Optimization of voltage levels in active-adaptive networks with distributed generation

Full Text

Напряжение в распределительных сетях постоянно изменяется. Это вызвано тем, что постоянно меняются нагрузка в сети, режим работы генераторов стан- ций, топология сети. Режимы напряжения в сетях регламентируются ГОСТ 32144-2013. Однако по различным причинам отклонения напряжения в сетях ча- Юрий Петрович Кубарьков (д.т.н.), профессор кафедры «Электрические станции». Игорь Сергеевич Кулаев, студент. Роман Александрович Алехин, аспирант. сто превышают допустимые. Основными причинами падения напряжения в рас- пределительных сетях являются: большие токи нагрузки, неправильный выбор сечений проводников и мощностей трансформаторов, неправильная топология распределительных сетей [1]. Поэтому для поддержания уровня напряжения в заданных рамках используют регулирование напряжения. В нашей стране ос- новными средствами регулирования являются средства регулирования в транс- форматорах (РПН, ПБВ), а также регуляторы возбуждения генераторов на стан- циях. В крупных разветвленных энергетических системах традиционные спосо- бы регулирования напряжения оказываются недостаточно эффективными. На Западе давно ведутся разработки интеллектуальных энергосистем - Smart Grid. Согласно определению, Smart Grid - это модернизированные электрические сети, которые используют информационные и коммуникационные технологии для сбора информации о выработке и потреблении электроэнергии, позволяющей автоматически повышать эффективность, надежность, экономическую выгоду, а также устойчивость производства и распределения электроэнергии. В России ведутся аналогичные исследования и разработки в области интел- лектуализации распределительных сетей [2, 3]. Данная разработка имеет назва- ние «Интеллектуальная энергетическая система с активно-адаптивной сетью». В активно-адаптивных сетях для регулирования напряжения и оптимизации по- тери мощности используются управляемые устройства компенсации реактивной мощности, которые и определяют адаптивные свойства системы [2]. Устройства регулирования реактивной мощности Интеллектуализация сетей достигается за счет внедрения новейших устройств сбора и обработки информации, устройств регулирования параметров сети, а также за счет использования управляемых источников активной и реак- тивной мощности, подключенных к шинам потребителя, за счет чего последние переходят из «пассивных» в «активных» участников энергетической системы. Для сохранения напряжения в заданных лимитах применяются устройства регулирования реактивной мощности [4, 5]. Самыми простыми и распространенными источниками реактивной мощно- сти являются батареи статических конденсаторов (БСК). БСК в основном устанавливаются для обеспечения емкостной реактивной компенсации - коррекции коэффициента мощности. Использование БСК увели- чилось, поскольку они относительно недороги, легко и быстро устанавливаются и могут быть развернуты практически в любой точке сети. Их установка оказывает и другие положительные эффекты на систему: по- вышение напряжения на нагрузке, лучшее регулирование напряжения (если они были надлежащим образом спроектированы), уменьшение потерь и сокращение или отсрочка инвестиций в передачу. Основным недостатком БСК является то, что их выходная реактивная мощ- ность пропорциональна квадрату напряжения, и, следовательно, когда напряже- ние низкое и система нуждается в них больше всего, они являются наименее эф- фективными. Конденсаторы предназначены для работы при их номинальном напряжении и частоте или ниже, поскольку они очень чувствительны к изменению этих зна- чений; реактивная мощность, создаваемая конденсатором, пропорциональна как напряжению, так и частоте (kVAr = 2πfv2). БСК являются достаточно надежным и экономичным средством, однако при наличии быстро изменяющихся реактивных нагрузок применение БСК неэффек- тивно ввиду их малого быстродействия. Следующей ступенью развития регулирующих устройств является техноло- гия гибких линий электропередач переменного тока (FACTS), в состав которых входят устройства регулирования реактивной мощности (СТАТКОМ). Растущие возможности силовых электронных компонентов инициировали использование устройств FACTS [6, 7, 8]. Более высокие уровни мощности стали доступны в конвертерах для самых высоких напряжений. Это сетевые элементы, влияющие на импеданс или реактивную мощность в отдельных частях энергоси- стемы. Для устройств FACTS это объясняется двумя причинами. Одно из усло- вий - динамическая устойчивость, которая служит для обеспечения быстрой управляемости устройств FACTS на базе силовой электроники. Это один из ос- новных факторов отличия от обычных устройств. Другое условие - статическая устойчивость, которая обеспечивает выполнение необходимой управляемости при малых изменениях параметров режима, поскольку FACTS не имеет движу- щихся частей, таких как механические переключатели. Статический синхронный компенсатор (СТАТКОМ) - это устройство, рабо- тающее как статический преобразователь реактивной мощности, чей емкостный или индуктивный ток может регулироваться независимо от изменения напряже- ния сети [6]. СТАТКОМ в основном включают последовательно или как шунтирующее устройство. Устройства последовательного включения разработаны с механической или фиксированной коммутируемой компенсацией: статический синхронный компенсатор (SSSC); конденсатор с тиристорным коммутатором (TSSC); реактор с тиристорным коммутатором (TSSR); конденсатор с тиристорным управлением (TCSC); реактор с тиристорным управлением (TCSR). Шунтирующие устройства работают как компенсаторы реактивной мощно- сти и используются в системах передачи и распределения [9, 10, 11]: статический синхронный компенсатор (STATCOM); статический компенсатор SVC; реактор с тиристорным переключением (TSR); тиристорный коммутируемый конденсатор (TSC); реактор с тиристорным управлением (TCR); механически коммутируемый конденсатор (MSC). STATCOM - это контролируемый источник реактивной мощности. Характе- ристика STATCOM аналогична характеристикам синхронного конденсатора, но в качестве электронного устройства он не имеет инерции и лучше синхронного конденсатора, поскольку имеет более низкие эксплуатационные расходы и инве- стиционные затраты, лучшую динамику. Статическая характеристика имеет определенную крутизну между текущими ограничениями (рис. 1), определяющими управляющую кривую напряжения. В распределенной энергетической системе обычно используется преобразователь источника напряжения для межсетевого взаимодействия. Следующим шагом в разработке STATCOM является сочетание с накопителями энергии на стороне постоянного тока. Производительность для сбалансированного функционирования сети и качества электроэнергии может быть значительно улучшена благода- ря сочетанию активной и реактивной мощности. . Рис. 1. VI-характеристики STATCOM СТАТКОМ состоит из следующих элементов (рис. 2): Статический преобразователь, предназначенный для работы в различных режимах потребления и генерации активной и реактивной мощности. Согласующий трансформатор для подключения к шинам высокого напряжения. Звено постоянного тока, которое обеспечивает напряжения. Пассивный фильтр для обеспечения синусоидальности фазных токов. Рис. 2. Упрощенная схема СТАТКОМ Результаты ряда исследований позволяет заключить, что на данный момент СТАТКОМ - наиболее совершенное устройство компенсации реактивной мощ- ности. Преимущества СТАТКОМ: многофункциональность; быстродействие; малое содержание высших гармоник; малые габариты. СТАТКОМ обладает много меньшей вероятностью появления перенапряже- ний, а при уменьшении напряжения может работать в режиме стабильного ис- точника постоянного тока [12-17]. Еще одним плюсом СТАТКОМ является воз- можность регулирования емкостного тока при снижении напряжения источника, что обеспечит увеличение динамической устойчивости системы по сравнению с СТК. Мультиагентное регулирование напряжения в распределительных сетях и сравнение его с централизованным регулированием Для любых систем регулирования общей задачей является достижение целей регулирования. Для централизованного - это сведение потерь активной мощно- сти в распределительных сетях к минимуму или увеличение пропускной способ- ности распределительной сети при поддержании уровня напряжения в допусти- мом пределе с минимальными отклонениями напряжения узлов сети от номи- нального. Для мультиагентного - это достижение индивидуальных целей участ- ников процесса регулирования при поддержании напряжений в допустимых пре- делах. При децентрализованном (мультиагентном) регулировании напряжения уставки регулирующих устройств определяются локальными регуляторами в ре- жиме реального времени на основании данных режима того района, в котором производится регулирование напряжения [18]. Для воплощения централизованно-распределенного принципа алгоритмы управления согласуются так, чтобы между централизованным и децентрализо- ванными устройствами системы регулирования происходил постоянный обмен информацией, но в случае нарушения связи децентрализованная система выпол- няла функции управления по собственным алгоритмам. Работа регулятора напряжения и реактивной мощности основана на следу- ющих принципах: Подстанция представляется в виде эквивалентного объекта с одним вхо- дом (суммарная реактивная мощность ИРМ, установленных на подстанции) и одним выходом (напряжение на шинах регулируемого объекта). Применяется пропорционально-интегральный закон для задания реактив- ной мощности компенсаторов, установленных на подстанции. Рассчитывается управляющее воздействие на управляемые системы ком- пенсации реактивной мощности и устройства РПН трансформаторов. Параметры регулятора могут адаптироваться в зависимости от режимно- топологических параметров сети в режиме реального времени. Сложность создания децентрализованной системы регулирования напряже- ния заключается в формировании единого информационного пространства, включающего высокотехнологичныее системы мониторинга за системными па- раметрами, устройства связи и обработки информации, программные комплексы и вычислительное оборудование. Мультиагентное автоматическое регулирование напряжения в режиме ре- ального времени - это такое регулирование, реализация которого возможна только в высокоавтоматизированных сетях с применением моделирования режи- ма и минимизации потерь активной мощности в сети, поэтому оно считается са- мым эффективным регулированием. Оптимизация уровня напряжения участка энергетической системы за счет управления потоками реактивной мощности Для повышения эффективности работы энергосистемы, снижения потерь ак- тивной мощности и выравнивания уровня напряжения производится оптимиза- ция режимов по реактивной мощности. Целью оптимизации является определе- ние мест установки компенсирующих устройств и их мощности для достижения наибольшего эффекта в снижении потерь активной мощности и выравнивании уровней напряжения в узлах сети [19]. Рассматривая энергосистему как структуру от производства электроэнергии до ее потребления, задачу распределения потоков реактивной мощности нужно решать в следующих аспектах: оптимальное распределение реактивной мощности между источниками пи- тания; оптимальное распределение реактивной мощности внутри распредели- тельной сети; регулирование напряжения в сети. Ограничениями выступают нормативная документация, соответствующие приказы и распоряжения РАО «ЕЭС России» и Министерства промышленности и энергетики РФ. Сущность регулирования напряжения за счет воздействия на потоки реак- тивной мощности по элементам электрической сети заключается в том, что при изменении реактивной мощности изменяются потери напряжения в реактивных сопротивлениях. Продольная составляющая падения напряжения: U  PR  (Q  Qку ) X , (1) U2 где P, Q - активная и реактивная мощности на шинах потребителя; R, X - активное и реактивное сопротивление системы от источника пита- ния до шин потребителя; U2 - напряжение на шинах потребителя; Qку - мощность компенсирующего устройства [20]. Степень воздействия на сеть зависит от места установки компенсирующих устройств (КУ) и их мощности. Рис. 3. Схема ПС 35/10 кВ «Водозабор» НПЗ Целевая функция имеет следующий вид: Ц  f (Qку ; Nку ) , (2) где Qку - мощность компенсирующего устройства; Nку - узел, в котором распола- гается компенсирующее устройство. В качестве расчетной схемы была выбрана двухтрансформаторная подстан- ция ЦРП «Водозабор» 35/10 кВ (рис. 3). Схема содержит 39 узлов, 39 линий, из которых в нормальном режиме работают 34, два независимых источника пи- тания, 18 нагрузок на стороне 10 кВ, из них 10 двигателей мощностью более 500 кВт, и 9 нагрузок на стороне 0,4 кВ. Результаты расчетов базового режима (рис. 4, 5) показали, что наибольшее падение напряжения, максимальные потери мощности и максимальная токовая загрузка линий будут в узлах 6, 22, 30. Также для узлов 14-39 падение напряже- ние превышает допустимые 5 % от Uном. Для улучшения этих параметров были рассмотрены различные варианты установки компенсаторов реактивной мощно- сти (БСК) различной мощности в различных узлах. Рис. 4. Уровни напряжения в узлах на стороне 10 кВ Рис. 5. Уровни напряжения в узлах на стороне 0,4 кВ Мощность и номер узла БСК для вариантов компенсации № вар. Рабочий режим Место установки U = 10 кВ Место U = установки 0,4 кВ 1 Базовый режим Без БСК Без БСК 22 БСК 1350 кВар 5, 6 5, 6 БСК 150 кВар 14, 23, 24, 32 14, 23, 24, 32 БСК 300 кВар 15 15 БСК 250 кВар 16 16 БСК 375 кВар 18 18 БСК 900 кВар 22 22 БСК 600 кВар 30 30 33 БСК 4050 кВар 12 6 БСК 200 кВар 6 12 БСК 180 кВар 13 13 БСК 300 кВар 15 15 БСК 250 кВар 16 16 БСК 375 кВар 18 18 44 БСК 3150 кВар 6 6 БСК 900 кВар 5 5 БСК 200 кВар 12, 23 12, 23 БСК 180 кВар 13, 24 13, 24 БСК 300 кВар 15 15 БСК 250 кВар 16 16 БСК 375 кВар 18 18 БСК 600 кВар 22 22 Вывод Анализ результатов показал, что при использовании активно-адаптивных элементов: Обеспечивается частичная или полная компенсация негативного воздей- ствия при увеличении нормативных значений отклонения и колебания напряже- ния, продолжительных провалов напряжения. Увеличивается пропускная способность линий электропередач. Оптими- зация пропускной способности ЛЭП обеспечивает возможность поставки допол- нительной электроэнергии из смежных систем, а также увеличивает выдачу ак- тивных генерирующих мощностей при увеличении максимально допустимых перетоков мощности. Повышается управляемость режимов работы ЭЭС. Включение в состав электроэнергетической системы устройств FACTS способно повысить управляе- мость работы ЭЭС, перевести потоки активной мощности в линии с более высо- ким классом напряжения и увеличить степень компенсации зарядной мощности электрической сети. Компенсирующие устройства, установленные в расчетной схеме для под- держания уровней напряжения в допустимых пределах, являются активно- адаптивными элементами и могут быть использованы для создания интеллекту- альной сети. Мультиагентное регулирование обеспечивает эффективное регулирование напряжения в рамках интересов всех субъектов, участвующих в процессе: рас- пределительных компаний, потребителей, распределенной генерации, а также создает технологическую основу местных рынков услуг по регулированию напряжения в сети. На сегодняшний день интеллектуальные сети в России находится на началь- ном этапе своего развития. На данный момент отечественные энергосистемы практически не развиваются, что способствует их физическому и моральному износу. В связи с этим актуальным становится вопрос развития в нашей стране сетей совершенно иного уровня, в основу которых будут положены передовые достижения современных технологий мировой науки и техники.

About the authors

Youry P Kubarkov

Samara State Technical University

(Doc. of Techn. Scien.), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Igor S Kulaev

Samara State Technical University

Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Roman A Alekhin

Samara State Technical University

Postgraduate student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files