Эволюция управления напряжением и потоками реактивной мощности в электрических сетях систем электроснабжения

3

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра СЭСП

ШЕВЦОВ Дмитрий Евгеньевич

ЭВОЛЮЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ И ПОТОКАМИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Реферат по специальности 05.14.02 – «Электростанции и электроэнергетические системы»

к экзамену кандидатского минимума по дисциплине

«ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ НАУКИ»

Научный руководитель

              кандидат технических наук,

              доцент Д. А. Павлюченко

НОВОСИБИРСК

2011
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ              3

1. КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ SMART GRID              4

2. традиционное Регулирование напряжения и управление потоками реактивной мощности              9

2.1. Управление потоками реактивной мощности              9

2.2. Регулирование напряжения              11

3.интеллектуальное Регулирование напряжения и управление потоками реактивной мощности               14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ              17

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ              18

ВВЕДЕНИЕ

За последние десятилетия к задаче управления напряжением и реактивной мощностью проявляют значительный интерес.

В 80-х гг. и в начале 90-х гг., электроснабжающие компании видели управление напряжением и реактивной мощностью как эффективный способ уменьшения потерь электрической энергии и снижения пиковой мощности потребления. Для компаний тех дней, меньшая величина пиковой мощности означала строительство меньших централизованных генерирующих мощностей, а уменьшение электрических потерь – получение большей прибыли.

В 1990-х годах, во времена экономического упадка, стал возникать вопрос о том «Кто извлекает пользу?» от совершенствования системы управления напряжением и реактивной мощностью. Во многих случаях развитие регулирования напряжения и управления потоками реактивной мощности не создавало существенного экономического эффекта, который можно выразить в отсрочке строительства новых источников генерации или в увеличении прибыли. Как результат, интерес к развитию систем управления напряжением и реактивной мощностью резко упал в течение этого времени.

Современная концепция Smart Grid придала особое значение необходимости повышения энергоэффективности электрических сетей, более полному использованию основных сетевых активов. В результате, эта концепция «возродила» интерес к управлению напряжением и реактивной мощностью, как к эффективному механизму достижения целей Smart Grid [10].

1. КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ SMART GRID

В настоящее время проблема создания интеллектуальной сети в мировом энергетическом сообществе занимает особое место. В энергетических компаниях США и Западной Европы внедряются проекты с применением элементов Smart Grid. Подобные пилотные проекты существуют и в России, хотя пока это направление не получило широкого распространения [1]. Независимо от своего местоположения крупные компании, работающие в электроэнергетике, все чаще обращаются к идее Smart Grid как технологии, способной существенно повысить эффективность деятельности распределительного сетевого комплекса. В мире идет процесс накопления и систематизации информации, формирования принципов комплексного использования интеллектуальных технологических решений.

Обратимся к истории. Впервые термин Smart Grid встретился в тексте статьи одного из западных специалистов в 1998 г. [2]. В названии статьи этот термин был впервые использован Massoud Amin и Bruce F. Wollenberg в их работе [3]. Первые применения этого термина на Западе были связаны с чисто рекламными названиями специальных контроллеров, предназначенных для управления режимом работы и синхронизации автономных ветрогенераторов (отличающихся нестабильным напряжением и частотой) с электрической сетью. Потом этот термин стал применяться для обозначения микропроцессорных счетчиков электроэнергии, способных самостоятельно накапливать, обрабатывать, оценивать информацию и передавать ее по специальным каналам связи и даже через Интернет. Причем, сами по себе контроллеры синхронизации ветрогенераторов и микропроцессорные счетчики электроэнергии были разработаны и выпускались различными фирмами еще до появления термина Smart Grid. Это название возникло намного позже и вначале использовалось лишь в этих областях техники. В последние годы его использование расширилось на системы сбора и обработки информации, мониторинга оборудования в электроэнергетике [4].

Однозначной и общепринятой интерпретации этого термина пока не существует. В различных публикациях термин Smart Grid трактуется несколько по-разному, отражая в первую очередь взгляды и позиции основных заинтересованных и участвующих в развитии этого направления сторон в соответствии с их интересами. В качестве свободного перевода на русский язык существует несколько альтернативных определений понятия Smart grid: «интеллектуальная сеть», «умная сеть», «активно-адаптивная сеть».

Так, в соответствии с Европейской технологической платформой Smart Grid – это «электрические сети, удовлетворяющие требованиям энергоэффективного и экономичного функционирования энергосистемы за счет скоординированного управления и при помощи современных двусторонних коммуникаций между элементами электрических сетей, электрическими станциями, аккумулирующими источниками и потребителями» [5]; общую функционально-технологическую идеологию этой концепции, по-видимому, наиболее полно отражает сформулированное IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) определение Smart Grid как концепции полностью интегрированной, саморегулирующейся и самовосстанавливающейся электроэнергетической системы, имеющей сетевую топологию и включающей в себя все генерирующие источники, магистральные и распределительные сети и все виды потребителей электрической энергии, управляемые единой сетью автоматизированных устройств в режиме реального времени [6]; министерство энергетики США позиционирует Smart Grid как «полностью автоматизированную систему, обеспечивающую двусторонний поток электрической энергии и информации между энергообъектами повсеместно. Smart Grid за счет применения новейших технологий, инструментов и методов наполняет электроэнергетику знаниями, позволяющими резко повысить эффективность работы отрасли...» [7]. NETL (National Energy Technology Laboratory) определяет Smart Grid как совокупность организационных изменений, новой модели процессов, решений в области информационных технологий, а также инноваций в сфере АСУ ТП и диспетчерского управления в электроэнергетике [8] и т. д.

Для лучшего представления концепции Smart Grid ниже представлена сравнительная таблица современной электрической сети с так называемой интеллектуальной сетью (табл.1.1).

Таблица 1.1

Сравнение современной сети с интеллектуальной сетью

Ожидается, что в будущем генерирующие источники будут больше распределенными, чем концентрированными как сейчас. Это вызвано развитием нетрадиционных и возобнавляемых источников энергии, в первую очередь таких, как ветрогенераторы, солнечные фотоэлектрические системы, генераторы, работающие на биотопливе, приливные и волновые генераторы, генераторы, использующие тепло недр планеты и т.д. Характерной особенностью таких источников является их относительно небольшая мощность и нестабильность параметров генерируемой мощности. Очевидно, что для стабилизации параметров таких источников и их автоматической синхронизации с сетью необходимо достаточно «интеллектуальное» управляющее устройство.

Рис. 1.1. Древовидная структура современной сети

Традиционная электрическая сеть имеет древовидную структуру (рис. 1.1): электрическая энергия передается от централизованных источников генерации по магистральным и радиальным сетям к потребителям этой энергии. В большинстве случаев современные электрические сети состоят из радиальных линий с односторонним потоком энергии. Лишь в некоторых случаях электрические сети закольцованы. Согласно концепции Smart Grid будущая сеть уже не будет иметь древовидную структуру. Сеть будущего будет иметь замкнутую структуру (ее можно сравнить с сетью Internet) с множеством точек соединения (рис. 1.2), где потребитель электрической энергии может быть и производителем. Перетоки мощности по такой сети не будут строго детерминированными. Очевидно, что такая сложная неструктурированная сеть должна иметь мощную управляющую систему, согласовывающую между собой работу всех компонентов сети. Для этого все компоненты сети должны «общаться» друг с другом и с управляющим центром по специальным каналам связи.

Построение интеллектуальной сети позволит повысить надежность электроснабжения потребителей, сократить потери электроэнергии и расход энергоресурсов, снизить затраты на строительство и эксплуатацию линий электропередачи и подстанций, создать условия для сооружения объектов малой энергетики, в частности возобновляемой. Кроме того, интеллектуальная сеть будет способствовать экономии средств и ресурсов различных групп конечных потребителей электроэнергии, уменьшению вредных выбросов в атмосферу и снижению негативного воздействия на климат. Внедрение интеллектуальных сетей потребует всестороннего привлечения научно-технического потенциала и может стать локомотивом развития российских технологий.

Рис. 1.2. Замкнутая структура интеллектуальной сети

В качестве направлений развития «умных сетей», в основном выделяются три ключевых блока: системы учета и измерения; автоматизация распределительных сетей; управление сетью в целом [9]. Рассмотрим данные блоки более подробно.

- Системы учета и измерения (англ. Advanced Metering Systems). В основном к этому блоку относятся: микропроцессорные счетчики электроэнергии, устройства измерения параметров режима и т.д. Большинство проектов по Smart Grid начинается именно с внедрения так называемого Smart Metering (умного измерения).

- Автоматизация распределительных сетей (англ. Distribution Automation). Говоря о понятии «умная сеть», речь идет в первую очередь о сетях распределительных. Протяженность таких сетей, количество подключенных к ним потребителей, а соответственно, и количество проблем в распределительных сетях на порядок выше, чем в сетях передающих, а следовательно, именно распределительные сети играют важнейшую роль в обеспечении качественного и надежного электроснабжения потребителей. В качестве технических решений в этом блоке выделяют: устройства секционирования электрической сети (реклоузеры, выключатели нагрузки и т.д.), устройства автоматики подстанций, устройства управления потоками реактивной мощности и напряжением (продольная и поперечная компенсация, РПН) и т.д.

- Под управлением сетью в целом понимается программные комплексы, включающие в себя: модули расчета режимов, моделирование аварийных событий, системы поддержки принятия решений.

2. традиционное Регулирование напряжения и управление потоками реактивной мощности

В основном, регулирование напряжения и управление реактивной мощностью в распределительных сетях осуществляется при помощи РПН, ПБВ трансформаторов и регулируемых и нерегулируемых конденсаторных установок. Вышеперечисленные устройства используют измерения напряжения и тока непосредственно в месте установки. При этом управление напряжением и реактивной мощностью осуществляется раздельно друг от друга.

2.1. Управление потоками реактивной мощности

Первые исследования по анализу влияния реактивной мощности на параметры электрической сети, а так же по анализу возможностей ее управления начали появляться еще в 20-хх гг. XX века. Известный советский электротехник К. Круг в своей работе [14] проводил исследования особенностей и характеристик реактивной мощности.

Большинство электроприемников (двигатели, электромагнитные устройства, осветительное оборудование и др.), а также средства преобразования электроэнергии (трансформаторы, различные типы преобразователей), в силу своих физических свойств требуют для работы кроме активной энергии, однонаправлено поступающей из сети в электроприемник, некоторой реактивной мощности (РМ), которая в течение половины периода основной частоты сети направлена в сторону электроприемника, а в другую половину периода – в обратную сторону. Несмотря на то, что на выработку РМ, активная мощность, а следовательно, и топливо непосредственно не расходуется, ее передача по сети вызывает затраты активной энергии, которые покрываются активной энергией генераторов. Кроме того, передача РМ дополнительно загружает электрические сети силовые трансформаторы, отнимая некоторую часть их пропускной способности. В то же время, реактивная энергия может производиться непосредственно на месте потребления. Подобная практика широко распространена во всем мире и известна под термином «компенсация реактивной мощности» (КРМ) – одного из наиболее эффективных средств обеспечения рационального использования электроэнергии [11].

Таким образом, уменьшение потерь активной энергии, обусловленных перетоками РМ, является одним из основных энергосберегающих мероприятий для системы электроснабжения, существенно влияющим на уровень технологических транспортных потерь распределительных сетей.

В общем случае для КРМ применяются синхронные компенсаторы, синхронные электродвигатели и конденсаторные установки (КУ).

Синхронные компенсаторы представляют собой специальные синхронные машины, предназначенные только для выработки или потребления реактивной мощности. Так как они предназначены лишь для работы на холостом ходу, то их конструкция является облегченной по сравнению с другими синхронными машинами.

Синхронные электродвигатели получили широкое распространение при требуемой мощности электропривода более 300 Вт, как более экономичные. Работают в режиме перевозбуждения, являясь источниками реактивной мощности.

Конденсаторные установки широко применяются для компенсации реактивной мощности в электрических сетях системах электроснабжения. Из всех КУ 20 % установлены в электрических сетях энергосистемы, а 80 % – в СЭС промышленных предприятий.