Sekundarna regulacija napona

Sekundarna regulacija napona i reaktivnih snaga je nezaobilazna funkcija u eksploataciji elektroenergetskih sistema (EES-a) u normalnom i poremećenim radnim režimima. U normalnom radnom režimu naponsko-reaktivna regulacija ima zadatak da obezbedi prenos i distribuciju električne energije krajnjim potrošačima, koja zadovoljava propisane kriterijume kvaliteta. U poremećenim radnim režimima, njen zadatak je da poveća sigurnost snabdevanja, kroz povećanje limita naponske stabilnosti.

Naponska regulacija i kompenzacija reaktivnih snaga u opštem slučaju zahtevaju različite pristupe i sredstva na nivou prenosne i distributivnih mreža. Na nivou prenosne (visokonaponske mreže) po pravilu se koristi naponsko-reaktivna podrška od strane najvećih generatora, čime se posredno reguliše čitav EES. Na distributivnom nivou naponska regulacija se sprovodi nezavisno u pojedinačnim distributivnim područjima, odnosno svako područje (najčešće jedan koren sa jednom tačkom povezivanja na prenosnu mrežu) se tretira kao mali izolovani deo distributivne mreže.

U skladu sa prethodnim i upravljanje na nivou prenosne i distributivnih mreža se sprovodi iz različitih dispečerskih centara, pri čemu na upravljanje u distributivnoj mreži značajno utiče sprovedena strategija upravljanja u prenosnoj mreži (suprotna sprega je relativno slaba). Prenosne mreže karakterišu priključeni veliki generatori, kao i prenosni vodovi male otpornosti (u poređenju sa reaktansom), dok distributivne mreže karakteriše velika površinska gustina opterećenja, radijalna topološka struktura, visok odnos R/X vodova i prisustvo velikog broja distribuiranih generatora. Zbog ovih razloga, ciljevi i modaliteti naponsko-reaktivne (V-Q) regulacije su različiti, pa se mogu sumirati kao:

Prenosne mreže:

• •Kontinualno održavanje visokih naponskih profila.
• •Minimizacija sistemskih gubitaka.
• •Povećanje sistemskih margina naponske stabilnosti.

Da bi se ovi ciljevi ostvarili koriste se:

• •Upravljivi reaktivni regulacioni resursi, čiji rad zavisi od vrste ispada.
• •Efikasna sistemska automatska naponska regulacija (Wide Area Voltage Control).

Distributivne mreže:

• •Održavanje napona u prihvatljivim granicama na mestima priključenja potrošača.
• •Minimizacija lokalnih gubitaka.
• •Povećanje sistemskih margina naponske stabilnosti u distributivnoj mreži.
• •Povećanje sposobnosti distributivne mreže da nastavi normalan rad u slučaju izolovanog pogona.

Da bi se ovi ciljevi ostvarili koriste se:

• •Jaka naponska podrška nadređene prenosne mreže [visok i konstantan (koliko je moguće)] napon u tački povezivanja.
• •Regulacioni transformatori sa regulacijom pod opterećenjem.
• •Adekvatna kompenzaciona oprema koja se koristi u režimima visokog opterećenja.
• •Adekvatni distributivni (srednje-naponski) automatski naponski regulacioni sistemi, koordinirani distributivni generatori (gde postoje) i korišćenje lokalne kompenzacione opreme, čime se ostvaruje reaktivna podrška kada je potrebno.

Osnovni naponsko-reaktivni resursi

Otočni (stalno ili povremeno uključeni) kondenzatori

Kondenzatori se priključuju direktno na sabirnice ili na tercijarni namotaj tronamotajnih transformatora, sa ciljem minimizacije gubitaka i padova napona. Oni lokalno kompenzuju reaktivnu snagu koju zahtevaju potrošači na distributivnom nivou. Glavna prednost otočnih kondenzatora je njihova niska cena i fleksibilnost instalacije i održavanja.

Osnovni nedostatak otočnih kondenzatora jeste da njihova odata reaktivna snaga zavisi od kvadrata napona, što znači da se na niskim naponima ona drastično smanjuje. Takođe, broj operacija uključenja-isključenja smanjuje životni vek kondenzatora. Osnovna primena ovog tipa regulacionih uređaja je u distributivnim mrežama za generisanje reaktivne snage što bliže mestu njenog trošenja (potrošačkim čvorovima).

Njihova strujno-naponska (I-V) karakteristika je linearna, određena nazivnim naponom i strujom otočnog kondenzatora, kao što je prikazano na slici.

Analitički se I-V karakteristika može opisati kao:

odnosno

Kompenzacione šeme podrazumevaju primenu fiksnih i povremeno uključivanih kondenzatora. U slučaju prenosnih mreža, otočni kondenzatori se koriste za kompenzaciju induktivnih gubitaka ($\omega LI^2$), kako bi se obezbedio adekvatan naponski profil u režimima sa velikim opterećenjem.

Otočni kondenzatori se mogu uključivati ručno ili automatski (naponskim relejima). Njihovo lociranje (instaliranje) se sprovodi nakon detaljnih analiza tokova snaga (često uključeni u algoritme optimalnog lociranja kondenzatora) u normalnim/poremećenim režimima, kao i analize tranzijentnih procesa. On/Off uključivani kondenzatori su konvencionalna sredstva za regulaciju dnevnih fluktuacija napona (između maksimalnih dnevnih i minimalnih noćnih režima), ili posle velikih poremećaja (ispada). Po svojoj prirodi oni ne doprinose značajno regulaciji napona u realnom vremenu, pošto je broj dnevnih uključenja-isključenja limitiran. Otočni kondenzatori su osetljivi na prenapone i prekostruje, koji se zbog toga moraju ograničiti odgovarajućom zaštitom.

Mehanički uključivani kondenzatori (višestepeni)

Osnovna šema mehanički uključivanih kondenzatora se sastoji od pojedinačnih kondenzatora ili grupe kondenzatora priključenih na elektroenergetsku mrežu direktno, preko strujnog prekidača ili transformatora. Vreme odziva je određeno vremenom uključenja strujnog prekidača, koje je reda 100 ms. Njihov normalan broj uključenja je 2-4 puta/danu, pri čemu se kondenzator uključuje u uslovima velikih opterećenja, a isključuje u uslovima niskih opterećenja.

Harmonici iz elektroenergetske mreže imaju veliki uticaj na opterećivanje kondenzatora. Gubici su vrlo mali, reda 0,02-0,05 % njihove nominalne snage. Njihove nazivne snage su od nekoliko kVAr (u niskonaponskim mrežama) u instalacijama pojedinačnih kondenzatora, do nekoliko stotina MVAr u slučaju instalacija grupa kondenzatora na visokom naponu.

Zbog linearne strujno-naponske karakteristike, izlazna snaga kondenzatora tokom stanja ispada često je neadekvatna, pošto je kvadratno zavisna od napona (drastična redukcija izlazne reaktivne snage pri niskim naponima na mestu priključka kondenzatora).

Otočni reaktori

U opštem slučaju otočni reaktori se koriste da kompenzuju kapacitivnosti grana (prvenstveno vodova), u cilju ograničavanja porasta napona u slučaju praznog hoda voda ili niskih opterećenja na njegovom kraju. Oni se često koriste na nadzemnim vodovima visokih napona dužim od 150-200 km, gde su velike otočne kapacitivnosti koje mogu dovesti do velikog povećanja napona na početku voda.

Izlazna karakteristika (I-V) je linearna u normalnom radnom opsegu, i odstupa od linearnosti zbog zasićenja, kao što je prikazano na slici.

U režimu linearne zavisnosti, otočni reaktor se može opisati jednačinom

Mehanički uključivani reaktori

U uslovima visokih opterećenja, otočni reaktori moraju biti isključeni. Zbog toga su oni opremljeni opremom za isključivanje. Mehanički uključivani reaktori se koriste na kratkim vodovima napajanim sa slabim sistemom. Otočni reaktori ne doprinose kontinualnoj regulaciji napona u realnom vremenu, zbog ograničenog broja mehaničkih operacija uključenja tokom dana.

Tipična konfiguracija se sastoji od otočnog reaktora priključenog preko mrežnog prekidača ili rastavljača na sabirnice gde je priključen prenosni vod ili tercijer tronamotajnog transformatora.

Kontinualni naponsko-reaktivni resursi

VAR generatori se razlikuju po tome da li predstavljaju rotacione električne mašine ili statičke konvertore (na bazi energetske elektronike). Jedinstvena karakteristika VAR generatora je njihova sposobnost da kontinualno odaju ili apsorbuju reaktivnu snagu, bez velikih unutrašnjih gubitaka. Ovo je moguće dok generator radi u operativnim uslovima kontinualnosti fluksa, ograničenog pogonskom kartom generatora, koja određuje maksimalnu odatu/apsorbovanu reaktivnu snagu u zavisnosti od termičkih ograničenja generatora i njegove nazivne snage.

Između svih obrtnih mašina izdvajaju se sinhroni generatori koji mogu da odaju aktivnu i reaktivnu snagu, pri čemu je moguća funkcionalna dekompozicija između upravljanja aktivnom i reaktivnom snagom (bez velikog uticaja jednog procesa na drugi). Za razliku od sinhronih generatora, sinhroni kompenzatori su u stanju da isporučuju samo reaktivnu snagu.

Uvažavajući konvertore na bazi energetske elektronike, glavne vrste VAR generatora su:

• •Static VAR compensator (SVC);
• •Static compensator (STATCOM);
• •Unified power flow controller (UPFC).

Osnovne šeme sistema pobude sinhronih generatora (kompenzatora)

Sistem pobude predstavlja izvor struje pobude potrebne za održavanje napona na krajevima sinhrone mašine i on u sebe uključuje mašine i aparate za proizvodnju struje pobude (pobudnica), uređaje za regulaciju pobude (regulator pobude ili regulator napona) i elemente ručnog upravljanja, merenja, zaštite i automatike koji se nalaze u pobudnom kolu sinhrone mašine.

Sistem za regulaciju pobude u sebe uključuje sistem pobude i objekat regulacije, tj. sinhronu mašinu (sinhroni generator, sinhroni kompenzator ili sinhroni motor). To je sistem sa zatvorenom povratnom spregom i služi za regulaciju pobude.

Regulacija napona vrši se posrednim putem, regulacijom indukovane elektromotorne sile promenom struje pobude. Regulacijom se pored napona menjaju i struje, reaktivna snaga i faktor snage, što znači da je ona sa više ciljeva.

Zadatak sistema pobude u normalnom radnom režimu je:

• •Održavanje napona i/ili reaktivne snage na izlazu iz sinhrone mašine na željenim vrednostima, ili njihova promena po određenom zakonu.
• •Regulacija željene raspodele reaktivnih opterećenja između sinhronih mašina koje rade paralelno.

U abnormalnim režimima zadatak regulacije pobude (napona) proširuje se i na održavanje stabilnosti i poboljšanje sigurnosti paralelnog rada elektroenergetskog sistema (EES).

Opšta funkcionalna šema sa izdvojenim blokovima i njihovim ulazno-izlaznim promenljivim je:

Oznake na prethodnoj slici su:

• $V_{REF}$ – referentni napon na ulazu u sistem regulacije pobude;
• $V_c$ – izlazni napon iz pretvarača napona i kompenzatora opterećenja;
• $\Delta V_{ERR} = V_{REF} - V_c$ – naponska greška na ulazu u regulator pobude;
• $V_E$ – pobudni napon sinhronog generatora (izlazni napon pobudnice – Exciter);
• $E_{FD}$ – indukovana elektromotorna sila statora koja odgovara pobudnom naponu $V_E$ (računata po karakteristici međugvožđa sinhronog generatora);
• $f$, $P$, $Q$ – učestanost, aktivna i reaktivna snaga;
• $V_f$ – izlaz iz stabilizatora sistema pobude;
• $V_{s1}$, $V_s$ – dodatni signali kao ulaz i izlaz iz stabilizatora EES-a.

Koji će se od sistema pobude koristiti zavisi od:

• •Vrste sinhrone mašine (generator, kompenzator, motor), a ako se koristi generator zavisi od tipa pogonskog motora (turbine).
• •Snage i ostalih parametara sinhrone mašine.
• •Mesta i uloge sinhrone mašine u EES-u.
• •Mesta ugradnje (temperatura, vlažnost, agresivnost ambijenta, raspoloživog prostora).
• •Cene sistema pobude.

Osnovne šeme sistema pobude

Osnovni element svakog sistema pobude je izvor struje pobude ili pobudnica. Ona može biti bilo koji izvor jednosmerne struje:

1. Jednosmerni generator sa sopstvenom ili nezavisnom pobudom.
2. Nezavisni sinhroni generator sa ispravljačem.
3. Ispravljač napajan iz spoljne mreže ili sa krajeva sinhrone mašine koja se pobuđuje.

Glavna pobudnica predstavlja izvor struje sinhrone mašine, a pomoćna pobudnica izvor struje pobude glavne pobudnice.

Snage glavnih pobudnica su 0,5–3 % nominalne snage sinhrone mašine. Snage pomoćnih pobudnica su 1,5–5 % nominalne snage glavne pobudnice. Generalno su ovi procenti manji za mašine većih snaga. Cena sistema pobude je 5–8 % od cene sinhronog generatora.

I Jednosmerni sistemi pobude (DC sistem)

Praktično se više ne proizvode, ali su ugrađeni na velikom broju postojećih agregata. Uglavnom nemaju mogućnost forsiranja pobude. Često se koriste specijalni rotirajući pojačavači (amplidini) za pobuđivanje glavne i pomoćne pobudnice. Ovaj tip pobude je kompanija Rade Končar iz Zagreba ugradila na više naših elektrana (Bajina Bašta, Bistrica i druge – svi oni su uglavnom do danas zamenjeni savremenijim sistemima pobude).

II Naizmenični sistemi pobude (AC sistem)

Snaga pobude dobija se posredstvom pobudnog sinhronog generatora i nekontrolisanih (diode) ili kontrolisanih ispravljača (tiristori).

III Statički naizmenični sistemi samopobude (ST sistem)

Energija za pobuđivanje uzima se sa krajeva samog generatora (ili sa sabirnica sopstvene potrošnje elektrane).

Jednosmerni sistemi pobude (DC sistem)

Najjednostavniji model jednosmerne pobudnice je

gde su pojedine oznake:

• $V_E$ – napon na krajevima pobudnice u praznom hodu;
• $V_R$ – izlazni napon iz regulatora pobude;
• $k_e = \dfrac{1}{k_E(1 + s_E)}$;
• $T_e = \dfrac{T_E}{k_E(1 + s_E)}$;
• $k_E$, $s_E$ – pojačanje i zasićenje jednosmerne pobudnice,

dok $\Delta$ predstavlja mala odstupanja od stacionarnog radnog režima.

Ovako usvojeni $k_e$ i $T_e$ nisu konstantni, već zavise od radne tačke, odnosno faktora zasićenja $s_E$.

To znači da je pobudnica sa nezavisnom pobudom inercijalno-proporcionalni element sa kašnjenjem prvog reda. Parametar $s_E$ je konstruktivna karakteristika pobudnice.

Na donjoj slici $k_{FS}$ je faktor pojačanja između namotaja statora i pobudnog namotaja sinhronog generatora.

Naizmenični sistemi pobude (AC sistem)

Često se kao pobudnice koriste naizmenični generatori udruženi sa poluprovodničkim ispravljačima (diode ili tiristori). Pobudni generatori mogu biti gonjeni na istoj osovini sa generatorom, ili mogu imati poseban pogon. Ispravljači se koriste da bi stvorili jednosmerni izlaz.

Modelovanje naizmeničnih pobudnica je istog nivoa složenosti kao i modelovanje sinhronog generatora (dosta komplikovano). To u većini slučajeva nije neophodno, već se naizmenične pobudnice predstavljaju uprošćenim modelima. Osnovna uprošćenja su:

1. Struja u jednosmernom rotorskom pobudnom kolu sinhronog generatora menja se mnogo sporije nego naizmenična struja statora.
2. Zanemarenje zasićenja, pa se napon na krajevima glavnog sinhronog generatora menja proporcionalno sa pobudnom strujom.

Jednačina stanja i funkcija prenosa naizmenične pobudnice, uz navedene pretpostavke, analogna je jednosmernoj pobudnici:

gde su pojedine oznake:

• $k_g = \dfrac{1}{k_e(1 + s_e)}$;
• $T_g = \dfrac{T_e}{k_e(1 + s_e)}$;
• $T_e = T_d' \approx T_{d0}'$.

Ovo je do sada sve praktično analogno jednosmernim pobudnicama (uz formalnu promenu oznaka: $T_E \to T_e$, $s_E \to s_e$ i $k_E \to k_e$). Međutim, naizmenične obrtne pobudnice, kao i sve sinhrone mašine, imaju veliki uticaj reakcije indukta. Taj uticaj uzima se u obzir preko demagnetizacionog faktora $k_D$, čija je vrednost vezana za vrednosti sinhrone reaktanse naizmenične pobudnice.

Uticaj komutacionog pada napona prikazan je na primeru naizmeničnog obrtnog sistema pobude:

Statički naizmenični sistemi samopobude (ST sistem), ili transformatori naizmeničnih sistema samopobude

Napon na sekundaru (koji se vodi na ispravljač) proporcionalan je magnetopobudnoj sili i može se predstaviti kao:

gde su $k_V$ i $k_I$ udeli napona i struja, odnosno konstante koje zavise od broja navojaka naponskog i strujnog namotaja primara i broja zavojaka sekundarnog ispravljačkog transformatora. j u prethodnom izrazu je posledica da je $k_I$ približno (sinhrona) reaktansa.

U slučaju naizmeničnog sistema samopobude sa kompaundnim transformatorom i regulisanim ispravljačima (ST sistem pobude) šema je:

Regulator pobude

Drugi važan element sistema pobude je (automatski) regulator napona. To je standardni industrijski regulator sa mernim organom, detektorom greške, elementima pojačanja, izvršnim organom, elementima stabilizacije, pomoćnim ulazima i ograničavačima.

Automatski regulator napona je tipa jedan ulaz – jedan izlaz, mada može imati više ulaza i jedan izlaz (multivarijabilni regulator).

Regulator pobude je jednostepeni ili dvostepeni pojačavač sa funkcijama prenosa inercijalnog kola sa kašnjenjem prvog reda (kada nema mernog pretvarača, odnosno $\Delta V_m(s) = \Delta V_c(s)$):

Druga jednačina predstavlja kompenzator pada napona.

Kompenzator i merni pretvarač

Model kompenzatora i mernog pretvarača je:

Stabilizatori u povratnoj grani

Stabilizatori u povratnoj grani sistema za regulaciju pobude obično su diferencijalni elementi, čiji su modeli oblika:

Ovoj diferencijalnoj jednačini odgovara sledeća funkcija prenosa:

Statički VAR generatori

Statički VAR generatori su statički električni uređaji/sistemi koji su u stanju da kontrolišu kapacitivnu/induktivnu struju iz elektroenergetske mreže i da samim tim generišu ili absorbuju reaktivnu snagu. Stalno ili povremeno uključivani reaktori ili kondenzatorske baterije se često koriste u naizmeničnim sistemima kako bi se obezbedio adekvatan napon duž prenosnog voda, kao i u cilju minimizacije naponskih varijacija tokom promena dnevnog profila opterećenja potrošača.

Po definiciji, kondenzatori generišu, a reaktori apsorbuju reaktivnu snagu kada su priključeni na naizmeničnu mrežu. Kontinualno promenljiva reaktivna snaga dinamičkog sistema se postiže različitim vrstama poluprovodnika. Alternativa je korišćenje tiristorskog uključivanja kondenzatora i reaktora.

Takođe se mogu koristiti Gate Turn-Off (GTO) tiristori koji generišu reaktivnu snagu bez korišćenja kondenzatora i reaktora. GTO tehnologija pruža velike mogućnosti uključenja/isključenja velikih nivoa snage, što se odražava na bolji menadžment prenosne mreže i kontinualnu i fleksibilnu regulaciju reaktivnih i aktivnih snaga.

Velike frekvencije uključivanja Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) omogućavaju ekstremno brzu regulaciju, koja se može koristiti u područjima gde je potrebno izbegavanje flikera i drugih vrsta “prljanja električne energije”.

Može se zaključiti da VAR generatori imaju brz odziv, širok opseg regulacije reaktivne snage i dug životni vek.

Tiristorski kontrolisani reaktori (TCR - Thyristor Controlled Reactor)

Elementarni jednofazni thyristor-controlled reactor (TCR) je prikazan na donjoj slici. On se sastoji od fiksnog reaktora induktivnosti L i bidirekcionog tiristorskog mosta. On automatski blokira cirkulacionu struju neposredno posle prolaska struje kroz nulu.

Nesinusoidalni strujni talas reaktora može se regulisati od maksimuma (zatvoren tiristorski most) do nule (otvoren tiristorski most) pomoću kontrole ugla kašnjenja ($\alpha$). Magnituda struje reaktora se može menjati kontinualno od maksimuma do nule, povećavanjem ugla kašnjenja $\alpha$ od 0 do 90°.

Amplituda $I_L(\alpha)$ fundamentalne struje reaktora $i_L(\alpha)$ može se izraziti u funkciji ugla $\alpha$ kao

gde su:

• $V$ – amplituda naizmeničnog napona,
• $L$ – induktivnost tiristorski kontrolisanog reaktora,
• $\omega$ – kružna učestanost primenjenog napona

Tiristorski uključivani kondenzatori (TSC - Thyristor Switched Capacitors)

Jednofazni thyristor switched capacitor (TSC) se sastoji od kondenzatora, bidirekcionog tiristorskog mosta i relativno malog strujno limitiranog reaktora, kao što je prikazano na donjoj slici. Svrha primene reaktora je ograničenje prelaznih (tranzijentnih) pojava i izbegavanje rezonanse na određenim učestanostima. U stacionarnom stanju, kada je tiristorski most zatvoren i TSC grana je priključena na sinusoidni napon izvora $v = V\sin(\omega t)$, stacionarna struja u grani se može izraziti kao

Postoje i mnoga druga kontinualna sredstva:

• •Fixed Capacitor i Thyristor Controlled Reactor (FC-TCR)
• •Thyristor-Switched Capacitor, Thyristor-Controlled Reactor (TSC-TCR)
• •Static VAR Compensators (SVCs)
• •Static Compensators (STATCOMs)
• •Unified Power Flow Control (UPFC)

Diskretni naponsko-reaktivni resursi:

• •On-load Tap-changing Transformers
• •In-Phase Regulating Transformer (IPRT)
• •Phase-Shifting Transformers (PSTs)

Primarna regulacija napona

Zavisi od tipa regulacionog resursa. Obrađena napred za sinhrone generatore, dok se za druge regulacione resurse neće obrađivati.

Sekundarna regulacija napona

Hijerarhijski sistemi upravljanja se zasnivaju na podeli visokonaponske mreže na određene oblasti i na automatskoj koordinaciji reaktivnih resursa u svakoj oblasti. Prvo su istraživani u Evropi (uglavnom u Italiji i Francuskoj) posle 1980. godine. Ovi sistemi se obično nazivaju koordinirana naponska regulacija, ili u cilju naglašavanja hijerarhijske strukture sekundarna i tercijerna naponska regulacija. Posle Italije i Francuske i druge zemlje su uvele sličan koncept upravljanja (Belgija, Španija, USA, Brazil, Tajvan, Južna Koreja, Rumunija, Južna Afrika i druge).

Posle 1990. godine u nekim zemljama (prvenstveno Italija i Francuska) na osnovu eksperimentalnih primena uvedeni su globalni (wide-area) naponski regulacioni sistemi u njihovim prenosnim mrežama. Sa deregulacijom elektroenergetskog sektora hijerarhijska regulacija postaje sve značajnija. Jedan moderan koncept hijerarhijske koordinacije je prikazan na donjoj slici.

Osnovne karakteristike primenjenih koncepata sekundarne regulacije napona mogu se opisati sledećim karakteristikama:

1. Ideja automatske regulacije u realnom vremenu stotine čvorova u prenosnoj mreži je vrlo kompleksna, nepouzdana, nerealistična i neekonomična;
2. Glavni raspoloživi reaktivni regulacioni resurs su generatorske jedinice, čija proizvodnja reaktivne snage je jeftina, pri čemu je upravljanje naponskom podrškom prenosnoj mreži jednostavno;
3. Realističan i jednostavan koncept naponske regulacije se zasniva na regulaciji samo dominantnih čvorova (mali broj čvorova iz skupa dominantnih), što dovodi do suboptimalnih, ali fizički prihvatljivih i pouzdanih rešenja;
4. Ideja dominantnog, odnosno pilot čvora je prihvatljiva za bliske čvorove koji su jako električno povezani, odnosno naponi su vrlo slični u čitavoj regulacionoj oblasti;
5. Regulaciona struktura, zavisno od podele mreže na regulacione oblasti, omogućava nezavisnu regulaciju napona svakog pilot čvora;
6. Za regulacioni resurs se bira jedinica u oblasti koja ima najveću mogućnost generisanja reaktivne snage (regulaciona elektrana), koja dominantno utiče na napon lokalnog pilot čvora. Osnovni princip tercijerne regulacije napona polazi od potrebe za povećanjem nivoa operativne sigurnosti i efikasnosti, kroz centralizovanu koordinaciju decentralizovanih sekundarnih regulacija napona;
7. Referentna vrednost napona pilot čvora se mora adekvatno ažurirati i koordinirati u zavisnosti od dinamičkih pojava koje su sporije od tranzijenata sekundarne regulacije napona, kako bi se sprečili potencijalni konflikti u regulaciji između pojedinih oblasti;
8. Referentna vrednost napona pilot čvora se izračunava i ažurira u realnom vremenu, uvažavajući globalnu strukturu sistema regulacije i raspoloživa merenja u realnom vremenu;
9. Referentne vrednosti napona pilot čvorova se moraju optimizirati u realnom vremenu u cilju minimizacije sistemskih gubitaka i uvažavanja graničnih vrednosti upravljačkih promenljivih. To se postiže ažuriranjem prognoziranih veličina u skladu sa operativnim režimom mreže.

Specifični regionalni/centralni dispečerski regulator (koji se naziva sekundarni regulator napona, ili regionalni regulator napona) se zahteva za automatsko održavanje napona pilot čvora na zahtevanoj vrednosti. On se kontroliše brzim telekomunikacijama sa opremom u elektrani (označen na slikama sa SQR), tjuniranjem grupe reaktora i otočnih on/off kondenzatora, kao i referentnim vrednostima na regulacionim transformatorima i FACTS kontrolerima.

Konačno, za globalnu optimizaciju napona i reaktivnih snaga zahteva se tercijarni regulator napona (TRN), koji se locira na nacionalnom/globalnom nivou, a koristi se za koordinaciju i ažuriranje (on-line i u realnom vremenu) referentnih podešenja svih pilot čvorova (videti sliku dole).

Sekundarna regulacija napona kao prvi zadatak ima automatsku regulaciju napona u glavnim čvorovima prenosne mreže (najčešće potrošački čvorovi), a koja se sprovodi upravljanjem najvećim resursima reaktivne snage na datoj lokaciji. Primarna i sekundarna regulacija napona ponekad imaju različite (često i kontradiktorne) zahteve.

Sekundarna regulacija napona igra važnu ulogu u normalnom i poremećenim radnim režimima.

U normalnom radnom režimu sekundarna regulacija napona obezbeđuje sledeće ciljeve:

• •Održavanje napona u mreži na specifičnim vrednostima i redukcija njihovih varijacija.
• •Povećanje efikasnosti dispečerskog upravljanja.
• •Koordinacija resursa reaktivne snage u upravljanju u realnom vremenu.
• •Dinamičke performanse naponskih tranzijenata sa dominantnim vremenskim konstantama reda 50 s.

U poremećenim radnim režimima sekundarna regulacija napona obezbeđuje sledeće ciljeve:

• •Ostvaruje vremensku regulaciju generisanih/apsorbovanih reaktivnih snaga u perturbovanoj (poremećenoj) zoni.
• •Ubrzan oporavak naponskog nivoa u perturbovanoj (poremećenoj) zoni.
• •Nameće dinamički odziv prvog reda na naponske tranzijente u skladu sa PI upravljačkim zakonom, sa dominantnim vremenskim konstantama reda 50 s, kao i brzo smanjivanje većine vršnih varijacija (zbog velikih poremećaja) u toku prve sekunde najvećeg tranzijenta (na osnovu efekta upravljačkog zakona proporcionalnog regulatora).

Važan problem je izbor pilot čvora i regulacionih generatora, što je izvan nivoa ovog kursa.

Francuski sistem sekundarne regulacije napona reguliše naponski profil u svakoj zoni distribuiranjem reaktivne snage iz različitih reaktivnih regulacionih resursa u toj zoni. Regulacioni sistem se sastoji od dve regulacione petlje po regulacionim generatorima koje se superponiraju na primarnu regulaciju napona (sprovodi se pomoću automatskih regulatora napona), kako je to prikazano na prethodnoj slici.

Za sekundarnu regulaciju se koristi proporcionalno-integralni regulator, u cilju proračuna regulacionog signala $N$ (videti prethodnu sliku), koji se definiše kao nivo zone, odnosno kao razlika između zadate referentne vrednosti pilot čvora i izmerenog napona u tom čvoru u datom vremenskom trenutku. Ovaj nivo određuje zahteve te regulacione oblasti za reaktivnom snagom (za $i$-tu regulacionu oblast)

gde su $\alpha$ i $\beta$ podesive konstante integralnog i proporcionalnog dejstva, koje se biraju tako da se promena regulacionog signala nivoa $N$ podešava u opsegu $-1 \le N \le +1$ (granične vrednosti $N = \pm 1$ označavaju iscrpljivanje raspoloživog regulacionog opsega zone u smeru odavanja, odnosno apsorpcije reaktivnih snaga).

Tercijarna regulacija napona

Osnovna ideja tercijarne regulacije napona se izvodi iz zahteva sigurnosti i efikasnosti sistema, koji se mogu povećati kroz centralizovanu koordinaciju u realnom vremenu decentralizovanih struktura sekundarnih regulatora zona. Referentne vrednosti napona pilot čvorova moraju se adekvatno ažurirati i koordinirati on-line i u realnom vremenu, pri čemu je dinamika sporija od sekundarne regulacije napona (vremenska dekompozicija). To ažuriranje se sprovodi uvažavanjem realnog operativnog stanja čitave mreže i konfliktnih zahteva koji se mogu javiti u međuzonskoj koordinaciji sekundarnih regulatora napona. Ažuriranje referentnih vrednosti napona pilot čvorova se vrši u realnom vremenu jednostavno korišćenjem radnog stanja sistema sekundarne regulacije napona koje daje pouzdane, sintetičke i vremenske informacije u vezi čitavog sistema. Referentne vrednosti napona pilot čvorova se efikasno optimiziraju u realnom vremenu, tako da se efikasno minimiziraju i gubici u mreži.

Tercijarna regulacija napona ima za cilj globalnu (nacionalnu) optimizaciju napona preko suboptimalnog upravljanja u realnom vremenu. To uključuje određivanje trenutne vrednosti referentnog napona pilot čvora, kao i minimizaciju razlika merenih napona u pilot čvorovima u odnosu na istorijske reference dobijene na osnovu off-line prognoziranih vrednosti. Ako se zone sekundarne regulacije napona adekvatno izaberu, može se primeniti jednostavna optimizacija tercijarne regulacije napona koja se sprovodi u sistemu sa zatvorenom spregom, ali sa sporijom vremenskom dinamikom u odnosu na sekundarnu regulaciju napona.

Osnovni ciljevi tercijarne regulacije napona su:

• •Optimizacija tokova reaktivnih snaga između pojedinih zona, sa ciljem minimizacije gubitaka aktivne snage.
• •Povećanje stabilnosti i kontrolabilnosti sistema.

Tercijarna regulacija napona se do sada uglavnom sprovodila ručno od strane dispečera, sa relativno slabim rezultatima koji se tako mogu postići. Ako se ona automatizuje, ona se sprovodi on-line i u realnom vremenu, kao što se vidi na prethodnim slikama. To znači da se tercijarna regulacija napona sprovodi u spoljnoj povratnoj sprezi (u odnosu na primarnu regulaciju napona) sa dominantnim vremenskim konstantama reda 5-10 min, sa korakom uzimanja podataka ispod 1 s.

Referentne vrednosti napona pilot čvorova (vektor vrednosti $V_{Prefi}$) se automatski dobijaju kao izlazi tercijerne regulacije napona u realnom vremenu u sistemu sa zatvorenom povratnom spregom. Ako tercijarna regulacija napona nije aktivna, dnevni trendovi referentnih napona pilot čvorova se izračunavaju off-line primenom optimalnih tokova snaga.

• TRN – Tercijarna regulacija napona
• SRN – Sekundarna regulacija napona
• ARN – Automatski regulator napona
• SQR – Regulator reaktivne snage

Grupna regulacija pobude, napona i raspodele reaktivnih snaga u elektranama

Osnovni cilj grupne regulacije u elektranama sa više agregata je jedinstveno upravljanje naponsko-reaktivnim režimom elektrane. Tako se prevazilaze nedostaci koji se pojavljuju pri pojedinačnom upravljanju svakog agregata sa regulatorom proporcionalnog dejstva (jedan ulaz – jedan izlaz).

U suštini grupna regulacija predstavlja automatsku sekundarnu regulaciju, pomoću koje se pomeraju statičke karakteristike regulatora pobude sinhronog generatora paralelno samoj sebi.

Te korekcije mogu biti ručne ili automatske. U suštini obavljaju se promenom referentnih ulaza regulatora pobude.

Svaki grupni regulator sastoji se od regulatora režima i regulatora raspodele.

Regulator režima ima za zadatak da održava izabranu režimsku veličinu (napon na zajedničkim sabirnicama, zbirnu reaktivnu snagu elektrane ili njihovu kombinaciju).

Regulator raspodele održava željenu raspodelu od strane regulatora režima zadatog reaktivnog opterećenja elektrane, između generatora u pogonu.

Referentne promenljive regulatora režima određene su samo njegovom funkcijom.

Izbor referentne promenljive regulatora raspodele, koji reguliše raspodelu reaktivne snage između agregata, nije jednoznačan. Naime, kontrola raspodele reaktivnih snaga između agregata koji rade paralelno može se obavljati ne samo poređenjem njihovih ostvarenih i zadatih vrednosti, već korišćenjem i drugih promenljivih generatora.

To znači da se kao referentna promenljiva na regulatoru raspodele reaktivnih snaga može javiti za generator:

1. Reaktivna snaga generatora ($Q_g$)
2. Reaktivna komponenta struje generatora ($I_{gr}$)
3. Prividna snaga generatora ($S_g$)
4. Struja opterećenja generatora ($I_g$)
5. Pobudna struja generatora ($I_E$)
6. Pobudni napon generatora ($V_E$)

Pri ručnom upravljanju kontrola raspodele reaktivnih snaga se vrši poređenjem stvarne i zadate vrednosti referentne promenljive raspodele.

Pri automatskoj regulaciji razlika stvarne i zadate vrednosti uvodi se u sistem sa zatvorenom povratnom spregom (regulator raspodele), koji deluje u cilju anuliranja greške.

Na slici su prikazane statičke karakteristike $V = f(Q)$ za dva agregata sa različitim statizmima:

Neka su u početnom stanju za $v = v_n = 1$ r.j. generatori opterećeni sa $q_1 = 0$ i $q_2 > 0$. Pri promeni napona na zajedničkim sabirnicama za $\Delta v$ važi izraz:

Pod pretpostavkom da je $\Delta q_1 = 1$ r.j., onda je dozvoljeno odstupanje u podešavanju statizma (recipročna vrednost pojačanja regulatora pobude):

Na primer, za statizam $r_1 = 5$ % i dozvoljenu grešku u raspodeli odate reaktivne snage generatora od $\Delta q = \Delta q_1 - \Delta q_2 = 14{,}5$ %, odakle je $\Delta q_2 = \Delta q_1 - \Delta q = 85{,}5$ %, pa je greška raspodele reaktivne snage:

Znači, vrlo mala greška u određivanju raspodele reaktivnih snaga unosi veliku grešku u odatu snagu elektrane.

Regulacija režima rada elektrane može se obavljati u tri regulaciona moda:

1. Režim regulacije napona na zajedničkim sabirnicama elektrane.
2. Režim regulacije zadate reaktivne snage elektrane.
3. Režim kombinovane regulacije napona na sabirnicama i reaktivne snage prema V-Q statičkoj karakteristici elektrane.

Čitav sistem grupne regulacije napona i reaktivnih snaga sastoji se iz:

• •Centralnog regulatora režima rada elektrane, koji realizuje sva tri definisana moda regulacije.
• •Regulatora raspodele reaktivnog opterećenja između generatora elektrane.