ПРИМЕНА НА FACTS УРЕДИ ЗА РЕДНА И НАПРЕЧНА КОМПЕНЗАЦИЈА НА РЕАКТИВНА МОЌНОСТ ВО ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТСКИ МРЕЖИ

8. СОВЕТУВАЊЕ Охрид, 22 24 септември Јовица Вулетиќ Јорданчо Ангелов Мирко Тодоровски Факултет за електротехника и информациски технологии Скопје ПРИМЕНА НА FACTS УРЕДИ ЗА РЕДНА И НАПРЕЧНА КОМПЕНЗАЦИЈА НА РЕАКТИВНА МОЌНОСТ ВО ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТСКИ МРЕЖИ КУСА СОДРЖИНА Принципите на пренос на електрична енергија со помош на наизменична струја се стари повеќе од стотина години и досега сеуште значително непроменети. Значителен проблем при преносот на електрична енергија со помош на наизменични струи, претставува реактивната компонента на струјата која не врши никаква корисна работа, туку единствено учествува во одржувањето на електромагнетните процеси во системот. Постоењето на реактивна компонента на струјата (со тоа и на реактивната моќност) предизвикува намалување на преносниот капацитет на елементите во мрежата, зголемување на загубите и падовите на напон. Во новонастанатите услови на функционирање на електроенергетските системи (дерегулирани ЕЕС), каде што во извесна смисла доаѓа до конфликт помеѓу економските цели и природните закони на кои подлежат тековите на енергија, се појавила потреба од воведување на таканаречените FACTS уреди (Flexible Alternating Current Transmission System). Постојат повеќе причини за нивна употреба во електроенергетските системи од кои како позначајни се издвојуваат следните: во моментот на нивно воведување, технологијата веќе била достапна и значително развиена, неможноста за изградба на нови елементи (водови, трансформатори и сл.) во ЕЕС поради економски, имотно-правни и технички причини. Воведувањето на FACTS уредите овозможило правилно и рационално искористување на преносните капацитети на мрежите. Целта на овој труд е накусо да се осврне на принципите на попречна и редна компензација во електричните мрежи и на дел од палетата на FACTS уреди како можност за вршење на таа компензација. Со помош на симулациски пресметки во Matlab/Simulink ќе се симулира работата на дел од реален ЕЕС во кој што на одбрани локации ќе се постават FACTS уреди и ќе се следи промената на тековите на моќност, во однос на базично сценарио во кое не постојат такви уреди. Врз основа на добиените резултати на крајот ќе се спроведе анализа на добиените резултати и ќе биде даден соодветен заклучок. Клучни зборови: FACTS уреди, редна компензација, попречна компензација 1 ВОВЕД Принципите на пренос на електрична енергија со помош на наизменична струја се повеќе од еден век стари и досега во суштина непроменети. Електричната енергија се произведува со помош на електрични генератори погонувани од најразлични видови примарна енергија (енергија на вода, ветер, сонце, фосилни и/или нуклеарни горива и сл.). Со помош на енергетски трансформатори за високи и многу високи напони, добиената електрична енергија се трансформира и пренесува (на големи растојанија) до потрошувачките центри. Потоа, повторно со помош на трансформатори, електричната енергија се трансформира и прилагодува (во поглед на напонските нивоа) кон потребите на потрошувачите. C4-106R 1/10

MAKO CIGRE 2013 C4-106R 2/10 Преносот на електрична енергија со помош на наизменична струја, со себе носи одредени недостатоци, помеѓу кои е и присуството на реактивна компонента на струјата. Оваа компонента на струјата не врши никаква корисна работа, туку единствено учествува во одржување на електромагнетните процеси во елементите на системот. Нејзиното присуство повлекува постоење на реактивна моќност и текови на реактивна енергија во елементите од еден електроенергетски систем. Тековите на реактивни моќности влијаат врз намалување на преносните капацитети на елементите од системот (термичка стабилност), влијаат врз напонскиот профил во јазлите од мрежата и врз аголната стабилност на производните капацитети во системот. Проблемот значително се продлабочува и станува поизразен кон крајот на минатиот век, со процесот на дерегулација на електроенергетските системи. Со овој процес се наметнуваат приоритети кон почитување на економските принципи над техничкотехнолошките, воглавно поради следните причини: -производителите и потрошувачите во системот фигурираат како независни субјекти кои меѓусебно тргуваат со електрична енергија на посебен регулиран пазар. Трансферите на електрична енергија ги извршуваат субјектите кои раководат со преносните мрежи, каде што како критериум се уважуваат и приоретизираат економските фактори над техничките; -како директна последица на гореспоменатите приципи, во мрежите се јавуваат проблеми со кружни текови на моќност, напонска и термичка стабилност (преоптовареност на елементите од системот). Постојат повеќе начини за елиминација на горенаведените проблеми, меѓу кои како најважни се издвојуваат: манипулации/трансфигурација во мрежата и зголемување на преносниот капацитет на мрежата. Иако зголемувањето на преносниот капацитет на мрежата се наметнува интуитивно како природно решение за ново настанатите проблеми сепак, во реалност не е така едноставна имплементацијата на ова решение. Постојат повеќе причини за ова. Основна причина е фактот што решението не носи профит туку напротив, претставува значителен трошок. Како дополнителен проблем се појавуваат и имотно-правните односи поврзани со откуп на земјиштето на кое би требало да се постават додадените елементи во системот. Во овие сложени услови на функционирање на системот, FACTS уредите се појавиле како природно решение на постоечките проблеми, притоа уважувајќи го фактот за минимални инвестиции и зафати во мрежата, а споредено со потребните зафати за зголемување на преносните капацитети на елементите во мрежата. Значителна предност на овие уреди е фактот што во моментот на нивно појавување во електроенергетските системи, технолошки биле значително развиени. Иако првично се користеле за еднонасочен пренос на електрична енергија и прилагодување и поврзување на системите со различни фреквенции, со најразлични модификации и прилагодувања на нивната топологија, тие се покажале како мошне погодни за управување со тековите на активни и реактивни моќности во електроенергетските системи. Нивна основна и главна карактеристика е правилно искористување на преносните капацитети на електричните мрежи. Освен тоа, тие влијаат врз тековите на моќности во мрежата и врз напонскиот профил со што имплицитно ја одолговлекуваат потребата од изградба на нови елементи во мрежата (водови, трансформатори и сл.).

MAKO CIGRE 2013 C4-106R 6/10 фреквенција поради паралелната врска на кондензатор-индуктивитет чија што вредност се пресметува според следната релација: ω = rez 1. (8) L C Ако се уважи зависноста на реактансите на индуктивитетот и кондензаторот од фреквенцијата и таа зависност се замени во (8), ќе се добие следната релација: ω X C rez = ω50hz. (9) X L Врз основа на (9) се дефинира коефициент на резонанса λ, за кој што важи следната релација: λ ω X = rez = C. (10) ω 50Hz XV Овој коефициент се движи од 2,5 до 4, од каде што произлегува дека реактансата на индуктивитетот е околу десетина пати (во зависност од точната вредност на λ) помала од таа на кондензаторот при основна фреквенција на системот. Бидејќи овој уред може да работи во повеќе работни режими, а во мрежите се третира како променлива реактанса, во зависност од работниот режим, уредот се еквивалентира со реактанса со вредност X TCSC што се дефинира како имагинарен дел од количникот помеѓу комплексните претставници на напонот на кондензаторот и струјата низ индуктивитетот. Оваа вредност нормирана во однос на реактансата на кондензаторот, дефинира еден параметар на уредот кој се вика коефициент на засилување: X TCSC K B =. (11) X C Во зависност од вредноста на овој коефициент, се дефинираат и работните режими на уредот прикажани на слика 7. а) режим на блокирање, K B =1 б) режим на заобиколување, K B <1 в) режим на засилување, K B >1 Слика 7 Карактеристични режими на работа кај тиристорски контролиран сериски компензатор Во режим на блокирање, тиристорската гранка е исклучена и уредот се однесува како кондензатор. Еквивалентната реактанса при овој режим на работа е еднаква на реактансата на кондензаторот, од каде што директно следи и вредноста на коефициентот на засилување. Режимот на заобиколување подразбира вклучена тиристорска гранка каде што тиристорската антипаралела се однесува како куса врска, т.е. индуктивитетот е изложен на истиот напон на кој што е изложен и кондензаторот. Поради вредноста на реактансите на индуктивитетот и капацитетот (спомната малку погоре во текстот), уредот во овој режим поседува еквивалентна реактанса помала од реактансата на индуктивитетот, од каде што директно следи и вредноста на коефициентот на засилување. Во режимот на засилување, тиристорската гранка води со одредени вредности на аглите на управување. Во зависност од аголот на управување на тиристорите, коефициентот на засилување се пресметува според следната релација: K B = 2 2 2 λ 2 cos β + 2 π λ 1 λ 1 1 2 sin 2β ( λ tan λβ tan β ) β β, (12)

MAKO CIGRE 2013 C4-106R 7/10 каде што β претставува аголот на водење/вклучување на тиристорите, а за λ важи (10). Режимот на капацитивно засилување е всушност работниот режим на овој уред бидејќи тогаш се остварува најдобриот ефект на редна компензација. Значителна предност е и фактот што уредот делумно ги елиминира влијанијата од хармониците, бидејќи дел од нив се затвара во контурата индуктивитет-кондензатор. 4 СИМУЛАЦИСКИ ПРЕСМЕТКИ ВО PSAT И РЕЗУЛТАТИ Програмата PSAT (Power System Analysis Toolbox) е freeware програма која работи во програмскиот пакет Matlab. Со неа може да се врши анализа на електроенергетски системи, почнувајќи од текови на моќност, оптимизација на текови на моќност, анализа во временски домен итн. Елементите од мрежата се внесуваат преку Simulink едиторот од Matlab, притоа повикувајќи ги елементите од библиотеките во PSAT. На слика 8 подолу е прикажана работната површина на PSAT заедно со прозорецот од кој се повикуваат библиотеките со елементи. Слика 8а Приказ на работната површина на PSAT Слика 8б Прозорец од кој се повикуваат бибилиотеките со елементи Програмскиот пакет работи со записи во единечни големини (per units) и со физички големини при внесување на елементите, дефинирање на напонските нивоа, термичките ограничувања, струите и сл. Излезните резултати од пресметките се генерираат во текстуална датотека чија што содржина е конфигурабилна во зависност од тоа што сака корисникот да прикаже/согледа како излезен резултат. Овој симулациски пакет е искористен да се согледаат неколку работни режими за дел од мрежата во северо-западна Македонија. Основната идеја на симулациските пресметки е со помош на дел од палетата на FACTS уреди посочени погоре во трудот, да се согледаат промените што уредите ги внесуваат, од аспект на промена на напони и текови на моќност низ мрежата. Топологијата на мрежата е прикажана на слика 9. Разгледувано е поставување на трансформатор за промена на фазниот агол помеѓу јазлите Вруток 110 и Вруток 220, поставување на статички компензатор на реактивна моќност во јазелот Вруток 220 и поставување на тиристорски контролиран реден компензатор на водот Вруток 220 Скопје 1 220. Целта на симулациските пресметки е со помош на FACTS уредите да се наметне зголемување на текот на активна моќност низ водот Вруток 220 Скопје 1 220 притоа уважувајќи ја релацијата (5). Во табела 1 се прикажани тековите на активна и реактивна моќност низ елементите од мрежата, како и напоните во јазлите.

MAKO CIGRE 2013 C4-106R 9/10 Табела 2 Текови на активна моќност низ водот Вруток 220 Скопје 1 220 за случај каде што е поставен трансформатор за промена на фазниот агол помеѓу јазлите Вруток 110 и Вруток 220 Агол Почетен јазел Краен јазел P [MW] Q [MVAr] Јазел U [kv] θ [rad] 15 Вруток 220 Скопје 1 220-67.462 6.532 10 Вруток 220 Скопје 1 220-40.800 3.701 5 Вруток 220 Скопје 1 220-13.721 1.093-5 Вруток 220 Скопје 1 220 41.416-3.417-10 Вруток 220 Скопје 1 220 69.338-5.303-15 Вруток 220 Скопје 1 220 97.400-6.932 Вруток 220 224.64-0.20970 Скопје 1 220 225.03-0.17201 Вруток 220 225.27-0.14312 Скопје 1 220 225.28-0.12027 Вруток 220 225.76-0.07673 Скопје 1 220 225.41-0.06877 Вруток 220 226.32 0.05553 Скопје 1 220 225.29 0.03340 Вруток 220 226.38 0.12141 Скопје 1 220 225.04 0.08405 Вруток 220 226.29 0.18712 Скопје 1 220 224.65 0.13438 Наредно сценарио кое се разгледува е поставување на статички компензатор на реактивна моќност во јазелот Вруток 220. Разгледувани се две подваријанти каде што со уредот се одржува константен напон во јазелот од интерес и се гледа влијанието врз текот на моќности низ водот. Резултатите од симулацијата се прикажани во табела 3. Табела 3 Текови на активна моќност низ водот Вруток 220 Скопје 1 220 за случај каде што е поставен статички компензатор на реактивна моќност во јазелот Вруток 220 U ref [kv] Почетен јазел Краен јазел P [MW] Q [MVAr] Јазел U [kv] θ [rad] 220 Вруток 220 Скопје 1 220 12.489-27.048 242 Вруток 220 Скопје 1 220 17.418 72.282 Вруток 220 220-0.00950 Скопје 1 220 222.55-0.01891 Вруток 220 242-0.01338 Скопје 1 220 232.86-0.01467 На крај, се разгледува и сценарио каде што долж водот Вруток 220 Скопје 1 220 се поставува и тиристорски контролиран реден компензатор. Додаден е дополнителен јазел V2 помеѓу јазлите на гореспоменатиот вод (Вруток 220 V2 Скопје 1 220). Редниот компензатор се приклучува помеѓу јазлите Вруток 220 и V2, а водот е приклучен помеѓу јазлите V2 и Скопје 1 220. И тука се разгледуваат две подваријанти каде што со уредот се одржуваат текови на активна моќност од 70 и 80 MW соодветно. Резултатите од симулацијата се прикажани во табела 4. Табела 4 Текови на активна моќност низ водот Вруток 220 Скопје 1 220 за случај каде што е поставен тиристорки контролиран реден компензатор помеѓу јазлите Вруток 220 и V2 P ref [MW] 70 80 Почетен јазел Краен јазел P [MW] Q [MVAr] Јазел U [kv] θ [rad] Вруток 220 V2 70 9.528 Вруток 220 223.78-0.05411 V2 Скопје 1 220 70 22.147 V2 232.57 0.11704 Скопје 1 220 227.96 0.08352 Вруток 220 V2 80 7.927 Вруток 220 223.94-0.06183 Скопје 1 V2 220 80 24.754 V2 233.27 0.13948 Скопје 1 220 228.18 0.10121

MAKO CIGRE 2013 C4-106R 10/10 5 ЗАКЛУЧОК Во трудот е даден краток преглед на дел од палетата на FACTS уреди со кои може да се влијае врз тековите на моќност во еден електроенергетски систем. Накусо е објаснет принципот на работа на уредите употребени во симулациските пресметки претставени во трудот. Од резултатите може да се согледа дека овие уреди може значително да влијаат врз природните текови на активна моќност во системот, се разбира уважувајќи ги нивните технички и конструктивни ограничувања. Значителна предност од употребата на овие уреди е можноста за условно одолговлекување на потребата за изградба на нови елементи во системот, а со тоа и имплицитно пролонгирање на експлоатацискиот век на постоечкиот преносен систем, со што е можно помали инвестициски трошоци. Воедно е обезбедена и одредена флексибилност при распределбата на тековите на моќност а во полза на економските принципи. 6 ЛИТЕРАТУРА [1] Мирко Тодоровски. FACTS уреди во ЕЕС. Интерна скрипта за предавања при ФЕИТ Скопје, 2010. [2] R. Sastry Vedam, Mulukutla L. Sarma. Power Quality VAR Compensation in Power Systems. CRC Press, Taylor and Francis Group, 2009. [3] Enrique Acha, Claudio R. Fuerte-Esquivel, Hugo Ambriz Pérez, César Angeles-Camacho. FACTS Modelling and Simulation in Power Networks. John Wiley & Sons, Ltd. 2004