Регулирование напряжения и управление реактивной мощностью

Управление напряжением и управление реактивной мощностью — это две грани вспомогательной услуги , которая обеспечивает надежность сетей передачи и облегчает работу рынка электроэнергии в этих сетях. Оба аспекта этой деятельности переплетены (изменение напряжения в сети переменного тока (AC) осуществляется посредством производства или поглощения реактивной мощности ), поэтому в этой статье термин «управление напряжением» будет в первую очередь использоваться для обозначения этой по сути единой деятельности, как предлагают Кирби и Херст (1997). ^[1] Управление напряжением не включает в себя инъекции реактивной мощности для гашения колебаний сети; это часть отдельной вспомогательной услуги, так называемой услуги по обеспечению стабильности системы. ^[2] Передача реактивной мощности ограничена по своей природе, поэтому управление напряжением осуществляется посредством единиц оборудования, распределенных по всей электросети, в отличие от управления частотой , которое основано на поддержании общего баланса активной мощности в системе. ^[3]

Необходимость контроля напряжения

Кирби и Херст указывают на три причины необходимости контроля напряжения: ^[1]

1. оборудование электросети рассчитано на узкий диапазон напряжений, как и электропотребляющее оборудование на стороне потребителя. Эксплуатация вне этого диапазона приведет к выходу оборудования из строя;
2. реактивная мощность вызывает нагрев генераторов и линий электропередачи, тепловые ограничения потребуют ограничения производства и потока реальной ( активной ) мощности;
3. Ввод реактивной мощности в линии электропередачи приводит к потерям, которые приводят к бесполезному расходованию энергии, что приводит к увеличению мощности, вырабатываемой первичным двигателем .

Использование специализированных устройств регулирования напряжения в сети также повышает устойчивость энергосистемы за счет снижения колебаний угла ротора синхронного генератора ( вызванных генераторами, вырабатывающими или поглощающими реактивную мощность) ^{[4] .}

Силовые шины и системы, которые демонстрируют большие изменения напряжения при изменении условий реактивной мощности, называются слабыми системами , в то время как те, которые демонстрируют относительно меньшие изменения, называются сильными (численно сила выражается как коэффициент короткого замыкания , который выше для более сильных систем). ^[5]

Поглощение и выработка реактивной мощности

Устройства поглощают реактивную энергию, если у них отстающий коэффициент мощности ( подобны индукторам ), и вырабатывают реактивную энергию, если у них опережающий коэффициент мощности (подобны конденсаторам ).

Единицы электросетевого оборудования обычно либо вырабатывают, либо потребляют реактивную мощность: ^[6]

• Синхронный генератор будет вырабатывать реактивную мощность при перевозбуждении и поглощать ее при недовозбуждении, в соответствии с пределами кривой возможностей генератора .
• Трансформаторы всегда поглощают реактивную мощность.
• Линии электропередач будут либо поглощать, либо выдавать реактивную мощность: воздушные линии электропередач будут выдавать реактивную мощность при низкой нагрузке, но по мере того, как нагрузка превышает волновое сопротивление линии, линии начинают потреблять все большее количество реактивной мощности. Подземные линии электропередач являются емкостными, поэтому они нагружены ниже волнового сопротивления и выдают реактивную мощность.
• Электрические нагрузки обычно поглощают реактивную мощность, ^[7] при этом коэффициент мощности для типичных приборов составляет от 0,65 (бытовая техника с электродвигателями, например, стиральная машина ) до 1,0 (чисто резистивные нагрузки, например, лампы накаливания ). ^[8]

В типичной электросети основу управления напряжением обеспечивают синхронные генераторы. Эти генераторы оснащены автоматическими регуляторами напряжения, которые регулируют поле возбуждения , поддерживая напряжение на клеммах генератора в целевом диапазоне. ^[7]

Задача компенсации дополнительной реактивной мощности (также известной как компенсация напряжения ) возлагается на компенсирующие устройства : ^[7]

• пассивные (постоянно подключенные или коммутируемые) приемники реактивной мощности (например, шунтирующие реакторы , которые по конструкции похожи на трансформаторы, с одной обмоткой и железным сердечником ^[9] ). Шунтирующий реактор обычно подключается к концу длинной линии электропередачи или слабой системы для предотвращения перенапряжения при небольшой нагрузке ( эффект Ферранти ); ^[10]
• пассивные источники реактивной мощности (например, шунтирующие или последовательные конденсаторы ).
  • Шунтирующие конденсаторы используются в энергосистемах с 1910-х годов и пользуются популярностью из-за низкой стоимости и относительной простоты развертывания. Количество реактивной мощности, подаваемой шунтирующим конденсатором, пропорционально квадрату линейного напряжения, поэтому конденсатор вносит меньший вклад в условиях низкого напряжения (часто вызванного отсутствием реактивной мощности). Это серьезный недостаток, поскольку подача реактивной мощности конденсатором падает, когда она больше всего нужна; ^[11]
  • Последовательные конденсаторы используются для компенсации индуктивного сопротивления нагруженных воздушных линий электропередач. Эти устройства, последовательно подключенные к силовым проводникам, обычно используются для снижения потерь реактивной мощности и увеличения количества активной мощности, которая может быть передана по линии, при этом подача реактивной мощности с саморегулированием (подача случайно увеличивается с более высокой нагрузкой) является вторичным соображением; ^[12] Напряжение на последовательном конденсаторе обычно низкое (в пределах диапазона регулирования сети, несколько процентов от номинального напряжения), поэтому его конструкция относительно недорога. Однако в случае короткого замыкания на стороне нагрузки конденсатор будет кратковременно подвергаться воздействию полного линейного напряжения, поэтому предусмотрены схемы защиты, обычно включающие искровые разрядники , варисторы ZnO и переключатели; ^[13]
• активные компенсаторы (например, синхронные конденсаторы , статические компенсаторы реактивной мощности , статические синхронные компенсаторы , которые могут быть как источниками, так и потребителями реактивной мощности);
• регулирующие трансформаторы (например, трансформаторы с переключением ответвлений ).

Пассивные компенсационные устройства могут быть постоянно подключены или переключаться (подключаться и отключаться) вручную, с помощью таймера или автоматически на основе данных датчиков. ^[14] Активные устройства по своей природе являются саморегулирующимися. ^[10] Трансформаторы с переключением ответвлений с функцией переключения ответвлений под нагрузкой (ULTC) могут использоваться для прямого управления напряжением. Работа всех трансформаторов с переключением ответвлений в системе должна быть синхронизирована между трансформаторами ^[15] и с применением шунтирующих конденсаторов. ^[16]

Из-за локализованной природы баланса реактивной мощности стандартный подход заключается в локальном управлении реактивной мощностью (децентрализованный метод). Распространение микросетей может сделать гибкий централизованный подход более экономичным. ^[17]

Резервы реактивной мощности

Система должна быть способна очень быстро обеспечивать дополнительные объемы реактивной мощности ( динамическое требование ), поскольку единичный отказ генератора или линии электропередачи (который должен быть запланирован) может привести к немедленному увеличению нагрузки на некоторые из оставшихся линий электропередачи. Природа воздушных линий электропередачи такова, что по мере увеличения нагрузки линии начинают потреблять все большее количество реактивной мощности, которую необходимо заменить. Таким образом, крупная система электропередачи требует резервов реактивной мощности так же, как ей нужны резервы для реальной мощности . ^[18] Поскольку реактивная мощность не передается по проводам так же, как и реальная мощность, ^[19] существует стимул концентрировать ее производство вблизи нагрузки. Реструктуризация электроэнергетических систем выводит эту область электросети из-под контроля интегрированной энергетической компании , поэтому тенденция заключается в том, чтобы переложить проблему на потребителя и потребовать, чтобы нагрузка работала с коэффициентом мощности , близким к единице . ^[20]

Смотрите также

• Активное сетевое управление

Ссылки

1. Кирби и Хёрст 1997, стр. 1.
2. Кирби и Херст 1997, стр. 1, 15.
3. Кундур 1994, стр. 627.
4. Хан 2022, стр. 295.
5. Siva Kumar, CH; Mallesham, G. (2020). «Внедрение UPQC на основе ANN для улучшения качества электроэнергии в гибридной зеленой энергетической системе». Энергетические системы, приводы и автоматизация: Труды ESDA 2019. Springer Nature. стр. 16. doi : 10.1007/978-981-15-5089-8_2. eISSN  1876-1119. ISSN  1876-1100.
6. Кундур 1994, стр. 627–628.
7. Kundur 1994, стр. 628.
8. Кундур 1994, стр. 631–632.
9. Кундур 1994, стр. 630.
10. Kundur 1994, стр. 629.
11. Кундур 1994, стр. 631.
12. Кундур 1994, стр. 633–634.
13. Кундур 1994, стр. 635–637.
14. Кундур 1994, стр. 629–638.
15. Кундур 1994, стр. 678.
16. Кундур 1994, стр. 633.
17. Хан 2022, стр. 292–293.
18. Кирби и Херст 1997, стр. 1–2.
19. Ибрагимзаде и Блаабьерг 2017, с. 119.
20. Кирби и Херст 1997, стр. 2.

Источники

• Кирби, Брендан Дж.; Хёрст, Эрик (1997). Подробности дополнительных услуг: Регулирование напряжения (ORNL/CON-453) (PDF) . Ок-Ридж, Теннесси : Национальная лаборатория Ок-Риджа .
• Ибрагимзаде, Исмаил; Блаабьерг, Фреде (5 апреля 2017 г.). «Роль реактивной мощности и ее управляемость в системах переменного тока». В Насере Махдави Табатабаи; Али Джафари Агболаги; Нику Бизон; Фреде Блаабьерг (ред.). Управление реактивной мощностью в системах переменного тока: основы и актуальные проблемы . Спрингер. стр. 117–136. ISBN 978-3-319-51118-4. OCLC  1005810845.
• Кундур, Прабха (22 января 1994 г.). "Реактивная мощность и управление напряжением" (PDF) . Устойчивость и управление энергосистемой. McGraw-Hill Education. стр. 627–687. ISBN 978-0-07-035958-1. OCLC  1054007373.
• Хан, Басим (2022). «Управление реактивной мощностью в активной распределительной сети». Активная электрическая распределительная сеть. Elsevier. стр. 287–301. doi :10.1016/B978-0-323-85169-5.00005-8.