ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2023-2-380-391ipolytech-712Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGОценка эффективности применения фазоповоротного трансформатора для повышения пропускной способности межсистемной электропередачиFeasibility of using phase-shifting transformers to increase the throughput of interconnected power transmission systemshttps://orcid.org/0009-0003-6709-6043ШойкоВ. П.ShoikoV. P.

Шойко Владимир Петрович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы».

630073, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Vladimir P. Shoiko - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Automated Electric Power Systems.

20, K. Marks pr., Novosibirsk 630073

shoiko@ngs.ruБутаковаА. М.ButakovaA. M.

Бутакова Анастасия Михайловна – магистрант.

630073, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Аnastasia M. Butakova - Master's Degree Student.

20, K. Marks pr., Novosibirsk 630073

anastasia.butakova98@mail.ruНовосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian Federation202307072023272380391Copyright © Шойко В.П., Бутакова А.М., 20232023Шойко В.П., Бутакова А.М.Shoiko V.P., Butakova A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/712

Целью исследований явилась разработка мероприятий, направленных на повышение эффективности функционирования энергосистем, в частности за счет повышения пропускной способности электропередач. Для решения указанной задачи использовалась FACTS-технология на основе фазоповоротного трансформатора. Исследование эффективности фазоповоротного трансформатора для повышения пропускной способности межсистемной электропередачи проводилось путем определения максимально допустимых перетоков сечения Объединенная энергосистема Урала – Объединенная энергосистема Сибири. В исследуемое сечение входили электропередачи 500 кВ и протяженный транзит 220 кВ Нижневартовская ГРЭС – Томская. Расчеты выполнялись для нормальной и различных послеаварийных схем с использованием программного комплекса RastrWin3. При исследованиях учитывались регулирование отпаек фазоповоротного трансформатора и направление перетока мощности в сечении. Показано, что для рассматриваемого сечения применение фазоповоротного трансформатора обеспечило работу транзита 220 кВ в замкнутом режиме, что повысило надежность электроснабжения региона, позволило увеличить максимально допустимый переток на 35…71%. Кроме того, выполнены аналогичные расчеты для варианта усиления транзита 220 кВ путем строительства параллельной линии 500 кВ. Согласно проведенным исследованиям установлено, что эффект повышения пропускной способности этого варианта составил 20…35%. Выявлено, что определяющим фактором, ограничивающим максимально допустимые перетоки в сечении при замыкании транзита 220 кВ в обычном и усиленном вариантах, является токовая перегрузка головных участков. По результатам проведенных исследований даны рекомендации по предпочтительному использованию разомкнутого режима транзита. Таким образом, для повышения эффективности функционирования энергосистем предложено повышение пропускной способности электропередач на основе применения фазоповоротного трансформатора и определен сегмент Единой национальной энергосистемы России, где их использование технологически целесообразно.

This paper discusses measures aimed at improving the efficiency of power systems by increasing the capacity of power transmission lines. To that end, a FACTS technology based on a phase-shifting transformer was used. The feasibility of using phase-shifting transformers to increase the throughput capacity of interconnected power transmission systems was investigated by determining the maximum allowable cross-section flows of the United Energy System of the Urals – the United Energy System of Siberia. The studied cross-section included 500 kV transmission lines and the extended 220 kV Nizhnevartovskaya GRES – Tomskaya transit. Calculations were performed for normal and various post-emergency schemes using the RastrWin3 software package. The regulation of phas e-shifting transformer branches and the direction of power flow in the section were taken into account. For the considered cross -section, the use of a phase-shifting transformer was shown to provide for the 220 kV transit operation in a closed mode. This i mproved the reliability of power supply in the region and allowed the maximum allowable overflow to be increased by 35 – 71%. In addition, similar calculations were carried out for the option of strengthening the 220 kV transit through the construction of a parallel 500 kV line. The effect of increasing the capacity of this option was established to reach 20 –35%. The decisive factor limiting the maximum permissible cross-section flows during 220 kV transit short circuit in the normal and reinforced versions was found to be the current overload of the head sections. Recommendations on the preferable use of an open transit mode are formulated. In conclusion, the efficiency of power systems can be improved by increasing the transmission capacity of power lines through the use of phase-shifting transformers. A segment of the Unified National Power Grid of Russia, where such devices are technologically expedient, was identified.

энергосистемамежсистемная электропередачафазоповоротный трансформаторпропускная способностьмаксимально допустимый перетоксечениеpower gridintersystem power transmissionphase-shifting transformercapabilitymaximum allowed power flowcross-sectionReferencesБушуев В.В., Калюжный А.Х., Кречмер Л.В., Шушуев А.А. Применение фазоповоротных устройств для упрощения потокораспределением в энергосистемах // Электричество. 1990. № 11. С. 6–11.Bushuev V.V., Kalyuzhny A.Kh., Krechmer L.V., Shushuev A.A. The use of phase-shifting devices to simplify flow distribution in power systems. Elektrichestvo. 1990;11:6-11. (In Russ.).Кочкин В.И., Шакарян Ю.Г. Режимы работы управляемых линий электропередачи // Электричество. 1997. № 9. С. 3–8.Kochkin V.I., Shakaryan Yu.G. Operating condition of controlled power transmission lines. Elektrichestvo. 1997;9:3-8. (In Russ.).Verboomen J., Hertem D., Schavemaker P.H., Kling W.L., Belmans R. Phase shifting transformers: principles and applications // International Conference on Future Power Systems. 2005. https://doi.org/10.1109/FPS.2005.204302.Verboomen J., Hertem D., Schavemaker P.H., Kling W.L., Belmans R. Phase shifting transformers: principles and applications. In: International Conference on Future Power Systems. 2005. https://doi.org/10.1109/FPS.2005.204302.Hingorani N.G., Gyugui L. Understanding facts: concepts and technology of flexible ac transmission systems // The Institute of Electrical and Electronics Engineers. Wiley-IEEE Press, 2004. 464 р.Hingorani N.G., Gyugui L. Understanding facts: concepts and technology of flexible AC transmission systems. In: The Institute of Electrical and Electronics Engineers. Wiley-IEEE Press; 2004, 464 р.Мисриханов М.Ш., Ситников В.Ф., Хвощинская З.Г. Разработка рекомендаций по применению устройств FACTS на межсистемных связях ОЭС Урала, Средней Волги и Центра // Вестник ИГЭУ. 2005. № 6. С. 32 –36.Misrikhanov M.Sh., Sitnikov V.F., Khvoshchinskaya Z.G. Developing recommendations for the use of FACTS devices on intersystem interconnections of the Ural, Middle Volga and Central UPS. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta = Vestnik of Ivanovo State Power Engineering University. 2005:6:32-36. (In Russ.).Добрусин Л.А. Проблемы энергоэффективности и энергосбережения в России. Информационно-аналитический обзор. Часть III. Тенденции применения фазоповоротных трансформаторов в электроэнергетике // Силовая электроника. 2012. № 4. С. 60–66.Dobrusin L.A. Problems of energy efficiency and energy saving in Russia. Information and analytical review. Part III. Application trends of phase-shifting transformers in electric power industry. Silovaya elektronika. 2012;4:60-66. (In Russ.).Брилинский А.С., Крицкий В.А., Смирнова Л.С. Особенности применения фазоповоротных комплексов в электроэнергетических системах // Известия НТЦ Единой Энергетической системы. 2018. № 1. C. 6–10.Brilinskii A.S., Kritskii V.A., Smirnova L.S. Application features of phase-shifting complexes in electric power systems. Izvestiya NTC Edinoj energeticheskoj sistemi = STC of Unified Power System Proceedings. 2018;1:6-10. (In Russ.).Крицкий В.А., Евдокунин Г.А., Брилинский А.С., Смирнова Л.С. Применение фазоповоротного трансформатора в схеме выдачи мощности Волжской ГЭС // Электрические станции. 2018. № 12. С. 26–30.Kritskii V.A., Evdokunin G.A., Brilinskii A.S., Smirnova L.S. Using phase-shifting transformer in the power evacuation system of Volzhskaya HPP. Elektricheskie stantsii = Power Technology and Engineering. 2018;12:26-30. (In Russ.).Брилинский А.С., Евдокунин Г.А., Крицкий В.А., Матвиенков Ю.В., Сидельников А.П., Смирнова Л.С. Фазоповоротный трансформатор в схеме выдачи мощности крупной гидростанции // Известия НТЦ Единой энергетической системы. 2019. № 1. C. 6–14.Brilinskiy A.S., Evdokunin G.A., Kritskiy V.A., Matvienkov Yu. V., Sidelnikov A.P ., Smirnova L.S. Phase-shifting transformer for power distribution scheme of large hydroelectric power plant. Izvestiya Nauchno-tekhnicheskogo centra Edinoj energeticheskoj sistemy. 2019;1:6-14. (In Russ.).Акимов Д.А., Коровкин Н.В., Одинцов М.В., Фролов О.В. Методика выбора мест установки и параметров фазоповоротных трансформаторов в электрических сетях // Известия НТЦ Единой энергетической системы. 2016. № 1. C. 6–19.Akimov D.A., Korovkin N.V., Odintsov M.V., Frolov O.V. The method of choosing the placement and parameters of phase-shifting transformers. Izvestiya Nauchno-tekhnicheskogo centra Edinoj energeticheskoj sistemy. 2016;1:6-19. (In Russ.).Wolfram M., Marten A-K., Westermann D. A comparative study of evolutionary algorithms for phase shifting transformer setting optimization // IEEE International Energy Conference. 2016. https://doi.org/10.1109/ENERGYCON.2016.7514056.Wolfram M., Marten A-K., Westermann D. A comparative study of evolutionary algorithms for phase shifting transformer setting optimization. In: IEEE International Energy Conference. 2016. https://doi.org/10.1109/ENERGYCON.2016.7514056.Rezvanfar R, Ghasemi H, Mosayebian M.E, Ghomi M, Silva F.M.F., Bak C.L. Optimal placement of phase shifting transformers based on MADM method: the considering system performance indices // CIGRE Symposium Aalborg (Aalborg, 4–7 June 2019). Aalborg, 2019. Session 4 (С1). Р. 068.Rezvanfar R, Ghasemi H, Mosayebian M.E, Ghomi M, Silva F.M.F., Bak C.L. Optimal placement of phase shifting transformers based on MADM method: the considering system performance indices. In: CIGRE Symposium Aalborg. 4–7th June 2019, Aalborg. Aalborg, 2019;4(С1):068.Thatarad S., Kiatiyuth K. Load alleviation in transmission system by using phase shifting transformer // International Electrical Engineering Congress (Krabi, 7–9 March 2018). Krabi: IEEE, 2018. P. 60–70. https://doi.org/10.1109/IEECON.2018.8712121.Thatarad S., Kiatiyuth K. Load alleviation in transmission system by using phase shifting transformer. In: International Electrical Engineering Congress. 7–9 March 2018, Krabi. Krabi: IEEE; 2018, p. 60-70. https://doi.org/10.1109/IEECON.2018.8712121.Morrell T.J., Eggebraaten J.G. Applications for phase-shifting transformers in rural power systems // IEEE Rural Electric Power Conference (Bloomington, 28 April – 1 May 2019). Bloomington: IEEE, 2019. P. 70–74. https://doi.org/10.1109/REPC.2019.00020.Morrell T.J., Eggebraaten J.G. Applications for phase-shifting transformers in rural power systems. In: IEEE Rural Electric Power Conference. 28 April – 1 May 2019, Bloomington. Bloomington: IEEE; 2019, p. 70-74. https://doi.org/10.1109/REPC.2019.00020.Рахманов Н.Р., Ильясов О.В., Гулиев Г.Б. Применение регулирования фазового угла напряжения в энергосистеме c неравномерно загруженной питающей сетью // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: вып. 71. Надежность энергоснабжения потребителей в условиях их цифровизации: в 3-х т. / отв. ред. Н.И. Воропай. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2020. Т. 2. С. 350–360.Rakhmanov N.R., Il'yasov O.V., Guliev G.B. Application of voltage phase angle control in a power system with an unevenly loaded power supply network. In: Voropaj N.I. (eds.). Methodical issues of studying large energy system reliability: no. 71. Reliability of energy supply to consumers in terms of their digitalization . Irkutsk: Melentiev Energy Systems Institute Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; 2020, vol. 2, р. 350-360. (In Russ.).Li Feng, Yu Mengze, Li Zuohong, Yuan Jiaxin, Mei Jiajun, Yang Xinyi, et al. Engineering Application Evaluation of Phase Shifting Transformer in Guangdong Power Grid // Conference Proceedings of 2021 International Joint Conference on Energy, Electrical and Power Engineering. Lecture Notes in Electrical Engineering. Singapore: Sprin ger, 2022. Vol. 916. P. 111–117. https://doi.org/10.1007/978-981-19-3171-0_10.Li Feng, Yu Mengze, Li Zuohong, Yuan Jiaxin, Mei Jiajun, Yang Xinyi, et al. Engineering application evaluation of phase shifting transformer in Guangdong power grid. In: Conference Proceedings of 2021 International Joint Conference on Energy, Electrical and Power Engineering. Lecture Notes in Electrical Engineering. Singapore: Springer; 2022, vol. 916, p. 111-117. https://doi.org/10.1007/978-981-19-3171-0_10.Воденников Д.А. Применение фазоповоротного устройства для увеличения пропускной способности электрической сети // Вестник МЭИ. 2020. № 3. С. 75–80. https://doi.org/10.24160/1993-6982-2020-3-75-80.Vodennikov D.A. Application of a phase-shifting device to increase the electrical network throughput rate. Vestnik Moskovskogo energeticheskogo instituta = Bulletin of MPEI. 2020;3:75-80. https://doi.org/10.24160/1993-6982-2020-375-80. (In Russ.).Шойко В.П., Духанина К.В. Оценка эффективности применения фазоповоротного трансформатора для повышения пропускной способности электропередачи с учетом режима прилегающей сети // iPolytech Journal. 2021. Т. 25. № 3. С. 369–379. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-3-369-379.Shoiko V.P., Dukhanina K.V. Use of a phase shifting transformer for increasing the power transmission capability, taking into account the mode of the adjacent network. iPolytech Journal. 2021;25(3):369-379. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-3-369-379.Стельмаков В.Н., Жмуров В.П., Тарасов А.Н., Гринштейн Б.И., Тузлукова Е.В. Фазоповоротные устройства с тиристорным управлением // Энергетик. 2010. № 8. С. 20–23.Stelmakov V.N., Zhmurov V.P., Tarasov A.N., Grinshtein B.I., Tuzlukova E.V. Phase shifting devices with a thyristor control. Energetik. 2010;8:20-23. (In Russ.).Ремизевич Т., Рашитов П. Особенности управления полупроводниковым ФПУ со средней точкой // Силовая Электроника. 2011. № 1. С. 78–82.Remizevich T., Rashitov P. Control features of a semiconductor phase shifting devices with a midpoint. Silovaya Elektronika = Power Electronics. 2011;1:78-82. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.