Aplikace obousměrných automatických napěťových regulátorů v horských distribučních sítích

1. Přehled

Horské distribuční sítě jsou vybaveny mnoha malými vodními elektrárnami, z nichž většina je přeponových elektráren bez regulační kapacity. Tyto elektrárny jsou připojeny ke stejné lince jako elektrické spotřebiče, což má určité negativní dopady na provoz elektrické sítě. Nejvýraznější problém mezi nimi představuje problém kvality napětí. Během deštivé sezóny malé vodní elektrárny dodávají elektrickou energii do sítě, a neúspěch v dosažení místní rovnováhy v produkci a spotřebě elektrické energie vedou k zvýšenému napětí na lince. 

Během suché sezóny, kvůli dlouhé délce linky, malému průměru drátu a nízké spotřebě, je napětí u koncových uživatelů linky extrémně nízké. Protože výroba a dodávka elektrické energie jsou integrovány na stejné lince, směr toku energie na lince se mění, což vede k velmi nestabilnímu napětí. Instalace obousměrných automatických regulátorů napětí na dlouhých distribučních lincích může řešit problém kvality napětí. Soustředíme-li se na problémy s kvalitou napětí v horských distribučních lincích s malými vodními elektrárnami, tento článek bere jako příklad lici Bibei od určitého Elektrárenského úřadu a navrhuje nové řešení obousměrného automatického regulátoru napětí.

1.1 Základní informace o linci 10kV Bibei

Jako typický zástupce horských distribučních sítí, základní informace o linci 10kV Bibei jsou uvedeny v níže uvedené tabulce 1. 

Statistiky ukazují, že v roce 2012 byl maximální podíl splnění kvalifikačního nároku na napětí 99,8 %, minimální 54,4 % a pouze 6 distribučních transformátorů splňovaly standardní požadavky na kvalifikaci napětí, což představuje 15,3 %. Maximální zaznamenaná hodnota napětí byla 337 V, což představuje překročení povolené hodnoty o 43 %. Problém s napětím je značný, často dochází ke škodám na elektrických spotřebičích u uživatelů a k mnoha stížnostem týkajícím se napětí.

1.2 Analýza anomálií napětí

Hlavní důvody vedoucí k problému s kvalitou napětí na lince Bibei jsou následující:

(1) Značný rozdíl mezi mokrým a suchým obdobím. Režim provozu přečerpávacích vodních elektráren je úzce spojen s přílivem vody. Protože instalovaný výkon malých vodních elektráren je mnohem větší než kapacita zátěže, během mokrého období se do sítě přenáší velké množství nadbytkové elektrické energie. Během suchého období se místní dodávka energie spoléhá převážně na doplnění ze sítě, což vede k výrazným změnám v režimu provozu mezi mokrým a suchým obdobím, což závažně ovlivňuje kvalitu dodávané energie a ztěžuje dosažení kvalifikované úrovně napětí v oblasti.

(2) Nedostatek efektivního dispečinku a monitoringu malých vodních elektráren. Vzhledem k malé jednotkové kapacitě, velkému množství, širokému rozdělení, různorodosti vlastnických práv a významnému sezónnímu vlivu na provoz malých vodních elektráren je obtížné dosáhnout jednotného monitoringu a řízení. Proto mají lokální úpravy pro jednotlivé transformátorové oblasti nepatrný vliv na zlepšení kvality napětí.

(3) Obtížná operace a regulace transformátorů. Směr toku energie na lince se často mění. Během mokrého období se energie generuje do sítě a distribuční transformátory jsou provozovány s nastavením kluzáků na snížení napětí, aby se zabránilo shoření spotřebičů u uživatelů kvůli příliš vysokému napětí. Během suchého období se energie přijímá ze sítě a distribuční transformátory jsou provozovány s nastavením kluzáků na zvýšení napětí, aby se zajistilo, že uživatelské napětí není příliš nízké. Proto se často mění požadavky na snižování a zvyšování napětí transformátorů, což ztěžuje provedení operačních úprav v souladu s měnícím se směrem toku energie.

(4) Hlavní transformátor horního dodavatele energie používá bezzátěžové přepínání s malým počtem kluzáků a omezeným regulačním rozsahem.

2. Aplikace obousměrných regulačních transformátorů

2.1 Výběr řešení

Studiem provozních charakteristik horských distribučních sítí s velkým počtem malých vodních elektráren a analýzou použitelnosti stávajících metod regule napětí bylo vybráno řešení obousměrného automatického regulačního transformátoru s vysokou provozní schopností a dobrými praktickými vlastnostmi.

2.2 Princip a účinky obousměrného transformátoru pro regulaci napětí

2.2.1 Pracovní princip obousměrného automatického regulátoru napětí na vedení

Obousměrný automatický regulátor napětí na vedení se hlavně skládá ze čtyř částí: třífázového autotransformátoru pro regulaci napětí, třífázového přepínače s nákladem, řadiče a modulu pro identifikaci toku energie. Modul pro identifikaci toku energie detekuje směr proudu k identifikaci směru toku energie na lince a odesílá tento signál do řadiče. Řadič rozhoduje, zda je třeba zvýšit nebo snížit napětí na základě signálů napětí a proudu, poté ovládá motor uvnitř přepínače s nákladem, aby poháněl přepínač k přepnutí spojů. Tím se mění poměr cívek transformátoru, což umožňuje automatickou regulaci napětí pod nákladem. Třífázový přepínač s nákladem upravuje poměr cívek transformátoru, aby změnil jeho výstupní napětí.

2.2.2 Teoretická analýza účinků

Suchý období: Změny napětí na lince před a po instalaci BSVR jsou znázorněny na obrázku 1.

Během suchého období, po instalaci obousměrného regulátoru napětí BSVR, se zvýšila napětí na konci hlavní linky a na každé vedlejší linii. To vyřešilo problém s nekvalitním napětím na lince a zajistilo kvalitu spotřeby elektřiny pro uživatele na lince během suchého období.

Mokré období: Napětí v různých bodech linky před a po instalaci BSVR během mokrého období je znázorněno na obrázku 2.

Během mokrého období, instalace obousměrného regulátoru napětí BSVR zlepšila napětí na konci hlavní linky a na každé vedlejší linii. To nejen zajišťuje normální přenos energie z malých vodních elektráren do sítě, ale také garantuje kvalitu spotřeby elektřiny pro uživatele v prostředních a zadních částech linky.

2.3 Aplikační účinky

V souladu s reálnými podmínkami linky byl obousměrný regulátor napětí nainstalován na stožáru 63 hlavní linky s kapacitou 3000 kVA. S ohledem na reálné podmínky jak suchého, tak mokrého období byl rozsah nastavení regulátoru vybrán od -15% do +15%.

Kvalita napětí na této lince byla významně zlepšena. Nejen snižuje to hranici napětí pro malé vodní elektrárny, aby mohly dodávat energii hlavní síti (takže vodní elektrárny nemusí nadměrně zvyšovat napětí), ale také zvyšuje napětí na počátečním úseku linky pomocí regulátoru. To zajišťuje, že vodní elektrárny mohou dodávat energii do sítě, zatímco zvyšuje také míru kvalifikace napětí pro zákazníky na lince a zajišťuje bezpečné a stabilní fungování elektrické sítě.

3. Závěr

Použití obousměrného zařízení pro automatickou regulaci napětí na linkách zásobovaných malými vodními elektrárnami ukazuje, že teoretické výpočty i praktické aplikace naznačují, že instalace obousměrného regulátoru napětí na vedení může velmi zlepšit kvalitu napětí a komplexně vyřešit konflikt mezi regulací napětí v suchém a mokrém období.