Εφαρμογή Δικατευθυντικών Αυτόματων Ρυθμιστών Τάσης σε Ορεινά Δίκτυα Διανομής

1. Επισκόπηση

Οι διανομικές δίκτυα στα βουνά είναι εξοπλισμένα με πολλά μικρά υδροηλεκτρικά σταθμούς, τα περισσότερα από τους οποίους είναι σταθμοί με ροή χωρίς δυνατότητα ρύθμισης. Αυτοί οι σταθμοί είναι συνδεδεμένοι με την ίδια γραμμή με ηλεκτρικά φορτία, προκαλώντας κάποιες αρνητικές επιπτώσεις στη λειτουργία του δικτύου. Το πιο ξεχωριστό πρόβλημα μεταξύ αυτών είναι το πρόβλημα της ποιότητας της τάσης. Κατά την υγρή περίοδο, οι μικροί υδροηλεκτρικοί σταθμοί παράγουν ηλεκτρική ενέργεια για το δίκτυο, και η αποτυχία να επιτευχθεί το τοπικό ισοζύγιο παραγωγής-κατανάλωσης οδηγεί σε αύξηση της τάσης της γραμμής. 

Κατά την ξηρή περίοδο, λόγω του μεγάλου μήκους της γραμμής, του μικρού διαμέτρου του καλώδιου και του χαμηλού φορτίου, η τάση στους τελικούς χρήστες της γραμμής είναι εξαιρετικά χαμηλή. Επειδή η παραγωγή και η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας είναι ολοκληρωμένες στην ίδια γραμμή, η κατεύθυνση της ροής ενέργειας στη γραμμή είναι μεταβλητή, προκαλώντας εξαιρετικά ασταθή τάση. Η εγκατάσταση δικτυακών αυτόματων ρυθμιστών τάσης δικτύου με διπλή κατεύθυνση σε μακρές διανομικές γραμμές μπορεί να λύσει το πρόβλημα της ποιότητας της τάσης. Στοχεύοντας στα προβλήματα ποιότητας τάσης των διανομικών γραμμών στα βουνά με μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς, αυτή η εργασία παίρνει ως παράδειγμα τη γραμμή Bibei της IEE-Business και προτείνει μια νέα λύση αυτόματου ρυθμιστή τάσης με διπλή κατεύθυνση.

1.1 Βασικές Πληροφορίες για τη Γραμμή 10kV Bibei

Ως τυπικός αντιπρόσωπος των διανομικών δικτύων στα βουνά, οι βασικές πληροφορίες για τη Γραμμή 10kV Bibei εμφανίζονται στον Πίνακα 1 παρακάτω. 

Οι στατιστικές για τους δείκτες ποιότητας τάσης 39 μετατροπείς διανομής στην περιοχή εφοδιασμού το 2012 δείχνουν ότι η μέγιστη ποσοστώση είναι 998%, η ελάχιστη 544% και μόνο 6 μετατροπείς διανομής αποτελούνται τις προδιαγραφές για την ποιότητα τάσης, που αντιπροσωπεύουν 153%. Η μέγιστη καταγεγραμμένη τιμή τάσης είναι 337V, υπερβαίνοντας την επιτρεπτή τιμή κατά 43%. Το πρόβλημα της τάσης είναι προεξισχυμένο, με συχνές οπτικές βλάβες ηλεκτρικών συσκευών στους χρήστες και πολλές καταγγελίες σχετικά με την τάση.

1.2 Ανάλυση των Ανωμαλιών Τάσης

Οι κύριοι λόγοι που οδηγούν στο πρόβλημα ποιότητας τάσης της γραμμής Bibei είναι οι εξής:

(1) Προεξισχυμένη αντίθεση μεταξύ βρεγμένης και ξηρής περιόδου. Ο τρόπος λειτουργίας των μονάδων ροϊκής υδροηλεκτρικής ενέργειας είναι στενά συνδεδεμένος με την εισροή νερού. Επειδή η εγκατεστημένη ισχύς των μικρών υδροηλεκτρικών σταθμών είναι πολύ μεγαλύτερη από την ικανότητα φορτίου, μεγάλη ποσότητα περιττής ηλεκτρικής ενέργειας μεταφέρεται στο δίκτυο κατά τη βρεγμένη περίοδο. Κατά τη ξηρή περίοδο, το τοπικό φορτίο εφοδιασμού εξαρτάται κυρίως από την προσθήκη του δικτύου, επιφέροντας σημαντικές αλλαγές στον τρόπο λειτουργίας μεταξύ των περιόδων, που επηρεάζουν σοβαρά την ποιότητα της ενέργειας και καθιστούν δύσκολη την επίτευξη της επιθυμητής επιπέδου τάσης στην περιοχή.

(2) Έλλειψη αποτελεσματικής διανύσεως και εποπτείας για τους μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Λόγω της μικρής μονάδας ισχύος, της μεγάλης ποσότητας, της ευρείας κατανομής, της ποικιλομορφίας της ιδιοκτησίας και της σημαντικής επιρροής της εποχιακής λειτουργίας των μικρών υδροηλεκτρικών σταθμών, είναι δύσκολο να επιτευχθεί ενιαία εποπτεία και ελεγχος. Συνεπώς, τα τοπικά προσαρμογή για μεμονωμένες περιοχές μετατροπέα δεν έχουν σημαντική επίδραση στη βελτίωση της ποιότητας τάσης.

(3) Δυσκολία στη λειτουργία και τον έλεγχο των μετατροπέων. Η κατεύθυνση της ροής ενέργειας στη γραμμή αλλάζει συχνά. Κατά τη βρεγμένη περίοδο, η ενέργεια παράγεται για το δίκτυο, και οι μετατροπείς διανομής λειτουργούν με προσαρμογή των διαδρομών τάσης για μείωση της τάσης, ώστε η τάση στο σημείο χρήστη να μην καίει τις ηλεκτρικές συσκευές λόγω υπερβολικών επιπέδων. Κατά τη ξηρή περίοδο, η ενέργεια απορροφάται από το δίκτυο, και οι μετατροπείς διανομής λειτουργούν με προσαρμογή των διαδρομών τάσης για αύξηση της τάσης, ώστε η τάση στο σημείο χρήστη να μπορεί να χρησιμοποιηθεί φυσικά χωρίς να είναι πολύ χαμηλή. Συνεπώς, οι απαιτήσεις για μείωση και αύξηση της τάσης στους μετατροπείς αλλάζουν συχνά, κάνοντας δύσκολη την εκτέλεση των προσαρμογών σε συνδυασμό με τις αλλαγές της ροής ενέργειας.

(4) Ο κύριος μετατροπέας της παροχής ενέργειας υψηλότερου επιπέδου χρησιμοποιεί αλλαγή διαδρομής χωρίς φορτίο με μικρό αριθμό διαδρομών και περιορισμένο εύρος προσαρμογής.

2. Εφαρμογή Δικτυακών Μετατροπέων Ρύθμισης Τάσης Διπλής Κατεύθυνσης

2.1 Επιλογή Λύσεων

Με τη μελέτη των χαρακτηριστικών λειτουργίας των δικτύων διανομής στα βουνά με μεγάλο αριθμό μικρών υδροηλεκτρικών σταθμών και την ανάλυση της εφαρμοσιμότητας των υφιστάμενων μεθόδων ρύθμισης τάσης, αυτό το έγγραφο επιλέγει μια λύση αυτόματης διπλής ρύθμισης τάσης με ισχυρή λειτουργικότητα και καλή πρακτική εφαρμοσιμότητα.

2.2 Αρχή και Επιπτώσεις Δίδρομων Ρυθμιστών Τάσης

2.2.1 Λειτουργική Αρχή Δίδρομου Αυτόματου Ρυθμιστή Τάσης Για Γραμμές Κατανομής

Ο δίδρομος αυτόματος ρυθμιστής τάσης για γραμμές κατανομής αποτελείται κυρίως από τέσσερα μέρη: έναν τριφασικό αυτοτρανσφορματορικό ρυθμιστή τάσης, έναν τριφασικό ρυθμιστή τάσης υπό φορτίο, έναν ελεγκτή και ένα μέτρημα ροής ενέργειας. Το μέτρημα ροής ενέργειας ανιχνεύει την κατεύθυνση του ρεύματος για να αναγνωρίσει την κατεύθυνση της ροής ενέργειας στη γραμμή και να στείλει αυτό το σήμα στον ελεγκτή. Ο ελεγκτής κρίνει αν πρέπει να αυξήσει ή να μειώσει την τάση βάσει των σημάτων τάσης και ρεύματος, επειτα ελέγχει τη λειτουργία του μοτέρ στον ρυθμιστή τάσης υπό φορτίο για να οδηγήσει τον ρυθμιστή να αλλάξει τις συνδέσεις. Αυτό αλλάζει το λόγο περιστροφών του τρανσφορματορα για να επιτευχθεί η αυτόματη ρύθμιση τάσης υπό φορτίο. Ο τριφασικός ρυθμιστής τάσης υπό φορτίο προσαρμόζει τον λόγο περιστροφών του τρανσφορματορα για να αλλάξει την εξόδια τάση.

2.2.2 Θεωρητική Ανάλυση Επιπτώσεων

Στην ξηρή περίοδο: Οι αλλαγές στην τάση της γραμμής πριν και μετά την εγκατάσταση του BSVR εμφανίζονται στο Σχήμα 1.

Κατά την ξηρή περίοδο, μετά την εγκατάσταση του δίδρομου ρυθμιστή τάσης BSVR, οι τάσεις στο τέλος της κύριας γραμμής και σε κάθε κλάδο αυξάνονται. Αυτό λύνει το πρόβλημα της μη επαρκούς τάσης της γραμμής και εξασφαλίζει την ποιότητα της ενέργειας για τους χρήστες της γραμμής κατά την ξηρή περίοδο.

Στη βρεχερή περίοδο: Οι τάσεις σε διάφορα σημεία της γραμμής πριν και μετά την εγκατάσταση του BSVR κατά την βρεχερή περίοδο εμφανίζονται στο Σχήμα 2.

Κατά την βρεχερή περίοδο, η εγκατάσταση του δίδρομου ρυθμιστή τάσης BSVR βελτιώνει τις τάσεις στο τέλος της κύριας γραμμής και σε κάθε κλάδο. Διασφαλίζει όχι μόνο την κανονική μεταφορά ενέργειας από μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς στο δίκτυο, αλλά και την ποιότητα της ενέργειας για τους χρήστες στα μέσα και τα τέλη της γραμμής.

2.3 Εφαρμοσμένες Επιπτώσεις

Σύμφωνα με τις πραγματικές συνθήκες της γραμμής, ο δίδρομος ρυθμιστής τάσης εγκαταστάθηκε στην Στήλη 63 της κύριας γραμμής με δυναμικό 3000kVA. Λαμβάνοντας υπόψη τις πραγματικές συνθήκες και της ξηρής και της βρεχερής περιόδου, ο πεδίος ρύθμισης του ρυθμιστή επιλέχθηκε -15% έως +15%.

Η ποιότητα τάσης αυτής της γραμμής έχει βελτιωθεί σημαντικά. Μειώνει όχι μόνο την κατώτατη τάση για τους μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς να μεταφέρουν ενέργεια στο κύριο δίκτυο (έτσι οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί δεν χρειάζεται να αυξήσουν υπερβολικά την τάση), αλλά αυξάνει επίσης την τάση στην αρχική τομέα της γραμμής μέσω του ρυθμιστή. Αυτό εξασφαλίζει ότι οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί μπορούν να μεταφέρουν ενέργεια στο δίκτυο, ενώ αυξάνει την ποσοστώση ικανοποίησης τάσης για τους πελάτες στη γραμμή και εγγυάται την ασφαλή και σταθερή λειτουργία του δικτύου ενέργειας.

3. Συμπέρασμα

Όταν εφαρμόζεται ο δίδρομος αυτόματος ρυθμιστής τάσης σε γραμμές που εφοδιούνται από μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς, και οι θεωρητικοί υπολογισμοί και οι πρακτικές εφαρμογές δείχνουν ότι η εγκατάσταση ενός δίδρομου αυτόματου ρυθμιστή τάσης για γραμμές κατανομής μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ποιότητα τάσης, επιλύοντας ολοκληρωτικά την αντίθεση ρύθμισης τάσης μεταξύ της ξηρής και της βρεχερής περιόδου.