Использование устройства компенсации реактивной мощности статком в электроэнергетической системе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»



УДК 621.316.761.2

Использование устройства компенсации реактивной мощности СТАТКОМ в электроэнергетической системе

С. Н. Едемский,

Северный Арктический федеральный университет, Институт судостроения и морской арктической техники, доцент, кандидат технических наук

И. И. Пушкаренко,

ОАО НИПТБ «Онега», инженер-технолог

О. В. Тригуб,

ОАО ЦС «Звездочка», инженер-технолог

Гибкие (управляемые) линии электропередач переменного тока (FACTS), использующие элементы силовой электроники, повышают управляемость электроэнергетических систем. Устройства FACTS способны воздействовать на напряжение, фазовые сдвиги и сопротивления линий электропередач, а также потоки мощности в узлах энергосистем. Одним из основных устройств FACTS является статический синхронный компенсатор реактивной мощности (СТАТКОМ). В статье рассматривается возможность использования такого устройства в электроэнергетической системе на примере Архангельской области.

Ключевые слова: электроэнергетическая система, гибкие линии электропередач переменного тока (FACTS), СТАТКОМ.

Решение проблем современной электроэнергетики связано прежде всего со снижением потерь электрической энергии, повышением пропускной способности линий электропередач, демпфированием межсистемных колебаний, улучшением управляемости режимов системы и качества электроэнергии. Все эти проблемы наиболее остро ощущаются в электроэнергетической системе Архангельской области. Связано это прежде всего с большой протяжённостью воздушных и кабельных сетей, значительным расстоянием между узлами генерации энергии, отсутствием средств регулирования потоков мощности в энергосистеме. В результате энергосистема характеризуется значительными потерями электрической энергии (около 13 %), а также низким качеством напряжения, которое в некоторых узлах нагрузки существенно отличается от требований нормативных документов.

Решение этих проблем требует применения технических подходов, связанных с использованием устройств регулирования, основанных на современных достижениях силовой электроники. В этом случае целесообразно использовать принципы гибких (управляемых) линий электропередач FACTS (Flexible AC Transmission Systems) [1-4], которые позволяют решить многие из имеющихся проблем в энергосистеме Архангельской области.

Нашей задачей было проанализировать возможность применения для решения указанных задач одного из устройств технологии FACTS -статического синхронного компенсатора реактив-

ной мощности СТАТКОМ [5-6] и исследовать его способность воздействовать на режимы энергосистемы с целью перераспределения потоков мощностей электрической энергии с дальнейшей их оптимизацией, а также влияния этого устройства на улучшение показателей качества электрической энергии в узлах нагрузки системы. Выбор устройства СТАТКОМ для исследования режимов энергосистемы Архангельской области обусловлен не только техническими, но и экономическими аспектами. Если раньше энергия, генерируемая системой, направлялась в центральные районы страны, что приводило к существенному снижению уровня напряжения в узлах потребления электроэнергии в южных районах области, то в настоящее время в связи с удорожанием стоимости энергоносителей и их транспортирования более выгодным стало обеспечивать эти районы электроэнергией, приобретаемой по системе ФОРЭМ. В этом случае поступление энергии приводит к значительному повышению уровня напряжения в некоторых узлах нагрузки, особенно в южных районах области.

В этой ситуации применение устройства СТАТ-КОМ позволит обеспечить оптимальное воздействие на режимы энергосистемы, используя возможности компенсатора работать и в индуктивном, и в емкостном режимах. При этом учитывались и другие особенности компенсатора - быстродействие и точность регулирования, которые обеспечивают качество регулирования в динамических режимах.

основных потребителей электрической энергии. При этом рассматривались различные условия функционирования энергосистемы.

Проверка правильности принятия решения по размещению устройств компенсации реактивной мощности, выбора его параметров осуществлялась путём моделирования различных режимов в среде Matlab.

Схема исследуемой ЭЭС, представленная линиями электропередач напряжением 110/220 кВ, показана на рис. 1. Схема включает в себя три узла генерации энергии: СГ 1 - ЭЭС Архэнерго, СГ 2 - ЭЭС Вологдаэнерго, СГ 3 - Комиэнерго. Протяженность линий электропередач и напряжение в узлах системы указаны в табл. 1.

Анализ функционирования исследуемой ЭЭС проводился при отсутствии в ней средств компенсации реактивной мощности и при включении устройства СТАТКОМ в различных точках системы. Исследовались различные режимы работы энергосистемы при различных соотношениях мощностей узлов генерации (СГ1, СГ2, СГ3), различной мощности узлов потребления электрической энергии и мощности устройства компенсации.

Предварительный расчёт и анализ режимов работы ЭЭС позволили определить наиболее рациональные места установки устройства СТАТКОМ в районах:

- г. Коноша (В10);

- п. Двинской Березник (В6).

Именно в этих районах напряжение в сети существенно отличается от номинального значения. Кроме того, анализ перетоков мощности показал, что это наиболее рациональное размещение средств компенсации и регулирования реактивной мощности.

Мощность компенсатора СТАТКОМ при исследованиях принята равной значению 200 МВА.

Для примера в статье приводятся некоторые результаты исследования возможности установки устройства компенсации реактивной мощности СТАТКОМ в исследуемой ЭЭС для одного из его характерных режимов работы, который определен нагрузками потребления, указанными в табл. 2. В этом случае режимы работы энергосистемы харак-

Таблица 1

Параметры ЛЭП Архангельской области

ЛЭП Напряжение, кВ Протяженность, км

В1 - В6 (г. Архангельск - п. Двинской Березник) 110 280

В2 - В9 (г. Архангельск - п. Плесецк) 220 230

В9 - В10 (п. Плесецк - п. Коноша) 220 220

В10 - В4 (п. Коноша - г. Вологда) 220 350

В10 - В7 (п. Коноша - г. Вельск) 220 120

В7 - В8 (г. Вельск - г. Котлас) 220 260

В8 - В3 (г. Котлас - г. Сыктывкар) 220 350

В6 - В8 (п. Двинской Березник - г. Котлас) 110 320

В6 - В7 (п. Двинской Березник - г. Вельск) 110 250

Основной целью исследования являлось определение возможности применения устройства компенсации реактивной мощности СТАТКОМ в условиях Архангельской области, способности этого устройства воздействовать на перетоки активной и реактивной мощностей в линиях электропередач с дальнейшей оптимизацией режимов системы, а также способности этого устройства стабилизировать уровень напряжения в основных узлах потребителей электроэнергии.

Предварительные расчёты режимов исследуемой электроэнергетической системы (ЭЭС) и их анализ позволили определить наиболее рациональные места установки устройства СТАТКОМ, в которых возможны наиболее существенное влияние на перетоки электрической энергии, улучшение качества напряжения, повышение устойчивости системы. Также определены мощности этого устройства, достаточные для воздействия на пере-

Рис. 1. Схема замещения ЭЭС Архангельской области

токи мощностей в линиях электропередач и возможные диапазоны регулирования этих мощностей, выполнена оценка воздействия компенсатора СТАТКОМ на изменение напряжения в узлах

теризуются существенным отклонением напряжения в узлах потребления от номинального значения (табл. 3). Результаты показывают, что в данном режиме функционирования ЭЭС напряжения в узлах нагрузки, находящихся вблизи источников генерирования энергии, близки к номинальным. В более удалённых узлах нагрузки возможно существенное снижение напряжения. Так, например, на шинах В7 (г. Вельск) напряжение составляет 0,85 о. е. от номинального, на шинах В8 (г. Котлас) - 0,86 о. е., в районе узла В15 (п. Двинской Березник) - 0,79 о. е.

Таблица 2

Мощность, потребляемая в населенных пунктах Архангельской области

Узел нагрузки Населенный пункт Мощность

Активная, кВт Реактивная, кВАр

N 1 (В2) г. Архангельск -г. Северодвинск 240 180

N 2 (В9) п. Плесецк 160 120

N 3 (В10) п. Коноша 80 60

N 4 (В7) г. Вельск 80 60

N 5 (В8) г. Котлас 160 120

N 6 (В6) п. Двинской Березник 50 45

Таблица 3

Значения напряжения в узлах потребления электроэнергии

Шина Без СТАТКОМа (о. е.) Включение СТАТКОМ на шинах В10 (о. е.) Включение СТАТКОМ на шинах В6 (о. е.)

В1 0,98 0,98 0,99

В2 0,97 0,97 0,97

В3 0,97 0,98 0,98

В4 0,91 1,01 0,93

В6 0,79 0,82 0,99

В7 0,85 0,96 0,88

В8 0,86 0,91 0,90

В9 0,80 0,84 0,80

В10 0,84 0,97 0,86

В11 0,79 0,82 0,99

В12 0,79 0,82 0,99

В табл. 4 показаны значения потоков активной и реактивной мощностей при отсутствии в системе устройства компенсации реактивной мощности и при его установке на шинах В10 или шинах В6. Как видно из результатов исследования, включение устройства СТАТКОМ в районе г. Коноша (В10) позволяет изменять значения перетоков активной мощности в достаточно широких диапазонах. Например, изменение активной мощности в линиях электропередач, наиболее важных для обеспечения работы основных потребителей электроэнергии области В4 - В10 и В9 - В10, происходит с -0,20 о. е. до 0,03 о. е. и с 1,29 о. е. до 1,90 о. е. соответственно. При этом включение устройства СТАТКОМ в этой точке оказывает существенное влияние и на перетоки мощности в линии В3-В8 (от 0,52 о. е. до 0,79 о. е.).

Таблица 4

Значения активной и реактивной мощностей в узлах потребления электроэнергии

При включении компенсатора на шинах В10 (район г. Коноша) значения напряжения в узлах потребления электроэнергии почти на всём юге области стабилизировалось. Так, например, на шинах В4 напряжение поднялось до значения 1,01 о. е., на шинах В7 - до значения 0,96 о. е., на шинах В10 - до значения 0,97 о. е. Следовательно, при установке компенсатора СТАТКОМ на шинах В10 обеспечивается стабилизация напряжения в узлах нагрузки на всем юге области.

Включение устройства СТАТКОМ на шинах В6 (п. Двинской Березник) обеспечивает стабилизацию напряжения в узлах потребления В6, В11, В12 до значения 0,99 о. е.

Линия Без СТАТКОМа (о. е.) Включение СТАТКОМ на шинах В10 (о. е.) Включение СТАТКОМ на шинах В6 (о. е.)

В1 - В6 0,49 0,58 0,86

В2 - В9 2,96 3,47 3,06

В3 - В8 0,52 0,79 0,71

В4 - В10 -0,20 -0,03 -0,17

В7 - В8 0,34 0,18 0,37

В9 - В10 1,29 1,90 1,42

В10 - В7 0,63 0,50 0,79

В6 - В12 0,20 0,28 0,13

В6 - В8 0,63 0,80 1,09

В1 -В6 0,79 0,86 0,72

В2 - В9 5,60 5,80 5,70

В3 -В8 1,23 1,00 1,00

В4 - В10 0,73 0,48 0,69

В7 - В8 -0,25 0,04 -0,27

В9 - В10 0,28 -0,002 0,25

В10 - В7 0,36 0,92 0,22

В6 - В12 -0,05 -0,12 0,10

В6 - В8 0,44 0,40 0,23

Установка устройства компенсации реактивной мощности в районе п. Двинской Березник также позволяет регулировать потоки активной и реактивной мощности, особенно в линиях В1 - В6 и В3 - В8. Но влияние этого устройства ниже, чем при установке его в узле В10.

Таким образом, установлено, что использование статических компенсаторов реактивной мощности СТАТКОМ в энергосистеме Архангельской области позволит осуществить регулирование активной и реактивной мощности в достаточно широком диапазоне, что, в свою очередь, позволит в дальнейшем выбирать оптимальные режимы работы электроэнергетической системы с целью снижения потерь

электрической энергии при её передаче. Кроме того, установка устройства СТАТКОМ обеспечит стабилизацию напряжения в наиболее проблемных узлах

потребления электроэнергии и соблюдение в этих узлах требуемых параметров в соответствии с нормативными документами.

Литература

1. Кочкин В. И. Традиционные и новые технологии управления режимами работы электрических сетей на основе устройств силовой электроники // Электротехника. - 2009. - № 6.

2. Мисриханов М. Ш., Рябченко В. Н., Ситников В. Ф. Устройства FACTS // Электро-info. - 2008. - № 1.

3. Статические компенсаторы реактивной мощности для электрических сетей: Сборник статей / Под ред. В. И. Кочкина. - М.: ЭЛЕКС-КМ, 2010. - 296 с.

4. Hingorani N. G., Gyugy L. Understanding FACTS Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems. IEEE Press, New York, 2000.

5. Singh B.R., Sharma N. K., Tiwari A. N. Prevention of Voltage Instability by Using FACTS Controllers in Power Systems: A Literature Survey. International Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 2 (5), 2010.

6. Valderrama E., Mattvelli P., Stankovic A. Reactive Power and Unbalance Compensation Using STATCOM with Dissipativity - Based Control. IEEE Transactions and Control Systems Techology, Vol. 9, № 5, 2001.

Reactive power compensation STATCOM devices in the power system of the Arkhangel'sk region S. N. Edemsky,

Northern (Arctic) Federal University, Institute of shipbuilding and the Arctic marine engineering, the head of automation and management in technical systems department, lecturer, PhD.

I. I. Pushkarenko,

Company "Onega", engineer

O. V. Trigub,

Company "Zvezdochka", engineer

Flexible AC Transmission Systems (FACTS) with power electronic components enhance controllability electrical power system. FACTS devices are able of opportunely modify voltage, phase angle and impedanse and then the power flows at particular point in power systems. One of the main FACTS devices is static synchronous compensator of the reactive power (STAT-COM). In this paper we describe the possibility of the using of STATCOM in electrical power system of the Arkhangelsk region.

Keywords: electrical power system, FACTS, STATCOM.