Inżynieria elektroenergetyczna · analizy przyłączeniowe · zdolność do generacji mocy biernej
Stos zdolności mocy biernej
Warstwa po warstwie: moc bierna, jaką zamodelowana morska farma wiatrowa 300 MW może dostarczyć w punkcie przyłączenia, i obszary, w których jej brakuje.
Przegląd
Zamodelowaliśmy morską farmę wiatrową 300 MW przyłączoną prądem przemiennym – od przekształtników turbin przez wewnętrzną sieć kablową 66 kV, morską stację transformatorową i 60-kilometrowy kabel eksportowy – i wykonaliśmy 107 291 obliczeń rozpływu mocy w stanie ustalonym (104 111 zbieżnych), aby wyznaczyć zakres mocy biernej, jaki farma może dostarczyć w lądowym punkcie przyłączenia. Każda warstwa stosu odpowiada jednemu napięciu w punkcie przyłączenia, od 0,875 do 1,100 pu. Każdy rozwiązany punkt jest sprawdzany względem wszystkich ograniczeń modelu: ograniczeń prądowych przekształtników, napięcia na ich zaciskach i obwodu pośredniczącego DC, parametrów znamionowych kabli i transformatorów morskich oraz najwyższego dopuszczalnego napięcia urządzeń 66 kV i 220 kV.
Stos sprawdziliśmy względem przykładowego profilu, który wyznaczyliśmy w obrębie obwiedni z unijnego kodeksu sieci dla jednostek wytwórczych (rozporządzenie (UE) 2016/631, art. 21(3)(b)–(c), rysunek 8 z zakresami z tabeli 9, Pmax = 300 MW, parametry znamionowe turbin). Wymagamy tego samego pasma przy każdym poziomie mocy – rozporządzenie pozostawia ten wybór operatorowi systemu. Przy załączonym stałym dławiku lądowym 65 Mvar stos wykazuje niedobory w dwóch obszarach:
- Przy generacji mocy biernej i pełnej mocy czynnej niedobór występuje przy każdym napięciu: 20–45 Mvar, a wyznacza go ograniczenie obwodu DC przekształtników. Przy 1,100 pu niedobór rośnie do 57,6 Mvar; ostatnim osiąganym ograniczeniem jest tam napięcie 245 kV na morskiej szynie zbiorczej 220 kV.
- Przy poborze mocy biernej i napięciu 0,875–0,900 pu niedobór sięga 44,4 Mvar przy zerowej mocy czynnej: napięcie na zaciskach przekształtników dochodzi wtedy do 0,90 pu, a przełączniki zaczepów są w położeniu krańcowym.
To właśnie te dwa narożniki, które samo rozporządzenie wskazuje jako kosztowne: generacja przy wysokim napięciu i pobór przy niskim napięciu.
Niedobór po stronie generacji wynika głównie z naszego własnego dławika. Bez niego farma spełnia wymagania po stronie generacji w całym zakresie; przy 1,100 pu stały dławik pobiera 79 Mvar. Urządzenia na szynie zbiorczej punktu przyłączenia niczego nie zmieniają wewnątrz sieci, ponieważ w każdej warstwie to napięcie jest stałe, dlatego kompensację dobiera się dokładnie, w ostatnim kroku. Obok stałego dławika niedobory w obu obszarach likwiduje STATCOM ±52,4 Mvar. Dławik 125 Mvar wyłączany, gdy farma generuje moc bierną, i załączany, gdy ją pobiera, likwiduje je w ogóle bez układu STATCOM.
Układ jest reprezentatywny, a nie wzięty z rzeczywistego projektu. Punkt przyłączenia znajduje się na lądzie, tak jak wtedy, gdy farma buduje własny system wyprowadzenia mocy. Jego położenie zależy od kraju, a od położenia z kolei zależy, który artykuł ma zastosowanie: przy lądowym punkcie przyłączenia rozporządzenie traktuje farmę jak lądowy moduł parku energii (art. 23(1)). Rozporządzenie pozwala też operatorowi systemu zażądać od właściciela kabla dodatkowej mocy biernej na kompensację kabla eksportowego (art. 21(3)(a)); nasze profile tego nie uwzględniają. To, czy zmiany położenia zaczepów można wliczać do zdolności, zależy od operatora systemu, dlatego stos obliczyliśmy w obu wariantach.
Co zbudowaliśmy
- Farma. Model morskiej farmy 300 MW:
- turbiny 20 × 15 MW z przekształtnikiem pełnej mocy, w czterech ciągach kablowych 66 kV;
- dwa morskie transformatory 180 MVA z podobciążeniowymi przełącznikami zaczepów;
- morski dławik 80 Mvar;
- kabel eksportowy 220 kV o długości 60 km, podzielony na 12 odcinków.
Parametry kabli obliczyliśmy na podstawie ich geometrii.
- Przekształtnik. Przekształtnik każdej turbiny ma trzy ograniczenia: prądowe, napięcia AC na zaciskach (0,90–1,10 pu) oraz ograniczenie obwodu DC dla napięcia wewnętrznego, które w miarę wzrostu napięcia na zaciskach ogranicza moc bierną oddawaną przy przewzbudzeniu.
- Przegląd parametrów. Obejmuje napięcie w punkcie przyłączenia, moc czynną, 17 położeń zaczepów i zadaną moc bierną turbin. Metoda bisekcji wyznacza każdą granicę obszaru zdolności z dokładnością do 0,01 Mvar na turbinę, a przy każdej granicy zapisywane jest ograniczenie, które ją wyznacza.
- Weryfikacja profili. Sprawdza stos względem trzech przykładowych profili, które wyznaczyliśmy w obrębie obwiedni z rysunku 8, z zakresami z tabeli 9. Dobiera dławik lądowy, stały lub przełączany, oraz STATCOM, które likwidują niedobory.
- Interaktywny stos. Można w nim:
- przewijać warstwy napięciowe;
- odblokowywać lub blokować przełączniki zaczepów;
- przełączać dławik między trybem stałym a przełączanym;
- zmieniać profil;
- zmieniać moc znamionową układu STATCOM.
Technologie
Python, pandapower (rozpływ mocy metodą Newtona–Raphsona), NumPy; three.js do wizualizacji stosu; przeglądarka w trybie headless do klatek filmu.
W liczbach
| Wartość | Jak to zmierzyliśmy |
|---|---|
| 107 291 obliczeń rozpływu mocy, 104 111 zbieżnych | Przegląd parametrów dla lądowego punktu przyłączenia: 19 napięć × 11 poziomów mocy × 17 położeń zaczepów × 13 lub 25 wartości zadanych mocy biernej, plus kroki bisekcji na każdej granicy. Obliczenia, które nie osiągnęły zbieżności (3 180), traktujemy jako leżące poza ograniczeniami. Żadna granica nie została wyznaczona przez punkt niezbieżny. |
| 211 s | Rzeczywisty czas wykonania tego przeglądu w 5 procesach na laptopie z M1 Pro (ok. 10 ms na jedno obliczenie rozpływu w każdym procesie). |
| 169 Mvar | Moc ładowania 60-kilometrowego kabla eksportowego przy 220 kV, policzona ręcznie: U²·ω·C·l, gdzie C = 184,9 nF/km z geometrii kabla. Zasilany z jednego końca, przy otwartym drugim końcu, kabel generuje 170,1 Mvar – zarówno w dokładnym rozwiązaniu dla linii o parametrach rozłożonych, jak i w naszym modelu 12-odcinkowym. |
| Niedobór 57,6 Mvar (generacja) | Największy niedobór przy przewzbudzeniu: 1,100 pu, pełna moc, stały dławik lądowy 65 Mvar załączony. Ostatnim osiąganym ograniczeniem jest napięcie 245 kV na morskiej szynie zbiorczej 220 kV. Zaczepy odblokowane, przykładowy profil A. |
| Niedobór 44,4 Mvar (pobór) | Największy niedobór przy niedowzbudzeniu: 0,875 pu, zerowa moc. Napięcie na zaciskach przekształtników wynosi 0,90 pu, a przełączniki zaczepów są w położeniu krańcowym. Pozostałe warunki bez zmian. |
| ±52,4 Mvar | Moc znamionowa układu STATCOM przy 1,0 pu, która likwiduje wszystkie niedobory względem profilu A przy odblokowanych przełącznikach zaczepów i załączonym stałym dławiku 65 Mvar. To największy niedobór podzielony przez odpowiadające mu napięcie, ponieważ STATCOM z ograniczeniem prądowym dostarcza moc znamionową pomnożoną przez napięcie (zakładamy prąd znamionowy do 1,10 pu). |
| 125 Mvar, przełączany | Lądowy dławik łączony wyłącznikiem (wyłączony przy generacji, załączony przy poborze), który likwiduje wszystkie niedobory względem profili A, B i C przy odblokowanych zaczepach i bez układu STATCOM. To najmniejsza moc, przy kroku co 5 Mvar, która to zapewnia. |
| 177,4 Mvar | Moc znamionowa układu STATCOM przy przełącznikach zaczepów zablokowanych w położeniu neutralnym (stały dławik). Nawet wtedy trzy punkty pracy pozostają niespełnione: przy 0,875–0,900 pu przekształtniki w ogóle nie mogą oddać pełnej mocy. |
| 11,1 i 33,3 Mvar | Moc znamionowa układu STATCOM dla przykładowych profili B (złagodzone narożniki) i C (pasmo ±0,33), przy stałym dławiku i odblokowanych zaczepach. |
| 54,7 Mvar | Ta sama weryfikacja, ale z punktem przyłączenia na morskiej szynie zbiorczej 220 kV, jak w przypadku morskiego węzła przyłączeniowego należącego do operatora systemu. Kabel eksportowy i oba dławiki leżą wtedy poza farmą, a STATCOM znalazłby się na morzu (kolejne 106 039 obliczeń rozpływu). Zastosowanie mają art. 25(5) i tabela 11; dla Europy kontynentalnej tabela 11 ma te same granice co tabela 9. |
| 7,0 MW | Straty od zacisków turbin do punktu przyłączenia przy pełnej mocy, 1,000 pu, zerowej mocy biernej turbin i zaczepach w położeniu neutralnym (dostarczone 293,0 MW). |
| 0,0000002 Mvar | Największa różnica mocy biernej w punkcie przyłączenia między silnikiem obliczeń rozpływu a naszą własną implementacją metody Newtona–Raphsona, napisaną na podstawie tych samych udokumentowanych danych, w 60 losowych punktach pracy. To weryfikuje kod, a nie fizykę. |
Wszystkie liczby to wyniki dla stanu ustalonego z naszego modelu reprezentatywnej farmy. Nie stanowią oceny zgodności.
Kadry
Wypróbuj na żywo
Interaktywny widok działający w przeglądarce. Nic się nie wczytuje, dopóki nie zostanie otwarty.
