CC BY
106
УДК 621.311.019 ББК 3211
Н.М. ЕРМОЛАЕВА, НА. КОКОРЕВ, В. А. ЩЕДРИН
АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ТРАНСФОРМАТОРНЫМИ СВЯЗЯМИ
Ключевые слова: система электроснабжения, автотрансформатор, вольтодоба-вочный трансформатор, схема замещения, оптимизация режима.
Функционирование современных распределительных электросетевых комплексов систем электроснабжения (СЭС) характеризуется высокой плотностью передаваемой электроэнергии (мощности) как в нормальных, так и в аварийных режимах. Постепенно формируются интеллектуальные распределительные сети, изменяющие существующую иерархическую структуру на сложно-разветвлённую, когда крупные электростанции и мощные узлы нагрузок всё в большей мере сочетаются с множеством маломощных (альтернативных) источников энергии и нагрузок. Построение таких комплексов подразумевает внедрение нового и совершенствование эксплуатируемого силового оборудования, а также современных технологий передачи и распределения электроэнергии. Идёт интенсивная работа по созданию средств технологического управления режимами сетей путём использования специализированных коммуникационных, информационных, микропроцессорных устройств и комплексов релейной защиты и автоматизации, которые в перспективе станут центрами обработки информации и воздействия на силовые элементы. В статье рассматривается применение вольтодобавочного трансформатора (ВДТ) для регулирования напряжения и оптимизации режимов работы сложно-замкнутых сетей, построена его модель с автотрансформатором (АТ) для расчётов на ЭВМ и проиллюстрирована эффективность использования данного средства регулирования на примере конкретной системы электроснабжения.
Развитие распределительного электросетевого комплекса связано в первую очередь с решением задач обеспечения качества напряжения в узлах СЭС и оптимизации распределения потоков мощности по критерию минимума потерь мощности и затрат на производство и передачу электроэнергии (ЭЭ).
Отметим, что в нынешних рыночных условиях комплексная задача экономичного распределения активных и реактивных мощностей в неоднородных замкнутых сетях не находит своего разрешения, что влечет за собой нерациональное распределение мощностей и рост потерь электроэнергии. Рост потерь связан с передачей значительных потоков реактивной мощности по сетям от источников и нарушением устойчивости энергосистем в виде лавины напряжения.
Стоимость ЭЭ и мощности на оптовом рынке определяется не только потерями мощности, но и степенью загрузки наиболее экономных электрических станций. Чтобы снизить потери ЭЭ и обеспечить оптимальное распределение активных и реактивных мощностей передаваемых по электрическим сетям разных уровней напряжений, надо осуществлять принудительное потоко-распределение в сложно-разветвленных неоднородных сетях. Следует отметить, что оптимизация требуется как в нормальных, так и в послеаварийных режимах, когда некоторые линии электропередач выводятся в ремонт и топология схемы меняется.
Зарубежный опыт [5,8-10] показывает, что проблемы отклонения и колебаний напряжения при изменениях нагрузки целесообразно решать не столько
расширением возможности работы агрегатов станций с переменной нагрузкой, сколько выравниванием её графиков. Последнее осуществляется эффективно при наличии мощных накопителей ЭЭ, причем этот вопрос особенно актуален при массовом внедрении альтернативных источников со случайными графиками нагрузки. Поэтому требуются более эффективные и достаточно простые методы управления потокораспределением в замкнутых неоднородных сетях.
Одним из простых и эффективных способов, позволяющих поддерживать оптимальные напряжения в узлах нагрузки и оптимизировать режимы работы неоднородных сетей, является применение ВДТ с продольно-поперечным регулированием коэффициента трансформации. Он применяется наряду с современными устройствами силовой электроники: FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems) - гибкие системы передачи переменного тока; СТАТКОМ - статический компенсатор реактивной мощности; СКРМ -статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности; ФПУ - фазо-поворотное устройство и т.д. [1, 4].
В исследуемой системе ВДТ установлен в нейтраль автотрансформатора (рис. 1). Первичная обмотка ВДТ (обмотка возбуждения) питается от шин низшего напряжения подстанции и соединена в треугольник (А). Вторичная обмотка подключена со стороны общих нейтральных выводов АТ, соединена в звезду (Y) и снабжена ответвлениями для регулирования напряжения.
Однолинейная схема включения для одной фазы вольтодобавочного трансформатора в нейтраль автотрансформатора приведена на рис. 2. На этой схеме приняты следующие обозначения: иТВ, иТС, иТН - напряжения высшей, средней и низшей обмоток автотрансформатора без учёта регулирования напряжения; /ТВ, 1ТС, 1ТН - токи высшей, средней и низшей обмоток автотрансформатора без учёта регулирования; £/В,р, £/С,р, иН,р - напряжения на выводах
высшей, средней и низшей обмоток автотрансформатора с учётом регулирования напряжения; 1Р, иР, ZР - ток, напряжение и сопротивление обмотки регулирования вольтодобавочного трансформатора; кт,в_н, кт,в-с, кт,с_н, квдт - коэффициенты трансформации между обмотками АТР и коэффициент трансформации ВДТ; ZТв, £ТС, ZТН - сопротивления высшей, средней и низшей обмоток автотрансформатора.
£ ТВ
—О--ГГ0-
и Л1Н ЦЗ ^т,в-с|У
гХ I-1
/2Г -' кт,с-н J ,
и Т
-ШН
2тС
иТ
кВДт '1Р
ВДТ
и р
и в
и с
Т0Г
Рис. 2. Однолинейная схема АТ с ВДТ в нейтрали
В зависимости от подаваемого напряжения на обмотки возбуждения (В) ВДТ в обмотках регулирования (Р) может наводиться продольная, поперечная или продольно-поперечная ЭДС. Следует отметить, что иТН = иНр.
При способе подачи напряжения к обмотке возбуждения, показанном на рис. 1 (на фазу А подаётся вектор напряжения иВА с обмотки низшего напряжения АТ, на фазу В - вектор напряжения иСВ, на фазу С - вектор напряжения ЦлС), имеет место продольно-поперечное регулирование напряжения, при котором добавочная ЭДС в обмотке высшего напряжения АТ сдвинута на +120° по отношению к основному напряжению.
Для анализа и расчёта режимов электрических систем и их оптимизации необходимо разработать эффективные модели исследования регулирующих устройств, которые можно использовать в различных ПВК.
С целью создания такой модели автотрансформатора с включённым в нейтраль ВДТ проанализируем схему рис. 2 и запишем следующие уравнения:
и В,р = и ТВ + и Р = [£„.,^30(и
-1А
ТН 1ТН ' ^ТН ) 1 ТВ
■ £- ТВ ] "
' итн ^Р ' ^Р ];
и С,р = и ТС + и Р =
к е
т,с-н
-ро
(и ТН 1 ТН ' ^ТН ) 1 ТС ' ^ТС ] "
-[кв,
иТН 1Р ' ^Р ];
(1)
I
I
ТС
1ТН _ кт,в-н ' е
1 30
' 1та + к ' е
--ТВ т,с-н
1 30
'1 ТС '
/Н,р _ кт,в-н ' е
j30
/та + к ' е
--ТВ т,с-н
j30 ' Т + к ' е- 190 ±-ТС + вдт
квдт ' е j (/ТВ + ТТС) •
(3)
(4)
Следует отметить, что при записи этих уравнений учитывается переход векторов через автотрансформатор с соединением обмоток высшего и низшего напряжений У/ А -11 (при переходе с высшего напряжения на низшее вектор напряжений поворачивается на +30°).
На основе уравнений (1)-(4) и при приведении параметров модели к напряжению средней ступени получаем следующие выражения для напряжений обмоток высшего и низшего напряжений с учётом регулирования:
(5)
(6)
и В,р - ис + ТТС ' —Сэ 1 ТВ ' 7 Вэ' и Н,р = иС + 1 ТС ' 7 Сэ - 1 ТН ' 7 Нэ,
где
7Сэ _ 7 тс
7' - 7
— Сэ _ —т
— Вэ -[—т
к - к
т,С-н т,в-^_ (к еЛ2°к — - — ) 1120 ^ вдтс Лт,с-н_тн —р/'
к + к е Лт,в-н ~ Лвдть
кт,с-н кт,в-н
кт,в-н + квдте
к - к т,в-н т,с-н
- 1120 у вдт
(квдте 1 кт,с-н 7тн 7р ) •
к + к е
т,с-н вдт е1120)' (к
1120
' (квдте1120кт,в-н—тн - — р )]*
(к + к е1120)' (к + к е
\"'т,в-н вдт > ч'^в-И вдт
7 Нэ - (кт,в-н ' кт,с-н ' 7тн + 7р ) '
,-1120)
-1120)'
кт,с-н к е вдт' -1120 7 Сэ
кт,в-н + к е вдт'" -1120 7 'Сэ
(7)
(8)
(9) (10)
На основании выражений (5) и (6) составляется схема замещения АТ с ВДТ при продольно-поперечном регулировании напряжения. Из выражений (7) и (8) следует, что эквивалентные сопротивления средней обмотки 7Сэ и 7 'Сэ имеют разные значения, поэтому в эквивалентную схему замещения АТ с ВДТ в нейтрали необходимо ввести активный элемент - ЭДС.
Таким образом, схема замещения имеет вид трёхлучевой звезды, изображённой на рис. 3.
тн — тн
-н. Е
и
Рис. 3. Эквивалентная схема замещения автотрансформатора с ВДТ в нейтрали АТ
I
I
в
7
I
I
к
Т.В-С
и
н
к
1
н
Т,С-Н
и
с
7
Параметры элементов этой схемы вычисляются по следующим выражениям:
Е н - (7 Сэ- 7сэ )(и Ср - и Нр)' (11)
7 Сэ
и к + к 1120
к - —■Вр - кт,в-н + квдте . (12)
^т,в-с ТТ' к + к еИ20 ' (12)
и Вр кт,с-н + квдте
— Вр
к - ^-_1_ (13)
-т,с-н и' (к + к е1120)е-130 '
Нр V т,с-н вдт '
Оптимизация потокораспределения в замкнутых сетях состоит в приведении естественного потокораспределения к экономическому, которому соответствует минимум потерь активной мощности [7]. Оптимизируемыми переменными при этом являются напряжения в узлах и коэффициенты трансформации. Изменение этих параметров приводит к изменению уравнительных мощностей, обусловленных разностями напряжений узлов в замкнутых неоднородных сетях. Таким образом, осуществляется экономическое потоко-распределение, соответствующее потокораспределению, которое имеет место в однородной сети при отсутствии уравнительных мощностей.
Современные программно-вычислительные комплексы (ПВК) средств расчёта и анализа электрических систем позволяют осуществлять оптимизацию режимов работы сетей в реальном времени.
Для решения таких задач требуется проводить серии расчётов установившихся нормальных, утяжелённых режимов электрических систем. Для расчёта указанных режимов в данной статье используется программный комплекс «КАБЕОБА» [6], разработанный на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Чувашского государственного университета. Этот комплекс предназначен для расчета установившихся режимов, структуры потерь мощности и электроэнергии в сложно-замкнутых электрических системах [2, 3]. Комплекс программ корректирует исходные нагрузки в узлах схемы замещения, а именно: учитывает потери, зависящие от погодных условий (на корону, от токов утечки через изоляторы воздушных линий, расход электроэнергии на плавку гололеда), зарядные мощности ЛЭП напряжением 500-110 кВ и потери холостого хода трансформаторов.
По разработанной модели АТ с ВДТ (рис. 3) и полученным выражениям (7), (9)-(13) рассчитаны эквивалентные параметры схемы замещения.
Для выполнения расчетов по оптимизации режимов по минимуму суммарных потерь активной мощности используется фрагмент реальной электроэнергетической системы, в которой присутствуют два АТ с ВДТ с продольно-поперечным регулированием. Учет продольно-поперечного регулирования напряжения приводит к появлению в схеме замещения комплексных коэффициентов трансформации. Схема замещения была составлена без приведения параметров к одной ступени напряжения и содержит участки с номинальными напряжениями 220 и 110 кВ. Модель может быть применена и при расчете с приведением параметров к одной ступени.
Оптимизация режимов требует выполнения серии расчетов.
1. Расчёт естественного потокораспределения при заданных коэффициентах трансформации.
2. Расчёт экономического потокораспределения (все реактивные сопротивления схемы принимаются равными нулю).
3. Расчёт потокораспределения в исследуемой схеме с разомкнутыми в точках потокораздела контурами (учитываются активные и реактивные сопротивления) и определение оптимальных коэффициентов трансформации.
4. Расчёт потокораспределения в исходной схеме с оптимальными коэффициентами трансформации.
Расчеты проведены для заданных коэффициентов трансформации, желаемых и рекомендованных (ближайших из возможных к установке) по программе КАБЕОБА для характерных режимов.
В таблице приведены суммарные потери мощности в исследуемой сети.
Потери мощности в системе, МВА
Режим Коэффициенты трансформации
заданный желаемый рекомендованный
№ 1 6,58 + j33,3 5,34 + j28,6 5,62 + j28,9
№ 2 15,4 + j58,6 13,6 + j58,9 15,0 + j60,8
Анализ результатов показывает, что при рекомендованных коэффициентах трансформации произошло снижение суммарных активных потерь мощности в режиме № 1 на 14,6% , а в режиме № 2 - на 2,6%. Это свидетельствует, что применение вольтодобавочных трансформаторов с продольно-поперечным регулированием повышает экономичность работы неоднородных замкнутых сетей.
Литература
1. Бушуев В.В., Кучеров Ю.Н. Инновационное развитие электроэнергетики России // Электро. 2016. № 4. С. 2-5.
2. Ермолаева Н.М., Злобина И.Г., Ковалев В.Г., Кокорев Н.А., Осипенко Г.А. Применение программного вычислительного комплекса к расчёту и анализу основных и утяжелённых режимов энергосистем // Региональная энергетика и электротехника: проблемы и решения: сб. науч. тр. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2014. Вып. X. С. 41-50.
3. Ермолаева Н.М., Кокорев Н.А., Осипенко Г.А., Щедрин В.А. Повышение надёжности и эффективности энергосистемы Чувашской Республики // Региональная энергетика и электротехника: проблемы и решения: сб. науч. тр. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2014. Вып. X. С. 51-59.
4. Кощеев Л.А., Шлайфштейн В.А. Об эффективности применения управляющих устройств в электрической сети // Электрические станции. 2005. № 12. С. 30-38.
5. Куро Ж. Современные технологии повышения качества электроэнергии при её передаче и распределении // Новости электротехники. 2005. № 1. С. 11-23.
6. Свидетельство № 2010614486 РФ. Программа расчёта установившихся режимов, структуры потерь мощности и электроэнергии в сложно-замкнутых электрических системах «NADEGDA» / Ермолаева Н.М., Щедрин В .А.; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 08.07.2010.
7. Холмский В.Г. Расчет и оптимизация режимов электрических сетей. М.: Высш. шк, 1975. 280 с.
8. Schwarz J. Recent developments in the European interconnected power system. Electra, 2001, no. 197, Aug.
9. Seitlinger W. Phase Shifting Transformers Discussion of Specific Characteristics. CIGRE, 1998, no. 12, p. 306.
10. Sweeney R., O'Donoghue P., Gaffney P., Stewart G. The specification and control of the phase shifting transformers for the enhanced interconnection between Northern Ireland and the Republic of Ireland. CIGRE, 2002, pp. 14-118.
ЕРМОЛАЕВА НАДЕЖДА МИХАЙЛОВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий имени А. А. Федорова, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (n.m.ermolaeva@mail.ru).
КОКОРЕВ НИКОЛАЙ АЛЕКСЕЕВИЧ - доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий имени А.А. Федорова, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (kokorev1952@yandex.ru).
ЩЕДРИН ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий имени А.А. Федорова, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (chedrin@chuvsu.ru).
N. ERMOLAEVA, N. KOKOREV, V. SHCHEDRIN ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF OPERATING MODES OF POWER SUPPLY SYSTEMS TRANSFORMER CONNECTIONS Key words: power supply system, autotransformer, booster transformer, equivalent circuit, optimization of regime.
The functioning of modern distribution grid complexes of power supply systems (PSS) is characterized by high density of the transmitted power both in normal and emergency modes. Smart grids are formed gradually. They change the existing hierarchical structure into the complex and branched one, when large power plants and powerful nodes of the loads are increasingly combined with a variety of low-power (alternative) energy sources and loads. The construction of these complexes means the implementation of a new equipment and improvement of power equipment being operated as well as modern technologies of power transmission and distribution. There is an intensive work to create means of technological controlling the modes of networks through the use of specialized communication, information, microprocessor devices and systems of relay protection and automation, which will become centers of information and power elements in prospect. The article discusses the use of booster transformer (BT) to regulate voltage and to optimize operation modes of hard-closed networks, its model having been constructed with an autotransformer (AT) for calculations on a computer, and the efficiency of this means of regulation is illustrated by an example of a particular supply system.
References
1. Bushuyev V.V., Kucherov Yu.N. Innovatsionnoye razvitiye elektroenergetiki Rossii [Innovative development of power generating industry of Russia]. Elektro [Elektro], 2016, no. 4, pp. 2-5.
2. Ermolayeva N.M., Zlobina I.G., Kovalev V.G., Kokorev N.A., Osipenko G.A. Primeneniye programmnogo vychislitelnogo kompleksa k raschetu i analizu osnovnykh i utyazhelennykh re-zhimov energosistem [Application of software computing complex to the calculation and analysis of the basic and weighted modes of power systems]. Regionalnaya energetika i elektrotekhnika: problemy i resheniya: sb. nauch. tr. [Regional power engineering and electrical engineering: problems and de-cions: collected papers, issue 10]. Cheboksary, Chuvash State Univesity Publ., 2014, pp. 41-50.
3. Ermolayeva N.M., Kokorev N.A., Osipenko G.A., Shchedrin V.A. Povysheniye nadezhnosti i effektivnosti energosistemy Chuvashskoy Respubliki [Increasing the reliability and energy efficiency of the power system of Chuvash Republic]. Regionalnaya energetika i elektrotekhnika: problemy i resheniya: sb. nauch. tr. [Regional power engineering and electrical engineering: problems and de-cions: collected papers, issue 10]. Cheboksary, Chuvash State Univesity Publ., 2014, pp. 51-59.
4. Koshcheyev L.A., Shlayfshteyn V.A. Ob effektivnosti primeneniya upravlyayushchikh ust-roystv v elektricheskoy seti [About the effectiveness of applying control devices in electric networks]. Elektricheskiye stantsii [Electrical stations], 2005, no. 12, pp. 30-38.
5. Kuro Zh. Sovremennyye tekhnologii povysheniya kachestva elektroenergii pri eye pere-dache i rasiredelenii [Modern technology of improving the quality of electric energy during its transmission and distribution]. Novosti elektrotekhniki [News in power generating industry], 2005, no. 1, pp. 11-23.
6. Svidetelstvo № 2010614486 RF. Programma rascheta ustanovivshikhsya rezhimov, struk-tury poter moshchnosti i elektroenergii v slozhno-zamknutykh elektricheskikh sistemakh «NADEG-DA» [Certificate No. 2010614486 of the Russian Federation. The program of calculation of the established modes, structure of power losses and electrical energy losses in hard-closed electrical systems "NADEGDA"] Ermolayeva N.M.. Shchedrin V.A.; zaregistrirovano v reyestre programm dlya EVM [Ermolaeva N. M. Shchedrin V. A.; registered in the register of computer programs]. 08.07.2010.
7. Kholmskiy V.G. Raschet i optimizatsiya rezhimov elektricheskikh setey [Calculation and optimization of modes of electrical networks. Textbook for high schools] Moscow, Vysshaya Shkola Publ., 1975, 280 p.
8. Schwarz J. Recent developments in the European interconhected power system. Electra, 2001, no. 197, Aug.
9. Seitlinger W. Phase Shifting Transformers Discussion of Specific Characteristics. CIGRE, 1998, no. 12, p. 306.
10. Sweeney R., O'Donoghue P., Gaffney P., Stewart G. The specification and control of the phase shifting transformers for the enhanced interconnection between Northern Ireland and the Republic of Ireland. CIGRE, 2002, pp. 14-118.
ERMOLAEVA NADEZHDA - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Power Industry named after A.A. Fedorov, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (n.m.ermolaeva@mail.ru).
KOKOREV NIKOLAY - Associate Professor, Department of Power Industry named after A.A. Fedorov, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (kokorev1952@yandex.ru).
SHCHEDRIN VLADIMIR - Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Power Industry named after A.A. Fedorov, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (chedrin@chuvsu. ru).
Ссылка на статью: Ермолаева Н.М., Кокорев Н.А., Щедрин В.А. Анализ и оптимизация режимов работы систем электроснабжения с трансформаторными связями // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 3. - С. 30-37.
