Grupni regulator reaktivne snage

Grupni regulator reaktivne snage Ilija Klasnić, Jasna Dragosavac, Ţarko Janda, Dušan Arnautović Sadržaj— U radu je prikazan simulacioni model grupnog regulatora reaktivne snage i napona koji je i praktično realizovan i ugrađen u termoelektranu “Nikola Tesla A” u Obrenovcu. Grupni regulator reaktivne snage upravlja svim sinhronim generatorima povezanim na sabirnice elektrane u cilju regulisanja i održavanja željene naponsko-reaktivne karakteristike sabirnica uz ravnomernu raspodelu opterećenja među agregatima. Cilj primene ovakvog uređaja je raspodela reaktivnog opterećenja između generatora prema podešenoj naponsko-reaktivnoj karakteristici, uz održavanje maksimalne reaktivne rezerve, a prema pogonskim kartama generatora. Odziv agregata mora biti jednovremen uz zadovoljenje željenog optimizacionog kriterijuma: održavanje maksimalne rezerve reaktivne snage po agregatu, održavanje jednakog faktora snage, minimizacija gubitaka i sl. Ključne reči- grupna regulacija, sekundarna regulacija napona, reaktivna snaga elektrane I. UVOD Napon i uĉestanost elektroenergetskog sistema (EES) su dve osnovne promenljive koje karakterišu savremene sisteme za proizvodnju, prenos i distribuciju elektriĉne energije na bazi naizmeniĉnih struja. Zbog toga se za adekvatno odrţavanje napona i uĉestanosti vezuju i glavni pokazatelji performansi tih sistema. Definisani su zahtevi za odrţavanjem napona i uĉestanosti unutar uskih zona tolerancije oko njihovih propisanih, nominalnih (ili naznaĉenih) vrednosti. Otuda nastaje i potreba za regulacijom napona i uĉestanosti u elektroenergetskim sistemima. Obe te regulacije imaju zadatak da odrţavaju ravnoteţu izmeĊu proizvedenih i utrošenih snaga u elektroenergetskom sistemu. U realizaciji ove dve regulacije postoji suštinska razlika koja je posledica fiziĉke prirode dveju osnovnih promenljivih koje se regulišu- uĉestanosti i napona. Za razliku od uĉestanosti koja je zajedniĉka promenljiva i karakteriše ceo elektrenergetski sistem, napon je pre lokalna nego globalna promenljiva. On moţe biti razliĉit u raznim taĉkama jer u svakom elektroenergetskom sistemu obiĉno postoji nekoliko galvanski razdvojenih mreţa razliĉitog naponskog nivoa. Štaviše, naponi nisu svuda isti ni u pojedinim galvanski spojenim mreţama istog naponskog nivoa, gde dolazi do pojave padova napona izmeĊu udaljenih taĉaka, što je posledica tokova aktivnih i reaktivnih snaga po granama dotiĉne mreţe. Ravnoteţa izmeĊu odatih i apsorbovanih reaktivnih snaga koja prati regulaciju napona zbog toga se ne moţe posmatrati samo kao globalni problem, vezan za ceo elektroenergetski sitem već se mora ostvariti i lokalno za Ilija Klasnić, Jasna Dragosavac, Ţarko Janda, Dušan Arnautović su sa Elektrotehničkog Instituta Nikola Tesla, Beograd, Srbija, email ilija.klasnic @ieent.org pojedine ĉvorove, oblasti i regije u mreţi, kako bi se izbegli tranziti znatnijih reaktivnih snaga po prenosnim vodovima koji povezuju pojedine izdvojene ĉvorove ili oblasti [1]. II. GRUPNI REGULATOR REAKTIVNE SNAGE Osnovni cilj grupne regulacije pobude, napona i raspodele reaktivnih snaga u elektranama sa više agregata je upravljanje naponsko-reaktivnim reţimom elektrane kao jedinstvene celine. Grupnom regulacijom se mogu prevazići nedostaci koji se pojavljuju pri individualnom upravljanju svakog agregata ponaosob sa razliĉito podešenim regulatorima pobude, a koji se odnose na odrţavanje napona na sabirnicama elektrane i taĉnost odrţavanja ţeljene raspodele reaktivnog opterećenja izmeĊu agregata u pogonu. Realizacijom sistema za grupnu regulaciju reaktivne snage postiţe se ravnomerna raspodela reaktivnog opterećenja agregata koji uĉestvuju u grupnoj regulaciji, a prema odabranom kriterijumu. Grupnu regulaciju agregata u okviru elektrane potrebno je realizovati kako bi se uravnoteţila eksploatacija agregata i kako bi se obezbedilo da se agregati u grupnoj regulaciji ravnomerno odazivaju na poremećaje u elektroenergetskom sistemu. Grupni regulator reaktivne snage (GRRS) vrši sledeće osnovne funkcije [2]:  Odrţava ravnomernu raspodelu reaktivnog opterećenja meĊu generatorima u elektrani ukljuĉenim u grupni rad, prema zadatom kriterijumu;  Odrţava reaktivno opterećenje agregata odnosno elektrane i napona na posmatranim sabirnicama elektrane na unapred podešenom nivou;  Odrţava napon na sabirnicama elektrane automatskim prilagoĊavanjem generisanih snaga generatora tako da se radna taĉka elektrane uvek nalazi na karakteristici sa slike 1. Sa gledišta EES-a elektrana se za spore promene ponaša kao jedan ekvivalentni generator. Slika 1.Statiĉka karakteristika grupnog regulatora reaktivne snage Зборник 59. конференције за електронику, телекомуникације, рачунарство, аутоматику и нуклеарну технику ЕТРАН 2015, Сребрно језеро, 8. до 11. јуна 2015. године, ISBN 978-86-80509-71-6 стр. EE2.4.1-6 U reţimu regulacije napona sabirnica GRRS odreĊuje veliĉinu reaktivne snage koju elektrana treba da isporuĉi da bi se odrţala ţeljena vrednost napona. Vrednost reaktivne snage se odreĊuje prema zahtevanoj V-Q karakteristici sabirnica (slika 1). Statizam V-Q karakteristike sabirnica moţe se podešavati podešavanjem koeficijenata statizma sistema pobude generatora. U reţimu regulacije zadate reaktivne snage elektrane GRRS odrţava ukupnu reaktivnu snagu elektrane na ţeljenoj vrednosti. U svim reţimima rada izlaz iz regulatora reţima je signal koji nosi informaciju o potrebnoj veliĉini reaktivne snage elektrane. Taj signal ulazi u regulator raspodele koji ostvaruje ravnomernu raspodelu reaktivnog opterećenja meĊu generatorima ukljuĉenim u grupni rad u odnosu na njihova dozvoljena opterećenja. Parametri GRRS-a su izabrani na osnovu dinamiĉke analize odziva svih agregata elektrane. U radu će biti modelovan GRRS za sabirniĉki nivo 220kV koji postoji u Termoelektrani „Nikola Tesla A“ u Obrenovcu. Grupni regulator reaktivne snage (GRRS) predstavlja sistem kojim se vrši automatsko upravljanje reaktivnim reţimom elektrane i raspodela reaktivnog opterećenja meĊu generatorima paralelno spregnutim i ukljuĉenim u grupni rad. TakoĊe sluţi za postavljanje statiĉke karakteristike elektrane. S obzirom na postojanje dva sabirniĉka naponska nivoa 220kV i 400kV, termoelektranu „Nikola Tesla A“ kao elektranu sa 4+2 agregata GRRS objedinjuje u celinu u pogledu upravljanja. Sam GRRS je realizovan sa dva nezavisna grupna regulatora reaktivne snage, po jedan za svaki naponski nivo. Prema tome, u pogledu upravljanja naponsko-reaktivnim reţimom, elektrana se posmatra kao dve celine: prva celina obuhvata 4 generatora vezana preko blok-transformatora na sabirnice 220kV, dok druga celina obuhvata dva generatora vezana preko bloktransformatora na sabirnice 400kV (slika 2). Funkcija grupne regulacije reaktivne snage ostvaruje se delovanjem na regulatore pobude u primarnim krugovima upravljanja svakog od 6 agregata elektrane [3]. Xb1,..., Xb6- reaktanse blok transformatora, Xm22, Xm40ekvivalentne Tevenenove reaktanse mreţe na 220kV i na 400kV, X2T- ekvivalentna reaktansa dva paralelno vezana interkonektivna transformatora. Sistem sekundarne regulacije napona poredi trenutnu vrednost napona na „Pilot“ ĉvoru (ĉvorna taĉka EES-a ĉiji napon oslikava naponske prilike u toj oblasti) sa referentnom vrednošću tog napona i primenom odgovarajućeg regulatora (PI tipa) daje izlaz koji predstavlja meru reaktivne snage koju elektrana treba da isporuĉi (slika 3). Na osnovu ovog signala se proraĉunava referentna vrednost za regulator reaktivne snage (I tipa) pojedinaĉnih agregata. Regulator reaktivne snage agregata poredi ovako dobijenu referentnu vrednost sa merenom reaktivnom snagom agregata i daje izlaz koji predstavlja potrebnu korekciju referentne vrednosti napona generatora. Izlaz iz regulatora reaktivne snage deluje na ulaze u pobudni sistema. Na ovaj naĉin se u stacionarnom stanju postiţe ravnomerna raspodela reaktivne snage meĊu generatorima srazmerno njihovim nominalnim snagama. U elektrani sa generatorima razliĉite snage koji su vezani na sabirnice preko blok-transformatora razliĉitih impendansi, promene VAr-a pojedinih generatora kao odgovor na poremećaje u sistemu nisu proporcionalne. Uravnoteţeni i jednovremeni odziv svih generatora poboljšava dinamiĉki odziv u VAr-ima zahvaljujući ĉemu je elektrana u stanju da podrţi napon u lokalnoj taĉki EES-a. Pilot cvor Vs :napon sabirnica ref. vred. napona sabirnica Regulacija nap-rek. karak. elektrane Q : merenje reaktivne snage jednog agregata N ref. vred. reak. snage agregata Regulacija rektivne snage agregata DUg korekcija ref. vred Ug Ug : merenje napona generatora ~ Automatski regulator napona ka ostalim agregatima Ref. vred Ug Pobuda Slika 3. Blok dijagram regulacije naponsko-reaktivne karakteristike sabirnica elektrane Princip rada grupne regulacije sastoji se u jednakoj raspodeli opterećenja, što u uslovima paralelnog rada agregata razliĉitih nominalnih snaga podrazumeva da se agregati opterećuju sa istom vrednošću normiranog opterećenja. U standardnim uslovima rada, to podrazumeva da se agregati u grupnoj regulaciji opterećuju sa procentualno istim opterećenjem, gde se procentualni iznos aktivne i reaktivne snage raĉuna u odnosu na njihove nominalne vrednosti, po svakom od agregata pojedinaĉno. U uslovima rada, pri kojima agregat nije u mogućnosti da obezbedi rad sa svojom nominalnom snagom, sistem grupne regulacije će taj agregat opteretiti sa unapred zadatom tehnološki maksimalno dozvoljenom snagom tog agregata [3]. Slika 2. Šema razvoda 220 kV i 400 kV elektrane TENT-A Oznake sa slike 2 imaju sledeće znaĉenje: A1,..., A6sinhroni turbogeneratori, M22, M40- mreţa prikljuĉena na 220kV i 400kV, V22, V40- 220kV i 400kV sabirnice elektrane, III. OPIS MODELA U okviru programskog paketa Matlab/Simulink modelovana su 4 sinhrona generatora vezana preko svojih blok transformatora na sabirnice 220kV u Termoelektrani „Nikola Tesla A“ u Obrenovcu. Parametri generatora i blok transformatora su izabrani prema podacima proizvoĊaĉa (za nedostupne podatke korišćene su tipiĉne vrednosti za generatore istih snaga koje se pojavljuju u literaturi [4]). Grupna regulacija reaktivnih snaga realizovana je na sledeći naĉin: trenutna vrednost napona na 220kV sabirnicama poredi se sa referentnom vrednošću tog napona i primenom odgovarajućeg PI regulatora daje izlaz koji predstavlja meru reaktivne snage koju elektrana treba da isporuĉi. Blok šema primenjenog PI regulatora napona 220kV sabirnica data je na slici 4. Slika 4. Blok šema PI regulatora napona 220kV sabirnica vrednosti reaktivnih snaga koje generatori mogu odati, već i prenosna moć dalekovoda. Na slici 5 prikazan je snimak napona na 220kV sabirnicama i reaktivne snage generatora koji uĉestvuju u grupnoj regulaciji. Generatori se na poremećaje jednovremeno odazivaju, odaju reaktivne snage prema podešenim odnosima tako da se opterećuju sa istom vrednošću normiranog opterećenja. Slika 5. Napon 220kV sabirnica elektrane i odate reaktivne snage generatora A1-A4 Funkcija prenosa ovog regulatora je: 1 CPI  P  I   s Vrednosti podešenih pojaĉanja su: P=13,6 i I=5,189. Ovako podešen GRRS obezbeĊuje stabilan odziv uz vremensko dekuplovanje upravljanja po naponu generatora, reaktivnoj snazi i po naponu sabirnica. Projektovani regulator obezbeĊuje ravnomernu raspodelu reaktivnih snaga meĊu agregatima u relativnom odnosu kao i ravnomernu raspodelu rezervi reaktivne snage što dodatno utiĉu na naponsku stabilnost sistema. Na ovaj naĉin je onemogućeno da jedan od agregata mnogo pre ostalih dostigne limiter minimalne ili maksimalne struje pobude kada automatski regulator napona generatora prestaje da odrţava napon na generatoru, već odrţava konstantnu pobudnu struju. Usled postojanja tri hijerarhijska nivoa upravljanja naponima, potrebno je obezbediti i odgovarajuće „slaganje“ vremenskih konstanti. Odnosno, dominantna vremenska konstanta spoljašnje petlje treba da bude veća od svih dominantnih vremenskih konstanti unutrašnjih petlji. Petlja sa povratnom spregom po naponu statora generatora definisana je dominantnom vremenskom konstantom od 0,5 s; petlja sa povratnom spregom po reaktivnoj snazi generatora koja sadrţi integralni regulator ima dominantnu vremensku konstantu od 5 s, dok spoljašnja petlja sa PI regulatorom napona sabirnica elektrane ima dominantnu vremensku konstantu od 50s [5]. IV. Na Sl. 6 i 7 su prikazani snimci reaktivne i aktivne snage generatora A1, kao i napon pobude i napon statora generatora A1, respektivno. Slika 6. Reaktivna i aktivna snaga generatora A1 REZULTATI DOBIJENI SIMULACIJOM U nastavku su dati snimci karakteristiĉnih veliĉina dobijeni simulacijom. Zadata referentna vrednost napona sabirnica je 0,98 r.j., a u 120. i 160. sekundi se zadaje poremećaj u mreţi. Na vrednost napona sabirnica ne utiĉu samo maksimalne Slika 7. Napon pobude i napon statora generatora A1 Prilikom poremećaja u mreţi (dolazi do pada napona na 220kV sabirnicama elektrane), regulator reaktivne snage deluje na pojedinaĉne regulatore pobude generatora sa ciljem da se podigne napon na izvodima generatora, a samim tim i na sabirnicama elektrane. Sada smo znaĉajno povećali opterećenje koje zadajemo u 160. sekundi sa ciljem da utvrdimo da li će sistem biti u stanju da nakon tog poremećaja i dalje odrţi napon sabirnica na zadatoj vrednosti. Kao što je već reĉeno, prilikom naponskog kolapsa najbitnije je imati dovoljnu koliĉinu reaktivne rezerve u sistemu. Sinhroni generatori kao najbitniji proizvoĊaĉi reaktivne snage, u tim situacijama treba da odaju maksimalnu moguću reaktivnu snagu (koja je ograniĉena njihovom trenutnom aktivnom snagom) kako bi se napon odrţao na ţeljenoj vrednosti. Slika 10. Reaktivna i aktivna snaga generatora A4 U cilju povećanja naponske stabilnosti u mreţi je postavljena otoĉna kondenzatorska baterija koja ima zadatak da pomogne generatorima da podignu nivo napona na 220kV sabirnicama elektrane nakon poremećaja koji zadajemo u 160. sekundi. Na slici 11 je prikazan napon 220kV sabirnica elektrane i odate reaktivne snage generatora koji uĉestvuju u grupnoj regulaciji sa prikljuĉenom kondenzatorskom baterijom. Primećujemo da sa kondenzatorskom baterijom sistem uspeva da podigne napon sabirnica na zadatu vrednost i nakon poremećaja u 160. sekundi. Slika 8. Napon 220kV sabirnica elektrane i odate reaktivne snage generatora A1-A4 Na slici 8 prikazan je napon 220kV sabirnica i reaktivne snage generatora koji uĉestvuju u grupnoj regulaciji. Primećujemo da nakon poremećaja u 160. sekundi sistem nije u mogućnosti da odrţi napon na sabirnicama elektrane na ţeljenoj vrednosti od 0,98 r.j. Generatori odaju maksimalne moguće reaktivne snage (s obzirom na vrednosti aktivnih snaga), ali to nije dovoljno da bi se napon na sabirnicama elektane odrţao na ţeljenoj vrednosti. Reaktivne i aktivne snage generatora A1 i A4 su prikazane na slikama 9 i 10. Slika 11. Napon 220kV sabirnica elektrane i odate reaktivne snage generatora A1-A4 V. Slika 9. Reaktivna i aktivna snaga generatora A1 ZAKLJUĈAK Primenom koordinisane Q-V regulacije na nivou elektrane korist ostvaruju i elektrana i elektroenergetski sistem. Sa stanovišta elektrane uniformna raspodela reaktivnih snaga vodi ujednaĉenoj proizvodnji reaktivnih snaga, ujednaĉenom starenju opreme i elektrana pruţa maksimalnu dinamiĉku reaktivnu podršku sistemu radi oĉuvanja naponske stabilnosti. Sa stanovišta EES-a, koordinisana Q-V regulacija vodi maksimizaciji i ujednaĉavanju reaktivnih rezervi na sinhronim generatorima što omogućava: uniforman odziv generatora na razliĉite poremećaje ili dogaĊaje u EES-u, bolju dinamiĉku podršku sistemu i znatno bolju podršku odrţavanju profila napona u sistemu posebno sa aspekta sporih promena napona, zatim utiĉe na smanjenje gubitaka u prenosu, pozitivno utiĉe na ukupnu naponsku stabilnost, propusnu moć dalekovoda, itd. LITERATURA [1] M. Ćalović, „Regulacija elektroenergetskih sistema“, Tom II- Regulacija napona i reaktivnih snaga, Beograd, 1997. [2] R. Milijanović, „Grupno upravljanje agregatima u elektrani“, Monografija, Elektrotehniĉki institut „Nikola Tesla“, Beograd, 1986. [3] J. Dragosavac, Ţ. Janda, P. Ninković, J. Pejović, S. Dobriĉić, T. Gajić, „Grupni regulator pobude i aktivne snage u TE „Nikola Tesla“- Obrenovac“, Projekat, Elektrotehniĉki institut „Nikola Tesla“, Beograd 2009. [4] I. Boldea, „Synchronous generators“, Taylor and Francis Group, 2006. [5] S. Corsi, M. Pozzi, C. Sabelli, A. Serrani, „The Coordinated Automatic VoltageControl of the Italian Transmission Grid- Part I:Reasons of the Choise and Overview of the Consolidated Hierarchical System“, IEEE Trans. On Power Systems, Vol. 19, No. 4, November 2004. implemented in Power Plant „Nikola Tesla A“ in Obrenovac. The reactive power controller controls all synchronous generators connected to the power plant busbar in order to regulate and maintain the desired voltage-reactive characteristics of busbar with uniformly distribution of load among the generating units.. The key result of this controller is to achieve the reactive power distribution among units according to requirements and target voltage/VAR plant curve response, while maintaining the maximal reactive power reserve available, according to capability curves. The unit response must be simultaneous with the desired optimization criteria: the maintenance of maximum reactive power reserve per unit, maintaining the same power factor, minimization of losses and similar. ABSTRACT Grupni regulator reaktivne snage This paper presents a simulation model of a joint VAR/voltage power plant controller which is developed and Ilija Klasnić, Jasna Dragosavac, Ţarko Janda, Dušan Arnautović