Способ и устройство для улучшения возможностей диспетчерского управления системой передачи электроэнергии переменного тока, стабильности системы и управляемости потокораспределением мощности с использованием систем передачи электроэнергии постоянного тока
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для обслуживания объединенных центров потребления электроэнергии, например больших городских зон или географических областей. Техническим результатом является обеспечение стабильности энергоснабжения переменного тока - постоянного - переменного тока с одновременным управлением потокораспределением мощности во всех входящих и выходящих линиях электропередачи переменного и/или постоянного тока. В способе и устройстве для улучшения возможностей диспетчерского управления системой передачи электроэнергии переменного тока система передачи электроэнергии обеспечивает развязку локальной сети электропередачи переменного тока от окружающей системы переменного тока, а локальный центр потребления электроэнергии переменного тока имеет множество локальных электрических нагрузок переменного тока и питающую линию распределительной сети, обслуживающую множество локальных электрических нагрузок переменного тока. Кроме того имеется, по меньшей мере, одна удаленная электростанция или иной источник электроэнергии для подачи электроэнергии переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока. Для обеспечения развязки электроэнергии переменного тока, полученной из удаленной электростанции, от локального центра потребления электроэнергии переменного тока путем преобразования электроэнергии переменного тока в электроэнергию постоянного тока, между локальным центром потребления электроэнергии переменного тока и удаленной электростанцией создают полное или частичное кольцо линий электропередачи постоянного тока. Осуществляют повторное преобразование электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока, исходя из потребностей электрической нагрузки. Питающая линия распределительной сети подает электроэнергию переменного тока с обеспечением развязки всех локальных электрических нагрузок переменного тока от удаленной электростанции. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изобретение относится к способу и к устройству для улучшения возможностей диспетчерского управления системой передачи электроэнергии переменного тока, стабильности системы и управляемости потокораспределением мощности с использованием систем передачи электроэнергии постоянного тока. Обслуживание объединенных центров потребления электроэнергии (например, больших городских зон или географических областей со значительной смежной нагрузкой) обычно осуществляют через местную электрическую сеть переменного тока посредством сочетания локальных источников выработки электроэнергии (то есть расположенных внутри или непосредственно рядом с центром потребления электроэнергии) и высоковольтных линий дальней электропередачи переменного тока или постоянного тока из отдаленных источников выработки электроэнергии. Часто эта зона является охваченной или частично охваченной кольцом высоковольтных линий электропередачи переменного тока. В некоторых случаях через локальную электрическую сеть переменного тока подают электроэнергию, предназначенную для других отдаленных центров потребления электроэнергии, или производят ее транзитную передачу. Это схематично проиллюстрировано на Фиг.1. Эта структура является чувствительной к стабильности напряжения и к перерывам в энергоснабжении вследствие случаев отключения подачи электроэнергии или аварий на одной или на большем количестве линий дальней электропередачи, обслуживающих зону, которые затем подключены по каскадной схеме к локальной зоне. Кроме того, сложно реализовать совместное управление нагрузкой в линиях дальней электропередачи и в локальной электрической сети. Обычно для этого требуется добавление дорогостоящих регуляторов переменного тока, таких как, например, унифицированный регулятор потокораспределения мощности (UPFC), или иных устройств для гибких систем передачи электроэнергии переменного тока (FACTS). В этой ситуации региональная энергосистема или локальный центр потребления электроэнергии являются неизолированными и не поддаются управлению.
Частичным решением проблемы является обслуживание региональной электрической сети или центра потребления электроэнергии целиком посредством небольших, распределенных энергоблоков, расположенных вблизи от мест потребления электроэнергии, соединенных с электрической сетью и управляемых единообразным образом, например через кольцо линий электропередачи переменного тока, как показано на Фиг.2. Диспетчерское управление генераторами осуществляют по мере необходимости для обслуживания соседнего места потребления электроэнергии, и в течение рабочего цикла их мощность может быть увеличена или уменьшена. Это техническое решение имеет меньшую уязвимость к событиям на отдаленных линиях электропередачи. Однако при реализации такого технического решения возникает много трудностей, обусловленных в том числе высокой стоимостью небольших генераторов и сложностью их размещения в населенных районах. Кроме того, это решение не обеспечивает транзитную магистральную передачу энергии в энергосистеме через эти районы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следовательно, задачей настоящего изобретения является создание кольца или неполного кольца линий электропередачи постоянного тока с иерархической структурой управления, обслуживающих региональную электрическую сеть или локальный центр потребления электроэнергии, например большой город, с использованием управляемых преобразователей переменного тока в постоянный в виде структуры с множеством точек подачи/отбора электроэнергии. Это обеспечивает очень стабильную сеть энергоснабжения переменного тока - постоянного тока - переменного тока, которая обеспечивает полное управление подачей электроэнергии на все питаемые нагрузки, одновременно обеспечивая управление потокораспределением мощности во всех входящих и выходящих линиях электропередачи переменного тока и/или постоянного тока.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения система передачи электроэнергии постоянного тока обеспечивает развязку локальной сети электропередачи переменного тока от окружающей системы электропередачи переменного тока. Имеется локальный центр потребления электроэнергии переменного тока с множеством локальных электрических нагрузок переменного тока и одна или большее количество питающих линий распределительной сети, обслуживающих множество локальных электрических нагрузок переменного тока. Может иметься удаленная электрическая нагрузка переменного тока. По меньшей мере, одна удаленная электростанция, вырабатывающая электроэнергию, подает электроэнергию переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока и/или на удаленную электрическую нагрузку переменного тока по линии электропередачи переменного тока, а между локальным центром потребления электроэнергии переменного тока и удаленной электростанцией, вырабатывающей электроэнергию, и удаленной электрической нагрузкой, по меньшей мере, частично расположено кольцо или неполное кольцо линий электропередачи постоянного тока, имеющее множество подключенных к нему электрических нагрузок постоянного тока. Кольцо линий электропередачи постоянного тока обеспечивает развязку электроэнергии переменного тока, полученной из удаленной электростанции, от локального центра потребления электроэнергии переменного тока. Первое множество преобразователей переменного/постоянного тока, являющихся электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока, которое является внешним относительно локального центра потребления электроэнергии переменного тока, предназначено для преобразования электроэнергии переменного тока из удаленной электростанции в электроэнергию постоянного тока, которая течет по кольцу линий электропередачи постоянного тока, и для подачи этой электроэнергии постоянного тока, по меньшей мере, на некоторые другие нагрузки из множества электрических нагрузок постоянного тока на кольце линий электропередачи постоянного тока. Второе множество преобразователей переменного/постоянного тока, которые являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока, предназначено для преобразования электроэнергии постоянного тока из кольца линий электропередачи постоянного тока в электроэнергию переменного тока, которую направляют как на локальные электрические нагрузки переменного тока, так и на удаленные электрические нагрузки. Одна или большее количество питающих линий распределительной сети в локальном центре потребления электроэнергии переменного тока являются электрически соединенными с кольцом линий электропередачи постоянного тока через второе множество преобразователей переменного/постоянного тока для подачи электроэнергии переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока, при этом обеспечена развязка всех локальных электрических нагрузок переменного тока от удаленной электростанции. Линия электропередачи, которая является внешней относительно локального центра потребления электроэнергии переменного тока, является электрически соединенной с кольцом линий электропередачи постоянного тока через второе множество преобразователей переменного/постоянного тока для подачи электроэнергии переменного тока на удаленные электрические нагрузки, при этом все локальные электрические нагрузки переменного тока являются развязанными от этой операции передачи электроэнергии.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения в заранее заданных местах на кольце линий электропередачи постоянного тока введено множество преобразователей постоянного тока в постоянный ток, обеспечивающих развязку, которые предназначены для развязки от неисправностей на кольце линий электропередачи постоянного тока, предотвращая возникновение помех для работы системы или полное нарушение работы системы вследствие упомянутых неисправностей.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения по меньшей мере, один локальный генератор электроэнергии переменного тока электрически соединен с центром потребления электроэнергии переменного тока через кольцо линий электропередачи постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения электроэнергию переменного тока, выработанную удаленной электростанцией, передают в местную электрическую сеть посредством линии электропередачи, выбранной из группы линий электропередачи, состоящей из линий высокого напряжения (ВН) или линий сверхвысокого напряжения (СВН), и она может быть воздушной или подземной.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения управляемые преобразователи переменного/постоянного тока направляют электроэнергию, которая запланирована для передачи из удаленной электростанции в место сбыта, находящееся на удалении от локального центра потребления электроэнергии переменного тока, через кольцо линий электропередачи постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения система содержит, по меньшей мере, один источник электроэнергии постоянного тока, расположенный в локальном центре потребления электроэнергии переменного тока, который является электрически связанным с кольцом линий электропередачи постоянного тока. Кольцо линий электропередачи постоянного тока обеспечивает развязку источников электроэнергии постоянного тока от электрических нагрузок переменного тока и обеспечивает диспетчерское управление источниками постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения в локальном центре потребления электроэнергии переменного тока расположено множество разнообразных распределенных источников выработки электроэнергии постоянного тока, которые являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока. Кольцо линий электропередачи постоянного тока обеспечивает развязку источников электроэнергии постоянного тока от электрических нагрузок переменного тока и обеспечивает диспетчерское управление источниками постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения преобразователями источника электроэнергии являются преобразователи переменного тока в постоянный.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения в локальном центре потребления электроэнергии переменного тока расположено множество разнообразных распределенных источников выработки электроэнергии постоянного тока, которые являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока и являются выбранными из группы, состоящей из топливных элементов, микротурбин, солнечных фотоэлектрических батарей, аккумуляторов и электрических микросетей постоянного тока. Кольцо линий электропередачи постоянного тока обеспечивает развязку источников электроэнергии постоянного тока от электрических нагрузок переменного тока и обеспечивает диспетчерское управление источниками постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения второе кольцо линий электропередачи постоянного тока, предназначенное для использования в качестве резервного, которое соединено с системой и проходит по аналогичной, но не смежной трассе.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения в нем предложена система передачи электроэнергии постоянного тока, обеспечивающая развязку локальной сети электропередачи переменного тока от окружающей энергосистемы переменного тока, и она содержит локальный центр потребления электроэнергии переменного тока, в котором имеется множество электрических нагрузок переменного тока, питающая линия распределительной сети переменного тока, обслуживающая множество электрических нагрузок переменного тока, и локальный центр потребления электроэнергии постоянного тока, в котором имеется множество электрических нагрузок постоянного тока и питающая линия распределительной сети постоянного тока, обслуживающая множество электрических нагрузок постоянного тока. Подачу электроэнергии переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока обеспечивает, по меньшей мере, одна удаленная электростанция. Кольцо линий электропередачи постоянного тока, имеющее множество подключенных к нему электрических нагрузок постоянного тока, расположено, по меньшей мере, частично, между локальными центрами потребления электроэнергии переменного тока и постоянного тока и удаленной электростанцией. Кольцо линий электропередачи постоянного тока обеспечивает развязку электроэнергии переменного тока, полученной из удаленной электростанции, от локальных центров потребления электроэнергии переменного тока и постоянного тока. Первое множество преобразователей переменного/постоянного тока, являющихся электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока, которое является внешним относительно локального центра потребления электроэнергии переменного тока, предназначено для преобразования электроэнергии переменного тока, полученной из электростанции, в электроэнергию постоянного тока и для предоставления электроэнергии постоянного тока, преобразованной в одном из преобразователей переменного/постоянного тока, по меньшей мере, для некоторых других нагрузок из множества электрических нагрузок постоянного тока на кольце линий электропередачи постоянного тока. Второе множество преобразователей переменного/постоянного тока, которые являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока в локальном центре потребления электроэнергии переменного тока, предназначено для преобразования электроэнергии постоянного тока из кольца линий электропередачи постоянного тока в электроэнергию переменного тока для ее подачи на электрические нагрузки переменного тока. Питающая линия распределительной сети переменного тока в локальном центре потребления электроэнергии переменного тока является электрически соединенной с кольцом линий электропередачи постоянного тока через второе множество преобразователей переменного/постоянного тока для подачи электроэнергии переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока, при этом обеспечена развязка всех локальных электрических нагрузок от удаленной электростанции. Питающая линия распределительной сети постоянного тока в локальном центре потребления электроэнергии постоянного тока является электрически соединенной с кольцом линий электропередачи постоянного тока через второе множество преобразователей переменного/постоянного тока для подачи электроэнергии постоянного тока в кольцо линий электропередачи постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения в локальной сети электропередачи переменного тока расположено множество разнообразных распределенных источников выработки электроэнергии постоянного тока, которые являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока. Кольцо линий электропередачи постоянного тока обеспечивает развязку источников электроэнергии постоянного тока от электрических нагрузок переменного тока и обеспечивает диспетчерское управление источниками постоянного тока.
Способ обеспечения развязки локальной сети электропередачи переменного тока от окружающей энергосистемы переменного тока согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя систему, в которой имеется центр потребления электроэнергии переменного тока с множеством электрических нагрузок переменного тока, одну или большее количество питающих линий распределительной сети, обслуживающих множество локальных электрических нагрузок переменного тока, и, по меньшей мере, одну удаленную электростанцию для подачи электроэнергии переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока. Способ содержит следующие операции: между локальным центром потребления электроэнергии переменного тока и удаленной электростанцией размещают, по меньшей мере, частичное кольцо линий электропередачи постоянного тока, имеющее множество подключенных к нему электрических нагрузок постоянного тока, и посредством кольца линий электропередачи постоянного тока обеспечивают развязку электроэнергии переменного тока, полученной из удаленной электростанции, от локального центра потребления электроэнергии переменного тока. Осуществляют преобразование электроэнергии переменного тока, полученной из электростанции, в электроэнергию постоянного тока и предоставляют ее, по меньшей мере, для некоторых других нагрузок из множества электрических нагрузок постоянного тока на кольце линий электропередачи постоянного тока.
Осуществляют преобразование электроэнергии постоянного тока из кольца линий электропередачи постоянного тока в электроэнергию переменного тока, и подают электроэнергию переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока, при этом обеспечена развязка всех локальных электрических нагрузок переменного тока от удаленной электростанции.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую операцию: в заранее заданных местах на кольце линий электропередачи постоянного тока устанавливают множество преобразователей постоянного тока в постоянный ток, обеспечивающих развязку, которые предназначены для развязки от неисправностей на кольце линий электропередачи постоянного тока, предотвращая нарушение работы системы вследствие этих неисправностей.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую операцию: обеспечивают электрическое соединение, по меньшей мере, одного локального генератора электроэнергии переменного тока с центром потребления электроэнергии переменного тока, расположенным внутри кольца линий электропередачи постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую операцию: направляют электроэнергию, которая запланирована для передачи из удаленной электростанции в место сбыта, находящееся на удалении от локального центра потребления электроэнергии переменного тока, через кольцо линий электропередачи постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую операцию: обеспечивают наличие, по меньшей мере, одного источника электроэнергии постоянного тока, расположенного внутри локальной сети электропередачи переменного тока, который является электрически связанным с кольцом линий электропередачи постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, способ содержит следующую операцию: обеспечивают наличие множества разнообразных распределенных источников выработки электроэнергии постоянного тока, расположенных внутри локальной сети электропередачи переменного тока, которые являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую операцию: обеспечивают наличие множества разнообразных распределенных источников выработки электроэнергии постоянного тока, расположенных в пределах локальной сети электропередачи переменного тока, которые являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока и выбранными из группы, состоящей из топливных элементов, микротурбин, солнечных фотоэлектрических батарей, аккумуляторов и электрических микросетей постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения способ содержит следующую операцию: обеспечивают наличие второго кольца линий электропередачи постоянного тока, предназначенного для использования в качестве резервного, которое соединено с системой и проходит по аналогичной, но не смежной трассе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Некоторые задачи настоящего изобретения уже были изложены выше. Другие задачи и преимущества настоящего изобретения станут ясными для понимания из дальнейшего описания настоящего изобретения при его рассмотрении совместно с указанными ниже чертежами, на которых изображено следующее:
на Фиг.1 показана схема типичной электрической сети переменного тока;
на Фиг.2 показана схема частичного решения проблемы управления потокораспределением нагрузки в электрической сети переменного тока и через нее;
на Фиг.3 показана схема системы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, на которой проиллюстрировано то, как система обеспечивает развязку локальной сети электропередачи переменного тока от остальной части окружающей энергосистемы переменного тока за счет введения кольца линий электропередачи постоянного тока между локальной сетью электропередачи переменного тока (электрические нагрузки и генераторы) и внешней энергосистемой переменного тока; и
на Фиг.4 показана схема, на которой проиллюстрировано то, как система согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения обеспечивает встраивание других типов локальных средств выработки электроэнергии и электрических нагрузок.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ИЗОБРЕТЕНИЯ И НАИЛУЧШЕГО ВАРИАНТА ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Как упомянуто выше, на Фиг.1 изображена типичная электрическая сеть переменного тока, содержащая локальный центр или зону 1 потребления электроэнергии переменного тока, подачу электроэнергии, в которую обеспечивают или через которую проходят несколько линий 2 электропередачи переменного тока высокого напряжения (ВН) или сверхвысокого напряжения (СВН). Удаленные электростанции 3 (например, атомные электростанции или электростанции, работающие на угле) вырабатывают электроэнергию, которую или потребляют в локальном центре потребления электроэнергии переменного тока или осуществляют ее транзитную передачу через локальный центр потребления электроэнергии переменного тока в более удаленные места 4 сбыта. Близлежащие или локальные электростанции 5 также обеспечивают подачу электроэнергии в локальные и/или удаленные места сбыта. Потокораспределение мощности в этой локальной и расширенной электрической сети переменного тока регулируют согласно закону Ома (Ohm=s Law В), то есть не осуществляют активное управление им. Потокораспределение мощности по пути с наименьшим сопротивлением потенциально приводит к низкому коэффициенту использования средств передачи и распределению и/или к их перегрузкам. Неисправности в питающих линиях ВН или СВН могут приводить к каскадным процессам, переходящим в локальную сеть электропередачи переменного тока, что приводит к отключениям подачи электроэнергии. Вследствие нерегулируемого потока, проходящего через электрическую сеть из удаленной электростанции в удаленные электрические нагрузки, в локальной сети электропередачи переменного тока могут возникать нестабильности напряжения или лавина напряжения.
На Фиг.2 показано частичное решение проблемы управления потокораспределениями нагрузки в электрической сети 1 переменного тока и через нее. В этом случае региональная электрическая сеть или центр потребления электроэнергии полностью обслуживается малыми, распределенными генераторами 5 переменного тока, расположенными вблизи от электрических нагрузок, соединен(а) с местной электрической сетью, а управление им(ей) осуществляют унифицированным способом, например, через кольцо линий электропередачи переменного тока (на чертеже не показано). Диспетчерское управление локальные генераторами 5 осуществляют по мере необходимости для обслуживания соседних электрических нагрузок, и в течение рабочего цикла их мощность может быть увеличена или уменьшена. Какое-либо существенное соединение с внешней энергосистемой переменного тока отсутствует, поэтому не возникает никаких проблем с запланированной или внеплановой электроэнергией, протекающей через локальную сеть электропередачи переменного тока.
Теперь, со ссылкой на Фиг.3, на которой проиллюстрирована система 10 согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, полностью обеспечивающая развязку локальной сети электропередачи переменного тока от остальной части окружающей энергосистемы переменного тока за счет введения кольца линий электропередачи постоянного тока между локальной сетью электропередачи переменного тока (электрические нагрузки переменного тока и генераторы) и внешней энергосистемой переменного тока. Система 10 содержит локальный центр или зону 11 потребления электроэнергии переменного тока, обслуживание электрических нагрузок которого(которой) осуществляют в основном посредством нескольких линий 12 электропередачи переменного тока высокого напряжения (ВН) или сверхвысокого напряжения (СВН). Удаленные электростанции 13 осуществляют генерацию электроэнергии, потребляемой или в локальном центре 11 потребления электроэнергии переменного тока или в более удаленных местах 14 сбыта. Близлежащие или локальные электростанции 15 также обеспечивают подачу электроэнергии в локальные и/или в удаленные места 14 сбыта. Однако в отличие от других систем все генерирующие мощности, обеспечивающие снабжение электроэнергией, вне зависимости от того, являются ли они локальными или удаленными, не имеют прямого соединения с электрическими нагрузками, но эта электроэнергия должна доходить до этих электрических нагрузок через кольцо 16 линий электропередачи постоянного тока большой мощности. Кольцо 16 линий электропередачи постоянного тока частично или полностью окружает намеченную зону 11 потребления электроэнергии, которой может являться большой город или центр потребления электроэнергии, или большая географическая зона, которая содержит существенную нагрузку по потреблению электроэнергии, но в которой также имеет место неуправляемое потокораспределение мощности.
Каждая линия 12 передачи электроэнергии переменного тока ВН или СВН, проходящая в локальную зону, соединена с кольцом 16 линий электропередачи постоянного тока через преобразователь 17 переменного/постоянного тока, который осуществляет преобразование электроэнергии переменного тока в электроэнергию постоянного тока и делает эту электроэнергию доступной для любой электрической нагрузки постоянного тока или клиента на кольце 16 линий электропередачи постоянного тока. Предпочтительным типом преобразователя переменного/постоянного тока является преобразователь источника напряжения, ПИН (VSC), что обусловлено простотой управления протекающей через него электроэнергией. Каждая система распределения энергии на высоком напряжении переменного тока или питающая линия распределительной сети, обслуживающая электрические нагрузки внутри локальной сети 11 электропередачи переменного тока, соединена с кольцом 16 линий электропередачи постоянного тока через преобразователь 17 переменного/постоянного тока, который осуществляет преобразование электроэнергии постоянного тока обратно в электроэнергию переменного тока. Таким образом, обеспечена полная развязка всех локальных электрических нагрузок переменного тока от внешней энергосистемы переменного тока.
Кроме того, электроэнергия, запланированная для передачи из удаленных электростанций 13 в удаленные места 14 сбыта, должна сначала пройти через кольцо 16 линий электропередачи постоянного тока через управляемый ПИН 17. Это обеспечивает возможность полного управления всем электроснабжением и всеми электрическими нагрузками в системе 11 в соответствии с сиюминутными потребностями. Это предотвращает наличие чрезмерно или недостаточно используемых линий, и каждая электрическая нагрузка является невосприимчивой к событиям на всех линиях передачи, за исключением той линии, посредством которой обеспечивают ее электропитание. Предотвращено влияние аварий на кольце 16 линий электропередачи постоянного тока на нарушение работы всей системы за счет преобразователей постоянного тока в постоянный ток, обеспечивающих развязку, или прерывателей 19, установленных в различных местах по окружности кольца 16. Если в каком-либо месте вдоль кольца 16 линий электропередачи постоянного тока происходит авария, то используют преобразователи 19 постоянного тока в постоянный ток для разделения кольца 16 линий электропередачи постоянного тока на секторы и для изолирования аварийного участка. Преобразователи 19 постоянного тока в постоянный ток также могут быть использованы для активного управления потокораспределением мощности в кольцевой схеме 16, если это считают полезным.
Теперь приведена ссылка на Фиг.4, на которой изображен более подробный вид системы 10 передачи электроэнергии постоянного тока, иллюстрирующий, что система 10 обеспечивает возможность легкого встраивания локальных средств выработки электроэнергии и электрических нагрузок других типов, например распределенных средств выработки электроэнергии (РВЭ), которыми являются, например, топливные элементы и микротурбины 21; распределенных возобновляемых источников энергии, которыми являются, например, солнечные фотоэлектрические батареи 22; накопителей энергии, которыми являются, например, аккумуляторы 23; и электрических микросетей 24 постоянного тока. Многие из этих технологий создают на собственном выходе электроэнергию постоянного тока. При наличии соединения с энергосистемой переменного тока эти технологии должны включать в себя преобразование постоянного тока в переменный ток. Эти дополнительные ресурсы предпочтительно соединены напрямую с кольцом 16 линий электропередачи постоянного тока. Это обеспечивает возможность осуществлять диспетчерское управление этими ресурсами по мере необходимости и как доступными ресурсами без сопутствующих нестабильностей или неблагоприятных результатов взаимодействий с энергосистемой, которые обычно связаны с этими источниками.
В частности, предложенная система заменяет собой или дополняет обычную высоковольтную электрическую сеть переменного тока, обслуживающую региональную электрическую сеть или локальный центр 11 потребления электроэнергии, например большой город. Кольцо 16 или неполное кольцо линий электропередачи постоянного тока является посредником для всех случаев обмена электроэнергией, поступающей в зону 11 и из нее, с использованием преобразователей 17 переменного тока в постоянный ток с иерархической структурой управления ими в компоновке с множеством точек подачи/отбора электроэнергии. Такая компоновка приводит к созданию чрезвычайно стабильной электрической сети, которая является полностью управляемой для внутренних и внешних, запланированных и внеплановых изменений электрической нагрузки и/или подачи электроэнергии. Обеспечена возможность полного диспетчерского управления потокораспределением мощности через зону 11, что относится к тому, какими именно линиями переменного тока осуществляется диспетчерское управление и с каким уровнем мощности.
Изобретение моделирует распределение взаимно управляемых небольших распределенных генераторов переменного тока, показанных на Фиг.2, одновременно обеспечивая возможность транзитной передачи энергии в энергосистеме через зону и отсутствие проблем, связанных с размещением, со снабжением топливом и иных экологических проблем, связанных с генераторами переменного тока. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает создание асинхронной зоны переменного тока, которая является полностью развязанной и защищенной от окружающей электрической сети переменного тока и которая может быть легко смоделирована в программах анализа потокораспределения мощности или стабильности. Возможно наличие множества зон в обширной географической области, причем возможность соединения между зонами обеспечивается любой из множества систем передачи электроэнергии в энергосистеме из известного уровня техники (например, системой передачи электроэнергии переменного тока сверхвысокого напряжения (СВН), системой передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения и т.д.).
Изобретение также обеспечивает возможность и даже способствует упрощенному использованию современных распределенных ресурсов выработки электроэнергии (РВЭ), которыми являются, например, топливные элементы и солнечные фотоэлектрические (ФЭ) батареи, или распределенных накопителей энергии, которыми являются, например, аккумуляторы или маховики. Так как большинство этих распределенных технологий обеспечивает вывод электроэнергии постоянного тока, а не электроэнергии переменного тока, то их подключение к локальным электрическим нагрузкам и управление ими легче осуществлять через кольцо 16 линий электропередачи постоянного тока. Аналогичным образом электрические микросети 24 постоянного тока легко встраиваются в локальную систему переменного тока посредством подключения к системе передачи электроэнергии постоянного тока из настоящего изобретения.
Второе идентичное кольцо линий электропередачи постоянного тока, предназначенное для аварийных ситуаций и для повышения надежности, которое проходит по аналогичной, но не смежной трассе, является необязательным. Используются стандартные аппаратные и программные средства системы управления с иерархической структурой программирования.
Линией передачи или кабелем постоянного тока, которые образуют кольцо 16, могут являться обычные провода воздушной линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения (ВН) с высокой допустимой токовой нагрузкой, подземный кабель постоянного тока или низковольтный сверхпроводящий кабель постоянного тока с высокой допустимой токовой нагрузкой. Для безопасности системы предпочтительным является подземный кабель. Для больших силовых нагрузок и больших колец (длинные трассы прокладки кабеля) идеальным является сверхпроводящий кабель постоянного тока.
Преобразователями 17 переменного тока в постоянный могут являться преобразователи источника напряжения (ПИН), но возможны и иные топологии, имеющие аналогичные функции. Управление системой является иерархическим с использованием способов из известного уровня техники. Иерархическая система управления обеспечивает полное централизованное управление системой, управление всеми средствами подачи электроэнергии, обслуживание электрической нагрузки и удовлетворение потребностей транзитной передачи электроэнергии. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения управление может производиться из центрального пункта диспетчерского управления энергосистемой для разрешения передачи и управления передачей электроэнергией по мере необходимости из линий дальней электропередачи переменного тока; или для диспетчерского управления электроэнергией, подаваемой на электрические нагрузки в центре потребления электроэнергии, по мере необходимости; или для управления потоком электроэнергии, подаваемой в центр потребления электроэнергии и из него в том случае, когда необходимо осуществить транзитную передачу электроэнергии через эту зону. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения одна преобразовательная подстанция является ведущей, а все другие являются ведомыми. В этом случае ведущая преобразовательная подстанция устанавливает рабочее напряжение постоянного тока, а другие преобразовательные подстанции, станции работают в режиме регулировки тока. Для связи между множеством преобразовательных подстанций используют стандартные системы связи. Устройства управления для каждого преобразователя 17 переменного/постоянного тока оснащены локальной системой управления и фильтрами, вследствие чего устранено их вредное взаимодействие с друг другом, и они реагируют только на сигналы из иерархической системы управления, например из пункта диспетчерского управления или из ведущей преобразовательной подстанции.
Выше было приведено описание способа и устройства для улучшения возможностей диспетчерского управления системой передачи электроэнергии переменного тока, надежности системы и управляемости потокораспределением мощности с использованием систем передачи электроэнергии постоянного тока. Различные подробности настоящего изобретения могут быть изменены, не выходя за пределы объема патентных притязаний настоящего изобретения. Кроме того, изложенное выше описание предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения и наилучшего варианта осуществления изобретения приведено только лишь в иллюстративных целях, а не с целью ограничения изобретения, объем которого определяется формулой изобретения.
1. Система передачи электроэнергии, которая обеспечивает развязку локальной сети электропередачи переменного тока от окружающей энергосистемы переменного тока, содержащая
(a) локальный центр потребления электроэнергии переменного тока, в котором имеется множество локальных электрических нагрузок переменного тока, и, по меньшей мере, одна питающая линия распределительной сети, обслуживающая множество локальных электрических нагрузок переменного тока;
(b) по меньшей мере, одну удаленную электростанцию, которая подает электроэнергию переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока посредством линии электропередачи переменного тока;
(c) кольцо линий электропередачи постоянного тока, имеющее множество подключенных к нему нагрузок постоянного тока, которое расположено, по меньшей мере, частично, между локальным центром потребления электроэнергии переменного тока и удаленной электростанцией, при этом кольцо линий электропередачи постоянного тока обеспечивает развязку электроэнергии переменного тока, полученной из удаленной электростанции, от локального центра потребления электроэнергии переменного тока;
(d) первое множество преобразователей переменного/постоянного тока, являющихся электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока, являющимся внешним относительно локального центра потребления электроэнергии переменного тока, которое предназначено для преобразования электроэнергии переменного тока из удаленной электростанции в электроэнергию постоянного тока и для предоставления электроэнергии постоянного тока, преобразованной в одном из преобразователей переменного/постоянного тока, по меньшей мере, для некоторых других нагрузок из множества электрических нагрузок постоянного тока на кольце линий электропередачи постоянного тока;
(e) второе множество преобразователей переменного/постоянного тока, являющихся электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока, являющимся внутренним относительно кольца линий электропередачи постоянного тока, которое предназначено для преобразования электроэнергии постоянного тока из кольца линий электропередачи постоянного тока в электроэнергию переменного тока;
(f) питающая линия распределительной сети, расположенная в непосредственной близости от локального центра потребления электроэнергии переменного тока, которая является электрически соединенной с кольцом линий электропередачи постоянного тока через второе множество преобразователей переменного/постоянного тока для подачи электроэнергии переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока, при этом обеспечена развязка всех локальных электрических нагрузок переменного тока от удаленной электростанции.
2. Система передачи электроэнергии по п.1, содержащая множество преобразователей постоянного тока в постоянный ток, обеспечивающих развязку, которые установлены в заранее заданных местах на кольце линий электропередачи постоянного тока для обеспечения развязки от неисправностей на кольце линий электропередачи постоянного тока, предотвращая нарушение работы системы вследствие таких неисправностей.
3. Система передачи электроэнергии по п.1, содержащая, по меньшей мере, один локальный генератор электроэнергии переменного тока, который электрически соединен с кольцом линий электропередачи постоянного тока.
4. Система передачи электроэнергии по п.1, в которой электроэнергию переменного тока, выработанную удаленной электростанцией, передают в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока через линию электропередачи переменного тока, выбранную из группы, состоящей из линий электропередачи высокого напряжения (ВН), линий электропередачи сверхвысокого напряжения (СВН), линий электропередачи постоянного тока высокого напряжения (ПТВН) и кабеля для передачи электроэнергии постоянного тока.
5. Система передачи электроэнергии по п.1, содержащая управляемые преобразователи переменного/постоянного тока, направляющие электроэнергию, которая запланирована для передачи из удаленной электростанции в место сбыта, находящееся на удалении от локального центра потребления электроэнергии переменного тока, через кольцо линий электропередачи постоянного тока.
6. Система передачи электроэнергии по п.1, содержащая, по меньшей мере, один источник электроэнергии постоянного тока, расположенный вблизи от кольца линий электропередачи постоянного тока, который является электрически связанным с кольцом линий электропередачи постоянного тока.
7. Система передачи электроэнергии по п.1, содержащая множество разнообразных распределенных источников выработки электроэнергии переменного тока или постоянного тока, расположенных вблизи от кольца линий электропередачи постоянного тока и являющихся электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока.
8. Система передачи электроэнергии по п.1, содержащая множество разнообразных распределенных источников выработки электроэнергии постоянного тока, которые расположены вблизи от кольца линий электропередачи постоянного тока и являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока, и которые выбраны из группы, состоящей из топливных элементов, микротурбин, солнечных фотоэлектрических батарей, аккумуляторов, маховиков, магнитов со сверхпроводящей обмоткой, электролитических конденсаторов и электрических микросетей постоянного тока.
9. Система передачи электроэнергии по п.1, содержащая второе кольцо линий электропередачи постоянного тока, предназначенное для использования в качестве резервного, которое соединено с системой и проходит по аналогичной, но не смежной трассе.
10. Система передачи электроэнергии, которая обеспечивает развязку локальной сети электропередачи переменного тока от окружающей энергосистемы переменного тока, содержащая
(a) локальный центр потребления электроэнергии переменного тока, в котором имеется множество электрических нагрузок переменного тока, и, по меньшей мере, одна питающая линия распределительной сети переменного тока, обслуживающая множество электрических нагрузок переменного тока;
(b) локальный центр потребления электроэнергии постоянного тока, в котором имеется множество электрических нагрузок постоянного тока и, по меньшей мере, одна питающая линия распределительной сети постоянного тока, обслуживающая множество электрических нагрузок постоянного тока;
(c) по меньшей мере, одну удаленную электростанцию, которая подает электроэнергию переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока посредством линии электропередачи переменного тока;
(d) кольцо линий электропередачи постоянного тока, имеющее множество подключенных к нему нагрузок постоянного тока, которое расположено, по меньшей мере, частично, между локальными центрами потребления электроэнергии переменного тока и постоянного тока и удаленной электростанцией, при этом кольцо линий электропередачи постоянного тока обеспечивает развязку электроэнергии переменного тока, полученной из удаленной электростанции, от локальных центров потребления электроэнергии переменного тока и постоянного тока;
(e) первое множество преобразователей переменного/постоянного тока, являющихся электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока, которое является внешним относительно локального центра потребления электроэнергии переменного тока, предназначенное для преобразования электроэнергии переменного тока, полученной из электростанции, в электроэнергию постоянного тока и для предоставления электроэнергии постоянного тока, преобразованной в одном из преобразователей переменного/постоянного тока, по меньшей мере, для некоторых других нагрузок из множества электрических нагрузок постоянного тока на кольце линий электропередачи постоянного тока;
(f) второе множество преобразователей переменного/постоянного тока, которые являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока, расположенным вблизи от кольца линий электропередачи постоянного тока, предназначенное для преобразования электроэнергии постоянного тока из кольца линий электропередачи постоянного тока в электроэнергию переменного тока для ее подачи на электрические нагрузки переменного тока;
(g) множество преобразователей постоянного тока в постоянный ток, которые являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока, расположенным вблизи от кольца линий электропередачи постоянного тока, предназначенное для управления обменом электроэнергией между кольцом линий электропередачи постоянного тока и локальным центром потребления электроэнергии постоянного тока;
(h) питающую линию распределительной сети переменного тока в локальном центре потребления электроэнергии переменного тока, электрически соединенную с кольцом линий электропередачи постоянного тока через второе множество преобразователей переменного/постоянного тока, которая предназначена для подачи электроэнергии переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока, при этом обеспечена развязка всех локальных электрических нагрузок от удаленной электростанции; и
(i) питающую линию распределительной сети постоянного тока в локальном центре потребления электроэнергии постоянного тока, электрически соединенную с кольцом линий электропередачи постоянного тока через множество преобразователей постоянного тока в постоянный ток, которая предназначена для подачи электроэнергии постоянного тока в локальные центры потребления электроэнергии постоянного тока.
11. Система передачи электроэнергии по п.10, в которой электроэнергия переменного тока, выработанная удаленной электростанцией, выбрана из группы, состоящей из электроэнергии высокого напряжения (ВН) или электроэнергии сверхвысокого напряжения (СВН).
12. Система передачи электроэнергии по п.10, содержащая управляемые преобразователи переменного/постоянного тока, предназначенные для направления электроэнергии, которая запланирована для передачи из удаленной электростанции, в место сбыта, находящееся на удалении от локального центра потребления электроэнергии переменного тока, через кольцо линий электропередачи постоянного тока.
13. Система передачи электроэнергии по п.10, содержащая, по меньшей мере, один источник электроэнергии постоянного тока, который расположен вблизи от кольца линий электропередачи постоянного тока и который является электрически связанным с кольцом линий электропередачи постоянного тока.
14. Система передачи электроэнергии по п.10, содержащая множество разнообразных распределенных источников выработки электроэнергии переменного тока или постоянного тока, расположенных вблизи от кольца линий электропередачи постоянного тока, которые являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока.
15. Система передачи электроэнергии по п.10, содержащая множество разнообразных распределенных источников выработки электроэнергии постоянного тока, которые расположены вблизи от кольца линий электропередачи постоянного тока и являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока, и которые выбраны из группы, состоящей из топливных элементов, микротурбин, солнечных фотоэлектрических батарей, аккумуляторов, маховиков, магнитов со сверхпроводящей обмоткой, электролитических конденсаторов и электрических микросетей постоянного тока.
16. Способ обеспечения развязки локальной сети электропередачи переменного тока от окружающей энергосистемы переменного тока, в которой имеется центр потребления электроэнергии переменного тока с множеством электрических нагрузок переменного тока, питающая линия распределительной сети, обслуживающая множество локальных электрических нагрузок переменного тока и, по меньшей мере, одна удаленная электростанция для подачи электроэнергии переменного тока в локальный центр потребления электроэнергии переменного тока через линию электропередачи переменного тока или постоянного тока, содержащий следующие операции:
(a) между локальным центром потребления электроэнергии переменного тока и линией электропередачи, подающей электроэнергию из удаленной электростанции, размещают, по меньшей мере, частичное кольцо линий электропередачи постоянного тока, имеющее множество подключенных к нему электрических нагрузок постоянного тока;
(b) посредством кольца линий электропередачи постоянного тока обеспечивают развязку электроэнергии переменного тока, полученной из удаленной электростанции, от локального центра потребления электроэнергии переменного тока;
(c) осуществляют преобразование электроэнергии переменного тока, полученной из электростанции, в электроэнергию постоянного тока и предоставляют эту электроэнергию постоянного тока, по меньшей мере, для некоторых других нагрузок из множества электрических нагрузок постоянного тока на кольце линий электропередачи постоянного тока.
(d) осуществляют преобразование электроэнергии постоянного тока из кольца линий электропередачи постоянного тока в электроэнергию переменного тока; и
(е) распределяют электроэнергию переменного тока в пределах локального центра потребления электроэнергии переменного тока, при этом обеспечена развязка всех локальных электрических нагрузок переменного тока от удаленной электростанции.
17. Способ по п.16, содержащий следующую операцию: в заранее заданных местах на кольце линий электропередачи постоянного тока устанавливают множество преобразователей постоянного тока в постоянный ток, обеспечивающих развязку, которые предназначены для развязки от неисправностей на кольце линий электропередачи постоянного тока, предотвращая нарушение работы системы вследствие этих неисправностей.
18. Способ по п.16, содержащий следующую операцию: обеспечивают электрическое соединение, по меньшей мере, одного локального генератора электроэнергии переменного тока с центром потребления электроэнергии переменного тока, расположенным внутри кольца линий электропередачи постоянного тока.
19. Способ по п.16, содержащий следующую операцию: направляют электроэнергию, которая запланирована для передачи из удаленной электростанции в место сбыта, находящееся на удалении от локального центра потребления электроэнергии переменного тока, через кольцо линий электропередачи постоянного тока.
20. Способ по п.16, содержащий следующую операцию: обеспечивают наличие, по меньшей мере, одного источника электроэнергии постоянного тока, расположенного вблизи от кольца линий электропередачи постоянного тока, который является электрически связанным с кольцом линий электропередачи постоянного тока.
21. Способ по п.16, содержащий следующую операцию: обеспечивают наличие множества разнообразных распределенных источников выработки электроэнергии переменного тока или постоянного тока, расположенных вблизи от кольца линий электропередачи постоянного тока, которые являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока.
22. Способ по п.16, содержащий следующую операцию: обеспечивают наличие множества разнообразных распределенных источников выработки электроэнергии постоянного тока, которые расположены вблизи от кольца линий электропередачи постоянного тока и являются электрически связанными с кольцом линий электропередачи постоянного тока, и которые выбраны из группы, состоящей из топливных элементов, микротурбин, солнечных фотоэлектрических батарей, аккумуляторов, маховиков, магнитов со сверхпроводящей обмоткой, электролитических конденсаторов и электрических микросетей постоянного тока.
23. Способ по п.16, содержащий следующую операцию: обеспечивают наличие второго кольца линий электропередачи постоянного тока, предназначенного для использования в качестве резервного, которое соединено с системой и проходит по аналогичной, но не смежной трассе.
