Энергетическая система Монголии
Проблемы и решения при регулировании напряжения сети

Д. Чимэддорж, научный сотрудник,

Ч. Нацагдорж, канд. техн. наук, профессор, Государственный университет науки и технологии (Монголия)

Сейчас в энергосистеме Монголии сложилась и сохраняется ситуация, когда значения напряжения в контрольных точках энергосистемы в ночные часы при минимальной нагрузке достигают максимально допустимых значений, установленных «Правилом объединенной системы», а в вечернее время (при перегрузках) падают ниже минимально допустимых. Несмотря на то, что регулирование напряжения ведется на шинах с помощью возбудителя генераторов, а на подстанциях с помощью регулятора под нагрузки (РПН) и переключения без возбуждения (ПБВ) трансформаторов или с помощью управляемых реакторов, этого оказывается недостаточно.

Для решения данной проблемы проводятся изыскания и расчеты, которые позволят сделать обобщенный вывод и разработать комплекс научно обоснованных мер по регулированию напряжения.

Энергосистема Монголии

Энергосистема Монголии состоит из четырех независимых региональных энергосистем: Западной (ЗЭС), Алтай-Улиастайской (АУЭС), Центральной (ЦЭС) и Восточной (ВЭС). Электроэнергию генерируют восемь ТЭЦ, две ГЭС («Дургун» и «Тайшир»), а также ветровые электростанции «Салхит», «Цэций» и «Сайншанд», дизельные электростанции Алтая и Улиастая и солнечные электростанции малой мощности. Потребители снабжаются электроэнергией через распределительные сети Центрального, Западного, Восточного и Южногобийского регионов.

По состоянию на 2018 год все имеющиеся 335 центров питания сомонов¹ во всех 21 аймаках Монголии подключены к ЦЭС. С экономической точки зрения необходимо рационально использовать передающие способности ЛЭП, постройка которых потребовала больших капиталовложений.

Из-за того, что линии распределительных сетей протянулись на большие расстояния, но рассчитаны на очень малую нагрузку, обеспечивающую лишь освещение центров сомонов и населенных пунктов, они экономически неэффективны.

Поскольку источники электрической энергии расположены в Центральном регионе и сконцентрированы в одном месте, регулирование напряжения и потоков реактивной мощности очень затруднительно, в особенности на ЛЭП 110 и 35 кВ.

СПРАВКА

Монголия – страна с огромной территорией и малочисленным населением. Основную долю в потреблении электроэнергии занимает бытовой сектор, поскольку промышленность относительно малоразвита. Несмотря на то, что в последние годы наблюдается подъем горнодобывающей отрасли, в ближайшее время, согласно прогнозу, бытовой сектор останется лидером по потреблению электроэнергии. К числу других особенностей монгольской энергосистемы можно отнести малую нагрузку, огромную протяженность линий электропередачи, малое число источников генерации, которые сконцентрированы в одном месте, а также сезонное (лето–зима) или суточное (утро–вечер) регулирование напряжения и реактивной мощности. Все это негативно отражается на качестве поставляемой электроэнергии. Очевидна тенденция, что и в дальнейшем будет расти интервал между максимальным и минимальным значениями пиковой суточной нагрузки.

Цели и задачи по оптимизации работы энергосистемы

Для решения проблемы поставлены следующие задачи:

• дать оценку по режиму работы энергосистемы в целом на основании расчетов;

• оптимизировать режим работы энергосистемы для поддержания нормального уровня напряжения и качества электрической энергии;

• сформулировать рекомендации по проведению технических мероприятий;

• определить основные направления политики развития энергосистемы.

В течение последних 5 лет проводились работы по измерению уровня напряжения в контрольных точках энергосистемы Центрального региона.

В результате собраны данные, из которых видно, что значение напряжения в контрольных точках превышает предельно допустимые значения (см. табл.).

Проблемы, возникающие при регулировани напряжения

Поскольку главные источники электроэнергии расположены в Центральном регионе, а потребители разбросаны почти по всей территории, необходимость передачи энергии на большие расстояния влечет за собой не только значительные потери энергии, но и низкую способность передачи.

Кроме того, устойчивая работа и качество электроэнергии энергосистемы Монголии зависят от энергосистемы России и не имеют маневренного или регулирующего источника электроэнергии при различных возмущениях, например аварийных ситуациях, или при смене пиковых нагрузок на ночные минимальные нагрузки [2].

Также, как уже было отмечено, имеются трудности по регулированию напряжения в контрольных точках: удаленные на большие расстояния линии и подстанции не имеют возможности передавать большие мощности, необходимые промышленности. Разница между минимальным и максимальным значениями нагрузки составляет до 30 % (рис. 1). Данный фактор является одним из основных дестабилизирующих влияний на уровень напряжения в удаленных точках электрических сетей.

Расчет статической устойчивости энергосистемы

Был выполнен расчет по определению режимов статической устойчивости системы с использованием уравнений узловых напряжений:

где W – n-векторная функция последовательности; n – количество цепей в схеме моделирования, исключая балансирующие цепи; X – n-переменный вектор с n-последовательностью. Для значения переменной вектора Х модуль напряжения и угла (в координатной системе с полюсом) или активное и реактивное напряжения могут быть отобраны.

Для проведения расчета статической устойчивости требуется выполнить многовариантные предварительные оценки.

Расчет статической устойчивости – это комплексное исследование различных факторов, таких как текущие параметры системы, ее нагрузка, переход с нормального на ненормальный режим работы, перегрузочные или разгрузочные ситуации, климатические условия, различные аварийные ситуации и т. п. в соответствии с требованиями к релейной защите и автоматике в рассматриваемых условиях [3].

Критерии данных для расчета режима статической устойчивости

При реальном режиме работы системы:

• по техническим и эксплуатационным условиям:

Umin доп ≤ Ui.er ≤ Umax доп (допустимый),
Umin доп ≤ Ui ≤ Umax доп,
Umin пр.доп ≤ Ui ≤ Umax пр.доп (предельно допустимый),
Imin доп ≤ Ii–j ≤ Imax доп,
Imin доп. элем ≤ Ii–j ≤ Imax доп.элем,
Imin пр.доп ≤ Ii–j ≤ Imax пр.доп,
fmin доп ≤ fi ≤ fmax доп;

• по предельно допустимым значениям данных:

Umin ≤ Uгбаз ≤ Umax, Pmin ≤ Pгбаз ≤ Pmax, Qmin ≤ Qгбаз ≤ Qmax,
Umin ≤ Uiг ≤ Umax, Pmin ≤ Piг ≤ Pmax, Qmin ≤ Qiг ≤ Qmax,
Imin ≤ Ii–j ≤ Imax,
Pmin ≤ Pн ≤ Pmax, Qmin ≤ Qн ≤ Qmax;

• статические и динамические характеристики нагрузки.

Расчет напряжения в системе был проведен с учетом критериев² данных. Выявлено, что напряжение в контрольных точках сети 110 кВ колеблется в пределах 104–126 кВ (рис. 2).

Расчетные показатели напряжения в контрольных точках системы в Центральном регионе

Меры усовершенствования регулирования напряжения

Как показывает эксплуатация ЛЭП 110 кВ (Булган – Морон – Тэлмэн и Чойр – Сайншанд – Замын Ууд), трудно регулировать напряжение и передавать мощности в разное время года, невозможно передавать большую мощность без источника электроэнергии в приемных удаленных концах линий или без перехода на другой уровень напряжения линий электропередачи.

Реактивная мощность, возникающая в ЛЭП 35 кВ, регулируется путем установления шунтируюших реакторов.

В монгольской энергосистеме нет опыта применения устройств, позволяющих регулировать напряжение, таких как синхронные двигатели и синхронные компенсаторы.

Статические ВАР-компесаторы, установленные в 2013 году на ветроэлектростанции «Салхит» мощностью 50 МВт и на подстанции 220/35 кВ горнодобывающей фабрики «Оюутолгой», предназначены только для регулирования напряжения и реактивной мощности на собственных шинах. Режим потребления и генерации реактивной мощности на шинах генераторов ТЭЦ является одним из методов регулирования напряжения и реактивной мощности. Этого недостаточно для энергосистемы страны потому, что количество этих генераторов и их мощности малы и они не были рассчитаны на регулирование напряжения и реактивной мощности в широких диапазонах, как это требуется.

Выводы и рекомендации

За последние 20 лет в Монголии за счет финансирования из госбюджета к централизованному энергоснабжению были подключены все поселения, включая малые административные единицы. Это стало важным достижением в социально-экономическом плане, но усугубило имеющиеся проблемы.

В результате анализа собранных исследовательских данных сделан вывод, что регулирование напряжения в контрольных точках системы 110/35 кВ при использовании традиционных методов невозможно, особенно если потребление электроэнергиии будет увеличиваться, а требования потребителей к качеству электроэнергии, обусловленные развитием применяемых ими оборудования и технологий, станут ужесточаться.

Поэтому Монголии следует обратить особое внимание как на структуру источников генерации электроэнергии, так и на ее потребление, на удаленность источников от потребителей, на развитие инфраструктуры передачи и распределения электроэнергии [2].

В Монголии основными производителями электроэнергии являются ТЭЦ. Поэтому первоочередной вопрос – выбор альтернативных источников электроэнергии, например:

• строительство гидроэлектростанции, которая могла бы стать регулятором системы;

• введение в эксплуатацию возобновляемых источников электроэнергии и других новых их видов (например, батарей).

К числу важнейших задач страны в области электроэнергетики относятся:

• введение в эксплуатацию генераторов с широким диапазоном регулирования реактивной мощности, новых электростанций, а также реконструкция существующих генераторов;

• выполнение расчетов регулирования напряжения и реактивной мощности и проведение реконструции (внедрение новых статических ВАР-компенсаторов и т. д.) магистральной линии с учетом прогноза по повышению потребления электроэнергии, а также интересов производителей и потребителей;

• уменьшение разницы между значениями мaксимальной и минимальной нагрузок путем повышения потребления электроэнергии в ночные часы (с опорой на положительный опыт Дарханского металлургического завода).

Литература

1. Годовые отчеты Национального диспетчерского центра электроэнергетической системы Монголии за 2018 год.
2. Содномдорж Д. Исследование режимов работы электроэнергетической системы и их математическое моделирование. Улан-Батор.: Монгольский государственный университет науки и технологии, 2012.
3. Юрганов А. А., Кожевников В. А. Регулирование возбуждения синхронных генераторов. СПб.: Наука, 1996. 138 с.

Редакция благодарит за помощь в подготовке материала Яна Леонардовича Арцишевского, канд. техн. наук, доцента, первого заместителя заведующего кафедрой «Релейной защиты и автоматизации энергосистем» НИУ МЭИ.

¹ Согласно конституции, Монголия в административном управлении делится на аймаки (монг. аймаг) и столицу — Улан-Батор. Аймаки (всего их 21) разделяются на сомоны (монг. сум), а сомоны – на баги.