Исследования и оценка эффективности повышения качества электроэнергии при интеграции распределенных генераций с системами электроснабжения на нескольких новых показателях

УДК 621. 311. 1

ИССЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ИНТЕГРАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ГЕНЕРАЦИЙ С СИСТЕМАМИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА НЕСКОЛЬКИХ НОВЫХ ПОКАЗАТЕЛЯХ

А

© Фам Чунг Шон1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Показано влияние распределенных генераторов (РГ) на повышение надежности и качества систем электроснабжения посредством эффективных показателей оценки качества напряжения и оценки снижения потери мощности в связях. Результаты исследования позволяют более обоснованно рекомендовать мероприятия по повышению качества электроэнергии распределительных электрических сетей и надежности электроснабжения потребителей.

Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: распределенная генерация; распределенные энергоресурсы; надежность; качество напряжения; качество электроэнергии; потери мощности.

RESEARCH AND ASSESSMENT OF POWER QUALITY IMPROVEMENT EFFICIENCY UNDER INTEGRATION OF DISTRIBUTED GENERATIONS AND POWER SUPPLY SYSTEMS BY SEVERAL NEW INDICES Pham Trung Son

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article demonstrates the effect of distributed generators on improving the reliability and quality of power supply systems by means of efficient indices for voltage quality assessment and power losses reduction assessment in lines. The study results allow more reasonable recommendations on measures on enhancing the power quality of power distribution grids and power supply reliability. 4 figures. 2 tables. 6 sources.

Key words: distributed generation; distributed energy resources; reliability; voltage quality; (electric) power quality; power losses.

Введение

В современном мире спрос на электроэнергию увеличивается с каждым годом. Для удовлетворения потребности в электроэнергии строится множество источников энергии. В связи с этим возникают проблемы при интеграции нового генератора с распределительной сетью электроэнергетической системы, которая разрабатывалась без учета интеграции новых генераторов.

Цель статьи - обсуждение некоторых новых показателей, связанных с влиянием распределенной генерации (РГ) на электроснабжение системы.

Распределительные сети (в основном сети распределения питания) традиционно разрабатываются и эксплуатируются пассивно от вышестоящего генератора и системы передачи к конечным потребителям. В этой ситуации воедино собирается множество потоков электроэнергии, направленных от подстанций к потребителю (рис. 1). Операторы системы распределения не имеют возможности и необходимости активно контролировать потоки электроэнергии. По этой причине системы распределения в основном пассивны [1].

При увеличении числа генераторов, подключенных к распределительной сети, электроэнергия может быть также передана обратно из РГ-единиц к распре-

делению и передаче вверх (рис. 2).

Такие двунаправленные потоки электроэнергии вызывают некоторые дополнительные проблемы в распределительных сетях, так как с самого начала они не были предназначены для учета потребляемой мощности от генераторов распределенных генераций и обратного потока электроэнергии [1].

В этой новой ситуации могут быть изменены свойства элементов управления систем распределения, которые могут стать более похожими на передачу, т.е. иметь более «активные» функции управления.

Вопросы и аспекты, касающиеся влияния РГ на распределительные сети, подробно проанализированы в [2, 3].

В рамках этой статьи автор оценил конкретное воздействие РГ на эффективность улучшения качества системы электроснабжения и надежности электроснабжения потребителей с помощью оценочных практичных критериев: эффективных показателей оценки качества напряжения и снижения потерь мощности в связях.

Показатели оценки

Эффективный показатель оценки качества напряжения. Система электроснабжения состоит из множества узлов. Каждый узел нагрузки характеризуется значением напряжения в узле и мощности

1Фам Чунг Шон, аспирант, тел.: 89246111689, е-mail: phamtrungson_istu_ru@mail.ru Pham Trung Son, Postgraduate, tel.: 89246111689, е-mail: phamtrungson_istu_ru@mail.ru

Рис. 1. Принципиальная схема электроэнергетической системы

Рис. 2. Архитектура существующей системы, дополненная системой распределенной генерации

нагрузки, подключенной к данному узлу. На самом деле каждая нагрузка имеет различные мощность и категорийность, характерная величина качества напряжения (ХВКН) системы электроснабжения [4] определяется:

N

ХВКН = Уи .К .Р,

^^^ I I I '

1 =1

где

N

у К1 = 1,

I=1

где ХВКН - характерная величина качества напряжения системы электроснабжения; и, - значение напряжения в /-узле системы (в относительных единицах); Р, - мощность нагрузки в относительных единицах; К -

величина коэффициента; N - общее число узлов в системе.

Коэффициент К выбирается на основе оценки числа узлов в системе. В простейшем случае можно взять K1 = K2 = ... = KN = 1 /N. Это означает, что важность всех нагрузок считается равной друг другу, то есть одинаковой. Величину коэффициента K и ХВКН можно рассматривать как показатели для оценки влияния распределенных генераторов на качество напряжения в узлах системы. Значение напряжения U в узле i, как правило, оценивается в диапазоне ограниченном амплитудой допустимых напряжений UMAX и имИН, в этой статье параметры системы рассчитываются в относительных единицах (таким образом, предел напряжения от 0,95 до 1,05 относительных единиц).

В этой статье автор предлагает новый показатель, который является показателем улучшения качества напряжения. Если U (РГ) известно и является характерным параметром напряжения в узлах системы при интеграции РГ, а и(НРГ) является характерным параметром напряжения в узлах без интеграции РГ в систему, то коэффициент улучшения качества напряжения (КН) будет оцениваться по формуле

U

КН =

и

Формулу (2) можно интерпретировать как величину, отражающую изменение напряжения в узлах системы при подключении РГ или отсутствии подключения РГ.

Через этот показатель наглядно видно, что:

- при КН < 1, подключение РГ к системе не имеет эффекта повышения напряжения;

- при КН = 1, подключение РГ к системе не влияет на напряжение системы;

- при КН > 1, подключение РГ к системе даёт эффект повышения напряжения.

На самом деле множество типов РГ могут быть установлены в любом месте системы.

Но есть типы РГ, которые привязаны к своему настоящему местоположению. Поэтому, для улучшения величины качества напряжения, необходим детальный предварительный расчет, посредством которого будут определены наиболее разумные места установки распределенных генераций [5]. Исходя из приведенных выше показателей, будут найдены оптимальные расположения подключений РГ, в которых показатели КН имеют наибольшие значения. Тем не менее, данным методом, заключающемся в определении показателей КН, решение для одной системы с несколькими узлами находится трудно, так как объемы вычислений очень велики. Таким образом, в большинстве случаев, после решения проблемы распределения электроэнергии, в узел с низким напряжением, как правило, рекомендуется устанавливать установки РГ [6].

Эффективный показатель оценки снижения потерь мощности в связях. Одним из преимуществ установки РГ является снижение потери мощности в связях. При интеграции РГ, ток связи может быть

уменьшен. Подобно расчету степени улучшения качества напряжения автор рекомендует второй показатель оценки: показатель для оценки эффективного снижения потери мощности в связях, показатель оценки рассчитывается по следующему соотношению:

АР

РУПМ =

АР

где РУПМ - показатель расчета уменьшения потерь мощности; АР(РГ) - величина потерь мощности во всей системе при интеграции РГ; АР(НРГ) -

величина потерь мощности во всей системе без интеграции РГ.

Потери мощности определяются по формуле

АР = Ifri,

i=1

где I, - ток /-ой связи, в относительных единицах; г/ - погонное сопротивление /-ой связи, единица / км;

- длина /-ой связи, км; С - число связей.

Проанализировав уравнение (3) можно сделать вывод, что:

- при РУПМ < 1, подключение РГ к системе имеет эффект снижения потерь мощности в системе;

- при РУПМ = 1, подключение РГ в систему не дает эффекта снижения потерь мощности;

- при РУПМ > 1, подключение РГ увеличивает потери мощности в системе.

Этот показатель определяет местонахождение установки РГ таким образом, чтобы свести к минимуму потери мощности, а также стоимости потерь электроэнергии.

Численные исследования

На рис. 3 представлена тестовая схема, включающая в себя системный источник (С), имеющий бесконечную мощность. Параметры узлов и связей тестовой схемы представлены в табл. 1. Уровень напряжения 15 кВ.

Через технические параметры оборудования, представленного на схеме сети, могут рассчитываться параметры работоспособности сети в стабильном режиме с помощью метода расчета Ньютона-Рафсона. Программа расчета потокораспределения была написана на языке МаАаЬ автором. На рис. 4 показаны характеристики напряжения в узлах. На рис. 4 узлы с 6 до 11 имеют пониженное напряжение (ниже номинального уровня), но по-прежнему гарантируют нормальный режим работы. Для оценки эффективности РГ в сети в соответствии с показателями обзора, представленными выше, перейдите к расчету следующих вариантов:

Вариант 1. РГ с мощностью генератора 0,02 относительных единицы, подключена к узлу 7.

Вариант 2. РГ с мощностью генератора 0,02 единицы, подключена к узлу 9;

Вариант 3. РГ подключена к двум узлам 7 и 9, мощность каждого генератора РГ составляет 0,01 единицы.

2 3

10

> -1

11

12

13 14 1-1

15 16 "1-1

2 3

10

12

кнв

13 14

—I-1

15 16 1-1

а)

б)

2 3

в

-* РГ 10

* —I

11

12

1

13 14 1-1

2 3

12

15 16 1-1

Ктнэ

_1' РГ

1

13 14 1-1

15 16 1-1

в)

г)

Рис. 3. Тестовая схема: а - исходная; б - первого варианта; в - второго варианта; г - третьего варианта

Таблица 1

Параметры связей и узлов тестовой схемы

Номер Связь Длина Тип свя- Число цепей ЛЭП Марка про- Номер Рн, Он, Рг, Ог,

связи 1 1 линии, м зи вода узла МВт МВАр МВт МВАр

1 1 2 56 ЛЭП 1 АС70 1 Балансирующий узел

2 2 3 502,5 ЛЭП 1 АС70 2 0,3 0,3

3 3 4 1108,5 ЛЭП 1 АС50 3 0,325 0,28

4 4 5 285 ЛЭП 1 АС50 4 0,3 0,25

5 5 6 1325 ЛЭП 1 АС50 5 0,28 0,26

6 5 11 1216 ЛЭП 1 АС35 6 0,28 0,2

7 6 7 1356 ЛЭП 1 АС35 7 0,28 0,22

8 6 8 100 ЛЭП 1 АС50 8 0,25 0,22

9 8 9 910 ЛЭП 1 АС35 9 0,35 0,26 -

10 8 10 334 ЛЭП 1 АС70 10 0,35 0,26

11 3 12 776 ЛЭП 1 АС50 11 0,3 0,27

12 12 13 235 ЛЭП 1 АС50 12 0,3 0,28

13 12 15 715 ЛЭП 1 АС35 13 0,31 0,25

14 13 14 417 ЛЭП 1 АС35 14 0,28 0,26

15 15 16 825 ЛЭП 1 АС35 15 0,29 0,27

16 0,31 0,3

9

9

8

8

6

6

4

4

5

5

С

С

9

8

6

7

4

4

5

5

С

С

Номер узла а)

-äs

Э

VA

<ИМИ^* ♦ ♦ ♦

Номер узла б)

<нк

-äs

э

'VA

Номер узла

Номер узла

в) г)

Рис. 4. Характеристики напряжения тестовой схемы: а - исходная; б - первого варианта; в - второго варианта;

г - третьего варианта

Параметры расчета показателей, необходимых для оценки тестовой схемы

Таблица 2

Вариант Уровень улучшения качества напряжения Уровень снижения потерь мощности в связях

ХВКН, ед КН, ед Уровень улучшения, % AP, ед РУПМ, ед Уровень улучшения, %

Исходный 0,28 - - 0,0059 - -

Первый 0,29 1,02 2 0,0035 0,593 40,7

Второй 0,29 1,022 2,2 0,0027 0,457 54,3

Третий 0,29 1,0205 2,05 0,0041 0,695 30,5

Заключение

Коэффициенты повышения качества напряжения 1-3-го вариантов больше, чем у исходного варианта. Значение показателей всех вариантов КН > 1, уровень повышения напряжения всех вариантов - > 2%. Потери мощности в связях значительно снижаются: в среднем не более чем 40% после подключения РГ. Показатели КН и РУПМ лучше, чем без интеграции РГ. Результаты расчета показывают, что уровень улучшения выше в случае установки единичной РГ большой мощности, чем при установке нескольких малых РГ

аналогичной суммарной мощности. Все это свидетельствует о повышении качества электроснабжения потребителей в системах распределения при установке РГ.

Определение показателей КН и РУПМ позволяют эффективно оценить улучшение качества электроэнергии, повышение надежности электроснабжения потребителей. Однако существует множество проблем, которые предстоит решить, как указано в разделе 1 и [2, 3]. Для всесторонней оценки должны быть проведены более детальные исследования.

Библиографический список

1. DG-GRID European project. Website: www.dg-grid.org

2. Voropai N.I. Distributed Generation in Electric Power Systems // The DIGESEC CRIS workshop., Magdeburg, Germany. Dec. 6-8. 2006.

3. Фам Чунг Шон. Проблемы интеграции распределенной генерации в распределительную электрическую сеть // Сб. трудов V Всерос. науч.-практ. конф. «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», Томск, 2012.

4. Arya L.D., Shrivastava M. Voltage stability evaluation using line voltage stability index // Electric Power Systems Research. Vol 70. August 2004.

5. Sundhararajan S., Pahwa A. Optimal selection of capacitors for radial distribution systems using a genetic algorithm // IEEE Transactions on power systems. V. 9, № 3. August 1994.

6. Thong V. V. Impact of distributed generation on power system operation and control. PhD Thesis, Katholieke Universiteti Leu-ven. Leuven. May 2006.