Електроенергетика · дослідження приєднання до мережі · діапазон реактивної потужності
Стос діаграм потужності
Зріз за зрізом: яку реактивну потужність змодельований морський вітропарк на 300 MW може видати в точці приєднання і де її бракує.
Огляд
Ми змоделювали морський вітропарк на 300 MW із приєднанням на змінному струмі — від перетворювачів його турбін через внутрішню мережу 66 kV і морську підстанцію до кабелю видачі потужності завдовжки 60 km — і виконали 107 291 розрахунок потокорозподілу в усталеному режимі (з них 104 111 зійшлися), щоб визначити, яку реактивну потужність він може видати в точці приєднання на березі. Кожен зріз стосу відповідає одній напрузі в точці приєднання — від 0,875 до 1,100 pu. Кожну розв’язану точку перевірено на всі обмеження моделі: обмеження перетворювачів за струмом, напругою на затискачах і напругою ланки постійного струму, номінальні параметри кабелю й морських трансформаторів, а також найвищу допустиму напругу обладнання 66 kV і 220 kV.
Ми перевірили стос на відповідність прикладу профілю, який самі побудували в межах, заданих мережевим кодексом ЄС щодо приєднання генераторів (Регламент (ЄС) 2016/631, ст. 21(3)(b)–(c), рисунок 8 з діапазонами з таблиці 9, Pmax = 300 MW, номінальні параметри турбін). Ми вимагаємо однакову смугу на всіх рівнях потужності — цей вибір Регламент залишає за оператором системи. З постійно ввімкненим береговим реактором 65 Mvar реактивної потужності бракує у двох областях:
- Під час видачі на повній потужності дефіцит є за будь-якої напруги: 20–45 Mvar, і його визначає обмеження ланки постійного струму перетворювачів. За 1,100 pu дефіцит зростає до 57,6 Mvar; останнім досягається обмеження морської шини 220 kV — 245 kV.
- Під час споживання за 0,875–0,900 pu дефіцит сягає 44,4 Mvar за нульової потужності: напруга на затискачах перетворювачів знижується до 0,90 pu, а РПН стоять у крайньому положенні.
Це саме ті два кути, які Регламент і сам позначає як витратні: видача за високої напруги, споживання за низької.
Дефіцит у видачі здебільшого спричиняє наш власний реактор. Без нього вітропарк скрізь виконує вимоги щодо видачі; за 1,100 pu постійно ввімкнений реактор споживає 79 Mvar. Обладнання на шині точки приєднання нічого не змінює всередині мережі, бо в кожному зрізі цю напругу зафіксовано, тому компенсацію можна точно підібрати останнім кроком. Поряд із постійно ввімкненим реактором STATCOM на ±52,4 Mvar закриває обидві області. Реактор 125 Mvar, який вимикають, коли вітропарк видає реактивну потужність, і вмикають, коли споживає, закриває їх зовсім без STATCOM.
Схема репрезентативна, це не реальний проєкт. Точка приєднання розташована на березі — так буває, коли вітропарк будує власну систему видачі потужності. Де саме вона розташована, залежить від країни, а від цього залежить і те, яка стаття застосовується: якщо точка приєднання на березі, Регламент розглядає вітропарк як наземний модуль (ст. 23(1)). Регламент також дозволяє оператору системи вимагати від власника кабелю додаткову реактивну потужність для компенсації кабелю видачі потужності (ст. 21(3)(a)); наші профілі цього не передбачають. Чи можна зараховувати перемикання РПН до діапазону, вирішує оператор системи, тому стос розраховано в обох варіантах.
Що ми створили
- Вітропарк. Модель морського вітропарку на 300 MW:
- турбіни 20 × 15 MW із повнопотужними перетворювачами, з’єднані в чотири гілки 66 kV;
- два морські трансформатори 180 MVA з РПН;
- морський реактор 80 Mvar;
- кабель видачі потужності 220 kV завдовжки 60 km, поділений на 12 ділянок.
Параметри кабелю розраховано за його геометрією.
- Перетворювач. Перетворювач кожної турбіни має три обмеження: за струмом, за напругою змінного струму на затискачах (0,90–1,10 pu) і обмеження ланки постійного струму на його внутрішню напругу, яке зі зростанням напруги на затискачах обмежує видачу в режимі перезбудження.
- Перебір режимів. Він охоплює напругу в точці приєднання, активну потужність, 17 положень РПН і уставку реактивної потужності турбін. Метод бісекції знаходить кожну межу діапазону з точністю до 0,01 Mvar на турбіну, і для кожної межі записується обмеження, яке її визначає.
- Перевірка профілів. Вона порівнює стос із трьома прикладами профілів, які ми побудували в межах рисунка 8 з діапазонами з таблиці 9. Вона ж визначає потужність берегового реактора — постійно ввімкненого чи комутованого — і STATCOM, які закривають дефіцит.
- Інтерактивний стос. Ви можете:
- гортати зрізи за напругою;
- розблоковувати або фіксувати РПН;
- обирати для реактора постійне ввімкнення чи комутацію;
- обирати профіль;
- регулювати номінальну потужність STATCOM.
Стек технологій
Python, pandapower (розрахунок потокорозподілу методом Ньютона–Рафсона), NumPy; three.js для стосу; headless-браузер для кадрів фільму.
Цифри
| Показник | Як ми це виміряли |
|---|---|
| 107 291 розрахунок потокорозподілу, 104 111 зійшлися | Перебір для точки приєднання на березі: 19 значень напруги × 11 рівнів потужності × 17 положень РПН × 13 або 25 уставок реактивної потужності, а також кроки бісекції на кожній межі. 3 180 розрахунків, які не зійшлися, вважаються такими, що виходять за обмеження. Жодну межу не визначила точка, у якій розрахунок не зійшовся. |
| 211 s | Реальний час виконання цього перебору в 5 процесах на ноутбуці з M1 Pro (близько 10 ms на один розрахунок потокорозподілу в кожному процесі). |
| 169 Mvar | Зарядна потужність кабелю видачі потужності 220 kV завдовжки 60 km, розрахована вручну: U²·ω·C·l, де C = 184,9 nF/km за геометрією кабелю. За живлення з одного кінця й розімкненого другого кінця кабель генерує 170,1 Mvar — і в точному розв’язку для лінії з розподіленими параметрами, і в нашій моделі з 12 ділянок. |
| Дефіцит 57,6 Mvar (видача) | Найбільший дефіцит у режимі перезбудження: 1,100 pu, повна потужність, береговий реактор 65 Mvar постійно ввімкнений. Останнім досягається обмеження морської шини 220 kV — 245 kV. РПН не зафіксовані, приклад профілю A. |
| Дефіцит 44,4 Mvar (споживання) | Найбільший дефіцит у режимі недозбудження: 0,875 pu, нульова потужність. Напруга на затискачах перетворювачів — 0,90 pu, РПН у крайньому положенні. Інші умови ті самі. |
| ±52,4 Mvar | Номінальна потужність STATCOM за 1,0 pu, яка закриває весь дефіцит відносно профілю A за незафіксованих РПН і постійно ввімкненого реактора 65 Mvar. Це найбільший дефіцит, поділений на напругу, за якої він виникає, бо STATCOM з обмеженням за струмом видає свою номінальну потужність, помножену на напругу (приймаємо, що номінальний струм зберігається до 1,10 pu). |
| 125 Mvar, комутований | Береговий реактор, який комутується вимикачем (вимкнений під час видачі, увімкнений під час споживання) і закриває весь дефіцит відносно профілів A, B і C за незафіксованих РПН і без STATCOM. Це найменша потужність із кроком 5 Mvar, за якої це вдається. |
| 177,4 Mvar | Номінальна потужність STATCOM, коли РПН зафіксовані в нейтральному положенні (реактор постійно ввімкнений). Навіть тоді три робочі точки залишаються незакритими: за 0,875–0,900 pu перетворювачі взагалі не можуть видати повну потужність. |
| 11,1 і 33,3 Mvar | Номінальна потужність STATCOM для прикладів профілів B (з пом’якшеними кутами) і C (смуга ±0,33) з постійно ввімкненим реактором і незафіксованими РПН. |
| 54,7 Mvar | Та сама перевірка, але з точкою приєднання на морській шині 220 kV — як на морському хабі, що належить оператору системи. Тоді кабель видачі потужності й обидва реактори опиняються поза вітропарком, а STATCOM довелося б розміщувати в морі (ще 106 039 розрахунків потокорозподілу). Застосовуються ст. 25(5) і таблиця 11; для Континентальної Європи таблиця 11 має ті самі межі, що й таблиця 9. |
| 7,0 MW | Втрати від затискачів турбін до точки приєднання за повної потужності, 1,000 pu, нульової реактивної потужності турбін і РПН у нейтральному положенні (видано 293,0 MW). |
| 0,0000002 Mvar | Найбільша розбіжність реактивної потужності в точці приєднання між програмою розрахунку потокорозподілу та нашою власною реалізацією методу Ньютона–Рафсона, написаною за тими самими задокументованими даними, у 60 випадкових робочих точках. Це перевірка коду, а не фізики. |
Усі числа — результати розрахунку усталених режимів на нашій моделі репрезентативного вітропарку. Це не оцінка відповідності вимогам.
Кадри
Спробуйте наживо
Інтерактивна візуалізація, що працює у вашому браузері. Нічого не завантажується, доки ви її не відкриєте.
