Исследование и разработка методов выбора характеристик сверхпроводникового индуктивного накопителя в системе противоаварийного управления электроэнергетических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Масалев, Дмитрий Юрьевич

• Масалев, Дмитрий Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Масалев, Дмитрий Юрьевич

Введение.

1. Направления развития средств управления энергосистемой в нормальных и послеаварийных режимах.

1.1. Использование новых средств противоаварийного управления современными энергосистемами.

1.2. Анализ существующих решений в области проектирования и технической реализации систем сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии.

1.3. Основные этапы определения характеристик СПИН.

Выводы по главе 1.

2. Разработка методов оценки объема управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН для сохранения устойчивости электроэнергетической системы.

2.1. Оценка объема управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН для сохранения динамической устойчивости.

2.2. Выбор характеристик управления активной мощностью СПИН для демпфирования послеаварийных и нерегулярных колебаний мощности на линиях связи электроэнергетических систем.

Выводы по главе 2.

3 Направленное регулирование активной мощности индуктивного накопителя.

3.1. Модель ЭЭС с индуктивным накопителем.

3.2. Реализация направленного регулирования активной мощности сверхпроводникового индуктивного накопителя.

Выводы по главе 3.

4. Выбор параметров СПИН в зависимости от характера изменения активной мощности.

4.1. Алгоритм выбора энергетических характеристик СПИН при нелинейном графике изменения активной мощности.

4.2. Алгоритм выбора энергетических характеристик индуктивного накопителя при демпфировании колебаний мощности по электропередаче.

4.3. Алгоритмы выбора технических характеристик СПИН и оценки потерь энергии.

Выводы по главе 4.

5. Проведение вычислительного эксперимента по определению технических и энергетических характеристик СПИН.

5.1. Описание исходной модели.

5.2. Определение объема управляющих воздействий и требуемой энергоемкости СПИН.

5.3. Определение размеров обмотки и оценка потерь СПИН энергоемкостью 2,5-10 Дж.

5.4. Массогабаритные и стоимостные показатели СПИН энергоемкостью

2.5-10" Дж.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов выбора характеристик сверхпроводникового индуктивного накопителя в системе противоаварийного управления электроэнергетических систем»

Опыт формирования крупных энергообъединений показывает, что по мере развития и усложнения электроэнергетических систем ухудшаются их динамические свойства, усложняется управление, повышается опасность каскадного развития аварий. Это в свою очередь обостряет проблемы обеспечения устойчивости систем. Однако чрезмерное усложнение систем управления электроэнергетическими системами может существенно затруднить их реализацию и эффективное функционирование, особенно в аварийных ситуациях. Это заставляет искать новые принципы и средства управления крупными энергосистемами.

Одним из средств решения данных проблем является использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН). Проведенный обзор проектируемых и реализованных систем СПИН показал, что уже в настоящее время существует возможность технической реализации накопителей энергоемкостью порядка 109 Дж при относительно небольших капитальных затратах. В качестве конкретных сфер применения таких СПИН рассматриваются регулирование перетоков по связям переменного тока, поддержание уровня напряжений, демпфирование электромеханических колебаний (особенно низкочастотных), компенсация внезапных небалансов активной мощности и ряд других.

Вместе с тем существуют ограничения на использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей в электроэнергетических системах с точки зрения как экономической целесообразности их применения, так и технической реализации. Поэтому необходимо иметь возможность оценить эффективность использования СПИН при решении поставленных задач управления энергосистемами.

Целью диссертационной работы является разработка методов определения энергетических и технических характеристик сверхпроводниковых индуктивных накопителей при проектировании систем противоаварийного управления электроэнергетических систем. 5

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем.

1. Разработаны новые методы определения энергетических и технических характеристик СПИН, обеспечивающих выполнение требуемых задач управления с учетом возможности направленного регулирования активной мощности накопителя.

2. Разработаны новые методы определения требуемых объемов управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН, обеспечивающих сохранение устойчивости ЭЭС в динамических режимах.

3. Разработаны новые алгоритмы расчета энергоемкости СПИН.

4. Разработаны новые алгоритмы расчета технических характеристик СПИН, базирующиеся на представлении его магнитной системы в виде соленоидальной конструкции.

Практическая значимость работы. Разработаны алгоритмические и программные средства для определения технических параметров СПИН. Это позволяет оценить на этапе проектирования эффективность применения сверхпроводниковых накопителей для задач противоаварийного управления на основе анализа их требуемых технических характеристик.

Использование результатов работы. Разработанные методы и программы использовались при проектировании систем противоаварийного управления в работах института "Энергосетьпроект" ("Электропередача 1150 кВ "Сибирь - Урал". ТЭО", "Комплексная система технологического управления ЕЭС России, основанная на использовании спутниковых каналов связи и сети волоконно-оптических линий связи, обеспечивающая живучесть ЕЭС России и функционирование ФОРЭМ").

Апробация результатов работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Открытой научно-практической конференции "Оценка технического состояния электрооборудования энергосистем и определение перспектив надежной 6 работы ЕЭС России" (Москва, 1999 г.), Всемирном электротехническом конгрессе "ВЭЛК - 99" (Москва, 1999 г.), Конференции молодых специалистов электроэнергетики - 2000 (Москва, 2000 г.). Разработанные программные средства (программно-вычислительный комплекс "СПИН") зарегистрированы в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (регистрационный номер № 990813). По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Научным консультантом по данной работе являлся на протяжении всех этапов ее выполнения доктор технических наук, с.н.с. И.В. Якимец.

Краткое содержание работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Масалев, Дмитрий Юрьевич

Выводы по главе 5

1. Доказана достоверность использования метода выбора управляющих воздействий СПИН, основанного на втором методе Ляпунова, численным интегрированием уравнений движения энергосистемы.

2. Рассмотрен пример определения технических характеристик СПИН и оценки его стоимости.

91

Заключение

Сформулированы основные положения оценки технической эффективности использования СПИН в качестве силового элемента системы противоаварийного управления ЭЭС на этапе ее проектирования.

Разработаны новые методы оценки величины и характера управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН, обеспечивающих сохранение устойчивости ЭЭС в динамических режимах.

Определен вид уравнений для оценки амплитуд и характера изменения активной мощности СПИН в режимах послеаварийных и нерегулярных колебаний.

Определены зависимости, позволяющие реализовать направленное регулирование активной мощности СПИН на основе двухпараметрического управления активной и реактивной мощностью путем раздельного управления амплитудой и фазой тока СПИН .

Разработаны алгоритмы расчета энергетических параметров накопителя, обеспечивающих реализацию требуемых управляющих воздействий.

Разработаны алгоритмы определения технических характеристик СПИН базирующиеся на представлении магнитной системы индуктивного накопителя в виде соленоидальной конструкции. Разработанные алгоритмы расчета энергии и технических характеристик СПИН реализованы в виде программ для персональных ЭВМ, работающих под управлением операционной системы Windows 9х с возможностью их использования на этапе проектирования систем противоаварийного управления ЭЭС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Масалев, Дмитрий Юрьевич, 2000 год

1. Управление мощными энергообъединениями / Воропай НИ., Ершевич В.В., Лугинский Я.Н. и др.; Под ред. Совалова С.А. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

2. Бушуев В.В., Лизалек Н.Н., Новиков Н.Л. Динамические свойства энергообъединений. -М.: Энергоатомиздат, 1995.

3. Масленников В. А. Управление собственными динамическими свойствами крупных энергообъединений и дальних электропередач. Дис. докт. техн. наук. С.-П., 1998.

4. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Тер-Газарян А.Г. Накопители энергии в электрических системах: Учеб. пособие для электроэнергетических специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1989.

5. Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов./ Д.А. Бут, Б.Л. Апиевский, С.Р. Мизюрин, П.В. Васюкевич; Под ред. ДА. Бута. М.: Энергоатомиздат, 1991.

6. S.F.Krai, X.Huang, M.Xu. Utility applications of a superconducting magnetic energy storage system // Presented at the 1994 American Power Conference, Chicago, IL, April, 1994.

7. X.Huang. New conductor designs for superconductive magnetic energy storage systems applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.242-245.

8. Rogers J.D. at all. 30-MJ SMES for Utility Transmission Stabilization // Proceedings of the IEEE. 1983. - Vol H. - №9. - P. 1099-1107.94

9. W.E.Buckles, M.A.Daugherty, B.R.Weber, E.L.Kostecki. The SSD: a commercial application of magnetic energy storage // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.328-331.

10. M.Parizn, A.K.Kalafala, R.Wilcox. Superconducting magnetic energy storage for substation applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.849-852.

11. L.Borgard. Grid voltagè support. Transmission & Distribution world. -1999. -№ 11. -P.16-19.

12. P.J.Birkner, U.Brammer, H.W.Lorenzen, J.F.Karner. Testing plant with a small fast superconducting energy storage at TU Munchen // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.207-210.

13. J.F.Karner, H.W.Lorenzen, F.Rosenbauer, J.Schaller. A protection system for small high power SMES with power semiconductors working at cryogenic temperature // IEEE transactions on applied superconductivity. -1995. Vol. 5, №2. - P.266-269.

14. I.J.Iglesias, A.Bautista, M.Visiers. Experimental and simulated results of a SMES fed by a current source inverter // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.861-864.

15. I.J.Iglesias, J.Acero, A.Bautista. Comparative study and simulation of optimal converter topologies for SMES systems // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №21. - P.254-257.

16. A.Bautista, P.Esteban, L.Garcia-Tabares, R.Iturbe. Design manufacturing and cold test a superconducting coil and its cryostat for SMES applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. -P.853-856.

17. K.Ueda, T.Ageta, S.Nakayama. Super-GM and other superconductivity projects in Japanese electric power sector. // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.245-249.

18. Y.Mitani, K.Tsuji. Power system stabilization by superconducting magnetic energy storage connected to rotating exciter. // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.219-222.

19. N.Kimura, T.Funaki, K.Matsu-ura. Damping of current oscillation in superconductive line applied for high voltage direct current transmission system // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.223-225.

20. M.Shimada, M.Ono, Y.Hamajima, M.Yamaguchi. Disturbance energy of a forced flow cooled superconducting coil // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.226-229.

21. K.Hayakawa, T.Nakano, M.Minami, M.Fujjwara, T.Kanzawa. Development of superconducting magnet with low electric power loss for SMES // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.211-214.

22. X.Huang, S.F.Krai, G.A.Lenmann, Y.M.Lvovsky. 30 MW Babcock and Wilcox program for utility applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. - P.428-432.

23. W.Tong. Welded splice design m a mid-size superconducting magnetic energy storage system applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.977-982.

24. M.T.Aslam, M.Xu, S.F.Krai, H.G.Campbell. Modeling of system operation using a 30 MW superconducting magnetic energy storage system // Presented at the Power-Gen '94 Asia Conference, Hong Kong, August, 1994.

25. Кузнецов О.Н. Исследование динамической устойчивости электроэнергетической системы при использованиисверхпроводникового индукционного накопителя энергии совместно с компенсаторами реактивной мощности // Вестник МЭИ. 2000. - №2. -С. 35 -40.

26. Ковалев Г.Ф. Методика оценки системной эффективности накопителей энергии с учетом фактора надежности // Системные оценки эффективности и выбор направлений технического прогресса в энергетике. Иркутск: СЭИ - 1990. - С. 122 - 132.97

27. T.L.Mann, J.C.Zeigler. Opportunities for superconductivity in the electric power industry applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.239-244.

28. P.G.Therond, I.Joly, M.Volker. Superconducting magnetic energy storage (SMES) for industrial applications-comparison with battery systems applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. -Vol. 3, №1. - P.250-253.

29. M.S.Lubell, J.W.Lue. Structure and cost scaling for intermediate size superconducting magnetic energy storage (SMES) systems applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. -P.345-349.

30. D.Lieurance, F.Kimball, C.Rix, C.Luongo. Design and cost studies for small superconducting magnetic energy storage (SMES) systems applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. -P.350-353.

31. R.W.Boom. The UW-SMES design applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.320-327.

32. M.S.Lubell, J.W.Lue, B.Palaszewski. Large-bore, superconducting magnets for high-energy density propellant storage applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.412-418.

33. S.I.Kopylov. The comparison of single- and multi- solenoidal windings for superconducting storage device performance applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.215-218.

34. M.K.Abdelsalam. Micro SMES magnet configurations for reduced stray field applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. - P.333-336.

35. J.M.Pfotenhauer, M.K.Abdelsalam, O.D.Lokken, Z.Jiang. Performance characteristics of the 60 kA SMES conductor applications // IEEE98transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. - P.286-289.

36. P.Saan, R.Mikkonen. Comparison of availability 4.2 К and 77 К SMES concepts // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.869-872.

37. S.S.Kalsi, D.Aized, B.Connor, G.Smtchler. HTS SMES magnet design and test results // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.971-976.

38. S.M.Schoenung, R.L.Bien, T.C.Bickel. The advantages of using high-temperature superconductors in high-duty-cycle applications of SMES // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. -P.341-344.

39. S.M.Schoenung, R.L.Bieri, J.R.Hull, R.L.Fagaly. Design aspects of mid-size SMES using high temperature superconductors // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.234-237.

40. Соколов Н.И. Влияние статических источников реактивной мощности и сверхпроводящих индуктивных накопителей на устойчивость параллельной работы генераторов в простой системе // Электричество,- 1990. №10. - С. 1 - 9.

41. Якимец И.В., Наровлянский В.Г., Матвейкин В.М. Выбор параметров индуктивного накопителя для энергетической системы. // Электричество 1992. -№6. - С. 11 - 17.

42. А.с. 1778756 (СССР). Устройство для регулирования активно-реактивной мощности в энергосистеме / Н.С.Лазарев, А.В.Стукачев, И.В.Якимец. Опубл. в БИ, 1992. - №44.

43. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа, 1978. Иофьев Б.И. Автоматическое аварийное управление мощностью энергосистем. - М.: Энергия, 1974.

44. Барбашин Е.А. Введение в теорию устойчивости. М.: Гл.ред. физ.мат.лит., 1967.

45. Морошкин Ю.В. Оценка областей синхронной динамической устойчивости сложных электрических систем в консервативной идеализации // Известия Академии наук. Энергетика. 1999. - №6. -С. 80 -82.

46. Якимец И.В., Астахов Ю.Н., Лабунцов В.А., Глускин ИЗ., Мохов В.Б. "Сверхпроводниковые накопители для электроэнергетических систем" // Электричество1995. №9. - С. 7 - 12.

47. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 990813 «Программно-вычислительный комплекс «СПИН» / Якимец И.В., Наровлянский В.Г., Масалев Д.Ю. Реестр программ для ЭВМ, 1999.

48. Якимец И.В., Наровлянский В.Г., Масалев Д.Ю. Оценка технических характеристик сверхпроводникового индуктивного накопителя при проектировании противоаварийного управления энергосистемой // Электротехника, 2000. №6. -С.6-13.101

49. П.Л. Цейтлин, Л.А. Калантаров Расчет индуктивностей / Справочная книга. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

50. Г. Брехна Сверхпроводящие магнитные системы. М.: Мир, 1976.

51. Малогабаритная радиоаппаратура / справочник. Киев: «Наукова думка», 1972.

52. М. Уилсон Сверхпроводящие магниты. М.: Мир, 1985.

53. Магнитная система РУ СПИН / Отчет по НИР. ЭНИН им. Г.М. Кржижановского, Москва, 1988 г. Гос.регистр. №01670096941.

54. Я. Туровский. Техническая электродинамика. М.: Энергия, 1974.

55. Ш.И. Лутидзе, В.Г. Наровлянский, И.В. Якимец Распределение тока в осесимметричном сверхпроводящем экране. // Электричество 1978. -№8. - С. 63 - 66.

56. Г. Дёч. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и 2-преобразования. М.: Наука, 1971.102