Регулирование напряжения в сетях с активно-адаптивными элементами

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В СЕТЯХ С АКТИВНО-АДАПТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Ю.П. Кубарьков, И.С. Кулаев, М.Р. Баталова

ФГБОУ ВО "Самарский государственный технический университет", Самара, Россия

Аннотация

Состояние вопроса: В связи с увеличением распределенной генерации (РГ) регулирование напряжения является весьма важным вопросом. В основном, напряжение на шинах среднего напряжения регулируется с помощью трансформаторов с РПН и ПБВ, что не гарантирует требуемого значения напряжения в узлах сети, в тот момент, когда распределенные генераторы поставляют энергию в сеть. В данном докладе рассматривается регулирование напряжения с помощью установки дополнительных источников реактивной мощности.

Материалы и методы: При проведении исследования использовались методы математического анализа и оптимизации. При выполнении экспериментальной части использовалось математическое моделирование с помощью программных комплексов RastrWin и MathLab.

Результаты: Предложены методы регулирования напряжения в узлах сети.

Выводы: При внедрении ИЭС ААС, оснащенных современными системами автоматизации управления, наблюдается стабилизация напряжения элементов сети и оптимизация их работы, снижение потерь электроэнергии, повышение качества электроснабжения потребителей, уровня пропускной способности системы и ее надежности.

Ключевые слова: распределенная генерация, регулирование напряжения, источник реактивной мощности, ИЭС ААС.

Abstract

VOLTAGE CONTROL IN SMART GRID

Y. P. Kubarkov, I. S. Kulaev, M. R. Batalova

Samara State Technical University, Samara, Russia

Background: Due to increasing distributed generation (DG) voltage control is a quite important issue. Generally voltage on medium voltage bus is controlled by transformers with ULTC and NLTC. This doesn't guarantee a target voltage value in network junction points when DG supply energy into power grid. This paper considers voltage control by means of additional reactive power sources installation.

Materials and methods: Methods of mathematical analysis and optimization were used for research. Experimental part was conducted by mathematical modeling by means of RastrWin and MathLab software.

Results: Voltage control methods in network junction points are offered.

Conclusions: In implementing smart grid equipped with modern process control systems (PCS) you can see constant-voltage regulation of sites and their operation improvement, energy loss saving, improvement of electric service quality, system capacity and its reliability.

Key-words: distributed generation, voltage control, reactive power source, smart grid.

Для удовлетворения постоянно растущего спроса на электроэнергию необходимо инвестировать в электростанции и объекты энергопередачи. Однако эти инвестиции не могут обеспечить устойчивый рост генерации из-за ряда экологических и экономических ограничений [1]. Реактивная мощность тесно связана с контролем напряжения, и развитие высокоточных отраслей промышленности призвано подчеркнуть важность качества напряжения. С точки зрения нагрузки, концентрация реактивной мощности уменьшается у потребителя. Хотя генератор может покрыть дефицит реактивной мощности, передача реактивной мощности на большие расстояния вызывает серьезную проблему [2]. Поэтому ее нужно компенсировать на шинах потребителя. Кроме того, контроль реактивной мощности необходим для стабилизации напряжения в системе.

СРЕДСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ КОРРЕКТИРОВКИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Контроль напряжения и реактивной мощности является основной проблемой в работе энергосистемы. Это связано с топологическими различиями между системами распределения и передачи, развития разных стратегий управления режимом работы электрических систем.

В работе рассмотрен ряд схем регулирования реактивной мощности и стабилизации напряжения для распределительных сетей. Особый интерес представляет разработка схем управления для устранения, так называемого, провала напряжения, которые могут привести к незапланированным простоям электрооборудования. Для обеспечения эффективной и надежной работы энергосистемы контроль напряжения и реактивной мощности должен удовлетворять следующим целям [1]:

* Во всех узлах в системе напряжение должно находиться в пределах допустимых пределов.

* Повышение стабильности системы должно обеспечивать максимальное использование передачи необходимых ресурсов.

* Поток реактивной мощности должен быть минимизирован для уменьшения потерь.

При этих условиях система передачи будет передавать в основном активную мощность. Так как энергосистема обеспечивает работу большого количества потребителей и питается от многих генераторных установок, возникает проблема поддержания напряжения в узлах сети в требуемых пределах. По мере изменения нагрузки требования к уровню реактивной мощности различаются. Поскольку реактивная мощность не может передаваться на большие расстояния, управление напряжением должно осуществляться с помощью специальных устройств. Это происходит практически с тех пор, как начались создаваться первые энергосистемы. Правильный выбор и координация режимов работы оборудования для управления реактивной мощностью и напряжением являются одними из основных проблем проектирования энергетической системы [2].

Для решения этих проблем были разработаны различные компенсаторы реактивной мощности. Например, такие источники реактивной мощности, как SVC (Static Var Compensator) - статические компенсаторы реактивной мощности, системы типа STATCOM (Static Compensator), которые объединяют оба этих решения, которые называются SVC на основе STATCOM. В последние десятилетия наблюдается значительный прогресс в создании оборудования, предназначенного для повышения стабильности напряжения в энергосистемах. Это в основном связано с развитием систем электроснабжения, что требует поиска лучших способов регулирования и контроля потоков мощности и уровней напряжения.

УПРАВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЕМ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТЬЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Управление напряжением в системе электропитания необходимо для надежной работы электрооборудования, для предотвращения повреждений, таких как перегрев генераторов и двигателей, для уменьшения потерь при передаче электроэнергии и поддержания способности системы выдерживать колебания напряжения. Коллапс напряжения возникает, когда система пытается обеспечить гораздо большую нагрузку, чем можно обеспечить при заданном уровне напряжения. Когда напряжение падает, ток должен увеличиваться, чтобы поддерживать подаваемую мощность, в результате чего система потребляет больше реактивной мощности, а напряжение снова падает. Если ток слишком сильно увеличивается, мощность перераспределяется, перегружая другие линии и потенциально приводя к каскадным отказам. Если напряжение падает слишком низко, некоторые генераторы автоматически отключаются, чтобы защитить себя. Коллапс напряжения возникает, когда происходит увеличение нагрузки или уменьшение генерации, что вызывает падение напряжения и приводит к дальнейшему уменьшению реактивной мощности от конденсаторов и линий, и ведет к дальнейшему снижению напряжения. Если лавина напряжения будет продолжаться, это приведет к отключению дополнительных элементов и к дальнейшему снижению напряжения и отключению нагрузки. Результатом всего этого прогрессивного и неконтролируемого снижения напряжения является то, что система не может обеспечить

Требуемой величины реактивная мощность для удовлетворения требований устойчивости.

Во время нормальной работы элементы системы могут испытывать как перенапряжения, так и снижения напряжения, что может быть скомпенсировано с помощью управления величиной U/Q [1]. Благодаря контролю за генерацией, потреблением и перетоками реактивной мощности на всех уровнях в системе, управление Величиной U/Q может поддерживать профиль напряжения в оптимальных пределах и уменьшить потери при передаче. Во многих случаях, как правило, необходимы дополнительные источники для поддержания уровня реактивной мощности. Например, генераторы многих систем передачи требуют для обеспечения их номинальной мощности Cos ц в пределах 0,85 - 0,90. Системный оператор должен выполнять действия для поддержания безопасного и экономичного уровня напряжения при сохранении уравнения баланса реактивной мощности

Гибкая реализация интеллектуальных дистрибутивных решений

Способы повышения стабильности и контроля напряжения.

Компенсация реактивной мощности часто является наиболее эффективным способом улучшения, как возможности передачи мощности, так и стабильности напряжения. Контроль уровней напряжения осуществляется путем управления потреблением и компенсацией потоков реактивной мощности. Генерирующие устройства обеспечивают основные средства управления напряжением, поскольку автоматические регуляторы напряжения управляют возбуждением генераторов для поддержания уровня заданного напряжения на выводах генераторов.

Чтобы контролировать напряжение во всей системе, необходимо использовать дополнительные устройства для компенсации реактивной мощности. напряжение электрический трансформатор

Реактивную компенсацию можно разделить на последовательную и шунтирующую компенсацию. Ее также можно разделить на активную и пассивную компенсацию. Но в основном компенсация сосредотачивается на батареях шунтирующих конденсаторов, статических компенсаторах (SVC) и статических синхронных компенсаторах (STATCOM), которые являются частью группы активных компенсаторов, называемых гибкими системами передачи переменного тока (FACTS). Устройства, используемые для этих целей, могут быть классифицированы следующим образом:

* Шунтирующие конденсаторы

* Конденсаторы серии

* Шунтирующие реакторы

* Синхронные конденсаторы

* SVC

* STATCOM

STATCOM (Статический синхронный компенсатор)

STATCOM (Статический синхронный компенсатор) может выполнять функцию регулирования напряжения надежным способом, поскольку он генерирует или поглощает реактивную мощность с высокой скоростью. Контроль реактивной мощности с помощью устройств FACTS может в значительной степени способствовать стабилизации напряжения. Устройства FACTS очень эффективны для поддержания стабильности напряжения во время системных аварий и регулирования уровня напряжения для большой и малой нагрузки. Но поскольку эти устройства FACTS являются, как правило, высокоточным оборудованием, его следует использовать наиболее эффективным способом. Поэтому требуется совместная работа с обычным оборудованием для регулирования реактивной мощности таких как шунтирующий конденсатор, шунтирующий реактор и трансформатор с РПН (OLTC - on-line tap change).

Во многих работах предложены подходы к управлению напряжением в требуемом диапазоне путем координации компенсаторов реактивной мощности. В [4] авторы предложили метод улучшения общего профиля напряжения путем координации STATCON (статический конденсатор) с банками конденсаторов и OLTC. Но критерий выбора управляющего воздействия очень сложный, и резерв реактивной мощности учесть достаточно сложно. Цель скоординированного управления заключается в том, чтобы свести к минимуму количество ненужных операций переключателя и обеспечить лучший профиль напряжения.

Хотя SVC может компенсировать реактивную мощность для поддержания напряжения в желаемом диапазоне напряжений, STATCOM может более эффективно управлять напряжением из-за его способности быстро компенсировать большую реактивную мощность в аварийном состоянии, таком как системные ошибки. Если STATCOM совместно используется с обычными компенсаторами реактивной мощности, включая ОLTC с помощью хорошо спроектированного координированного алгоритма управления, цель управления напряжением может быть достигнута как в стационарном, так и в аварийном состоянии. В этой статье рассматривается метод, удовлетворяющий как регулированию напряжения в установившемся режиме, так и обеспечение резервного запаса реактивной мощности. В частности, задание напряжения STATCOM настраивается так, чтобы поддерживать напряжение самой чувствительной шины при изменении нагрузки.

STATCOM состоит из одного ПИН (преобразователь - источник напряжения) и трансформатора с подключаемым шунтом. Его эквивалентная схема показана на Рис. 1 (а). Инжектируемый STATCOMом ток переменной величины может эмулировать индуктивное или емкостное сопротивление на шине соединения с линией передачи, поскольку он почти квадратурный с линейным напряжением. На рисунке 1 (b) показана модель стационарного состояния FATCS. Типы устройств FACTS могут быть представлены путем правильного выбора данных, показанных на рисунке 1 (b). Модель STATCOM может быть реализована путем последовательного соединения на рисунке 1 (b)

На Рис. 2. показана коммутируемая шунтирующая модель PSS / E. Переключение выключателей (CB1, CB2) осуществляет реле напряжения. Когда величина напряжения на коммутируемой шунтирующей шине низкая, к шине добавляются банки конденсаторов.

Когда величина напряжения на коммутируемой шине высокая, секции реактора добавляются к шине. Поэтому коммутируемые шунтирующие элементы на шине могут состоять полностью из блоков шунтирующих конденсаторов или полностью из шунтирующих реакторов в соответствии с работой CB1 и CB2.

B_L - индуктивная проводимость

B_С - емкостная проводимость

РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ ОТПАЙКАМИ ТРАНСФОРМАТОРА

Трансформатор с РПН оснащен механизмом поворотом распредвала с контактным устройством для регулирования величины напряжения при переключении отпаек обмотки трансформатора. На Рис. 3. показана эквивалентная схема трансформатора, снабженного РПН.

Алгоритм управления координационным напряжением

Подстанция, оборудованная шунтирующим устройством FACTS (STATCOM) и компенсаторами реактивной мощности, показана на Рис. 4. Флуктуация напряжения на шине вызывается изменением нагрузки в энергосистеме. В стационарном режиме уменьшение нагрузки на шине приводит к увеличению напряжения шины, увеличение нагрузки на шине приводит к уменьшению напряжения шины. В дневном графике нагрузка на шинах снижается ранним утром, а днем загрузка шин увеличивается. Если величина напряжения колеблется при изменении нагрузки на шине, измененное напряжение на шине сначала контролируется STACTCOM, переключается шунт переключения, и, наконец, ОLTC приводится в работу.

На Рис. 4. напряжение на шинах нагрузки более чувствительно к изменению напряжения на шина2, чем напряжение шина1. Поэтому напряжения шин нагрузки можно более эффективно контролировать, регулируя напряжение шины2. В предлагаемом алгоритме, опорное напряжение STATCOM регулируется в ответ на изменение напряжения на шина2, которое сведено к минимуму путем контроля и координации величин между STATCOM и компенсатором реактивной мощности.

Для сравнения эффективности использования рассмотренных методов регулирования напряжения, были проведены расчеты режима работы фрагмента системы электроснабжения нефтеперерабатывающего комплекса напряжением 6 кВ при использовании устройств компенсации реактивной мощности в разных узлах сети.

U1 - начальный режим; U2 - Q 450 квар в 13 узле;

U3 - Q 450 квар в 13 и 17 узлах;

U4 - Q 450 квар в 13, 16 и 17 узлах.

Для этого в выбранных узлах (13, 16 и 17) предполагалась установки FACT, управление режимом работы, которых можно осуществлять, регулируя их место установки и величину вырабатываемой мощности. Уровни напряжения в узлах сети приведены на Рис. 4.

В этой работе рассмотрено изменение величины напряжения на шинах из-за изменения нагрузки, метода контроля величины напряжения и обеспечения резерва реактивной мощности. При аварийных режимах контроль реализуется посредством координационного управления между STATCOM и обычными компенсаторами реактивной мощности.

Предлагаемый метод реализуется с помощью программирования с использованием PSS / E в качестве механизма анализа. В работе представлен оптимальный метод управления координацией напряжений на шинах, который затем моделируется в реальной энергосистеме.

Результаты моделирования показывают, что отклонение напряжения, вызванное изменением нагрузки, эффективно контролируется путем регулировки заданного значения напряжения STATCOM на наиболее чувствительную шину для изменения нагрузки.

Кроме того, используя предлагаемую координацию между реактивной мощностью конденсаторов, обеспечивается мгновенный резерв реактивной мощности.

После того, как резерв реактивной мощности исчерпан, отклонение напряжения на шине нагрузки можно свести к минимуму, отрегулировав STATCOMом опорное напряжение в пределах допустимой величины резерва реактивной мощности.

Точки работы обычных компенсаторов реактивной мощности и заданное значение напряжения STATCOM для любой системы подстанций могут быть определены путем моделирования с использованием предложенного метода. Этот метод позволяет минимизировать количество переключений механических шунтирующих устройств реальной системы управления на подстанциях.

Список литературы

1. Pablo A. Ruiz and Peter W. Sauer, “Reactive Power Reserve Issues,” in Proceedings of IEEE Power Symposium, North American, Sept. 2006.

2. Abdel-Rahman, M. H., Youssef, F. M. H., Saber, A. A., “New Static Var Compensator Control Strategy and Coordination with an Under-Load Tap Changer,” IEEE Trans. Power Del., vol. 21, no. 3, pp. 1630-1635, July 2006.

3. J. Duncan Glover, Power System Analysis and Design: CENGAGE Learning, 2010.

4. Fuerte-Esquivel C.R., Acha E., and Ambritz-Perez, “A Thyristor Controlled Series Compensator Model for the Power Flow Solution of Practical Power Networks,” IEEE Trans. Power Systems. pp. 58-64, 2000.

Размещено на Allbest.ru