UKŁADY STATCOM I ICH ROLA w SEE, ARTYKUŁY - ELEKTRYKA, ARTYKUŁY 5

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Ryszard STRZELECKI
Akademia Morska w Gdyni
Grzegorz BENYSEK
Uniwersytet Zielonogórski
UKŁADY STATCOM I ICH ROLA
W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM
Streszczenie
W referacie przedstawiono właściwości i możliwości układów STATCOM. Rozpatrzono graniczne możli-
wości zwiększenia przesyłu energii elektrycznej w linii przez zastosowanie kompensatorów rozproszonych.
Omówiono wybrane aspekty pracy takich układów oraz najważniejsze topologie stosowanych przekształtników.
Ponadto rozpatrzono możliwości zastosowania i współpracy układów D-STATCOM oraz układów hybrydowych
z kompensatorami tradycyjnymi typu VSC oraz FC/TCR w sieciach dystrybucyjnych.
Słowa kluczowe:
kompensatory statyczne STATCOM, D-STATCOM, przekształtniki energoelektroniczne
1.
Wprowadzenie
Początki rozwoju systemów elektroenergetycznych i związanych z nimi technik sterowa-
nia napięciem i przepływem energii elektrycznej datują się na koniec XIX - początek XX w.
Stosowane w tym celu łączniki mechaniczne nie miały praktycznie alternatywy aż do końca
lat 60-tych zeszłego stulecia (rys.1). Stan ten zmieniły pierwsze tyrystory dużej mocy, zapo-
czątkowujące rozwój tzw. układów FACTS (Flexible AC Transmission System). Kolejny
przełom spowodowały w pełni sterowalne przyrządy energoelektroniczne (tyrystory GTO i
IGCT, tranzystory IGBT). Budowane na ich podstawie urządzenia energoelektroniczne, w
szczególności falowniki prądu i napięcia, umożliwiają sterowanie napięciem oraz przepły-
wem energii elektrycznej w liniach zasilających, oraz poprawę parametrów zasilania i odbioru
energii elektrycznej, z nieosiągalną wcześniej jakością i dynamiką [1],[3],[9],[10],[14].
Dynamika
Falowniki
napięcia - prądu
FACTS
Łączniki
tyrystorowe
Stan
ustalony
Łączniki
mechaniczne
Rys.1. Tendencje rozwojowe układów sterowania napięciem i przepływem energii elektrycznej.
Przełom w układach FACTS z lat 90-tych (rys.1) zapoczątkowały statyczne kompensato-
ry synchroniczne STATCOM (STATic COMpensator). Mimo, że nastąpiło to przeszło 15 lat
temu (rys.2) i od tego czasu opracowano nowe układy o większych możliwościach regulacyj-
nych [1],[3],[10]÷[14], kompensatory STATCOM, w tym również D-STATCOM (Distribu-
tion STATCOM) są ciągle rozwijane i licznie instalowane. Wiąże się to z wagą problemów,
jakie nastarcza moc bierna. Prostymi, aczkolwiek istotnymi przykładami są tutaj zwiększone
straty w liniach (patrz np. rys.3), zjawisko flicker’a, niestabilność napięcia. Informacje za-
mieszczone w tabl.1 i tabl.2 umiejscawiają układy STATCOM wśród innych urządzeń steru-
jących stosowanych niekiedy zamiennie w systemach elektroenergetycznych.
1900
1970
1980
1990
2000
FACTS
 200
150
150
Straty bierne
Straty czynne
100
50
Linia 230 kV
Linia 435 kV
0
-50
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Obciążenie linii (MVA)
Rys.3. Przykładowe straty w liniach 230 kV i 435 kV o dłu-
gości ok. 100 km zasilanych dwustronnie
w funkcji obciążenia.
Tabela
1
.
Wybrane ograniczenia w systemach przesyłowych i możliwe zastosowaniem urządzeń sterujących
Zagadnienie
Zjawisko
Termiczne
Przeciąż e i
XXX
X X X X
Samoczynne wyłączanie obwodów równoległych
X
X X X X
Sterowania
napięciem i
mocą bierną
Uchyb napięcia w nastę tw e rwy
Niskie napięcie przy dużym obciąż u
X
XXX
X
XX
Wysokie napięcie przy małym obciąż u
XXXX
X
XX
XXXXX
X
XX
Przepływu
energii
Podział obciążenia pomiędzy linie równoległe
XXXX
X X X X
Podział obciąż a o u i
XXXX
X X X X
Sterowanie przepływem energii
X X X X
Dynamiki i
stabilności
Brak momentu synchronizującego
X X
X
Sterowanie przepływem w stanach nieustalonych
X X X
X
X
X
Oscylacje mocy
X X X
X
X
X
Stabilność napię a X XXX
X
X
gdzie: SC - załączany kondensator; SR - załączany dławik; TCSC - sterowany tyrystorowo kondensator szere-
gowy; ASC/SSSC - udoskonalony kompensator szeregowy/statyczny szeregowy kompensator synchro-
niczny; SVC - statyczny kompensator mocy biernej; STATCOM - statyczny kompensator synchroniczny;
TCPAR - sterowany tyrystorowo przesuwnik kąta fazowego; QBT - kwadraturowy transformator dodaw-
czy; IPC - międzyfazowy sterownik mocy; UPFC - zunifikowany sterownik przesyłu energii.
Typ
urządzenia
Tabela 2. Charakterystyka porównawcza najważniejszych urządzeń regulacji napięcia
Koszty
Odpowiedź,
reakcja na
zaburzenie
Zdolność
podtrzymania napięcia
Inwestycyjne
(na kVAr)
Eksploatacyjne Alternatywne
Generator
Szybka
Bardzo dobra, dodatkowa
krótkotrwała przeciążalność
Trudne do
ustalenia
Wysokie
Są
Maszyna
synchroniczna
Szybka
Bardzo dobra, dodatkowa
krótkotrwała przeciążalność
30-35 USD
Wysokie
Nie ma
SC
Wolna,
schodkowa
Słaba, spada z
V
2
8-10 USD
Bardzo niskie
Nie ma
SVC
Szybka
Słaba, spada z
V
2
45-50 USD Umiarkowane
Nie ma
STATCOM
Szybka
Dobra, spada z
V
50-55 USD Umiarkowane
Są
Celem niniejszego referatu
jest przedstawienie podstaw teoretycznych, właściwości oraz
wybranych rozwiązań i korzyści z zastosowania układów STATCOM i D-STATCOM.
Rys.2. Wygląd zewnętrzny 1-go na świecie ukła-
du STATCOM (80 MVAr, 154 kV), zainstalo-
wanego w podstacji Inuyama (Japonia) w 1991 r.
2. Podstawy teoretyczne
Praca kompensatorów równoległych w systemie elektroenergetycznym, w tym również
układów STATCOM, z założenia powinna prowadzić do stabilizacji napięcia w punkcie przy-
łączenia i do kompensacji mocy biernej. Na tej podstawie, jako model idealnego kompensato-
ra równoległego przyjmuje się zazwyczaj źródło napięcia o zadanej amplitudzie i fazie
[1],[9]. Taki model pozwala na prostą i ogólnie właściwą ocenę zmian przepływów energii w
systemie, spowodowane dołączeniem kompensatorów.
a)
X
/2
I
S
X
/2
b)
I
S
1
X
/2
X
/2
I
S
2
V
S
1
V
m
V
S
2
V
S
1
V
m
V
S
2
c)
I
S
1
X
/4
I
12
X
/4
I
23
X
/4
X
/4
I
S
2
V
S
1
V
m
1
V
m
2
V
m
3
V
S
2
Rys.4. Dwuźródłowy model systemu elektroenergetycznego: a) bez kompensacji; b) z idealnym kompensato-
rem w punkcie środkowym linii; c) z idealnymi kompensatorami rozproszonymi wzdłuż segmentów linii.
a)
b)
c)
jI
12
X
/4
jI
23
X
/4
jI
S
1
X
/2
jI
S
2
X
/2
jI
S
1
X
/4
jI
S
2
X
/4
V
X
=jI
S
X
V
m
2
V
m
3
V
m
V
m
1
V
S
1
V
m
V
S
2
V
S
1
V
S
2
V
S
1
V
S
2
I
S
I
S
1
I
S
2
δ/2 δ/2
δ/2 δ/2
I
S
1
I
S
2
I
12
I
23
Rys.5. Wykresy wskazowe dla modeli systemu przedstawionych odpowiednio na: a) rys.4a; b) rys.4b; c) rys.4c
Na rys.4 przedstawiono modele dwuźródłowe systemu elektroenergetycznego bez kom-
pensatora (rys.4a) i z kompensatorami dołączonymi wzdłuż segmentów linii (rys.4b i rys.4c).
Modele te uzupełniają odpowiednie wykresy wskazowe pokazane na rys.5. Wyznaczone na
ich podstawie moce czynna
P
S
i bierna
Q
S
źródeł zasilających
V
S1
i
V
S2
oraz moc bierna poje-
dynczego kompensatora
Q
m
, w zależności od liczby
N
=1,2,4
równych segmentów, wynoszą:
(a)
N
=
1
,
P
S
=
P
sin
δ
,
Q
S
=
P
max
(
δ
1
−
cos
,
Q
=
0
(b)
N
=
2
,
P
S
=
2
max
sin
( )
δ
2
,
Q
S
=
P
2
max
1
−
cos
( )
δ
2
)
,
Q
m
4
max
(
1
−
cos
( )
δ
2
)
(1)
Q
m
gdzie:
δ - przesunięcie fazowe i
V
– amplituda napięć źródeł
V
S1
i
V
S2
;
P
max
=
V
2
/X
L
- maksy-
malna moc czynna, możliwa w systemie jak na rys.4a;
X
L
- reaktancja linii.
Dla dowolnej liczby
N
segmentów linii zależności (1) przyjmują postać:
( )
N
=
4
,
P
S
=
4
max
P
sin
( )
δ
4
,
Q
S
=
P
4
max
(
1
−
cos
( )
δ
4
)
,
8
max
(
1
−
cos
( )
δ
4
)
P
S
=
NP
max
sin
δ
N
,
Q
S
=
NP
max
(
1
−
cos
( )
δ
N
)
,
Q
m
=
2
max
NP
1
−
cos
( )
δ
N
)
(2)
Jak z tego wynika z przedstawionych powyżej zależności (1) i (2) oraz ilustrujących je
wykresów (rys.6 i rys.7), zwiększenie liczby wydzielonych segmentów linii z dołączonymi
kompensatorami
równoległymi zwiększa możliwości przesyłu mocy czynnej i zmniejsza
ob-
max
P
(
=
P
(c)
=
P
(
a)
b)
c)
4
4
4
3
3
3
P
S
/
P
max
Q
m
/P
max
2
2
2
Q
S
/
P
ma x
P
S
/
P
max
Q
m
/P
max
1
1
1
P
S
/
P
max
Q
S
/P
ma x
Q
S
/P
max
δ
δ
δ
0
π/2
π
0
π/2
π
0
π/2
π
Rys.6. Zmiany mocy w systemach przedstawionych odpowiednio na: a) rys.4a; b) rys.4b; c) rys.4c.
a)
b)
c)
4
P
S
/
P
ma x
4
Q
S
/
P
ma x
4
Q
m
/
P
ma x
N=6
N=2
3
3
3
N=5
N=4
N=3
2
N=3
2
2
N=4
N=2
N=2
N=3
N=4
N=5
N=6
1
1
1
N=5
N=6
δ
δ
δ
0
π/2
π
0
π/2
π
0
π/2
π
Rys.7. Zmiany mocy w systemie przedstawionym na rys.4c przy różnej liczbie
N
segmentów linii:
a) moc czynna
P
S
przesyłana między źródłami
V
S
; b) moc bierna
Q
S
obciążająca źródła
V
S
;
c) moc bierna
Q
m
obciążająca idealne kompensatory
V
m
Rys.8. Względna wartość sumarycznej mocy biernej
Q
mN
wszystkich
kompensatorów (wszystkich źródeł
V
m
), odniesiona do mocy biernej
Q
m2
pojedynczego kompensatora w linii dwusegmentowej (
N
=2)
ciążenie źródeł i pojedynczych kompensatorów zasilających
mocą bierną. W przypadku granicznym
N→∞
mamy:
δ
N=
∞
N=6
2
N=5
N=4
N=3
Q
Wraz ze wzrostem liczby segmentów wzrasta jednak suma-
ryczna moc bierna zainstalowanych kompensatorów:
( )
P
S
→ ,
P
max
Q
S
=→
0
,
→
0
1
N=2
= (3)
i dla
N→∞
dąży do wartości
Q
n
∞
=P
max
δ
2
(rys.8). Uwzględ-
niając ten fakt i coraz mniejsze możliwości zwiększenia prze-
syłanej mocy
P
S
wraz ze wzrostem liczby
N
, nieracjonalnym wydaje się podział linii bezod-
pływowej na więcej niż 2-3 segmenty. Może to być uzasadnione tylko w przypadkach, jeśli
kompensator dołączony jest w węźle odpływowym obciążonym dużą mocą bierną.
Zwiększenie możliwości przepływu energii w linii po zainstalowaniu dynamicznego
kompensatora równoległego, jakim bez wątpienia jest układ STATCOM, ma bardzo duże
znaczenie praktyczne dla stabilnej pracy systemu energetycznego, w szczególności przy du-
żym obciążeniu. Rys.9 ilustruje poglądowo zmiany w systemie dwuźródłowym, dwulinio-
Q
mN
2
N
N
−
1
P
max
(
1
−
cos
( )
δ
N
)
δ
0
π/2
π
Q
mN
/
Q
m2
wym w przypadku zwarcia doziemnego w jednej linii i ciągłemu zapotrzebowaniu na moc P
1
.
W stanie ustalonym przed zwarciem system pracuje punkcie O
1
. Podczas zwarcia maksymal-
na mocy dostarczana z systemu jest za mała na pokrycie zapotrzebowania. Po odłączeniu
zwartej linii niedobór energii
A
1
w czasie zwarcia musi być skompensowany energią
A
2
. Jeśli
jest to spełnione system powraca do stanu równowagi w nowym punkcie pracy O
2
. Obszar
∆
A
m
, odpowiadający różnicy między maksymalną energią, jaką można uzyskać z systemu po
odłączeniu zwartej linii, a energią A
2
=A
1
potrzebną na sprowadzenie systemu do nowego
punktu pracy
O
2
, charakteryzuje margines stabilności przejściowej. Im obszar ∆
A
m
jest więk-
szy, tym system energetyczny szybciej i pewniej powraca do stanu równowagi. Idealny kom-
pensator równoległy zainstalowany w punkcie środkowym linii dwuźródłowej (rys.4b) wielo-
krotnie zwiększa ten obszar w porównaniu z systemem bez kompensatora, co ilustruje rys.10.
Podobnymi właściwościami wyróżniają się układy STATCOM.
a)
b)
przed
zwarciem
a)
P
S
/
P
max
V
S
1
2
P
max
X
T
po odłączeniu
linii
∆
A
m
1
∆
A
m
A
2
O
1
A
2
P
1
O
2
podczas
zwarcia
A
1
X
/2
X
/2
A
1
δ
zwarcie
m
0
δ
1
δ
2
δ
3
δ
gr
π
b)
δ
P
S
/
P
max
2
0
δ
1
δ
2
π/2
δ
3
δ
gr
π
X
/2
X
/2
Rys.9. Przykład zmian punktu pracy
systemu dwuliniowego w wyniku zwar-
cia w jednej z linii: a) model systemu; b)
kryterium równości energii w stanie nie-
ustalonym (lewy).
Rys.10. Ocena zapasu stabilności
przejściowej ∆
A
m
w systemie dwuźró-
dłowym: a) bez kompensacji; b) z ide-
alnym kompensatorem (prawy)
∆
A
m
A
2
1
X
T
A
1
V
S
2
δ
0
δ
1
δ
2
δ
3
δ
gr
=π
3. Właściwości i budowa
Właściwości podstawowe
Układy STATCOM mogą być budowane zarówno na podstawie falowników napięcia
(VSI) jak i falowników prądu (CSI) (rys.11a). W pierwszym rozwiązaniu, układy VSI są do-
łączane do linii zasilającej przez dławik sprzęgający (filtrujący)
L
F
, w drugim na wyjście
układu CSI musi być dołączany równoległy kondensator
C
F
(rolę sprzęgającego może speł-
niać transformator Tr). W obu rozwiązaniach moc czynna może być pobierana lub oddawana
przez STATCOM jedynie w ilości pokrywającej straty, lub wynikającej z konieczności
wstępnego zmagazynowania wymaganej energii w elementach biernych obwodu DC. Bez-
stratny układ kompensatora w stanach ustalonych, nie może pobierać i generować mocy
czynnej, tj. musi być spełniony warunek
P
C
=0. W przeciwnym razie, napięcie kondensatora
C
D
(układ VSI) lub prąd dławika L
D
(układ CSI) ulegałyby jednokierunkowej zmianie, powo-
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • emaginacja.xlx.pl

    •