Контроль напряжения и управление реактивной мощностью

Контроль напряжения и управление реактивной мощностью — это два аспекта 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) происходит за счет производства или поглощения реактивной мощности ), поэтому в данной статье термин «управление напряжением » будет в первую очередь использоваться для обозначения этого, по сути, единственного вида деятельности, как предложено. Кирби и Херст (1997). ^[1] Управление напряжением не включает в себя подачу реактивной мощности в течение одного цикла переменного тока; они являются частью отдельной вспомогательной службы, так называемой службы стабильности системы. ^[1] Передача реактивной мощности ограничена по своей природе, поэтому регулирование напряжения осуществляется посредством элементов оборудования, распределенных по всей электросети, в отличие от регулирования частоты , основанного на поддержании общего баланса активной мощности в системе. ^[2]

Необходимость контроля напряжения

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

оборудование электросети рассчитано на узкий диапазон напряжений, как и энергопотребляющее оборудование на стороне потребителя. Работа за пределами этого диапазона приведет к выходу оборудования из строя;
реактивная мощность вызывает нагрев генераторов и линий электропередачи, температурные ограничения потребуют ограничения производства и потока реальной ( активной ) мощности;
Подача реактивной мощности в линии электропередачи приводит к потерям, которые приводят к потере мощности, вызывая увеличение мощности, подаваемой первичным двигателем .

Использование специализированных устройств контроля напряжения в сети также улучшает стабильность энергосистемы за счет уменьшения колебаний угла поворота ротора ( синхронного генератора вызываемых генераторами, вырабатывающими или поглощающими реактивную мощность). ^[3]

Силовые шины и системы, которые демонстрируют большие изменения напряжения при изменении условий реактивной мощности, называются слабыми системами , а те, которые имеют относительно меньшие изменения, являются сильными (численно сила выражается как коэффициент короткого замыкания, который выше для более сильных систем). ). ^[4]

Поглощение и производство реактивной мощности

Устройства поглощают реактивную энергию, если они имеют запаздывающий коэффициент мощности ( подобны индукторам ), и производят реактивную энергию, если они имеют опережающий коэффициент мощности (подобны конденсаторам ).

Блоки электросетевого оборудования обычно либо поставляют, либо потребляют реактивную мощность: ^[5]

Синхронный генератор будет обеспечивать реактивную мощность при перевозбуждении и поглощать ее при недовозбуждении с учетом ограничений кривой мощности генератора .
Трансформаторы всегда поглощают реактивную мощность.
Линии электропередачи будут либо поглощать, либо обеспечивать реактивную мощность: воздушные линии электропередачи будут обеспечивать реактивную мощность при низкой нагрузке, но по мере того, как нагрузка превышает импульсное сопротивление линии, линии начинают потреблять все большее количество реактивной мощности. Подземные линии электропередачи являются емкостными, поэтому они нагружены ниже импульсного сопротивления и обеспечивают реактивную мощность.
Электрические нагрузки обычно поглощают реактивную мощность, ^[6] с коэффициентом мощности для типовых приборов от 0,65 (бытовая техника с электродвигателями, например стиральная машина ) до 1,0 (чисто резистивная нагрузка, например лампы накаливания ). ^[7]

В типичной электрической сети основу регулирования напряжения обеспечивают синхронные генераторы. Эти генераторы оснащены автоматическими регуляторами напряжения, которые регулируют поле возбуждения , поддерживая напряжение на клеммах генератора в заданном диапазоне. ^[6]

Задача дополнительной компенсации реактивной мощности (также называемой компенсацией напряжения ) возлагается на компенсирующие устройства : ^[6]

пассивные (постоянно подключенные или коммутируемые) поглотители реактивной мощности (например, шунтирующие реакторы , по конструкции похожие на трансформаторы, с одной обмоткой и железным сердечником). ^[8]). Шунтирующий реактор обычно подсоединяется к концу длинной линии электропередачи или слабой системы, чтобы предотвратить перенапряжение при небольшой нагрузке ( эффект Ферранти ); ^[9]
пассивные источники реактивной мощности (например, шунтирующие или последовательные конденсаторы ).
- Шунтирующие конденсаторы используются в энергосистемах с 1910-х годов и популярны из-за низкой стоимости и относительной простоты установки. Величина реактивной мощности, подаваемой шунтирующим конденсатором, пропорциональна квадрату сетевого напряжения, поэтому вклад конденсатора меньший в условиях низкого напряжения (часто вызванного недостатком реактивной мощности). Это серьезный недостаток, поскольку подача реактивной мощности конденсатором падает, когда она больше всего необходима; ^[10]
- Последовательные конденсаторы используются для компенсации индуктивного реактивного сопротивления нагруженных воздушных линий электропередачи. Эти устройства, подключаемые последовательно к силовым проводникам, обычно используются для снижения потерь реактивной мощности и увеличения количества активной мощности, которая может быть передана по линии, с подачей реактивной мощности с саморегулированием (подача случайно увеличивается с более высокой нагрузкой) является второстепенным фактором; ^[11] Напряжение на последовательном конденсаторе обычно низкое (в пределах диапазона регулирования сети, несколько процентов от номинального напряжения), поэтому его конструкция относительно дешева. Однако в случае короткого замыкания на стороне нагрузки конденсатор будет кратковременно подвергаться воздействию полного сетевого напряжения, поэтому предусмотрены схемы защиты, обычно включающие искровые разрядники , ZnO варисторы и переключатели; ^[12]
активные компенсаторы (например, синхронные конденсаторы , статические компенсаторы реактивной мощности , статические синхронные компенсаторы, которые могут быть либо источниками, либо потребителями реактивной мощности;
регулирующие трансформаторы (например, переключающие трансформаторы).

Пассивные компенсационные устройства могут быть постоянно прикреплены или переключаться (подключаться и отключаться) вручную, с использованием таймера, или автоматически на основе данных датчиков. ^[13] Активные устройства по своей природе являются самонастраивающимися. ^[9] Трансформаторы РПН с функцией переключения под нагрузкой (ULTC) можно использовать для прямого управления напряжением. Работа всех переключающих трансформаторов в системе должна быть синхронизирована между трансформаторами. ^[14] и с применением шунтирующих конденсаторов. ^[15]

Из-за локализованного характера баланса реактивной мощности стандартным подходом является локальное управление реактивной мощностью (децентрализованный метод). Распространение микросетей может сделать гибкий централизованный подход более экономичным. ^[16]

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 немедленно увеличить нагрузку на некоторые из оставшихся линии электропередачи. Особенность воздушных линий электропередачи заключается в том, что по мере увеличения нагрузки линии начинают потреблять все большее количество реактивной мощности, которую необходимо заменить. Таким образом, крупная система передачи требует резервов реактивной мощности точно так же, как ей необходимы резервы реальной мощности . ^[17] Поскольку реактивная мощность не передается по проводам так же, как активная мощность, ^[18] есть стимул концентрировать свое производство вблизи нагрузки. Реструктуризация электроэнергетических систем выводит этот участок энергосистемы из-под контроля объединенной энергосистемы , поэтому тенденция заключается в том, чтобы переложить проблему на потребителя и потребовать, чтобы нагрузка работала с коэффициентом мощности , близким к единице . ^[19]

См. также

Активное управление сетью

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Кирби и Херст 1997 , с. 1.
^ Кундур 1994 , с. 627.
^ Хан 2022 , с. 295.
^ Шива Кумар, Швейцария; Маллешам, Г. (2020). «Внедрение UPQC на основе ANN для улучшения качества электроэнергии в гибридной зеленой энергетической системе». Энергетические системы, приводы и автоматизация: материалы ESDA 2019 . Спрингер Природа. п. 16. дои : 10.1007/978-981-15-5089-8_2 . eISSN 1876-1119 . ISSN 1876-1100 .
^ Кундур 1994 , стр. 627–628.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Кундур 1994 , с. 628.
^ Кундур 1994 , стр. 631–632.
^ Кундур 1994 , с. 630.
^ Jump up to: ^а ^б Кундур 1994 , с. 629.
^ Кундур 1994 , с. 631.
^ Кундур 1994 , стр. 633–634.
^ Кундур 1994 , стр. 635–637.
^ Кундур 1994 , стр. 629–638.
^ Кундур 1994 , с. 678.
^ Кундур 1994 , с. 633.
^ Хан 2022 , стр. 292–293.
^ Кирби и Херст 1997 , стр. 1–2.
^ Ибрагимзаде и Блаабьерг 2017 , стр. 119.
^ Кирби и Херст 1997 , с. 2.

Источники

Кирби, Брендан Дж.; Херст, Эрик (1997). Подробности о вспомогательных услугах: Контроль напряжения (ORNL/CON-453) (PDF) . Ок-Ридж, Теннесси : Национальная лаборатория Ок-Ридж .
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.). «Регулирование реактивной мощности и напряжения» (PDF) . Стабильность и контроль энергосистемы . Макгроу-Хилл Образование. стр. 627–687. ISBN 978-0-07-035958-1 . ОСЛК 1054007373 .
Хан, Басим (2022). «Управление реактивной мощностью в активной распределительной сети». Активная электрораспределительная сеть . Эльзевир. стр. 287–301. дои : 10.1016/B978-0-323-85169-5.00005-8 .

[FOOTNOTEKirbyHirst19971-1] Jump up to: ^а ^б ^с Кирби и Херст 1997 , с. 1.

[FOOTNOTEKundur1994627-2] Кундур 1994 , с. 627.

[FOOTNOTEKhan2022295-3] Хан 2022 , с. 295.

[Siva_KumarMallesham2020-4] Шива Кумар, Швейцария; Маллешам, Г. (2020). «Внедрение UPQC на основе ANN для улучшения качества электроэнергии в гибридной зеленой энергетической системе». Энергетические системы, приводы и автоматизация: материалы ESDA 2019 . Спрингер Природа. п. 16. дои : 10.1007/978-981-15-5089-8_2 . eISSN 1876-1119 . ISSN 1876-1100 .

[FOOTNOTEKundur1994627–628-5] Кундур 1994 , стр. 627–628.

[FOOTNOTEKundur1994628-6] Jump up to: ^а ^б ^с Кундур 1994 , с. 628.

[FOOTNOTEKundur1994631–632-7] Кундур 1994 , стр. 631–632.

[FOOTNOTEKundur1994630-8] Кундур 1994 , с. 630.

[FOOTNOTEKundur1994629-9] Jump up to: ^а ^б Кундур 1994 , с. 629.

[FOOTNOTEKundur1994631-10] Кундур 1994 , с. 631.

[FOOTNOTEKundur1994633–634-11] Кундур 1994 , стр. 633–634.

[FOOTNOTEKundur1994635–637-12] Кундур 1994 , стр. 635–637.

[FOOTNOTEKundur1994629–638-13] Кундур 1994 , стр. 629–638.

[FOOTNOTEKundur1994678-14] Кундур 1994 , с. 678.

[FOOTNOTEKundur1994633-15] Кундур 1994 , с. 633.

[FOOTNOTEKhan2022292–293-16] Хан 2022 , стр. 292–293.

[FOOTNOTEKirbyHirst19971–2-17] Кирби и Херст 1997 , стр. 1–2.

[FOOTNOTEIbrahimzadehBlaabjerg2017119-18] Ибрагимзаде и Блаабьерг 2017 , стр. 119.

[FOOTNOTEKirbyHirst19972-19] Кирби и Херст 1997 , с. 2.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]