Resumen: La optimización de potencia reactiva y la compensación de potencia reactiva en sistemas de energía son medios efectivos para aumentar el voltaje operativo del sistema, reducir las pérdidas de la red y mejorar la estabilidad del sistema. Este artículo revisa el estado actual de la investigación sobre la optimización de la energía reactiva y la compensación de potencia reactiva en el país y en el extranjero, y analiza y estudia los problemas existentes en la compensación y optimización de la potencia reactiva.
Palabras clave: ¿Optimización de potencia reactiva, compensación de potencia reactiva, pérdida de red no lineal, calidad de tensión?
¿Prefacio a 1?
Con el rápido desarrollo de la economía nacional y el aumento del consumo de electricidad, el funcionamiento económico de la red eléctrica ha recibido cada vez más atención. La reducción de las pérdidas de la red, la mejora de la eficiencia de la transmisión y la operación económica del sistema eléctrico son problemas prácticos que enfrenta el departamento de operación del sistema eléctrico y también son una de las principales direcciones de la investigación del sistema eléctrico. Especialmente con la implementación del mercado energético, las empresas de transmisión de energía (empresas de redes eléctricas) pueden reducir las pérdidas de la red a través de medios eficaces, mejorar la economía de operación del sistema y generar mayores beneficios y ganancias para las empresas de transmisión de energía. La optimización de la potencia reactiva del sistema de energía y la compensación de la potencia reactiva son componentes importantes de la investigación sobre la operación segura y económica de los sistemas de energía. Mediante la asignación razonable de fuentes de energía reactiva y la compensación óptima de las cargas reactivas en el sistema eléctrico, no solo se puede mantener el nivel de voltaje y mejorar la estabilidad del funcionamiento del sistema eléctrico, sino que también se pueden reducir las pérdidas activas y reactivas de la red, haciendo El sistema de energía es seguro y económico.
El cálculo de la optimización de la potencia reactiva se basa en la estructura de la red del sistema y la carga del sistema dadas, ajustando las variables de control (salida de potencia reactiva del generador y nivel de voltaje en los terminales, instalación y conmutación del banco de capacitores y distribución del transformador). Ajuste de juntas ) para minimizar la pérdida de red del sistema bajo diversas restricciones. La optimización de la energía reactiva no sólo puede hacer que toda la tensión de la red funcione cerca del valor nominal, sino también lograr beneficios económicos considerables, combinando perfectamente la calidad de la energía, la seguridad de operación del sistema y la economía, por lo que las perspectivas para la optimización de la energía reactiva son muy amplias. La compensación de potencia reactiva puede considerarse como una subparte de la optimización de la potencia reactiva, es decir, ajustando la posición de instalación y la capacidad de los condensadores para minimizar las pérdidas de la red bajo diversas restricciones.
¿Cuáles son los principios y tipos de optimización y compensación de la potencia reactiva?
2.1 ¿Principio de compensación de optimización de la potencia reactiva?
En la optimización de la potencia reactiva y la compensación de la potencia reactiva, primero se debe determinar el punto de compensación apropiado. El punto de compensación de la carga reactiva se determina generalmente según los siguientes principios:
1) Según las características de la estructura de la red, seleccionar varios puntos centrales para controlar el voltaje de otros nodos;
2) De acuerdo con el principio de equilibrio de potencia reactiva in situ, seleccione nodos con grandes cargas de potencia reactiva. ?
3) El equilibrio jerárquico de potencia reactiva evita el flujo mutuo de potencia reactiva en diferentes niveles de voltaje para mejorar la economía de operación del sistema. ?
4) El grado de compensación de potencia reactiva en la red eléctrica no debe ser inferior al estándar ministerial de 0,7. ?
2.2 ¿Tipos de optimización y compensación de la potencia reactiva?
La compensación de potencia reactiva en el sistema eléctrico incluye no solo la compensación de potencia reactiva capacitiva, sino también la compensación de potencia reactiva inductiva. En las líneas de transmisión de voltaje ultra alto (500 kV y superiores), debido a la gran potencia de carga capacitiva, según las estadísticas, la potencia de carga capacitiva por kilómetro alcanza 1,2 MVAR/km a 500 kV. De esta forma, es necesario compensar la potencia reactiva inductiva del sistema para compensar la potencia capacitiva de la línea. De hecho, las subestaciones de 500 kV realizan una compensación inductiva de potencia reactiva y la reactancia de alto y bajo voltaje se conecta en paralelo para equilibrar la potencia reactiva de la red eléctrica de 500 kV. ?
3 ¿Optimización de la potencia reactiva de la red de transmisión y distribución (red cerrada)?
La compensación de potencia reactiva del sistema eléctrico se puede optimizar desde dos aspectos, a saber, la red de transmisión y distribución (red cerrada) y la compensación de optimización de la potencia reactiva de las líneas de distribución y los usuarios (red abierta).
3.1 ¿Función objetivo de optimización de la potencia reactiva?
La famosa ley de la tasa de ligero aumento de pérdida igual en la literatura [3] señala que cuando la tasa de ligero aumento de pérdida total es igual, la pérdida es mínima. El punto de compensación de potencia reactiva debe establecerse en un punto donde la tasa de microaumento de pérdida de la red sea pequeña (la compensación de potencia reactiva generalmente se realiza cuando la tasa de microaumento de pérdida de la red es negativa), de modo que se pueda obtener el punto óptimo mediante iteración. Solución combinada con la tasa de microaumento óptima de pérdida de red. Por un lado, este método no tiene en cuenta el efecto de ajuste de otras variables de control. Al mismo tiempo, en la operación real, es imposible igualar la tasa de microaumento de toda la pérdida de la red mediante iteraciones repetidas. es demasiado complejo y lleva mucho tiempo. Al mismo tiempo, académicos nacionales y extranjeros han investigado mucho sobre la optimización de la energía reactiva y han propuesto una gran cantidad de algoritmos de optimización para los modelos matemáticos de optimización de la energía reactiva. Existen dos modelos matemáticos principales para la optimización de la potencia reactiva. Una es ignorar el costo del equipo de compensación de potencia reactiva y el objetivo principal es minimizar la pérdida de red del sistema.
Es decir, la función objetivo de optimización de la potencia reactiva en el estado de optimización se puede expresar mediante la siguiente fórmula:
En segundo lugar, tomando como función objetivo el funcionamiento óptimo del sistema, teniendo en cuenta la reducción costos de pérdida de red y compensación después de agregar equipos de compensación El costo se puede expresar como:
Donde β es el precio de la electricidad por kilovatio hora, τmax son las horas de pérdida de carga máxima anual, α y γ son respectivamente la depreciación anual tasa de mantenimiento y tasa de recuperación de la inversión de los equipos de compensación de potencia reactiva, KC es el precio unitario del equipo de compensación de potencia reactiva y QC∑ es la capacidad total de compensación de potencia reactiva. ?
El segundo modelo considera cuestiones de inversión y puede considerarse un modelo ideal. Especialmente con la implementación del mercado energético, todos los departamentos buscan beneficios económicos y, obviamente, es más razonable considerar la cuestión de la inversión en energía reactiva. ?
3.2 ¿Algoritmo de optimización?
Debido a la no linealidad del sistema eléctrico, la diversidad de restricciones, la mezcla de variables continuas y discretas y la gran escala de cálculos, la optimización de la potencia reactiva del sistema eléctrico es muy difícil. La linealización de modelos de optimización de potencia reactiva no lineales es el punto de partida de algunos algoritmos, como la optimización del flujo de potencia de potencia reactiva basada en análisis de sensibilidad, el método de programación lineal del punto interior para una optimización integral de la potencia reactiva, la optimización del flujo de potencia de potencia reactiva con término de penalización y punto interior. método, etc Todos los anteriores utilizan series de Taylor para expandir la programación no lineal, ignorar los términos de segundo orden y superiores y establecer un modelo lineal para obtener la solución óptima. Dado que los términos de segundo orden y superiores se ignoran en el proceso de linealización, no se puede garantizar la convergencia de estos métodos. Para mejorar la convergencia de los cálculos de optimización, se introduce la idea de función de penalización en la programación lineal y se propone un modelo de flujo de potencia de optimización de potencia reactiva y un algoritmo con términos de penalización para eliminar o minimizar el exceso de la variable dependiente. Pero no puede poner fin fundamentalmente al problema de la no convergencia después de la linealización. ?
Apuntando a las deficiencias de los algoritmos lineales, se han propuesto algunos algoritmos no lineales, como la programación entera mixta, el método del poliedro restringido y el algoritmo dual primitivo no lineal. Aunque en teoría estos métodos pueden encontrar la solución óptima, debido a las características de la optimización de la potencia reactiva en sí, el cálculo es complejo y requiere mucho tiempo, y no se puede garantizar una convergencia confiable.
Con el fin de mejorar la convergencia y el procesamiento no lineal de variables discretas en la optimización de la potencia reactiva (ajuste de tomas de transformadores y conmutación de baterías de condensadores), se propone un algoritmo genético basado en un nuevo método de inteligencia artificial. ¿Tabú? Método de búsqueda, algoritmo heurístico, algoritmo genético mejorado, algoritmo genético distribuido y algoritmo de recocido simulado, etc. Estos algoritmos han mejorado hasta cierto punto la convergencia y la velocidad de cálculo de la optimización de la potencia reactiva, y algunos métodos se han puesto en práctica y han logrado buenos resultados. ?
Sin embargo, aún quedan algunos problemas por resolver en la optimización de la potencia reactiva. Solución:
1) Dado que la optimización de la potencia reactiva es un problema no lineal y la programación no lineal a menudo converge a la solución óptima local, cómo encontrar la solución óptima global aún requiere más investigación y discusión. ?
2) Debido a que la función objetivo es minimizar la pérdida de la red, ella misma es una función del cuadrado del voltaje. Al resolver la optimización de la potencia reactiva, muchos voltajes de bus pueden estar cerca del límite superior del voltaje, pero el departamento operativo real no quiere que el voltaje esté cerca del límite superior. Si el rango de restricción de voltaje se reduce, es posible que la optimización de la potencia reactiva no converja o que se requieran iteraciones de corrección repetidas para obtener la solución (las restricciones locales deben cambiarse artificialmente). Cómo unificar los indicadores de calidad del voltaje y operación económica aún requiere más investigación. ?
3) El problema en tiempo real de la optimización de la potencia reactiva. A medida que aumenta el nivel de automatización de los sistemas de energía, aumenta la demanda de optimización de la potencia reactiva en tiempo real. Cómo evitar la no convergencia y encontrar la solución óptima en un corto período de tiempo requiere más investigación. <! [endif]>
4 Compensación de potencia reactiva de la línea de distribución y compensación de potencia reactiva del usuario
4.1 ¿Compensación de potencia reactiva de la línea de distribución?
Dado que la resistencia de 35 kV, 10 kV y algunas líneas de distribución de bajo voltaje es relativamente grande, la pérdida de potencia y la pérdida de voltaje causadas por el flujo de potencia reactiva en las líneas son grandes, por lo que la teoría de compensación de potencia reactiva es basado en ellos. La teoría clásica de compensación de línea considera la ubicación de instalación de los capacitores como se muestra en la siguiente tabla.
El principio se puede describir brevemente de la siguiente manera:
Cuando la potencia reactiva transmitida por la línea es Q, la longitud de la línea es L y la distancia de compensación de cada grupo es X, ¿Cuál es la capacidad de compensación de cada grupo Qx?
Qx=Qx/L?
Cuando el condensador se instala en el centro del intervalo de compensación, la pérdida de línea se reduce al máximo.
El diagrama de flujo de potencia reactiva se muestra en la Figura 1:
Cuando la distancia desde la posición de instalación de los capacitores del grupo I hasta el final es:
Para cualquier grupo de capacitores, la posición de instalación es:?
xi=L(2i-1)/(2n+1)?
La mejor capacidad de compensación es:?
nQx=2nQ/(2n+1)?
De esta forma se pueden obtener los datos de la Tabla 1. ?
La compensación de potencia reactiva de las líneas de distribución puede reducir eficazmente las pérdidas de la red, pero el efecto no es tan bueno como la compensación del lado de bajo voltaje. Esta conclusión supone que el flujo de potencia reactiva se distribuye uniformemente. Si el flujo de potencia reactiva en la línea se distribuye de manera desigual, la conclusión será diferente. Al mismo tiempo, al instalar un banco de condensadores en la línea, el mantenimiento y la operación son inconvenientes. y no se considera inversión en equipos de compensación. Por lo tanto, se recomienda el siguiente enfoque. ?
4.2 ¿Compensación de potencia reactiva del usuario?
Para empresas y unidades consumidoras de energía de gran carga, según el tipo de compensación de potencia reactiva, se divide en compensación centralizada de alto voltaje, compensación centralizada de bajo voltaje y compensación local de bajo voltaje. La literatura [8] señala que cuando las capacidades de compensación son iguales, la compensación in situ de bajo voltaje es la que más reduce la pérdida de línea, por lo que tiene los mejores beneficios económicos. Esto es comprensible. Dado que el bajo voltaje compensa parcialmente la parte inductiva de la carga, la corriente reactiva que fluye a través de las líneas y transformadores se reduce considerablemente. Evidentemente, este método tiene los mejores beneficios económicos. Sin embargo, lo anterior no indica cuál debería ser la capacidad de compensación óptima. Tampoco se consideró la inversión en equipos de potencia reactiva. La referencia [6] señala la capacidad de compensación óptima de las redes abiertas. En la Figura 2 se muestran tres redes abiertas comunes. ?
4.2.1 ¿Compensación óptima de potencia reactiva para el funcionamiento de la red radial?
Para usuarios o redes abiertas con transformadores de distribución, la referencia [6] proporciona una derivación detallada de la capacidad óptima de compensación de potencia reactiva para cableado de red abierta. Su función objetivo adopta la segunda función objetivo. Para facilitar el análisis, el siguiente es un proceso de derivación simple:
Para redes radiales, la relación entre los costos de computación anuales y la compensación de potencia reactiva se puede expresar como:
Debido a la La investigación principal es el impacto de la potencia reactiva en la pérdida de potencia activa. El impacto de la potencia activa en la pérdida de la red se puede ignorar a la siguiente ecuación:
La compensación qcn y op de. otros nodos son los mismos que los anteriores. La fórmula es la misma.
4.2.2 Compensación óptima de potencia reactiva para líneas troncales y redes abiertas encadenadas
Para líneas troncales y redes abiertas encadenadas, la compensación de potencia reactiva se establece en el punto i=1 Su QC 1 y OP son los mismos que los de la red abierta hub-and-spoke. Si la compensación de potencia reactiva se establece en el punto i=1,2, consulte la Figura 2(b) y (c).
En este momento, el gasto anual se puede expresar de la siguiente manera:
De manera similar, se puede obtener qc2 y la expresión de op es (para simplificar, el voltaje del nodo 2 puede considerarse aproximadamente igual al voltaje del nodo 1):
¿Dónde está r? ∑ es la suma de las resistencias de línea de líneas troncales o redes abiertas conectadas en cadena, donde r? ∑=R? 1+R? 2?
Cuando el número de nodos de red es I y el número de líneas de red de circuito abierto de cadena o columna vertebral es m, se puede obtener de manera integral la capacidad óptima de compensación de potencia reactiva QCI y OP. La fórmula general para el cálculo es:
La fórmula anterior es simple y clara. Combina la conocida tasa de ligero aumento de pérdida igual con la tasa óptima de ligero aumento de pérdida y obtiene la capacidad de compensación óptima a través de ella. -Rendimiento temporal de la fórmula de cálculo para evitar el proceso iterativo de cálculo. Para ejemplos específicos, consulte el Ejemplo 6-2 en la referencia [3]. En el ejemplo 6-2, la capacidad de compensación óptima se obtiene resolviendo cinco conjuntos de ecuaciones y seis iteraciones, y se puede calcular de una vez usando la fórmula derivada anteriormente.
5 ¿Conclusión?
La optimización de la potencia reactiva y la compensación de los sistemas eléctricos requieren datos de carga, datos del generador, parámetros del transformador, etc. más precisos. Al mismo tiempo, en el funcionamiento real del sistema de energía, el estado del sistema de energía cambia constantemente, por lo que la optimización de la potencia reactiva y la compensación de la potencia reactiva deben aplicarse de manera flexible de acuerdo con la situación real. Con la mayor realización de la automatización del despacho, la automatización de la distribución de energía y las subestaciones desatendidas, se necesita un algoritmo con una velocidad de cálculo rápida y una buena convergencia. Al mismo tiempo, con la implementación del mercado de energía y la madurez gradual de la teoría de fijación de precios de la energía reactiva, la teoría de optimización de la energía reactiva también cambiará y mejorará aún más. Mapa de Baidu