Анализ свойств гибкой межсистемной связи в стационарных режимах передачи электроэнергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Аристов, Иван Сергеевич

• Аристов, Иван Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аристов, Иван Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

1. ПРОБЛЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕТОКАМИ МОЩНОСТИ ПО МЕЖСИСТЕМНЫМ СВЯЗЯМ В ЕЭС РОССИИ И ПУТИ ЕЁ РЕШЕНИЯ.

1.1. Анализ современного состояния, актуальность проблемы управления перетоками мощности по межсистемным связям ЕЭС России.

1.2. Общая характеристика устройств управления перетоками мощности по межсистемным связям.

1.2.1.Устройства управления однофункциональной направленности для гибких межсистемных связей.

1.2.2.Устройства управления многофункциональной направленности для гибких межсистемных связей.

1.3. Применение гибких систем электропередачи в мировой практике

1.4. Выводы по главе.

2. ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ НЕОДНОРОДНОЙ МЕЖСИСТЕМНОЙ СВЯЗИ С УСТРОЙСТВОМ УПРАВЛЕНИЯ ЮТСК.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Описание устройства управления на базе вставки постоянного или переменного тока и реактора.

2.3. Анализ режимных свойств иРРСЯ.

2.4. Исследование эффективности управления перетоком мощности по межсистемной связи с целью повышения её пропускной способности.

2.5. Исследование эффективности управления перетоком мощности по межсистемной связи с целью снижения потерь активной мощности.

2.6. Выводы по главе.

3. АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГИБКОЙ МЕЖСИСТЕМНОЙ СВЯЗИ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ В ОСОБЫХ РЕЖИМАХ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Принцип действия АС ЭМПЧ.■.

3.3. Расчетная схема.

3.4. Исходные положения и принимаемые допущения. Математическое описание элементов модели.

3.5. Анализ статической устойчивости гибкой связи при работе АС ЭМПЧ в режиме АСК при выводе одной из его машин в ремонт.

3.6. Анализ статической устойчивости гибкой связи при работе АС ЭМПЧ в режиме АСК.

3.7. Выводы по главе.

4. АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГИБКОЙ СВЯЗИ С УСТРОЙСТВОМ УПРАВЛЕНИЯ ТИПА ЮТСИ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Математическая модель рассматриваемой электроэнергетической системы.

4.3. Составление модели в малых отклонениях.

4.4. Анализ результатов исследования статической устойчивости.

4.5. Анализ результатов исследования статической устойчивости на конкретном примере.

4.6. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ свойств гибкой межсистемной связи в стационарных режимах передачи электроэнергии»

Актуальность темы. В связи с развитием в рамках Единой электроэнергетической системы (ЕЭС) России Единой национальной электрической сети (ЕНЭС), принадлежащей Федеральной сетевой компании ОАО «ФСК ЕЭС», стала особо актуальной проблема управления перетоками мощности по межсистемным и системообразующим связям в виде линий электропередачи переменного тока разных классов напряжения с разной пропускной способностью [1+11]. Если сделать перетоки мощности по связям управляемыми, то становится возможным увеличить пропускную способность межсистемных связей и снизить потери мощности и электроэнергии в электрических сетях за счет перераспределения перетоков мощности по их линиям электропередачи.

С переходом на рыночные отношения в электроэнергетике России, как и в других странах, рост электропотребления стал опережать ввод новых генерирующих мощностей и развитие электрических сетей. Возросли перетоки мощности по межсистемным связям, снизились показатели надежности работы ЕНЭС и ЕЭС в целом [12].

Применением новых технологий в виде устройств FACTS (Flexible AC Transmission System) [4, 13-K20] и подобных им электромеханических устройств, способных в желаемом направлении изменять характеристики линий электропередачи и улучшать управляемость электрических сетей, становится возможным придать ЕНЭС новые свойства, характерные для активно-адаптивной электрической сети. Такая ЕНЭС смогла бы даже независимо от режима работы электростанций и потребителей электроэнергии самостоятельно в автоматическом режиме решать проблемы по улучшению экономических показателей, технологических и режимных характеристик [11].

В связи с этим ОАО «ФСК ЕЭС» ведется работа по инновационному развитию и модернизации ЕНЭС России в направлении преобразования ее в активно-адаптивную сеть, а в дальнейшем, возможно, и в «интеллектуальную» электрическую сеть [1, 11]. По такому пути идут США, КНР, Евросоюз, Индия, Япония.

Однако режимные возможности простых устройств FACTS крайне ограничены, а у сложных универсальных слишком высокие стоимостные показатели. Поэтому гибкие межсистемные связи пока ещё не находят широкого применения в электрических сетях. Становится необходимым поиск новых перспективных решений как в направлении самих устройств управления на основе силовой электроники (статических FACTS) и вращающихся электромеханических силовых устройств, так и повышения эффективности их применения в составе гибких межсистемных связей и в сложнозамкнутых электрических сетях. Возникает необходимость в проведении научных исследований по созданию гибких межсистемных связей.

В связи с этим в данной диссертационной работе предлагается новый подход к решению задачи управления» перетоком активной мощности по межсистемной связи, содержащей линии электропередачи разного класса напряжения и исследуются свойства такой связи в нормальных и особых стационарных режимах.

Целью работы является решение комплекса задач, связанных с поиском и обоснованием целесообразности применения комбинированного устройства нового типа для управления перетоком мощности по связи и анализом свойств гибкой связи с таким устройством в стационарных режимах.

Для достижения поставленной цели определены следующие основные задачи:

- проведение теоретических исследований в направлении поиска нового подхода к обоснованию нового типа устройства управления перетоком мощности по межсистемной связи;

- разработка математической модели энергосистемы с межсистемной связью, позволяющей проводить исследования работы гибкой связи с устройством управления нового типа;

- определение режимных требований к параметрам комбинированного устройства управления нового типа;

- анализ работоспособности комбинированного устройства нового типа в стационарных режимах;

- определение требований к выбору настроечных параметров системы управления комбинированного устройства нового типа по условию сохранения статической устойчивости гибкой межсистемной связи.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан новый подход к функциональному конструированию силового устройства управления перетоком активной мощности по межсистемной связи.

2. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение' для' моделирования гибкой межсистемной связи с комбинированным устройством управления нового типа и проведения исследования свойств такой связи в стационарных режимах.

3. Составлена математическая модель управляемой гибкой связи в малых отклонениях и исследовано влияние настроечных параметров комбинированного устройства управления нового типа на статическую устойчивость гибкой связи в стационарных режимах.

4. Разработана математическая модель и определены условия сохранения статической устойчивости гибкой связи в особых условиях её работы с комбинированным устройством управления.

Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использовались основные положения теории электрических систем и переходных электромеханических процессов, аналитические методы анализа переходных процессов, методы численного анализа установившихся режимов электрических сетей и поиска оптимальных решений, методы математического моделирования асинхронизированных машин.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием при исследованиях основных положений теории гибких связей, содержащих электромеханические вставки, а также использованием при расчётах известных математических моделей силовых элементов электрической сети и асинхронизированных машин, которые находят применение при расчётах и их изготовлении для- применения в энергосистемах,, а также сопоставлением результатов, полученных без*учета и с учетом определенных расчетом настроечных параметров устройств у прав ле ния; пер ето ко м мо щно ст и по межсистемной связи.

Выполненными расчётами подтверждается, что применение комбинированного устройства управления перетоком мощности в неоднородной межсистемной связи позволяет уменьшить установленную мощность вставки и тем самым снизить затраты по устройству управления и всей гибкой связи в целом.

Практическая ценность работы. Разработанная функциональная конструкция силового устройства управления перетоком мощности по межсистемной связи может быть реализована ОАО «ФСК ЕЭС» с использованием компонентов в виде неуправляемого статического устройства (реактора) и вставки переменного или постоянного тока, на линиях электропередачи межсистемных связей в ЕЭС России. Разработанный подход к созданию- устройства управления и результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы научно-исследовательскими и производственными организациями, занимающимися решением задач управления перетоками мощности по межсистемным связям в ЕЭС России и повышением эффективности управления стационарными режимами электрических сетей с применением высокоэффективных технологий.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в области электроэнергетики в 2008 г. (г. Москва, ОАО «НТЦ электроэнергетики»), международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика» в 2011 г. (г. Москва, МЭИ), а также на заседании кафедры «Электроэнергетические системы» Московского энергетического института (Технического университета).

По теме диссертации опубликованы печатные работы в виде статей и тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 70 наименований. Основной текст содержит 124 страницы, включая 41 рисунок и 8 таблиц. Общий объем диссертации составляет 138 листов.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Аристов, Иван Сергеевич

4.6. Выводы по главе

1. Разработано математическое описание гибкой межсистемной связи с комбинированным устройством управления перетоком мощности по связи с учетом алгоритма управления, обеспечивающего ; регулирование заданного перетока активной мощности по связи в стационарных режимах, на основе этого описания разработана математическая модель в малых отклонениях и определены критерии статической устойчивости связи.

2. На основе проведенных исследований статической устойчивости гибкой межсистемной связи с комбинированным устройством управления сделаны рекомендации по выбору настроечных параметров регулятора устройства управления этой связи.

3. Численными расчетами статической устойчивости подтверждено, что определяемые по разработанной методике настроечные параметры регулятора комбинированного устройства управления гибкой связи обеспечивают устойчивую работу связи в стационарных режимах, тем самым определены условия, при которых обеспечивается работоспособность комбинированного устройства управления перетоком мощности по гибкой межсистемной связи в стационарных режимах.

-о

ВЛЗ 500 кВ И г^Эп

СЖ>

ВЛ1 220 кВ

АТ1

ВЛ2 220 кВ а) В

-О оЮ

АТ2 9

У*лЗ б)

Рис.4.1. Принципиальная схема (а) и схема замещения (б) гибкой связи с устройством иРБСЯ ч ив М и,

Рис.4.2. Расположение векторов переменных в системе координат (с11

Рис.4.3. Область статической устойчивости ы ы

Рис.4.4. Области статической устойчивости при изменении хр кр, о.е.

- 30 • V ж УЧУ V да

---- 0 . V: V \ \ ч і\ \Л

-40 •« режим 8

Рис.4.7. Области статической устойчивости при изменении мощности нагрузки на ПС 220 кВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе проведенного исследования современного состояния и перспектив развития Единой национальной электрической сети (ЕНЭС) выявлено, что в связи с ростом нагрузки и отставанием ввода новых генерирующих мощностей возрастают перетоки мощности по линиям электропередачи, становится все более актуальной проблема управления перетоками активной мощности по системообразующим и межсистемным связям, требующая для своего решения проведения комплексных исследований по увеличению пропускной способности межсистемных связей.

2. В России и за рубежом ведутся работы по созданию устройств управления перетоками мощности по линиям* электропередачи с использованием- новых технологий, однако их высокие стоимостные показатели являются сдерживающим фактором на пути их широкого применения в электрических сетях, в связи с чем становится актуальной задача поиска рациональных решений, удешевляющих стоимость устройств управления, при сохранении ими своих основных функциональных свойств.

3. Предлагается для управления перетоком мощности по линиям электропередачи низшего класса напряжения в составе межсистемной связи устанавливать комбинированные устройства управления:, компонентами которого являются неуправляемый реактор и управляемая вставка, в частности переменного тока (ЭВПТ), содержащая асинхронизированный синхронный электромеханический преобразователь частоты (АС ЭМПЧ), выполняемый на базе двух асинхронизированных синхронных машин.

4. Подтверждена эффективность применения комбинированного устройства управления для повышения пропускной способности межсистемной связи, а в тех режимах, когда этого не требуется, путем управления перетоком мощности осуществлять экономически наивыгоднейшее перераспределение мощности по-линиям электропередачи связи.

5. Сделаны рекомендации по выбору параметров силовых неуправляемого (реактор) и управляемого (вставка) компонентов комбинированного устройства управления перетоком мощности.

6. Разработана математическая- модель- гибкой межсистемной связи с электромеханической вставкой переменного тока (ЭВПТ), используемой в качестве устройства управления перетоком мощности по связи, и на её основе дано математическое описание работы вставки в особом режиме, когда' одна из асинхронизированных машин выведена в ремонт, а оставшаяся в работе машина переведена в режим асинхронизированного синхронного компенсатора (АСК). Дано математическое описание работы вставки и в режиме, когда обе машины ЭВПТ переведены в режим АСК. Проведен анализ статической устойчивости, осуществлен выбор настроечных параметров системы управления возбуждением асинхронизированных машин-ЭВПТ.

7. Проведенными, исследованиями статической устойчивости доказано, что даже после вывода в ремонт одной- из> асинхронизированных машина АС ЭМПЧ, вторая может оставаться в работе в.режиме АСК.

8. Разработано математическое описание гибкой межсистемной связи с комбинированным устройством.управления перетоком мощности по-связи с учетом алгоритма управления, обеспечивающего регулирование заданного перетока активной мощности по связи в стационарных режимах, на основе этого описания^ разработана математическая модель в малых отклонениях и определены,критерии статической устойчивости связи.

9. На основе проведенных исследований статической устойчивости гибкой межсистемной связи с комбинированным устройством управления сделаны рекомендации по выбору настроечных параметров регулятора1 устройства управления этой связи.

10. Численными расчетами статической устойчивости подтверждено, что определяемые по разработанной методике настроечные параметры регулятора комбинированного устройства управления гибкой связи обеспечивают устойчивую работу связи в стационарных режимах. При отсутствии такой настройки происходит нарушение устойчивости. Тем самым доказана работоспособность комбинированного устройства управления перетоком мощности по гибкой межсистемной связи в стационарных режимах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аристов, Иван Сергеевич, 2011 год

1. Дорофеев В.В., Макаров A.A. Активно-адаптивная сеть — новое качество ЕЭС России // Энергоэксперт. 2009. № 4.

2. Зеленохат Н.И. Проблема создания управляемых межсистемных связей с АС ЭМПЧ // Вестник МЭИ. 1995. №3.

3. Шакарян Ю.Г., Новиков Н.Л. Технологическая платформа SMART GRID (основные средства) // Энергоэксперт. 2010. № 4.

4. Алексеев Б.А. Электрические сети противостоят авариям // Энергоэксперт. 2010. № 5.

5. О создании электрической связи 220 кВ между ОЭС Сибири и ОЭС Востока // Энергетик. 2008. №5.

6. Зеленохат Н.И. Проблема обмена электроэнергией между энергообъединениями Востока и Запада и принцип комбинированного подхода к её решению // Электро. 2004. №2.

7. Зеленохат Н.И., Шаров Ю.В. Новые технологические решения проблемы осуществления совместной работы энергообъединений Востока и Запада // Электричество. 2007. №9.

8. Зеленохат Н.И., Шаров Ю.В. Комбинированное объединение больших энегросистем // Электричество. 2006. №5.

9. Зеленохат Н.И., Шаров Ю.В., Денисов Д.И. Квазиуправляемые межгосударственные электрические связи и их режимные свойства // Новое в Российской электроэнергетике. 2005. №10.

10. В.И. Кочкин, М.В. Пешков, Д.В. Романенко, А.П. Щербаков. Линии электропередачи с параллельной и последовательной компенсацией реактивной мощности. // Вестник ВНИИЭ. 2004.

11. Чистяков В.Н. Интеллектуальная энергосистема // Бизнес навигатор. Приложение к общероссийской газете «Энергетика». 2010, июнь.

12. Кочкин В.И., Шакарян Ю.Г. Режим работы управляемых линий электропередачи // Электричество. 1997. №9.

13. VFT Modeling For Planning Studies. Revision 2.2. General Electric Company. USA. 2005.

14. Управляемые'подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей. 2-е дополненное издание. Под ред. Доктора техн. Наук проф. A.M. Брянцева*. Ml: «Знак». 2010.

15. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д., Худяков В.В. Гибкие электропередачи переменного тока // Электромеханика. 1996. № 8.

16. М.А. Biki, E.N. Brodovoi, A.M. Bryantsev et al. Electromagnetic Process in Highpower Controlled Reactors // International' Symposium on Electromagnetic Field in Electrical Engineering, ISEF-91, England.

17. N.I. Zelenokhat et al. Gestiondes Sransits de la Puissance Activ Dans un Re- seau Electique // CIGRE, Symposium Tours, France, № 230-01, Juin 1997.

18. L.A. Gyugyi. A Unified Power-Flow Control Concept for Flexible AC Transmission Systems // IEE Proceedings, 1992.

19. D. Won, I'. Chung, S. Moon. Determination of Equivalent Impedances of UPFC Voltage-Source Model from The Dynamic Responses of UPFC Switching-Level Model // Electrical Power and Energy Systems. 25. 2003.

20. Воропай Н.И. Задачи повышения эффективности оперативного и противоаварийного управления электроэнергетическими системами // Энергоэксперт. 2009. № 4'.

21. Развитие кибернетики электрических систем Веников В.А., Горский Ю.И., Маркович И.М. и др. Сб. трудов «Кибернетику на службу коммунизму». Т. 5. М.: Энергия, 1967.

22. Об управлении ЕЭС России Астахов Ю.Н., Веников В.А. , Руденко Ю.Н. и- др. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1969. № 5.

23. Кибернетически управляемые электропередачи и пути их создания Астахов Ю.Н., Веников В.А., Зеленохат Н.И. и др. Сб. трудов «Кибернетику на службу коммунизму». Т. 7. М.: Энергия, 1973:

24. Веников В.А., Зеленохат Н.И. Возможные пути исследований при-создании АСУ электрических систем г Сб. трудов «Кибернетику на службу коммунизму». Т. 7. М.: Энергия, 1973.

25. Зеленохат Н.И. Об эргатическом, у правлении переходными процессами в электроэнергетических системах. Сб. трудов «Кибернетику — на службу коммунизму». Т. 8. М.: Энергия, 1977.

26. Зеленохат Н.И. Анализ режимных характеристик межсистемной связи со статическими компенсаторами// Электричество. 1997. № 3.

27. Кочкин В.И., Нечаев О.П. Применение статических компенсаторов реактивной1 мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. Москва, 2000 г.

28. Брянцев A.M., Долгополов А.Г., Евдокунин Г.А., Липатов Ю.А., Лурье А.И., Макленцова Е.Е. // Управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы для сетей 35 500 кВ. Электротехника. 2003. №1.

29. Быстродействующий управляемый реактор трансформаторного типа 420 кВ, 50 МВАр пущен в эксплуатацию. Хроника // Электричество 2002, №3.

30. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д. Перспективы применения силовой преобразовательной техники в электроэнергетике // Электричество. 2001. №9.

31. Зеленохат Н.И., Аристов И.С. Анализ статической устойчивости энергосистем при наличии гибких связей с преобразователями частоты // Энергетик. 2011 .№4.

32. Зеленохат Н.И., Нгуен X., Аристов И.С. Анализ дискретного управления асинхронным ходом в двухподсистемной электроэнергетической системе // Вестник МЭИ. 2011. №1.

33. Примем за базисные величины

34. S6= —= -^ = П1,1 МВ-А; cos (р 0,91. U6 =500 кВ;314 j/;1. Тогда для АС ЭМПЧ:х{ = х2 = хтр + хм = 2,65 o.e. * * * *

35. Tj =Tj-314 = 2826 рад. Для линий JI1 и JI2:l=*AT, + *;i3nl=0>101o-e-; *л2=Л:АТ2 + *лэп2=0Л45 O.e. * ^ *1. Для реактора:хр =0,107 o.e.1. Для нагрузки:4=gm- JKx=°-984 /°-393 ое