ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТАТИЧЕСКИХ СИНХРОННЫХ ПРОДОЛЬНЫХ КОМПЕНСАТОРОВ

АННОТАЦИЯ

Усовершенствование параметров линий электропередачи стало одной из ключевых задач для операторов энергетических систем. Внедрение технологий гибких систем передачи переменного тока (FACTS) стало значимым решением для динамического управления потоками мощности и повышения пропускной способности существующих линий электропередачи без строительства дополнительной инфраструктуры. Среди различных устройств FACTS статический синхронный последовательный компенсатор (SSSC) играет ключевую роль, вводя переменное емкостное или индуктивное реактивное сопротивление в зависимости от потребностей, тем самым оптимизируя поток мощности и улучшая стабильность напряжения. Этот обзорный документ подробно рассматривает функциональные возможности различных технологий FACTS, уделяя особое внимание SSSC. Были проведены сравнительные анализы работы линий передачи электроэнергии в неконтролируемом состоянии, с компенсацией традиционными последовательными конденсаторами и улучшением с помощью SSSC. Результаты подчеркивают универсальность применения SSSC для уменьшения потерь при передаче и обеспечении стабильной работы энергосети. Данное исследование не только раскрывает эксплуатационные преимущества SSSC, но и анализирует его возможности в решении актуальных задач современных систем передачи электроэнергии.

ABSTRACT

Improving the parameters of transmission lines has become one of the key challenges for power system operators. The introduction of Flexible AC Transmission Systems (FACTS) technologies has become a significant solution for dynamically managing power flows and increasing the transmission capacity of existing transmission lines without constructing additional infrastructure. Among the various FACTS devices, the Static Synchronous Series Compensator (SSSC) plays a key role by introducing variable capacitive or inductive reactance depending on the needs, thereby optimizing the power flow and improving voltage stability. This review paper examines in detail the functionalities of various FACTS technologies, with a special focus on SSSC. Comparative analyses of the operation of power transmission lines in an uncontrolled state, compensated by traditional series capacitors, and improved by SSSC were conducted. The results highlight the versatility of SSSC in reducing transmission losses and ensuring stable operation of the power grid. This study not only reveals the operational advantages of SSSC, but also analyzes its capabilities in solving urgent problems of modern power transmission systems.

Ключевые слова: система передачи тока, синхронный последовательный компенсатор, компенсация мощности, снижение потерь, стабильность напряжения.

Keywords: current transmission system, synchronous series compensator, power compensation, loss reduction, voltage stability.

Введение

В связи с растущим спросом на электроэнергию крайне важно повысить пропускную способность линий электропередачи для эффективной передачи электроэнергии, производимой и потребляемой конечными пользователями. Основная цель электрической системы — обеспечить надежное электроснабжение конечных пользователей, особенно промышленных потребителей. Очевидно, что спрос на электроэнергию увеличивается. Однако модернизация линий электропередачи и увеличение количества генерирующих установок требуют значительных капитальных затрат и негативно влияют на окружающую среду. Технология FACTS предоставляет отличную возможность для регулирования передачи переменного тока (AC), что позволяет немедленно реагировать на проблемы устойчивости, увеличивая или уменьшая поток мощности в конкретных линиях передачи электроэнергии, тем самым повышая пропускную способность линий для передачи энергии.

FACTS обычно основаны на силовой электронике. Многие операторы электрических систем заметили значительный эффект FACTS в управлении передачей мощности и повышении способности линий передачи электроэнергии передавать больше энергии к центрам нагрузки. В этом исследовании были всесторонне изучены свойства SSSC. Это устройство используется для поддержания стабильности напряжения системы и компенсации как активной, так и реактивной мощности. Перечисленные типы потоков мощности в линиях передачи энергии могут быть достигнуты с помощью SSSC. В отличие от традиционной продольной компенсации конденсаторами, которая зависит от тока, компенсация напряжения достигается независимо от силы тока в линии. С помощью SSSC можно изменять и контролировать амплитуду и фазовый угол трехфазных систем напряжения, подобно синхронным источникам напряжения. Следует отметить, что SSSC не создает резонанса с индуктивным сопротивлением линии и избегает синхронных резонансных колебаний. Синхронный компенсатор способен как генерировать, так и поглощать реактивную мощность системы. Вместо традиционных конденсаторов постоянного тока можно применять аккумуляторы постоянного тока, что позволяет обеспечить эффективную компенсацию мощности в линиях передачи энергии. Стабильность традиционной энергосистемы можно улучшить за счет контроля потока тока в устойчивых условиях. Более того, применение SSSC значительно снижает падения напряжения благодаря компенсации реактивной мощности, способствуя улучшению регулирования напряжения в энергосистемах. Устройство также способно моделировать либо индуктивную, либо емкостную реакцию путем ввода мощности. 

Материалы и методы исследования

При проведении аналитических исследований по литературным источникам по данному направлению, можно сделать вывод, что на сегодняшний день уже представлены результаты некоторых исследований, в которых рассмотрены эффекты подключения SSSC к линиям электропередачи. В данной работе обобщим цели, выводы и недостатки каждого исследования для оценки возможности внедрения SSSC в сети Казахстана.

Были проведены сравнительные анализы работы линий передачи электроэнергии:

a) в неконтролируемом состоянии;

b) с компенсацией традиционными последовательными конденсаторами;

c) с улучшением с помощью SSSC.

Результаты и обсуждение

В исследовании Нема и Джорджа «Увеличение количества передаваемой мощности с помощью оптимального управления SSSC с учетом соотношения X/R линии передачи» [1, с. 933-938] было предложено оптимальное управление SSSC для минимизации потерь при передаче, сохраняя при этом соотношения реактивного сопротивления к активному (X/R) и напряжения в допустимых пределах. Было изучено влияние соотношений X/R на передачу мощности в подключенной системе. Было установлено, что разработанная методика генерации опорного напряжения для SSSC обеспечивает эффективное управление передаваемой мощностью и снижение потерь в линиях передачи энергии, одновременно поддерживая уровень напряжения и соотношение X/R в допустимых пределах. Основные выводы включают улучшение передачи мощности через связи SSSC при минимальном уровне потерь мощности и стабильность системы. Нема и Джордж установили, что наличие активного источника на стороне постоянного тока инвертора и сложность системы являются основными ограничениями, требующими дальнейшего исследования.

Алим и его команда в статье «Статический синхронный продольный компенсатор (SSSC) как усилитель устойчивости энергосистемы» [2, с. 316-319] представили эффекты влияния на энергосистему от применения статической синхронной последовательной компенсации. Кроме того, было проведено сравнение поведения энергосистемы при двух видах компенсации с использованием SSSC, а также оценены улучшения как активного, так и реактивного потока энергии и стабильности энергосистемы.

Одно из предыдущих исследований Фадиля и Вурала «Сравнение динамических характеристик TCSC, Statcom, SSSC на межзонных колебаниях» [3, с. 138-142] показало, что использование FACTS на основе вычислительного интеллекта улучшило как стационарные, так и динамические характеристики энергосетей. Фадиль и Вурал рассмотрели внедрение и оценку трех устройств FACTS: тиристорного управляемого последовательного компенсатора (TCSC), SSSC и статического синхронного компенсатора (STATCOM).

В таблицу 1 сведены все изученные нами современные исследования по устройствам FACTS, в частности, по SSSC и их влияния на энергосистему.

Таблица 1.

Влияние на энергосистему, недостатки и направления для будущих исследований по применению SSSC

Прежде чем перейти к подробному рассмотрению влияния статических синхронных продольных компенсаторов (SSSC) на энергосистему, стоит рассмотреть и остальные устройства FACTS и их влияние на работу сетей.

Основные типы FACTS показаны на рисунке 1 [9, с. 308-310;325].

Рисунок 1. Типы FACTS

Рассмотрим подробнее устройство, назначение и область применения в рамках нашего исследования:

1) Устройства продольной компенсации.

Устройство продольной компенсации подключается последовательно. Оно включает в себя конденсатор или реактор и функционирует как контроллер, который может генерировать или поглощать переменную реактивную мощность.

TCSC и SSSC используются для улучшения потока активной мощности, а основная цель SSSC — снижение напряжения при сбоях в энергосистеме. Однако SSSC также имеет множество преимуществ при работе в нормальных условиях [10, с. 24-29]:

(a) Коррекция коэффициента мощности за счет непрерывного введения напряжения совместно со структурированным контроллером.

(b) Балансировка нагрузки в соединенной распределительной системе.

(c) Обеспечение спроса на емкостную и реактивную мощность.

(d) Управление потоком мощности.

(e) Снижение гармонических искажений с использованием активной фильтрации.

2) Устройства поперечной компенсации.

Шунтирующий контроллер подключается параллельно линии. Он представляет собой комбинацию регулируемого индуктора или конденсатора.

Статический вар-компенсатор (SVC) и STATCOM используются для улучшения потока электрической мощности в линиях передачи электроэнергии за счет повышения профиля напряжения в точке подключения.

3) Напряжение, реактивное сопротивление и фазовый угол линий передачи энергии управляются одним из устройств FACTS, называемым унифицированным устройством потока мощности (UPFC) [11, с. 5350-5371].

Гибкие системы передачи переменного тока (FACTS) играют ключевую роль, изменяя поток мощности вдоль линий передачи электроэнергии. Это изменение достигается главным образом путем управления тремя основными характеристиками, как показано в уравнениях (1) и (2) [12, с. 130-143]:

(a) Напряжение на обоих концах линии

(b) Реактивное сопротивление линии.

(c) Значение угла фазового сдвига между напряжениями на концах линии.

Величину потока мощности можно контролировать, изменяя любую из трех вышеупомянутых характеристик.

где V_S​ – напряжение на отправляющем конце, V_R​ – напряжение на принимающем конце, δ – фазовый угол между напряжениями на отправляющем и принимающем концах. X_L – последовательное реактивное сопротивление линий передачи энергии, V_S​ – мощность, передаваемую на фазу, P и Q – активную и реактивную мощности соответственно.

Изменения реактивного сопротивления и напряжения могут быть использованы для увеличения пропускной способности линий электропередач, а изменения фазового угла могут быть использованы для регулирования потока мощности.

Учитывая вышеизложенные исследования, следует более детально остановиться на системах SSSC, т.к именно они наиболее универсальны и могут выполнить большее количество функций при работе по отдельности, а также, при сочетании нескольких устройств FACTS. SSSC представляет собой устройство продольной компенсации, предназначенное для регулирования потока мощности и снижения колебаний мощности в энергосети. Оно функционирует как синхронный источник напряжения, заменяя установку конденсатора, подключенного последовательно. SSSC вводит компенсирующее напряжение последовательно системе. Передача фактической мощности по линиям передачи электроэнергии выражается следующим уравнением (3):

где V_q​ — вводимое напряжение SSSC.

В приведенном выше уравнении показано, что SSSC может либо усиливать, либо регулировать передачу активной мощности, изменяя вводимое напряжение (V_q​) между положительными и отрицательными значениями. Направление потока мощности меняется, если V_q превышает падение напряжения на реактивном сопротивлении неконтролируемой линии электропередачи (X_L ​), что приводит к потоку мощности от приемного конца к отправляющему [5, с. 71-81].

Функциональная модель SSSC представлена на рисунке 2, где устройство для хранения энергии заменило конденсатор постоянного тока, аналогично установке аккумулятора высокой мощности для обеспечения обмена как активной, так и реактивной мощностью с системой переменного тока. Как угол, так и величина выхода SSSC могут изменяться для управления потоком мощности в линиях электропередачи. Активная и реактивная мощность могут обмениваться с системой путем изменения фазового угла вводимого напряжения (V_pq ​) относительно тока линии передачи энергии (I_line​).

Концепция SSSC основана на двух фундаментальных принципах. Во-первых, SSSC обеспечивает электромеханическую защиту от крупных энергетических сетей, изменяя реактивность тока в подключенной энергосистеме. Во-вторых, SSSC изменяет сопротивление на синхронизированных частотах, чтобы предотвратить возникновение будущих асинхронных резонансов.

Для демонстрации основного принципа работы SSSC можно применить традиционную последовательную ёмкость и соответствующую векторную диаграмму напряжений. Эта диаграмма наглядно иллюстрирует, что при фиксированном токе в линии напряжение, создаваемое на последовательном конденсаторе, приводит к увеличению напряжения обратной полярности на последовательном реактивном сопротивлении линии, зависимому от величины напряжения на конденсаторе.

Рисунок 2. Функциональная модель SSSC

В результате последовательная емкостная компенсация работает

за счет увеличения напряжения на заданном физическом сопротивлении линии, что, в свою очередь, увеличивает ток линии и переданную энергию.

Непрерывная передача энергии в установившемся режиме может быть достигнута, если последовательная компенсация обеспечивается синхронным источником напряжения переменного тока, выход которого точно соответствует напряжению последовательного конденсатора, что проиллюстрировано на рисунке 3 [13, с. 108-113].

где V_c​ – вектор напряжения, который компенсируется посредством ввода, I – ток в линии, X_c​ – реактивное сопротивление последовательного конденсатора, X – реактивное сопротивление линии, и наконец, k=X_c​/X – степень последовательной компенсации.

Рисунок 3. Линия электропередачи с компенсацией последовательным конденсатором [8, с. 080812]

На рисунке 4 показаны элементы неконтролируемой линии электропередачи.

Рисунок 4. Элементы линии электропередачи (без компенсации) [8, с. 080812]

С другой стороны, SSSC работает как синхронный источник напряжения для обеспечения компенсации реактивной мощности в энергосистеме путем введения трехфазного напряжения переменного тока под углом 90° к току линии, как показано на рисунке 5.

SSSC может работать как в индуктивной области, что означает, что напряжение отстает от тока линии, так и в емкостной области, где напряжение опережает ток линии. Произведение тока линии и V_q​ определяет номинальную мощность SSSC.

Из рисунка 5 видно, что передаваемая мощность и стабильность напряжения могут контролироваться с помощью SSSC.

Основное различие между последовательной емкостной компенсацией и SSSC заключается в том, что первое только увеличивает передаваемую мощность, в то время как второе имеет возможность управлять потоком мощности, либо увеличивая,

либо уменьшая его. В таблице 3 показано влияние добавления последовательного конденсатора и SSSC к линии электропередачи [10, с. 24-29; 13, с. 108-113; 14, с. 15; 15, с. 121-125].

Рисунок 5. Линия электропередачи, компенсированная с помощью SSSC [14, с. 15]

Таблица 3.

Влияние добавления последовательного конденсатора и SSSC к линиям передачи электроэнергии 

Типовой источник напряжения преобразователя VSC позволяет SSSC обеспечивать емкостную и индуктивную компенсацию напряжения, независимо от тока линии. Когда ток линии меняется в пределах от нуля до Imax, SSSC может поддерживать номинальное максимальное емкостное или индуктивное компенсирующее напряжение. Для индуктивной и емкостной областей рабочие характеристики SSSC изображены на рисунке 6.

SSSC функционирует в двух режимах работы:

(a) Регулировка компенсации реактивного сопротивления. В этом режиме емкостное или индуктивное компенсирующее сопротивление поддерживается на максимально возможном уровне при изменении тока линии от 0 до Imax с помощью SSSC.

(b) Регулировка компенсирующего напряжения. В этом режиме SSSC стабилизирует емкостное или индуктивное компенсирующее напряжение на максимальном уровне, вне зависимости от изменений тока в линии электропередачи от 0 до Imax.

Абсолютное значение компенсирующего напряжения может непрерывно регулироваться в пределах рабочих ограничений преобразователя VSC.

Величина и фаза напряжения могут изменяться, если источник питания обладает возможностями управления активной мощностью.

Независимо от режима работы SSSC, будь то емкостная или индуктивная компенсация, система воспринимает его как источник напряжения с нулевым импедансом. Быстрый отклик SSSC теоретически может быть использован для подавления синхронизированных колебаний при условии, что требование для таких колебаний создается существующими последовательными конденсаторами [15, с. 121-125].

Рисунок 6. Характеристики диапазона работы SSSC

Установка SSSC на объекте улучшает его способность компенсировать определенную шину или линию. Таким образом, предпочтительно размещать SSSC последовательно с самой слабой точкой на шине или с линией с наименьшим коэффициентом использования. Для определения менее эффективной шины и недоиспользуемой линии в тестовой системе использовался анализ непрерывного потока мощности. Необходимо получить начальные показатели тестовой системы при отсутствии SSSC. Профили напряжения генерируются для всех шин в тестовой сети, и шина с наибольшим спадом по сравнению с другими определяется как самая слабая. Анализ непрерывного потока мощности выявляет наиболее недоиспользуемую линию. Линия с наименьшим потоком мощности относительно ее общей номинальной мощности считается как требующая последовательной компенсации [16, с. 184-190].

Заключение

В данном исследовании было подробно изучено использование статического синхронного последовательного компенсатора (SSSC) как устройства гибкой системы передачи переменного тока (FACTS) для оценки возможности внедрения SSSC в сети Казахстана.

На основании работ других авторов в этом направлении, в работе представлен детальный анализ преимуществ SSSC, а также существующих недостатков и вопросов для будущих исследований.

 Учитывая все вышеизложенное, можно сделать следующие выводы:

a) Установлено, что SSSC активно способствует улучшению стабильности энергосистемы;

b) Продемонстрирована эффективность SSSC по сравнению с другими устройствами FACTS;

c) Возможность применения на конкретном объекте.

Также, стоит обратить внимание и на недостатки:

а) Высокая стоимость. В случае применения данных устройств в сетях Казахстана, необходимо понимать, окупиться ли данное устройство и нужно ли такое качество энергии конкретному потребителю.

b) Надежность. Т.к. устройство SSSC является новинкой, оно еще не проверено временем. Не известно, как часто оно будет выходить из строя. А это напрямую влияет на финансы.

Cписок литературы:

1. S. Nema and S. George, “Enhancement of transmittable power using optimal control of SSSC considering X/R ratio of transmission line,” in 2019 IEEE PES GTD Grand International Conference and Exposition Asia (GTD Asia), Bangkok, Thailand, 2019, pp. 933–938. https://doi.org/10.1109/GTDAsia.2019.8715865
2. U. V. Aleem, C. H. Mallareddy, S. S. Pitre, and S. S. Bakshi, “Static synchronous series compensator (SSSC) as stability booster of a power system,” Int. J. Eng. Trends Technol., vol. 46, no. 6, pp. 316–319, 2017. https://doi.org/10.14445/22315381/ijett-v46p255
3. S. T. Fadhil and A. M. Vural, “Comparison of dynamic performances of TCSC, Statcom, SSSC on inter-area oscillations,” in 2018 5th International Conference on Electrical and Electronic Engineering (ICEEE), Istanbul, Turkey, 2018, pp. 138–142. https://doi.org/10.1109/ICEEE2.2018.8391317
4. E. H. Sadiq, S. Ashraf, Z. Aslam, and D. Muhammad, “Fuzzy based multi-line Power Outage Control System,” J. Crit. Rev., vol. 8, no. 2, pp. 1421–1431, 2021. https://doi.org/10.31838/jcr.08.02.143
5. H. M. Taha and S. Hameed, “Optimization of tilt angle of a PV system to get maximum generated power: A case study,” Kurdistan J. Appl. Res., pp. 71–81, 2020. https://doi.org/10.24017/science.2020.2.7
6. B. C. Wibawa, A. Prastiantono, D. R. Aryani, R. Setiabudy, and F. Husnayain, “Transient stability improvement by FACTS devices: A comparison between STATCOM and SSSC in an extra high voltage transmission system,” in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 673, Broad Exposure to Science and Technology 2019 (BEST2019), Bali, Indonesia, 2019, p. 012068. https://doi.org/10.1088/1757-899X/673/1/012068
7. M. Chethan and K. Ravi, “An overview of facts devices with optimisation techniques,” Glob. J. Eng., Des. Technol., vol. 12, no. 2, p. 1000165, 2023.
8. Y. Khan, K. Mahmood, and S. Ahmad, “Performance evaluation of transmission line protection characteristics with DSTATCOM implementation,” Int. J. Adv. Comput. Sci. Appl., vol. 8, no. 8, 2017. https://doi.org/10.14569/ijacsa.2017.080812
9. D. Razmi, T. Lu, B. Papari, E. Akbari, G. Fathi, and M. Ghadamyari, “An overview on power quality issues and control strategies for distribution networks with the presence of distributed generation resources,” IEEE Access, vol. 11, pp. 10 308–10 325, 2023. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3238685
10. C. S. Esobinenwu and E. T. Oniyeburutan, “Reactive power (VAR) compensation techniques in high voltage transmission lines,” Glob. J. Eng. Technol. Adv., vol. 16, no. 1, pp. 24–29, 2023. https://doi.org/10.30574/gjeta.2023.16.1.0113
11. B. H. Alajrash, M. Salem, M. Swadi, T. Senjyu, M. Kamarol, and S. Motahhir, “A comprehensive review of FACTS devices in modern power systems: Addressing power quality, optimal placement, and stability with renewable energy penetration,” Energy Rep., vol. 11, pp. 5350–5371, 2024. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2024.05.011
12. M. Gupta, H. Joshi, A. K.Gupta, and N. K.Sharma, “A review on various application of several FACTS Controller,” Int. J. Adv. Res. Innov. Ideas Educ., vol. 8, no. 5, pp. 130–143, 2022.
13. S. Pingale, A. Mahevash, and N. Joshi, “An overview of static synchronous series compensator,” J. Res. Eng.Appl. Sci., vol. 5, no. 3, pp. 108–113, 2020.
14. M. R. Banaei and E. Salary, “Power system stability enhancement using SSSC,” Int. Rev. Electr. Eng., vol. 7, no. 1, 2012.
15. A. Shahriari, H. Mokhlis, M. Karimi, A. H. A. Bakar, H. A. Illias, M. Kazeminejad, and O. Palizban, “Numerical estimation of inter line power flow controller based on injection model of synchronous voltage sources,” Prz.Elektrotech., vol. 89, no. 3A, pp. 121–125, 2013.
16. F. A. H. Rahman, B. M. F. Rahman, and C. Harun, “Voltage level improvement of power system by using SVC with POD controller,” Int. J. Adv. Technol. Eng. Res., vol. 2, no. 4, pp. 184–190, 2012.