Библиографическое описание:

Непша Ф. С. Особенности регулирования напряжения в распределительных сетях с малой генерацией // Молодой ученый. — 2016. — №17. — С. 67-71.



Представлены преимущества использования малой генерации в распределительных сетях. Описана проблема регулирования напряжения в сетях с малой генерацией, а также показана невозможность применения принципов встречного регулирования напряжения с появлением объектов малой генерации. Приведены недостатки системы регулирования, использующей в качестве регуляторов только РПН и АРВ генератора. Приведены требования, предъявляемые к системам активно-адаптивного регулирования напряжения в сетях с малой генерацией.

Ключевые слова: оптимизация, малая энергетика, распределительные сети, потери активной мощности, регулирование напряжения

Либерализация рынков электроэнергии в развитых странах мира [1], а также развитие технологий, ориентированных на снижение себестоимости производства электрической энергии на объектах малой генерации позволило создать дополнительный стимул для развития малой энергетики. Кроме того, значительное влияние на развитие малой энергетики оказал Киотский протокол [2], подписанный в 1998 году и включающий обязательства, направленные на снижение совокупного среднего уровня выбросов 6 типов газов (углекислый газ, метан, фторуглеводороды, фторуглероды, закись азота, гексафторид серы) на 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 года. В связи с этим, решение технических проблем связанных с подключением объектов малой генерации к объединённой энергетической системе (ОЭС) с каждым днем становится все более актуальной задачей.

Большинство технических проблем подключения малой генерации связано с тем, что электроэнергетическая система большинства стран была сформирована во второй половине XX века и структурно формировалась для обеспечения транспорта электрической энергии от крупных объектов генерации до потребителя. В связи с этим, совершенно ясно, что современные электрические сети структурно и технически не адаптированы для подключения объектов малой генерации и требуют проведения научных исследований направленных на повышение эффективности присоединения объектов малой генерации к ОЭС.

Важно отметить, что появление малой генерации в распределительной сети 6–10 кВ оказывает следующие положительные эффекты:

− снижается загрузка существующих элементов сети 6–500 кВ;

− снижаются потери в распределительной и системообразующей сети за счет сокращения расстояния между производителем и потребителем электрической энергии;

− увеличивается резерв мощности по объектам централизованной генерации;

− повышает надежность электроснабжения потребителей находящихся вблизи объектов малой генерации.

Появление объектов малой генерации оказывает значительное влияние на регулирование напряжения в распределительной сети и вносит дополнения в спектр существующих средств регулирования напряжения таких как:

− централизованное регулирование напряжения в центрах питания с помощью устройств РПН;

− ступенчатое и плавное регулирование напряжения с использованием устройств компенсации реактивной мощности и устройств FACTS;

− сезонное регулирование напряжения в сети 10/0,4 кВ с использование ПБВ на ТП.

В современных сетях координированное использование вышеуказанных средств регулирования вполне достаточно для обеспечения требуемого уровня напряжения как в точке передаче электрической энергии, так и на зажимах электроприемников. Но с появлением в распределительных сетях 6–10 кВ объектов малой генерации процесс изменения напряжения в распределительной сети значительно усложняется и в связи с отсутствием автоматизации процесса регулирования напряжения приводит к отклонению уровня напряжения у потребителей за пределы допустимых значений.

На рисунке 1 показаны эпюры напряжений в распределительной сети «до» и «после» подключения малой генерации.

Рис. 1. Кривые изменения напряжения в распределительной сети «до» и «после» подключения малой генерации

Кривая 1 иллюстрирует изменение напряжения в сети без подключения объекта малой генерации. Уровень напряжения на всем протяжении сети находится в области допустимых значений. После подключения объекта малой генерации к узлу № 3 в этом узле наблюдается выход напряжения за допустимые диапазоны в часы минимума нагрузки энергоузла (кривая 2). В связи с этим приходится ограничивать генерацию Pг, что не позволяет полностью использовать ресурсы объекта, особенно в том случае, когда идет речь о возобновляемых источниках электроэнергии имеющих случайный характер (ВЭС, СЭС). Это приводит к снижению совокупной выработки малой генерацией и, как следствие, увеличению сроков окупаемости. Для того чтобы исключить выход напряжения из верхнего диапазона возможно перевести РПН на питающей подстанции, тогда эпюр напряжения примет вид кривой 3. Напряжение находится в допустимых диапазонах, но в режиме максимума энергосистемы, напряжение на наиболее удаленном участке сети выйдет за пределы нижнего диапазона (кривая 5). Важно отметить, что с появлением малой генерации загрузка трансформатора питающей подстанции изменяется неоднозначно, следовательно, реализовать классические принципы встречного регулирования напряжения не представляется возможным.

В некоторых случаях, в частности на объектах генерации работающих на синхронных двигателях, напряжение в часы минимума нагрузки может быть снижено путем потребления генераторами избыточной реактивной мощности. Однако синхронные генераторы малой мощности в большинстве случаев не способны поглощать из сети реактивную мощность в связи с наличием ограничения минимального возбуждения (ОМВ), предотвращающего перегрев машины, а также потерю устойчивости в режиме недокомпенсации. Таким образом, диапазон регулирования выдачи реактивной мощности на объекте малой генерации недостаточен для исключения повышения напряжения выше допустимых значений, что делает целесообразным использование устройств регулирования на центре питания.

В настоящее время регулирование напряжения в распределительных сетях может осуществляться в автоматическом режиме с помощью устройств автоматического регулирования напряжения трансформаторов (АРНТ). Тем не менее, несмотря на преимущества их использования, на большинстве подстанций 35–110 кВ устройства АРНТ переведены в неавтоматический режим [3].

Тем не менее, даже при использовании устройств АРНТ имеется ряд недостатков, которые не позволяют полностью реализовать преимущества малой генерации, а также обеспечить снижение потерь (потребляемой мощности) в распределительных сетях:

  1. При регулировании напряжения не учитываются статические характеристики нагрузки. Данное требование особенно актуально для распределительных сетей промышленных предприятий, т. к. в таких сетях повышение напряжения приводит к росту потребляемой активной мощности.
  2. Обратная связь по напряжению между электроприемниками и средствами регулирования напряжения выполняется только с участием человека. В случае значительного снижения (повышения) напряжения в питающей сети, требуется значительный промежуток времени для восстановления необходимого уровня напряжения на зажимах электроприемников.
  3. Устройства компенсации реактивной мощности не полностью задействуются при регулировании напряжения в сети.
  4. Принимая во внимание кривые изменения напряжения, представленные на рисунке 1, работа устройства АРНТ может привести к выходу оборудования из строя.
  5. Так как генераторы на объектах малой генерации, как правило, не имеют возможности поглощать реактивную мощность, для исключения выхода напряжения за верхние пределы необходимо ограничить уровень генерации. Снижение уровня генерируемой энергии приводит к росту сроков окупаемости объектов малой генерации, а также росту тарифов на электроэнергию.
  6. Используемая система регулирования на базе устройств АРНТ не позволяет обеспечить минимизацию потерь активной мощности (потребляемой активной мощности) в распределительных сетях.

Из вышесказанного следует, что для обеспечения максимального использования малой генерации, а также поддержания напряжения в требуемом диапазоне необходимо разработать систему взаимосвязанного регулирования напряжения, учитывающую топологию сети, а также свойства всех средств регулирования напряжения (УКРМ, FACTS, РПН, генерация).

Концепция данной системы была предложена в работе [4]. Ее структура представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема регулирования напряжения

Для ее реализации предлагается оснастить объекты малой генерации и питающие подстанции устройствами телемеханики позволяющими, передавать информацию о текущем уровне напряжения, генерации, а также принимать сигналы на изменение уровня возбуждения генератора и изменение положения РПН питающей подстанции. Предложенная система работает следующим образом: в режиме реального времени производится сбор информации от имеющихся в распределительной сети датчиков, а также устройств телемеханики ЦП и объекта малой генерации. Данные поступают в блок сбора информации. Затем информация поступает в расчетный блок, в котором выполняется расчет потокораспределения в распределительной сети любыми известными методами. После расчетная информация поступает в блок управления напряжением, в котором производится проверка граничных условий по напряжению во всех точках распределительной сети. В случае несоответствия напряжения допустимым значениям формируется сигнал на изменение положения РПН или изменение уровня возбуждения генератора.

Предложенная схема регулирования позволяет обеспечить максимальное использование малой генерации и увеличить возможности существующих сетей по подключению объектов малой генерации.

Тем не менее, данная концепция имеет следующие недостатки:

− не учтено влияние других объектов малой генерации, а также других устройств регулирования напряжения на уровень напряжения в системообразующей сети;

− не учитывается случайный характер генерации ВЭС, СЭС, требующий соответствующие механизмы прогнозирования;

− для регулирования напряжения не используются устройства компенсации реактивной мощности и устройства FACTS;

− при выборе положения РПН и уровня возбуждения генератора не учитывается критерий минимума потерь активной мощности в распределительной сети. Регулирование напряжения выполняется исключительно по критерию обеспечения нормативного уровня напряжения;

− не учитываются статические характеристики нагрузки.

Таким образом, в дополнение к вышеуказанной концепции системы регулирования напряжения, для максимально эффективного использования объектов малой генерации, а также повышения энергоэффективности распределительных сетей, система регулирования должна обладать следующим набором функций:

  1. Осуществлять выбор оптимального положения устройства РПН исходя из уровня напряжения на наиболее электрически близких и электрических удаленных электроприемниках.
  2. Учитывать эксплуатационный ресурс РПН при выполнении регулирования.
  3. Выполнять регулирование по критерию минимума потерь активной мощности (потребления активной мощности).
  4. При регулировании напряжения должно учитываться наличие в сети источников реактивной мощности (ИРМ). ИРМ должны принимать участие в функционировании системы регулирования.
  5. В случае если уровень генерации имеет случайный характер, система регулирования должна включать в себя механизм прогнозирования уровня генерации.

Кроме того, учитывая, что в условиях вышеуказанной системы регулирования, традиционные алгоритмы оптимизации размещения УКРМ не эффективны по причине постоянного изменения параметров сети, необходимо разработать алгоритм оптимизации размещения УКРМ в условиях мультивариантности состояний распределительных сетей.

Выводы:

  1. Появление малой генерации в распределительных сетях делает невозможным встречное регулирование напряжение. В связи с этим, для исключения выхода напряжения из допустимых диапазонов в минимальных режимах необходимо ограничивать генерацию, что снижает объемы энергии, производимые объектами малой генерации и, как следствие, сроки окупаемости объектов малой генерации.
  2. Объекты малой генерации оказывают положительное влияние на энергоэффективность существующих сетей за счет разгрузки питающих линий.
  3. Существующие системы регулирования напряжения на базе устройств АРНТ не позволяют обеспечить эффективное и экономичное регулирование напряжения в распределительных сетях с малой генерацией.
  4. При разработке системы централизованного регулирования напряжения в распределительных сетях с малой генерацией необходимо учитывать критерий минимума потерь активной мощности и(или) критерий минимума потребления активной мощности.

Литература:

  1. Уроки, извлеченные из либерализации рынков электроэнергии / Международное энергетическое агентство (МЭА), 2005.
  2. Сайт рамочной конвенции ООН об изменении климата [электронный ресурс], Киотский протокол к рамочной конвенции ООН об изменении климата — режим доступа: http://unfccc.int/resource/docs/convkp/kprus.pdf (дата обращения: 10.12.2015).
  3. Непша Ф. С. К вопросу создания активно-адаптивной системы регулирования напряжения в распределительных сетях // Сборник статей по материалам XV международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс-2014». (6–7 ноября 2014 г., г. Кемерово) — с. 30–34.
  4. A. Bonhomme, В. Cortinas, А. Boulanger, J.-L.Fraisse «Une nouvelle fonction de regulation de tension pour faciliter le raccordement de producteurs decentralises sur le reseau de distribution», Conference: Electricity Distribution, 2001. Part 1: Contributions. CIRED. 16th International Conference and Exhibition on (IEE Conf. PublNo. 482), Volume: 4. режим доступа: http://www.cired.net/publications/cired2001/4_8F.pdf (дата обращения: 10.12.2015).
  5. Веников В. А., Идельчик В. И., Лисеев М. С. Регулирование напряжения в электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1985.
  6. Автоматизация управления энергообъединениями / В. В. Гончуков, В. М. Горнштейн, Л. А. Крумм и др.; Под ред. С. А. Совалова. М.: Энергия, 1979.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle