ВОСТРЕБОВАННОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ КОМПЕНСАТОРОВ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ СТАТКОМ НА СОЛНЕЧНЫХ И ВЕТРОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ

АННОТАЦИЯ

Для обеспечения полной функциональности солнечных и ветряных электростанций обоснована необходимость компенсации реактивной мощности с помощью статических компенсаторов СТАТКОМ.

ABSTRACT

In order to ensure the full functionality of solar and wind power plants, the need for reactive power compensation using static compensators STATCOM is justified.

Ключевые слова: солнечная электростанция, ветряная электростанция, реактивная мощность, компенсация реактивной мощности, СТАТКОМ.

Keywords: solar power plant, wind power plant, reactive power, reactive power compensation, STATCOM.

В Узбекистане развитие альтернативной энергетики осуществляется в соответствии с Указом Президента Республики Узбекистан № УП-3012 от 26 мая 2017 года [2]. Большая часть территории Узбекистана расположена на Туранской низменности. Климат этого региона близок к сухому тропическому [1]: максимальная температура окружающего воздуха достигает +55 °С, а предельная минимальная относительная влажность воздуха снижается до 10 %.

Максимальная интенсивность солнечного излучения составляет 900 Вт/м².

В течение 5–6 месяцев интенсивность солнечного излучения составляет 800 Вт/м², суммарное время годового солнечного сияния – 2500–3000 часов.

Выше изложенные показатели природно-климатических условий Узбекистана являются самыми благоприятными для использования солнечных электростанций.

Вместе с этим климат жарко-пустынных районов характеризуется большими суточными колебаниями температуры воздуха. В результате этого в этих районах постоянно возникают ветры, в том числе:

• сильные продолжительные ветры со скоростью 4–15 м/с, местами до 40 м/с;
• пыльные бури от 60 до 260 дней в году;
• запыленность воздуха при скорости ветра 5–10 м/с достигает 0,6–2,5 г/м³, при 10–15 м/с достигает 3,5–5 г/м³, при пыльных бурях – до 10–17 г/м³.

Типичными для Узбекистана можно считать постоянные ветры со скоростью 7–12 м/с. Эти условия благоприятны для эффективного использования ветряных электростанций.

К 2030 году планируется довести общую мощность солнечных электростанций до 5 тыс. МВт, ветряных – до 3 тыс. МВт [7].

В условиях интенсивного научно-технического прогресса в информационном обществе стало важным удовлетворение потребителей качественной электроэнергией. К факторам, влияющими на качество электроэнергии, относятся уровни компенсации реактивной мощности и гармоники, находившихся в электросети.

Значения реактивной (Q_P) и активной мощности (Q_A), составляющие полную мощность, определяются по формулам:

Q_P = U∙J∙sin φ;

Q_A = U∙J∙cos φ.

Следовательно, активная мощность (мощность, переданная в нагрузку) равна произведению действующих значений тока (J) и напряжения (U) на косинус угла сдвига фаз между ними – cos (φ).

Реактивная мощность (приводящая к потерям на нагрев и излучение) равна произведению значение тока и напряжения на синус угла φ. Она всегда присутствует в системе производства, передачи, распределения электроэнергии и расходуется для преодоления индуктивного сопротивления (для создания магнитного поля в трансформаторе) и емкостного сопротивления (создания электрического поля конденсатора).

Однако в результате непостоянства нагрузок, подключенных к сети, величина реактивной мощности постоянно изменяется в сторону увеличения или уменьшения. К специфическим причинам потерь и снижения качества электроэнергии на солнечных электростанциях, размещенных в жарко-пустынных районах, можно отнести:

– при пыльных бурях с резкими порывами ветра интенсивность солнечный радиации у поверхности панелей резко уменьшается, что может стать причиной уменьшения напражения. В результате этого в сети будут возникать колебания значения реактивной мощности: большей или меньшей необходимой величины;

– следствием сильных продолжительных ветров является высокая запыленность воздуха. Пыль, оседающая на солнечные панели, загрязняет их. Это, естественно, приведет к уменьшению проникновения солнечной радиации к панелям и их коэффициента полезного действия. Утренняя роса, являющаяся следствием резких суточных перепадов температуры воздуха (до 40 °С), может способствовать накоплению загрязнений на поверхности панелей.

Для ветряных электростанций к природно-климатическим факторам пустынных районов, оказывающим существенное влияние на колебание величины реактивной мощности, можно отнести:

– при сильных продолжительных ветрах с порывами до 40 м/с лопасти ветрогенератора могут мгновенно набирать слишком большую скорость, что проводит к повышению напряжения и, как следствие, увеличению реактивной мощности;

– пыльные бури (основная составляющая пыли – это мельчайшие частицы кварца) со временем могут привести к дефектам поверхности лопастей, а следовательно, и к уменьшению коэффициента полезного действия ветрогенератора и изменению баланса реактивной мощности.

Наличие реактивной мощности в электросистеме негативно влияет на надежность и долговечность оборудования, уменьшает срок службы силовых трансформаторов, увеличивает нагрузки на провода и кабели, приводит к необходимости увеличения сечения кабелей, ухудшение качества электроэнергии приводит к увеличению уровня потребления электроэнергии.

На этой основе можно констатировать, что переток реактивной мощности от источника генерации к потребителю крайне нежелателен. Этим обосновывается необходимость качественной компенсации реактивной мощности. Традиционно с начала 70-х годов используются тиристорные конденсаторы реактивной мощности. В их основе тиристорно или механически переключаемые конденсаторы и тиристорно управляемые реакторы.

 В последние годы вследствие развития тиристоров (GTO) и транзисторов (JGBT) был разработан новый статический компенсатор [3].

Рисунок 1. Статический компенсатор СТАТКОМ

Работа данного устройства похожа на работу вращающегося синхронного компенсатора, но без большого времени реакции и механической инерции. Поэтому он стал называться статический синхронный компенсатор (STATCON), который в настоящее время известен как статический компенсатор СТАТКОМ. Он предназначен для регулирования реактивной мощности в диапазоне плюс – минус 100 %. СТАТКОМ представляет собой управляемый инвертор напряжения (УИН) с внутренним сопротивлением, близким к нулю (рис. 1). Его подключение к сети производится через линейный реактор, обеспечивающий преобразование разности напряжений сети и СТАТКОМ в выходной ток СТАТКОМ, то есть преобразование источника напряжения в источник тока.

Эти компенсирующие устройства позволяют за десятки миллисекунд осуществлять как подключение, так и отключение части своей мощности, СТАТКОМ позволяет как потреблять, так и генерировать реактивную мощность до нескольких МВар не более чем за 0,1с [5].

СТАТКОМ имеет неоспоримые преимущества перед обычными статическими тиристорными компенсаторами (рис. 2).

При соответствующем алгоритме управления СТАТКОМ может работать в различных режимах, обеспечивающих повышение качества электроэнергии в точке его подключения. Возможна реализация режимов генерации и потребления реактивной мощности, поддержания напряжения и поддержания устойчивости электропередачи, активного фильтра для подавления гармонических составляющих токов нагрузки [8].

Рисунок 2. Достоинства СТАТКОМ

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

– пыльные бури с порывом ветра до 40 м/с, резкие суточные перепады температуры воздуха (до 40 °С) способствуют возникновению резких колебаний интенсивности солнечной радиации на поверхности панелей и загрязнению их, напряжению и реактивной мощности, снижению коэффициента полезного действия солнечных электростанций;

– в экстремальных условиях жарко-пустынных зон работу ветрогенератора можно считать нестабильной. Сильные порывы ветра резко влияют на скорость вращений лопастей ветрогенератора, а следовательно, на значение мгновенного напряжения и реактивной мощности. Мелкие частицы кварца, содержащиеся в пыли, со временем могут привести к дефектам поверхности лопастей, а следовательно, и уменьшению коэффициента полезного действия ветрогенератора и изменению баланса реактивной мощности;

– в специфических природно-климатических условиях жарко-пустынных местностей для обеспечения качества вырабатываемой электроэнергии и сведения потерь к минимуму на солнечных и ветряных электростанциях целесообразным является использование статических компенсаторов СТАТКОМ. Они способны гарантированно управлять величиной напряжения и полностью компенсировать избыточную реактивную мощность.

Список литературы:

1. Авлиякулов Н.Х., Абдулгазис У.А., Эфендиев А.М. Совершенствование районирования территории сухого жаркого климата Средней Азии для улучшения нормирования и технического обслуживания и ремонта автотракторной техники. – Ташкент : УзНИИНТИ, 1992. – 42 с.
2. Постановление Президента Республики Узбекистан от 26 мая 2017 года № ПП-3012 «О программе мер по дальнейшему развитию возобновляемой энергетики, повышению энергоэффективности в отраслях экономики и социальной сфере на 2017–2021 годы».
3. Статические компенсаторы реактивной мощности СТК и СТАТКОМ / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lektsia.com/13x1791.html.
4. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. – М. : Энергоатомиздат, 1991. – 208 с.
5. URL: http://www.npkpromir.com/index.php/production/3-statcom/4-statcom.
6. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ветрогенератор.
7. URL: https://solarb.ru/solnechnaya-energetika-uzbekistana.
8. URL: https://www.ukkz.com/ru/catalog/novinka-staticheskij-generator-reaktivnoj-mosh-nosti-statcom.html.
9. Yuldoshev I.A., Tursunov M.N., Shoqo’chqorov S.Q., Jamolov T.R. Quyosh energetigasi. – Тashkent : «Sano-standar» nashriyoti, 2019. – 167 b.