Регулирование напряжения

В электротехнике , особенно в энергетике , регулирование напряжения — это мера изменения величины напряжения между передающей и принимающей стороной компонента, такого как линия передачи или распределения. Регулирование напряжения описывает способность системы обеспечивать практически постоянное напряжение в широком диапазоне условий нагрузки . Этот термин может относиться к пассивному свойству, которое приводит к большему или меньшему падению напряжения при различных условиях нагрузки, или к активному вмешательству в устройства с конкретной целью регулировки напряжения.

Электроэнергетические системы

В электроэнергетических системах регулирование напряжения представляет собой безразмерную величину, определяемую на приемном конце линии передачи как:

{\text{Percent }}VR={\frac {|V_{nl}|-|V_{fl}|}{|V_{fl}|}}\times 100

^[1]

где V _nl — напряжение на холостом ходу, а V _fl — напряжение при полной нагрузке. Процентное регулирование напряжения идеальной линии передачи, определяемой линией передачи с нулевым сопротивлением и реактивным сопротивлением , будет равно нулю из-за того, что V _nl равно V _fl в результате отсутствия падения напряжения вдоль линии. Вот почему обычно полезно меньшее значение регулирования напряжения , указывающее на то, что линия близка к идеальной.

Формулу регулирования напряжения можно представить следующим образом: «Предположим, мощность, подаваемая на нагрузку, такая, что напряжение на нагрузке равно номинальному напряжению нагрузки V _Rated . Если затем нагрузка исчезнет, напряжение в точке нагрузки повысится. до В _нл ».

Регулирование напряжения в линиях передачи происходит за счет сопротивления линии между ее передающим и приемным концами. Линии передачи по своей сути обладают некоторым сопротивлением, индуктивностью и емкостью, которые непрерывно изменяют напряжение вдоль линии. И величина, и фазовый угол напряжения изменяются вдоль реальной линии передачи. Эффекты импеданса линии можно смоделировать с помощью упрощенных схем, таких как аппроксимация короткой линии (наименее точная), аппроксимация средней линии (более точная) и аппроксимация длинной линии (наиболее точная).

Приближение короткой линии игнорирует емкость линии передачи и моделирует сопротивление и реактивное сопротивление линии передачи как простой последовательный резистор и катушку индуктивности. Эта комбинация имеет сопротивление R + jωL или R + jX. В приближении короткой линии существует ток одной линии I = I _S = I _R , отличный от тока средней и длинной линии. Приближение линии средней длины учитывает шунтирующий адмиттанс, обычно чистую емкость, распределяя половину адмиттанса на передающем и принимающем концах линии. Эту конфигурацию часто называют номинальной – π. Приближение длинной линии берет эти сосредоточенные значения импеданса и проводимости и равномерно распределяет их по длине линии. Таким образом, приближение длинной линии требует решения дифференциальных уравнений и приводит к высочайшей степени точности. ^[2]

В формуле регулирования напряжения V _{без нагрузки} — это напряжение, измеренное на клеммах приемной стороны, когда принимающая сторона является разомкнутой цепью. В этом состоянии вся модель короткой линии представляет собой разомкнутую цепь, и ток в разомкнутой цепи не течет, поэтому I = 0 А, а падение напряжения на линии определяется законом Ома. V _{падение линии} IZ _{= линия} составляет 0 В. Отправка и напряжения на приемных концах, таким образом, одинаковы. Это значение равно тому, каким было бы напряжение на приемной стороне, если бы линия передачи не имела импеданса. Напряжение в линии вообще не будет меняться, что является идеальным сценарием передачи энергии.

V _{полной нагрузки} — это напряжение на нагрузке на приемном конце, когда нагрузка подключена и в линии передачи течет ток. Теперь _{падение напряжения на линии} IZ _{V = линия} не равна нулю, поэтому напряжения, а также передающий и принимающий концы линии передачи не равны. Ток I можно найти, решив закон Ома, используя комбинированное сопротивление линии и нагрузки: ${\textstyle I={\frac {V_{S}}{Z_{line}+Z_{load}}}}$ . Тогда V _{R, полная нагрузка} определяется выражением ${\textstyle V_{S}-{\frac {V_{S}Z_{line}}{Z_{line}+Z_{load}}}}$ .

Влияние этой модуляции на величину напряжения и фазовый угол иллюстрируется с помощью векторных диаграмм, отображающих VR _, V _S , а также резистивную и индуктивную составляющие _{падения напряжения в линии} . Показаны три сценария коэффициента мощности, где (а) линия обслуживает индуктивную нагрузку, поэтому ток отстает от напряжения на приемном конце, (б) линия обслуживает полностью реальную нагрузку, поэтому ток и напряжение на приемном конце совпадают по фазе, и (в) линия обслуживает емкостную нагрузку, поэтому на токопроводящие провода поступает конечное напряжение. Во всех случаях сопротивление линии R вызывает падение напряжения, которое находится в фазе с током, а реактивное сопротивление линии X вызывает падение напряжения, которое опережает ток на 90 градусов. Эти последовательные падения напряжения суммируются с напряжением на приемном конце, проходя в обратном направлении от V _R до V _S в схеме аппроксимации короткой линии. Векторная сумма VR _и падения напряжения равна V _S , и на диаграммах видно, что V _S не равно VR _по величине или фазовому углу.

Из диаграмм видно, что фазовый угол тока в линии существенно влияет на регулирование напряжения. Запаздывание тока в (а) делает требуемую величину напряжения на передающей стороне довольно большой по сравнению с принимающей стороной. Однако разница фазового угла между передающей и принимающей сторонами сведена к минимуму. Опережающий ток в (c) фактически позволяет величине напряжения на передающем конце быть меньше, чем величина на принимающем конце, поэтому напряжение нелогичным образом увеличивается вдоль линии. Синфазный ток в (b) мало влияет на величину напряжения между передающей и приемной сторонами, но фазовый угол значительно смещается.

Реальные линии передачи обычно обслуживают индуктивные нагрузки, которые представляют собой двигатели, существующие повсюду в современной электронике и машинах. Передача большого количества реактивной мощности Q на индуктивные нагрузки приводит к отставанию линейного тока от напряжения, и регулирование напряжения характеризуется уменьшением величины напряжения. При передаче большого количества активной мощности P на реальные нагрузки ток в основном находится в фазе с напряжением. Регулирование напряжения в этом сценарии характеризуется уменьшением угла фазы, а не величины.

Иногда термин регулирование напряжения используют для описания процессов, посредством которых величина VR снижается , особенно в отношении специальных схем и устройств для этой цели (см. ниже).

Параметры электронного источника питания

Качество регулирования напряжения в системе описывается тремя основными параметрами:

Параметр	Символ	Описание
Регулирование линии	С _в	Мера способности поддерживать постоянное выходное напряжение независимо от изменений входного напряжения.
Регулирование нагрузки	Р _о	Мера способности поддерживать постоянное выходное напряжение независимо от размера нагрузки системы.
Температурная зависимость	С _Т	Мера способности поддерживать постоянное выходное напряжение независимо от изменений температуры электрических компонентов внутри системы, особенно полупроводниковых устройств.

Регулирование распределительного фидера

Электроэнергетические компании стремятся предоставлять услуги потребителям при определенном уровне напряжения, например, 220 В или 240 В. Однако в соответствии с законами Кирхгофа величина напряжения и, следовательно, рабочее напряжение для потребителей фактически будут варьироваться по длине проводника. например, распределительный фидер (см. Распределение электроэнергии ). В зависимости от законодательства и местной практики фактическое рабочее напряжение в пределах диапазона допуска, например ±5% или ±10%, может считаться приемлемым. Для поддержания напряжения в пределах допуска при изменении условий нагрузки традиционно применяются различные типы устройств: ^[3]

переключатель ответвлений нагрузки подстанции (LTC) на трансформаторе , который изменяет соотношение витков в ответ на ток нагрузки и тем самым регулирует напряжение, подаваемое на передающий конец фидера;
регуляторы напряжения , которые по сути представляют собой трансформаторы с переключателями ответвлений для регулировки напряжения на фидере, чтобы компенсировать падение напряжения на расстоянии; и
конденсаторы , которые уменьшают падение напряжения на фидере за счет уменьшения протекания тока к нагрузкам, потребляющим реактивную мощность .

Новое поколение устройств регулирования напряжения на основе полупроводниковой технологии находится на ранних стадиях коммерциализации. ^[4]

Регулирование распределения включает в себя «точку регулирования»: точку, в которой оборудование пытается поддерживать постоянное напряжение. Потребители, находящиеся дальше этой точки, наблюдают ожидаемый эффект: более высокое напряжение при малой нагрузке и более низкое напряжение при высокой нагрузке. Потребители, расположенные ближе к этой точке, испытывают противоположный эффект: более высокое напряжение при высокой нагрузке и более низкое напряжение при малой нагрузке.

Осложнения из-за распределенной генерации

Распределенная генерация , в частности фотогальваника, подключенная на уровне распределения, представляет собой ряд серьезных проблем для регулирования напряжения.

Традиционное оборудование регулирования напряжения работает в предположении, что линейное напряжение предсказуемо изменяется с расстоянием вдоль фидера . В частности, напряжение на фидере падает с увеличением расстояния от подстанции из-за импеданса линии, и скорость падения напряжения уменьшается по мере удаления от подстанции . ^[5] Однако это предположение может не выполняться в присутствии ДГ. Например, длинный фидер с высокой концентрацией DG на конце будет испытывать значительную инжекцию тока в точках, где напряжение обычно самое низкое. Если нагрузка достаточно мала, ток будет течь в обратном направлении (т.е. в сторону подстанции), в результате чего профиль напряжения увеличивается по мере удаления от подстанции. Этот инвертированный профиль напряжения может сбить с толку традиционные средства управления. В одном из таких сценариев устройства РПН, ожидающие снижения напряжения по мере удаления от подстанции, могут выбрать рабочую точку, которая фактически приводит к тому, что напряжение на линии превышает рабочие пределы. ^[6]

Проблемы регулирования напряжения, вызванные ДГ на уровне распределения, осложняются отсутствием оборудования для мониторинга энергосистемы вдоль распределительных фидеров. Относительная нехватка информации о распределительных напряжениях и нагрузках затрудняет для коммунальных предприятий внесение корректировок, необходимых для поддержания уровней напряжения в рабочих пределах. ^[7]

Хотя РГ создает ряд серьезных проблем при регулировании напряжения на уровне распределения, в сочетании с интеллектуальной силовой электроникой РГ действительно может способствовать повышению эффективности регулирования напряжения. ^[8] Одним из таких примеров является подключение фотоэлектрических систем к сети через инверторы с регулированием вольт-вар . В исследовании, проведенном совместно Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL) и Научно-исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI) , когда к распределительному фидеру с 20% проникновением фотоэлектрических систем было добавлено управление вольт-вар-вар, суточные колебания напряжения на фидере были значительно уменьшены. . ^[9]

Трансформеры

Одним из случаев регулирования напряжения является трансформатор . Неидеальные компоненты трансформатора вызывают изменение напряжения при протекании тока. При отсутствии нагрузки, когда ток не протекает через вторичные обмотки, V _nl определяется идеальной моделью, где V _S = V _P *N _S /N _P . Глядя на эквивалентную схему и пренебрегая шунтирующими компонентами, что является разумным приближением, можно отнести все сопротивление и реактивное сопротивление к вторичной стороне и ясно увидеть, что вторичное напряжение без нагрузки действительно будет задано идеальной моделью. Напротив, когда трансформатор обеспечивает полную нагрузку, на сопротивлении обмотки происходит падение напряжения, в результате чего напряжение на клеммах нагрузки оказывается ниже ожидаемого. Согласно приведенному выше определению, это приводит к ненулевому регулированию напряжения, которое необходимо учитывать при использовании трансформатора. ^[2]

См. также

Ссылки

^ Генен, Туран (2012). Электрические машины с MATLAB(R) . ЦРК Пресс. п. 337. ИСБН 978-1-43-987799-9 .
^ Jump up to: ^а ^б Грейнджер, Джон Дж. и Уильям Д. Стивенсон (1994). Анализ и проектирование энергетических систем . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 196–214. ISBN 978-0070612938 .
^ фон Мейер, Александра (2006). Электроэнергетические системы: концептуальное введение . Wiley-IEEE. стр. 184–188. ISBN 0471178594 .
^ «Статья Greentechmedia о сетевом датчике коррекции напряжения» . Проверено 4 мая 2013 г.
^ фон Мейер, Александра (2006). Электроэнергетические системы: концептуальное введение . Wiley-IEEE Press. п. 186. ИСБН 0471178594 .
^ «Влияние распределенной генерации на качество электроэнергии: влияние на регулирование напряжения в установившемся режиме»: 7. CiteSeerX 10.1.1.202.5283 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Турицын, Константин С. (2010). «Статистика падения напряжения в радиальных распределительных цепях: подход динамического программирования». arXiv : 1006.0158 [ math.OC ].
^ «Влияние распределенной генерации на профиль напряжения в нерегулируемой распределительной системе» (PDF) . п. 6 . Проверено 5 мая 2015 г.
^ «Обновление экранов межсоединений для интеграции фотоэлектрической системы» (PDF) . п. 20 . Проверено 5 мая 2015 г.

[1] Генен, Туран (2012). Электрические машины с MATLAB(R) . ЦРК Пресс. п. 337. ИСБН 978-1-43-987799-9 .

[:0-2] Jump up to: ^а ^б Грейнджер, Джон Дж. и Уильям Д. Стивенсон (1994). Анализ и проектирование энергетических систем . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 196–214. ISBN 978-0070612938 .

[3] фон Мейер, Александра (2006). Электроэнергетические системы: концептуальное введение . Wiley-IEEE. стр. 184–188. ISBN 0471178594 .

[4] «Статья Greentechmedia о сетевом датчике коррекции напряжения» . Проверено 4 мая 2013 г.

[5] фон Мейер, Александра (2006). Электроэнергетические системы: концептуальное введение . Wiley-IEEE Press. п. 186. ИСБН 0471178594 .

[6] «Влияние распределенной генерации на качество электроэнергии: влияние на регулирование напряжения в установившемся режиме»: 7. CiteSeerX 10.1.1.202.5283 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[7] Турицын, Константин С. (2010). «Статистика падения напряжения в радиальных распределительных цепях: подход динамического программирования». arXiv : 1006.0158 [ math.OC ].

[8] «Влияние распределенной генерации на профиль напряжения в нерегулируемой распределительной системе» (PDF) . п. 6 . Проверено 5 мая 2015 г.

[9] «Обновление экранов межсоединений для интеграции фотоэлектрической системы» (PDF) . п. 20 . Проверено 5 мая 2015 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]