П.Д. Лежнюк, д-р техн. наук

С.В. Кравчук, студент

Вінницький національний технічний університет, м. Вінниця, Україна

ОПТИМІЗАЦІЯ СХЕМ ПІД’ЄДНАННЯ НЕТРАДИЦІЙНИХ
І ВІДНОВЛЮВАЛЬНИХ ДЖЕРЕЛ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ
В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ

П.Д. Лежнюк, д-р техн. наук

С.В. Кравчук, студент

Винницкий национальный технический университет, г. Винница, Украина

ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМ ПОДКЛЮЧЕНИЯ НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

P.D. Lezhnіuk, Doctor of Technical Sciences

S.V. Kravchuk, student

Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

OPTIMIZATION OF A CONNECTION OF NON-TRADITIONAL RENEWABLE ENERGY IN ELECTRIC NETWORKS

Розглянуто основні умови пошуку оптимальних місць під’єднання нетрадиційних і відновлювальних джерел електроенергії з метою забезпечення якісного, надійного та оптимального з погляду зменшення втрат активної потужності функціонування електричних мереж.

Ключові слова: нетрадиційні і відновлювальні джерела електроенергії, оптимізація роботи, розосереджене генерування.

Рассмотрены основные условия поиска оптимальных мест подключения нетрадиционных и возобновляемых источников электроэнергии с целью обеспечения качественного, надежного и оптимального, с точки зрения уменьшения потерь активной мощности, функционирования электрических сетей.

Ключевые слова: нетрадиционные и возобновляемые источники электроэнергии, оптимизация работы, рассредоточенное генерирование.

The basic conditions of optimal locations connecting alternative renewable energy sources, in order to ensure quality, reliable and optimal in terms of reduction of active power losses, the operation of electrical networks.

Key words: alternative renewable energy, optimization of dispersed generation.

Постановка проблеми. Згідно з концепцією впровадження SMART Grid’s технологій в Україні, покращення якості функціонування, надійності та всебічного розвитку електроенергетичної системи (ЕЕС) потрібно здійснювати за рахунок збільшення частки нетрадиційних і відновлювальних джерел електроенергії (НВДЕ). Децентралізація енергопостачання за допомогою НВДЕ дозволить диверсифікувати джерела енергії [1]. Важливим чинником для забезпечення ефективного використання НВДЕ є пошук оптимальних місць підключення та схем видачі електричної енергії. Така схема повинна відповідати вимогам по надійності електропостачання, а місце приєднання розміщуватись максимально наближено до центру споживання, що дозволить забезпечити мінімум втрат електричної потужності під час її транспортування.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Впровадження в електричні мережі (ЕМ) джерел розосередженого генерування, що базуються на використанні НВДЕ, значною мірою зменшують рівень «забруднення» навколишнього середовища. Розміщення НВДЕ безпосередньо біля споживача буде впливати на зміну перетоків потужності залежно від вузлового навантаження, при узгодженому підключенні дасть можливість зменшити втрати активної потужності та здійснювати вплив на рівні напруги в усталеному режимі роботи ЕМ [2]. Пошук оптимальних умов підключення НВДЕ розглядається в [3] як багатокритеріальна задача, що має певні обмеження.

Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми. Досліджується вплив НВДЕ на режим роботи електричної мережі з метою мінімізації втрат активної потужності в умовах зміни місця та потужності розосереджених джерел генерування (РДГ).

Мета статті. Метою роботи є створення методу пошуку місць підключення НВДЕ в ЕМ та визначення оптимальної потужності генерування при забезпеченні стабільної якості функціонування електричних мереж з мінімальним загальносистемним показником – втратами активної потужності. Комплексний підхід у дослідженні цього питання дозволить повніше розкрити потенціал РДГ.

Виклад основного матеріалу. З метою розв’язання поставленої задачі визначаємо втрати потужності у вітках схеми. Значення повної потужності на початку і в кінці кожної вітки схеми визначається за формулою [4]:

, (1)

де – діагональна матриця напруг у вузлах, включаючи і балансувальні, – перша матриця з’єднань віток у вузлах, включаючи і балансувальні, – спряжена діагональна матриця струмів у вітках схеми.

Якщо вираз (1) помножити зліва на одиничний транспонований вектор , то в результаті отримаємо транспонований вектор втрат потужності у вітках схеми:

або з врахуванням того, що отримаємо:

, (2)

де – транспонований вектор напруг у вузлах, включаючи і балансувальні (тут і далі індекс t означає, що матриця або вектор є транспонованими).

З (2) видно, що втрати в і-й вітці схеми визначаються:

, (3)

де – вектор-стовпець матриці інциденцій з’єднань віток у вузлах ;

– спряжений вектор струму в і-й вітці, який може бути визначений через струми у вузлах

, (4)

де – і-й вектор-рядок матриці розподілу струмів у вузлах по вітках схеми.

Матриця струморозподілу розраховується методом одиничних струмів або за відомою формулою:

, (5)

де – діагональна матриця комплексних опорів віток схеми електричної мережі.

Якщо схема і параметри електричних мереж ЕЕС є відносно незмінними, то застосування методу визначення струмів у вітках за допомогою матриці струморозподілу є доцільнішим.

Підставивши останній вираз у (3), отримаємо:

. (6)

З врахуванням того, що , (6) можна переписати:

, (7)

де – вектор вузлових навантажень, включаючи і балансувальні.

Позначимо в (7)

, (8)

де – діагональна матриця напруг у вузлах без балансувальних вузлів;

Вектор-рядок складається з коефіцієнтів, які показують, яку частку в сумарних втратах і-тої вітки складає протікання по ній потужності до кожного вузла [5].

На підставі (7) і (8) можна записати:

, (9)

де – вектор сумарних втрат у вітках схеми, – матриця коефіцієнтів розподілу втрат потужності у вітках схеми залежно від потужності у вузлах схеми, кожний рядок якої складається з (8).

Для спрощення розрахунків і зручності використання даних перетворимо матрицю у вектор-стовбець , елементи якого будуть коефіцієнтами розподілу втрат потужності від кожного вузла схеми:

, (10)

де – одиничний вектор-стовбець.

Відповідно до [6] визначаємо значення активної потужності, яку потрібно генерувати НВДЕ у вузлі P_i:

, (11)

де – потужність навантаження вузла; – активна потужність генерування НВДЕ.

, (12)

де – модуль напруги у вузлі; n – кількість вузлів у схемі; – і та елемент матриці вузлових опорів схеми, – фаза в і-тому вузлі, – активна та реактивна потужність навантаження в j-тому вузлі відповідно.

Для того, щоб знайти значення активної потужності НВДЕ відповідно до (11) і враховуючи (12), можна застосувати таку формулу:

. (13)

Згідно з (13) визначаємо активну потужність генерування НВДЕ, будь-які інші значення генерованої потужності призведуть лише до збільшення загальних втрат у мережі.

Як приклад розглянемо тестову схему на 14 вузлів рекомендованої ІЕЕЕ (рис. 1). Восьмий вузол у подальших розрахунках еквівалентовано. У вітках 5-6, 4-7, 4-9 встановлені трансформатори відповідно АТДЦТН-63000/230/121, АТДЦТН-100000/230/121 та АТДЦТН-125000/230/121. Початкові вузлові навантаження, напруги у вузлах, активна і реактивна потужність генерування задана у табл. 1.

Рис. 1. Тестова схема ІЕЕЕ

Таблиця 1

Інформація про вузли схеми та коефіцієнти розподілу втрат потужності

Виконавши відповідні розрахунки, визначили, що сумарні втрати у вітках схеми становлять (МВА).

Використовуючи вектор-стовбець коефіцієнтів розподілу втрат потужності від кожного вузла схеми, визначаємо, що оптимальними місцями підключення НВДЕ будуть 14, 13, 10 та 3 вузли відповідно. З урахуванням того, що 3 вузол має найменше значення коефіцієнта в , прогнозуємо, що саме встановленням у цьому вузлі джерела генерування можливо досягти оптимального режиму роботи ЕМ, з найменшим значенням втрат активної потужності.

Визначивши місця приєднання НВДЕ, потрібно визначити, яку саме потужність генерування потрібно встановити для досягнення бажаного режиму.

Згідно з вищевказаним алгоритмом, для кожного вузла визначили оптимальну величину генерування активної потужності, але відповідно до коефіцієнтів у беремо до уваги лише вузли 13, 12, 9 та 3, результати розрахунків зведені в табл. 2.

Таблиця 2

Значення коефіцієнтів розподілу втрат потужності та оптимальна величина
генерування НВДЕ для вказаних вузлів

Отримавши інформацію про місця під’єднання та оптимальну величину потужності НВДЕ, визначаємо втрати потужності у вітках схеми. При підключенні джерела генерування в 13 вузол (МВА), в 12 вузол (МВА), в 10 вузол (МВА) та в 3 вузол (МВА). Очевидно, що серед перерахованих вузлів оптимальний режим буде досягнутий при підключення джерела генерування в 3 вузол, а це забезпечить мінімальні втрати активної потужності.

Графічне представлення отриманих результатів зображено на рис. 2.

Рис. 2. Графічна залежність втрат активної потужності від зміни вузла та потужності генерування

Висновки. Джерела нетрадиційної і відновлювальної енергії мають різноплановий вплив на роботу електричної мережі. Переваги в збільшенні частки розосередженого генерування можливі лише при обранні правильного методу пошуку оптимальних місць під’єднання та потужності генерування НВДЕ.

Запропонований метод дозволяє визначити оптимальну по втратах активної потужності в мережі величину генерування НВДЕ для досліджуваного вузла схеми, в умовах нормалізації рівнів напруги у вузлах та підвищення якості функціонування електричної мережі для забезпечення потреб споживачів електроенергії.

Список використаних джерел

1. Буйний Р. О. Про доцільність використання вітроелектростанцій малої потужності для живлення побутових споживачів / Р. О. Буйний, І. В. Діхтярук // Новини енергетики. – 2011. – № 2. – С. 35-39.

2. Кириленко О. В. Технічні аспекти впровадження джерел розподіленої генерації в електричних мережах / О. В. Кириленко, В. В. Павловський, Л. М. Лук’яненко // Технічна електродинаміка. – 2011. – № 1. – С. 46-53.

3. Shukla T. N. Allocation of optimal distributed generation using GA for minimum system losses in radial distribution networks / T. N. Shukla, S. P. Singh, K. B. Naik // International Journal of Engineering, Science and Technology. – 2010. – Vol. 2. – № 3. – P. 94-106.

4. Мельников Н. А. Матричный метод анализа электрических цепей / Н. А. Мельников. – М. : Энергия, 1972. – 232 с.

5. Лежнюк П. Д. Функціональна залежність складових втрат потужності у вітках електричної мережі від потужності у вузлах / П. Д. Лежнюк, В. В. Кулик, О. Б. Бурикін // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2005. – № 4. – С. 58-62.

6. Acharya N. An analytical approach for DG allocation in primary distribution network / N. Acharya, P. Mahat, N. Mithulanathan // Electric Power and Energy Systems. – 2006. – Vol. 28. – P. 669-678.