30
Июль
–
август
2016
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
Вторичный контроль
напряжения
Первичный контроль напряжения недостаточно
точен и быстр, чтобы полностью справиться
с локализованными, вариативными колебаниями
напряжения в сетях нового поколения.
Александр Вукоевич (Aleksandar Vukojeviс
’
) и Джо Граппе (Joe Grappe
’
),
Duke Energy
С
истема
распределения
—
ключевой
элемент
любой
электрической
сети
,
который
обеспе
-
чивает
доставку
электроэнергии
в
жилые
дома
,
а
также
коммерческим
и
промышлен
-
ным
предприятиям
.
Управление
и
контроль
уровня
напряжения
и
реактивной
мощности
традиционно
вы
-
полняются
на
стороне
высокого
напряжения
с
помо
-
щью
трансформаторов
с
устройствами
регулирова
-
ния
напряжения
под
нагрузкой
(
РПН
)
на
подстанции
,
регуляторов
напряжения
и
блоков
конденсаторов
.
В
последние
годы
передовые
распределительные
технологии
,
например
,
такие
как
технология
поддер
-
живания
уровня
снижения
напряжения
(CVR),
кото
-
рые
применяются
с
целью
удовлетворения
спроса
и
экономии
энергии
путем
снижения
подаваемого
потребителю
напряжения
,
начали
порождать
новые
оперативные
проблемы
.
Полевая
команда
электриков
Duke Energy
устанавливает
потоковый
стабили
-
затор
напряжения
(IPR)
во
вторичную
систему
.
В
дополнение
к
этому
,
растущая
популярность
распределенной
генерации
,
например
,
солнечных
батарей
(PV)
на
крышах
жилых
домов
,
и
рост
исполь
-
зования
электронных
устройств
управления
энергией
привели
к
появлению
новых
проблем
в
обеспечении
качества
энергоснабжения
.
Разрешение
этих
новых
проблем
с
помощью
устройств
первого
уровня
ста
-
ло
нежелательным
,
так
как
регулирование
напряже
-
ния
первого
уровня
оказалось
слишком
медленным
и
грубым
,
чтобы
полностью
справиться
с
новым
по
-
колением
локализованных
вариативных
колебаний
напряжения
.
Duke Energy
запустила
серию
пилотных
испытаний
,
включая
установку
трех
низковольтных
электронных
контрольных
устройств
производства
Gridco Systems
под
названием
«
линейный
стабилизатор
напряжения
»
(In-Line Power Regulator, IPR)
с
целью
выяснения
вли
-
яния
этого
прибора
на
различные
проблемы
вторичных
распредели
-
тельных
цепей
,
включая
вторич
-
ное
регулирование
напряжения
,
реактивный
поток
,
гармоническое
выравнивание
напряжения
и
силы
тока
,
а
также
выравнивание
колеба
-
ний
качества
электроснабжения
.
Линейный
стабилизатор
напряжения
IPR
устанавливается
со
сторо
-
ны
низкого
напряжения
распреде
-
лительного
трансформатора
,
у
него
есть
входной
и
выходной
канал
.
Его
архитектура
включает
в
себя
как
последовательные
,
так
и
парал
-
лельные
регулирующие
элементы
.
Последовательный
регулирующий
компонент
стабилизатора
напря
-
жения
(±10%)
использует
входное
напряжение
в
качестве
опорного
и
регулирует
выходное
напряжение
до
желаемого
уровня
.
Параллель
-
ный
источник
тока
обеспечивает
УПРАВЛЕНИЕ
УПРАВЛЕНИЕ
распределением
распределением
31
Июль
–
август
2016
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
Форма
волны
напряжения
,
зафиксированная
приборами
в
ходе
первого
пилотного
проекта
,
показывает
,
что
устройство
IPR
эффективно
удерживает
вторичное
напряжение
(
нагруз
-
ки
)
в
пределах
1,0–1,025
относительных
единиц
(
режим
«
мертвой
зоны
»)
безотносительно
колебаний
первичного
напряжения
(
источника
).
0.98
0.99
1.00
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
1.06
10:30
11:30
12:30
13:30
14:30
15:30
16:30
17:30
18:30
Напряжение
(
о
.
е
)
Время
(
ч
.)
Включена
стабилизация
напряжения
в
режиме
фиксированного
значения
: V = 1.0
о
.
е
.
Стабилизация
напряжения
отключена
Включена
стабилизация
напряжения
в
режиме
“
мертвой
зоны
”
1.0
о
.
е
. < V < 1.025
о
.
е
.
Переход
в
режим
следования
за
напряжением
когда
V < 1.025
о
.
е
.
Мертвая
зона
Напряжение
источника
Напряжение нагрузки
дополнительные
±5
кВАР
и
производит
вторичное
регулирование
мощности
.
Источник
тока
использу
-
ет
реактивную
мощность
со
стороны
нагрузки
в
ка
-
честве
опорного
значения
и
регулирует
реактивную
мощность
на
стороне
высокого
на
пряжения
.
Задачей
пилотного
проекта
было
понять
,
поможет
ли
разделение
первичного
и
вторичного
регулирова
-
ния
в
системе
распределения
разрешить
проблемы
управления
.
Для
верификации
результатов
испыта
-
ний
данные
IPR
регистрировались
датчиками
каче
-
ства
электроснабжения
Power Sensors Ltd.
и
SATEC.
Измерительное
оборудование
было
установлено
по
обеим
сторонам
IPR
и
у
потребителей
.
Пилот
№
1:
стабилизация
напряжения
для
CVR
В
последние
годы
при
-
менение
программ
CVR
потребовало
более
точ
-
ного
контроля
напряжения
на
распределительных
фидерах
в
нижней
части
рейтинга
по
стандарту
ANSI.
Измерение
напря
-
жения
,
поступающего
к
клиенту
,
стало
возмож
-
ным
благодаря
использо
-
ванию
передовой
измери
-
тельной
инфраструктуры
(AMI).
Однако
контроль
уровня
напряжения
явля
-
ется
функцией
управле
-
ния
приборами
только
на
достаточно
грубом
уровне
на
стороне
высокого
на
-
пряжения
,
где
изменение
напряжения
для
одного
пользователя
требует
из
-
менения
напряжения
во
всем
фидере
.
Невозможность
точечного
контроля
ограничивает
возможности
применения
CVR
для
ре
-
гулирования
снижения
напряжения
по
всей
системе
и
для
всех
пользователей
с
сохранением
необходи
-
мых
значений
напряжения
для
всех
.
Решение
этой
проблемы
подразумевает
не
только
возможность
сбора
данных
,
например
,
с
использва
-
нием
AMI,
во
вторичной
системе
,
но
и
возможность
регулирования
напряжения
в
ней
.
Традиционные
ме
-
тоды
повышения
вторичного
напряжения
включают
увеличение
размеров
распределительных
трансфор
-
маторов
,
переоснащение
вторичной
сети
кабелями
большего
калибра
,
продление
первичной
сети
и
раз
-
деление
вторичной
шины
с
установкой
дополнитель
-
ного
трансформатора
.
Эти
варианты
обычно
требуют
отключения
и
имеют
ре
-
зультатом
относительно
небольшое
улучшение
на
-
пряжения
.
Поскольку
это
фиксированные
,
пассив
-
ные
улучшения
,
они
могут
не
соответствовать
буду
-
щим
запросам
местной
вторичной
цепи
,
таким
,
на
-
пример
,
как
станции
под
-
зарядки
электромобилей
.
В
ходе
первого
пилот
-
ного
проекта
для
контро
-
ля
уровня
напряжения
вторичной
системы
без
участия
устройств
первич
-
ного
уровня
IPR
был
уста
-
новлен
на
фидере
рас
-
пределительной
системы
на
вторичной
стороне
трансформатора
25
кВА
,
обеспечивающего
энер
-
гией
пять
жилых
домов
.
В
местах
установки
PV
имеют
место
колебания
напряжения
и
направления
потока
мощности
,
которые
вызывают
затруднения
.
Этот
фрагмент
графика
второго
пи
-
лотного
испытания
показывает
,
как
IPR
стабилизирует
вторичное
напряжение
(
на
-
грузки
)
даже
в
условиях
обратного
потока
мощности
.
-10
-5
0
5
10
15
20
0.97
0.98
0.99
0.99
1.00
1.01
1.02
0:00
4:00
8:00
12:00
15:59
19:57
23:55
Мощность
(
о
.
е.
)
Напряжение
(
о
.
е.
)
Время
(
ч
.,
мин
.)
Cреднее
напряжение
источника
(
о
.
е
.)
Напряжение
нагрузки
(
о
.
е
.)
Мощность
(
о
.
е
.)
Обратный
поток
мощности
Напряжение
источника
ниже
,
чем
напряжение
нагрузки
УПРАВЛЕНИЕ
УПРАВЛЕНИЕ
распределением
распределением
32
Июль
–
август
2016
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
Третье
пилотное
испытание
:
процент
суммарного
коэффициента
гармонических
иска
-
жений
(
Т
otal
Н
armonic Distortion, THD),
вызываемых
электронными
приборами
на
стороне
вторичной
цепи
(
нагрузки
),
колеблется
от
2,5%
до
3,5%
до
активации
IPR
примерно
на
14:25:40.
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
14:21:07 14:22:34 14:24:00 14:25:26 14:26:53 14:28:19 14:29:46 14:31:12 14:32:38
THD
напряжения
, %
Время
(
ч
:
мин
:
сек
)
Установка
устройства
IPR
THD
напряжения
нейтрали
L1, %
THD
напряжения
нейтрали
L2, %
IPR
тестировался
в
двух
режимах
:
с
фиксированным
значением
напряжения
и
со
значением
напряжения
в
«
мертвой
зоне
». IPR,
установленный
на
стороне
вторичной
цепи
,
может
регулировать
нисходящее
на
-
пряжение
аналогично
тому
,
как
это
делает
РПН
или
стабилизатор
напряжения
в
первичной
сети
.
Основное
отличие
между
IPR
и
средневольтовы
-
ми
электромеханическими
стабилизаторами
напря
-
жения
состоит
в
том
,
что
IPR
является
полностью
электронным
прибором
,
в
нем
нет
движущихся
дета
-
лей
и
,
следовательно
,
нет
ограничения
на
количество
срабатываний
. IPR
также
обеспечивает
стабили
-
зацию
напряжения
c
точностью
до
0,5%
и
срабаты
-
вает
в
течение
одного
цикла
гораздо
быстрее
,
чем
РПН
и
линейные
стабилизаторы
.
Когда
IPR
находит
-
ся
в
шунтирующем
режиме
,
его
выходное
напряже
-
ние
соответствует
входящему
напряжению
.
Прибор
осуществляет
мониторинг
и
отправку
данных
,
но
не
производит
стабилизацию
.
Когда
IPR
переводится
в
режим
стабилизации
по
фиксированному
значе
-
нию
напряжения
(1,0
о
.
е
.),
напряжение
на
стороне
нагрузки
регулируется
в
фиксированной
точке
,
неза
-
висимо
от
напряжения
на
входе
.
Запуск
IPR
в
режиме
«
мертвой
зоны
» (
между
1,0
о
.
е
.
и
1,025
о
.
е
.)
позволя
-
ет
осуществлять
регулирование
напряжения
внутри
желаемых
ограничений
.
Режим
«
мертвой
зоны
»
был
признан
предпочтительным
для
низковольтной
ста
-
билизации
.
Как
было
отмечено
выше
,
общая
киловольт
-
ам
-
пер
-
реактивная
мощность
IPR
достигает
5
кВАР
как
для
емкостной
,
так
и
для
индуктивной
реактивной
мощности
.
Традиционно
поставщики
электроэнергии
не
пытались
добиться
конкретного
коэффициента
мощности
на
стороне
вторичной
цепи
.
Однако
,
учи
-
тывая
,
что
потери
при
распределении
обычно
состав
-
ляют
от
6%
до
8%,
функционал
IPR
может
снизить
некоторые
из
этих
реактивных
потерь
.
В
целях
пи
-
лотного
испытания
IPR
тестировался
в
двух
режимах
стабилизации
коэффициента
мощности
:
с
фиксиро
-
ванным
коэффициентом
мощности
и
фиксированным
выходным
значением
кВАР
.
В
обоих
режимах
прибор
показал
ожидаемые
результаты
.
Пилот
№
2:
стабилизация
напряжения
для
домашних
солнечных
батарей
(PV)
Типичное
падение
напряжения
во
вторичной
цепи
составляет
от
1,5%
до
3,5%.
Установка
солнечной
батареи
(PV)
на
стороне
потребителя
может
вызвать
возникновение
потока
обратной
мощности
,
который
приводит
к
тому
,
что
напряжение
на
стороне
потреби
-
теля
становится
выше
,
чем
напряжение
вторичного
трансформатора
.
Если
PV
генерирует
еще
больше
энергии
или
снижается
нагрузка
,
напряжение
повы
-
шается
.
Для
второго
пилотного
испытания
было
вы
-
брано
место
с
принадлежащей
клиенту
PV,
где
во
вторичной
системе
случались
обратные
потоки
.
Был
установлен
IPR,
который
сохранял
напряжение
на
по
-
стоянном
уровне
(1
о
.
е
.)
независимо
от
направления
потока
мощности
и
входного
напряжения
.
Высокий
уровень
гармоник
может
вызывать
со
-
кращение
срока
жизни
оборудования
.
В
силу
своей
природы
все
электронные
устройства
высокого
на
-
пряжения
вносят
гармоники
в
распределительную
систему
,
чаще
всего
гармоники
тока
.
Учитывая
,
что
IPR
обладает
способностью
улучшать
качество
элек
-
троэнергии
на
стороне
вторичной
цепи
путем
пода
-
вления
и
потенциального
уничтожения
3-
й
, 5-
й
и
7-
й
гармоник
напряжения
и
тока
,
в
ходе
пилотных
испы
-
таний
устройство
было
также
протестировано
в
ре
-
жиме
подавления
гармоник
напряжения
и
тока
в
те
-
чение
первых
шести
месяцев
работы
.
На
основании
результатов
пилотных
испытаний
был
сделан
вывод
,
что
IPR
значительно
сокращает
гармоники
,
порождаемые
инвертором
PV.
На
местах
установки
домашних
PV
оптимальным
режимом
ра
-
боты
оказалась
стабилизация
напряжения
в
режиме
«
мертвой
зоны
»
либо
фиксированного
значения
в
со
-
четании
с
режимом
подавления
гармоник
напряже
-
ния
и
тока
.
Пилот
№
3:
стабилизация
колебаний
качества
электроэнергии
В
третьем
пилотном
испытании
IPR
был
установ
-
лен
рядом
с
распределительным
трансформатором
,
снабжающим
металлоразделочное
предприятие
,
подсоединенным
к
фиде
-
ру
первичной
цепи
через
ее
собственный
транс
-
форматор
.
В
процессе
ме
-
таллоразделки
напряже
-
ние
в
цепи
испытывает
значительные
колебания
(
иногда
превосходящие
20
В
переменного
напря
-
жения
при
базовом
зна
-
чении
240
В
),
из
-
за
чего
функционирование
цепи
приближается
к
верхне
-
му
пределу
ограничений
ANSI.
Флуктуации
напряже
-
ния
вызывали
сбои
в
ра
-
боте
близлежащего
све
-
тофора
в
виде
вспышек
желтого
сигнала
,
посколь
-
ку
светофор
с
его
чувстви
-
тельным
контрольным
оборудованием
был
под
-
ключен
к
той
же
вторичной
УПРАВЛЕНИЕ
УПРАВЛЕНИЕ
распределением
распределением
33
Июль
–
август
2016
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
Вторичное
напряжение
,
стабилизированное
IPR,
показывает
значительное
снижение
амплитуды
и
длительности
колебаний
по
сравнению
с
колебаниями
напряжения
в
пер
-
вичной
системе
.
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1.00
1.01
1.02
1.03
0
1
2
3
4
5
Напряжение
(
В
)
Время
(
сек
)
Первичное
напряжение
Вторичное
напряжение
Больше
информации
на
:
Duke Energy | www.duke-energy.com
Gridco Systems | www.gridcosystems.com
Power Sensors | www.powersensorsltd.com
SATEC | www.satec-global.com
цепи
,
в
которой
теперь
установлен
IPR.
В
тех
случа
-
ях
,
когда
флуктуации
вызывали
падение
напряжения
ниже
232
В
,
светофор
гас
и
самоблокировался
,
в
ре
-
зультате
чего
полиции
штата
приходилось
высылать
офицеров
для
контроля
дорожного
движения
,
а
де
-
партаменту
транспорта
—
отправлять
служащих
для
перезапуска
оборудования
.
Когда
на
трансформаторе
,
питающем
светофор
,
был
установлен
IPR
в
режиме
фиксированного
значе
-
ния
напряжения
и
подавления
гармоник
напряжения
и
тока
,
сразу
проявилось
значительное
повышение
стабильности
напряжения
.
В
дополнение
к
стремительным
скачкам
напря
-
жения
металлоразделочное
предприятие
также
вно
-
сит
гармоники
на
первичной
стороне
,
что
влияет
на
работу
светофорного
оборудования
. IPR
помогает
подавлять
гармоники
,
но
имеет
некоторые
ограниче
-
ния
,
препятствующие
полному
устранению
гармоник
,
поскольку
большинство
гармоник
в
этом
месте
выше
7-
й
(
в
данном
конкретном
случае
9-
я
, 11-
я
и
13-
я
).
Фабричные
настройки
IPR
активно
подавляли
3-
ю
, 5-
ю
и
7-
ю
гармоники
,
особенно
гармоники
на
-
пряжения
на
стороне
нагрузки
(
светофора
)
и
гар
-
моники
тока
на
стороне
источника
(
энергосистемы
);
подавление
гармоник
затрагивало
только
гармоники
устойчивого
состояния
.
В
таком
применении
IPR
спо
-
собствовал
сохранению
напряжения
на
приемлемом
уровне
для
работы
светофора
,
который
ни
разу
не
давал
желтых
вспышек
и
не
отключался
с
момента
установки
IPR.
В
результате
было
сокращено
число
вызовов
полиции
и
обращений
в
дорожную
службу
и
энергокомпанию
,
а
также
повышена
безопасность
дорожного
движения
.
В
ходе
этого
пилотного
проекта
было
также
вы
-
явлено
дополнительное
преимущество
внедрения
IPR:
сглаживание
просадок
напряжения
,
вызванных
первичной
системой
.
Амплитуда
стабилизации
IPR
составляет
от
55%
до
125%
номинального
напряже
-
ния
,
и
он
может
производить
компенсацию
в
проме
-
жутке
±24
В
в
течение
трех
циклов
.
В
ходе
испытаний
в
распределительной
системе
произошел
сбой
на
стороне
первичного
контура
.
IPR
произвел
стабилизацию
напряжения
на
первом
цикле
и
подъем
на
10%
в
течение
первых
трех
циклов
,
тогда
как
первичное
напряжение
вернулось
на
до
-
сбойный
уровень
гораздо
медленнее
.
В
нескольких
более
значи
-
тельных
просадках
напря
-
жения
на
первичной
стороне
IPR
обеспечил
до
24
В
допол
-
нительного
напряжения
на
стороне
пользователя
.
Дальнейшие
шаги
Duke Energy
провела
пи
-
лотные
испытания
IPR
в
трех
различных
ситуациях
при
-
менения
,
доказавшие
,
что
IPR
может
послужить
реше
-
нием
технических
проблем
,
свойственных
этим
ситуаци
-
ям
,
оказав
положительное
влияние
.
В
данном
случае
,
разъединение
первичной
и
вторичной
распредели
-
тельных
систем
с
помощью
установки
IPR
оказалось
успешным
подходом
.
В
настоящее
время
Duke Energy
исследует
несколько
возможных
улучшений
этой
технологии
,
в
том
числе
подавление
более
высоких
гармоник
,
выполнение
стабилизации
напряжения
на
уровне
подцикла
,
повышение
мощности
и
введение
средневольтового
трехфазного
электронного
вольт
/
вольт
-
ампер
-
реактивного
стабилизирующего
устрой
-
ства
.
Благодарности
Авторы
хотели
бы
выразить
благодарность
Бобу
МакФетриджу
(Bob McFetridge)
из
Gridco Systems
за
помощь
в
написании
этой
статьи
.
Александар
Вукоевич
(aleksandar.vukojevic@
duke-energy.com)
является
менеджером
по
новым
технологиям
в
Duke Energy.
В
его
обязанности
входит
разработка
,
установка
,
тестирование
и
оценка
новых
технологий
.
Вукоевич
работает
над
докторской
дис
-
сертацией
по
электроинженерии
в
Университете
Се
-
верной
Каролины
в
Шарлотте
.
Джозеф
Граппе
(joseph.grappe@duke-energy.
com) —
ведущий
инженер
по
качеству
электроэнер
-
гии
в
Duke Energy.
Обладает
более
чем
десятилет
-
ним
опытом
в
области
электроснабжения
.
Граппе
регулярно
имеет
дело
с
проблемами
качества
элек
-
троэнергии
и
работает
с
индивидуальными
,
коммер
-
ческими
,
индустриальными
и
правительственными
клиентами
.
УПРАВЛЕНИЕ
УПРАВЛЕНИЕ
распределением
распределением
Оригинал статьи: Вторичный контроль напряжения
Первичный контроль напряжения недостаточно точен и быстр, чтобы полностью справиться с локализованными, вариативными колебаниями напряжения в сетях нового поколения.
