Регулирование потоков реактивной мощности в линиях электрической сети высокого напряжения — это важная задача для обеспечения стабильной и эффективной работы электрических систем.
Реактивная мощность, в отличие от активной, не выполняет полезную работу, но она необходима для поддержания напряжения в сети и нормального функционирования оборудования, такого как трансформаторы и двигатели. Однако чрезмерные потоки реактивной мощности могут привести к нежелательным потерям и снижению эффективности электрическо сети.
Чрезмерные потоки реактивной мощности могут перегружать линии электропередач, что приводит к дополнительным потерям мощности и снижению пропускной способности сети.
Несбалансированная реактивная мощность может вызвать колебания напряжения, что негативно влияет на работу оборудования и может привести к его выходу из строя.
Потери энергии в сети увеличиваются при высоких потоках реактивной мощности, особенно в длинных линиях электропередач.
Баланс реактивной мощности в сети
Устойчивый закон распределения напряжений в узлах сети возможен только при условии равенства генерируемой и потребляемой в ней реактивной мощности.
Любое нарушение баланса реактивной мощности приводит к изменению закона распределения напряжений в узлах сети. Поскольку в каждом узле сети напряжение должно находиться в пределах допустимых отклонений от номинального, то при изменении потребления реактивной мощности нужно приводить в соответствие и ее генерацию.
В ночной провал графика нагрузки электрической системы потребление реактивной мощности уменьшается примерно до 70 % ее активной мощности, что приводит к нарушению баланса реактивной мощности в сторону превышения генерации над потреблением. Это вызывает повышение уровня напряжения в узлах сети.
Для понижения его до номинального значения некоторые компенсирующие устройства отключают, а некоторые переводят в режим уменьшения генерации.
Если при отключении части компенсирующих устройств уровень напряжения в узлах превышает номинальный, то прибегают к искусственному повышению потребления реактивной мощности, переводя в этот режим оставшуюся часть компенсирующих устройств.
В настоящее время установившиеся режимы электрических сетей стремятся оптимизировать по критерию минимума потерь, сопровождающих передачу электрической энергии.
Поскольку потоки реактивной мощности любого направления, передаваемые по линиям, всегда приводят к увеличению потерь, необходимо стремиться к их оптимальному ограничению, исходя из минимума приведенных затрат и условий устойчивости.
Для оптимизации потоков реактивной мощности в линиях следует устанавливать в узлах электрической сети регулируемые компенсирующие устройства, мощности которых соизмеримы с реактивными мощностями нагрузок этих узлов.
Регулируя режим работы компенсирующих устройств в соответствии с характером изменения реактивной мощности нагрузок в узлах сети, можно добиться минимума потерь, сопровождающих передачу электрической энергии от источников к потребителям.
Таким образом, проблема оптимизации потоков реактивной мощности в линиях электрической сети самым непосредственным образом связана с решением задачи синтеза эффективных регуляторов ее источников.
Смотрите - Продольная компенсация реактивной мощности - физический смысл и техническая реализация
Источники реактивной мощности
Источниками реактивной мощности в электрической системе являются:
- генераторы электростанций,
- линии электропередачи напряжением 110 кВ и выше,
- синхронные двигатели (СД), работающие в режиме перевозбуждения,
- синхронные компенсаторы (СК),
- батареи статических конденсаторов (БСК),
- управляемые конденсаторно-реакторные устройства, по отношению к которым утвердилась аббревиатура ИРМ (источник реактивной мощности).
Поскольку в этой статье описаны сетевые регуляторы, генераторы электростанций рассматриваться не будут. Не будут рассматриваться и линии электропередачи, поскольку их зарядная мощность, пропорциональная квадрату напряжения, в установившемся режиме не регулируется.
Синхронные двигатели в режиме перевозбуждения рассматривать также не будем не только в связи с тем, что они являются элементами нагрузки, а еще и потому, что возможности синхронных двигателей как источников реактивной мощности ограничены.
Эти ограничения обусловлены прежде всего тем, что при снижении напряжения, сопровождающем дефицит реактивной мощности в сети, уменьшается и реактивная мощность, генерируемая синхронными двигателями.
Например, при снижении напряжения на зажимах статора синхронного двигателя относительно номинального на 10 % генерируемая им реактивная мощность уменьшается на 20 %.
Рассмотрим синхронные компенсаторы (СК), батареи статических конденсаторов (БСК) и управляемые конденсаторно-реакторные устройства (ИРМ).
Синхронный компенсатор (СК) представляет собой синхронный двигатель с ротором облегченной конструкции. В соответствии с V-образными характеристиками в режиме перевозбуждения он генерирует реактивную мощность, а в режиме недовозбуждения ее потребляет.
Поскольку основным режимом СК является режим генерации, то в этом режиме определяется его номинальная мощность. Номинальная мощность синхронного компенсатора чаще всего равна 10 и 16 MBА при напряжении 6,3 — 10,5 кВ; 25, 32, 50, 100 MBА при напряжении 10,5 кВ и 150 MBА при напряжении 15 кВ.
Синхронный компенсатор, работающий в режиме недовозбуждения или без возбуждения, может потребить реактивную мощность не более 40 — 50 % от номинальной, а в режиме отрицательного возбуждения — порядка 65 %.
Значение и знак реактивной мощности синхронного компенсатора стремятся выбирать из условия поддержания желаемого уровня напряжения на шинах потребителя, который в свою очередь определяют из условия минимума потерь, оптимизируя потоки реактивной мощности в линиях сети.
Режим работы синхронного компенатора определяется значением и знаком его тока возбуждения, поэтому регуляторы мощности синхронных компенаторов являются одновременно и регуляторами возбуждения.
Основным недостатком синхронных компенсаторов является наличие вращающихся частей, а также сложных систем смазки и охлаждения, требующих такого же обеспечения и квалификации обслуживания, как и генераторы станций, что в условиях эксплуатации сетей обеспечить гораздо труднее.
Авария находящегося в работе синхронного компенсатора большой мощности при отсутствии резерва вызывает тяжелые последствия в энергосистеме. Поэтому во многих странах отказываются от использования синхронных компенсаторов, заменяя их статическими конденсаторно-реакторными устройствами типа ИРМ.
Работает устройство ИРМ следующим образом. Если тиристоры заперты, то в сеть генерируется полная мощность конденсаторной батареи.
По мере увеличения угла отпирания тиристоров часть мощности конденсаторной батареи будет потребляться реактором.
При номинальном напряжении в сети тиристоры открываются полностью, и вся мощность батареи будет расходоваться на компенсацию мощности реактора.
Если реактор выполнить насыщающимся, для которого характерно, что при увеличении напряжения сети выше номинального резко возрастает потребление им реактивной мощности, то по функциональным возможностям устройства ИРМ сравниваются с синхронными компенсаторами при гораздо более высокой надежности, более высоком быстродействии, более простом обслуживании и более чем в полтора раза низкой стоимости.
Для уменьшения уровня высших гармоник, генерируемых в сеть при углах отпирания тиристоров, не равных нулю или 180°, используются фильтры.
В зарубежной литературе конденсаторно-реакторные устройства (ИРМ) часто относят к FACTS (Flexible AC Transmission Systems).
FACTS (Flexible AC Transmission Systems) представляют собой современный класс устройств, предназначенных для активного управления потоками реактивной мощности в электрических сетях.
Одним из наиболее распространенных представителей FACTS является STATCOM (Static Synchronous Compensator). Это устройство позволяет регулировать напряжение в сети, генерируя или поглощая реактивную мощность в зависимости от потребностей электрической системы.
Благодаря высокоскоростной электронике, STATCOM может быстро реагировать на изменения в сети, стабилизируя напряжение и обеспечивая необходимую поддержку при внезапных изменениях нагрузки.
Другой важный элемент в составе FACTS — это SVC (Static Var Compensator). Он также используется для управления реактивной мощностью и поддержания стабильного напряжения в сети.
SVC состоит из управляемых реакторов и конденсаторов, что позволяет ему гибко адаптироваться к изменениям потребления и генерации мощности в реальном времени.
Это устройство особенно эффективно в ситуациях, когда требуется быстрое реагирование на колебания нагрузки, таких как пиковые моменты потребления или внезапные отключения оборудования.
Еще одним значимым компонентом FACTS является UPFC (Unified Power Flow Controller).
UPFC — это комплексное устройство, которое сочетает в себе функции управления как активной, так и реактивной мощностью. Оно способно изменять как величину, так и направление потоков мощности в сети, что позволяет значительно повысить эффективность передачи энергии и снизить потери.
UPFC предоставляет возможность гибкого распределения мощности между различными участками сети, обеспечивая более эффективное использование существующей инфраструктуры и снижая потребность в строительстве новых линий электропередачи.
Совокупность устройств FACTS обеспечивает электрическим сетям высокую степень контроля над параметрами сети, позволяя оперативно реагировать на изменения, возникающие в результате колебаний нагрузки, аварийных ситуаций или других факторов.
Батареи статических конденсаторов
В нашей стране управляемые конденсаторно-реакторные устройства (ИРМ) еще не получили широкого распространения, поэтому в узлах сети, в которых расчетная мощность компенсирующего устройства меньше минимальной мощности синхронного компенсатора, ПУЭ рекомендует устанавливать батареи статических конденсаторов (БСК).
Схемы батарей статических конденсаторов, как правило, синтезируют соединением конденсаторов в треугольник. Для увеличения мощности, генерируемой батареей статических конденсаторов, и для ее ступенчатого регулирования плечи треугольника реализуют в виде параллельного соединения конденсаторов одного номинала напряжения.
Для повышения напряжения, которое можно приложить к батарее статических конденсаторов, конденсаторы соединяют последовательно.
Конденсаторы для БСК выпускают как в однофазном, так и в трехфазном исполнении на напряжение от 0,22 до 10 кВ со шкалой номинальных мощностей от 4,5 до 75 квар.
Регуляторы мощности батарей статических конденсаторов
В случаях, когда по условиям эксплуатации не требуется перевод источников реактивной мощности в режим ее потребления, целесообразно использовать батареи статических конденсаторов (БСК).
Даже такой простой алгоритм функционирования БСК, как включение в режиме максимума и отключение в режиме минимума нагрузки сети, позволяет снизить потери мощности в линиях сети за счет уменьшения перетоков реактивной мощности по ним.
Еще более высокие экономические показатели работы распределительных сетей можно получить при автоматическом регулировании мощности БСК.
Автоматическое регулирование батарей статических конденсаторов может осуществляться:
- по времени суток;
- по уровню напряжения;
- по току нагрузки;
- по коэффициенту мощности;
- по значению и направленно реактивной мощности;
- по комбинированным законам, среди которых особо следует выделить регулирование по напряжению с коррекцией по току.
Современные системы управления позволяют автоматически включать и отключать конденсаторные батареи в зависимости от текущих условий сети, что помогает поддерживать оптимальные параметры напряжения и минимизировать потери энергии.
Важным элементом является постоянный мониторинг состояния БСК и диагностика возможных неисправностей, что позволяет своевременно реагировать на изменения в сети и предотвращать аварийные ситуации.