Анализ потокораспределения и устойчивости для электрической системы с электростанцией с комбинированным циклом в Южном Ираке с использованием ETAP

С 1980 г. по сегодняшний день Ирак ведет непрерывную войну, которая уничтожила всю инфраструктуру. В 1980 г. началась Ирано-Иракская война, которая продолжалась восемь лет. Это вызвало увеличение государственных расходов на войну и сократило расходы на развитие инфраструктуры, особенно на электроэнергетику. В 2020 г. Ирак по-прежнему страдал от острой нехватки электроэнергии для граждан. Отмечается, что 90 % заводов и муниципальных зданий все еще не работают. Спрос на электроэнергию в Ираке в 2007 г. составлял 11000 МВт, в 2013 г. – 16 000 и летом 2018 г. – 24 500. Ожидается, что этот спрос увеличится до более чем 30000 МВт в 2022 г. [1, 2, 3].

Около 70 % всей электроэнергии, произведенной в 2013 г., включая технические, коммерческие и административные потери (передача – 6 %, распределение – 13 %; воровство и не-– 6 – оплаченные счета – 23 %; несобранные – 26 %; собранные – 33 %), было потеряно. Более 90 % потерь приходится на распределительную сеть, из которых 79 % – нетехнические потери (воровство, неоплаченные и несобранные счета) [3]. Распределительная система в целом находится в плохом состоянии и, по-видимому, является одной из проблем в электроснабжении, поскольку она деградирует из-за неэффективного управления и отсутствия инвестиций. Неконтролируемое и незапланированное расширение, в дополнение к старению сети, привело к перегрузкам и большим техническим и нетехническим потерям. Например, распределительные линии, которые несут ограниченное количество электроэнергии на короткие расстояния, являются основным фактором потерь в системе. Общие потери при передаче и распределении составляют около 40–50 % системных потерь в Ираке, причем большая часть этих потерь обусловлена сектором распределения (т. е. 80–90 % от общих потерь при передаче и распределении) [4, 5]. Неэффективное управление и эксплуатация сектора распределения способствуют этой проблеме, включая выставление счетов, учет, обслуживание клиентов и невозможность повысить производительность системы. Использование современных технологий и заблаговременное планирование оказывают большое влияние на снижение потерь. В статье показано, что отсутствие планирования является одной из основных причин потерь электроэнергии. Потокора-спределение, стабильность напряжения и анализ токов короткого замыкания всегда нужны для правильной установки, стабильной и надежной работы электроэнергетической системы. Этот анализ дает информацию, которая может потребоваться для дальнейшего расширения и повышения эффективности. Анализ потокораспределения – математический подход и инструмент, который используется инженерами-электриками для планирования и определения различного напряжения на шинах, их фаз, активных и реактивных мощностей.

Наиболее часто используются итерационные методы при решении задачи потокораспреде-ления энергии: Ньютона-Рафсона, Гаусс Зайделя и др. В связи с быстрой сходимостью и меньшим количеством итераций метод Ньютона-Рафсона по сравнению с другими методами более эффективен.

Стабильностью напряжения энергосистемы является ее способность поддерживать допустимое напряжение на всех своих шинах при возмущениях в системе. Это зависит от способности поддерживать равновесие между нагрузкой и генерацией. Понижение напряжения, вызванное возмущениями, негативно влияет на систему распределения.

Нестабильность вызывает постепенное повышение или, наоборот, падение напряжения на некоторых шинах, что приводит к отключению нагрузок, линий электропередачи и других элементов системы, вследствие чего из-за этих отключений некоторые генераторы могут выйти из синхронизма.

Регулирование реактивной мощности широко используемый метод для повышения стабильности напряжения системы. Оптимальное значение для реактивной мощности установки играет жизненно важную роль в определении улучшения стабильности напряжения. Компенсация реактивной мощности на «слабых» шинах в целом улучшает стабильность напряжения. В работе проведено моделирование электрической системы ISCC340 МВт в программном комплексе ETAP. После изменения напряжения узлы нагрузки идентифицируются и их напряжения улучшаются в соответствии с желаемым диапазоном напряжения при помощи настройки РПН и оптимального размещения конденсаторов [6, 7].

Описание объекта

Объектом исследования является электрическая система ISCC на 340 МВт с четырьмя газотурбинными и двумя паротурбинными установками. Четыре газотурбинных генератора мощностью 50 МВт каждый и два паротурбинных генератора мощностью 65 и 75 МВт подключены к изолированным шинам Khur Zubair. Каждый генератор подключен к центральной шине с помощью повышающего трансформатора и вырабатывает энергию на напряжении 20 кВ, затем преобразует в 132 кВ, чтобы отправить полученную мощность в общую электрическую сеть [8–10].

Два вспомогательных трансформатора с тремя обмотками и мощностью 250 МВА используются для понижения напряжения с 400 до 132 кВ общей сети и до 11 кВ для собственных нужд электростанции, а также для питания небольших жилых районов. Шина Khur Zubair питает восемь основных нагрузок (сталелитейный завод – 22 МВт, Фао – 21,6 МВт, Bab Zubair – 20,5 МВт, месторождение «Румайла» – 80 МВт, город Ум-Касер и порт – 220 МВт, месторождение «Zubair» – 45 МВт, порт Альбакер – 20 МВт, центр города – 110 МВт). Большинство нагрузок потребляется на нефтяных месторождениях, фабриках и в портах, так как дефицит покрывается за счет общей сети. Модель данной системы разработана в ETAP (рис. 1a, 1b), а затем выполнены необходимые расчеты, как указано в дальнейшем.

Анализ потокораспределения

Анализ потокораспределения является инструментом и математическим подходом, применяемыми инженерами-электриками для определения параметров электрической системы при нормальной устойчивой работе, что очень полезно на этапе планирования и эксплуатации. Чтобы выполнить анализ потокораспределения, сначала необходимо построить матрицу узловых проводимостей (Y b_us ). Используя Y _bus , можно записать узловые уравнения для электрической системы следующим образом [6, 11–13]:

I = Ybus * и,(1)

где I, Y _bus и U - ток, узловая проводимость и напряжение соответственно.

Узловое уравнение в обобщенном виде для системы шин n:

/,= ^1^*^,(2)

где i = 1, 2, 3, … n.

Полная мощность, подводимая к узлу i,

,(3)

’(^

где P j и Q i - активная и реактивная мощность в узле i.

, где j ≠ i.

системы с электростанцией с комбинированным

Рис. 1a. Модель однолинейной схемы электрической циклом мощностью 340 МВт

Fig .1a. Model of a single-line diagram of an electrical system with a combined cycle power plant with a capacity of 340 MW

Рис. 1b. Модель однолинейной схемы электрической системы с электростанцией с комбинированным циклом мощностью 340 МВт

Fig. 1b. Model of a single-line diagram of an electrical system with a combined cycle power plant with a capacity of 340 MW

Различные методы расчета потокораспределения применяются для анализа устойчивого состояния электрической системы. В работе используется алгоритм Ньютона-Рафсона по причине более быстрой сходимости и наименьшего количества итераций по сравнению с другими методами при выражении уравнения (2) в полярной форме и подставлении его в уравнение

(3), действительные и мнимые составляющие результирующего уравнения будут иметь вид

Pr^MlWKIcos (0^-^ + S,)

где 5 j , 5 j и 0 ij - углы U i , U j и U y соответственно.

Уравнения (6) и (7) разложены в ряды Тейлора относительно начальной оценки, пренебрегая всеми членами более высокого порядка, запишем их в матричной форме [11, 14, 16]:

ГАР1Г/1 /зПА5] Ы |/2 лИд^и,

где J ₁ - J ₄ являются элементами матрицы Якоби.

Диагональные и недиагональные элементы J ₁ :

^ Zy,M 11Ц, 11 и и | cos (Oij - Si *6j) ,                             (9)

Разница между графиком и расчетными значениями мощности, известными как невязки мощности для членов и , такова:

^pw= ^psclг _ pw LX1 ■       LX1 jГ ;

^Q^ = ^Qtdl - Q^.(12)

Новые оценки напряжения на шине:

,(13)

\Uk+1\=\U^k)\ Д |[7;СА:)|.(14)

После проведения анализа потокораспределения с использованием ETAP генерируется сводный отчет о предупреждениях, который сообщает нам, какая часть системы требует немедленного внимания. На рис. 2a, 2b ясно видно, что Umqaser и шина 121 работают на нижнем напряжении и эти шины содержат множество ответвлений с номинальным напряжением (11 и 33 кВ). В табл. 1 приведены следующие данные: выработка электроэнергии генераторами, потребляемая мощность нагрузок и передаваемая мощность.

Анализ устойчивости

Определяется реакция системы на различные помехи, которые являются источником нестабильности, т. е. приводят к потере синхронности, остановке или перегрузке генераторов и двигателей.

Переходные процессы в основном связаны с неисправностью коммутационных аппаратов, переключением конденсаторных батарей и другими часто переключаемыми нагрузками [7, 11]. В этой статье демонстрируется устойчивость системы, когда она теряет одну из своих нагрузок – 10 –

Рис. 2a. Результаты расчета потокораспределения

Fig. 2a. Results of load flow

Рис. 2b. Результаты расчета потокораспределения

Fig. 2b. Results of load flow

Таблица 1. Результаты анализа потокораспределения

Table 1. Results of load flow analyses

Номер узла	Напряжение			Номер ветви	U, кВ	Параметры
	кВ	%	Угол			Р, МВт	Q, МВар	I, А	cosφ
121	132	91,044	-3,9	137; 138	33; 11	48,899	37,816	300,4	79,2
				139; 140	11; 33	51,624	35,270	304,5	82,7
Umqaser	132	85,138	-6,2	135	11	18,558	11,501	1326,5	85,3
				148	11	16,065	9,956	1165,0	85,4
				192	11	18,480	11,453	1338,9	85,6
				142	11	2,442	1,183	172,9	90
				143	33	5,301	3,285	131	85
				144	11	2,474	1,198	174,0	90
				145	33	7,196	4,459	176,6	85
				136	11	14,952	7,242	1003,5	90
				141	33	23,137	14,339	540	85
				146	11	16,085	9,969	1161,8	85
				147	33	26,682	16,536	631,6	85

(поле Румайла 22 МВА). На рис. 3 и 4 показан угол мощности системы и частота вращения генераторов соответственно.

Оптимальное размещение конденсаторных батарей

Для оптимального размещения конденсаторных батарей в расчетном модуле ETAP применяется генетический алгоритм. Это процедура оптимизации, в которой используется философия естественного отбора. Целевая функция, включенная в этот модуль ETAP, имеет вид

M_ln = Z”T№Coi + Q_dc_u + b,c₂₁t) + c₂ s""" liPl , (15)

где N bus – число шин; x i – 0/1, 0 означает, что на шине i установлен конденсатор; C 0i – стоимость установки; C 1i – стоимость конденсатора за кВар; C 2i – эксплуатационные расходы; B i – количество батарей конденсаторов; Q ci – конденсатор, размером батареи на кВар; T – период планирования, в годах; C 2 – стоимость потерь за кВтч; l – уровни нагрузки; T l – продолжительность времени нагрузки L, в часах; ^l – общие потери системы на уровне L.

В рассматриваемой задаче в электрической сети расчетный модуль определения оптимальных узлов для размещения конденсаторных батарей дает информацию о количестве конденсаторных батарей и местах их размещения, необходимых для реактивной компенсации и повышения напряжения указанных шин [6, 7, 12, 13, 16–18].

В целом при текущем уровне нагрузок и потокораспределении в электрической системе наблюдается понижение напряжения, для улучшения уровня которого используются устройства РПН трансформаторов [6, 7, 12, 13, 18]. Но так как их диапазона регулирования недостаточно, напряжение на некоторых шинах остается ниже 95 %. Чтобы улучшить его, в дальнейшем ис-

Fig. 3. Power angle for generators

Рис. 4. Частота вращения генераторов

Fig. 4. Generators speed пользуется модуль оптимального размещения конденсаторных батарей программного комплекса ETAP. В параметрах модуля указываются также ограничения по напряжению, напряжение на шинах и номиналы доступных конденсаторных батарей. Ограничение напряжения установлено на уровне 95 % ≤ V ≤ 110 %, и оно является глобальным для всех шин.

Результаты работы модуля оптимального размещения конденсаторных батарей приведены в табл. 2 и на рис. 5. Значения рабочего напряжения показывают, что напряжение обеих шин увеличивается в соответствии с установленным ограничением напряжения. Также указаны номинальные напряжения, размеры и количество конденсаторных батарей для каждой шины низшего напряжения. Сравнение напряжений, мощности и коэффициента мощности для шин Umqaser и 121 приведено в табл. 3.

Выводы

В работе рассматривается вопрос анализа потокораспределения и устойчивости электрической системы с использованием программного комплекса ETAP. Исследования потокораспределения важны для планирования будущего расширения энергосистем, а также для определения наилучшей работы существующих систем. Объектом исследования является фрагмент электрической системы Южного Ирака с электростанцией с комбинированным циклом. Рассмотренная электростанция предлагается для модернизации путем добавления комбинированного цикла для существующей газовой станции на юге Ирака в городе Басра. Так как он считается промыш-

Рис. 5. Результаты после размещения конденсаторных батарей

Fig. 5. Results after OCP

Таблица 2. Результаты после размещения конденсаторных батарей

Table 2. Results after OCP

Номер узла Номинальное напряжение, кВ % угол cosφ Конденсаторные батареи Кол-во Рабочая мощность, кВар Номинальная мощность, кВар 135 11 92,55 -16,35 93,4 1 4281 5000 136 11 91,695 -17,47 93 1 4204 5000 138 11 91,327 -10,5 93 1 - 5000 139 11 91,818 -10,52 93 1 - 5000 142 11 90,014 -16,60 93 1 4051 5000 144 11 92,528 -17,64 93 1 4131 5000 146 11 90,899 -17,53 93 1 4280 5000 148 11 91,066 -15,34 93,8 1 4146 5000 192 11 91,280 -16,10 93 1 4195 5000 193 11 96,269 -10,25 90 1 - 5000 ленным и густонаселенным городом, электрическая сеть страдает от постоянных отключений, больших потерь энергии и значительных нарушений напряжения, вызванных несколькими факторами, одним из которых является дефицит электрической энергии. С помощью программы ETAP разрабатывается решение этих проблем, а с помощью модуля оптимального размещения конденсаторных батарей были выявлены слабые узлы и добавлена группа конденсаторов для компенсации реактивной мощности. Показаны положительные результаты, полученные после работы с помощью модуля оптимального размещения конденсаторных батарей, вследствие – 14 –

Таблица 3. Параметры узлов

Table 3. Options of buses

Номep узла До размещения конденсаторных батарей После размещения конденсаторных батарей U,% cosφ U,% cosφ 135 86,1 85 92,55 93,4 136 86,6 90 91,695 93 138 90,4 85 91,327 93 139 91,3 85 91,818 93 142 82,04 90 90,014 93 144 82,6 90 92,528 93 146 85,15 85 90,899 93 148 84,8 85,4 91,066 93,8 192 84,27 85,6 96,269 90 чего наблюдается улучшение характеристики напряжения, уменьшение потерь и улучшение коэффициента мощности.