Регулирование напряжения в электроэнергетике: вызовы и решения

Введение

Концепция в электротехнике
общие аспекты регулирования напряжения
В электротехнике, особенно в энергетике, регулирование напряжения является мерой изменения величины напряжения между отправляющей и принимающей точками компонента, такого как линия электропередачи или распределения. Регулирование напряжения описывает способность системы поддерживать почти постоянное напряжение в широком диапазоне условий нагрузки. Этот термин может относиться как к пассивному свойству, вызывающему ту или иную потерю напряжения при различных условиях нагрузки, так и к активному воздействию с использованием устройств для целенаправленной корректировки напряжения.

Осложнения, вызванные распределенной генерацией

Распределенная генерация, в частности фотоэлектрические установки, подключенные на уровне распределительной сети, создает ряд значительных проблем для регулирования напряжения. Традиционное оборудование для регулирования напряжения работает, исходя из предположения, что напряжение в линии изменяется предсказуемо с расстоянием вдоль линии электропередачи. В частности, напряжение в линии снижается с увеличением расстояния от подстанции из-за сопротивления линии, а скорость снижения напряжения уменьшается по мере удаления от подстанции. Однако это предположение может оказаться неверным при наличии распределенной генерации. Например, длинная линия электропередачи с высокой концентрацией распределенной генерации в конце будет испытывать значительную инъекцию тока в точках, где напряжение обычно минимально. Если нагрузка достаточно низкая, ток потечет в обратном направлении (то есть к подстанции), что приведет к профилю напряжения, который будет возрастать с расстоянием от подстанции. Такой инвертированный профиль напряжения может ввести в заблуждение традиционные системы управления. В одном из таких сценариев, регуляторы напряжения, ожидающие снижения напряжения с расстоянием от подстанции, могут выбрать рабочую точку, которая фактически приведет к превышению допустимых пределов напряжения в дальней части линии. Проблемы регулирования напряжения, вызванные распределенной генерацией на уровне распределительной сети, усугубляются недостатком оборудования для мониторинга у коммунальных предприятий вдоль линий электропередачи. Относительная нехватка информации о напряжениях и нагрузках в распределительной сети затрудняет для коммунальных предприятий внесение необходимых корректировок для поддержания уровней напряжения в пределах допустимых значений. Хотя распределенная генерация создает ряд значительных проблем для регулирования напряжения на уровне распределительной сети, в сочетании с интеллектуальной силовой электроникой она может фактически способствовать улучшению регулирования напряжения. Одним из примеров является фотоэлектрическая установка, подключенная к сети через инверторы с управлением по вольт-вар характеристике (volt-VAR control). В исследовании, проведенном совместно Национальной лабораторией возобновляемой энергетики (NREL) и Институтом электроэнергетических исследований (EPRI), добавление управления по вольт-вар характеристике в линию электропередачи с 20% проникновением фотоэлектрических установок значительно снизило суточные колебания напряжения в этой линии.

Distributed generation, in particular photovoltaics connected at the distribution level, presents a number of significant challenges for voltage regulation. Conventional voltage regulation equipment works under the assumption that line voltage changes predictably with distance along the feeder. Specifically, feeder voltage drops with increasing distance from the substation due to line impedance and the rate of voltage drop decreases farther away from the substation. However, this assumption may not hold when DG is present. For example, a long feeder with a high concentration of DG at the end will experience significant current injection at points where the voltage is normally lowest. If the load is sufficiently low, current will flow in the reverse direction (i. e. towards the substation), resulting in a voltage profile that increases with distance from the substation. This inverted voltage profile may confuse conventional controls. In one such scenario, load tap changers expecting voltage to decrease with distance from the substation may choose an operating point that in fact causes voltage down the line to exceed operating limits. The voltage regulation issues caused by DG at the distribution level are complicated by lack of utility monitoring equipment along distribution feeders. The relative scarcity of information on distribution voltages and loads makes it difficult for utilities to make adjustments necessary to keep voltage levels within operating limits. Although DG poses a number of significant challenges for distribution level voltage regulation, if combined with intelligent power electronics DG can actually serve to enhance voltage regulation efforts. One such example is PV connected to the grid through inverters with volt VAR control. In a study conducted jointly by the National Renewable Energy Laboratory (NREL) and Electric Power Research Institute (EPRI), when volt VAR control was added to a distribution feeder with 20% PV penetration, the diurnal voltage swings on the feeder were significantly reduced.

Трансформаторы

Один из примеров регулирования напряжения – трансформатор. Неидеальные компоненты трансформатора вызывают изменение напряжения при протекании тока. В режиме холостого хода, когда ток не протекает по вторичным обмоткам, Vnl определяется идеальной моделью, где VS = VP * NS / NP. Рассматривая эквивалентную схему и пренебрегая шунтирующими элементами, что является разумным приближением, можно пересчитать всё сопротивление и реактивное сопротивление на вторичную сторону и увидеть, что вторичное напряжение в режиме холостого хода действительно соответствует идеальной модели. Однако, при полной нагрузке трансформатора происходит падение напряжения на сопротивлении обмоток, из-за чего напряжение на зажимах нагрузки оказывается ниже ожидаемого. Согласно определению, это приводит к ненулевому регулированию напряжения, которое необходимо учитывать при эксплуатации трансформатора.