Регулирующий трансформатор фазового сдвига в электроэнергетических сетях.

Введение

Фазоугольный регулирующий трансформатор, фазовый регулятор (PAR, американское использование), фазопереключающий трансформатор, фазовый сдвигатель (американское использование на Западном побережье) или квадратурный повышающий трансформатор (quad booster, британское использование) – это специализированная форма трансформатора, используемая для управления потоком активной мощности в трехфазных сетях электропередачи. Для линии передачи переменного тока поток мощности через линию пропорционален синусу разности фазовых углов напряжения между отправляющей и принимающей сторонами линии. Если между двумя точками в сети передачи существуют параллельные цепи с разной пропускной способностью (например, воздушная линия и подземный кабель), непосредственное регулирование фазового угла позволяет контролировать распределение потока мощности между этими цепями, предотвращая перегрузки. Квадратурные повышающие трансформаторы, таким образом, обеспечивают возможность снятия перегрузок с сильно нагруженных цепей и перенаправления мощности по более выгодным маршрутам. В качестве альтернативы, если один участник взаимообмена намеренно вызывает значительный "непреднамеренный переток энергии" в систему нежелательного участника, последний может пригрозить установкой фазового сдвигателя для предотвращения такого "непреднамеренного перетока". Тактической целью нежелательного участника в этом случае является повышение стабильности своей системы за счет стабильности системы другого участника. Поскольку стабильность энергосистемы – а значит, и ее надежность – является региональной или национальной стратегической задачей, угроза установки фазового сдвигателя обычно достаточна для того, чтобы нарушающая сторона внесла необходимые изменения в свою систему, чтобы значительно сократить или устранить "непреднамеренный переток энергии" в систему пострадавшей стороны. Капитальные затраты на квадратурный повышающий трансформатор могут быть значительными: до четырех-шести миллионов фунтов стерлингов (6–9 миллионов долларов США) для установки мощностью более 2 ГВА. Однако, гибкость и скорость работы, а особенно возможность экономичного распределения генерации, делают его ценным инструментом для операторов систем передачи, что позволяет быстро окупить затраты на приобретение.

A phase angle regulating transformer, phase angle regulator (PAR, American usage), phase shifting transformer, phase shifter (West coast American usage), or quadrature booster (quad booster, British usage), is a specialised form of transformer used to control the flow of real power on three phase electric transmission networks. For an alternating current transmission line, power flow through the line is proportional to the sine of the difference in the phase angle of the voltage between the transmitting end and the receiving end of the line. Where parallel circuits with different capacities exist between two points in a transmission grid (for example, an overhead line and an underground cable), direct manipulation of the phase angle allows control of the division of power flow between the paths, preventing overload. Quadrature boosters thus provide a means of relieving overloads on heavily laden circuits and re routing power via more favorable paths. Alternately, where an interchange partner is intentionally causing significant "inadvertent energy" to flow through an unwilling interchange partner's system, the unwilling partner may threaten to install a phase shifter to prevent such "inadvertent energy", with the unwilling partner's tactical objective being the improvement of its own system's stability at the expense of the other system's stability. As power system stability—hence reliability—is really a regional or national strategic objective, the threat to install a phase shifter is usually sufficient to cause the offending system to implement the required changes to its own system to greatly reduce or eliminate the "inadvertent energy" flowing through the offended system. The capital cost of a quadrature booster can be high: as much as four to six million GBP (6–9 million USD) for a unit rated over 2 GVA. However, the utility to transmission system operators in flexibility and speed of operation, and, more particularly, facilitating economic dispatch of generation, can soon recover the cost of ownership.

Способ работы

С помощью напряжения, полученного от источника питания, которое сначала сдвигается по фазе на 90° (и, следовательно, находится в квадратуре), а затем вновь подается на него, на квадратурном усилителе формируется фазовый сдвиг. Именно этот индуцированный фазовый сдвиг влияет на передачу мощности в заданных цепях.

Соглашение

Квадратурный повышающий трансформатор обычно состоит из двух отдельных трансформаторов: шунтового и последовательного блоков. Шунтовый блок имеет обмотки, подключенные между фазами, что позволяет ему создавать выходные напряжения, сдвинутые на 90° относительно напряжения питания. Его выход подается на вход последовательного блока, который, благодаря вторичной обмотке, включенной последовательно с основной цепью, добавляет фазосдвинутую составляющую. Таким образом, общее выходное напряжение является векторной суммой напряжения питания и квадратурной составляющей в 90°. Отводы на шунтовом блоке позволяют регулировать величину квадратурной составляющей и, следовательно, величину фазового сдвига на квадратурном повышающем трансформаторе. Ток в цепи, содержащей квадратурный повышающий трансформатор, может быть увеличен (повышающий отвод) или уменьшен (понижающий отвод). При определенных системных условиях ток может быть даже настолько уменьшен, чтобы полностью изменить направление относительно нейтрального отвода.

Иллюстрация эффекта

На однолинейной схеме ниже показано влияние включения квадратурного бустера в условную систему нагрузки генератора мощностью 100 МВт с двумя параллельными линиями передачи, одна из которых оснащена квадратурным бустером (заливка серым цветом) с диапазоном регулирования от 1 до 19. На левом изображении квадратурный бустер находится в среднем положении – 10, и имеет фазовый угол 0°. Таким образом, он не влияет на поток мощности по своей цепи, и обе линии равномерно загружены на 50 МВт. На правом изображении представлена та же сеть, но с отрегулированным квадратурным бустером, чтобы уменьшить поток мощности. Полученный отрицательный фазовый угол перенаправил 23 МВт нагрузки на параллельную цепь, при этом общая потребляемая мощность осталась неизменной – 100 МВт. (Следует отметить, что используемые здесь значения являются гипотетическими; фактический фазовый угол и перераспределение нагрузки будут зависеть от параметров квадратурного бустера и линий передачи.) Предусмотренный эффект противоположен: выравнивание мощности на линиях, где в естественных условиях одна из них была бы сильно загружена, а другая – слабо.

Установленные средства

Линий электропередач, соединяющих Северную и Южную Германию, недостаточно для передачи мощности, вырабатываемой ветроэлектростанциями, расположенными в Северном море. Чешский оператор системы передачи ČEPS ввел в эксплуатацию барьерную систему с двумя трансформаторами с фазовым сдвигом на подстанции Градице 17 января 2017 года. Общая стоимость установки составила около 75 миллионов евро. Установка трансформаторов с фазовым сдвигом потребовалась для регулирования и управления потоком электроэнергии, произведенной из возобновляемых источников, из Германии. Немецкий оператор системы передачи 50 Hertz ввел в эксплуатацию два трансформатора с фазовым сдвигом на подстанции Рёрсдорф в январе 2018 года. Подстанции Рёрсдорф и Градице соединены двумя линиями электропередачи 400 кВ.