Cap. Cap. 3. 3. Cont Control rolul ul tensiun tensiunii ii şi calitatea energiei electrice 3.1 Aspecte generale privind calitatea energiei electrice Calit Calitat atea ea en ener ergi giei ei elec electr tric icee repr reprez ezin inttă o cerinţă de primă însemnătate în exploatarea RE, fiind caracterizată de o serie de indicatori urmăriţi atât de furnizori cât şi de consumatori: i. valorile şi limitele de varia ţie ale frecvenţei (în (în general general 49,5...50 49,5...50,2 ,2 Hz); ii. nivelul de tensiune şi abaterile admisibile: 3% 10% ; iii. gradul gradul de nesimetrie nesimetrie al sistemului sistemului trifazat trifazat de tensiune; tensiune; iv. gradul gradul de deform deformare are a undei undei de tensiune; tensiune; v. continuitatea în alimentare. 1
iu şi timp: Tensiunea reprezintă un parametru de regim, variabil în spa ţ iu - în spaţiu, datorită căderilor de tensiune în elementele re ţelei electrice r ăspândite teritorial; - în titimp, da datorită modificărilor continue a puterilor absorbite de consumatori, a schemei de funcţionare impuse de optimizarea regimului, de producerea unor avarii sau deconectarea unor elemente pentru revizii. ăţ ii Nivelul de tensiune este strâns legat de asigurarea stabilit ăţ ii statice şi dinamice a SEE, din care cauz ă reglajul primar, secundar şi ter ţ iar iar constituie una din problemele importante şi dificile ale exploat ării SEE.
Reglajul U-Q într-un sistem electroenergetic desemnează capacitatea acestuia de a furniza puterea reactivă necesar ă pentru a menţine tensiunea la valoarea dorită. 2
iu şi timp: Tensiunea reprezintă un parametru de regim, variabil în spa ţ iu - în spaţiu, datorită căderilor de tensiune în elementele re ţelei electrice r ăspândite teritorial; - în titimp, da datorită modificărilor continue a puterilor absorbite de consumatori, a schemei de funcţionare impuse de optimizarea regimului, de producerea unor avarii sau deconectarea unor elemente pentru revizii. ăţ ii Nivelul de tensiune este strâns legat de asigurarea stabilit ăţ ii statice şi dinamice a SEE, din care cauz ă reglajul primar, secundar şi ter ţ iar iar constituie una din problemele importante şi dificile ale exploat ării SEE.
Reglajul U-Q într-un sistem electroenergetic desemnează capacitatea acestuia de a furniza puterea reactivă necesar ă pentru a menţine tensiunea la valoarea dorită. 2
Limitele sau abaterile tensiunii sunt stabilite astfel încât s ă fie realizate exigenţele: - securitatea echipamentelor , având în vedere că izolaţia în instalaţii impune să nu se de depăşească o valoare maximă a U; - securitatea în func ţ ionare care are are în vede vedere re evita evitarea rea declan declanşării şi ionare a SEE, care producerii colapsului de U. Pornind de la această exigenţă se defineşte o valoare minimă a U sub care există riscul pr ă buşirii U şi ieşirea din funcţionare a sistemului; d.p.d. d.v. v. econ econom omic ic,, se va acţiona pentru minimizarea pierderilor de putere şi - d.p. energie în RET şi RED.
Echipamente utilizate pentru reglajul U-Q: i. generatoarele sincrone; ii. transformatoarele cu reglaj în gol sau în sarcină; iii. dispozitive de compensare de tip derivaţie (compensatoare sincrone, baterii cu condensatoare etc.); iv. dispozitive de compensare de tip derivaţie instalate în reţeaua de distribuţie; v. dispozitive de tip FACTS.
3
3.2 Rolul şi locul reglajului de tensiune • Rolul ac ţ iunilor de reglare: Compensarea căderilor de tensiune care au loc ca urmare a trecerii curen ţilor variabili ai sarcinilor, în scopul alimentării consumatorilor la o tensiune cât mai constant ă. Nivelul de tensiune este strâns legat de gradul de vehiculare al puterii active şi în special al puterii reactive prin impedanţele liniilor şi transformatoarelor. 1
I
+ j V 1
2
P2+jQ2
Z=R+jX V 1
2
I a
0
V 2
V 1
-jI r i2 =I2 =I
V 2
A R I
C
I j X
V 12 D
E
B V 12
DV 12
Fig. 3.1 Diagrama fazorială fundamentală a căderilor de tensiune.
Căderea de tensiune fazorială: V 1 V2
• Componenta longitudinală: RP XQ2 RP2 XQ2 V 2 V2 V n
RP2 XQ2 XP RQ2 j 2 V2 V 2 • Componenta transversală: V
P2 RQ2 XP2 RQ2 V2 V n
4
Având în vedere că în reţelele de transport R<
V
V
(3.1)
P2 XP 2 unde V2 V n V2 V n
sin
XP V P2 2 arcsin 22 V1 Vn V n
(3.2)
Obs. Se constată că nivelul de tensiune într-o reţea este determinat cu precădere de circula ţ ia de putere reactiv ă (3.1), iar defazajul dintre tensiuni de circula ţ ia de putere activă (3.2). 5
• Sarcina principal ă în reglarea tensiunii constă în asigurarea nivelului de tensiune admisibil atât la receptoarele din nodurile cele mai îndep ărtate de sursele de putere reactivă, cât şi a receptoarelor din apropierea acestor surse, în diverse regimuri de funcţionare. • Calitatea reglajului de tensiune: Dacă se consider ă că Umin şi Umax sunt valorile minimă şi maximă ale tensiunii U(t) într-un interval T, atunci abaterea maximă de tensiune este dată de relaţia: U max
U max U min 100% U n
Pentru aprecierea calităţii reglajului tensiunii în SEE se stabilesc aşa zisele benzi de tensiune, care exprimă abaterile admisibile de tensiune în raport cu tensiunea nominal ă. - U max admisibil ă impusă de nivelul de izola ţ ie al instalaţiilor precum şi de restric ţ iile privind perturba ţ iile asupra liniilor de comunica ţie; - U min admisibil ă impusă de criteriile men ţ inerii stabilit ăţ ii în funcţionarea sistemului. 6
Pentru încadrarea tensiunii în benzile admisibile se aleg, în cadrul SEE, câteva puncte sau noduri pilot unde se reglează tensiunea la anumite valori, astfel încât tensiunea în celelalte noduri s ă se încadreze în benzile impuse. În general, punctele pilot se aleg, dintre nodurile cu putere de scurtcircuit cât mai mare. Alegerea punctelor pilot se poate face şi pe considerente geografice având în vedere structura RE într-o zon ă, astfel fiecărui nod pilot îi este asociată o zonă cuprinzând un număr de noduri şi grupuri reglante. • Locul unde se realizează reglajul de tensiune: - reglaj la bornele consumatorilor; - reglaj în staţiile de transformare din RE de transport; - reglaj în centralele electrice folosind reglajul primar şi dispozitivul RAT. 7
3.3. Metode şi mijloace de reglare a tensiunii Metodele de reglare a tensiunii se bazează pe modificarea sau compensarea căderilor de tensiune în reţea, în sensul reducerii sau creşterii acestora, după cum nivelul de tensiune este mai ridicat sau mai redus faţă de cel impus. Considerând expresia componentei longitudinale a c ăderii de tensiune: V RI a XI r strategiile de reglare se clasifică în: • Strategii bazate pe reducerea XI r : Baterii cu condensatoare Reducerea Ir Compensatoare sincrone şi statice Conectări de linii şi transformatoare în paralel Reducerea X Conectarea de condensatoare serie
8
• Strategii bazate pe compensarea căderii de tensiune: Cu ajutorul transformatoarelor cu reglaj sub sarcin ă Compensarea căderii de tensiune
Reglarea tensiunii la bornele generatoarelor
Metodele de reglare a tensiunii: a) Introducerea de tensiuni suplimentare, pentru compensarea ΔV folosind transformatoare şi ATR cu reglaj sub sarcină sau tehnologii de tip FACTS; b) Modificarea parametrilor re ţ elei (R, X), introducând în serie condensatoare fixe sau variabile sau modificând structura reţelei; c) Modificarea circula ţ iei de putere reactivă , prin injectarea / consumul de Q folosind baterii cu condensatoare, compensatoare statice, sincrone, bobine transversale etc. 9
3.3.1. Reglarea directă prin prizele transformatoarelor şi autotransformatoarelor Scopul: Introducerea tensiunii suplimentare longitudinale se face în sensul scăderii sau creşterii tensiunii reţelei, mărind sau micşorând raportul de transformare prin modificarea num ărului de spire din înf ăşurarea primar ă sau secundar ă. Reglarea prizelor: Modificarea în trepte a numărului de spire se realizează cu ajutorul unor prize (ploturi) scoase de pe înf ăşurarea reglată şi a unui comutator de prize: - modificarea prizei de funcţionare se realizează “la mersul în gol”, pentru transformatoare de mică putere; - modificarea prizei de funcţionare se realizează “în sarcină”, pentru transformatoare de mare putere. • De regulă înf ăşurarea cu prize este înf ăşurarea cu tensiunea cea mai ridicat ă , soluţie care se justifică pentru că înf ăşurarea de IT este mai accesibilă, iar realizarea comutatorului de prize este simplificată deoarece se lucrează la curenţi mai mici.
10
• La
transformatoarele ridicătoare, tensiunea prizei mediane este cu 10% mai mare decât tensiunea nominală a reţelei secundare la care este conectat transformatorul;
• La transformatoarele coborâtoare, tensiunea prizei mediane este egală cu tensiunea nominală a reţelei primare la care este conectat transformatorul. ÎT MT
ÎT
a.
MT b.
Fig. 3.2 Schemele transformatoarelor: a. transformator ridicător b. transformator coborâtor
• Fie raportul de transformare V n n V N ij 0 IT IT VMT V IT MT IT V MT nMT nIT Nij 0
(3.3)
Pentru o tensiune V IT dat ă şi un număr de spire n MT constant, orice reducere a nr. de spire pe IT, deci a raportului N ij0 se traduce printr-o cre ştere a tensiunii V MT . Invers orice cre ştere a nr. de spire n IT provoacă o reducere a tensiunii V MT .
• Treapta de reglare, reprezintă tensiunea suplimentar ă introdusă în gol, în sens pozitiv sau negativ, la modificarea cu o unitate a nr. de prize, ea exprimându-se în procente din tensiunea prizei mediane:
v
v %
100
V IT nom .
(3.4) 11
Tensiunea corespunzătoare la o priză n p este v% V IT priză V IT nom. 1 n p 100
(3.5)
respectiv noul raport de transformare devine:
N
nou ij
v% V IT nom nom 1 n p 100 V MT
(3.6)
În sistemul electroenergetic din România, numărul de prize şi treptele de reglare sunt de ordinul: • la 110/6,3 (11): ±9×1,78%; la 220/121: ±12×2,5%; la 400/231: ±12×1,5%; • transformatoarele conectate bloc cu generatoarele la nivelul de 220 kV sunt prevăzute f ăr ă reglaj, cu reglaj în gol (±5%) sau cu reglaj în sarcin ă (±12×1,5%); • autotransformatoarele conectate între niveluri vecine de tensiune dispun de o gamă de reglare de: 231 ±12×1,25% / 121/10,5; 400 ±12×1,25% / 231 / 22 kV. 12
Determinarea prizei de func ţionare a transformatoarelor Se consider ă reţeaua de alimentare a unui consumator (fig. 3.3). V 2
V 1
P20+jQ20
a.
1
Z = jX
I 2
2
2
I 2 V 1
V 2 '
V 2
Nij =
Z c
V 2' V 2
b.
Fig. 3.3. Schemă echivalentă pentru calculul prizei de funcţionare.
- Pentru un anumit regim de funcţionare se cunosc: V 1, P 20, Q20; - Prin modificarea numărului de prize în funcţiune, n p, se poate controla 13 tensiunea la consumator pentru a obţine V 2dorit .
Relaţia de legătur ă între tensiuni:
V 1 V 2' V 12 sau, în cazul neglijării componentelor transversale: RP XQ20 V1 V2' V V2' 20
V 2'
(3.7)
Din ecuaţia (3.7) se obţine:
V2'2 VV 1 2' RP20 XQ20 0 Dacă N ij
V 2' rezultă: V 2
N ij2V22 N ijVV 1 2 P20 R Q20 X 0
(3.7 ') 14
Soluţia ecuaţiei (3.7’) este: N ijV1 N ij2V12 4 N ij2 ( RP20 XQ20 ) V 2 2 N ij2
respectiv soluţia viabilă V1 V12 4( RP20 XQ20 ) V 2 2 N ij
(3.8)
V1 V12 4( RP20 XQ20 ) N ij 2V 2 dorit ă
(3.8')
sau
Obs. Tensiunea V2 este invers propor ţională cu raportul Nij; deci prin micşorarea raportului Nij într-o anumită propor ţie, V2 va creşte în aceeaşi propor ţie. 15
Din expresia (3.6) a raportului de transformare se deduce numărul prizei n p: V IT nom v% Nij nom 1 n p V MT 100
(3.6)
nom 100 V MT n p N 1 ij v% V IT nom
(3.9)
Dacă în (3.9) se înlocuieşte N ij din relaţia (3.8’), rezultă: nom 100 V MT 2 n p V V RP XQ 4 1 20 1 1 20 v 2V ITnomV 2 dorit ă
(3.10)
Valoarea lui n p astfel obţinută se rotunjeşte la un număr întreg în interiorul domeniului de reglare.
16
Caracteristica statică a transformatorului V 2= f(N) Se consider ă schema din figura 3.4 în care s-au f ăcut următoarele ipoteze simplificatoare: - s-a neglijat rezistenţa liniei şi a transformatorului, adică Z jX ; - se consider ă sarcina pur rezistivă, Z R . c
1
Z = jX
I 2
c
2
2 I 2
V 1
V 2 '
V 2
Nij =
Fig.3.4
Z c
V 2 ' V 2
Relaţiile dintre tensiunile de fază şi curenţi sunt: V 1 V 2' Z I 2' V 2 Z c I 2
(3.11) 17
Alegând ca origine de fază tensiunea la bornele consumatorului, adică V =V 0 şi ţinând cont de expresia raportului de transformare: 2
N
V2' I 2 V2 I 2'
din (3.11) rezultă
V 1 V 2' jX I 2' V 2 Rc I 2
(3.11')
respectiv X V 2 X 1 NV2 1 j V 1 NV2 j N Rc Rc N 2
Modulul tensiunii V1 are expresia: 2
X 1 V1 NV 2 1 4 Rc N
(3.12) 18
2
Rezultă că tensiunea V 2 la consumator are expresia:
V 2
sau
V1 X N 1 2 R N c
V2 f N
NRcV 1 X
2
V 1
Rc N 2 X 1 Rc N X
1
2
(3.13)
2
R 1 c N 4 X
Relaţia (3.13), care stabileşte dependenţa tensiunii la bornele consumatorului în funcţie de valoarea raportului de transformare, define şte caracteristica statică a transformatorului prevă zut cu reglaj sub sarcină , prezentată în figura 3.5. V 2 V 2max
V 2,d
B
N B
A
N max
N A
Fig.3.5 Caracteristica V2= f(N)
N
19
În expresia (3.13) se introduc următoarele notaţii: R V R a b 2
c
1
(3.14)
c
2
Rezultă: V 2
Na
(3.13')
4
1 bN
Maximul funcţiei V2= f(N) se obţine punând condiţia 4bN 3
4
dV 2 0 dN
a 1 bN aN 4 4 a bN abN 1 2 4 dV 2 2 1 bN 2 3 dN 4 4 1 bN 1 bN
respectiv dV 2 dN
4 a 1 bN max
4 1 bN max
3
0
' (3.15) n f ( x) ' 1 [ f ( x)]
n
'
n
[ f ( x)]n1 '
'
f ( x) ( x) g ( x) f ( x ) g ( x ) g ( x ) 2 g ( x) 20
În acest sens se impune ca: 4 0 1 bN max
adică N max 4
1 X b Rc
(3.16)
Valoarea maximă a tensiunii corespunzătoare lui Nmax ,este: V2 max
V1 2 N max
V 1
2
X Rc
V 1
Rc 2 X
(3.17)
După cum se va ar ăta în capitolul “Stabilitatea de tensiune”, (Cursul de Dinamica Sistemelor Electroenergetice) punctele de echilibru (punctele posibile de funcţionare), se obţin intersectând graficul caracteristicii statice V 2= f ( N ) cu dreapta V 2=V 2d (3.13). Dacă V 2d V 2max nu există nici un punct de func ţionare. Aceasta demonstrează faptul că nu se poate ob ţ ine orice valoare V 2d la bornele consumatorului prin 21 modificarea raportului de transformare.
3.3.2. Reglarea indirect ă a tensiunii şi unghiului de fa fază cu ansambluri de reglare cu transformatoare supravoltoare longitudinal , constă în injectarea unei tensiuni în fază, cu amplitudine i) Reglajul longitudinal reglabilă, în serie pe linie. + V 0o
nou
V a
V a
V a
V b
V b
V b
V c
V c
V c
nou
o V + V 0
V
nou
b) V b
V b V a
V a
V c
a)
V c
Fig. 3.6. Reglare longitudinală.
c)
22
ăşurarea secundar ă a trans Înf ăş transfo form rmat ator orul ului ui sup supra ravo volt ltor or este este ăşurarea primar ă este alimentată de la un înseriată pe linie, iar înf ăş transforma transformator tor (sau autotransf autotransforma ormator) tor) reglabil. reglabil. Se poate asigura asigura astfel un domeniu de reglare de circa 10-15% din tensiunea nominal ă a liniei. Pierderile de putere în întreaga instala ţie sunt aproximativ de 0.5% din puterea transportat ă pe linia reglată.
23
ii) Reglajul transversal , constă în injectarea unei tensiuni defazată cu un unghi 90 în raport cu tensiunea V. + V 90o
V a
V a
nou
V a
V
V
nou
=V + V 90
nou
V b
V b
V b
V c
V c
V c
b) V a
nou
V a
nou
V a
nou
ATR
Transformator supravoltor
a)
V c
V b
V c
V c V
nou
=V + V 90
c) Fig. 3.7. Reglaj transversal.
V b
nou
V b
o
24
o
iii) Reglajul longo-transversal , care se obţine din combinarea celor două tipuri de reglare – longitudinal ă şi transversală – permite modificarea circulaţiei puterilor active şi reactive prin transformator. V a
V a
nou
V a
V a
V a nou
V b
V c
V b V c
V c
V c
V b V c
nou
V b
V b
Fig. 3.8. Diagramele fazoriale pentru transformatorul cu reglaj longo-transversal.
Va , Vb , V c
tensiunea reglată cu ajutorul prizelor
nou ; V V nou V V a este rotit faţă de V a a a a
25
În cazul transformatoarelor cu reglaj longotransversal raportul de transformare se exprimă printr-un număr complex, pentru că tensiunea secundar ă este rotită faţă de cea primar ă cu unghiul Ω: V a (3.18) N V a V a N N 0 1 Te j unde: N 0
T
V
100
(w wn w)
w
raportul nominal;
Te j raportul variabil cu numărul de prize; unghiul de reglaj (-60; +60; 0; -120; +120).
Modificarea circulaţiei transformatorului supravoltor:
puterilor
Sensul circulaţiei puterii
active
De la FIT spre IT
şi
reactive
cu
ajutorul
De la IT spre FIT
Tip reglaj
P
Q
P
Q
+120o
creşte
creşte
scade
scade
-120o
scade
creşte
creşte
scade
+60o
creşte
scade
scade
creşte
-60o
scade
scade
creşte
creşte
26
3.3.3 Reglarea tensiunii prin modificarea parametrilor re ţelei Scopul: Creşterea / reducerea nivelului tensiunii în reţeaua electrică. a) Prin modificarea numărului de circuite (linii sau trafo) func ţ ionând în paralel , se modifică parametrii reţelei: - În practica curentă de exploatare, nu este recomandată - din motive de siguranţă în alimentare - conectarea/deconectarea liniilor electrice; - În comparaţie cu liniile electrice, transformatoarele care prezintă o siguranţă mai mare în funcţionare, pot fi deconectate în regimuri de înc ărcare minimă şi în scopul reducerii pierderilor de energie. b) Prin compensarea serie a reactan ţ ei inductive a liniilor
(compensarea longitudinală sau serie). Instalarea unor baterii cu condensatoare în serie pe o linie electrică are ca efect reducerea reactanţei rezultante (longitudinală) şi deci micşorarea corespunzătoare a căderilor de tensiune. 27
În cazul liniilor de transport prin compensare longitudinală s-a urmărit creşterea capacităţii de transport şi a limitei de stabilitate, respectiv reducerea supratensiunilor (în regimuri cu sarcină redusă) (V.cap.2.). În cazul liniilor “scurte” de tensiuni medii, compensarea cu condensatoare serie se poate studia cu ajutorul schemei echivalente din figura 3.9, a. DVc Δ
V V"22 (Supracompensare,XC >XL P2+jQ2
ZL=RL+jXL V1
V3
D
jXC V2
V2 (Compensare totală, X C =XL )
A V1 G V2 (Subcompensare, X XCC/XL <1) X L ) B
0
V3
a.
C
E
F
b.
Fig. 3.9. Compensarea serie a liniilor scurte: a. schema echivalent ă; b. diagrama fazorială de tensiune pentru diverse grade de compensare. 28
Reactanţa rezultantă devine: X X L X C L
1 C
(3.19)
R Q0 X L X C P X X C Q0 RL j 0 L V1 V 1 unde: V 1 V1 0; OA V1 P R P X AB 0 L ; DE 0 L ; V1 V 1 QR QX BC 0 L ; EF 0 C ; V1 V 1 QX PX C D 0 L ; F G 0 C ; V 1 V 1 V 2 V1
0 L
Gradul de compensare: K s
X C X L
K s<1, X C < X L Subcompensare
Grade de compensare
K s=1, X C = X L Compensare totală K s>1, X C > X L Supracompensare
29
Tensiunea maximă la bornele condensatorului serie are valoarea ΔV C = X C I max, unde I max este curentul maxim prin linie. Deoarece valoarea ΔVC nu depăşeşte 10% din tensiunea de fază, tensiunea nominală a condensatorului serie este cu mult mai mică decât tensiunea nominală a liniei.
În scopul reglării tensiunii, compensarea serie prezintă interes la liniile de medie tensiune, în special în cazul: - liniilor aeriene de lungime mare, în scopul reducerii variaţiilor lente de tensiune la consumatori; - liniilor care alimentează consumatori cu şocuri de sarcină reactivă (laminoare, cuptoare cu arc electric etc.), în scopul reducerii varia ţiilor corespunzătoare de tensiune mari.
Observaţie: Deoarece compensarea serie poate provoca unele fenomene negative (ferorezonanţă, rezonanţă subsincronă, pendularea maşinilor sincrone etc.), este necesar ă o cercetare amănunţită privind apariţia şi înlăturarea acestor fenomene. În acest sens se menţionează: limitarea gradului de compensare K s= X C / X L la valori de (1,5 - 2), utilizarea unor rezistenţe în serie sau în paralel cu bateria cu condensatoare. 30
Un dezavantaj al utilizării condensatorului serie îl reprezintă creşterea curenţilor de scurtcircuit, care poate poate produce o supratensiune la bornele condensatorului care poate depăşi de câteva ori tensiunea nominală. Pentru a evita afectarea condensatorului, de către curentul de s.c. este preferabilă montarea acestuia aproape de capătul de ieşire al liniei. Pentru protejarea condensatorului împotriva efectelor curentului de s.c. se folosesc diverse solu ţii. Una din cele mai utilizate solu ţii este prezentată în figura 3.10. C u e l e R
DRV R
E I
Fig. 3.10 Echipament de protecţie a bateriei cu condensatoare serie împotriva s.c.
- Eclatorul de protecţie E este str ă puns în momentul când tensiunea la bornele bateriei depăşeşte o anumită valoare; - Întreruptorul de şuntare I ş are rolul de a proteja eclatorul şi de a evita reamorsarea arcului la eclator în cazul reanclanşării rapide a liniei; la MT întreruptorul poate lipsi; - Rezistenţa R limitează curenţii de descărcare ai bateriei şi de amortizare a oscilaţiilor 31 posibile.
3.3.4. Reglarea tensiunii prin modificarea circula ţiei de putere reactivă Premize: (i) Nivelul de tensiune în reţeaua de ÎT rezultă din bilanţurile de putere reactivă în nodurile reţelei; (ii) Pentru obţinerea unei reparti ţ ii echilibrate a nivelului de tensiune în re ţ eaua electrică este necesar să se apropie produc ţ ia de locul de consum de putere reactiv ă , în sensul evitării transportului de putere reactivă!!! (iii) Spre deosebire de puterea activă, puterea reactivă nu trebuie transportată pe mari distanţe, pentru că un transport de Q conduce la o nevoie suplimentar ă de Q în elementele reţelei şi la căderi suplimentare de tensiune. O instalaţie de compensare montată la bornele consumatorului (fig. 3.11), ce furnizează o putere reactivă Qcomp, face ca puterea reactivă transmisă prin linie să scadă de la Q2 la ( Q2-Qcomp). În consecinţă scade căderea de tensiune pe linie respectiv creşte tensiunea la bornele consumatorului; dacă instalaţia de compensare absoarbe Q atunci tensiunea la consumator scade. V 1 V 2 P2 + jQ2
P2 + j( Q2 - Qcompen sare)
P2 + jQ2
Qcompensare
32 Fig. 3.11 Compensarea puterii reactive prin modificarea circulaţiei de Q
Mijloace de reglare a Q şi U • Cu reglare continuă: generatoare, compensatoare sincrone, compensatoare statice; • Cu reglare în trepte: baterii cu condensatoare, bobine de compensare, anclanşarea/ declanşarea de linii electrice. Deoarece circulaţia puterii reactive în reţea este însoţită de pierderi de energie, problema alegerii mijloacelor de compensare trebuie să fie coordonată cu problema generală a bilanţului puterilor reactive şi a pierderilor de energie.
(i) Produc ţ ia de putere reactivă a generatoarelor RAT- urile aferente generatoarelor acţionează pentru a menţine tensiunea la borne la valoarea de consemn cerută (fig.3.12). Pentru modificarea injecţiei de putere reactivă în reţea se prescriu alte valori de consemn (V ref ) pentru regulatoarele de tensiune, având grijă ca acest reglaj să nu antreneze supraîncărcări sau instabilităţi ale grupurilor generatoare. Buclă secundar ă de reglaj Buclă primar ă de reglaj
Excitatoare
Generator
Reţea electrică
Consumatori
Fig. 3.12. Structur ă de control a U-Q cu ajutorul generatorului.
33
(ii) Compensatorul sincron Ce este? Compensatorul sincron este un motor sincron proiectat să funcţioneze în gol (f ăr ă cuplu rezistent la arbore), care absoarbe din reţea o putere activă redusă, necesar ă acoperirii pierderilor de mers în gol şi care poate genera/absorbi putere reactivă în funcţie de valoarea curentului de excitaţie.
Se disting situaţiile (fig. 3.13): a)
Pentru o anumită valoare Ieo, a curentului de excitaţie, puterea reactivă a compensatorului sincron este nulă;
b)
Daca Ie>Ieo, compensatorul sincron funcţionează în regim supraexcitat, cu cosφ capacitiv, debitând în reţea putere reactivă;
c)
Daca Ie
Puterea reactiv ă maximă furnizat ă este limitat ă de considerente termice, iar cea absorbit ă de considerente de stabilitate static ă . abs Din considerente economice raportul dintre puterea maximă absorbită Qmax şi puterea f max
abs DE Qmax f 0.5 0.65 este: CB Qmax
maximă furnizată Q Dacă în unele cazuri puterea maximă absorbită trebuie să fie mai mare, se poate recurge la una din soluţiile: • creşterea raportului definit mai sus până la valoarea 1 prin mărirea întrefierului, costul maşinii rezultând în acest caz mai mare; • asocierea compensatorului sincron de construcţie normală cu bobine de compensare transversală. Montarea compensatorului sincron se face, în general, la ter ţiarul unui autotransformator (fig. 3.14). 220kV
Fig. 3.14 Montarea compensatorului sincron
35 110kV
În România, puterea maximă a CS a fost de 60 MVAr. Avantaje ale CS: - posibilitatea de a furniza sau consuma putere reactivă; - reglarea continuă a puterii reactive generate sau absorbite; - contribuie la menţinerea stabilităţii sistemului. Dezavantaje: - costul specific euro/kVAr este mai ridicat la puteri mici; - pierderi mari de putere; - cheltuieli ridicate în exploatare.
36
(iii) Compensatorul static de putere reactivă (Static VAr Compensator - SVC) Ce este? Compensatorul static este un echipament conectat în derivaţie cu linia electrică, care cuprinde condensatoare şi/sau o bobină comandată static cu ajutorul tiristoarelor, utilizat pentru injecţia/absor ţia rapidă de putere reactivă într-un nod al reţelei, având următoarele obiective: • menţinerea tensiunii la o valoare apropiată de tensiunea dorită; • îmbunătăţirea stabilităţii statice (prin creşterea puterii transmisibile pe distanţe lungi şi prin amortizarea oscilaţiilor); • îmbunătăţirea rezervei de stabilitate dinamică. Principiul de func ţ ionare constă în a compensa cât mai exact varia ţiile de putere reactivă ale consumatorilor; în acest scop se modific ă în sens opus puterea reactivă prin reglajul continuu al curentului printr-o bobină (LCT). O baterie cu condensatoare (CCT, eventual în trepte) completează dispozitivul şi permite corectarea bilanţului de reactiv absorbit de consumator (fig. 3.15). În cadrul schemelor de compensare, modulele cu tiristoare sunt conectate câte două în antiparalel, asigurând prin aceasta conducţia pe ambele alternanţe ale tensiunii (tiristoarele conduc succesiv, în funcţie de polaritatea tensiunii alternative, atunci când primesc comandă de intrare în conducţie). 37
Schema de principiu a unui SVC (fig. 3.15) Nod IT al SEE
Mărimi măsurate din SEE
U
RAT
U ref
Filtre LCT electrice CCT
Fig. 3.15 Compensator static de putere reactivă
Comanda compensatorului static se realizeaz ă cu ajutorul unui RAT, care controlează unghiul α de întârziere la intrarea în conducţie a tiristoarelor ce comandă bobina în fază şi furnizează semnale digitale “închis”, “deschis” pentru condensatoare. Puterea reactivă inductivă a bobinei se poate regla în mod continuu, de la zero până la valoarea maximă determinată de tensiunea reţelei, în timp ce puterea capacitivă a unui condensator poate fi anclanşată sau declanşată în totalitate. 38
Caracteristica U-I a unui SVC Dacă se consider ă sistemul de compensare static ă compus dintr-o bobină reglabilă şi un condensator fix, se poate ob ţine caracteristica de funcţionare U-I (fig. 3.16).
U U 0 X SL I SVC U
A
C
Umax U0
reactanţa coresp. pantei caracteristicii
B
2 sin 2 B LCT ( ) B L max 1 1 B L max X L
Umin
Domeniul de control
ISVC (Q ) Icmax Qcap max BC U 2
0
2
ILnom ILmax Qind max B L max BC U 2
Fig. 3.16 Caracteristica de reglaj U-I a compensatorului static
39
În regim staţionar, domeniul de funcţionare al unui compensator static cuprinde trei zone: Domeniul liniar de control, în care sistemul de reglare dispune de puterea reactivă necesar ă pentru controlul tensiunii în nodul de racordare la reţea, permiţând stabilirea punctului de funcţionare pe caracteristica AB. Aceasta este delimitată de puterea reactivă QCmax furnizată de către susceptanţa capacitivă echivalentă BC a bateriilor cu condensatoare aflate în funcţiune, bobina fiind blocată, respectiv de puterea reactivă Q Lmax absorbită de către susceptanţa inductivă echivalentă ( B Lmax- BC ) corespunzătoare regimului de conducţie completă a tiristoarelor; • Domeniul cu tensiuni ridicate ( BC ), când QSVC >Q Lmax; în acest caz compensatorul static se află în afara domeniului de control şi se comportă ca o susceptanţă inductivă, funcţionând la maxim în inductiv; • Domeniul cu tensiuni scă zute (OA), în care tensiunea reţelei este atât de coborâtă încât compensatorul static funcţionează la maxim în regim capacitiv; SVC se comportă ca o susceptanţă capacitivă. •
40
(iv) Pentru compensarea puterii reactive în vederea realiz ării reglajului tensiunii în reţelele electrice se mai utilizează: • Baterii cu condensatoare montate în derivaţie: pentru a injecta putere reactivă şi a îmbunătăţi nivelul de tensiune, în cazul regimurilor de funcţionare cu sarcină mare; • Bobine de compensare transversale: inductivităţile consumă putere reactivă şi sunt conectate pentru scăderea tensiunii în special la funcţionarea în gol sau sarcini reduse a liniilor de înaltă şi foarte înaltă tensiune; • Anclanşarea sau declanşarea de linii: în perioadele de gol de sarcină sau când liniile sunt slab încărcate, poate fi avută în vedere declanşarea unui circuit în scopul reducerii nivelului de tensiune. Fiecare declan şare de linie antrenează în acelaşi timp şi o reducere a siguranţei de funcţionare! 41
Calculul puterii surselor de compensare Se folosesc integral posibilităţiile oferite de reglarea prizelor transformatoarelor. min În consecin ţă: în regim de încărcare maximă N ij (valoarea minimă posibilă) minimă N ijmax(valoarea maximă posibilă) Două situaţii: Ipotez ă:
(i) În lipsa sursei de compensare a) în regim de sarcină/încărcare maximă (max): ' V1 V 2,max
20,max R Q20,max X ' V 2,max
(3.20)
a) în regim de sarcină/încărcare minimă (min): ' V1 V 2,min
Se consideră îndeplinite condiţiile
20,min R Q20,min X ' V 2,min
V2,max V2,d V 2,min
(3.21)
42
(ii) Cu sursă de compensare (ex. compensator sincron) a) în regim de sarcină/încărcare maximă (max): V1 V 2,' d
20,max R
Q20,max Qco fur mpn X
(3.22)
V 2,' d
a) în regim de sarcină/încărcare minimă (min): V1 V 2,' d
20,min R
s Q20,min Qcabomp X
(3.23)
V 2,' d
Puterea generată de compensator în regim supraexcitat (furnizare) Se egalează relaţiile (3.20) şi (3.22) rezultând: P RQ X ' 20,max ' 20,max V 2,' d V2,max V2,max
furn Qcomp
V 2' d ' ' V2,d V 2,max X
20,max R
20,max R Q20,max X ' V2,max
furn Q20,max Qcomp X
V 2,' d
P20,max R Q20,max X V 2,' d
(3.24) 43
Având în vedere că P20,max R Q20,max X P20,max R Q20,max X 0 ' V2,max V 2,' d se obţine furn Qcomp
V 2,' d X
min 2 Nij V 2,d
' V2,' d V2,max
X
V2,d V2,max
(3.25)
Puterea generată de compensator în regim subexcitat (absorţie) Din egalitatea relaţiilor (3.21) şi (3.23) şi procedând analog ca în cazul anterior, rezultă: abs Qcomp
V 2,' d
' V2,min
V2,' d
max 2 Nij V 2, d
X
V2,min V2,d
(3.26)
Cu valoriile obţinute din (3.25) şi (3.26): abs furn (0,5...0,65)Qcomp Dacă Qcomp , (3.27) este îndeplinită, atunci puterea nominală a compensatorului rezultă din condiţia: furn Qn Qcomp
44
abs furn Dacă nu este îndeplinită inegalitatea Qcomp , adică este necesară (0,5...0,65)Qcomp o putere absorbită mai mare decât poate produce compensatorul, atunci se compară:
compensator sincron având o putere nominală furn Qn Qcomp Qbobină
compensator sincron de putere mai mare care rezultă din: abs Qn Qcomp 0,5...0,65
Obs: dacă se doreşte menţinerea fixă a raportului de transformare şi reglarea tensiunii numai prin modificarea puterii reactive furnizat ă sau absorbită de sursa şi se locală, atunci în relaţiile (3.25) şi (3.26) se introduce N ijmax N ijmin N ij determină raportul de transformare N ij din (3.27), cu respectarea restricţiei Nijmin Nij N ijmax . În continuare rezultă puterea compensatorului sincron urmând raţionamentul de mai sus. Problema generală de dimensionare şi amplasare a surselor de compensare de Q în reţelele electrice se soluţionează prin calcule de optimizare tehnico-economice.
45
3.4. Alegerea şi coordonarea mijloacelor de reglare a tensiunii în re ţelele electrice Scopul: Prin acţiunea de coordonare se urmăreşte încadrarea nivelurilor de tensiune ale reţelei în interiorul benzilor admisibile în toate regimurile de funcţionare
3.4.1. Stabilirea nodurilor pilot şi a zonelor de control Determinarea coeficienţilor de sensibilitate (influenţă electrică) între diversele noduri ale reţelei: • se consideră ecuaţiile de bilanţ ale puterilor active şi reactive: n U iU k Gik cos(i k ) Bik sin(i k ) i 2,3,..., n i k 1 n Q U U G sin( ) B cos( ) i n 1,..., n i k ik i k g i k 1 i k ik
46
sau
F , U , P , Q 0 F x0 , z0 0
(3.28)
x0
variabile de stare: , Uc;
z0
variabile de control: Ug, Qg, Nij.
• dezvoltând în serie Taylor ş i neglijând derivatele de ordin superior se obţine: F x0 , z0
F F x z 0 x z
sau F x0 , z0 F x x Fz z 0
(3.29)
47
în care matricele Jacobian P F x Q
P ( n 1) U Q n U c
P P U g Qinj F z Q Q U g Qinj
P (n 1) N Q n N c
sunt evaluate în punctul de funcţionare ( x 0, y0). Din relaţiile (3.28) şi (3.29) se obţine
F x x Fz z 0 sau 1 x F x F z z U c U c Qc U c Qc U g U g
Deci x S z
(3.30)
48
• Matricea de sensibilitate: S U cQg
U c sensibilitatea tensiunii într-un nod consumator la Q g variaţia puterii reactive generate – foloseşte la alegerea
generatoarelor (echipamentelor) de control a tensiunii nodurilor pilot; S U cU g
U c sensibilitatea tensiunii într-un nod consumator la U g variaţia tensiunii într-un nod generator;
• se efectuează o separare fictivă a reţelei în zone de control astfel : un nod oarecare al reţelei este repartizat zonei de control corespunzătoare nodului pilot pentru care valoarea sensibilităţii dintre acesta şi nodul considerat este maximă.
49
3.4.2. Ierarhizarea reglajului de tensiune Sursele şi echipamentele de reglaj a tensiunii sunt organizate ierarhizat şi formează un sistem structurat cu 3 niveluri (Tabelul 3.1): - primar; - secundar; - ter ţiar; Primele două niveluri funcţionează în buclă închisă sau automatizată, în timp ce ultimul este rezultatul unor studii off-line. Tabel 3.1 Primar Secundar Terţiar Nivelul Local: Zonal (DET): Global (DEN): -RAT generatoare; - Generatoare; - Modifică valoarea de -Reglaj prin - Condensatoare; consemn a tensiunii ]n nodurile pilot. transformatoare; - Bobine. - SVC Caracteristica Rapid Lent Foarte lent reglajului < 1 min. Minute Zeci de minute Tehnic Tehnic Tehnico-economic Obiectivul urmărit 50
Ceas
Optimizare Bucla ter ţiar ă
Nivel naţional
Estimator de stare
Modificarea topologiei re ţelei
Transmisie periodic ă de consemne Nivel regional
Reglaj secundar
Buclă Mărimi m ăsurate secundar ă (U, P, Q) Regulator primar de tensiune
Nivel local
Semnalizări
Bucla primar ă
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Re ţea electrică
Fig. 3.18 Structura generală a reglajului tensiune – putere reactivă (EdF).
51
(i) Reglajul primar La apariţia unei perturbaţii în regim de funcţionare normală a reţelelor electrice, primele care acţionează sunt regulatoarele primare ale generatoarelor, care caută să menţină tensiunea la borne apropiată de tensiunea de consemn (fig.3.18). Când perturbaţiile conduc la variaţii mai mari de tensiune intervin regulatoarele automate ale prizelor transformatoarelor şi ATR, de la 400/110 kV, 400/220 kV, sau 220/110 kV care se suprapun peste reglajul primar al generatoarelor, rezultând într-un interval de ~1 minut o nouă repartiţie a circulaţiei de putere reactivă. Modelarea reglajului primar de tensiune Ifd Efd
~
V
Efdmax
a e ţ e R
+ Corector
Efdmin
RAT
-
Vref
Fig. 3.19 Diagrama bloc a regulatorului primar de tensiune
52
(ii) Reglajul secundar • Obiectivul de bază al reglajului secundar este de a coordona ac ţ iunile regulatoarelor primare ale grupurilor generatoare dintr-o zonă de control, pentru a asigura cât mai bine echilibrul zonal dintre produc ţia şi consumul de Q. • Reglajul secundar urmăreşte şi reglează nivelul de tensiune din punctele pilot ; fiecărui nod pilot i se asociază o zonă de control în care tensiunile nodurilor sunt puternic influen ţate de tensiunea nodului pilot şi de numărul grupurilor reglante din zona controlat ă. • Grupurile reglante şi celelalte mijloace de reglaj din fiecare zon ă de control sunt coordonate prin DET de către nivelul ierarhic superior – DEN – care dispune de datele privind tensiunilor nodurilor. • Din necesitatea de a separa în timp acţiunile primare de cele secundare viteza de r ăspuns a reglajului secundar este de ordinul minutelor. 53
Reţea electrică Consemn (U0)
Reglaj Primar de tensiune
Sursă de excitaţie
U
Tensiunea la borne
U
Bucla de reactiv NQr X
1
-Q produs Bucla de reglaj Q
Punct U p pilot Captator
Q
1 + pT q
Traductor
Coeficient de participare Qr(1.4 Qn)
Telemăsur ă
Telecomandă
Spre celelalte grupuri reglante
i+1 i+2 ...
Nivel: N
p Regulatorul zonei
e=
U - U pc
p
U
-U p
n
Dispecer Zonal
U pc
Fig.3.20 3.19 Schema de principiu a reglajului secundar automat tensiune - putere reactiv ă Fig.
54
Prima buclă are rolul de a genera nivelul “N” care depinde de diferenţa dintre tensiunile U p ale nodurilor pilot şi tensiunile de consemn U pc stabilite de către DEN. Legea de reglaj este de tip PI (propor ţional integrator):
U pc U p U pc U p N dt Un U n unde U p este tensiunea măsurată în nodul pilot; U pc - tensiunea de consemn la nodul pilot; β - factor de propor ţi onalitate; α - factor de câştig integral (1/α~10...30s). În funcţie de valoarea nivelului N se realizează repartiţia Q pe grupurile reglante, prin intermediul buclei de reglaj Q: - dacă N > 0
Grupul reglant furnizează Q;
- dacă N < 0
Grupul reglant absoarbe Q;
55
Păstrarea nivelului de tensiune într-o anumit ă zonă şi repartiţia Q între grupuri se obţine prin intermediul a două bucle de reglaj, care se suprapun peste bucla primar ă de reglaj (fig.3.20).
(iii) Reglajul terţiar Obiectivul principal : minimizarea pierderilor de putere + men ţinerea tensiunilor în limitele admisibile; Obiectivul secundar : de a maximiza şi distribui rezervele de putere reactivă; Ca variabile de control principale: valorile de consemn ale tensiunilor primare pentru generatoare sau valorile de consemn ale tensiunilor nodurilor pilot daca există reglaj secundar + mărimea bateriilor cu condensatoare şi a bobinelor transversale. Reglajul ter ţ iar este un reglaj relativ lent , de ordinul a zece minute sau mai mult. 56
În acest sens realizează: • Optimizarea unei funcţii tehnico-economice (minimizarea pierderilor de putere), folosind: -ecuaţiile bilanţului circuitelor de putere -limite operaţionale
restricţii de egalitate;
-tranzitele de puteri -atingerea limitelor de putere reactivă -tensiuni
restricţii de inegalitate
• Când există un reglaj secundar, reglajul ter ţiar permite de asemenea: -minimizarea tranzitelor de reactiv între zonele de reglaj; -asigurarea decuplajului de zone.
57
Decalarea în timp a ac ţiunilor de reglaj
Fig. 3.21. Decalarea în timp a celor trei acţiuni de reglaj. 58
Explicarea procesului
(i) În regim normal toate generatoarele sunt în funcţiune şi sunt încărcate cu aceeaşi putere Q gen% din puterea nominală a fiecărui grup. (ii) După ieşirea din funcţiune a unui generator din zona 2, în primele secunde intervine reglajul primar de tensiune al celorlalte generatoare din zonă pentru a acoperi deficitul de putere reactivă ca rezultat apare o încărcare dezechilibrată în Q a generatoarelor şi un profil neuniform al tensiunii în zona 2, afectată de perturbaţie. (iii) După 1÷10 minute intervine reglajul secundar pentru a corecta dezechilibrele şi neuniformităţile apărute în zona 2. (iv) Cu o temporizare de peste 10 minute intervine reglajul ter ţiar care corectează dezechilibrele dintre zone şi în final toate generatoarele din ' sistem se încarcă în mod egal, dar cu o putere Q gen % ,mai mare decât în regim normal.
59
1.09 1.08 1.07 1.06 1.05 1.04 1.03
Reglaj primar de tensiune
Acţiunea reglajului ter ţiar de tensiune iniţiat la t = 300 s Acţiunea reglajului secundar
0
100
200
300
400
500
t [s]
Efectul reglajului primar
1.08 1.07 1.06 1.05 1.04 1.03 0
2
4
6
8
60
Studiile de planificare U , Q Acestea se refer ă la toate studiile şi acţiunile pentru a obţine o comportare satisf ăcătoare şi coordonată a tuturor echipamentelor de reglaj pentru U şi Q. Studiile vizează perioade de timp inegale: zile, să ptămâni sau ani şi sunt efectuate pentru a determina alegerea raportului de transformare, mărimilor de consemn pentru RAT, programarea conect ării/ deconectării bateriilor cu condensatoare, implicarea grupurilor generatoare în reglajul de tensiune. Siguranţa în funcţionare este condiţionată de alegerea punctelor de consemn pentru fiecare perioadă de timp. Pentru a alege o rezerv ă suficientă din punct de vedere al securităţii, în fiecare zonă de control se prevede o rezervă de putere reactivă care să facă faţă tuturor incidentelor normale de funcţionare. Studiile de planificare încearcă să definească un nivel de tensiune economic şi sigur în acelaşi timp.
61
