Реактивная мощность в оценке надежности энергосистем

Реактивная мощность играет значительную роль в функционировании энергетической системы. Однако, при оценке надежности, внимание реактивной мощности практически не уделяется. При традиционных подходах к оценке надежности систем энергоснабжения в качестве предельных значений реактивной мощности источников энергии принимаются фиксированные максимальные и минимальные величины. Неисправности источников реактивной мощности учитываются крайне редко. Мало изучены подробные причины нарушений работы сети в аварийных ситуациях. Для смягчения нарушений работы сети традиционно используется снижение активной мощности нагрузки, не учитывая важную роль мощности реактивной.

В существующих методиках нет соответствующих показателей надежности, отражающих недостаточность реактивной мощности. Предлагаем к рассмотрению вопросы нехватки реактивной мощности и соответствующие искажения напряжения, возникающие вследствие отказов источников реактивной мощности. Также предлагаем рассмотреть новые показатели надежности для отражения влияния нехватки реактивной мощности на надежность системы. Определены показатели надежности, учитывающие дефицит реактивной мощности. Указанные показатели отделены от аналогичных показателей, касающихся нехватки активной мощности. Выполнено исследование предельных значений реактивной мощности, определяемых по выходной активной мощности генератора с использованием P–Q диаграмм мощности генератора.

Для определения возможного дефицита реактивной мощности и места его возникновения рассмотрим «метод подпитки реактивной мощностью». В качестве иллюстрации предложенной методики был выполнен анализ модифицированной 30-узловой тестовой схемы энергосистемы. Полученные результаты дают проектировщикам и диспетчерам энергосистем чрезвычайно важную информацию для управления активной и реактивной мощностью.

Реактивная мощность

Реактивная мощность является основным условием поддержания стабильности напряжения энергосистемы. Предполагается, что достаточный запас реактивной мощности позволит поддерживать целостность энергосистемы в послеаварийных режимах при случайных отказах источников реактивной мощности. Будучи хорошо отлаженной вспомогательной службой, средства обеспечения реактивной мощностью и регулирования напряжения играют жизненно важную роль в функционировании энергетической системы. Масштабные аварийные ситуации обычно возникают в тяжело нагруженных системах, которые не обладают достаточным запасом реактивной мощности. Тяжело нагруженные системы обычно характеризуются высоким потреблением реактивной мощности и потерями реактивной мощности в линии электропередач. При аварийной ситуации активная составляющая мощности существенно не изменяется, тогда, как поток реактивной мощности может измениться весьма значительно.

Это происходит из-за того, что падение напряжения на шине из-за отказа элемента сети приводит к уменьшению потока реактивной мощности от емкости линии и конденсаторов конденсаторной установки. Следовательно, необходимо иметь весьма значительный запас реактивной мощности, чтобы обеспечить потребности в реактивной энергии в послеаварийном режиме. Реактивная мощность, которая может быть поставлена энергосистемой, зависит от конфигурации сети, режима работы и расположения источников реактивной мощности. Реактивная мощность является ключом к решению проблем с сетевым напряжением при работе энергосистемы и должна учитываться при оценке надежности системы.

В методах оценки качества предельных значений реактивной мощности источников принимаются фиксированные максимальные и минимальные значения. Сетевые искажения в аварийной ситуации обычно уменьшают посредством снижения нагрузки с активным характером мощности, уделяя при этом реактивной мощности меньшее внимание. Напряжения в послеаварийном режиме, генерация реактивной мощности и потокораспределения мощности оценивались с использованием анализа чувствительности. Посредством кусочно-линейного оценивания было установлено влияние предельных характеристик оборудования на результаты оценки. Параллельный конденсатор оказывает влияние на надежность распределительной сети. Влияние ограничений напряжения и реактивной мощности на надежность системы было исследовано с помощью метода расчета потокораспределения мощности на модели сети постоянного тока. Рассчитывалась ожидаемая величина снижения электрической энергии из-за недостаточной генерации реактивной мощности и предполагаемое значение отклонений напряжения.

Однако в существующих методиках расчета надежности редко принимается во внимание ряд вопросов. Во-первых, большинство существующих методик пренебрегают возможными отказами источников реактивной мощности, такими как синхронные компенсаторы и статические компенсаторы реактивной мощности. Во-вторых, сетевые искажения из-за дефицита активной мощности не отделены от искажений, возникающих из-за недостаточного количества реактивной мощности при снижении нагрузки в послеаварийном режиме. В-третьих, отсутствуют показатели и соответствующие методы решения вопросов надежности, связанных с недостаточным количеством реактивной мощности. И, наконец, не рассматривается взаимосвязь между активной и реактивной мощностью генератора, определяемой по P–Q диаграммам генератора. Таким образом, существующих показателей надежности недостаточно для проектировщиков и диспетчеров энергосистем для осуществления рационального планирования и эффективного управления.

Предлагаемая методика оценки показателей надежности учитывает дефицит как активной, так и реактивной мощности из-за отказов источников активной и реактивной мощности, таких как генераторы, синхронные компенсаторы и статические компенсаторы. В данной методике рассмотрены дефицит реактивной мощности и связанные с ним отклонения напряжения, возникающие из-за сбоев в источниках реактивной мощности.

Предложены новые показатели надежности, позволяющие учесть влияние дефицита реактивной мощности на надежность системы. Показатели надежности, связанные с дефицитом реактивной мощности отделены от показателей, связанных с дефицитом активной мощности. Предложен «метод подпитки реактивной мощностью» для определения дефицита реактивной мощности и места его возникновения. С использованием P–Q диаграмм мощности выполнено исследование предельного значения реактивной мощности генератора, определяемого по его выходной активной мощности.

Выводы

В настоящем материале мы рассмотрели вопросы использования реактивной мощности при оценке надежности энергетической системы. Также разобрали метод оценки надежности системы и точек нагрузки энергосистемы в условиях дефицита реактивной мощности из-за отказов источников реактивной мощности, таких как генераторы, синхронные компенсаторы и статические компенсаторы. Показатели надежности при дефиците реактивной мощности отделены от аналогичных показателей при дефиците активной мощности.

Дефицит реактивной мощности определяется с использованием подпитки реактивной мощностью в узлах, где имеют место отклонения напряжения, для обеспечения проектировщиков и операторов подробной информацией. Исследовано влияние P–Q диаграмм на надежность системы. Для иллюстрации предложенной методики и моделей была модифицирована и проанализирована 30-узловая тестовая схема энергосистемы. Полученные результаты показали, что реактивная мощность оказывает существенное влияние на надежность системы и должна быть учтена при анализе надежности. Предложенные новые показатели надежности обеспечивают проектировщиков и операторов очень важной информацией, способствующей принятию оптимальных решений. В статье также предложены различные способы минимизации возмущений в работе сети и поиска оптимального местоположения новых компенсаторов реактивной мощности.