Аспекты влияния фотоэлектрических станций на работу сельских электрических сетей

Введение. Применение фотоэлектрических установок (ФЭУ) в структуре сельских электрических сетей 0,4 кВ в России мало изучено, так как опыт такого применения также мал. Это связано с тем, что официально разрешение на подключение частных ФЭУ с выдаваемой мощностью до 15 кВт стало возможным только в 2021 году согласно ФЗ от 27.12.2019 №471-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об электроэнергетике» в части развития микрогенерации». Несмотря на то, что оплата за выработанную ФЭУ электроэнергию, согласно данному правовому документу, невелика (не превышает стоимости электроэнергии на оптовом рынке), имеется интерес сельских жителей, жителей дачных посёлков к установке ФЭУ. Как правило, данные установки служат для компенсации части потребления электроэнергии хозяйством потребителя. Мощности таких установок невелики и составляют до 1-3 кВт. В то же время, массовое подключение ФЭУ к сельским линиям электропередачи (ЛЭП) 0,4 кВ может повлечь за собой ряд последствий. Основные аспекты возможного влияния ФЭУ на работу сельской электрической сети следующие:

• -    влияние на значение потерь электроэнергии в ЛЭП и силовом трансформаторе;

• -    влияние на равномерность графика нагрузки;

• -    влияние на значение максимальных пиковых значений потребляемой мощности;

• -    влияние на показатели качества электроэнергии, поставляемой потребителям;

• -    влияние на электробезопасность обслуживания ЛЭП и ТП;

• -    влияние на настройки защит оборудования ЛЭП и ТП;

• -    влияние на организацию диспетчерского управления.

Каждый из указанных аспектов требует отдельного изучения. Например, влияние ФЭУ на потери электроэнергии в силовых трансформаторах, которые, как известно, составляют значительную долю общих потерь электроэнергии. В среднем по странам СНГ потери в силовых трансформаторах достигают 25-40% всех потерь, из них 16-22% - условно постоянные, то есть потери холостого хода [1]. Схожие значения показывают и исследования, проведённые различными авторами, анализирующими структуру потерь электроэнергии в электрических сетях [2]. Вопросы внедрения энергосберегающих трансформаторов, оптимизации загрузки силовых трансформаторов, влияния состава потребителей на значение потерь электроэнергии в силовых трансформаторах поднимаются в работах [3-5]. В то же время вопрос влияния ФЭУ на потери в трансформаторах не раскрыт в указанных и других работах.

При наличии нескольких подключенных к линии 0,4 кВ ФЭУ, в дневное время, вырабатываемая ими электроэнергия вполне может покрывать потери электроэнергии в трансформаторах, нагрузку потребителей, питаемых от данной линии и даже выдаваться в сеть 10 кВ посредством обратной трансформации на ТП 10/0,4 кВ. Это показывает и опыт Германии, где индивидуальные ФЭУ нашли широкое применение и уже проявились последствия этого [6].

Представим, что каждый из 27-28 потребителей среднестатистической сети 0,4 кВ, питаемой от ТП 10/0,4 кВ (мощность трансформатора 160 кВА) и включающей в себя две ЛЭП 0,4 кВ [7] подключил ФЭУ с выдаваемой мощностью 15 кВт. Суммарно выдаваемая ими пиковая мощность составит до 420 кВт, что более, чем в 2,5 раза превышает мощность трансформатора на ТП. Это может привести к выходу из строя трансформатора, перенапряжениям в ЛЭП, несанкционированной подаче напряжения в линию 10 кВ посредством обратной трансформации.

Кроме того, даже без рассмотрения таких крайностей, следует учитывать, что графики нагрузки сельскохозяйственных потребителей, как правило, не совпадают с графиком выработки электроэнергии ФЭУ. Наиболее близкими к нему являются графики тепличных предприятий, систем орошения [8]. Графики нагрузки коммунально-бытовых нагрузок имеют ярко выраженные утренний и вечерний максимумы нагрузок, не совпадающие с пиком суточной выработки электроэнергии ФЭУ. Это также может оказывать влияние на особенности применения ФЭУ в структуре сельских электрических сетей, включая потери электроэнергии, напряжение в сети, загрузку трансформаторов, электробезопасность. В настоящее время эти влияния в работах учёных рассмотрены недостаточно ввиду малого опыта применения ФЭУ в сельских электрических сетях в России.

Целью исследования является анализ аспектов влияния ФЭУ на работу сельских электрических сетей.

Материалы и методы исследования. В работе использованы общенаучные методы исследования, в том числе литературного обзора, методы электротехники. В качестве материалов использованы данные о графиках нагрузки сельских потребителей, данные о значениях потерь холостого хода и короткого замыкания в трансформаторах.

В качестве материала исследования рассмотрен пример сельской электрической сети. В состав сети входит трансформаторная подстанция (ТП) 10/0,4 кВ, мощностью 160 кВА, питающая нагрузку (НТП) в виде группы жилых домов по радиальной линии электропередачи (ЛЭП) 0,4 кВ. К данной ЛЭП подключена ФЭУ, вырабатывающая 4,523·104 кВт·ч/год. Потребление электроэнергии НТП изменяется в пределах от 5·104 до 2,5·105 кВт·ч/год. Рассмотрены различные аспекты влияния применения ФЭУ на работу сети. Оценено влияние использования в сети ФЭУ на потери электроэнергии в силовом трансформаторе ТП.

На рисунке 1 приведена схема рассматриваемой сети.

Рисунок 1 – Пример схемы электрической сети с подключенной к ней ФЭУ

Схема на рисунке 1 содержит: Т – силовой трансформатор, Л – ЛЭП 0,4 кВ; КА1 – коммутационный аппарат высокого напряжения; КА2, КА3 – коммутационные аппараты низкого напряжения; НТП – нагрузка трансформаторной подстанции; ФЭУ – фотоэлектрическая установка.

Результаты и обсуждение.

На рисунке 2 показан пример суточного графика электрической нагрузки, рассматриваемой НТП (группа жилых домов, период - май) без ФЭУ в сети и с ней. График нагрузки построен с учётом [9, 10].

Также показан суточный график выработки электроэнергии ФЭУ (в весеннелетний период) с пиковой мощностью 20 кВт (группа ФЭУ, установленных у потребителей).

Рисунок 2 – Графики НТП, выработки электроэнергии ФЭУ и НТП с учётом ФЭУ

Исходя из указанного графика, можно отметить, что значение потерь электроэнергии в ЛЭП и силовом трансформаторе должны снизиться (расчёт приведён ниже). Значение максимальных пиковых значений потребляемой мощности снижается незначительно (для утреннего максимума на 2-3 кВт; для вечернего – на 4-6 кВт). То есть пиковые значения потребляемой мощности снижаются на 6-8%.

Оценка равномерности графика нагрузки выполняется с помощью коэффициента формы графика нагрузки К Ф , безразм.:

К_ф = _ХТ7^—-,                       (1)

Ф        Wa , где Wai - потребление электроэнергии в каждый час суток, кВт^ч;

W_a - потребление электроэнергии за сутки, кВт^ч;

п - количество часов в сутках, 24 ч.

Выполненные расчёты для графиков на рисунке 2 показывают, что для графика НТП без ФЭУ К Ф =1,111, а для НТП с ФЭУ - К Ф =1,184. Следовательно, график стал более неравномерным.

Очевидно, влияние на показатели качества электроэнергии, поставляемой потребителям, ФЭУ будет оказывать в период своей работы, особенно с 11 до 17 ч. При этом напряжение в ЛЭП в данное время повысится. Оценка влияния ФЭУ на другие показатели качества электроэнергии подробно изучены в [11]. В данном исследовании на примере экспериментальной ФЭУ установлено снижение отклонения напряжения на 4%, снижение коэффициента гармонических искажений по напряжению на 1,6% (при увеличении вклада отдельных гармоник). Также выявлено, что при коротких замыканиях (к.з.) в сети за счёт его подпитки ФЭУ уменьшается снижение напряжения (в эксперименте 184,3 В при включенной ФЭУ по сравнению с 158,7 В при отключенной) [11].

Оценим влияние использования ФЭУ на значение потерь электроэнергии в силовом трансформаторе ТМ-160, установленном на ТП в рассматриваемом примере. Потери мощности холостого хода и короткого замыкания трансформатора составляют, соответственно, 0,4 и 2,65 кВт.

Фактические годовые потери активной энергии ^W_mp , кВт^ч/год, в трансформаторе определяются по выражению [12]:

KW mp = ^Р х • Т_п + к² зт • ЬР кз • т м ;                        (2)

где ДР, ДР _кз - потери мощности холостого хода и короткого замыкания трансформатора, кВт;

к_зт - коэффициент загрузки трансформатора, безразм.;

Т_п - число часов включенного состояния трансформаторов, ч/год;

т_м - годовое время максимальных потерь, определяемое исходя из значений числа часов использования максимума активной нагрузки, Т М , , ч/год. Его значения приведены в [12].

Число часов использования максимума активной нагрузки, Т м , ч/год, определяется следующим образом:

W r

1М   Ртах, где W2 - годовое потребление электроэнергии НТП, кВт^ч;

Р_тах - максимальная активная мощность НТП, кВт.

Подключение ФЭУ к линии, питаемой от ТП приводит к тому, что значение Т м снижается, так как ФЭУ вырабатывает электроэнергию и, таким образом, компенсирует часть W_r . Значение Р_тах также может снизиться, в случае, если выработка электроэнергии от ФЭУ происходит в период максимума по графику нагрузки НТП.

То есть для случая наличия в питаемой от ТП сети ФЭУ число часов использования максимума активной нагрузки определяется:

Тм =

^w r -W ФЭУ

Р тах

где W _Ф эy - годовая выработка электроэнергии ФЭУ, кВт^ч;

Коэффициент загрузки трансформатора к_зт , безразм. определяется [13]:

к зт

S ф

S т . ном

где S ф - фактическая нагрузка трансформатора, кВА;

S _т . _ном - номинальная нагрузка трансформатора, кВА;

Стоимость потерь электроэнергии С_WPтр , руб./год, составляет: С wтр = С р • LW mp ,

где сР - тариф на покупку электросетевой организацией потерь электроэнергии, руб./кВт^ч, например на 2023 год составляет 2,4 руб/кВт·ч для Орловской области.

В нашем примере Т _и 1 =8760 ч/год, т_М1 определяется по [12]. Результаты расчётов годовых потерь электроэнергии и их стоимости представлены на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 – Графики потерь электроэнергии в трансформаторе ТП с использованием и без использования ФЭУ

Рисунок 3 – Графики стоимости потерь электроэнергии в трансформаторе ТП с использованием и без использования ФЭУ

Таким образом, применение ФЭУ в структуре сети 0,4 кВ приводит к снижению потерь электроэнергии в силовом трансформаторе. Для рассматриваемого примера снижение составляет 500-600 кВт·ч/год (10-12% от потерь без ФЭУ) в силовом трансформаторе ТМ-160, установленном в ТП. Стоимость потерь электроэнергии снизилась также на 10-12%. В денежном выражении это составляет экономию 1000-1500 руб./год.

Однако, как следует из графиков на рисунке 2, при этом не происходит заметного снижения пиковых нагрузок (в случае НТП с графиками нагрузок, содержащими выраженные утренние и вечерние максимумы нагрузки), а, следовательно, нет возможности снизить мощность трансформатора на ТП и, таким образом, дополнительно уменьшить потери холостого хода трансформатора. Изменятся и потери в ЛЭП 0,4 кВ, которые можно оценить, зная сечение проводов, длины участков ЛЭП, распределение НТП по ЛЭП.

Влияние на электробезопасность обслуживания ЛЭП и ТП возникает по нескольким причинам. Первая – подпитка к.з. ФЭУ, за счёт чего снижается ток к.з. Это приводит к снижению чувствительности защиты ЛЭП. Второе – возможность несанкционированной подачи напряжения в ЛЭП 0,4 кВ при её обслуживании. Третье -возможность несанкционированной подачи напряжения в питающую ЛЭП 10 кВ за счёт обратной трансформации при превышении мощности ФЭУ мощности ТП. Таким образом, появляется необходимость учёта данных особенностей при выборе, настройке защит ЛЭП и ТП, использовании средств сигнализации и блокировки от обратной трансформации, несанкционированной подачи напряжения, например [14].

В свою очередь, это приводит к необходимости изменения организации диспетчерского управления электрическими сетями, требований к обеспечению наблюдаемости сети. В частности, диспетчер сети должен «видеть» работу всех ФЭУ, иметь возможность их отключения, в том числе дистанционного, от сети во время обслуживания оборудования сети. Требования технических условий на подключение ФЭУ к сети должны учитывать безопасность обслуживания сети, не допускать выдачу энергии от ФЭУ в сеть в заданных случаях. Должен вестись учёт подключенных к сети ФЭУ и ограничиваться возможность новых подключений, исходя из конфигурации сети, мощности трансформатора на ТП, пропускной способности ЛЭП. Например, в разных странах ограничивают суммарную мощность подключаемых ФЭУ на уровне от 25 до 60% мощности трансформатора на ТП [11].

Выводы

Выполненный анализ показывает, что подключение ФЭУ к электрическим сетям 0,4 кВ влияет на работу данных сетей по ряду аспектов, среди которых потери, качество электроэнергии, электробезопасность, настройки и виды защит и ряд других.

Выполненные расчёты для примера электрической сети, содержащей ТП 10/0,4 кВ, ЛЭП 0,4 кВ и нагрузку в виде группы жилых домов (потребление электроэнергии от 5·104 до 2,5·105 кВт·ч/год) показали, что применение ФЭУ, вырабатывающей 4,523·104 кВт·ч/год приводит к сокращению потерь электроэнергии на 500-600 кВт·ч/год (10-12%) в силовом трансформаторе ТМ-160, установленном в ТП. Стоимость потерь электроэнергии снизилась также на 10-12%. В денежном выражении это составляет экономию 1000-1500 руб./год. Пиковые значения потребляемой мощности снижаются не значительно, на 6-8%. Неравномерность графика нагрузки увеличивается, что показывает увеличение значения коэффициента его формы с 1,111 до 1,184.

Federal Scientific Agroengineering Center VIM