Elektroenergetika · štúdie pripojenia do sústavy · schopnosť dodávky jalového výkonu
Vrstvený diagram jalového výkonu
Vrstva po vrstve: jalový výkon, ktorý dokáže modelovaný veterný park na mori s výkonom 300 MW dodať v bode pripojenia, a miesta, kde nestačí.
Prehľad
Namodelovali sme veterný park na mori s výkonom 300 MW, pripojený striedavým prúdom: od meničov turbín cez vnútroparkovú sieť 66 kV a rozvodňu na mori až po 60 km dlhý exportný kábel. Vykonali sme 107 291 výpočtov ustáleného chodu siete (104 111 z nich konvergovalo), aby sme zmapovali jalový výkon, ktorý park dokáže dodať v bode pripojenia na pevnine. Každá vrstva diagramu zodpovedá jednému napätiu v bode pripojenia, od 0,875 do 1,100 pu. Každý vyriešený bod sa kontroluje voči všetkým obmedzeniam modelu: prúdovému obmedzeniu meničov, obmedzeniu ich svorkového napätia a jednosmerného medziobvodu, menovitým hodnotám kábla a transformátorov na mori a najvyššiemu napätiu, na ktoré sú dimenzované zariadenia 66 kV a 220 kV.
Diagram sme porovnali s príkladovým profilom, ktorý sme zakreslili v rámci obálky sieťového predpisu EÚ pre pripojenie výrobcov elektriny (nariadenie (EÚ) 2016/631, čl. 21(3)(b)–(c), obrázok 8 s rozsahmi z tabuľky 9, Pmax = 300 MW, menovité hodnoty turbín). Na každej úrovni výkonu požadujeme rovnaké pásmo, čo nariadenie ponecháva na rozhodnutí prevádzkovateľa sústavy. S trvalo pripojenou tlmivkou 65 Mvar na pevnine park profil v dvoch oblastiach nedosahuje:
- Pri dodávke jalového výkonu a plnom činnom výkone chýba pri každom napätí 20–45 Mvar, o čom rozhoduje obmedzenie jednosmerného medziobvodu meničov. Pri 1,100 pu sa deficit prehlbuje na 57,6 Mvar; posledným dosiahnutým obmedzením je tam prípojnica 220 kV na mori pri 245 kV.
- Pri odbere jalového výkonu a napätí 0,875–0,900 pu chýba pri nulovom činnom výkone až 44,4 Mvar: svorky meničov dosahujú 0,90 pu a prepínače odbočiek sú v krajnej polohe.
Práve tieto dva rohy označuje samotné nariadenie za nákladné: dodávku pri vysokom napätí a odber pri nízkom napätí.
Deficit pri dodávke spôsobuje najmä naša vlastná tlmivka. Bez nej park splní požiadavky na dodávku všade; pri 1,100 pu trvalo pripojená tlmivka odoberá 79 Mvar. Zariadenia na prípojnici bodu pripojenia nemenia nič vo vnútri siete, pretože toto napätie je v každej vrstve pevne dané, a kompenzácia sa preto dimenzuje ako presný posledný krok. STATCOM ±52,4 Mvar popri trvalo pripojenej tlmivke pokryje oba deficity. Tlmivka 125 Mvar, ktorá sa odpína, keď park jalový výkon dodáva, a pripína, keď ho odoberá, ich pokryje úplne bez STATCOM-u.
Usporiadanie je reprezentatívne, nejde o skutočný projekt. Bod pripojenia je na pevnine, ako keď si park buduje vlastný exportný systém. Kde leží, závisí od krajiny, a od toho sa odvíja aj príslušný článok: pri bode pripojenia na pevnine nariadenie posudzuje park ako modul na pevnine (čl. 23(1)). Nariadenie tiež umožňuje prevádzkovateľovi sústavy požadovať od vlastníka kábla dodatočný jalový výkon na pokrytie exportného kábla (čl. 21(3)(a)); naše profily ho nezahŕňajú. Či sa kroky prepínača odbočiek smú započítať do schopnosti dodávky, závisí od prevádzkovateľa sústavy, preto je diagram vypočítaný oboma spôsobmi.
Čo sme vytvorili
- Park. Model veterného parku na mori s výkonom 300 MW:
- 20 turbín po 15 MW s plnovýkonovými meničmi na štyroch vetvách 66 kV;
- dva transformátory 180 MVA na mori s prepínačmi odbočiek pod záťažou;
- tlmivka 80 Mvar na mori;
- 60 km dlhý exportný kábel 220 kV v 12 úsekoch.
Parametre kábla sú vypočítané z jeho geometrie.
- Menič. Menič každej turbíny má tri obmedzenia: prúd, striedavé svorkové napätie (0,90–1,10 pu) a obmedzenie jednosmerného medziobvodu na jeho vnútorné napätie, ktoré so stúpajúcim svorkovým napätím obmedzuje dodávku v prebudenom režime.
- Parametrický prechod. Prechádza napätím v bode pripojenia, činným výkonom, 17 polohami odbočiek a žiadanou hodnotou jalového výkonu turbín. Bisekcia nájde každú hranicu schopnosti dodávky s presnosťou 0,01 Mvar na turbínu a pri každej hranici sa zaznamená obmedzenie, ktoré ju určuje.
- Kontrola profilov. Porovnáva diagram s tromi príkladovými profilmi, ktoré sme zakreslili v rámci obálky z obrázka 8 s rozsahmi z tabuľky 9. Dimenzuje tlmivku na pevnine, trvalo pripojenú alebo spínanú, a STATCOM, ktoré deficity pokryjú.
- Interaktívny diagram. Môžete:
- prechádzať vrstvami napätia;
- uvoľniť alebo zafixovať prepínače odbočiek;
- prepínať tlmivku medzi trvalo pripojenou a spínanou;
- zmeniť profil;
- meniť menovitý výkon STATCOM-u.
Technológie
Python, pandapower (výpočet chodu siete Newtonovou–Raphsonovou metódou), NumPy; three.js pre vrstvený diagram; headless prehliadač na snímky filmu.
Čísla
| Číslo | Ako sme ho zmerali |
|---|---|
| 107 291 výpočtov chodu siete, 104 111 konvergovalo | Parametrický prechod pre bod pripojenia na pevnine: 19 napätí × 11 úrovní výkonu × 17 polôh odbočiek × 13 alebo 25 žiadaných hodnôt jalového výkonu, plus kroky bisekcie pri každej hranici. Výpočty, ktoré nekonvergovali (3 180), sa počítajú ako body mimo obmedzení. Žiadnu z hraníc neurčil nekonvergovaný bod. |
| 211 s | Skutočný čas behu tohto prechodu v 5 procesoch na notebooku s M1 Pro (približne 10 ms na jeden výpočet chodu siete v jednom procese). |
| 169 Mvar | Nabíjací výkon 60 km dlhého exportného kábla pri 220 kV, ručný výpočet: U²·ω·C·l s C = 184,9 nF/km z geometrie kábla. Pri napájaní z jedného konca a otvorenom vzdialenom konci kábel generuje 170,1 Mvar, a to v presnom riešení vedenia s rozloženými parametrami aj v našom modeli s 12 úsekmi. |
| Deficit 57,6 Mvar (dodávka) | Najhlbší deficit v prebudenom režime: 1,100 pu, plný výkon, tlmivka 65 Mvar na pevnine trvalo v prevádzke. Posledným dosiahnutým obmedzením je prípojnica 220 kV na mori pri 245 kV. Odbočky voľné, príkladový profil A. |
| Deficit 44,4 Mvar (odber) | Najhlbší deficit v podbudenom režime: 0,875 pu, nulový výkon. Svorky meničov sú na 0,90 pu a prepínače odbočiek v krajnej polohe. Rovnaké podmienky. |
| ±52,4 Mvar | Menovitý výkon STATCOM-u pri 1,0 pu, ktorý pokryje všetky deficity voči profilu A s voľnými prepínačmi odbočiek a trvalo pripojenou tlmivkou 65 Mvar. Ide o najväčší deficit vydelený príslušným napätím, pretože prúdovo obmedzený STATCOM dodá svoj menovitý výkon vynásobený napätím (predpokladáme menovitý prúd až do 1,10 pu). |
| 125 Mvar, spínaná | Tlmivka na pevnine spínaná vypínačom (pri dodávke odpojená, pri odbere pripojená), ktorá pokryje všetky deficity voči profilom A, B a C s voľnými odbočkami a bez STATCOM-u. Je to najmenšia veľkosť v krokoch po 5 Mvar, ktorá to dokáže. |
| 177,4 Mvar | Menovitý výkon STATCOM-u s prepínačmi odbočiek zafixovanými v strednej polohe (trvalo pripojená tlmivka). Ani ten nepokryje tri prevádzkové body: pri 0,875–0,900 pu meniče vôbec nedokážu dodať plný výkon. |
| 11,1 a 33,3 Mvar | Menovité výkony STATCOM-u pre príkladové profily B (zmiernené rohy) a C (pásmo ±0,33), s trvalo pripojenou tlmivkou a voľnými odbočkami. |
| 54,7 Mvar | Rovnaká kontrola, ale s bodom pripojenia na prípojnici 220 kV na mori, ako pri rozvodnom uzle na mori vo vlastníctve prevádzkovateľa sústavy. Exportný kábel a obe tlmivky sú vtedy mimo parku a STATCOM by bol umiestnený na mori (ďalších 106 039 výpočtov chodu siete). Platí čl. 25(5) a tabuľka 11; pre kontinentálnu Európu má tabuľka 11 rovnaké limity ako tabuľka 9. |
| 7,0 MW | Straty od svoriek turbín po bod pripojenia pri plnom výkone, 1,000 pu, turbíny s nulovým jalovým výkonom, odbočky v strednej polohe (dodaných 293,0 MW). |
| 0,0000002 Mvar | Najväčší rozdiel jalového výkonu v bode pripojenia medzi výpočtovým nástrojom chodu siete a naším vlastným Newtonovým–Raphsonovým riešičom, napísaným z tých istých zdokumentovaných dát, v 60 náhodných prevádzkových bodoch. Overuje sa tým kód, nie fyzika. |
Všetky čísla sú výsledky ustáleného stavu z nášho modelu reprezentatívneho parku. Nie sú posúdením súladu s predpismi.
Zábery
Vyskúšajte naživo
Interaktívne zobrazenie, ktoré beží vo vašom prehliadači. Kým ho neotvoríte, nič sa nenačíta.
