¬
дачи в сетях ВН.
Стоит отметить, что предложенная еще 1997 г. в Японии схема
ограничителя токов КЗ последовательно-резонансного типа для сети
500 кВ аналогична схеме SCCL. Реактивное сопротивление включен¬
ных последовательно конденсатора и реактора в нормальном режиме
равно нулю. В случае КЗ встречно-параллельная тиристорная схема
шунтирует конденсатор и ток ограничивается реактором. Так как в
нормальных условиях рабочий ток через тиристорную схему не про¬
ходит, рассеивание тепла незначительно. Аналогично схеме SCCL,
4.4. Ограничители токов короткого замыкания
239
последовательно с конденсатором и замыкающим выключателем
включены небольшие защитные реакторы, конденсатор от перена¬
пряжений защищен металлооксидным варистором.
Ограничение токов КЗ может производиться не только по срезу
амплитуды, но и по сокращению времени действия тока КЗ сверхбыст¬
родействующим выключателем. Собственно, так и действуют тирис¬
торные размыкатели цепи, однако такой же эффект возможен при
использовании специальных электромеханических выключателей.
Примером служит разработанная компанией «АВВ» система быс¬
трого переключения питания объекта, которая использует фирмен¬
ные вакуумные автоматические выключатели типа VM1T с быстро¬
действующим электромагнитным исполнительным механизмом.
Вместо пружинного используется электромагнитный привод, выдер¬
живающий 20 ООО циклов. Управление осуществляют контроллеры
типов REF542 и SUE3000 с выходом на силовой электронике. При
синхронизированных источниках питания время переключения
составляет 1,5 периода. Рабочий ток выключателя 1250 А, ток отклю¬
чения — 25 кА.
Ограничители токов коротких замыканий, выполненные на основе
силовой электроники, могут успешно решать проблемы, возникаю¬
щие в сетях при их расширении, в частности, снижать требования к
отключающей способности коммутационной аппаратуры. Их харак¬
теристики несколько ниже потенциальных возможностей сверхпро-
водниковых ограничителей токов КЗ, основной проблемой которых
является их высокая стоимость.
Эффективное решение по ограничению токов КЗ — применение
продольной компенсации электропередачи с тиристорной защитой и
ограничивающим токи КЗ реактором. Такая система применима до
самых высоких классов напряжения.
Коммутационные ограничители тока. Большие перспективы
имеют коммутационные ограничители токов КЗ.
В качестве устройств ограничения токов короткого замыкания в
сетях до 35 кВ, как правило, применяются предохранители и токоог¬
раничивающие реакторы. Применение предохранителей ограничено
номинальными токами (при номинальном токе 400 А токоограниче-
ние практически отсутствует), в то время как реакторы, хотя и имеют
ряд преимуществ, обладают некоторыми существенными недостат¬
ками (например, падение напряжения и дополнительные электриче¬
ские потери), что заставляет искать альтернативные методы ограни¬
чения токов КЗ. В сетях 110—220 кВ применяются также токоограни¬

240
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
чивающие реакторы. Однако их сопротивление невелико (1—4 Ом),
что ограничено падением напряжения. Такое малое сопротивление
представляет и низкую степень токоограничения. Различные схем¬
ные решения и сверхбыстродействующие выключатели не позволяют
решить проблему ограничения ударного тока.
Обращаясь к зарубежной практике, в схемах электроснабжения
можно встретить коммутационные ограничители тока. В отечествен¬
ной литературе подобные устройства известны под названием огра¬
ничителей ударного тока взрывного действия [4.4]. В настоящее
время ОИВТ РАН с участием ОАО НТЦЭ разрабатывается подобного
рода ограничитель токов КЗ на напряжение 220 кВ. Ввод его в работу
на одной из подстанций Москвы планируется на 2012—2013 гг.
Ниже описано устройство и принцип его работы.
Каждая фаза коммутационного ограничителя тока состоит из трех
основных элементов: разъединительное устройство, параллельно
подключенный плавкий токоограничивающий предохранитель и
блок логических схем с трансформатором тока.
В нормальном режиме работы ток проходит по медной шине, рас¬
положенной в патроне разъединительного устройства. При этом надо
отметить, что через параллельно подключенный предохранитель
проходит порядка 0,1 % номинального тока вследствие его большего
сопротивления (сопротивление шины при рабочем токе 3000 А
составляет около 16 мкОм).
При возникновении КЗ логические схемы подают сигнал на дето¬
натор, приводя к размыканию основной шины взрывом. Сигнал на
отключение подается только тогда, когда мгновенное значение тока
КЗ достигает заданного значения (с некоторой выдержкой времени,
зависящей от конкретных условий и в среднем составляющей 80 мкс,
для устранения возможности ложного срабатывания при временных
бросках тока), что имеет преимущества над принципом реагирования
по скорости изменения тока d//d/, применявшимся в более старых
разработках ограничителей взрывного действия. Скорость нараста¬
ния тока при симметричном КЗ может достичь максимума в началь¬
ный (нулевой) момент времени, в то время как при несимметричном
КЗ скорость нарастания тока достигает наибольшего значения в сере¬
дине первого полупериода, что во многих случаях приводит к непра¬
вильной оценке аварийного режима. Поэтому в современных комму¬
тационных ограничителях тока приоритет отдается только значению
тока КЗ, а не скорости его изменения.
4.4. Ограничители токов короткого замыкания
241
Пиротехнические заряды рвут шину в нескольких точках, тем
самым образуя несколько промежутков (типовое решение представ¬
ляет собой четыре промежутка). Для обеспечения безопасности
взрыв происходит в патроне, сдерживающем выброс ионизирован¬
ных газов наружу.
После завершения процесса коммутации ток полностью перехо¬
дит на плавкий предохранитель. Вследствие малого времени горения
дуги на образовавшихся промежутках, а поэтому и малого уровня
ионизации, восстановление электрической прочности разъединителя
занимает примерно 50 мкс.
Стоит обратить внимание, что отключение происходит не при
естественном переходе тока через нулевое значение, в чем и заключа¬
ется отличие токоограничивающих устройств от традиционных
выключателей.
После устранения КЗ патроны разъединителя и предохранителя
заменяются.
Приведем примеры возможного применения таких ограничителей
тока.
Пример 1. Схема, представленная на рис. 4.22, иллюстрирует
ситуацию, которая может возникнуть в нескольких случаях: выход из
строя токоограничивающего реактора; изменение режима работы,
приводящее к возрастанию ожидаемого тока КЗ: поиск решения по
экономии средств при новом строительстве и т.д. На вводе возможно
появление большого тока КЗ (в нашем случае действующее значение
75 кА), в то время как нижестоящее оборудование рассчитано на
гораздо меньшие токи (действующее значение 40 кА), т.е. оборудова¬
ние уже установлено либо планируется снизить затраты на установку
более «тяжелой» аппаратуры.
В данном варианте коммутационный огра¬
ничитель тока можно установить на вводе,
отказываясь от реактора. Как видно из анализа
(рис. 4.23), ограничитель отключается до дости¬
жения током наибольшего пикового значения,
выдерживаемого выключателем.
Нельзя не отметить выгоду применения ком¬
мутационных ограничителей тока для защиты
трансформаторов, генераторов и конденсато¬
ров. Как известно существует проблема стой¬
кости трансформаторов при КЗ, вызванная
Рис. 4.22. Электрическая схема участка сети

242
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
PQ
*
'v'
К
250
X
ч>
«
200
£
<L>
150
О
X
к
100
<D
«
о
50
Е
5
0
а
н
-50
Ток электродинамической
стойкости выключателя
/ n Ожидаемый
/	\ ток КЗ
/
/	59	кА \
Пики сквозного
тока на ограничителе
I I
60 120 180 240 300 360
Угол, град.
а)
со
а
150
100
50
0
-50
-100
-150
г
iTok электродинамической
стойкости выключателя
✓
/
\
\ Ожидаемый >
А
ток КЗ /
\ /
\
59 кА
\
- Пики сквозного
тока на ограничителе
1 	1	_i		1	1	1—
0	60	120	180	240	300	360
Угол, град.
Рис. 4.23. Отключение несимметричного (а) и симметричного (б) КЗ при схеме
сети по рис. 4.22
рядом причин: игнорирование многими производителями (как оте¬
чественными, так и зарубежными) полноценных испытаний своих
изделий, использование производителями устаревшей методики рас¬
чета электродинамической стойкости, ошибочная политика сертифи¬
кации, отсутствие периодических испытаний на стойкость и др.
В связи с этим установка ограничителя тока позволит обеспечить
надежную защиту трансформаторов от действия больших токов КЗ.
Пример 2. В последнее время многие потребители в России про¬
являют интерес к сооружению собственного источника электроснаб¬
жения. Рисунок 4.24 иллюстрирует ситуацию, когда в схему добавля¬
ется генератор, приводящий к увеличению суммарного тока КЗ.
Изначально ток КЗ в точке К составлял 18 кА (действующее значе¬
ние), и соответственно было установлено коммутационное оборудо¬
вание с отключающей способностью 20 кА. Включение генератора в
цепь увеличивает ток до 28 кА.
Коммутационный ограничитель тока можно установить на ввод от
системы или непосредственно на генераторное присоединение (как
показано на схеме рис. 4.24). Анализ ситуации приведен на рис. 4.25
после возникновения КЗ с током большого значения генератор
отключается от системы до достижения током значения, превосходя¬
щего электродинамическую стойкость выключателей, после чего КЗ
отключается выключателем на отходящей линии.
Пример 3. Определенным недостатком коммутационного ограни¬
чителя тока по сравнению с реакторами и новыми разработками,
4.4. Ограничители токов короткого замыкания
243
Рис. 4.24. Электрическая схема участка сети с генератором
Рис. 4.25. Отключение КЗ в схеме с генератором:
1 пик сквозного тока на ограничителе (13 кА); 2 — ток электродинамической
стойкости выключателя; 3 ~ ток КЗ в системе без генератора (18 кА); 4 — пик
сквозного тока на шинах (47 кА); 5 — полный ожидаемый ток КЗ (28 кА); б — ток
КЗ после отключения генератора ограничителем (18 кА); 7 — ожидаемый ток КЗ
через ограничитель (10 кА)
такими как сверхпроводниковый ограничитель, является то, что при
его срабатывании защищаемая цепь отключается от питания (если не
реализованы прочие схемные решения), что в некоторых случаях
недопустимо.
Поэтому достаточно часто можно встретить параллельное соеди¬
нение коммутационного ограничителя тока с реактором. Данное
решение позволяет сохранять питание потребителей после отключе¬
ния ограничителя, а также исключить негативные стороны примене¬

244
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
ния реактора в нормальном режиме работы, при этом имеет место
значительная экономия электроэнергии, так как в нормальном
режиме работы реактор шунтируется и активные потери практически
отсутствуют. Например, при потере в реакторе 20 кВт на фазу эконо¬
мия составит примерно 250 МВт • ч в течение года (при 50 %
нагрузке), что при цене 1 руб/(кВт • ч) сэкономит 250 тыс. руб. в год
на один реактор.
На рис. 4.26 представлен пример такого параллельного соедине¬
ния. В схеме применяются выключатели с отключающей способнос¬
тью до 20 кА. Действующее значение ожидаемого тока КЗ составляет
30 кА, установленный реактор ограничивает ток до 16 кА. В нор¬
мальном режиме работы ток проходит через коммутационный огра¬
ничитель тока, что исключает воздействие реактора на систему.
В случае возникновения КЗ, приводящего к срабатыванию ограни¬
чителя, ток переходит на реактор, т.е. реактор коммутируется в цепь
только в случае короткого замыкания с током большого значения и
работает в послеаварийном режиме до тех пор, пока не будут заме¬
нены разъединительное устройство и предохранитель ограничителя.
В зависимости от требований для предотвращения неполнофаз¬
ного режима в качестве В1 применяется выключатель, который
отключается по сигналу ограничителя, тем самым разрывая номи¬
нальный ток в рабочих фазах. Анализ приведенного примера показан
на рис. 4.27.
Пример 4. Возвращаясь к примеру 2, необходимо отметить, что
при наличии в схеме двух вводов от энергосистемы наибольшая
Рис. 4.26. Электрическая схема сети с реактором
4.4. Ограничители токов короткого замыкания
245
Рис. 4.27. Отключение КЗ в схеме с реактором:
1 — пик сквозного тока на ограничителе (19 кА); 2 — ток электродинамической
стойкости выключателя; 3 — пик сквозного тока на шинах (43 кА); 4 — ожидае¬
мый ток КЗ (30 кА) через ограничитель (реакторы зашунтированы); 5 — ток КЗ
(16 кА) после включения реакторов в цепь
эффективность дополнительного источника достигается при парал¬
лельном режиме работы. Однако параллельный режим приводит к
значительному увеличению токов короткого замыкания.
Рассмотрим простой пример применения в данном случае комму¬
тационного ограничителя тока (рис. 4.28), позволяющий решить про¬
блему увеличивающихся токов КЗ без реконструкции оборудования
подстанции (применение ограничителей для данной цели составляет
примерно 50 % от всех встречающихся схем с установкой этих аппа¬
ратов).
Допустим, действующее значение тока КЗ до ввода генератора
составляло 18 кА от каждого трансформатора, при этом выключатели
выбраны с током отключения 40 кА, что позволяет осуществлять
Рис. 4.28. Электрическая схема сети с генератором и двумя вводами от энергосис¬
темы при параллельном режиме работы

246
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
параллельный режим работы. При вводе генератора ожидаемый ток
КЗ возрастает на 12 кА, что заставляет потребителя проводить
реконструкцию или выполнять более сложную схему.
При установке коммутационного ограничителя (анализ приведен
на рис. 4.29) проблема возросших токов решается просто — при КЗ
ограничитель «мгновенно» разделяет систему на две секции.
В заключение можно сделать следующие выводы:
коммутационные ограничители тока представляют собой токоог¬
раничивающие предохранители, которые коммутируются в цепь при
КЗ с помощью взрывного устройства, тем самым устраняя недо¬
статки предохранителей, увеличивая диапазон номинальных токов и
позволяя отключать КЗ с большими токами;
скорость отключения токов КЗ ограничителями (до достижения
ударного тока в пределах первого полупериода при несимметричных
и четверти периода при симметричных КЗ) превосходит скорости
отключения выключателей (обычно составляющие от двух до пяти
периодов), обеспечивая токоограничение и значительно меньшее
значение интеграла Джоуля;
основные направления применения ограничителей в сетях сред¬
него напряжения наиболее перспективны: в защите вводных и отхо¬
дящих при соединений в том числе трансформаторов, генераторов,
резонансных устройств, конденсаторов и различных фильтров гармо¬
ник; использование в качестве генераторных выключателей как для
основных цепей, так и ответвлений на собственные нужды; исполь¬
зование в схемах секционирования при параллельном режиме
<L>
§3 ю°
<и "
S ^
е| 50
2 fj<
та
* Я л
0	60	120	180	240	300	360
Угол, град.
Рис. 4.29. Отключение КЗ в сети по схеме рис. 4.28:
1 — пик сквозного тока на ограничителе (18 кА); 2 — ток электродинамической
стойкости выключателя; 3 — общий ток КЗ на системе шин с генератором (30 кА);
4 — пик сквозного тока на шинах (80 кА); 5 — полный ожидаемый ток КЗ (48 кА);
б — ток КЗ после отключения генератора ограничителем (30 кА); 7 — ожидаемый
ток КЗ через ограничитель (18 кА)
4.4. Ограничители токов короткого замыкания
247
работы; одновременное применение с реакторами для устранения их
недостатков; улучшения качеств электроэнергии и повышения
уровня безопасности;
применение коммутационных ограничителей тока позволяют
установить распределительное образование с меньшими токами
электродинамической стойкости и отключающей способностью, или
ожидаемый ток КЗ;
способ определения короткого замыкания, основанный на измере¬
нии значения, а не скорости нарастания тока, исключает ошибочные
отключения;
применение коммутационных ограничителей тока одновременно
с токоограничивающими реакторами обеспечивает бесперебойное
питание потребителя, а также значительно уменьшает потери элект¬
роэнергии.
Контрольные вопросы к главе 4
1.	Назовите основные требования к коммутационному оборудованию.
2.	Каковы перспективы развития коммутационных аппаратов?
3.	В чем достоинства элегазовых ячеек КРУ?
4.	Каковы преимущества создания комплектных аппаратов и распределитель¬
ных устройств по сравнению с традиционным оборудованием?
5.	Какая роль реакторов в режимах работы линий электросетей?
6.	Каковы преимущества реакторов, управляемых подмагничиванием?
7.	Назовите экономические обоснования по применению ограничителей то¬
ков короткого замыкания.
8.	Перечислите основные требования к ограничителям токов короткого замы¬
кания.
9.	Приведите примеры применения ограничителей при коротких замыканиях
в различных схемах.
10.	Опишите принцип работы коммутационных ограничителей тока.
11.	Приведите примеры возможного применения ограничителей ударного то¬
ка взрывного действия.
Список литературы к главе 4
4.1.	Перспективы развития основного электрооборудования ЕЭС России /
под ред. А.П. Бурмана. М.: Издательский дом МЭИ, 2006.
4.2.	Основы современной энергетики. Т. 2. Современная электроэнергетика /
под ред. А.П. Бурмана и В.А. Строева. М.: Издательский дом МЭИ, 2008.
4.3.	Хлызов А.С., Шлейфман И.П. Внедрение коммутационного аппарата
нового типа — выключатель с функцией разъединителя // Энергополис. 2010. № 4.

248
Глава 4. Аппараты коммутации и защиты
4.4.	Дементьев Ю., Малышев А., Елагин П. Коммутационные ограничите¬
ли тока // Электрические станции. 2009. № 4.
4.5.	Силовые трансформаторы. Справочная книга / под ред. С.Д. Лизунова и
А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004.
4.6.	Воропай М.И., Воротницкий В.Э<, Новиков Н.Л. Пути повышения
электросетевого комплекса России // Электрические станции. 2010. № 1.
4.7.	Электрические и электронные аппараты. Т. 2. Силовые электронные ап¬
параты / А.П. Бурман, Ю.К. Розанов, А.А. Кваснюк; под ред. Ю.К. Розанова. М.:
Издательский центр «Академия», 2010.
4.8.	Шакарян Ю.Г., Новиков Н.Л. Технологическая платформа. Smart Cnd /
Энергоэкспорт. 2009. № 4.
Глава 5
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
5.1.	Современное состояние возобновляемых
источников энергии
За последнее десятилетие существенно возросло потребление
электроэнергии в странах с развитой промышленностью. Это проис¬
ходит на фоне продолжающегося роста населения на земле и роста
цен на традиционные виды топлива. Одновременно ухудшается эко¬
логическая ситуация, обусловленная загрязнением атмосферы диок¬
сидом углерода (С02).
Устранение этих проблем требует поиска новых путей для их
решения, прежде всего в области электроэнергетики, оказывающей
наиболее сильное влияние на эти процессы. Наиболее эффектив¬
ными из них являются создание и развитие технологий по использо¬
ванию различных видов возобновляемых энергетических ресурсов.
К ним относят солнечную энергию, энергию ветра, океана и др. Эти
виды энергии непосредственно связаны с энергией Солнца, которая
практически неисчерпаема в сравнении с традиционными видами
топлива: углем, нефтью, природным газом, запасы которых на земле
ограничены. В настоящее время созданы новые технологии, позволя¬
ющие преобразовать солнечную энергию в электрическую непос¬
редственно или с помощью технических устройств различной слож¬
ности и стоимости. Их отличительной чертой является экологическая
чистота функционирования и отсутствие потребности в традицион¬
ных, исчерпаемых ресурсах Земли. Однако затраты на эти техноло¬
гии существенно различны и остаются в целом достаточно высокими
даже с учетом сроков окупаемости основных затрат на их создание.
Несмотря на это вводимые мощности электроэнергии постоянно уве¬
личиваются во всех странах. В качестве примера на рис. 5.1 пред¬
ставлена динамика роста использования солнечных элементов для
получения электрической энергии в начале XXI в. [5.3]. Так, уже в
2005 г. установленная мощность этих систем составляет 16 ГВт.
В США выработка электроэнергии из источников с возобновляемой
энергией в 2008 г. составила 8,3 %. [5.3]. Среди источников с возоб¬
новляемой энергией ведущее место занимают источники с использо¬
ванием гидроресурсов. Однако значительная часть их часто не отно¬
сят к перспективным, так как гидросооружения наносят значитель-

250
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
Рис. 5.1. Динамика роста использования солнечных элементов для получения
электрической энергии в начале XXI в.
Р, ГВт
16
14
12
10
8
6
4
г-|
г
гГ
ШТТ
ШП
Ы
о
ОО
Os
о	ю
OS	OS
as	as
Годы
о.
о
о
сч
О
о о
<N
Рис. 5.2. Диаграмма ввода мощности, вырабатываемой из энергии ветра (США)
ный ущерб окружающей среде. Интенсивное развитие идет в элект¬
роэнергетике, связанной с использованием ветра. На рис. 5.2
приведена диаграмма ввода мощностей в США на основе использо¬
5.1. Современное состояние возобновляемых источников энергии 251
вания энергии ветра [5.1]. Если в конце XX в. мощность, вырабаты¬
ваемая из энергии ветра, не превышала 2 ГВт, то уже к концу 2007 г.
она превышала 94 ГВт, т.е. возросла примерно в 50 раз.
Огромный скачок произошел в технологиях создания электрохи¬
мических генераторов. Стало возможным преобразование электрохи¬
мической энергии в электрическую на основе реакции водорода с
кислородом. Эта область энергетики позволяет обходиться без тради¬
ционного топлива, исключая гибридные установки, сочетающие
электрохимические генераторы (ЭХГ) с традиционными генерато¬
рами электроэнергии. Новые устройства для получения электриче¬
ской энергии получили название топливных элементов (ТЭ). Они
практически не нуждались в привозном (традиционном) топливе и
являются абсолютно чистыми с экологической точки зрения. В Рос¬
сии такие устройства также называют электрохимическими генера¬
торами. Отличительной особенностью этих устройств является их
способность работать в реверсивном режиме, т.е. получать из воды
чистый водород в результате реакции электролиза. Получив эффек¬
тивное применение в космосе, эти технологии стали успешно разви¬
ваться во всех развитых странах. В настоящее время на основе этих
устройств создаются миллионы автомобилей с использованием этого
источника энергии. За последнее десятилетие они стали создаваться
в качестве стационарных объектов мощностями более 100 МВт.
Кроме того, они успешно используются в качестве накопителей
резервных запасов электроэнергии на традиционных электростан¬
циях. Источники электроэнергии на основе солнечных элементов,
энергии ветра и водорода являются в настоящее время наиболее раз¬
вивающимися технологиями использования возобновляемой энер¬
гии. При этом водородная энергетика может успешно использоваться
в странах с различными климатическими и географическими усло¬
виями.
Для стран, имеющих благоприятные условия для использования
энергетических ресурсов океана, активно развиваются технологии в
этой области.
Одним из таких методов получения электроэнергии, является
тепло, накапливаемое в верхних слоях океана. Температура этих
слоев уменьшается с их расположением от поверхности. Так, напри¬
мер, если верхние слои нагреваются до 30 °С, то нижние будут иметь
более низкую температуру, которая на глубине 1000 м может дости¬
гать +4 °С. Используя этот температурный градиент, можно получать
электроэнергию посредством глубинных насосов воды из слоев раз¬
ной температурой для работы турбины с генератором.

252
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
Более распространенным способом является использование энер¬
гии волн. Существует много достаточно сложных технологий, позво¬
ляющих преобразовывать периодические колебания огромных масс
воды с большим запасом энергии в механическую, а затем посред¬
ством специальных турбин — в электрическую. Примером таких сис¬
тем являются сооружения на побережье Норвегии в 1985 г. мощно¬
стью 350 кВт и плавающая система «Волновой Дракон». Принцип ее
действия основан на создании препятствия распространению очеред¬
ной волны и заполнению ее массой воды специального резервуара.
Из этого резервуара вода поступает на турбину, работающую совме¬
стно с электрическим генератором. Объем резервуара позволяет запа¬
сать в рассматриваемой системе 8000 м и соответственно конструк¬
ция турбины этого сооружения имеет гигантские размеры. Макси¬
мальная мощность генератора достигает 7 МВт. В целом эта энерге¬
тическая система производит до 20 ГВт в год. Несмотря на
сложность и высокую стоимость их создания все эти проекты обла¬
дают основным достоинством — использование возобновляемых
ресурсов.
Существуют и другие источники возобновляемой энергии, в част¬
ности, работающие на сжигании биомассы — возобновляемого про¬
дукта, полученного различными методами с использованием солнеч¬
ной энергии. Однако в силу своей специфики они выходят за рамки
вопросов непосредственного преобразования одного вида энергии в
другой — электрическую энергию.
В гл. 5 рассматриваются следующие виды преобразования энер¬
гии: солнечной, ветра, топливных элементов на основе использова¬
ния водорода. Эти виды преобразования являются более актуаль¬
ными для дальнейшего развития электроэнергетики в области
использования возобновляемых источников в России.
5.2.	Прямое преобразование солнечной энергии
в электрическую
5.2.1.	Общие сведения
Солнце является практически неисчерпаемым источником энер¬
гии, которая может быть преобразована в электрическую энергию
посредством освещения фотоэлектрических преобразователей
(ФЭП), называемых также солнечными элементами. Эти элементы,
соединяемые между собой в конструктивные модули, стали основой
новой развивающейся технологии получения электроэнергии из
возобновляемых источников. Экологическая чистота, низкие эксплу¬
5.2. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую 253
атационные затраты и отсутствие необходимости в традиционном
топливе — отличительные черты этой технологии. Решающими фак¬
торами в развитии новой технологии стали возможности производ¬
ства кремния и других материалов, используемых в ФЭП, в частности,
тонких пленок с кремниевым покрытием и др. Другими определяю¬
щими факторами стали достижения силовой электроники. Примене¬
ние их в области использования ФЭП сделали возможным создавать
статические преобразователи с высоким качеством электроэнергии.
Такая необходимость возникла в системах ФЭП для согласования
напряжений отдельных модулей, как на стороне постоянного тока,
так и инверторов, обеспечивающих интеграцию ФЭП с сетью. Необ¬
ходимость в электронных преобразователях обусловлена в основном
нестабильностью входного напряжения ФЭП при изменении осве¬
щенности и температуры. Другой причиной, стимулирующей разви¬
тие ФЭП, стал дефицит традиционных видов топлива, рост энерго¬
потребления и экологические проблемы.
Первые разработки ФЭП получили успешное практическое при¬
менение в космических аппаратах. В настоящее время эта область
остается одной из основных, где свойства ФЭП используются с
наибольшей эффективностью. В настоящее время свыше 50 % выра¬
батываемого кремния идет на производство ФЭП. Новые достижения
в технологии ФЭП, создание тонких пленок, использование специ¬
альных добавок в основном материале ФЭП, кремния в аморфном
состоянии и др. позволяют получать существенно более эффектив¬
ную продукцию в этой области с меньшей стоимостью. В то же
время эти системы остаются достаточно дорогостоящими для массо¬
вого внедрения и все же область их применения постоянно расширя¬
ется.
5.2.2.	Принцип действия и основные виды ФЭП
Основой ФЭП являются полупроводниковые элементы, состоя¬
щие из материалов, образующих структуру р-п перехода подобно
диоду. Под воздействием световых фотонов, облучающих один из
поверхностных слоев этой структуры (обычно «-типа), происходит
«фотоэлектрический» процесс, преобразующий энергию электромаг¬
нитного излучения в электроэнергию. При подключении нагрузки к
слоям этого элемента в нее начинает поступать ток от ФЭП. Вели¬
чина этого тока пропорциональна мощности внешнего облучения и
температуре элемента. Простейшая модель элемента ФЭП представ¬
лена на рис. 5.3.

254
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
Рис. 5.3. Эквивалентная электрическая схема элемента ФЭП:
— внутреннее сопротивление; £/н, /н — напряжение и ток нагрузки
Согласно этой модели выходной ток элемента ФЭП состоит из
тока фотонов 1Х, обусловленных световым потоком, тока эквивалент¬
ного диода Id и тока утечки /ут Ток диода зависит от температуры и
освещенности. Типовое напряжение для кремневого элемента (0,6
0,7) В, а максимальная плотность тока (0,4—0,5) А/см2. В соответ¬
ствии с эквивалентной моделью ФЭП ток нагрузки /н можно записать
в виде
^n~^X~^d~^yT	(5-1)
При одинаковых условиях освещенности может быть построена
вольт-амперная характеристика элемента. Изменяя эти условия,
можно построить семейство таких характеристик, в которых макси¬
мальное значение тока достигается на холостом ходу элемента
(рис. 5.4). Согласно этим вольт-амперным характеристикам выходная
мощность ФЭП зависит не только от освещенности и температуры,
Рис. 5.4. Семейство вольт-амперных характеристик элемента ФЭП
5.2. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую
255
но и его нагрузки, т.е. максимальной выходной мощности будет соот¬
ветствовать различный ток нагрузки элемента. Максимальное значе¬
ние мощности, снимаемой с элемента, а также из модуля этих эле¬
ментов используется в качестве опорного сигнала системы управле¬
ния, определяющего генерируемый ток в нагрузку. Для этих целей
используют специальные устройства для определения максималь¬
ного значения мощности, сигналы с которых поступают в систему
управления системы с ФЭП. При этом могут использоваться не
только опорные значения тока и напряжения ФЭП, но и учитываться
другие параметры, повышающие эффективность управления систе¬
мой. Для оценки эффективности генерации всей системы, состоящей
из отдельных модулей и панелей, параллельно и последовательно
соединенных элементов, необходимо учитывать общую схему заме¬
щения электрической цепи.
Учитывая колебания генерируемого тока в зависимости от условий
работы ФЭП, в системе принято использование аккумуляторных бата¬
рей с возможностью их заряда от других источников энергии с учетом
условий периодичности и амплитуды колебаний генерируемого тока.
Необходимо также при параллельном соединении отдельных элемен¬
тов и модулей принимать меры по ограничению их взаимного влияния,
когда часть элементов переходит из режима генерации в режим пот¬
ребления при изменении условий освещенности и др.
Традиционно основным компонентом, используемым в ФЭП, был
монокристаллический кремний, который производился для электрон¬
ной промышленности. В основном он выращивался в виде монокрис¬
таллов, которые обрабатывались до пластин различных диаметров
толщиной примерно 300 мкм [5.4]. В дальнейшем эта технология
была усовершенствована в целях увеличения размеров пластин пос¬
редством создания многокристаллического кремния. Одновременно
ускоряли процесс производства пластин кремния, улучшая техниче¬
ские характеристики, в частности, повышение прочности больших
пластин ФЭП. В результате развития этих технологий были созданы
тонкие пленки поликристаллического кремния толщиной 10—
40 мкм. При этом их возможности по преобразованию световой энер¬
гии в электрическую не уступали кремнию в твердом виде. Стало
возможно получать модули по массе. В результате резко возрос инте¬
рес к разработкам по созданию систем на основе ФЭП. Дальнейшее
развитие этих технологий сделало возможным использование крем¬
ния в аморфном состоянии. Это позволило уменьшить толщину пле¬
нок ФЭП до нескольких микрон с обеспечением ее высокой проч¬
ности. Таким образом, на сегодняшний день электроэнергетика полу¬

256
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
чает большие возможности по дальнейшему развитию альтернатив¬
ных источников электроэнергии, обеспечивающих ее получение с
учетом задач, стоящих перед ней в части экологии окружающей
среды и не требующих расхода традиционного топлива и расширения
мощностей ядерной энергетики.
5.2.3.	Объединение систем ФЭП с электрической сетью
По своему принципу действия системы на основе ФЭП являются
источниками постоянного тока. При этом уровень напряжения на ее
выходных шинах и генерируемые мощности существенно зависят от
условий их работы и нагрузки. Если учесть, что большинство потре¬
бителей функционирует на переменном токе, а также может работать
и с сетью переменного тока, то очевидно, что создание единой уни¬
фицированной системы электроснабжения на основе ФЭП нереаль¬
ная задача. Поэтому рассмотрим типовые структуры таких систем и
перспективные схемы их исполнения.
Важнейшим фактором, определяющим структуру и схемы ее реа¬
лизации, является мощность. В системах мощностью до 10 кВт для
получения переменного тока используется инвертор, подключаемый
в общем случае к сети однофазного переменного тока. При ее отсут¬
ствии и невысоких требованиях к качеству выходного тока может
быть использована структура (рис. 5.5), в которой выход модуля ФЭП
непосредственно подключен к автономному инвертору, питающему
потребителя. При этом качество напряжения на выходе может суще-
Модуль
ФЭ1
Рис. 5.5. Структура системы электроснабжения на основе ФЭП:
ФЭ1—ФЭЗ — фотоэлементы; Я — нагрузка
5.2. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую 257
ственно отличаться от стандартов сетевого переменного напряжения
и определяться специальными требованиями. При наличии сети воз¬
никает необходимость в дополнительном преобразователе постоян¬
ного тока в постоянный (рис. 5.6). Это обусловлено крайней неста¬
бильностью выходного напряжения модуля ФЭП. Кроме того, в боль¬
шинстве систем используется накопитель, например, аккумуляторная
батарея (АБ), которая подключается к шинам преобразователя посто¬
янного тока, обеспечивающего согласование напряжений на шинах
постоянного тока между напряжением модуля ФЭП и входным
напряжением инвертора. В определенные периоды, определяемые
работой ФЭП, АБ непосредственно обеспечивает питание инвертора
накопленной в нем энергией, которая может также поступать в сеть.
Инвертор в настоящее время выполняется на полностью управляе¬
мых электронных ключах. В зависимости от мощности инвертора и
его выходного напряжения для этих целей обычно используют поле¬
вые транзисторы типа МОП или транзисторы с изолированным затво¬
ром типа IGBT. При этом параллельно транзисторам подключают
встречно включенные диоды, обеспечивающие возврат электриче¬
ской энергии во входной источник при работе на реактивную нагрузку
или переходе инвертора в выпрямительный режим работы. Этот
режим может быть использован для заряда АБ в целях исключения из
состава системы дополнительного зарядного устройства для АБ.
Инверторы могут подключаться к отдельным модулям ФЭП с пос¬
ледующим их объединением на общую выходную шину или может
использоваться один общий (центральный) инвертор. Преобразова¬
тели постоянного тока также могут подключаться к отдельным моду¬
лям и панелям ФЭП, обеспечивая последовательное и параллельное
их соединение. Следует отметить, что при групповом соединении
модулей и отдельных элементов необходимо предусматривать вклю¬
чение блокирующих диодов, исключающих протекание их токов от
одного модуля к другому (рис. 5.5). Каждая из структур имеет свои
достоинства и недостатки, определяющие выбор варианта, макси¬
мально соответствующего техническим требованиям и условиям экс¬
плуатации системы в целом.
ФЭП
Рис. 5.6. Структурная схема согласования ФЭП с сетью переменного тока

258
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
При мощностях более 10 кВт используются трехфазные системы
электропитания. В этом варианте обычно используются структуры с
одним централизованным инвертором, способным работать совме¬
стно с сетью. В то же время преобразователи постоянного тока в пос¬
тоянный могут устанавливаться на выходе отдельных модулей и
панелей ФЭП. Инверторы в этих системах должны быть рассчитаны
на интеграцию с сетью с высоким качеством выходных параметров.
При этом они обычно обеспечивают:
минимально допустимое искажение выходного тока;
функционирование в режимах, как инвертирования, так и выпрям¬
ления;
генерацию или потребление реактивного тока из сети;
высокие динамические характеристики при скачках тока нагрузки
или приема из сети;
быстродействующую защиту в аварийных режимах и др.
Для этого должен использоваться многофункциональный преобра¬
зователь переменного/постоянного тока в инверторном и выпрями¬
тельном режимах. Все эти требования могут быть успешно выполнены
на основе преобразователей переменного тока с широтно-импульсной
модуляцией на повышенной частоте. При повышении напряжения
используются многоуровневые структуры преобразователей.
Отдельные требования предъявляются к преобразователям посто¬
янного тока в постоянный. Основными из них являются:
высокий КПД;
низкие пульсации потребляемого от ФЭП тока;
широкий диапазон регулирования выходного напряжения.
В преобразователях постоянного тока в постоянный для систем с
ФЭП широкое распространение получила схема Чука, вариант кото¬
рой представлен на рис. 5.7. Преобразователи, выполненные по этой
схеме, отличаются низкой пульсацией входного тока, потребляемого
от ФЭП. Отдельные модификации этой схемы с магнитной связью
входного и выходного токов способны обеспечить практически нуле¬
вое значение пульсации этого тока. В то же время схема преобразова¬
теля способна обеспечить как повышение, так и понижение выход¬
ного напряжения. Одним из недостатков этой схемы является сниже¬
ние КПД преобразователя за счет потерь мощности в транзисторе,
так как через него протекает как входной ток, так и ток нагрузки.
Такого недостатка лишен преобразователь повышающего типа с
параллельным ключом (рис. 5.8). В этой схеме через включенный
ключ протекает только ток источника. Однако она имеет значитель¬
ные пульсации входного тока, снижение которых связано с введе-
5.2. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую 259
LI	Cl	L2
Рис. 5.7. Схема Чука:
VT1 — транзисторный ключ; Lx — индуктивность для накопления энергии; С1 —
емкость для приема накопленной энергии; Z2, С2 — выходной фильтр; VD1 — воз¬
вратный диод; СУ — система управления; RH — сопротивление нагрузки
LI	VD1
Рис. 5.8. Повышающий преобразователь с параллельным ключом:
L1 — накопительная индуктивность; VT1 — транзисторный ключ; VD1 — блокиру¬
ющий диод; С1 — конденсатор фильтра
нием входных фильтров. Существует способ улучшения этой схемы.
Он основан на введении П-образного входного фильтра с обратной
магнитной связью (рис. 5.9). Это позволяет не только снизить уро¬
вень пульсаций в 1,5—2 раза, но и повысить коэффициент преобра¬
зования напряжения. Разработаны также модификации этой схемы,
улучшающие ее характеристики.
Особенностью эксплуатации ФЭП является не только периодич¬
ность уровней освещенности, но и ее неравномерность по отноше¬
нию элементов или модулей батареи. Наличие затемненных элемен¬
тов ФЭП вызывает дополнительные потери мощности, которые
могут быть уменьшены использованием многоканальных импуль¬
сных преобразователей. В [5.6] рассмотрено несколько методов

260
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
Рис. 5.9. Схема с параллельным ключом и фильтром с магнитной связью:
Lj, L3 — индуктивности обратной магнитной связи
Рис. 5.10. Типовые ВАХ последовательно соединенных элементов, шунтируемых
встречно включенными диодами
решения этой задачи. Наиболее эффективным является следующий
метод. На рис. 5.10 приведены типовые вольт-амперные (ВАХ) пос¬
ледовательно соединенных элементов, шунтируемых обычно при
соединении в батарею встречно включенными диодами. Через после¬
довательно соединенные элементы протекает общий ток. На рис. 5.10
ВАХ соответствуют затененному элементу Э1 и освещенному Э2.
В зависимости от тока, протекающего через элементы ФЭП, генери¬
руемая мощность существенно изменяется. Так, например, при токе
1д мощность, генерируемая затемненным элементом, максимальна, а
освещенным — мала. С ростом тока до 1В освещенный элемент начи¬
нает генерировать максимальный ток, а ток затемненного участка
5.2. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую 261
становится отрицательным, протекая через встречно включенный
диод. В результате мощность этого элемента из генерируемой пере¬
ходит в потребляемую, т.е. суммарная мощность ФЭП уменьшается.
Снижение потерь мощности в этом случае можно достигнуть введе¬
нием управления каждым из элементов ФЭП. Наиболее эффектив¬
ный метод реализации такого управления осуществляется через под¬
ключение многоканального импульсного регулятора с индуктивными
накопителями (рис. 5.11). Транзисторы VT1 и VT2 переключаются с
коэффициентом заполнения импульсов управления у =	, где
*выкл — время выключенного состояния транзистора, а Т — период
переключения (ключи переключаются поочередно, т.е. когда VT1
открыт, VT2 закрыт и наоборот). Соответственно выходной ток /DTTV и
вых
мощности Рj и Р2, протекающие через конденсаторы С1 и С2, будут
равны
/вых = У/1+(1-Г)/2’
A/1=A-W А/2 = /2 _/вых’
Pl = t/Cl/I=(l-Y)[/C,(/1—/2);
Р2 = ^С2^2 = У^С2^2 ~ Л)'
(5.2)
Рис. 5.11. Схема двухканального импульсного регулятора с индуктивным нако¬
пителем

262
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
Результаты эксперимента, показывают, что введение такого управ¬
ления для двух элементов (одного затемненного, другого освещен¬
ного) позволило повысить максимальную мощность, отдаваемую
ФЭП, примерно на 30 % по сравнению с суммарным значением мощ¬
ностей обоих элементов.
5.2.4.	Применение и развитие технологий ФЭП
Запасы солнечной энергии существенно превышают запасы всех
остальных источников энергии. При этом ее получение отличается
исключительно экологической чистотой и отсутствием необходи¬
мости использовать другие виды топлива и специальные добавки
к ним.
С конца 70-х годов XX в. началось интенсивное развитие техноло¬
гий по созданию ФЭП и систем на их основе. Наиболее значитель¬
ных результатов в этой области добились Германия, Япония и США.
К 2004 г. в мире было установлено 2,5 ГВт мощности систем ФЭП. За
2010 г. только в Европе увеличили эту мощность на 600 МВт
[Sabonn]. За период с 1994 по 2004 г. широкое применение стали
получать в этой области продукции новых технологий ФЭП на
основе тонких пленок. Они позволяют быстро развернуть системы
ФЭП на больших площадях материалов, участвующих в преобразо¬
ваниях энергии. При высокой динамике роста продукции, как тради¬
ционного типа, так и созданной новыми технологиями, стала значи¬
тельно снижаться ее стоимость. Рост использования электроэнергии,
полученной на основе ФЭП, происходит в первую очередь в тех
областях, где имеются определенные преимущества по установке
этих конструкций и их обслуживанию с учетом особенностей объ¬
екта ее внедрения. Примерами таких областей и объектов внедрения
ФЭП являются следующие.
Солнечная энергетика хорошо интегрируется с элементами архи¬
тектуры, имеющими большие открытые пространства. Например,
наиболее часто для этих целей используются крыши и стены отде¬
льных зданий, преимущественно офисного типа, где энергопотребле¬
ние в основном ограничивается освещением и вспомогательной элек¬
тронной техникой, естественно, и для вечернего освещения площа¬
дей, парков, улиц и прочих объектов в крупных городах. Эффективна
их установка для питания систем сигнализации, охраны, автоматики,
а также в местах труднодоступных к подключению сети и постоян¬
ного обслуживания. В комплексном использовании ФЭП и АБ, кото¬
рые под воздействием солнечных лучей накапливают энергию в АБ,
5.3. Ветроэнергетика
263
а в темное время суток отдают потребителю. Эффективно использо¬
вание этих источников электроэнергии на космических объектах,
наземных автономных объектах с трудной доступностью, а также
холодильных устройствах, мобильных, портативных устройствах и
др. Отдельно следует отметить системы электроснабжения водяных
насосов для постоянного орошения и полива в местах отдаленных от
пунктов традиционного электроснабжения.
Отсутствие потребности в снабжении топливом делает системы с
ФЭП эффективными при длительной эксплуатации. Они могут оку¬
пить затраты на оборудование в относительно короткое время. Так,
например, на фермерских хозяйствах Германии новые системы на
основе ФЭП окупаются примерно за 2 года.
Несмотря на высокую стоимость внедрения новых систем с ФЭП
срок их окупаемости постоянно снижается. Специалисты прогнози¬
руют коренной перелом в использовании солнечной электроэнергии
в 2040—2050 гг.
5.3.	Ветроэнергетика
5.3.1.	Общие сведения
Использование энергии ветра началось в древние времена в вос¬
точных и юго-восточных государствах для привода движения судов,
для размельчения и дробления веществ и др. В Европе первые уст¬
ройства с приводом от энергии ветра появились в XI в. Они исполь¬
зовались как средства для получения механической энергии. Первая
ветроустановка (ВЭУ) для выработки электрической энергии была
создана в США в конце XIX в. Она стала прототипом одного из перс¬
пективных устройств преобразования энергии ветра в универсаль¬
ную энергию — электрическую. Ее основным преимуществом перед
другими видами источников электроэнергии являлось использование
возобновляемой энергии ветра. Это преимущество предопределило
дальнейшее развитие и перспективы их применения.
Первые ВЭУ имели большую стоимость при низкой энергетиче¬
ской эффективности. Кроме того, они отличались громоздкостью
конструкции. Так, например, турбина первой ВЭУ имела диаметр
18 м, а высоту 16,8 м. Первые ВЭУ мегаваттного класса имели диа¬
метр 60 м, а высоту — 66 м [5.1]. При этом выводилась из землеполь¬
зования значительная площадь. Эти факторы сдерживали развитие
нового направления в энергетике.
В то же время увеличивающийся расход топливных ресурсов в
энергетике и экологические проблемы определили необходимость

264
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
развития альтернативной энергетики, не имеющей этих недостатков.
Наиболее привлекательной оказалась ветроэнергетика, очевидными
достоинствами которой являлось использование ветра и работа при
отсутствии выбросов диоксида углерода СО2. Этому способствовал
прогресс в машиностроении, который сделал возможным создание
крупных технических комплексов, включающих в себя турбины и
электрические машины большой мощности. Огромное влияние на
развитие этого направления оказали достижения силовой электро¬
ники на рубеже XX и XXI веков. На их основе стало возможным
эффективно управлять потоками энергии большой мощности от пер¬
вичного источника энергии, процессы в котором носят сложный, в
общем случае, стохастический характер.
В результате указанных факторов ветроэнергетика стала быстро
развиваться, ежегодно увеличивая ввод дополнительных мощностей.
В табл. 5.1 приведены данные по введению мощностей с 1990 по
2003 г. по разным континентам мира. Следует отметить, что наиболее
мощные ВЭУ располагаются стационарно в прибрежных водах.
Основным их преимуществом является увеличение количества рабо¬
чих часов ВЭУ по сравнению с континентальными установками.
Существуют также и плавающие в прибрежных зонах конструкции.
При этом, естественно, сложность конструктивных и технологиче¬
ских решений увеличивается. Потенциальные возможности ветро¬
энергетики в [5.1] оцениваются от 230 до 430 ГВт. Долгосрочный
Таблица 5.1. Данные по введению мощностей с 1990 по 2003 г.
по разным континентам мира
Введение мощностей по годам
Континент
1990
1993
1996
1998
2000
2002
2003
Европа
470
1238
3507
6469
10 668
23 291
28 706
Латинская Америка
0
0
28
52
87
98
118
Северная Америка
1700
1788
1611
2575
2642
4923
6691
Азия
0
0
895
1246
1512
2575
3355
Австралия
0
0
14 1
22
92 1
103
198
Африка
0
0
15
15
78
138
226
Весь мир
2170
3026
6070
10 379
15 079
31 128
39 294
5.3. Ветроэнергетика
265
Таблица 5.2. Долгосрочный прогноз выработки электроэнергии ВЭУ
Годы
2000
2010
2020
2030
2040
2050
Выработка, ТВт • ч/год
10
45
72
80
80
85
прогноз частичной реализации этих возможностей показывает следу¬
ющий рост ВЭУ (табл. 5.2).
Планируется к 2020 г. иметь установленную мощность ВЭУ
40 ГВт. Большая доля из них — ВЭУ на море (в 2010 г. — 4 ГВт).
Ветроэнергетика в Германии в 2004 г. опередила по выработке
остальные источники возобновляемой энергии, в том числе, впервые —
гидроэлектростанции. Почти половину из выработанных всеми ВЭУ
53,9	ТВт*ч электроэнергии (9 % всего производства) пришлось на
долю ветроустановок.
Германия имеет мощную производственную базу для выпуска
мощных ВЭУ Уже с середины 90-х гг. XX в. выпуск ветроустановок
мегаваттного класса осуществляют ряд крупных фирм.
Приведенные данные свидетельствуют о реальных перспективах
развития этого направления в различных странах мира.
5.3.2.	Принцип действия ВЭУ
В основе принципа действия ВЭУ лежит преобразование энергии
ветра в механическую, а затем в электрическую энергию посред¬
ством вращающихся лопастей, закрепленных на устройстве, называе¬
мом аэродинамической турбиной / (рис. 5.12). Эти лопасти по суще¬
ству являются пропеллером, приводящим в действие турбину. Ось
его вращения расположена параллельно с воздушным потоком. Хотя
существуют ВЭУ и с перпендикулярным расположением оси относи¬
тельно этого потока. В технической литературе ВЭУ иногда называ¬
ется рабочим колесом или ротором турбины / [5.2]. Для более эффек¬
тивного воздействия ветра на лопасти их положение относительно
КП
Сеть
Рис. 5.12. Структурная схема принципа действия ВЭУ

266
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
вектора потока воздуха можно изменить специальным механизмом
турбины, работающей от общей системы управления турбины. Так
как частота вращения ротора турбины существенно изменяется, то в
ВЭУ устанавливается коробка передач КП, которая регулирует ско¬
рость вала, на котором устанавливается генератор электрической
энергии Г. Принцип действия и конструкции коробок передач весьма
разнообразны. В общем случае их можно разделить на две группы —
механические и электромеханические. Эти коробки передач регули¬
руют скорость вращения вала генератора с учетом рабочей частота
вращения турбины. Обычно это частота вращения регулируется в
диапазоне более высоких частот, который выбирается с учетом тех¬
нических характеристик генератора и требования к его выходным
электрическим параметрам. На рис. 5.13 представлен общий вид
типовой современной ВЭУ с электромеханической коробкой передач.
Система управления турбины этой ВЭУ обеспечивает повышение
частоты вращения генератора относительно скорости вращения
лопастей турбины, а также управление углом их наклона относи¬
тельно потока ветра.
4
10	9	11	12	16
Рис. 5.13. Общий вид типовой современной ВЭУ:
1 — гондола; 2 — система охлаждения; 3 — генератор; 4 — электронная система
управления; 5 — металлическая основа; 6, 9 — звуконепроницаемые прокладки;
7— механических тормозной диск; 8 — коробка скоростей; 10, 11 — электриче¬
ские серводвигатели; 12 — низкоскоростной вал; 13 — система охлаждения для
масла; 14 — электромеханическая система изменения угла лопасти; 15 — лопасть;
16 — турбина
5.3. Ветроэнергетика
267
Мощность Рт, создаваемая на валу турбины зависит от плотности
воздушного потока р и эффективности лопастей [5.2]
PT=l-pSbV3Cp(Xy,
где Ср — коэффициент мощности; X — коэффициент скорости; QT —
скорость вращения турбины (рад/с); RT — радиус турбины, м; SB —
площадь поверхности лопастей турбины, см2; v — скорость ветра, м/с.
Из (5.3) следует, что мощность на валу турбины зависит от скоро¬
сти ветра и эффективности преобразования энергии ветра лопастями
турбины. Эта эффективность определяется коэффициентом СР, кото¬
рый зависит от угла наклона лопастей относительно плоскости вра¬
щения и коэффициента X, на который влияет угловая скорость лопас¬
тей турбины QT и ее радиус Рт. На рис. 5.14 представлены характер¬
ные зависимости мощностей воздействующего на колесо ВЭУ ветра
и на валу ее турбины от скорости ветра. Изменением угла наклона
лопастей Р можно существенно изменять коэффициент мощности
СР, а следовательно и мощность турбины при одной и той же скоро¬
сти ветра (рис. 5.15) [5.1]. От турбины преобразованная энергия
Скорость ветра, м/с
Рис. 5.14. Характерные зависимости мощностей от скорости ветра:
Рт — мощность, создаваемая на валу турбины; Рв — мощность, воздействующая
на колесо

268
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
Рис. 5.15. Кривые мощностей при различных углах наклона лопастей ВЭУ
ветра через коробку передач поступает на вал генератора, вырабаты¬
вающего электроэнергию.
5.3.3.	Взаимодействие ВЭУ с сетью
Наиболее простым по управлению способом преобразования
механической энергии в электрическую является использование
генератора постоянного тока. Однако при этом остаются нерешен¬
ными другие проблемы, связанные с передачей электроэнергии.
Кроме того, его эксплуатационные и технические характеристики
далеки от требуемых к ВЭУ. В то же время генератор может быть
успешно использован в одиночных ВЭУ малой мощности, например,
предназначенных для подзарядки аккумуляторных батарей.
Основным типом генераторов, традиционно используемых в ВЭУ,
являются синхронные генераторы. При этом для учета специфики
привода в ВЭУ разработано много типов генераторов, различаю¬
щихся по конструктивным исполнениям и способам управления. Реа¬
лизация этих способов ограничена возможностью управления скоро¬
стью вала посредством коробки передач, связывающей генератор с
турбиной. Кроме того, обычно используется обратная связь по мощ¬
ности, поступающей от турбины посредством изменения наклона
лопастей. Для повышения эффективности электропередачи в некото¬
рых системах достигают применением генератора с двухобмоточным
статором. В этом случае возможно осуществлять переключение
обмоток в двух диапазонах скоростей генератора. Обмотки в этом
случае дискретно переключаются в зависимости от частоты враще¬
ния вала генератора. Сигналы на переключение поступают от сис¬
темы управления ВЭУ.
5.3. Ветроэнергетика
269
Однако существенно повышение энергоэффективности ВЭУ с
синхронным генератором можно получить с использованием уст¬
ройств силовой электроники. В этом случае напряжение синхронного
генератора поступает на вход выпрямителя В, который, в зависи¬
мости от требований к ВЭУ, может быть выполнен и на неуправляе¬
мых вентилях. Далее выпрямленное напряжение поступает на инвер¬
тор И (рис. 5.16), который подключается непосредственно к сети.
Инвертор может быть выполнен как по схеме инвертора напряжения,
так и тока. Существенное улучшение его характеристик при работе с
сетью, может быть получено с применением схем, выполненных на
полностью управляемых электронных ключах. В этом случае инвер¬
тор сможет работать, генерируя заданные значения активной и реак¬
тивной мощности в сеть. При этом становится возможным обеспече¬
ние высокого качества тока и выдачу энергии из сети для подзаряда
АБ и др.
Возможно в качестве генератора СГ использовать и асинхронную
машину с короткозамкнутым ротором. Но в этом случае возникает
необходимость регулирования амплитуды и частоты сети при пере¬
менной частоте вращения ротора. Однако для этого необходимо при¬
менять различные специальные методы. Например, совместную
работу с выпрямительно-инверторным каскадом. При этом следует
использовать инвертор на полностью управляемых ключах, а при
необходимости и повышающий преобразователь постоянного тока в
постоянный. Однако более перспективной и привлекательной явля¬
ется структура с источником реактивной мощности ИРМ, например,
от источника типа СТАТКОМ. В этом случае асинхронный генератор
АГ может генерировать активную энергию в сеть, получая необходи¬
мую реактивную энергию из этого источника (рис. 5.17).
Учитывая отмеченные трудности в использовании асинхронного
генератора с короткозамкнутым ротором, были разработаны методы
с применением ротора в фазном исполнении. При этом регулирова¬
ние осуществляется за счет изменения скольжения ротора. Сравни¬
тельно простым способом управления скольжением ротора является
Сеть
Рис. 5.16. Структурная схема подключения ВЭУ к сети с использованием уст¬
ройств силовой электроники

270
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
Рис. 5.17. Структурная схема подключения ВЭУ при использовании АГ
ротора:
АД — синхронный двигатель; Ld — сглаживающий реактор; VS — тиристорный
ключ; В — выпрямитель
изменение его эквивалентного электрического сопротивления. Это
может быть сделано, например, посредством импульсного подключе¬
ния к обмотке ротора резистора с электронным ключом, работающим
в режиме периодического шунтирования резистора R регулируемой
скважностью. Это позволяет изменять эквивалентное сопротивление
по требуемому закону (рис. 5.18). При этом в резисторе возникают
потери мощности, переходящие в тепловую энергию. Эти потери
могут быть уменьшены за счет рекуперации выделяемой энергии в
сеть. В этом случае потребителем дополнительной энергии является
сеть потребляющая активную мощность, т.е. энергия возвращается
для дальнейшего ее использования.
Задача управления скольжением может быть также решена
посредством подключения фазных обмоток ротора преобразователя
частоты (ПЧ). При этом другая сторона ПЧ подключается к сети.
В этой схеме при вращении ротора с частотой выше синхронной ПЧ
подает дополнительную энергию ротору, управляя его скольжением
(рис. 5.19).
5.3. Ветроэнергетика
271
Рис. 5.19. Управление частотой вращения асинхронного двигателя посредством
асинхронно-вентильного каскада (АВК) с рекуперацией энергии скольжения
ротора в сеть:
В — неуправляемый выпрямитель; И — инвертор
Принципиально новым эффективным решением является созда¬
ние асинхронизированного синхронного генератора (АСГ) [5.2]. По
своим свойствам асинхронизированный генератор аналогичен асинх¬
ронно-вентильному каскаду. Принципиальным отличием и соответ¬
ственно преимуществом АСГ по сравнению с АВК является наличие
управляемого выпрямителя, что позволяет регулировать не только
активную, но и реактивную мощность, а также частоту вращения
ротора ниже и выше синхронной.
Особенностью управления ветроэнергетических установок (ВЭУ)
является стохастический характер процессов преобразования энер¬
гии ветра в электрическую. В этой связи использование методов
классического автоматического регулирования не может обеспечить
его высокое качество не только в динамических, но и в статических
режимах работы ВЭУ. Наиболее подходящим математическим аппа¬
ратом для проектирования систем управления ВЭУ является «нечет¬
кая» логика [5.5]. В ее основе лежат неопределенные выводы, пред¬
ставленные в форме определенных правил типа «если..., то ...». Эти
правила создаются на основе информации, полученной эксперимен¬
тальным путем, и использования существующего опыта. Они позво¬
ляют формировать базу данных, которая посредством специального
математического аппарата используется для проектирования систем
управления сложных систем с трудно описываемыми возмущениями,
воздействующими на систему.
Для исключения влияния наиболее существенных возмущений,
в частности, кратковременных перерывов поступления энергии ветра
к ВЭУ, эффективно используются различные виды накопителей элек¬
трической энергии и других ее источников. Наиболее распространен¬

272
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
ным видом накопителя является аккумуляторная батарея (АБ), кото¬
рая постоянно должны находиться в заряженном состоянии и всту¬
пать в работу при снижении напряжения на выходе генератора ниже
допустимой нормы. Для этого АБ включают в структуру ВЭУ с допол¬
нительным инвертором для преобразования энергии постоянного
тока в переменный с требуемыми выходными параметрами. Для быс¬
трого подключения АБ используют быстродействующие статические
контакторы. В настоящее время существуют большое разнообразие
видов накопителей, различающихся количеством запасаемой в них
энергии (см. гл. 6). Практически все они выдают энергию на постоян¬
ном токе, т.е. по аналогичной с АБ структурам — инвертор и быстро¬
действующие статически ключи.
При длительных перерывах работы ВЭУ в качестве резервного
источника используется дизель-электрическая станция (ДЭС), запус¬
каемая при необходимости в автоматическом режиме. Затем его гене¬
ратор подключается на выходные шины ВЭУ с отключением от них
генераторы ВЭУ. Длительность работы от ДЭС определяется запа¬
сами топлива для нее, т.е. ДЭС может являться эффективным резерв¬
ным источником при эксплуатации ВЭУ.
5.3.4.	Примеры разработок и применения ВЭУ
Примеры разработок приведены на основе обзора [5.1, 5.2].
В августе 2006 г. в 25 км от берега Шотландии смонтирована ВЭУ с
турбиной RePower 5М для электроснабжения нефтяных платформ в
Северном море. Крупнейшая ветротурбина компании RePower 5М
имеет высоту до втулки турбины около 120 м. Первая такая ВЭУ
была установлена в 2004 г. около АЭС Brunsbuettel вблизи г. Гам¬
бурга. Гондола для ВЭУ транспортировалась на место установки по
каналу Nord-Ostsee, габариты не позволяют пользоваться наземным
транспортом (длина 23 м, ширина 6 м, высота 6,5 м). Лопасти тур¬
бины выполнены из стеклопластика, армированного углеродными
волокнами длиной 61,5 м.
Наибольший в мире в данное время прибрежный ветроэнерге¬
тический комплекс (ВЭК) Roedsand/Nystedt (Дания) мощностью
165 МВт сейчас имеет 72 ВЭУ. Уже к середине было выпущено более
100 таких ВЭУ. Следует отметить, что в настоящее время разрабо¬
тана ВЭУ еще большей мощности с диаметром ротора более 100 м.
Британская фирма DeWind серийно выпускает установки типа
D8/2 MW.
Испанский ведущий производитель Gamesa предлагает в своей
стране ВЭУ мощностью 2 МВт с разными диаметрами турбин.
5.3. Ветроэнергетика
273
Для прибрежных ВЭУ требуется, например, чтобы смена подшип¬
ников производилась в гондоле, высокие требование к системе
смазки и охлаждения.
Крайне высокие требования предъявляются к приводу ВЭУ. За
20 лет более 25 тыс. приводов поставила компания Winergy AG. Ею
применена особая технология обработки поверхностей шестерней,
включающая специальную химическую обработку.
Контроль состояния привода установок 5М ведется системой
мониторинга CMS, включающей, например контроль подшипников
системой фирмы SKF.
Компания Siemens для шведско-норвежской компании ScanWind
поставила систему с генератором на постоянных магнитах для ветро-
установки мощностью 3 МВт. Установка спроектирована в расчете
на высокий КПД и надежность, на малые затраты на уход за ней.
Генератор работает без редуктора, что снимает необходимость час¬
того ухода за ним и его маслохозяйством. Установка успешно рабо¬
тает при малых скоростях ветра и кратковременных его порывах.
Магниты выполнены со специальной шихтовкой, устойчивой к кор¬
розии от влаги и соли в воздухе. Для самого генератора предусмот¬
рена защитная окраска. Управление частотой вращения и работа
параллельно с сетью осуществляется через специальную систему,
обеспечивающую практически синусоидальный ток.
Эта же компания Winwind разработала концепцию низкоскоро¬
стной ветроустановки высокой надежности, среднюю между безре-
дукторными системами и установками с высокоскоростным редукто¬
ром. Такая система позволяет легко получить высокую надежность
редуктора (коэффициент передачи всего 5,71) с использованием гене¬
ратора на частоту вращения 146 об/мин. Синхронный генератор —
с постоянными магнитами, его внешний диаметр — около 2 м
(немного меньший диаметр у одноступенчатой планетарной пере¬
дачи). Применен трехосный роликовый подшипник — опорно¬
направляющий. Между валом генератора и передачей имеется муфта
скольжения, защищающая передачу от усилий при КЗ. Специальная
система непрерывно контролирует зазор генератора. Связь генера¬
тора с сетью осуществляется через преобразователь со звеном посто¬
янного тока на IGBT-транзисторах с выходом на 50 или 60 Гц. Опыт
эксплуатации таких установок: первая на 1 МВт работает с 2001 г.
Сейчас имеется 9 ВЭУ в четырех местах Финляндии.
Оригинальное решение размещения генератора в гондоле принято
в разработанной компанией Clipper Windpower (США) ветроуста-
новке мощностью 2,5 МВт. В гондоле размещены четыре генератора
с постоянными магнитами. Такое решение выгоднее и надежнее, чем

274
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
с одним генератором полной мощности. Простой двухступенчатый
мультипликатор с четырьмя выходами на четыре генератора дал воз¬
можность сделать ВЭУ значительно легче и компактней при повы¬
шенной надежности. Расчетный срок службы привода — 30 лет.
Регулирование мощности установки при изменении скорости ветра
осуществляется включением разного числа генераторов. Диаметр
ротора турбины — 93 м, для разных скоростей ветра может быть и
другой диаметр, в основном расчет на малые скорости ветра.
Применяющиеся во многих ВЭУ асинхронные генераторы (АГ)
заставляют принимать меры по потреблению из сети их реактивной
мощности, что требует наличия специальных средств ее компенсации.
Альтернативой такой схемы является работа статора синхронного
генератора (СГ) на преобразователь частоты (ПЧ) с инвертированием
в сеть на 50 или 60 Гц. Мощность преобразователя при этом равна
полной мощности машины, в то время как для машины двойного
питания преобразователь в цепи ротора обычно имеет мощность до
30 % от полной. Естественно, стоимость установки с преобразовате¬
лем в цепи статора существенно выше.
Еще одним из актуальных вопросов эксплуатации крупных ветро-
установок является защита лопастей ветротурбины от поражения
ударами молнии. Замена лопастей при их длине 30 м и больше тре¬
бует расходов. Компания Lightings Eliminators & Consultants Inc.
(США) разработала разрядник IPG — (Ion Plasma Generator), защи¬
щающий зону около 100 м, т.е. в несколько раз большую, чем у обыч¬
ного молниеотвода. Принцип действия — создание стримерного раз¬
ряда на веерообразном комплексе стержней молниеотвода. Установ¬
ленные на двух ВЭУ разрядники IPG защитили их от ударов молнии,
тогда как работающие в этом комплексе еще 13 незащищенных ВЭУ
подвергались ударам молнии, на одной из них была разрушена
лопасть.
Все большее распространение получают ветроэлектрические ком¬
плексы, размещаемые в прибрежных водах. Пока осваиваются места
для установки ВЭУ с глубиной до 10—20 м. Далее предполагается
освоение более глубоких мест моря.
Для прибрежных ветроустановок предназначаются наиболее мощ¬
ные ветротурбины.
Первый прибрежный ветроэлектрический комплекс (ВЭК) создан
в Великобритании.
В настоящее время мощность прибрежных установок составляет
около 700 МВт, в основном на ВЭК в Дании и 30 ВЭУ Vestas V90 по
3	МВт) в Великобритании.
5.4. Топливные элементы
275
5.4.	Топливные элементы
5.4.1.	Общие положения
Традиционно основная часть электроэнергии получается посред¬
ством преобразования тепловой энергии в механическую, а послед¬
ней в электрическую. Эти процессы протекают за счет сжигания раз¬
личных видов топлива, например, угля, нефти и других видов в целях
дальнейшего использования полученной теплоты для выработки
электроэнергии. При этом происходит загрязнение окружающей
среды продуктами горения и сокращение запасов традиционных
видов топлива. Согласно законам физики коэффициент полезного
действия этих процессов не превышает значения
Т -Т •
max min	/с	л\
Л =	у	,	(5.4)
шах
где Гтах и Jmin — максимальная и минимальная температуры.
Практически ц тепловых установок не превышают 0,4.
Существенно более высокие значения можно получить при произ¬
водстве электроэнергии на основе топливных элементов (ТЭ). При
этом не будут тратиться традиционные виды топлива и отсутствуют
вредные выбросы в атмосферу, т.е. будет сохраняться экологическая
чистота окружающей среды.
Явление, связанное с получением электрического тока из ТЭ,
было впервые продемонстрировано в первой половине XIX в. в Анг¬
лии. Практически первое применение оно нашло в разработках
источников энергии для космических программ. Очевидные преиму¬
щества применения ТЭ для этих целей были в дальнейшем использо¬
ваны для создания новых технологий в области электроэнергетики.
Однако развитие новых технологий для более широкого применения
получило только в последнее десятилетие. Результатом стало исполь¬
зование электроэнергетики на транспорте, в качестве резервных
источников питания и др. Затем динамика развития этих технологий
существенно возрастает, а области применения расширяются. При
использовании ТЭ решаются не только экологические задачи при
выработке электрической энергии, но и повышается эффективность
процесса преобразования энергии. Это достигается более высоким
значением г) топливных элементов по сравнению с тепловыми маши¬
нами, преобразующими тепловую энергию в механическую, а затем в
электрическую.

276
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
5.4.2.	Принцип действия топливных элементов
Основой действия ТЭ является прямое преобразование энергии,
создаваемой химическими элементами в электрическую. Особенно¬
стью этого способа является возможность обратного процесса —
регенерации (электролиза) воды с выделением поглощенного тепла.
При этом происходит разложение полученного продукта, в частности
воды, на исходные элементы топлива — водород и кислород. Таким
образом, ТЭ позволяет получать элементы топлива для их преобразо¬
вания в электрическую энергию, а также решать обратную задачу.
Принцип преобразования энергии посредством ТЭ можно схема¬
тично представить так, как показано на рис. 5.20. Положительный и
отрицательный электроды топливной системы, выполненные из раз¬
личных материалов в виде пластинчатой или трубной конструкции,
разделены областью, заполненной электролитом. Материалы элект¬
родов и вещество электролита существенно различаются в зависи¬
мости от вида топливной системы. Со стороны отрицательного элек¬
трода в топливной системе подводится водород, а со стороны поло¬
жительного — кислород. Электроды многих элементов подобны
пористой мембране, через которую ионы водорода Н+ диффунди¬
руют в электролит и далее к положительному электроду.
Разность потенциалов
I
Вода
Рис. 5.20. Схема топливного элемента
5.4. Топливные элементы
277
В результате между электродами возникает разность потенциалов,
которая может создавать ток во внешней цепи при подключении к
ней нагрузки. При этом отрицательный электрод для внешней цепи
выполняет функции анода, а положительный — катода. В замкнутой
внешней цепи начинает протекать электрический ток. Этому про¬
цессу соответствуют следующие химические реакции:
со стороны анода
Н2 -> 2е~ + 2Н+;
со стороны катода
2Н+ + 2е“ + ^ 02 -> Н20.
В результате реакции получаем
н2 + ^ о2 —»н2о.
В процессе реакции происходит выделение электрической энер¬
гии в электрической цепи, значение которой может быть выражено
следующим соотношением:
AtrH = neNA + AcpaK,	(5.5)
где A Wn — энергия, передаваемая в нагрузку; Дфак — разность
потенциалов между анодом и катодом; пе — число электродов в
молях; Na — число Авогадро.
Таким образом, происходит прямое преобразование энергии
химических элементов в электрическую. При этом конечной продук¬
цией является вода. Благодаря прямому преобразованию энергии
КПД электрохимического генератора (ЭХГ) на ТЭ значительно выше,
чем при традиционных способах получения электроэнергии. Если же
учесть возможность оптимизации процессов для различных видов
ТЭ с учетом одновременного получения тепловой энергии КПД
полезной работы ЭХГ может быть еще больше. При этом необходимо
учесть, что происходящие процессы являются экологически чистыми
и не связаны с расходом традиционных видов топлива. В ЭХГ хими¬
ческие процессы иногда называют «холодным горением». Химиче¬
ские процессы могут быть ускорены катализаторами. Например, на
электродах может быть нанесена тонкая пленка из платины или при¬
менены специальные мембраны, ускоряющие процессы диффузии.
Энергоемкость, эффективность и мощность топливных элементов
определяются их конструкцией, используемыми материалами,
видами катализаторов, рабочей температурой и др.
Типичные зависимости КПД ТЭ от его нагрузки представлены на
рис. 5.21. Из них видно, что максимальное КПД ТЭ реализуется на

278
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
Номинальная мощность, %
Рис. 5.21. Зависимость КПД ТЭ от его нагрузки
малых нагрузках, что повышает эффективность использования ЭХГ
на транспорте, работающего большую часть времени при частичных
загрузках источника энергии двигателя. В любом случае КПД ТЭ
существенно выше, чем КПД при преобразовании тепла в механи¬
ческую энергию. С учетом получения тепла при выработке электро¬
энергии КПД ТЭ может быть больше 1. Учитывая экологическую
чистоту процессов в ТЭ, реверсивность процессов в ТЭ — получение
электроэнергии, тепла и воды с последующим их преобразованием в
водород и кислород для питания ТЭ является одним из наиболее пер¬
спективных источников энергии.
Область применения и возможности ТЭ во многом определяются
их рабочей температурой. Различают низкотемпературные ТЭ (50—
100°С) и высокотемпературные (до 1000 °С). Рабочая температура
существенно влияет не только на используемые в ТЭ материалы и его
конструкцию, но и область применения. Высокотемпературные ТЭ
используются для создания источников энергии большой мощности,
связанных с электросетями посредством силовых электронных пре¬
образователей для передачи и распределения получаемой от них
электроэнергии, а также для обеспечения теплоснабжения объектов
на прилегающих территориях.
5.4.3.	Классификация топливных элементов
Основными типами ТЭ в настоящее время являются:
PEFC (РЕМ) — ТЭ с полимерным электролитом или с проточно¬
обменной мембраной;
5.4. Топливные элементы
27?
AFC — щелочной элемент;
PAFC — фосфорно-кислый ТЭ;
MCFC — расплавкарбонатный ТЭ;
SOFC — твердооксидный ТЭ.
Широкое использование и развитие получили топливные эле¬
менты PEFC (РЕМ). Принцип действия ТЭ, приведенный в начале
этого раздела фактически соответствует этому виду ТЭ. Основой его
конструкции является твердополимерная мембрана с тонким покры¬
тием платины, выполняющим функции катализатора. Превращению
соединений водорода и кислорода в воду платиновый катализатор
также способствует. Рабочая температура — (50—100) °С. Они
успешно используются для питания аппаратуры небольшой мощ¬
ности, включая источники для транспортных средств. Типичное КПД
составляет 40—50 %, но могут достигать 60 % в системах большей
мощности при частичной нагрузке. Проблемы, связанные с хране¬
нием водородного топлива, ограничивают его распространение.
Повышение коэффициента полезного действия РЕМ может быть
достигнуто при переводе его питания на метанол, но это затрудняет
процесс постоянного возобновления топлива из воды, как это имеет
место при использовании водорода. Достоинством этого ТЭ является
низкий диапазон рабочих температур, что позволяет обеспечить быст¬
рый пуск системы, возможность простого обратного преобразования
полученных продуктов при реакции — воды в водород и кислород.
В качестве недостатков отмечают чувствительность РЕМ к оксидам
углерода СО и С02. Защита от их влияния усложняет систему.
Щелочной ТЭ AFC благодаря своим характеристикам первым из
ряда ТЭ был создан для работы в космосе. Функциональные возмож¬
ности, безопасность и относительно низкая стоимость отличали этот
проект. Диапазон рабочих температур соответствовал 55—120 °С, а
КПД 50 %. Основным недостатком является адсорбция щелочью
диоксида углерода С02, что снижает электропроводность электро¬
лита и, следовательно, мощность элемента.
Фосфорно-кислый ТЭ (PAFC) работает при температуре 150—
220 °С с типичным КПД 40 %. Конструкция его близка конструкции
РЕМ. Недостатком является увеличение коррозии из-за более высо¬
кого потенциала на электродах, что требует использования более
стойких к коррозии материалов. Благодаря повышенной, по сравне¬
нию с РЕМ, рабочей температуре он может быть успешно использо¬
ван для комбинированного получения электрической энергии и теп¬
ловой энергии.

280
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
С повышением требований пользователей к мощности систем ТЭ
и их эффективности, а также с расширением функций энергетиче¬
ских источников посредством сочетаний выработки электроэнергии
с получением тепла возрастает интерес к высокотемпературным ТЭ.
При этом необходимо было преодолеть барьеры, связанные с исполь¬
зованием высокотемпературных материалов и конструкций. При
этом, естественно, необходимо было рассчитывать на стационарное
использование крупного промышленного оборудования.
Одним из высокотемпературных ТЭ стал MCFC, работающий при
температуре 600—800 °С. В этом ТЭ расплав карбоната образует рас¬
твор с высокой электрической проводимостью. При этом не исполь¬
зуются дорогостоящие катализаторы. Высокотемпературные про¬
цессы позволили существенно увеличить плотность тока источников
и их мощность.
Наибольшую рабочую температуру имеет ТЭ SOFC, который
соответствует диапазону температур 600—1000 °С. Особенностью
этого ТЭ является использование твердых, непористых металличе¬
ских оксидов циркония Zr02, в частности, металлокерамики.
Эффективность использования ТЭ может быть существенно
повышена, если учесть обратимость электрохимической реакции
используемой для получения электроэнергии. Ранее было показано,
что продукцией этой реакции является вода и тепло, иначе называе¬
мой электролизом. При этом теоретическое КПД может становиться
более 1, если для процесса электролиза используется тепло окружаю¬
щей среды.
Объединяя системы получения электроэнергии в ТЭ и обратного
процесса для получения водорода, посредством электролиза воды,
получают комбинированную систему с расширенными функциями.
Варианты таких систем могут по назначению принципиально разли¬
чаться, например, для получения только тепла или электроэнергии
или совмещать эти функции. Естественно, что структура и состав
системы при этом значительно изменяются с учетом оптимизации
получения численных результатов. При этом могут использоваться и
другие источники электроэнергии с учетом технико-экономических
показателей. Для комбинированных стационарных систем обычно
используются высокотемпературные ТЭ.
5.4.4.	Взаимодействие систем ТЭ с сетью
Установки небольшой мощности (до 10 кВ*А) обычно исполь¬
зуют для подключения к однофазной сети. Напряжение на выходе
устройства на ТЭ соответствует стандартам, принятым в соответ¬
5.4. Топливные элементы
281
ствующем регионе. Источник на ТЭ рассчитывается из условия обес¬
печения среднего значения номинальной мощности, а пики нагрузок
должны покрываться различными видами накопителей электроэнер¬
гии, например, аккумуляторной батареей (АБ). Упрощенная блок-
схема структуры устройства представлена на рис. 5.22. Основными
звеньями силовой части структуры являются преобразователь посто¬
янного тока в постоянный ППТ и инвертор И. Регулирование выход¬
ного напряжения осуществляется как ППТ\ так и инвертором. Оба
выполняются на полностью управляемых электронных ключах,
обычно на полевых транзисторах (МОП) и транзисторах с изолиро¬
ванным затвором IGBT. Схемы преобразователей могут значительно
различаться, но, как правило, используется простейшая схема повы¬
шающего преобразователя напряжения (ПТ) и однофазные схемы
инвертора И с выходным трансформатором. Выходное напряжение
модуля топливного элемента ТЭ в таких устройствах обычно состав¬
ляет 29—30 В. Учитывая, что аккумуляторная батарея АБ должна
обеспечивать покрытие пиков нагрузки, а также то, что подзаряд АБ
происходит от инвертора, переходящего в режим выпрямления, с
более высоким напряжением, чем напряжение ТЭ, мощность должна
в 2—3 раза превышать мощность генерируемой ТЭ.
Для улучшения удельных показателей массы и габаритов уст¬
ройств в настоящее время широко используется включение в состав
системы звена повышенной частоты, на выходе которого включается
трансформатор с требуемым выходным напряжением. В таких струк¬
турах могут быть выходные каналы как постоянного, так и перемен¬
ного тока. В целях улучшения удельных массогабаритных показате¬
лей успешно могут быть использованы и преобразователи постоян¬
ного тока в постоянный с гальванической развязкой. В этом случае к
выходу преобразователя постоянного тока подключается инвертор
без выходного трансформатора.
В системах мощностью более 10 кВт используются соединения
ТЭ с трехфазной сетью. С ростом мощности схемы преобразователей
Рис. 5.22. Структурная схема связи источника на ТЭ с сетью

282
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
постоянного тока в постоянный в основном выполняются с гальвани¬
ческой развязкой выходных шин с источником питания. Схема инвер¬
тора, непосредственно подключаемая к сети или нагрузке, выполня¬
ется также на полностью управляемых ключах соответствующей
мощности. Инверторы должны работать с системой управления,
обеспечивающей четырехквадрантный режим работы схемы. Это
дает возможность не только переходить от выпрямительного к инвер¬
торному режиму работы, но и потреблять или генерировать реактив¬
ную мощность любого знака. При интеграции с сетью инвертор
может выполнять функции корректора реактивной мощности для
улучшения коэффициента мощности cos ф нагрузки и напряжения
сетевого источника. Естественно, что ШИМ и структура схемы
должны обеспечивать требуемое стандартами качество напряжения и
тока на выходе инвертора.
В начале XXI в. началась активная разработка автомобилей с гиб¬
ридными двигателями на основе ТЭ. Для этого надо было создать
условия и возможность получения топлива из продуктов, получае¬
мых на выходе системы ТЭ, т.е. обеспечить получение топлива на
основе тех же самых технологий как стационарного, так и мобиль¬
ного вариантов. В гибридных системах используются не только сис¬
темы с ТЭ с соответствующими силовыми электронными преобразо¬
вателями, но и накопители электроэнергии — АБ или молекулярные
конденсаторы. Это дает возможность при неполных нагрузках двига¬
теля более эффективно использовать ТЭ, КПД которых при неболь¬
ших нагрузках значительно улучшается. В режимах повышенного
потребления в этом случае используются АБ или конденсаторы.
Электроэнергия, забираемая от сети дополнительными устрой¬
ствами, например, нагревательными или микротурбинами и другими
устройствами, входящими в систему с ТЭ, могут обеспечить повы¬
шение КПД системы с ТЭ в целом. Наиболее явно это проявляется
при использовании комбинированных систем, обеспечивающих
получение электроэнергии, тепла и воды посредством применения
высокотемпературных ТЭ.
Мощные гибридные системы (10 МВт и более) комбинированного
типа функционируют с выходным напряжением до 10 кВ, используя
преобразователи на запираемых тиристорах (IGCT) и транзисторах
типа IGBT. Микротурбина имеет генератор, вырабатывающий напря¬
жение, поступающее на трехфазный выпрямитель на общие шины
постоянного тока системы. Выходной инвертор системы, обеспечи¬
вающий ее связь с сетью.
5.4. Топливные элементы
283
5.4.5.	Применение ТЭ в мире
В мире в настоящее время используются две основные области
применения ТЭ: стационарные электроэнергетические установки и
автомобильный привод. Стационарные установки разработаны на
очень широкий диапазон мощностей от десятка киловатт до сотен
мегаватт. Все они в основном ориентированы на получение электро¬
энергии, а также большая часть из них и на обеспечение теплоснаб¬
жения. Экологическая чистота и отсутствие шумов, высокий КПД,
хорошая перегрузочная способность, высокие удельные массогаба¬
ритные характеристики и высокая надежность, а также высокая
динамика снижения стоимости делают этот рынок привлекательным.
Среди систем большой мощности преобладают высокотемператур¬
ные ТЭ типов (MCFC и SOFC). Независимость от традиционных
видов топлива — угля и нефти повышают привлекательность их при¬
менения.
Процесс глобальной автоматизации всех развитых стран приводит
к необходимости интенсивного развития и этого специфического
рынка. Развитие технологий создания новых типов конструкций гиб¬
ридных двигателей для этой области становится особенно актуаль¬
ным. Для автомобилей разных типов и мощностей становится все
более привлекательным переход их питания на ТЭ. Лидером среди
них в этой области применения остается система на основе типа
SPFC. Ресурс двигателей, изготовленных с этой системой питания,
превосходит ресурс всех других систем автомобиля.
Следует отметить, что переход на массовое использование ТЭ,
связан с необходимостью развития технологий получения и хранения
водорода, что в значительной мере может оказаться для многих стран
определяющим фактором использования систем с ТЭ.
Существенным фактором, свидетельствующим о развитии новых
технологических продуктов, является их цена. В этом отношении
динамика цен на изделия с ТЭ показывает устойчивое снижение сто¬
имости систем с ТЭ. На рис. 5.23 приведена диаграмма снижения
стоимости систем на основе типа накопителей энергии за последнее
десятилетие.
В заключение следует отметить, что большое внимание в разви¬
тых государствах к этой проблеме дает основание надеяться на бла¬
гоприятную перспективу развития рассмотренных технологий.

284
Глава 5. Возобновляемые источники энергии
Годы
Рис. 5.23. Диаграмма снижения стоимости MCFC-систем
Контрольные вопросы к главе 5
1.	Перечислите основные виды альтернативных источников электроэнергии.
2.	Поясните принцип действия ФЭП.
3.	При каких условиях с элемента ФЭП поступает максимальная мощность?
4.	Какие статические преобразователи используются при работе ФЭП?
5.	Поясните принцип действия ВЭУ с примером структурной ее схемы.
6.	Поясните принцип функционирования ТЭ.
7.	Перечислите основные типы ТЭ и области их применения.
8.	Как осуществляется связь ТЭ с электрической сетью?
9.	Какие виды статических преобразователей используются совместно с ТЭ?
10.	Назовите области и приведите примеры применения ТЭ.
Список литературы к главе 5
5.1.	Алексеев Б.А. Ветроэнергетика мира и ее проблемы // Энергетика за ру¬
бежом. 2007. № 5. С. 31—47.
5.2.	Алексеев Б.А. Современные ветроэлектрические установки и прибрежные
ветроэнергетические комплексы // Энергетика за рубежом. 2008. № 1. С. 33—48.
5.3.	Jean—Claude Sabonnadiere. Renewable Energies. USA: Wiley, 2009. P. 477.
5.4.	Aldo V. da Rosa. Fundamentals of Renewable Energy Processes. USA:
Academic Press, 2009. P. 827.
5.5.	Прикладные нечеткие системы: пер. с японского / под ред. Т. Тэрано,
К. Асаи, М. Сугэно. М.: Мир, 1993.
5.6.	Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника.
М.: Издательский дом МЭИ, 2009.
Глава 6
НАКОПИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
6.1.	Основные виды накопителей
электрической энергии
Совет по накопителям энергии, созданный в США, называет их
«шестым измерением» производства и распределения электроэнер¬
гии (остальные пять — топливоснабжение, генерирование, передача,
распределение электроэнергии и обслуживание потребителей). Нако¬
пители энергии оптимальным образом соединяют между собой эти
пять основ энергетики. Тем самым оптимизируется инфраструктура
энергетики, в которую вкладываются миллиарды долларов. Накопи¬
тели также играют важную роль в агрегатах бесперебойного питания
(АБП).
В настоящее время используются следующие основные виды
накопителей:
1.	Аккумуляторные батареи — широко распространенное сред¬
ство накопления энергии.
Кроме традиционных кислотных все шире применяются усовер¬
шенствованные аккумуляторы на основе сульфида натрия и никель-
кадмиевые, с лучшими характеристиками и большим сроком службы,
чем кислотные. Внедряются особо компактные ионно-литиевые
аккумуляторы. Цикл накопления энергии — суточный.
Родственны по реакциям химическим аккумуляторам регенера¬
тивные топливные элементы на основе электролитов: бромид цинка,
бромид ванадия или бромид натрия. Разделение электролита в них
осуществляется с помощью ионообменных мембран.
2.	Сверхпроводниковые накопители (СПИН) запасают энергию в
магнитном поле индуктивной катушки из сверхпроводника, образуе¬
мом протеканием постоянного тока. Их главное преимущество —
высокий КПД преобразования (больше 95 %) и возможность выда¬
вать мощность практически мгновенно. Сверхпроводящие накопи¬
тели выдерживают тысячи циклов «заряд-разряд» без каких-либо
последствий для них.
3.	Маховиковые накопители запасают кинетическую энергию при
разгоне ротора, чтобы далее отдать ее в нужный момент в виде элект¬
роэнергии. В качестве разгонного двигателя и средства отбора элект¬

286
Глава 6. Накопители электрической энергии
роэнергии используется обычно вертикальный двигатель-генератор.
Цикл накопления энергии — минуты.
Высокоскоростные маховики изготовляются из совершенных ком¬
позитных материалов с низкой массой и большой прочностью к цен¬
тробежным силам. Они более компактны по сравнению с низкоско¬
ростными, маховик которых выполняется из металла. Недостатком
кинетических накопителей является большая потребность в уходе,
чем для химических аккумуляторов.
4.	Суперконденсаторы — усовершенствованные конденсаторы,
работающие на постоянном напряжении и имеющие очень высокую
плотность заряда благодаря выбору конструкции и обработке матери¬
ала электродов. Емкость таких конденсаторов может достигать
нескольких фарад.
Компания Eestor (США) считает возможным разработать мате¬
риал для суперконденсаторов с удельной энергией 280 Вт • ч/кг, для
литий-ионных батарей эта величина составляет только 120 Вт*ч/кг,
а для кислотных аккумуляторов — только 32 Вт • ч/кг.
Разработанная в университете Arizona технология DESDs (Digitated
Energy Storage Devices) с использованием нанопор в диэлектрике, поз¬
воляет получить в 10 ООО раз большую плотность заряда, чем в обыч¬
ных конденсаторах.
Срок службы суперконденсаторов, как правило, выше, чем обыч¬
ных.
Применяются суперконденсаторы главным образом на электро¬
транспорте, как накопитель для пусковых токов, разгружающий от
них аккумулятор, но есть перспективы использования их и в энерге¬
тике.
Накопители обеспечивают:
управление режимами нагрузки — разряд накопителя во время
пика нагрузки и зарядка в ночное время (выравнивание дневного и
ночного графиков нагрузки);
управление потоками мощности — питание местных нагрузок,
когда с этим не справляется общая сеть;
резерв — возможность быстрого замещения вышедшего из
работы крупнейшего генератора в энергосистеме;
помощь установкам, использующим возобновляемые источники
энергии — выравнивание графика подачи мощности;
повышение возможности передачи электроэнергии — участие в
управлении устойчивостью, регулировании напряжения, частоты и
реактивной мощности, повышающие стабильность работы электри¬
ческих сетей;
6.1. Основные виды накопителей электрической энергии
287
выравнивание графика нагрузки в электрических сетях со значи¬
тельной долей распределенных источников электрической энергии;
повышение качества электроэнергии — поддержание стабиль¬
ности напряжения установкой накопителей, как на питающих
линиях, так и непосредственно у потребителей, особенно при резко
переменном характере нагрузки. Источник мощности для непрерыв¬
ного электроснабжения;
поддержка работы потребителей с режимами частого торможения
и пуска, особенно, в режимах рекуперативного торможения.
Накопители энергии позволяют снизить требования к диапазону
регулирования электростанций, работающих в базисном режиме,
повысить эффективность работы ЛЭП, загрузка которых составляет в
среднем 50—65 % их пропускной способности.
Накопители, как резерв мощности помогут и в случае системных
аварий, так например, воздухо-аккумулирующая электростанция
(ВАЭС) Norton в Охайо мощностью 2700 МВт, создаваемая несколько
лет, имеет целью подключение к сети First Energy Corp., в которой
отказ ВЛ привел к крупнейшей системной аварии в США и Канаде в
августе 2003 г. По мнению специалистов по накопителям и по пере¬
даче электроэнергии ВАЭС Norton могла бы остановить развитие
системной аварии.
Важную роль координации действий отдельных производителей и
потребителей электроэнергии играют накопители в распределитель¬
ных сетях с мелкими генерирующими установками.
Первоочередная задача внедрения накопителей долговременного
цикла за рубежом — резервирование ветрокомплексов.
Выбор системы накопления энергии зависит от потребностей
сети— выравнивание графика нагрузки требует продолжительной
выдачи большой мощности в сеть, обеспечение бесперебойного
электроснабжения критичных к этому потребителей требует выдачи
мощности до включения резервных агрегатов, демпфирование фли¬
кера и подсинхронного резонанса требуют высокого быстродействия
и сравнительно небольшой запасенной энергии.
Соответственно, для суточного регулирования экономически
наиболее целесообразны в настоящее время гидроаккумулирующие
электростанции (ГАЭС) и ВАЭС, для кратковременного регулирова¬
ния — аккумуляторные и сверхпроводниковые накопители.

288
Глава 6. Накопители электрической энергии
Мощность, кВт, МВт
Рис. 6.1. Диаграмма областей применения разных видов накопителей в зависи¬
мости от их мощности и времени разряда накопленной энергии
На рис. 6.1 показаны области применения разных видов накопите¬
лей в зависимости от их мощности и времени разряда накопленной
энергии.
6.2.	Аккумуляторные батареи
6.2.1.	Основные виды аккумуляторных батарей
Свинцово-кислотные аккумуляторы. Обычно типичной ассоциа¬
цией со словом «аккумулятор» являются свинцово-кислотные акку¬
муляторы. Данная электрохимическая система разработана в XIX в.,
с тех пор претерпела множество изменений, но, тем не менее, оста¬
ется одним из самых распространенных типов аккумуляторов ввиду
своей дешевизны, известности, отработанной технологии производ¬
ства. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях (СКА) элект¬
ролитом является раствор серной кислоты, активным веществом
положительных пластин — диоксид свинца РЬО, отрицательных
6.2. Аккумуляторные батареи
289
пластин — свинец РЬ. В процессе заряда и разряда аккумулятора на
электродах происходят электрохимические окислительно-восстано-
вительные реакции, а электролит является средой для транспорта
ионов между электродами. Забегая вперед необходимо отметить, что
любой электрохимический аккумулятор имеет в своем составе эти
элементы, выполняющие те же самые функции, меняются только
применяемые вещества. Как уже говорилось выше, СКА достаточно
широко известны и распространены, однако, наряду с достоинствами
обладают и крупными недостатками — малой энергоемкостью (на
уровне 10—30 Вт*ч/кг), в них используется токсичный свинец, что
создает определенные трудности при утилизации отработавших
ресурс устройств, малое количество циклов заряд-разряд и низкая
глубина разряда у большинства их разновидностей.
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи используются в
самых различных областях, за исключением портативных — там
серьезным препятствием является их низкая удельная энергоемкость.
Отдельно можно выделить стартерные, тяговые и буферные СКА.
Первые используются для запуска двигателей автомобилей, поэтому
рассчитаны на разряд относительно высокими токами имеют тонкие
электродные пластины. Их удельная энергоемкость выше, чем у ста¬
ционарных аккумуляторов. Стационарные аккумуляторы наоборот
рассчитаны на длительный разряд относительно малыми токами,
глубина их разряда несколько выше, а массогабаритные характерис¬
тики хуже. Тяговые аккумуляторы занимают промежуточное положе¬
ние между этими двумя типами и предназначены для использования
на цеховом транспорте (электрокары, погрузчики), до недавнего вре¬
мени также широко использовались на электротранспорте. Разли¬
чают СКА закрытого и открытого типа. В режиме, когда напряжение
на элементе аккумулятора превышает 2,4 В, начинается электрохи¬
мическое разложение электролита, что приводит к выделению водо¬
рода. В аккумуляторах открытого типа газ сбрасывается в окружаю¬
щую среду через специальные пробки, снабженные клапанами.
В таких аккумуляторах необходимо контролировать уровень и плот¬
ность электролита и периодически восполнять потери воды. Поэтому
такие аккумуляторы считаются обслуживаемыми. Наиболее распро¬
странены аккумуляторы открытого типа в стационарных условиях,
таких как системы бесперебойного питания. Целесообразность
отхода от обслуживания системы привела к появлению аккумулято¬
ров закрытого типа — со встроенными рекомбинаторами продуктов
электролиза. Кроме того, произошел переход от жидкого электролита
к гелиевому или адсорбированному в матрице (например, ткани на

290
Глава 6. Накопители электрической энергии
основе стекловолокна). Такие аккумуляторы получили возможность
работы в любом положении относительно горизонтальной поверх¬
ности, так как электролит перестал представлять собой свободную
жидкую фазу [6.1]. Разрабатываются и применяются новые добавки в
состав электродов и электролитов, позволяющие увеличить допусти¬
мую глубину разряда и ресурс. В настоящее время доступны аккуму¬
ляторы с улучшенными ресурсными характеристиками, достигаю¬
щими 3000 циклов при глубине разряда 50 %.
Никелъ-кадмиевые аккумуляторы также известны достаточно
давно. Принцип действия основан на формировании гидроокиси кад¬
мия на аноде и гидрооксида никеля — на катоде.
Их энергоемкость почти в 2 раза выше, чем СКА, они работоспо¬
собны при низких температурах, при этом допустимые токи заряда и
разряда также существенно выше. Эти достоинства позволили
никель-кадмиевым аккумуляторам найти широкое применение на
транспорте, в авиации и стационарных системах [4.6, 6.1]. В то же
время никель-кадмиевым аккумуляторам присущ такой недостаток
как эффект памяти — энергоемкость резко падает при неполном раз¬
ряде или заряде, для ее восстановления требуются специальные алго¬
ритмы заряда. Таким образом, длительное хранение никель-кадмие-
вых аккумуляторов возможно только в полностью заряженном состо¬
янии. Также существенным является то обстоятельство, что смена
полярности аккумулятора приводит к обильному газовыделению и
разрушению аккумулятора. Такая ситуация возможна при снижении
напряжения на нескольких элементах, соединенных последовательно
в батарею. При этом оставшиеся элементы начинают работать на
заряд «отстающих», что и приводит к смене полярности. При дли¬
тельном хранении никель-кадмиевых аккумуляторов возможен рост
дендритных кристаллов между электродами, сопровождающийся
механическим повреждением сепаратора и замыканием электродов,
что выводит аккумулятор из строя [4.6].
Литий-ионные аккумуляторы. Принцип действия данной элект¬
рохимической системы основан на интеркаляции ионов лития в раз¬
личные соединения при разных электрохимических потенциалах.
Сам по себе литий является достаточно активным металлом, поэтому
до конца 70-х годов XX в. он использовался только в одноразовых
первичных источниках тока. Открытие явления обратимой интерка¬
ляции лития в углерод, а позже — кобальтит лития позволило создать
аккумулятор на его основе.
6.2. Аккумуляторные батареи
291
Транспорт ионов лития между электродами осуществляется пос¬
редством органического электролита, включающего в себя смесь
органических растворителей и соли лития.
Применение органических электролитов позволяет повысить
напряжение на единичном элементе до 3—4,5 В по сравнению с 1—
1,5	В для кислотных и щелочных систем. При заряде аккумулятора
происходит интеркаляция ионов лития в анодный материал (обычно
используется углеродный анод). При разряде ионы лития деинтерка-
лируются и переносятся на катод, а высвободившиеся электроны
формируют электрический ток во внешней цепи. Для данного типа
аккумуляторов характерны высокая энергоемкость, глубокие циклы
заряда-разряда (70—80 %), отсутствие эффекта памяти. В то же
время ресурс и стоимость таких аккумуляторов зависят от типа элек¬
трохимических систем, применяемых на катоде и аноде, а также от
температуры и режимов эксплуатации. Повышение температуры при
эксплуатации или даже хранении существенно снижает ресурс и уве¬
личивает скорость саморазряда [4.6, 6.1].
Видно, что системы с высокой энергоемкостью имеют меньший
ресурс и допускают разряд меньшими токами. Применение в каче¬
стве анодного материала наноструктурированного титаната лития
(LiTiO) позволяет, согласно [6.1, 6.2] увеличить ресурс до 12 000
циклов, но со снижением энергоемкости до 70—80 Вт • ч/кг.
Несмотря на высокие удельные характеристики, до середины
2000-х годов литий-ионные аккумуляторы применялись в основном в
портативных электронных устройствах. Использование в качестве
основного катодного материала дорогого и взрывоопасного кобаль-
тита лития являлось главным ограничением на число элементов в
батарее. К тому же такие батареи требовали сложной системы конт¬
роля и управления, не допускавшей:
чрезмерного разогрева элементов;
высоких значений токов заряда и разряда;
существенной разницы напряжений между отдельными элемен¬
тами батареи.
Нарушение любого из этих требований обычно ведет к взрыву
элемента. Понятно, что в таких условиях о крупных накопителях на
основе литий-ионных аккумуляторов не могло быть и речи. Ситуация
начала кардинально меняться с появлением и отработкой новых
катодных материалов — оливиноподобных структур (например,
допированного литием фосфата железа) и шпинелей, что позволило
повысить безопасность, ресурсные характеристики и понизить стои¬
мость батарей без существенного снижения энергоемкости. Приме¬

292
Глава 6. Накопители электрической энергии
нение титаната лития на аноде аккумулятора позволило расширить
температурный диапазон и достичь ресурса более 6000 циклов при
существенной глубине разряда и высоких значениях токов.
Решение вопросов безопасности привело к проникновению
литий-ионных аккумуляторов в нишу источников питания для элект¬
ромобилей. Применения, связанные с электротранспортом, развива¬
ются двумя путями — создание высокомощных аккумуляторов для
применения в бортовых энергоустановках электромобилей и высоко¬
емких систем для зарядных станций. Проблема организации работы
зарядных станций крайне важна как для индустрии электротранс¬
порта, так и оптимизации работы городских сетей.
Натрий-серные аккумуляторы. Начиная с конца 70-х годов XX в.
в США, Европе, Японии и СССР вели разработки в области высоко¬
температурных натрий-серных аккумуляторов. В некотором роде
данный тип аккумуляторов является аналогом литий-ионных — в
разряженном состоянии натрий образует с серой химическое соеди¬
нение (полисульфид натрия), в заряженном — сера и натрий пред¬
ставлены в виде чистых веществ, разделенных керамической мемб¬
раной. Есть ряд существенных отличий — электролит в данной сис¬
теме керамический, что обусловливает высокую рабочую темпера¬
туру аккумулятора (290—360 °С). Теоретическая энергоемкость
данной системы может достигать 925 Вт • ч/кг, однако в реальности
достигнуты гораздо меньшие цифры — 150—100 Вт*ч/кг [4.6, 4.8].
Такие характеристики не могли не привлечь внимания разработчиков
электротранспорта, так как в то время литий-ионные аккумуляторы
еще не были достаточно изучены. Одним из пионеров в данной
области была американская компания Ford Motor Со. Были созданы и
испытаны прототипы автомобилей, однако, целый ряд проблем, свя¬
занных прежде всего с вопросами безопасности (элементные натрий
и сера представляют собой крайне активные вещества) и поддержа¬
нием рабочей температуры в течение длительного времени привели к
тому, что разработки транспортных систем пошли по пути замены
серного электрода на натрий-никель-хлоридный, что позволило
несколько снизить рабочую температуру и уйти от присутствия чис¬
той серы в системе. В настоящее время этот проект известен под
названием ZEBRA. Однако в конце 80-х гг. XX в. интерес к натрий-
серным аккумуляторам снова возрос — интенсивно развивалась
возобновляемая, прежде всего — ветровая энергетика, а доступные
на тот момент свинцово-кислотные и никель-кадмиевые аккумуля¬
торы существенно уступали как по удельным характеристикам, так и
по ресурсным показателям. Поэтому дальше эта ветвь аккумуляторов
6.2. Аккумуляторные батареи
293
развивалась исключительно в применении к традиционной и возоб¬
новляемой электроэнергетике. Достигнутые на практике ресурсные
характеристики демонстрируют значения от 2000 до 4000 циклов при
глубине разряда до 80—90 %.
6.2.2.	Применение аккумуляторных батарей
Кислотные аккумуляторы. Одно из старейших средств накопле¬
ния электроэнергии кислотно-свинцовые аккумуляторы широко при¬
меняются в системах вторичного питания на электростанциях и под¬
станциях — они составляют более половины всех аккумуляторов.
Главное преимущество таких накопителей — дешевизна. В дальней¬
ших разработках электрохимических накопителей задача — сниже¬
ние требуемого объема и массы и продление срока службы. Большая
масса и малая плотность заряда — недостатки кислотных аккумуля¬
торов, еще один недостаток — вредность химических веществ, выде¬
ляемых при эксплуатации. Основные типы — аккумуляторы водона¬
ливные и герметизированные с клапаном, не требующие доливки.
Типичный КПД кислотных аккумуляторов 80—85 %, главное при¬
менение — накопление и выдача энергии, а не выдача мощности:
продолжительность разряда обычно 1 ч и более, работа в режиме раз¬
ряда быстрее, чем 15 мин возможна, но нецелесообразна. Мощность
накопителя существенно падает с ростом тока разряда. Срок службы
кислотных аккумуляторов сравнительно невелик, до 10 лет, они
допускают несколько тысяч циклов «заряд-разряд», срок службы
зависит от глубины разряда. В работе имеется значительное число
установок мощностью 10—50 МВт.
Крупнейшим в Европе накопителем такого рода, использовав¬
шимся с 1987 по 1992 г. для регулирования частоты в островной
энергосистеме и как мгновенный резерв мощности, является уста¬
новка в энергокомпании BEWAG в Западном Берлине. Мощность
установки — 17 МВт, запасаемая энергия — 14,4 МВт.
Аккумуляторная установка в сети 220 кВ компании «California
Edison Со», (США), работающая с 1986 г., имеет мощность 10 МВт,
запас энергии 40 МВт • ч и используется для выравнивания графика
нагрузки и регулирования частоты в энергосистеме. Для той же цели
введена в строй с 1995 г. установка вдвое большей мощности в энер¬
госистеме о. Пуэрто-Рико. Установка используется для выравнивания
графика нагрузки и регулирования частоты в сети.
Никель-кадмиевые батареи. Эффективный накопитель энергии
NiCd-батареи, обладает высокими характеристиками заряда при тем¬

294
Глава 6. Накопители электрической энергии
пературах от -20 до -40 °С. Мощные NiCd-батареи применяются
наравне с кислотными аккумуляторами. Удельная стоимость их по
емкости существенно выше, чем у кислотных аккумуляторов, однако
часто решает преимущество длительного срока службы — более
10 ООО циклов при глубине разряда до 80 %. Недостаток — примене¬
ние вредного кадмия, требующее специальных мер безопасности при
изготовлении.
Коэффициент полезного действия NiCd-батарей 79 %, что опре¬
деляется низким номинальным напряжением элементарных ячеек
батареи.
Пример применения никель-кадмиевых аккумуляторов — самая
большая в мире аккумуляторная установка, которую ввела в строй
компания «GVTA» в Фербенксе на Аляске для бесперебойного пита¬
ния и стабилизации напряжения у местной сети. Необходимость
непрерывного питания сети определяется тем, что при возможных
там температурах -50 °С перерыв питания означает катастрофу:
водопроводная система при этом замерзла бы за 2 часа. Установка в
течение 3 мин выдает мощность 46 МВт, в течение 7 мин — 40 МВт,
в течение 15 мин — 26 МВт. При длительном перерыве питания
далее включается резервный дизель-генератор. Установка имеет
13760 банок никель-кадмиевых батарей. Номинальное напряжение
5	кВ, емкость 3680 А • ч. Охлаждение каждой банки — водяное.
Аккумуляторы допускают глубокий разряд и имеют высокую надеж¬
ность, срок службы до 25 лет. Преобразователь установки выполнен
фирмой АВВ на IGCT-тиристорах, через преобразовательные тран¬
сформаторы установка работает на сеть 138 кВ.
Кроме поддержания непрерывного питания сети, установка
выполняет и другие функции: вращающийся резерв (ввод при
58,9	Гц, полная мощность — при 59,4 Гц), стабилизация качаний в
сети, поддержка при коммутационных процессах, регулирование
частоты и реактивной мощности, стабилизация напряжения при пус¬
ках крупных электродвигателей мощностью 4—6 МВт.
Выбор момента подзаряда производится по указаниям диспет¬
чера. По расчетам, перерывы электроснабжения при работе уста¬
новки на полную мощность снизятся на 60 %.
Занимаемая установкой площадь 120x26 м, масса — 1300 т, стои¬
мость 35 млн долл., из них батареи — 10 млн долл., силовое элект¬
ронное оборудование — 8 млн долл. Как крупнейшая аккумулятор¬
ная установка, батарея зарегистрирована в книге Гиннеса. До этого
рекордной была установка в Пуэрто-Рико на 21 МВт, введенная в
работу в 1994 г.
6.2. Аккумуляторные батареи
295
Литий-ионные батареи. Важнейшая накопительная техника для
портативных устройств — мобильники, ноутбуки, благодаря очень
высокой удельной плотности заряда по массе. Возможно и примене¬
ние в стационарных установках. Время разряда допустимо 15 мин и
менее, КПД 90—95 %, емкость — 1кВт • ч и больше.
На первой гибридной системе питания собственных нужд под¬
станции в Южной Калифорнии (США), установлена система накопи¬
телей на литий-ионных батареях и для системы мощностью 1 МВт
используются литий-титанатовые батареи.
Совсем новая разработка (Япония) — никель-литиевые аккумулятор¬
ные батареи обладают значительными преимуществами по сравнению с
применяемыми в настоящее время, их удельная емкость в 3,5 раза
больше, чем у литий-ионных батарей. Назначение разработки — авто¬
мобильные аккумуляторы (никель-литиевые батареи позволяют иметь
пробег до 700 миль, для литий-ионных — 200 миль).
Предполагаемые сферы применения таких аккумуляторов —
замена вращающегося резерва, выравнивание графиков нагрузки,
повышение качества энергоснабжения потребителей, источники
непрерывного питания. Основной производитель литий-ионных
аккумуляторов — компания Saft (США).
Серно-натриевые батареи и батареи Zebra. NaS-батареи и
натрий-никель-хлоридные (NaNiCl — Zebra) являются высокоэффек¬
тивными батареями с жидким электролитом. Для поддержания жид¬
кого состояния электролит подогрет до 270—350 °С. В холодном
состоянии заряд и разряд батарей невозможен из-за возникновения
механических усилий, разрушающих керамику. Батареи рассчитаны
на суточный режим работы. Удельная плотность заряда у NaS-бата-
рей в 3 раза выше, чем у кислотных аккумуляторов.
Энергокомпания АЕР уже имеет несколько установок мегават-
тного класса на усовершенствованных NaS-аккумуляторах с твердым
электролитом компании NGK-Insulators. На подстанции Bluffton
работает такая установка мощностью 2 МВт в рамках проекта Smart
Grid SC. Потребность энергокомпании АЕР в накопителях — на
общую мощность около 1000 МВт.
В Европе Zebra-батареи применяются в электроавтомобилях, КПД
высокотемпературных батарей 70—80 %.
В Японии NaS-батареи широко распространены и применяются
для коррекции графика нагрузки, в источниках бесперебойного пита¬
ния, а также как резервная мощность. В стране имеется более 190
установок общей мощностью 270 МВт.

296
Глава 6. Накопители электрической энергии
Японская компания NGK Insulators Ltd выпускает по 50 МВт бата¬
рей в год. В энергокомпании ТЕРСо два накопителя по 6 МВт
используются для выравнивания графика нагрузки, с помощью таких
батарей осуществляется демпфирование изменений напряжения на
ветрокомплексе острова Hachijo.
Проект суперветрокомплекса Tehachapi — 4500 МВт от 3000 ВЭУ
с накопителями до 750 МВт в США предполагает также широко
использовать для накопителей усовершенствованные аккумулятор¬
ные батареи.
6.3.	Суперконденсаторы
6.3.1.	Принцип действия
Конденсатор является накопителем электрической энергии, полу¬
ченной из ее источников. Накопленная энергия в конденсаторе хра¬
нится в виде статического электромагнитного поля и накопление ее
не связано с физическими процессами преобразования других видов
энергии в электрическую. Большим преимуществом этого способа
является возможность высокого быстродействия протекания процес¬
сов заряда-разряда конденсатора. Поэтому использование конденса¬
торов в качестве накопителей электрической энергии давно привле¬
кало внимание разработчиков электрических систем. Однако запаса¬
емая энергия в конденсаторах зависит от их геометрических разме¬
ров и используемых материалов электролитов. Поэтому традиционные
виды конденсаторов имеют плохие удельные показатели массы и
объема. Наилучшими из них являются электролитические конденса¬
торы, которые используются в качестве накопителей для регуляторов
реактивной мощности типа СТАТКОМ.
Однако созданные в последнее десятилетие молекулярные супер¬
конденсаторы позволяют в сотни раз улучшить удельные показатели
некоторых видов конденсаторов за счет использования новых техни¬
ческих решений из области нанотехнологий. Эти конденсаторы
выполнены в виде двухслойных конструкций, состоящих из двух
электродов, выполненных из материала, содержащего углерод и элек¬
тропроводящие полимерные пленки. Пространство между электро¬
дами заполнено электролитом и разделено пористой мембраной
(рис. 6.2). Диаметр пор мембраны соответствует размерам ионов
электролита, вследствие чего они могут проникать от одного элект¬
рода к другому. По существу мембраны позволяют получить эффект
микрорасстояния между электродами и существенно повысить
емкость конденсатора. В результате в конденсаторе при приложении
к электродам напряжения на их границах создается двойной электри-
6.3. Суперконденсаторы
297
Рис. 6.2. Детали конструкции двухслойного суперконденсатора
ческий слой, который можно рассматривать как конденсатор с двумя
обкладками. Так как расстояние между обкладками очень мало и
измеряется ангстремами, емкость образованного двойного слоя
велика и энергия, запасенная ими, достигает больших величин.
Согласно [6.1—6.3] их удельная емкость составляет более 100 Ф/г.
Упрощенная электрическая схема представляет собой два последова¬
тельно соединенных конденсатора, через электрически проводящий
электролит, каждый из которых соответствует отдельному конденса¬
тору с двойным электрическим слоем на поверхности каждого элект¬
рода. В зависимости от вида электролита удельная емкость в этих
конденсаторах может изменяться от 40 Ф/г до 175 Ф/г, а напряжение
на одном элементе соответствует примерно 1 В для конденсаторов с
жидким электролитом, 3—3,5 В с органическими [6.1, 6.3].
По удельным характеристикам запасаемой энергии суперконден¬
саторы существенно уступают аккумуляторным батареям (АБ), а по
удельной мощности значительно превосходят их. Иначе говоря, АБ
выгодней использовать для длительного питания малыми токами
нагрузки, а суперконденсаторы — большими токами в течение корот¬
кого времени. По развиваемым разрядным токам суперконденсаторы
превосходят практически все известные накопители. Следует также
отметить высокие эксплуатационные свойства суперконденсаторов.
Они не требуют специального обслуживания, имеют большое число
зарядно-разрядных циклов (более 100 000) и высокий КПД.
6.3.2.	Примеры применения суперконденсаторов
Двухслойные конденсаторы корпорации Meidensha типа EDLC
используются в установке для покрытия провалов напряжения,
70 ячеек по 4,5 Ф 160 В позволяют гасить провалы длительностью
1	с на 6600 В при нагрузке 10 MB • А.

298
Глава 6. Накопители электрической энергии
Исследования университета Marjland показывают, что применяя
нанотехнологию, есть возможность запасать в 100 раз большую энер¬
гию по сравнению с обычными конденсаторами. Такой конденсатор
имеет очень большую поверхность электродов, их материал имеет
нанопоры диаметром 50 нм и длиной 30 мкм. Полоска шириной
125 мкм имеет площадь электрода в 250 раз больше, чем у обычного
конденсатора таких размеров, емкость полоски около 100 мкФ/см .
Суперконденсаторы могут выдерживать большое число циклов
«заряд-разряд» без разрушения, надежны и долговечны, они имеют
наивысшую плотность заряда из всех типов конденсаторов и соот¬
ветственно, самую низкую удельную стоимость на единицу емкости.
При одних и тех же габаритах, сравнение обычного типичного элект¬
ролитического и суперконденсатора одних габаритов следующие,
первый имеет емкость 0,1 Ф при напряжении 16 В и накапливает
энергию 12,8 Дж, суперконденсатор — 800 Ф на 2,5 В и 2500 Дж.
Первое применение суперконденсаторов — пусковые батареи для
двигателей внутреннего сгорания, параллельно включенные аккуму¬
ляторы могут при этом выбираться на значительно меньшие токи.
Далее они нашли себе применение для компенсации напряжения в
слабых транспортных сетях.
Практический пример — на промежуточной подстанции троллей¬
бусной сети в Лозанне. Статический тиристорный компенсатор
содержит суперконденсаторы на 21 МДж (5,7 кВт • ч) 4800 элемен¬
тов по 2600 Ф/2,5 В. Их масса 2,5 т, объем — 2 м3.
Изготовляемые в России суперконденсаторы типа ИКЭ, применя¬
емые для пуска двигателей внутреннего сгорания и других целей
имеют энергоемкость от 1 до 120 кДж, при плотности энергии от 0,5
до 4,5 Дж/см2.
К примеру, конденсатор ИКЭ 60/28 имеет следующие параметры:
28 В, 160 Ф, максимальный ток 4600 А, масса 38 кг.
Суперконденсаторы относятся к разряду накопителей короткого
времени и конкурируют с маховиками и СПИН, однако более компак¬
тны и просты: маховики имеют 630 Вт/дм3 занимаемого простран-
3
ства, а суперконденсатор — 2000 Вт/дм .
Все эти свойства делают их весьма привлекательными для исполь¬
зования в энергосистеме, как средство влияния на режим ее работы.
Возможные применения суперконденсаторов в энергосистеме и
требуемые при этом их параметры приведены в табл. 6.1.
6.4. Сверхпроводящий индуктивный накопитель (СПИН)
299
Таблица 6.1. Функции суперконденсаторов в системах электроснабжения
Функции накопителя
Мощность
Энергия
Демпфирование колебаний мощ¬
ности в системе (разряд менее 5 с)
100 МВт
500 МДж
Поддержка при перерывах питания
до старта резервного дизеля
20—100 МВт
300—1500 МДж
Регулирование частоты в системе
(поглощение или выдача энергии)
100—1000 МВт
0,4—40 МДж
Обеспечение качества электроэнер¬
гии в составе динамического стаби¬
лизатора напряжения DVR
1—5 Вт
10—50 МДж
6.4.	Сверхпроводящий индуктивный накопитель
(СПИН)
6.4.1.	Принцип действия
Энергия Е, запасаемая в электромагнитной катушке, определяется
соотношением
E=\ll2,	(6.1)
где / — ток, протекающий в катушке; L — индуктивность катушки.
Согласно (6.1) повышением тока/можно увеличивать запасенную
в индуктивной катушке энергию. Ограничением тока является актив¬
ное сопротивление катушки, определяемое материалом, из которого
она изготовлена, и его геометрическими параметрами — площади
сечения и длины. Основной причиной этого ограничения будет выде¬
ление тепла, создаваемого активными потерями мощности. В то же
время эта проблема может быть решена за счет уменьшения сопро¬
тивления или повышения его проводимости. Таким образом, пони¬
жая температуру окружающей катушку среды, при достижении опре¬
деленного низкого уровня температуры можно получить эффект
исчезновения электрического сопротивления. Это явление называ¬
ется сверхпроводимостью. Оно наступает при разных значениях кри¬
тических температур в зависимости от вида металла или сплавов, из
которых выполнена катушка.
Эффект сверхпроводимости положен в основу создания электро¬
магнитных систем, охлажденных специально до очень низких темпе¬
ратур, называемых криогенными, создаваемых охлаждающими уст¬

300
Глава 6. Накопители электрической энергии
ройствами, например, посредством использования жидкого гелия,
жидкого азота и др.
Сверхпроводниковые устройства разделяют на две группы: низко¬
температурные (НТСП) и высокотемпературные (ВТСП). Первая
группа работает при температуре 4 К, создаваемой жидким гелием, в
вторая — при температуре 77 К, создаваемой жидким азотом [3.3J.
Основным материалом для НТСП являются сплавы Bd—Ti. Сплавы
для ВТСП более разнообразны и охлаждаются жидким азотом.
В настоящее время СПИН могут быть созданы на базе НТСП-
материалов.
Первые СПИН были созданы в начале 80-х годов XX в. В это
время было затруднительно реализовать связь накопителя с стюс
обеспечением требуемого качества электроэнергии при заряде СПИН
от сети и отдаче его энергии в сеть. Причиной тому было отсутствие
мощных полностью управляемых полупроводниковых приборов.
Освоенные в то время промышленностью тиристоры ограничивали
возможности статических преобразователей в функциональных
решениях и обеспечение требуемого качества электроэнергии на сто¬
роне переменного тока преобразователя, связанного с сетью. Разви¬
тие силовой электроники дает возможность сегодня использовать в
преобразователях запираемые тиристоры типа ЮСТ большой мощ¬
ности. Это позволяет реализовать управление потоком энергии
СПИН по требуемым законам посредством импульсной модуляции
тока на повышенных частотах. Следует отметить, что трехфазный
преобразователь работает в четырех областях комплексной плос¬
кости параметров переменного тока. Для повышения мощности
таких преобразователей успешно используется технология много¬
уровневых преобразователей. При использовании коммутации на
повышенной частоте становится возможным повысить его быстро¬
действие и качество регулирования выходных параметров.
В результате применения такого преобразователя для связи СПИН
и трехфазной сети можно обеспечить следующие функции работы
системы:
разряд СПИН (инвертирование);
заряд СПИН (выпрямление);
регулирование активной мощности в обоих направлениях от сети
к СПИН и наоборот;
компенсацию реактивной мощности в сети и потребителях;
компенсацию кратковременных, глубоких провалов и исчезнове¬
ния напряжения сети;
6.4. Сверхпроводящий индуктивный накопитель (СПИН)
301
активную фильтрацию высших гармоник тока в низкочастотной
части его спектра;
обеспечить быстродействующую защиту СПИН.
На рис. 6.3 приведены схема преобразователя совместно со СПИН
и диаграмма процессов в режимах заряда СПИН, полученные при
моделировании системы.
Важным свойством СПИН, подключенного к сети, является его
способность обеспечивать динамическую устойчивость системы
после больших возмущений, например, возникновения КЗ. До воз-
'М
'М
JI
I
1
I
1
■
■
Л
if
1 II
1' IV 1
ИП
I
if
1
\ ltdl.il A i
0,06	0,1	0,14	0,18	0,22	0,26	t, с
б)
Рис. 6.3. Схема регулятора для СПИН (а) и диаграммы его работы в режиме пот¬
ребления активной мощности (б):
Ря — мощность нагрузки; /н — ток нагрузки; U — напряжение сети

302
Глава 6. Накопители электрической энергии
никновения аварии СПИН может работать в режиме выдачи энергии.
После ее возникновения он переводится в режим потребления энер¬
гии, создавая дополнительную нагрузку на генераторы электростан¬
ции, так как в системе возникает избыток энергии из-за отключенной
нагрузки. Как только угловая скорость ротора генератора начинает
увеличиваться СПИН отключается или переводится в режим работы
с отдачей электроэнергии. Энергоемкость СПИН должна обеспечить
три цикла автоматического повторного включения [4.8].
6.4.2.	Применение СПИН
Сверхпроводниковые индукционные накопители энергии без
потерь запасают и отдают электроэнергию с высокой скоростью и
при неограниченном числе циклов «заряд-разряд».
Наиболее известной из ранних СП-установок для регулирования
режима в энергосистеме, введенной в работу в 1985 г. энергокомпа¬
нией «ВРА» является накопитель с энергией 30 МДж на тихоокеан¬
ской межсистемной связи, предназначенный для демпфирования
колебаний из-за подсинхронного резонанса.
Сверхпроводниковые индукционные накопители большой мощ¬
ности могут быть средством управления перетоками активной мощ¬
ности по межсистемным связям энергообъединений. Специалисты
ОАО «Институт Энергосеть проект» считали возможным применение
накопителей 3000—4500 МДж для управления перетоками при
параллельной работе сетей ЕЭС России и Европы при приемлемых
экономических характеристиках.
В настоящее время основной производитель сверхпроводниковых
накопителей в мире — корпорация American Superconductor (ASC).
Она же выпускает с 2001 г. преобразователи типа Power Module для
связи СП-накопителей с сетью на IGBT-транзисторах.
Один из первых СП-накопителей для повышения качества элект¬
роэнергии введен в работу в 1995 г. Накопитель мощностью 1,4 МВт
поддерживает питание при кратковременных перерывах энергоснаб¬
жения на заводе кремниевых пластин (г. Сэйлем, США).
Первый в Европе СП-накопитель такого рода установлен в Авст¬
рии в 1999 г. на заводе, производящем алюминиевое литье под давле¬
нием. СПИН мощностью 2 МВт с накоплением энергии 2,7 МДж
установлен в ЮАР для защиты от кратковременных перерывов
напряжения питания бумагоделательных машин на заводах SAPPI.
Корпорация ASC выпускает накопители для повышения качества
электроэнергии типа PQ-SMES с 1990 г. Их мощность 3—10 МВт, с
6.5. Маховики
303
помощью параллельного включения преобразователей на ЮВТ-тран-
зисторах можно стыковать по несколько катушек, получая необходи¬
мую мощность. СПИН размещается на 15-метровом трейлере. При¬
мер массового применения продукции ASC — система распределен¬
ных накопителей энергии D-SMES в северной части электрических
сетей 110 кВ энергокомпании Wisconsin HS, максимальная нагрузка
которых составляет 200 МВт. Установлено шесть накопителей, под¬
держивающих напряжение в сети. Катушка накопителя — на ниобий-
титановом СП-накопителе, охлаждаемая жидким гелием до 4,2 К,
токоподводы — на ВТСП. Мощность, выдаваемая каждым СПИН —
2	МВт, в течение 1 с выдается реактивная мощность 2,8 MB • А. Тре¬
бования к СПИН — поддержание напряжения 90 % в течение 0,5 с и
95 % — в течение 5 с. Тот же результат по повышению надежности
питания в этой сети мог быть достигнут с помощью прокладки
дополнительной BJI 345 кВ и BJI 46 и 110 кВ. В этом случае расходы
составили бы 15 млн долл., а затраты на 6 СПИН составили лишь
4	млн долл.
Вариант быстродействующего накопителя ASC разработан для
регулирования напряжения в сети путем добавления реактивной
мощности в динамике. Система D-VAR использует силовой преобра¬
зователь накопителя D-SMES, но работает только на отдачу реактив¬
ной мощности от 4 до 8 Мвар. Система мощностью 8 Мвар кратков¬
ременно может выдавать 18 Мвар. Наилучшее решение проблемы
надежности электроснабжения дает комбинация накопителей D-VAR
и D-SMES. Следует отметить, что широкое применение СПИН свя¬
зано с возможностью их создания на базе ВТСП.
6.5.	Маховики
6.5.1.	Принцип действия
Маховик — одно из популярных устройств накопления энергии.
Он имеет вековую историю накопления энергии во вращающемся
диске. Возможность преобразования этой энергии в электрическую
получила реализацию в электроэнергию в 70-х гг. XX в. Маховик
представляет собой вращающуюся вокруг оси структуру, в которой
накапливается кинетическая энергия посредством электромеханиче¬
ской машины может быть преобразована в электрическую энергию
для дальнейшего ее использования. Развитие технологий в машино¬
строении и энергетике за последние десятилетия сделали его эконо¬
мически эффективным и надежным способом накопления электри¬
ческой энергии.

304
Глава 6. Накопители электрической энергии
Принцип действия его хорошо известен. В основе его лежит
накопление в теле распределенной массы р(х), вращающейся с угло¬
вой скоростью со вокруг оси, энергии W:
W=X-J«>2,	(6.2)
где J— момент инерции, определяемый в виде J = Jр(х)г Ах \г —
радиус вращения, определяющий расстояние от оси каждой точки
распределенной массы.
Из (6.2) видно, что энергия, накапливаемая маховиком, определя¬
ется геометрическими размерами и формой вращающегося тела
относительно оси, материалом, из которого оно состоит, и угловой
скоростью. Следует также отметить, что окружающая вращающееся
тело среда и осевое время играют важную роль в сохранении накоп¬
ленной в маховых массах энергии. Это в значительной мере влияет
на конструкцию маховика и его основные технико-экономические
показатели.
Учитывая большую величину накапливаемой в нем энергии, необ¬
ходимо обеспечивать высокую прочность и безопасность его кон¬
струкции. Для этого необходимо использовать высокопрочные мате¬
риалы и сплавы и обеспечить при изготовлении маховика высокую
однородность вращающейся массы. Поскольку всякая неоднород¬
ность будет влиять на распределение сил, действующих при враще¬
нии. Вращающийся диск должен иметь идеальную симметричность
и форму, обеспечивающих максимум запасаемой энергии, с учетом
материала диска и допустимых в нем механических напряжений.
При этом необходимо учитывать, что при выводе энергии скорость
маховика падает. Для его эксплуатации желательно обеспечивать
отвод наибольшей части накопленной энергии или, можно сказать,
что маховик должен обеспечивать глубокий разряд, накопленной в
нем энергии. В табл. 6.2 приведен примерный перечень материалов,
используемых при изготовлении маховиков.
Маховик устанавливается вертикально на специальных опорах.
На верху его, на этой же оси, находится электрический генератор,
статорные обмотки которого выводятся наружу для подключения
к сети или к другому промежуточному преобразователю статиче¬
ского типа.
Одно из перспективных направлений связано с созданием высо¬
коскоростных маховиков. Такие накопители работают в вакуумных
камерах для ограничения потерь энергии от сопряжения, создавае-
6.5. Маховики
305
Таблица 6.2. Формы маховиков
Тип маховика
Форма
Постоянное сечение
Диск с постоянным напряжением
—
Близкое к постоянному сечение
Диск конического сечения
=====
Плоский диск без отверстий
1 1
Тонкое кольцо (обод)
г 		 ш 1
Стержень или округлая щетка
—
Плоский диск с отверстиями
1 1
мого воздухом. Кроме того, в них используются опоры с магнитным
подвесом. В результате потери в опоре существенно сокращаются.
Используют и ряд других технологических достижений для сниже¬
ния потерь.
Значительное увеличение количества выводимой энергии стало
возможным благодаря достижениям силовой электроники. Трудность
решения этой задачи заключалась в уменьшении скорости ротора по
мере отдачи энергии и, следовательно, снижение частоты выходного
напряжения относительно сетевого. Эффективно ее решить стало
возможным с использованием полностью управляемых электронных
ключей и применения методов импульсной модуляции токов и напря¬
жений на повышенной частоте. На этом принципе преобразование
энергии выполняется преобразователями переменного/постоянного
тока, выполненным по структуре, представленной на рис. 6.4. В этой
структуре оба преобразователя выполнены по одной трехфазной
схеме. Преобразователь, получающий питание от накопителя, рабо¬
тает как выпрямитель, а второй, соединенный с сетью, — в режиме
инвертирования. При использовании схем на основе источников
напряжения на стороне постоянного тока включается конденсатор, а
на основе инверторов тока — индуктивный реактор. Система управ¬
ления СУ преобразователем обеспечивает передачу энергии в сеть на
ее рабочей частоте. При этом преобразователь 77/, работающий в
выпрямительном режиме, поддерживает неизменным напряжение на
стороне постоянного тока, а П2 — отдает энергию в сеть. При этом
одновременно он может выполнять функции компенсатора реактив-

306
Глава 6. Накопители электрической энергии
Рис. 6.4. Структурная схема связи маховикового накопителя с сетью
ной мощности. Качество, отдаваемой электроэнергии поддержива¬
ется на высоком уровне посредством управления модуляцией токов
или напряжений.
В схеме на рис. 6.6 используются два преобразователя, рассчитан¬
ные на преобразование полной мощности маховика. Это увеличивает
потери в полупроводниковых ключах преобразователей.
6.5.2.	Применение маховиковых накопителей
На рис. 6.5 приведена диаграмма сравнения маховиков с учетом
их мощности и длительности ее выдачи. На этой же диаграмме для
сравнения приведены в таких же координатах рациональные области
применения аккумуляторных батарей и конденсаторов [4.6, 4.8]. Диа¬
грамма показывает, что маховики имеют преимущество в диапазоне
мощностей более 80 кВт и временного интервала от 1 до 100 с.
В настоящее время разработаны более мощные высокоскоростные
маховики на еще более высокие мощности — более 100 МВт.
Больших успехов в этой области достигли США, в частности ком¬
пания Beacon Power, основанная в 1997 г. Так, например, один из
последних проектов этой компании модульного типа содержит
10 маховиковых накопителей с суммарной продолжительной мощ¬
ностью до 1 МВт и в течение 2 мин до 2 МВт. Время реакции этой
системы на уход частоты в контролируемой сети — порядка 5 мс.
В планах компании — создание 20 МВт накопителя, выдающего
мощность в течение 15 мин.
Для снижения колебаний напряжения и резерва в сети Нью-Иорк-
ской надземки использованы 10 маховиковых накопителей типа FESS
мощностью до 100 кВт компании Urenco. Время отдачи при полной
мощности — 30 с, потери составляют около 1200 Вт [6.1, 6.2].
6.5. Маховики
307
1000
н
PQ
% 100
Н
X
В
о 10
S
0	1	10	100	Время,	с
Рис. 6.5. Диаграмма сравнения маховиковых накопителей, конденсаторов и акку¬
муляторных батарей
Следующая разработка компании Urenco — накопители типа
KESS, имеют вдвое большую мощность при тех же размерах. Ротор
маховика из стеклоуглеродной композиции длиной 900 мм и диамет¬
ром 330 мм весит 110 кг. Ротор покрыт магнитным композитом,
намагниченным с образованием полюсов двигатель-генератора.
Ротор вращается в вакууме, на магнитных подшипниках, с частотой
около 40 тыс. об/мин. Рабочая частота 630 Гц. Накопитель KESS
выдает 11 МДж энергии, время отдачи с полной мощностью — 44 с.
Расчетный срок службы — 20 лет или 10 млн циклов разряда. Нако¬
пители могут соединяться в группы общей мощностью до 2,4 МВт.
Компания Caterpillar совместно с институтом EPRI разработала
серию источников беспрерывного питания на маховиках типа CAT
UPS. Мощность установок 250—900 кВт, КПД — 97 %. Компания
уже реализовала до сотни установок, применяемых в центрах обра¬
ботки данных, в производстве полупроводников и на других произ¬
водствах, где перерывы питания недопустимы, вместо аккумулятор¬
ных батарей.
Поставщик маховиков компания Active Powers (Техас) предпочи¬
тает сравнительно низкую частоту вращения, 7700 об/мин. Ротор
маховика — из стали. Потери установки мощностью 480 кВт состав¬
ляют 3,5 кВт — ее КПД выше, чем у аккумуляторных батарей.
Успешным примером применения маховиковой системы как
средства воздействия на режим сети является накопительная уста¬
новка ROTES, разработанная компанией Toshiba. Система представ¬
ляет собой вертикальный асинхронизированный двигатель-генератор
мощностью 26,5МВ • А с маховиком на валу. Маховой момент сис¬
темы — 710 т • м. Установка ROTES работает с 1996 г. в изолирован¬

308
Глава 6. Накопители электрической энергии
ной энергосистеме о-ва Окинава и существенно снижает колебания
частоты в системе при работе электропечей (колебания нагрузки
порядка 30 МВт при полном потреблении острова 400—1200 МВт).
Особенностью установки ROTES является применение для двига¬
тель-генератора асинхронизированной машины, что позволяет регу¬
лировать частоту ее вращения и тем самым поглощать или отдавать
накопленную при вращении энергию в сеть [1.15].
6.6.	Гидро- и воздушно-аккумудирующие
накопители
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — наиболее осво¬
енные накопители в виде гидроэлектростанций с насосо-турбинами и
двигатель-генераторами. Закачиваемая в верхний резервуар вода с
потреблением энергии по низкой цене выдает свою энергию в пери¬
оды пика потребления. Цикл накопления энергии — суточно-сезон¬
ный.
Основные виды применения ГАЭС — быстрый резерв, срезание
пиков нагрузки, и резерв мощности для пуска других электростан¬
ций. Типичный КПД 65—80 %, сильно зависящий от выбора места
ГАЭС. Современные двигатель-генераторы с регулированием час¬
тоты вращения дают возможность регулировать частоту в системе и
при работе в насосном режиме. Высокая маневренность агрегатов
ГАЭС (переход из одного режима в другой производится за 15 с и
менее) позволяет широко использовать их для регулирования и
резерва быстрого ввода в энергосистемах.
В зависимости от места ГАЭС, продолжительность выдачи элект¬
роэнергии составляет несколько часов. Мощность ГАЭС — от 10 до
1000 МВт, время набора полной мощности — около 90 с.
Во всем мире установленная мощность ГАЭС составляет около
3	% всей мощности электростанций. В России для выравнивания гра¬
фика нагрузок в энергосистеме работает Загорская ГАЭС мощностью
1200 МВт. В настоящее время сооружаются и Ленинградская ГАЭС
мощностью 1200 МВт.
Воздушно-аккумулирующие установки (ВАЭС) используют ту же
концепцию, что и ГАЭС, но носителем запасаемой энергии является
воздух. В периоды минимума нагрузки воздух закачивается в подзем¬
ные резервуары. В период дневного максимума сжатый воздух при¬
водит в действие турбоагрегат. В дополнение к воздушной турбине
на валу агрегата может иметься и газовая турбина. Цикл накопления
энергии — суточно-недельный.
6.6. Гидро- и воздушно-аккумулирующие накопители
309
Примеры ВАЭС — Huntorf в Германии и McIntosh в США. Стро¬
ится ВАЭС Norton мощностью 2700 МВт в штате Охайо (США).
Предполагается, что ВАЭС общей мощностью от 12 до 40 ГВт могут
быть созданы в США в ближайшие 5—10 лет. ВАЭС могут быть
эффективным средством выравнивания выдачи мощности ветроком-
плексов.
Контрольные вопросы к главе 6
1.	Какие функции выполняют в ЭЭС накопители электроэнергии?
2.	Перечислите основные виды накопителей с указанием областей их рацио¬
нального использования.
3.	Какие типы АБ используются в ЭЭС и дайте их характеристику.
4.	Как изменится накопленная энергия в маховиковом накопителе при повы¬
шении скорости его вращения в 2 раза?
5.	Поясните принцип действия суперконденсаторов и их характеристики.
6.	В каких областях целесообразно использование СПИН?
7.	Как осуществляется связь СПИН с сетью?
8.	Поясните принцип действия ГАЭС.
9.	Приведите примеры использования накопителей в электроэнергетике.
10.	Приведите структурную схему АБП с использованием АБ.
Список литературы к главе 6
6.1.	Felix A. Farret М. Godoy Simoes. Integration of alternative sources of
energy. USA: Wiley, 2006. P. 471.
6.2.	Sorensen B. Renewable Energy. Conversion, Transmission and Storage.
USA: Academic Press, 2007. P. 327.
6.3.	Strzelecki R., Benysek G. Power Electronics in Smart Electrical Energy
Networks. — Springer, 2008. P. 414.

Глава 7
СОСТОЯНИЕ ЗАРУБЕЖНЫХ РАЗРАБОТОК
С ПРИМЕНЕНИЕМ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
И ИХ ВНЕДРЕНИЕ
7.1.	Общие требования
Современные зарубежные разработки электротехнического обо-
рудования для энергетики так или иначе связаны в основном с иде¬
ями создания «Интеллектуальной электроэнергетики». Причем в
каждой стране существует своя программа создания интеллектуаль¬
ной электроэнергетики и электрических сетей, называемых как
«Smart Grid».
В задачу авторов настоящей книги не входит описание националь¬
ных программ различных стран. На эту тему в последнее время опуб¬
ликовано довольно много материалов как за рубежом, так и в России
[1.1]. В этой главе остановимся на отдельных примерах новых техно¬
логий, оборудовании и средствах измерения и управления, которые
развиваются за рубежом и составляют технологическую платформу
любой интеллектуальной энергосистемы и электрической сети.
7.2.	Электрооборудование электростанций
Перспективным развитием производства электроэнергии на ТЭС
является создание тепловых электростанций с высоким КПД (тепло¬
вая плюс электрическая энергия) с использованием парогазового
цикла и с возможностями широкого регулирования режима. В области
атомной энергетики основное внимание уделяется обеспечению
высочайшего уровня надежности атомных электростанций (АЭС),
созданию установок малой мощности для энергоснабжения удален¬
ных регионов.
Ожидается широкое использование возобновляемых источников
энергии (приливные, геотермальные, ветровые и волновые уста¬
новки), использование солнечной энергии (экономичные фотоприем¬
ники, гелиоустановки). Возникающая проблема с неравномерной
выдачей электроэнергии, решается применением мощных накопите¬
лей энергии. Дальнейшее освоение гидропотенциала, ввод гидро¬
электростанций (ГЭС) и гидроаккумулирующих электростанций
(ГАЭС), при их высокой маневренности, также расширит возмож¬
7.2. Электрооборудование электростанций
311
ности регулирования графика нагрузок в энергосистеме. Предполага¬
ется широкое применение источников распределенной энергетики, в
том числе статических и электромашинных источников бесперебой¬
ного питания.
Предполагается использование самых современных технологий в
турбогенераторостроении. Должны быть созданы турбогенераторы
для ТЭС мощностью до 600 МВт, для АЭС — до 1500 МВт, для рас¬
пределенной энергетики — от 5 до 50 МВт. Для ГЭС и ГАЭС потре¬
буется все больше гидрогенераторов и двигатель-генераторов с регу¬
лируемой частотой вращения, т.е. на базе асинхронизированных
машин. Необходимо создание надежных и экономичных гидрогене¬
раторов на малые перепады (большой мощности — для приливных
электростанций и меньшей мощности — для распределенной энерге¬
тики и местных ГЭС).
Требование о повышении КПД выполняется с применением более
эффективных систем охлаждения, а также по мере разработки и
внедрения ВТСП-машин. Обеспечение высокой надежности достига¬
ется за счет следующих мероприятий:
совершенствование проектирования (автоматизированное), моде¬
лирования;
совершенствование конструкции отдельных узлов с использова¬
нием базы данных об их поведении в эксплуатации;
снижение сложности систем охлаждения — использование гене¬
раторов с воздушным и косвенным водородным охлаждением (для
предельных мощностей — водоводородным);
модульная конструкция генераторов с разной длиной статора и
одинаковым диаметром ротора;
повышение общей отдачи генератора — повышение класса нагре-
востойкости (класс F) и теплопроводности изоляции, повышение
использования активных материалов (более точные методы расчета
запасов конструкции, учет риска повреждения);
удлинение срока службы — оснащение средствами непрерывного
выявления дефектов, экспертные системы диагностики с обширными
базами знаний, методика оценки допустимого риска повреждения
при развитии дефектов в работающей машине. Многофункциональ¬
ные типы релейной защиты с высокой чувствительностью к появле¬
нию дефектов;
расширение возможности работы машин в анормальных режима;
оптимизация конструкции наиболее подверженных их воздей¬
ствию узлов (торцевые зоны, обмотка ротора, валопровод и др.);

312
Глава 7. Состояние зарубежных разработок...
управляемость и регулирование режима в электрической сети —
совершенствование систем возбуждения (микропроцессорные сис¬
темы), широкое применение асинхронизированных турбо- и гидроге¬
нераторов (особенно — для работы с широким диапазоном регулиро¬
вания реактивной мощности);
экологическая безопасность оборудования, что достигается при¬
менением новых, легко перерабатываемых материалов, экологически
безопасных жидкостей для смазки и уплотнений.
Необходимо отметить, что в области создания асинхронизирован¬
ных турбогенераторов Россия является мировым лидером, при этом в
России, в отличие от Японии и Германии не производят асинхрони-
зированные гидрогенераторы.
Оптимизация перетоков мощности с помощью гибкого управле¬
ния режимами линий с применением устройств технологии FACTS,
непрерывный контроль состояния линий.
В достаточно близкой перспективе ожидается применение газо¬
изолированных линий, а также сверхпроводниковых кабелей напря¬
жением 20—110 кВ.
Разработки последнего времени
В последние годы получили широкое распространение воздуш¬
ные, кабельные, воздушно-кабельные линии постоянного тока. Ниже
приведены некоторые примеры таких электропередач:
Кабельная линия постоянного тока Финляндия—Эстония мощ¬
ностью 350 МВт ± 200 кВт. Подписано соглашение о строительстве
второй очереди мощностью 650 МВт. Необходимо отметить, что пре¬
образованная техника создана на базе СТАТКОМ.
По той же схеме фирма «Сименс» разработала воздушно-кабель¬
ную линию постоянного тока ±300 кВ 1600 МВт для связи прибреж¬
ных ветроэнергетических установок с сетью в Германии.
Фирма «Арева» в провинции Гибр-Квебен (Канада) использует
преобразованную технику для регулирования реактивной мощности
и плавки гололеда.
Фирма «Сименс» возглавила концерн по прокладке подводного
кабеля постоянного тока мощностью 660 МВт напряжением ±500 кВ
для связи Ирландии и Исландии.
Фирма «Сименс» совместно с предприятиями КНР ввели в работу
воздушную линию постоянного тока 5000 МВт напряжением
±800 кВ между провинциями Юньань и Гуандун.
7.2. Электрооборудование электростанций
313
В Бразилии для электропередачи протяженностью 2500 км от
р. Мадейра намечено проложить две линии постоянного тока
±600 кВ по 3000 МВт каждая.
Проектируется подводная кабельная линия постоянного тока
между Великобританией и Нидерландами мощностью 1000 МВт.
В России намечена прокладка воздушно-кабельной линии протя¬
женностью 150 км мощностью 1000 МВт напряжением ±300 кВ для
выдачи мощности второй очереди Ленинградской АЭС.
7.2.1.	Вводы в крупные города и связь
с ветрокомплексами
Направления развития
Для крупных городов важной проблемой является повышение
передаваемой мощности. Для этих целей используется так называе¬
мый «глубокий ввод» в подземные подстанции кабельными линиями
напряжением 500 кВ. Для этих же целей применяются так называе¬
мые газоизолированные линии [7.8].
В перспективе рассматривается вопрос применения сверхпровод¬
никовых кабелей. Ряд пилотных проектов, таких сверхпроводнико¬
вых линий переменного тока реализована в ряде стран. В России
создан и находится на стадии стендовых испытаний сверхпровод-
никовый кабель длиной 200 м напряжением 20 кВ, мощностью
50 MB • А.
Важное значение имеет для городов проблема уменьшения терри¬
торий для прокладки линий электропередач. Большое внимание уде¬
ляется компактным линиям электропередачи [7.2].
За рубежом связь с ветрокомплексами осуществляется кабелем,
линиями постоянного или переменного тока, широкое применение
находят накопители электроэнергии для выравнивания графиков
нагрузки:
электроснабжение центральной зоны Шанхая осуществляется
тремя кабелями из сшитого полиэтилена длиной 17,15 км; каждая цепь
имеет передающую способность 1000 MB*А и перегрузочную —
1500 MB-А;
прокладка для аэропорта во Франкфурте-на-Майне двухцепной
газоизолированной линии; длина линии 1 км, пропускная способ¬
ность 3600 МВт;
ВТСП-кабельная линия компании LIP А, мощностью 574 MB • А
на напряжение 138 кВ и ток 2400 А длиной 660 м;

314
Глава 7. Состояние зарубежных разработок...
глубокий ввод в Амстердаме посредством ВТСП-кабельной линии
мощностью 250 MB • А на 50 кВ и 2900 А длиной 6 км;
ВТСП-кабельная линия на подстанции г. Нью-Йорка мощностью
48 MB • А, напряжением 34,5 кВ, ток 800 А, длиной 350 м.
7.2.2.	Распределительные сети
Для распределительных сетей важное значение имеет обеспече¬
ние подстанции электроснабжения потребителей.
Большое значение придается анализу «слабых» мест электриче¬
ской сети.
В последние годы получает распространение распределенная
(малая) энергетика, осуществляющая локальное снабжение части
электрической сети, создающих так называемые «микросети». В рас¬
пределительных сетях ряда стран (Германии, США, Испании, КНР)
относительно большую роль начинают играть возобновленные
источники энергии (малые ТЭС, солнечные и ветровые электростан¬
ции и др.).
7.2.3.	Кабельные линии
В мире все большая часть распределительных сетей прокладыва¬
ется под землей. К примеру, в Германии доля кабелей НН составляет
более 80 %, а кабелей СН — 65 % в общей длине всех видов линий.
В Европе считается, что чем больше доля кабельных сетей, тем
надежнее электроснабжение.
Кабели сверхвысокого напряжения (СВН) соединяют между
собой разделенные морями страны, используются для глубокого
ввода мощности в города и крупные предприятия, соединяют генера¬
торную часть электростанций с сетевыми подстанциями.
Для электропередач большой мощности широко используются
кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), обладающие
большой пропускной способностью (на 17—25 % выше, чем у кабе¬
лей с пропитанной бумажной изоляцией), термической устойчиво¬
стью при КЗ, низким весом и меньшим диаметром, что облегчает
прокладку и позволяет использовать большие строительные длины
кабеля. Такие кабели высокоэкологичны (нет масла, свинцовой обо¬
лочки), имеют низкую удельную повреждаемость (на 1—2 порядка
ниже, чем у маслонаполненного). Первый кабель с СПЭ-изоляцией
на 500 кВ введен в работу в 1996 г.
7.2. Электрооборудование электростанций
315
К настоящему времени мощность всех кабельных линий постоян¬
ного тока, подводных и подземных, превышает 8000 МВт, передавае¬
мые мощности достигают 1000 МВт.
Доля кабелей с бумажно-масляной изоляцией и с изоляцией из
термопластичного полиэтилена заметно снижается.
На СВН также начинают вводиться линии электропередачи с изо¬
ляцией из элегаза или его смеси с азотом. В г. Женеве эксплуатиру¬
ется такая линия на напряжение 420 кВ с передаваемой мощностью
2000 MB • А. Общая длина таких линий достигает 100 км.
В конструкциях современных кабелей предусмотрен встроенный
оптоволоконный модуль для контроля их состояния и параметров
передачи мощности волоконно-оптическими линиями связи. Это тех¬
нически и экономически целесообразное решение, в России также
применяются при строительстве новых и реконструкции старых ЛЭП
провода типа OPGW.
Как уже указывалось, ведутся разработки кабелей на высокотем¬
пературных сверхпроводниках, сооружаются опытные отрезки
линий. Главное их назначение — глубокий ввод больших мощностей
в крупные города и промышленные предприятия.
Разработки последнего времени:
повышение пропускной способности BJI 110 кВ в Северной части
Германии при контроле метеоусловий на ее трассе. Допустимые
нагрузки варьируются в зависимости от температуры и скорости ветра;
использование для подвесных изоляторов BJI, работающих в
тяжелых условиях самовосстанавливающихся полимеров, — эпок¬
сидных смол с самозатягивающимися трещинами с добавками в виде
микрокапсул;
покрытие провода для защиты от возникновения частичных раз¬
рядов — нанокомпозитами на основе силикатов или двуокиси титана
(Япония);
повышение пропускной способности BJ1 с применением проводов
с композитным сердечником типа ACCR, способных работать при
температуре +210 °С;
повышение срока службы изоляторов 420 кВ с помощью покры¬
тия из кремнийорганики, обогащенной наночастицами кремния
(Швейцария);
широкое применение во многих странах мира работ на BJI и в
открытых распредустройствах (ОРУ) под напряжением, по статис¬
тике более безопасных, чем при снятии напряжения.

316
Глава 7. Состояние зарубежных разработок...
Кабели высокого напряжения 110, 220, 330 и 500 кВ применяются
для подачи мощности от генерирующих электростанций к магист¬
ральным линиям электропередачи. Подземные кабельные линии
высокого напряжения в условиях плотной городской застройки явля¬
ются оптимальным вариантом для глубокого ввода больших мощно¬
стей электроэнергии к центрам потребления нагрузок в крупных
городских мегаполисах, а также для связи и резервирования город¬
ских подстанций на высоком напряжении.
7.2.4.	Системы управления электрическими сетями
Электрические сети, содержащие средства гибкого управления
потоков мощности, накопители энергии, высокоразвитую систему
сбора, передачи, обработки информации, анализа состояния сети и
комплексов противоаварийной защиты — носят название «интеллек¬
туальных электрических сетей Start grid [1.1].
В интеллектуальные электрических сетях для повышения пропус¬
кной способности используются технологии FACTS, компактные
линии электропередач, нагревостойкие и особо прочные провода,
кабели и с изоляцией из сшитого полиэтилена. В режиме, on-line осу¬
ществляется также непрерывный контроль нагрева проводов и
нагрузки линий электропередачи.
Для снижения потерь в сетях используются повышение рабочих
напряжений, оптимизация распределения потоков мощности с уче¬
том потерь, применение трансформаторов с малыми омическими
потерями, применение проводов BJI со сниженными потерями.
Надежность электроснабжения реализуется посредством конт¬
роля режима во всей сети с выявлением ненадежных узлов, системы
синхронного измерения параметров режима «фазоры», измеритель¬
ные блоки системы мониторинга переходных режимов (PMU) в узло¬
вых точках сети, непрерывный контроль «живучести» энергосистемы
с сигнализацией о возможности аварийных ситуаций.
Защита от аварий — осуществляется оптимальной топологией
сети с подключением резерва мощности, узлами аварийного деления
сети, ограничителями перетоков мощности (вставки и линии посто¬
янного тока), ограничителями токов КЗ в критических узлах сети.
Для выравнивания графиков используются система управления
нагрузкой, применение управляющих счетчиков электроэнергии с
двухсторонним направлением информации и телеуправлением нагру¬
зок, использование для выравнивания нагрузки накопителей энергии.
7.3. Обеспечение живучести энергосистемы
317
Повышение качества электроэнергии достигается установкой сис¬
темы бесперебойного питания, автоматическим резервированием
питания, стабилизацией напряжения с применением накопителей
энергии, устранением фликкера с помощью динамических стабили¬
заторов напряжения.
7.3.	Обеспечение живучести энергосистемы
Обеспечение живучести энергосистемы — главная задача, кото¬
рая ставится при создании концепции высоконадежной электриче¬
ской сети.
По формулировке предложенной СИГРЭ, обеспечение живучести
энергосистемы — это возможность противостоять резким измене¬
ниям режима (коротким замыканием или непредвиденным отключе¬
нием части энергосистемы). При этом имеется в виду в первую оче¬
редь каскадное развитие аварий с массовым нарушением питания
потребителей.
Существует много причин уязвимости энергосистемы: поврежде¬
ния оборудования, ошибки персонала, неопределенность требований
рынка, природные катастрофы. Каскадное развитие повреждений
может привести к потере живучести энергосистемы и системной ава¬
рии огромного объема.
Потребность в повышении живучести вызывается многими при¬
чинами, общего характера, основные из которых:
отставание развития сетей от роста потребления электроэнергии;
старение оборудования в сетях, введенного в основном в 60—70-е
годы XX в.;
рост межсистемных перетоков при активной торговле электро¬
энергией;
трудности взаимодействия сетевых операторов, принадлежащих
разным субъектам рынка;
сокращение расходов на обслуживание сетей в рыночных усло¬
виях,
нехватка опытного эксплуатационного и диспетчерского персо¬
нала.
Все эти факторы ведут к повышению вероятности нарушений
работы энергосистемы при резких изменениях режима, переходящих
в каскадные системные аварии.
В табл. 7.1 рассматриваются возникшие в последнее время труд¬
ности и их последствия, снижающие живучесть энергосистемы.

318
Глава 7. Состояние зарубежных разработок...
Таблица 7.1. Проблемы живучести энергосистем
Характеристика
Потенциальные последствия
Старение инфраструктуры передачи
электроэнергии
Рост вероятности повреждений обору¬
дования и отказов, ведущих к наруше¬
ниям работы энергосистемы
Нехватка новых линий электропере¬
дачи
Перегрузка передающих линий, веду¬
щая к срабатыванию защиты или вызы¬
вающая явления лавины напряжения
Сокращение работ по обслуживанию
Повреждение оборудования и наруше¬
ния типа перекрытия по деревьям
Растущая зависимость между управле¬
нием и специальными системными
защитами
Рост вероятности некорректных сраба¬
тываний релейной защиты, рост
непредсказуемости каскадных аварий
Большое число малых и распределен¬
ных генераторов
Рост сложности проектирования сис¬
темы, ведущий к неопределенности
планирования выдачи электроэнергии,
неуверенность в диспетчерском управ¬
лении
Рыночные отношения
Непредсказуемые потоки мощности
и использование системы, ведущей
к перегрузкам и к нарушению устойчи¬
вости энергосистемы
Растущая зависимость между систе¬
мами связи и компьютерной техникой
Повреждения технического или про¬
граммного обеспечения компьютеров
приведут к потере управляющих воз¬
действий во время возмущений в энер¬
госистемах
Ограничение возможности планирова¬
ния системы в целом
Недостаточность или излишек ресур¬
сов генерирования и передачи электро¬
энергии
Внедрение новых технологий (усовер¬
шенствованные системы управления,
ветроэнергетика, сжигание биомассы,
топливные элементы и пр.)
Малый опыт эксплуатации новых тех¬
нологий, непредсказуемое поведение
во время нарушений
Старение и снижение квалификации
персонала
Нехватка опытного персонала, что
ведет к неспособности соответствую¬
щим образом действовать при опасных
ситуациях
7.3. Обеспечение живучести энергосистемы
319
Крупные системные аварии последних лет (США, Великобрита¬
ния, Дания, Италия, Россия) выявили необходимость усиления коор¬
динации между сетевыми операторами и контролем состояния энер¬
госистемы для предотвращения или снижения последствий каскад¬
ных аварий. Режим работы энергосистемы должен контролироваться
непрерывно, чтобы иметь нужный запас надежности в любой проме¬
жуток времени.
Оценка живучести энергосистемы в динамике (за рубежом принят
термин Dynamic Security Assessment — система DSA) определяет
способность системы пережить случайные возмущения с достаточ¬
ным запасом безопасности. В результате этой оценки принимаются
превентивные или корректирующие действия по изменению режима
или состава оборудования.
Превентивные меры принимаются в предаварийном состоянии,
это, к примеру, ограничение межсистемных потоков мощности, изме¬
нение фазового угла между напряжениями разных частей связанных
энергосистем, наконец, отключение мощности на одной из подстан¬
ций.
Корректирующие меры (управление устойчивостью) принима¬
ются уже во время возмущений в энергосистеме. Примерами явля¬
ются включение генераторов или сброс нагрузки, включение и
отключение средств компенсации реактивной мощности.
Укреплению живучести энергосистемы способствуют такие меры,
как совершенствование автоматики и систем управления, систем ана¬
лиза живучести в динамических режимах, интенсификация обмена
информацией в реальном времени, применение технологий FACTS и
воздушных линий постоянного тока, совершенствование техники
диспетчерского управления и внедрение многоуровневых системных
защит.
Быстродействующие устройства на основе технологии FACTS
демпфируют межсистемные качания, что также повышает устойчи¬
вость работы энергосистемы, повышает ее живучесть.
На это же направлено и централизованное регулирование, способ¬
ное обеспечить нужный запас живучести в случае разных неожидан¬
ностей.
Оценка живучести позволяет планировать режим работы в дина¬
мике, для этого переходные и статические характеристики режима
определяются при кратковременном прогнозировании.
Для оценки живучести надо контролировать как в стационарных,
так и в переходных режимах, такие параметры, как термическую
нагрузку ВЛ, изменения напряжения и частоты, выявлять все формы

320
Глава 7. Состояние зарубежных разработок...
неустойчивости режима работы и опасные ситуации. Контроль
состояния сети ведется с помощью синхронизированных измерений
параметров режима в ее узловых точках.
В системе используется распределенная система датчиков, изме¬
ряющих напряжения и токи, а также углы сдвига фаз между ними в
узловых точках сети. Блоки измерения (PMU — Phasor Measurement
Units) синхронизированы с помощью спутниковой системы GPS.
Система содержит модель энергосистемы, которая включает входя¬
щие в схему сети, трансформаторы, конденсаторы, реакторы и круп¬
ный электропривод, задаются типичные параметры режима:
нагрузки, потоки активной и реактивной мощности, моделью учиты¬
ваются возможности генераторов по реактивной мощности и объем
максимальной управляемой диспетчером мощности.
Объем модели определяется схемой данного энергообъединения,
так, для планирования режима сети Востока США стандартами опре¬
деляет схему в 45 ООО шин, а для оценки состояния — в 20 ООО шин.
Для расчетов переходных процессов после системной аварии
2003 г. в Италии в критическом коридоре обмена мощностью между
севером и югом страны использовалась модель, включавшая 598 сис¬
тем шин, 586 линий, 234 трансформатора и 162 генератора.
Вычислительные процессы в системе определяют реакцию энер¬
госистемы на возмущения на основе ее статических и динамических
характеристик и непосредственной обработки данных измерений.
Быстрота расчетов связана с точностью оценки: чем медленнее,
тем точнее расчет. Типичное время расчета комплексной оценки
живучести от 5 до 15 мин, что составляет промежуток времени от
момента определения состояния до момента, когда можно воспользо¬
ваться результатами анализа.
Оператор должен иметь представление о том, какова живучесть в
данный момент и живучесть при изменениях в состоянии системы в
ближайшие несколько минут. Если степень живучести неприемлема,
он должен знать, какие меры нужно принимать. Помогает ему в этом
представление расчетной области живучести, определяемой различ¬
ными ограничениями в работе составляющих энергосистемы.
Положение рабочей точки режима, получаемой по данным реаль¬
ных «online» измерений, определяет устойчивость работы — живу¬
честь сети при данных режимных параметрах.
Отчет и визуализация очень важны для оперативности принятия
решений. Нужно иметь наглядное представление об ограничениях,
запасах живучести, возможности изменений критериев, действий
вблизи предельных значений живучести. Наглядность дают, напри¬
7.3. Обеспечение живучести энергосистемы
321
мер, таблицы хода расчета при многих видах ограничений, графиче¬
ское представление опасных зон на карте, например, с возникнове¬
нием качаний в системе. На карте показывают в наибольшей степени
влияющие на низкочастотные межсистемные колебания источники
генерирования.
Система DSA, действующая в непрерывном режиме, должна быть
в высшей степени автоматизирована и требовать минимума вмеша¬
тельства человека. Это определяет не только высокие требования к
программному обеспечению, но и использование интеллектуального
подхода к получению требуемых результатов. Модуль интеллекту¬
альной системы может быть генератором сценариев режима, исполь¬
зующий доменно-временное моделирование систем с тысячами объ¬
ектов.
Интеллектуальная система использует также статистические дан¬
ные, накопленные в базе знаний с интерактивным подходом к моде¬
лированию. Пример — система принятия решений по оценке дина¬
мической устойчивости, использующая дерево решений.
Для верного представления поведения сети в динамике особое вни¬
мание уделяется использованию специальных видов управления —
ограничителей перевозбуждения, системным защитам, линиям пере¬
дачи на постоянном токе, устройствам FACTS.
Система DSA может использоваться как для управления всей
сетью, так и с воздействием на конкретные объекты — включение
отдельных трансформаторов, сброс нагрузки, коммутация конденса¬
торных батарей, задание режима работы генераторам.
Несколькими университетами США в 2000—2002 гг. проведена
разработка широкомасштабной системы контроля, защиты и управ¬
ления для повышения живучести энергосистемы Запада США. Эта
работа спонсировалась Департаментом обороны и институтом энер¬
гетики (EPRI).
Разработанная система защиты от аварий получила название SPID
(Strategic Power Infrastructure Defense). Система SPID осуществляет
обработку информации, анализирует повреждения, оценивает уязви¬
мость сети, контролирует состояние самой системы. Система спо¬
собна оценивать ситуацию и принимать решения и в тех случаях,
когда имеет место совпадение нескольких случайных возмущений в
сети.
Применение системы контроля живучести энергосистемы на прин¬
ципах DSA, как показало моделирование условий реальных прошед¬
ших аварий, позволило бы своевременно принять меры и сущест¬
венно снизить возможность повторения таких случаев.

322
Г лава 7. Состояние зарубежных разработок...
В 2001—2003 гг. консорциумом стран Европейского сообщества
для оценки живучести крупных энергообъединений проведена разра¬
ботка системы OMASES (Open Market Access and Security Assessment
System).
Главная цель системы OMASES — снабдить системных операто¬
ров средством автоматической оценки живучести энергосистемы в
динамике и соответственно, обеспечить возможность увеличения
потоков мощности по ЛЭП, своевременно принимать предупреди¬
тельные меры, гарантирующие живучесть энергосистемы.
Конкретные задачи системы OMASES:
обеспечение прозрачной методики оценки динамической устойчи¬
вости сети, нужной при изменении топологии сети, изменении гра¬
фика генерирования, сбросов нагрузки;
расчет динамических пределов работы при росте потоков мощ¬
ности по линиям электропередачи;
снижение инцидентов на линиях, связанных с проблемами устой¬
чивости с помощью моделирования случайных динамических возму¬
щений;
оптимизация работы генераторов с помощью расчета графиков с
учетом динамических пределов устойчивости и потребностей рынка;
уточнение уставок резервных защит для случаев отключения и
включения линий в соответствии с возможностями оборудования;
усовершенствованное динамическое моделирование в реальном
времени для тренировки персонала.
Система OMASES в сочетании с тренажером и моделью рыноч¬
ных условий является мощным средством подготовки персонала.
Система OMASES может работать в двух режимах, определяемых
степенью ее связи с системой управления энергосистемой. При
непрерывной связи цикл повторения анализа динамической устойчи¬
вости повторяется каждые 15 мин (авторы считают это работой в
реальном времени), в эпизодической связи запуск последователь¬
ности анализа производится вручную пользователем. Второй способ
применяется в основном в режиме тренажера.
На основе проекта OMASES разработана система оценки устой¬
чивости в сетях Греции по напряжению, действующую в реальном
времени VSA (Voltage Security Assessment). Система установлена в
июне 2003 г. в национальном центре управления сетями HTSO.
Система VSA успешно применяется в повседневной работе HTSO
и дает возможности оператору на основе получаемых данных об
изменениях режима судить об опасных ситуациях с устойчивостью
напряжения. Программы системы позволяют определить природу
7.3. Обеспечение живучести энергосистемы
323
нарушения («лавина» или понижение напряжения), его географиче¬
ское местонахождение, соответствующий запас устойчивости при
возможном росте нагрузки. На основе этих данных оператор прини¬
мает решения об изменении режима сети.
Система оценки живучести была опробована также в Италии для
анализа хода системной аварии в сентябре 2003 г.
Принципы оценки живучести огромного энергообъединения со
слабыми связями положены в основу системы контроля стабиль¬
ности работы сети КНР,
Для электроэнергетики КНР, имевшей уже в 2005 г. установлен¬
ную мощность электростанций больше 500 ГВт, а также шесть мощ¬
ных региональных сетей с межсистемными связями проблема живу¬
чести сети в целом вышла на первый план. Для решения этой про¬
блемы в 2002—2004 гг. была разработана система непрерывного кон¬
троля состояния и управления режимом сети.
Контроль режима в критических точках сети дает исходные дан¬
ные для определения «узких мест», неустойчивых режимов работы и
является определяющим условием для возможности определения
живучести сети и поддержания ее надежной работы.
Будущие «интеллектуальные» сети для управления потоками
мощности на основе результатов анализа работоспособности потре¬
буют их оснащения высокоразвитой информационно-аналитической
системой («интеллектуальная» сеть). И первая задача такой сети —
контроль режима ее работы.
Непрерывный контроль режима сети с выявлением опасных ситу¬
аций требует ввода в систему управления мощных систем связи и
обмена информации, распределенных во многих узлах сети измери¬
тельных устройств (синхронное по всей сети определение парамет¬
ров режима: амплитудные, фазовые и частотные измерения высокой
точности).
Системы анализа получаемой информации интеллектуальной
сети содержат концентраторы информации, экспертные системы,
базы накапливаемых данных. Выработанные этими системами реше¬
ния относительно коррекции режима в энергосистеме задействуют
противоаварийные системы широкомасштабной защиты сети, коор¬
динированные с местными и системными релейными защитами.
Главная особенность интеллектуальной сети — возможность
управления всеми этими системами совместно.
Действующие в разных странах «интеллектуальные» сети исполь¬
зуют широкомасштабные системы мониторинга и управления режи¬
мом энергосистемы на основе измерений во многих точках сети век¬

324
Глава 7. Состояние зарубежных разработок..,
торных параметров режима (так называемые «фазоры» — комплекс¬
ные числа, представляющие значение и угол сдвига фаз), привязан¬
ных к единой точке времени (синхронизированные с помощью
спутниковой связи — системы GPS).
Использование «фазоров» в узловых точках сети для анализа ее
состояния в реальном времени позволяет создать эффективную сис¬
тему защиты энергосистемы от опасных режимов.
Такая защита нужна операторам сети, вынужденных по условиям
рынка максимально использовать оборудование ВН, что в основном
определяет надежность работы. Требования к надежности все повы¬
шаются со стороны потребителя из-за роста ущерба от перерывов
питания.
Увеличение потоков мощности, сложности в управлении энерго¬
системой, нарушения работы в крупных масштабах привели к разра¬
боткам новых систем защиты, имеющих возможность демпфирова¬
ния нестабильности по напряжению, по углу, по частоте для устране¬
ния каскадных аварий, для повышения живучести энергосистемы.
Применяемые за рубежом измерительные системы мониторинга
режимов работы (Wide Area Measurements System) предоставляют
широкие возможности для стабилизации режима работы энергосис¬
тем.
В конце 2008 г. в системах WAMS (США) было установлено около
200 измерительных блоков режима переходных процессов PMU,
в европейской сети Западной Европы (UCTE) — 70, в Китае — 400,
в Индии — 40, в Скандинавии — 18.
Нарушения в энергосистеме, требующие вмешательства следую¬
щие:
динамическая неустойчивость по углу, ликвидация которой требует
учета полного сопротивления линий, времени коммутации, процесса
автоматического повторного включения (АПВ), постоянных инерции и
характеристик вспомогательного оборудования — батарей конденсато¬
ров, шунтирующих реакторов и демпфирующих сопротивлений;
нестабильность по углу при малых возмущениях требует опреде¬
ления собственных частот колебаний и с помощью моделирования во
времени условий демпфирования колебаний с разными частотами;
неустойчивость по частоте, обычно вызываемая внезапным недо¬
статком генерирующей мощности, часто наблюдаемая в предаварий-
ных режимах и устраняемая частотной разгрузкой;
кратковременная неустойчивость по напряжению, например, из-за
отключения нескольких BJI, ликвидируется так же, но требует
гораздо более быстрой реакции оператора или автоматики;
7.3. Обеспечение живучести энергосистемы
325
долговременная неустойчивость по напряжению, наблюдаемая по
прошествии нарушения в работе. Происходящее при этом восстанов¬
ление нагрузки и работа РПН могут привести к лавине снижения
напряжения в течение от 10 с до 30 мин. Это явление может возник¬
нуть также при резком росте нагрузки;
каскадное развитие аварии с отключениями, вызывающими даль¬
нейшие перегрузки, требуют для защиты быстрого сброса нагрузки
или отключения генераторов.
Меры по ликвидации этих возмущений в системе — сброс
нагрузки с использованием интеллектуальных систем управления
ими, применение стабилизаторов энергосистем и системных защит
против сильных возмущений, специальные меры против каскадного
отключения линий.
Непосредственное воздействие на систему производится регули¬
рованием напряжения (РПН, включение реакторов, устройства авто¬
матического регулирования нагрузки, первичным и вторичным регу¬
лированием частоты (управление на электростанции или диспетче¬
ром), регулированием потоков мощности.
Управление средствами воздействия на режим сети осуществля¬
ется с помощью системы телеизмерений и телеуправления SCADA
(System Control and Data Acquisition) и системы управления распре¬
деления энергии EMS (Energy Management System). Задача систем¬
ного и сетевого оператора — оптимизировать работу системы по эко¬
номичности, надежности и живучести. Действия оператора, обычно
превентивные, с учетом состояния системы в данный момент и в бли¬
жайшем будущем, могут выполняться вручную или автоматически, в
том числе, с блокированием действий оператора.
Основа системы WAMS — измерения векторов в критических
точках сети. Обычные телеизмерения эффективных значений тради¬
ционными системами SCADA/EMS дают лишь ограниченную кар¬
тину динамики процессов. Система WAMS включает измерения
параметров режима устройствами PMU (Phaser Measurement Units),
размещенными в избранных точках сети. Измеряются «фазоры»
токов и напряжений, частота и ее изменения. Это дает возможность
сравнения фазы параметров в разных точках сети. Для привязки к
единому времени за рубежом применяется система GPS, точность
определения момента времени с ее помощью — 1 мкс.
Сравнение результатов измерений в разных местах электрической
сети позволяет операторам иметь картину не только статического, но
и динамического состояния всей энергосистемы. Благодаря этому,
система WAMS позволяет надежно контролировать работу магист¬

326
Глава 7. Состояние зарубежных разработок..,
ральных коридоров электропередачи и выявлять нестабильности в
сети в целом в отличие от классических релейных защит, которые
используют измерения параметров режима только данного объекта и
соответственно, защищающих только один объект или единицу обо¬
рудования.
Защита электрической сети в целом обеспечивается в широкомас¬
штабной системе наличием синхронно измеренных параметров
режима на разных подстанциях.
Быстрые и точные измерения фазового угла векторов устрой¬
ствами PMU позволяют контролировать с ранним оповещением и
сигнализацией:
сдвиг угла векторов в разных концах и точках сети;
температуру проводов BJI;
устойчивость напряжения в заданном коридоре и всей сети с ука¬
занием резерва по устойчивости;
возникновение колебаний мощности с определением амплитуды и
затухания основных составляющих спектра частот;
стабильность частоты с определением амплитуды ее изменений и
затухания основных составляющих спектра частот.
Для поддержания надежности системы разработаны соответству¬
ющие алгоритмы порядка введения соответствующих мер по регули¬
рованию режима в сети. На основе информации от системы WAMS
осуществляется разумный сброс нагрузки, сеть защищается от кас¬
кадных отключений и системных аварий.
Информация в реальном времени позволяет рассчитать оператору
запасы устойчивости и обеспечить оптимальное использование про¬
пускной способности электропередач и наиболее экономичный
режим энергосистемы с нужным запасом живучести.
При большом числе фазорных измерителей PMU целесообразно
иметь промежуточный ряд концентраторов данных, образующих сис¬
тему с выходом на центр управления и системный концентратор дан¬
ных, который также может находиться в центре.
Задачи концентратора:
выбор источников информации, т.е. нужных PMU, выбор про¬
грамм обработки данных;
обработка первичных данных — фильтрация, статистическая
обработка, определение корреляции, расчеты с комплексными вели¬
чинами — определение по фазорным значениям тока и напряжения
мощностей, реактивных и активных сопротивлений, разности угла
фаз;
7.3. Обеспечение живучести энергосистемы
327
передача обработанных сигналов в центральный концентратор
или непосредственно в центр управления электрической сетью.
Обычно концентраторы обслуживают крупные сетевые районы.
Центральный концентратор принимает потоки данных от других
систем, рассчитывает параметры поступающих новых сигналов,
архивирует данные, посылает потоки сигналов в другие концентра¬
торы и в центр управления.
Очень важным для эффективной работы всей системы является
качество сетей связи, передающих результаты измерений в отде¬
льных точках или команды между подстанциями и центром управле¬
ния в реальном времени. Широкие возможности дает применение
оптоволоконных и цифровых микроволновых каналов связи.
Компанией ABB Schweiz AG разработан пакет программ PSGuard
Tool, определяющий «качество» сети и указывающий на ее слабые
узлы прежде, чем наступит критическая ситуация. Информационная
основа — данные по мощностям и углам сдвига во всех узлах сети от
системы WAMS.
Программы строят Р0-диаграммы Для каждого узла, определяют
критерий надежности по напряжению — из разностей статических и
критических перетоков мощности в узле. Наглядность ситуации для
персонала дает построение области надежной работы на диаграмме и
указание на карте сети слабых мест. Пакет программ используется в
европейской системе контроля состояния сети.
Системы, сочетающие широкомасштабный контроль режима во
многих точках сети и программы анализа получаемых данных для
помощи диспетчеру находят все более широкое применение.
Система СМПР (Synchronized Phaser Measurement System) контро¬
лирует пропускную способность межсистемных связей на постоян¬
ном и переменном токе. Контроль фазовых углов и колебаний пара¬
метров режима производится с 1996 г. на нескольких подстанциях
переменного тока и на двух терминалах ВЛПТ. Всего действуют
14 блоков измерений фазоров PMU и два концентратора данных.
С помощью системы SPMS наблюдались процессы в сети при ава¬
рии 1996 г. в энергообъединении WECC и 2003 г. в США и Канаде.
Колебания потока мощности, записанные PMU на подстанции Malin
(штаты Калифорния и Орегон) во время аварии 1996 г. выросли до
±400 МВт, частота колебаний составляла 0,3—0,4 Гц. При системной
аварии 2003 г. отключения в штате Нью-Йорк четко отражались на
записях режима в штате Охайо, в сотнях миль от зоны аварии.

328
Глава 7. Состояние зарубежных разработок...
Система SPMS включает блоки измерения «фазоров» и концент¬
раторы данных, надежную высокоскоростную связь на оптоволокон¬
ным каналам и накопитель для запоминания данных.
Блоки PMU записывают трехфазные напряжения, токи и частоту
12 раз за один период и выдают фазорные величины прямой последо¬
вательности. Вводится точное время для каждой точки измерений с
помощью данных спутниковой системы GPS. Фазорные величины
передаются в центр обработки каждые два периода или тридцать
измерений в секунду и сводятся в таблицу с указанием времени изме¬
рения. По сигналам фазоров легко рассчитываются активная и реак¬
тивная мощность.
Концентраторы запоминают данные трехминутными отрезками.
Каждый файл анализируется в них на соответствие допускам на воз¬
мущения в энергосистеме, изменения частоты и напряжения.
Имеется обмен данными с сетью объединения ВРА (Bonneville
Power Autority) на подстанции Dittmer, в реальном времени, что поз¬
воляет контролировать состояние значительной части сети WECC.
В зону действия энергосистемы входит также межсистемная связь
на постоянном токе (Pacific Inter-tie) контроль фазового угла на
северной и южной преобразовательных подстанций позволяет опти¬
мально выбирать моменты срабатывания тиристоров и активно
демпфировать переходные процессы в сети.
Разница в фазе для подстанций, разделенных большим расстоя¬
нием, может достигать 90° и даже больше, часто это соответствует
опасным режимам работы сети. Контроль скорости изменения фазо¬
вого угла для выявления потери генерирующей мощности дает воз¬
можность определить место и опасность возмущений, таких, как
сброс генерирующей мощности или нагрузки.
Межсистемные колебания мощности с частотой 0,1—1,0 Гц могут
быть причиной системной аварии, так авария в энергообъединении
WECC (США) в 1996 г. сопровождалась значительными колебаниями
с частотой 0,3—0,4 Гц.
В настоящее время в энергообъединении WECC имеется уже
более 80 блоков PMU системы WAMS, помогающей управлять режи¬
мами сети.
Прямой реакцией в США на аварию 2003 г. стало создание широ¬
комасштабной системы применения «фазоров» и защиты от каскад¬
ных аварий — проект EIPP (Eastern Interconnector Phasor Project), в
частности, охватывающей сети энергокомпании «Entergy». К настоя¬
щему времени в сетях имеется и планируется к вводу более 75 изме¬
рительных пунктов PMU.
7.3. Обеспечение живучести энергосистемы
329
Данные, получаемые от PMU, могут использоваться для расчета
частотных характеристик для отключений генераторов, колебаний в
сети и их демпфирование. Необходимость синхронизированных по
времени измерений данных в разных точках сети понята, как урок
прошедшей аварии.
В Мексике после крупной системной аварии в электросети в
1993 г. было принято решение о создании схемы контроля динами¬
ческих процессов в энергосистеме. В 2000 г. сеть измерительных
блоков PMU была объединена и к настоящему времени имеется
33 действующих блока PMU с концентратором данных в центре
управления сетью. С помощью анализа динамических процессов
системой WAMS моделируется поведение сети и влияние на него
таких воздействий, как автоматическая разгрузка по мощности
(АРМ), частотная разгрузка и сброс в аварийных условиях.
Для электроэнергетики КНР, имеющей шесть мощных региональ¬
ных сетей со сравнительно слабыми межсистемными связями на пер¬
вый план вышла проблема динамической устойчивости. Для реше¬
ния этой проблемы была разработана система непрерывного конт¬
роля динамической устойчивости и управления сетью DSMC
(Dynamic Stability Monitoring and Control System). В ее основе лежит
система глобального контроля сети WAMS с фазорными измерениями,
которые начали разрабатываться уже в 1994 г. В настоящее время рабо¬
тают 70 PMU, устанавливаются еще 35 блоков измерений фазоров.
Блоки соответствуют требованиям стандарту IEEE 1344—1995
(Synchrophasors for Power Systems). Данные от блоков PMU собира¬
ются в 10 концентраторах, размещенных в сетевых объединениях
Китая.
Повышение живучести сетей обеспечивается функциональными
блоками системы WAMS, выполняющих такие функции, как конт¬
роль режима работы генерирующих мощностей, контроля низкочас¬
тотных колебаний в режиме реального времени, определение состоя¬
ния энергосистемы с высоким быстродействием (обычными сред¬
ствами измерений и синхрофазорами), помощь в принятии превен¬
тивных мер в опасных режимах, выявление наличия повреждения и
его места в режиме реального времени, идентификация параметров
модели системы, проверка достоверности цифрового моделирования
(производящегося обычно в энергосистемах), автоматическое регу¬
лирование напряжения — оптимизация размещения источников
реактивной мощности.

330
Глава 7. Состояние зарубежных разработок..,
Время реакции функциональных блоков энергосистемы различно:
диспетчирование, прогнозирование нагрузки — от нескольких
секунд до нескольких дней;
система телеизмерений и управления нагрузкой — от нескольких
секунд до 10 мин;
выполнение функций WAMS в динамике — от 10 мс до 1 с;
защита и противоаварийная автоматика — от десятков до сотен
миллисекунд;
оценка живучести (производится с 2003—2004 гг.) — до 5 мин;
динамический анализ живучести и принятие решения (произво¬
дится с 2004—2006 гг.) — несколько секунд;
защита и управление в реальном времени (2005—2008 гг.) — от
10 мс до 1 с.
На первом этапе развития системы DSMP были введены: конт¬
роль динамической устойчивости, предупреждающая сигнализация
об	опасных режимах, выявление низкочастотных колебаний. Второй
этап включил разработку методов принятия решения в реальном вре¬
мени. На третьем этапе был разработан механизм определения дина¬
мической нагрузочной способности для межсистемных связей.
Завершение разработки — управление динамической устойчивости в
системе с обратной связью. Полный объем функций система DSMP
получила в 2009 г.
Информация о колебаниях в системе идет от блоков PMU,
несколько десятков которых установлено на подстанциях националь¬
ной сети и на крупных электростанциях, например, на ГЭС «Три
Ущелья» (Китай). Данные в режиме on-line фазовый угол, напряже¬
ния на шинах, активная и реактивная мощности на линиях и генера¬
торах отсылаются в центр управления каждые 10—20 мс.
Кроме этих данных, национальный центр управления получает
сведения о режимах работы сети — ее состоянии и схеме, потоках
мощности, статической устойчивости с периодичностью в несколько
секунд и собирает данные для анализа живучести энергосистемы в
режиме (off-line) на перспективу.
Человеко-машинный интерфейс системы посылает диспетчерам
сигналы опасности, основывающиеся на результатах анализа дан¬
ных. Система выявляет и регистрирует некоторые низкочастотные
колебания, имевшиеся в региональных сетях центральных и север¬
ных регионах Китая.
Основная особенность системы DSMP — интеграция систем теле¬
измерения и телеуправления SCADA, ведения режимов EMS, сис¬
темных защит, системы широкомасштабного контроля сети WAMS
7.4. Повышение экономичности и эффективности электроснабжения 331
с применением блоков PMU и программ анализа устойчивости в
режимах как on-line, так и off-line.
Другой вариант широкомасштабной защиты рассчитан на схему
сети с несколькими центрами управления.
Мощная, надежная, чувствительная и живучая система широко¬
масштабной защиты может быть создана на комплексе специально
разработанных, соединенных между собой терминалов защиты. Эти
терминалы устанавливаются на подстанциях, где производятся дейст¬
вия или измерения.
При большом числе фазорных измерителей PMU целесообразно
иметь промежуточный ряд концентраторов, образующих систему с
выходом на центр управления и системный концентратор данных,
который также может находиться в центре.
Поступающая в концентратор информация обрабатывается в соот¬
ветствии со следующими задачами:
выбор источников информации, т.е. нужных PMU;
расчеты поступающих сигналов с помощью калькулятора, имею¬
щего возможности вычислений комплексных чисел с широким набо¬
ром арифметических и логических операций с ними, фильтровки,
статистической обработки, определение корреляции и пр.;
выбор части рабочего окна для данной группы сигналов автомати¬
ческая фиксация момента событий в сети;
выбор и дозагрузка новых версий программ обработки данных;
сохранение групп сигналов для дальнейшей обработки;
передача сигналов для управления другими программами.
Как показывает практика, применение фазорных измерителей
PMU резко повышает наглядность состояния энергосистемы в дина¬
мике. Так, с помощью системы WAMS с центром управления в
Швейцарии (Laufenburg), осуществляющей контроль возмущений во
всей электрической сети Западной Европы и с применением про¬
граммного комплекса PSGuard (разработка фирмы «АВВ») успешно
контролировалась синхронизация присоединяющейся юго-западной
части Европы к сети (2004 г.)
7.4.	Повышение экономичности
и эффективности электроснабжения
Действия Smart grid, как средства повышения экономичности и
эффективности электроснабжения заключаются как указано в
использовании ее возможностей регулирования потоков мощности,
включая управление нагрузкой у потребителей. Оптимизация

332
Глава 7. Состояние зарубежных разработок..,
режима электрической сети становится возможной благодаря интел¬
лектуализации систем контроля и управления.
Системы управления нагрузкой у потребителя
Высокоразвитая система двухстороннего обмена информацией с
потребителем, позволяет не только измерять, но и регулировать пот¬
ребление электроэнергии (телеуправление). Оснащение потребите¬
лей многотарифной системой учета потребления электроэнергии,
«интеллектуальными» цифровыми счетчиками, дает возможность
измерить не только потребляемую, но и конкретно выдаваемую пос¬
тавщикам электроэнергию.
Показательно, что внедрение таких систем за рубежом введется
особенно активно, так как они быстрее приносят прибыль, не требуя
длительных сроков амортизации.
Практически управление нагрузкой бытовых потребителей осу¬
ществляется автоматизированной системой учета потребления элект¬
роэнергии и управлением с двусторонним телеизмерением и телеуп¬
равлением, с соответствующей системой связи (Интернет, PLC и др.).
«Интеллектуальные» счетчики («Smartmeters») используют мно¬
готарифную систему оплаты электроэнергии по контрактам с постав¬
щиком. Изменение тарифа осуществляется либо автоматически, либо
по заданному графику в течение суток, в том числе по командам со
стороны питающей сети.
В программе развития распределительных сетей США предусмот¬
рена соответствующая двухстороннему обмену информацией рекон¬
струкция систем связи, телеизмерений и телеуправления, учета элек¬
троэнергии (автоматическое показаний счетчиков), системы конт¬
роля отключений и восстановления снабжения потребителей элект¬
роэнергией.
В соответствии с программой Grid-2030 предусмотрено внедре¬
ние интеллектуальной связи при учете электроэнергии с регулирова¬
нием у потребителя, как основы автоматизации домашнего хозяйства
относительно сети. Предусматривается внедрение систем регулиро¬
вания мощности, выдаваемой со стороны потребителей (участие в
рынке электроэнергии). Соответственно составляются региональные
планы развития сети.
Оптимизация графиков потребления является самым быстрым и
надежным средством повышения энергоэффективности, сокращения
расходов потребителей и снижения необходимой пиковой мощности
у производителя электроэнергии.
7.4. Повышение экономичности и эффективности электроснабжения 333
Фирма «Parks Associates» пришла к выводу, что в США будет вве¬
дено более 6 млн «интеллектуальных» Smart-счетчиков с автомати¬
ческим съемом показаний и возможностями управления нагрузкой.
Это — очередной вклад концепции Smart Grid в повышение эффек¬
тивности сетей. Первые примеры — планы замены 5 млн счетчиков в
энергокомпании Southern California Edison, 800 тыс. счетчиков в ком¬
пании Portland General Electric. Программа Майами предполагает
замену 1 млн счетчиков с радиосвязью для считывания показаний и
телеуправления нагрузкой.
Еще более совершенные «интеллектуальные» счетчики будут при¬
менены на о. Мальта. По программе повышения эффективности сети
(исполнитель — компания «1ВМ», стоимость — 750 млн евро) будет
заменено 250 тыс. аналоговых счетчиков на цифровые, объединен
учет электроэнергии и расхода воды, введена система мониторинга
комплекса.
«Интеллектуальная» электрическая сеть на о-ве Мальта позволит
ликвидировать лишние расчеты, ввести гибкие тарифы (с возмож¬
ностью приспосабливать их под изменяющиеся условия продажи
электроэнергии), ввести систему предоплаты (аналогично мобильни¬
кам), снизить потери в сети (коммерческие — за счет совершенство¬
вания расчетов, технические — за счет выявления места потерь при
мониторинге). Телеуправление нагрузкой у потребителей улучшит
оперативность управления сетью, повысит эффективность электро¬
снабжения (анализ продажи электроэнергии в реальном времени),
позволит организовать «портал потребителя» в Интернете с получе¬
нием технической и коммерческой информации.
Ассоциация «T&D Europe», представляющая производителей
сетевого оборудования в Европе, сформулировала направления даль¬
нейшего развития электрических сетей, способствующих повыше¬
нию их эффективности, выделив в первую очередь создание «интел¬
лектуальных» электрических сетей. Предполагаемое широкое приме¬
нение автоматизированной системы учета расхода электроэнергии с
двусторонней передачей данных прогнозирует расширение произ¬
водства «интеллектуальных» счетчиков и элементов инфраструктуры
системы AMI.
В США, в странах Европейского содружества, в КНР, Южной
Корее, Австралии и других странах уже разработаны Программы
развития различных электроэнергетических систем под общим
названием «Smart grid». Причем каждая из стран в своей программе
отдает приоритет той или иной технологии и необходимому оборудо¬
ванию.

334
Глава 7. Состояние зарубежных разработок...
Так, в странах Европы (Германия, Испания, Франция и др.) основ¬
ное внимание уделено интегрированию возобновляемых источников
в работу энергосистемы применению для этих целей специальных
систем и созданию так называемых локальных энергосистем.
В противоположность этому в Австралии основное внимание уде¬
лено вопросам коммерческого учета потребления электроэнергии, и в
первую очередь проблемам участия нагрузки в управлении режи¬
мами работы энергосистемы.
Наиболее полная и всеобъемлющая национальная Программа в
области Smart grid разработана и уже начала реализовываться в
США. Программа охватила как магистральные, так и распределен¬
ные сети. В ней уделено большое внимание проблемам интегрирова¬
ния возобновляемых источников энергии в существующие и строя¬
щиеся электрические сети, проблемам применения новейших техно¬
логий как в сфере силового электрооборудования, так и в сфере сис¬
тем управления. По каждому из направлений сформирована своя
дорожная карта.
В программах Европейского Содружества большое внимание уде¬
ляется в первую очередь городам: проблемам энергоэффективности,
проблемам создания «умных домов», «умных районов», применению
«умных счетчиков» и в конечном итоге участию потребителей в
управлении режимами работы энергосистем.
Контрольные вопросы к главе 7
1.	Какова особенность энергосистемы США?
2.	Тенденции создания и применения в мире линий электропередачи и, в том
числе вставок постоянного тока.
3.	Как развивается технология «Smart grid» в странах Европы, Азии и Аме¬
рики?
4.	Каковы тенденции применения устройств силовой электроники для управ¬
ления режимами работы в зарубежных странах?
5.	Расскажите о высокотемпературной сверхпроводимости. Опишите наибо¬
лее интересные проекты в США, КНР и других странах.
6.	Каковы тенденции применения устройств PMV, WAMS за рубежом?
7.	Чем отличаются энергосистемы зарубежных стран от Единой энергосисте¬
мы России?
Список литературы к главе 7
7.1.	Вариводов В.Н. Современные технологии передачи электроэнергии //
Энергоэксперт. 2010. № 3.
7.4. Повышение экономичности и эффективности электроснабжения 335
7.2.	Технические аспекты создания компактных управляемых ВЛ 220—
500 кВ. Ю.Г. Шакарян, Л.В. Тимашова, В.М. Постолатий и др. // Электроэнергия.
Передача и распределения. 2012. № 2.
7.3.	Кобец Б.Б., Волкова И.Н. Smart grid. Концептуальные положения //
Энергорынок. 2010. № 3.
7.4.	Алексеев Б.А. Оценка нагрузочной способности ВЛ и методы ее повы¬
шения // Энергоэксперт. 2010. № 4.
7.5.	Бушуев В.В. Технологические тенденции развития энергетики // Элект-
ро. 2011. №3.
7.6.	Куликов Ю.А. Технологии векторной регистрации параметров и ее при¬
менение для управления режимами ЕЭС России // Электро. 2011. № 2.
7.7.	Осорин М.П. Как создается интеллектуальная сеть: от слов к практике //
Энергоэксперт. 2011. № 4.
7.8.	Концепции интеллектуальной электроэнергетической системы России
с активно-адаптивной сетью / Р.Н. Бердников, Ю.А. Дементьев, Ю.И. Моржин
и др. // Электрические станции. 2011. № 12.
7.9.	Инновационное развитие электроэнергетики России / Н.И. Воропай,
С.В. Подковальников, В.А. Стенников и др. // Электро. 2011. № 4.
7.10.	Новые технологии для электрических сетей: Сб. статей / под общ. ред.
А.Н. Раппопорта и С.В. Серебрянникова. М.: Издательский дом МЭИ. 2006.

Учебное издание
Бурман Алексей Петрович
Розанов Юрий Константинович
Шакарян Юрий Гевондович
УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Учебное пособие для вузов
Редактор издательства И.П. Березина
Технический редактор ТА. Дворецкова
Корректор В. В. Сомова
Компьютерная верстка Л. В. Софейчук
Подписано в печать с оригинала-макета 06.03.12 Формат 60x90/16
Бумага офсетная Гарнитура Таймс Печать офсетная
Уел. печ. л. 21,0 Уел. кр.-отт. 22,0 Уч.-изд. л. 20,0
Тираж 1000 экз. Заказ № 346
ЗАО «Издательский дом МЭИ», 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14,
тел/факс: (495) 361-1681, адрес в Интернете: http://www.mpei-publishers.ru,
электронная почта: info@idmei.ru
Отпечатано в ППП «Типография «Наука», 121099, Москва, Шубинский пер., д. 6.