Исследование возможности и разработка способов применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Ефремов Дмитрий Геннадьевич

• Ефремов Дмитрий Геннадьевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Ефремов Дмитрий Геннадьевич

Введение

1. Анализ состояния вопроса применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления. Обоснование и формулирование цели и задач исследования

1.1. Некоторые положения об обеспечении динамической устойчивости в конкретных условиях

1.2. Существующие методы и средства обеспечения устойчивости

1.3. Применение накопителей энергии для цели обеспечения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме

Выводы

2. Исследование возможности применения накопителей энергии различного типа для решения задачи обеспечения динамической устойчивости генератора при больших возмущениях

2.1. Предложения по применению накопителей энергии как средства повышения динамической устойчивости

2.2. Определение схемы подключения накопителя энергии в сеть

2.3. Структурная схема модели энергосистемы с накопителем энергии

2.4. Описание используемых программных средств и моделей элементов

2.5. Выбор параметров накопителей энергии и расчетных условий

2.6. Проведение расчетов на модели энергосистемы с накопителем энергии и анализ результатов расчетов

Выводы

3. Разработка и исследование способа применения маховиковых накопителей для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме

3.1. Выбор оптимального типа накопителя энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях

3.2. Общие сведения о параметрах маховикового накопителя

3.3. Способ применения накопителя энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях

3.4. Структурная схема модели энергосистемы с маховиковым накопителем

3.5. Описание моделей элементов энергосистемы с маховиковым накопителем

3.6. Проведение расчетов на модели энергосистемы с маховиковым накопителем

Выводы

4. Разработка и исследование способа применения группы накопителей энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях

4.1. Способ применения группы накопителей энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме

4.2. Выбор типов накопителей энергии для использования в составе группы для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях

4.3. Расчет оптимальных параметров энергии накопителей на основе оптимизации их стоимости

4.4. Структурная схема модели энергосистемы с группой накопителей энергии и расчетные условия

4.5. Описание моделей элементов энергосистемы с группой накопителей энергии различного вида

4.6. Проведение расчетов на модели энергосистемы с группой накопителей и анализ результатов расчета

4.7. Разработка рекомендаций по применению накопителей энергии

Выводы

Заключение

Список литературы

Введение

Актуальность темы исследования

Современные тенденции развития электроэнергетических систем связаны с широкомасштабным внедрением новых технологий, таких как распределенная генерация на базе возобновляемых источников энергии (солнечные электростанции, ветрогенераторы и пр.), управляемые (гибкие) системы передачи переменного тока, что способствует вводу новых генерирующей мощностей и снижению экологической нагрузки на окружающую среду от энергетики, появлению новых способов регулирования потоков мощности в энергосистеме. В то же время, внедрение указанных технологий существенно влияет на изменение динамических характеристик энергосистемы и требует их изучения и учета в алгоритмах работы систем автоматического управления (САУ) объектами сети в режиме реального времени. К таким САУ относится система противоаварийной автоматики, одной из задач которой является обеспечение динамической устойчивости генерирующего оборудования при больших возмущениях. Наиболее опасным большим возмущением, которое может привести к нарушению динамической устойчивости, является короткое замыкание.

Существующие методы обеспечения динамической устойчивости при больших возмущениях связаны с необходимостью изменения режима работы турбины энергоблока. Особенность данных методов состоит в том, что мощность турбины невозможно изменить мгновенно из-за необходимости обеспечения нормативных параметров технологического процесса, что увеличивает время ввода управляющего воздействия. Данная особенность в ряде случаев приводит к необходимости применения такого нежелательного вида воздействия как отключение генерирующего оборудования для обеспечения динамической устойчивости.

В последние годы активно проводятся исследования в области применения накопителей энергии в различных областях электроэнергетики. Современные накопители энергии обладают важным свойством - возможностью практически

мгновенно изменять мощность выдачи или потребления энергии. Следовательно, привлечение накопителей энергии для задачи обеспечения динамической устойчивости синхронного генератора электростанции в составе энергосистемы (далее по тексту - генератор) позволит реализовать практически безынерционное управляющее воздействие на изменение мощности накопителя энергии, что приводит к улучшению условий обеспечения динамической устойчивости и возможности сохранения динамической устойчивости без необходимости отключения генерирующего оборудования.

Таким образом, разработка способов применения современных средств, таких как накопители энергии различного типа, для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях с учетом особенностей современных энергосистем является важной и актуальной задачей.

Степень разработанности темы

Вопросам применения накопителей посвящены труды авторов: Глускин И.З. [1], Якимец И.В. [1], Илюшин П.В. [2], Наровлянский В.Г. [1], Масалев Д.Ю. [3], Любарский Д.Р. [4], Розанов Ю.К. [5], Астахов Ю.Н. [6], Новиков Н.Л. [7], M. I. Daoud [8], S. Ghosh [9], B. Sun [10], Y. Worku [11] и других. В данных работах исследуются следующие вопросы: выбор параметров сверхпроводникового индуктивного накопителя как средства противоаварийного управления для повышения статической устойчивости электропередачи, использование накопителей для демпфирования низкочастотных колебаний, компенсация резкопеременного режима работы ВИЭ, применение накопителей для обеспечения бесперебойного электроснабжения и устойчивости нагрузки, локализация аварийного возмущения в сетях постоянного тока выдачи мощности ВИЭ с помощью накопителей энергии.

При этом вопросам применения накопителей энергии различного типа, а также вопросам разработки систем управления ими для цели обеспечения динамической устойчивости генераторов при больших возмущениях в отечественной и иностранной литературе должного внимания не уделено.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование возможности и разработка способов применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме»

Цель работы

Целью работы является исследование возможности и определение области и способов применения накопителей энергии различного типа для задач противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.

Объект исследования

Объектом исследования являются накопители энергии различного типа (сверхпроводниковый индуктивный, маховиковый, суперконденсатор, аккумуляторные батареи большой мощности) в составе энергосистемы и система противоаварийной автоматики.

Предмет исследования

Предметом исследования является выявление возможности и способов применения накопителей энергии различного типа для целей противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.

Задачи работы

1. Анализ состояния вопроса применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления. Обоснование и формулирование цели и задач исследования.

2. Исследование возможности применения накопителей энергии различного типа для решения задачи обеспечения динамической устойчивости генератора при больших возмущениях.

3. Разработка и исследование способа применения маховиковых накопителей для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.

4. Разработка и исследование способа применения группы накопителей энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях.

Соответствие темы исследования паспорту специальности

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.14.02 «Электрические станции и электроэнергетические системы» в части п. 6, 8, 9:

п. 6: «разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике»;

п. 8: «разработка методов статической и динамической оптимизации для решения задач в электроэнергетике»;

п. 9: «разработка методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике».

Научная новизна

На основе сформулированных и реализованных цели и задач исследования получены новые научные результаты:

1. Разработана и исследована система управления полупроводниковым преобразователем накопителя энергии, которая позволяет в автоматическом режиме на основе величины сброса мощности генератора определять требуемые углы открытия вентилей преобразователя для создания накопителем энергии требуемого для сохранения динамической устойчивости электромагнитного момента на валу генератора в режиме короткого замыкания.

2. Разработана и исследована система управления асинхронизированной синхронной машиной, позволяющая в автоматическом режиме рассчитывать напряжения возбуждения по осям d-q для создания маховиковым накопителем требуемого для сохранения динамической устойчивости электромагнитного момента на валу генератора в режиме короткого замыкания.

3. Предложен и исследован способ применения накопителей энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме, заключающийся в использовании маховикового накопителя с оптимизированными параметрами совместно с разработанной системой управления данным накопителем энергии.

4. Разработана и исследована система управления группой накопителей энергии (емкостный и маховиковый), позволяющая в автоматическом режиме распределять задание по активной мощности потребления между накопителями энергии и определять напряжения возбуждения по осям d,q (для маховикового накопителя) и углы открытия полупроводниковых преобразователей (для емкостного накопителя) для создания группой накопителей энергии требуемого для сохранения динамической устойчивости электромагнитного момента на валу генератора в режиме короткого замыкания.

5. Предложен и исследован способ применения накопителей энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме, заключающийся в использовании группы накопителей энергии (емкостный и маховиковый) с оптимизированными параметрами совместно с разработанной системой управления данной группой накопителей энергии.

Практическая значимость результатов работы

1. Проведенные исследования особенностей применения накопителей энергии различного типа показали, что эффективными типами накопителей для цели сохранения динамической устойчивости генератора без его отключения являются маховиковый накопитель и суперконденсатор.

2. Применение разработанного способа для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме с использованием маховикового накопителя, системы управления данным накопителем энергии совместно с импульсной разгрузкой турбины энергоблока позволяет обеспечить динамическую устойчивость генератора при всех нормативных возмущениях без отключения генератора станции.

3. Установлено, что эффективным типом привода для маховикового накопителя для целей обеспечения динамической устойчивости синхронного генератора при больших возмущениях в энергосистеме является асинхронизированная синхронная машина.

4. Применение разработанного способа для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме с использованием группы накопителей энергии, состоящей из маховикового и емкостного накопителей энергии, системы управления данной группой совместно с импульсной разгрузкой турбины энергоблока позволяет обеспечить динамическую устойчивость генератора при всех нормативных возмущениях без отключения генератора станции.

5. Показано, что для задачи обеспечения динамической устойчивости генератора при больших возмущениях в энергосистеме целесообразными типами накопителей энергии в составе группы являются маховиковый и емкостный, при этом стоимость разработанного решения ниже стоимости одиночного накопителя энергии с эквивалентными параметрами.

6. Результаты работы используются в учебном процессе в «НИУ «МЭИ» в виде лабораторного практикума в курсе «Автоматика энергосистем» магистерской программы подготовки по направлению «Электроэнергетика и электротехника».

Методология и методы исследования

Теоретической и методологической основой исследования являются фундаментальные положения теоретических основ электротехники, релейной защиты и автоматики, противоаварийной автоматики, электромагнитных и электромеханических переходных процессов, а также расчетно-экспериментальные методы исследования.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования возможности применения накопителей энергии различного типа для решения задачи обеспечения динамической устойчивости генератора при больших возмущениях.

2. Результаты разработки и исследования способа применения маховиковых накопителей для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.

3. Результаты разработки и исследования способа применения группы накопителей энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.

Степень достоверности

Достоверность результатов достигается за счет корректного применения теорий электротехники, релейной защиты, противоаварийной автоматики, электромагнитных и электромеханических переходных процессов, использовании применяемых в технической литературе допущений и подтверждается совпадением результатов расчетно-экспериментальных исследований автора с результатами, опубликованными в зарубежной и отечественной литературе.

Личный вклад автора

Все этапы работы по повышению эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме с помощью накопителей энергии были выполнены непосредственно автором: анализ состояния вопроса применения накопителей в области противоаварийной автоматики и смежных направлениях, формулировка цели и задач исследования [12, 13, 14, 15, 16], разработка и исследование систем управления накопителями и группами накопителей энергии для цели обеспечения динамической устойчивости генератора [17, 18, 19, 20], моделирование и исследование эффективности применения накопителей энергии различного типа совместно с разработанными системами управления для обеспечения динамической устойчивости генератора [17, 18, 19, 20, 21].

Доля участия автора во всех публикациях составляет не менее 75%.

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору кафедры РЗиАЭ Глускину И.З., трагически погибшему в 2017 г., за ценные советы и внимание при формировании направления научного исследования.

Апробация результатов

Основные результаты работы были доложены на региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Энергия» (2015, 2016, 2017 гг., Иваново, ФГБОУ ВПО «ИГЭУ имени В.И. Ленина»), международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2016, 2017 гг., Москва, ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»), конференции в рамках молодежной секции РНК СИГРЭ (2015 г., Иваново, ФГБОУ ВПО «ИГЭУ имени В.И. Ленина», НП «РНК СИГРЭ»), XXVI конференции "Перспективы развития электроэнергетики и высоковольтного электротехнического оборудования. Коммутационные аппараты, преобразовательная техника, микропроцессорные системы управления и защиты" (2018 г., Москва), научных семинарах и заседаниях кафедры РЗиАЭ ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» 2015, 2016, 2017, 2018 гг.

Публикации по теме исследования

По теме исследования опубликовано 10 работ, полноценно отражающих основные положения исследования, среди которых - 3 публикации в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация содержит: введение, четыре главы, заключение и список литературы. В диссертации основной материал изложен на 146 страницах, в том числе на 56 рисунках и 10 таблицах. Список литературы содержит 118 наименований.

1. Анализ состояния вопроса применения накопителей

энергии различного типа для противоаварийного управления. Обоснование и формулирование цели и задач

исследования

В данной главе приводятся некоторые положения об динамической устойчивости, необходимые для анализа существующих методов сохранения динамической устойчивости; сравниваются различные способы обеспечения динамической устойчивости; приводится сравнение различных типов накопителей энергии, которые могут использоваться при обеспечении динамической устойчивости.

Конечной целью главы является обоснование и формулирование цели и задач исследования.

1.1.Некоторые положения об обеспечении динамической устойчивости в

конкретных условиях

Динамическая устойчивость - это способность системы восстанавливать после большого возмущения исходное (устойчивое) состояние или состояние, практически близкое к исходному (допустимому по условиям эксплуатации системы). При этом под «большим возмущением» понимают такое возмущение, влияние которого на характер поведения системы существенно зависит от времени существования, значения и места появления возмущающего воздействия [22]. Важно отметить, что устойчивое состояние системы характеризуется синхронной параллельной работой генераторов [23].

Динамическая устойчивость отдельного генератора оценивается с точки зрения сохранения режима выдачи мощности в сеть (без нарушения синхронизма) в случае внезапных, значительных изменений в цепи электропередачи. Одним из серьезнейших нарушений установившегося режима синхронного генератора является короткое замыкание [24].

Для описания переходных процессов, возникающих в результате изменения параметров энергосистемы, используется уравнение движения ротора генератора [24]:

йш

= Мт- Мг = АМ, (1.1)

где Мт - вращающий момент на валу энергетического двигателя (турбины), Мг -момент сопротивления (тормозной момент, электромагнитный момент) на валу генератора; ш - угловая частота вращения вала агрегата; ] - суммарный момент инерции энергетического двигателя (турбины) и генератора; АМ - небаланс моментов.

Уравнение (1.1) также называется уравнением динамического равновесия, т.к. при равенстве моментов угловая частота вращения ротора генератора не изменяется (т.е. генератор находится в состоянии равновесия) [24].

Электромагнитный момент в общем случае определяется по следующей формуле [25]:

тиЕц ^ ти2{1 1\ , ^ Мг =-lsm(6)+-—(---) sin(20), (1.2)

где т - число полюсов статора генератора; и - напряжение на шинах генератора; Ея - ЭДС генератора; - угловая частота вращения генератора; хфхч -операторные сопротивления синхронной машины соответственно по продольной и поперечной осям; в - угол нагрузки генератора (угол между вектором ЭДС статора и напряжением).

Важно отметить, что численное значение электромагнитного момента синхронного генератора определяется энергией, рассеиваемой на активном сопротивлении обмотки статора генератора и во внешнем сопротивлении цепи, т.е. момент является функцией активной составляющей тока статора [24].

Выражение (1.2) записано для явнополюсного синхронного генератора, далее для упрощения рассуждений будет рассматриваться неявнополюсный синхронный генератор, у которого индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям равны, соответственно второе слагаемое для выражения электромагнитного момента (называемое также реактивным моментом) обращается в нуль, т.е.:

т.иЕп

Мг =-ísm(6)l (1.3)

где т - число полюсов статора генератора; и - напряжение на шинах генератора; Ея - ЭДС генератора; ш1 - угловая частота вращения генератора; хфхч -операторные сопротивления синхронной машины соответственно по продольной и поперечной осям; в - угол нагрузки генератора (угол между вектором ЭДС статора и напряжением).

Рассмотрим изменение величины электромагнитного момента генератора при возникновении внезапного короткого замыкания.

1) При коротком замыкании изменяется характер тока статора: если в нагрузочном режиме, характеризующимся номинальным коэффициентом мощности генератора 0.8...0.9 [26], преобладает активная составляющая тока статора, то в режиме короткого замыкания в зависимости от места, типа короткого замыкания и значения переходного сопротивления, активная составляющая уменьшается вплоть до нуля (т.е. ток короткого замыкания имеет преимущественно индуктивный характер). Причем активная составляющая тока статора уменьшается тем сильнее, чем меньше сопротивление до точки короткого замыкания и чем меньше значение переходного сопротивления. Уменьшение активной составляющей тока снижает угол нагрузки в в (1.2), что приводит к снижению электромагнитного момента.

2) При коротком замыкании также снижается напряжение на шинах генератора, что, аналогично пункту 1), уменьшает электромагнитный момент (см. (1.3)). Уровень снижения напряжения также зависит от типа, места короткого замыкания и значения переходного сопротивления.

Таким образом, режим короткого замыкания характеризуется уменьшением электромагнитного момента генератора. При этом, в связи с тем, что момент турбины остается неизменным, нарушается баланс моментов по (1.1), что приводит к неконтролируемому увеличению скорости генератора - т.е. выход генератора из синхронизма. В связи с опасностью работы в асинхронном режиме без потери

возбуждения как генератора (из-за возникновения локальных перегревов, недопустимых асинхронных моментов, больших уравнительных токов [24]), так и самой энергосистемы (из-за протекания токов качаний, зачастую превышающих токи короткого замыкания, колебаний активной мощности [27]), асинхронный режим в энергосистеме недопустим [24].

1.2.Существующие методы и средства обеспечения устойчивости

В настоящее время задача сохранения устойчивости энергосистемы (в том числе динамической) возлагается на автоматику предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ). АПНУ предназначена для предотвращения нарушения устойчивости параллельной работы электростанций, энергосистем, устойчивости узлов двигательной нагрузки при аварийных возмущениях и обеспечения в послеаварийных режимах нормативных запасов устойчивости. АПНУ осуществляет контроль режима района управления, фиксацию возмущений, выбор и реализацию управляющих воздействий [28].

При работе АПНУ формирует и реализует следующие управляющие воздействия [28]:

1) кратковременная разгрузка турбины;

2) длительная разгрузка турбины;

3) отключение генераторов;

4) отключение нагрузки потребителей электрической энергии;

5) форсировка возбуждения генераторов;

6) деление энергосистемы на несинхронно работающие части;

7) автоматическая загрузка генераторов;

8) электрическое торможение;

9) изменение топологии электрической сети;

10) изменение режимов работы и эксплуатационного состояния управляемых элементов электрической сети.

Для сохранения динамической устойчивости применяются управляющие воздействия 1), 3), 5), 8) [28, 29].

Структурная схема АПНУ в части предотвращения нарушения динамической устойчивости приведена на рис. 1.1 [29] (ранее в литературе данная функция выделялась в виде отдельной автоматики - автоматики разгрузки при близких или затяжных коротких замыканиях - АРБКЗ, АРЗКЗ).

Пусковой орган (ПО), выявляющий интенсивность возмущения - устройство фиксации тяжести короткого замыкания (ФТКЗ) - подключается к цепям переменного тока и напряжения контролируемого генератора. В зависимости от исполнения, пусковой орган контролирует либо сброс активной мощности блока, либо глубину снижения напряжения прямой последовательности на шинах станции [30] и формирует соответствующий сигнал срабатывания («затяжное короткое замыкание (ЗКЗ)», «близкое короткое замыкание (БКЗ)». Указанные сигналы передаются в автоматику дозировки воздействий (АДВ), которая на основе заложенной таблицы дозировки (ТД) формирует требуемое управляющее воздействие [31].

ИРТ АДВ ЗКЗ, ПО

ОГ ТД ^ БКЗ ФТКЗ

Рис. 1.1 Структурная схема АПНУ в части сохранения динамической устойчивости. АДВ - автоматика дозировки воздействий, ПО - пусковой орган, ТД - таблица дозировки, ФТКЗ -автоматика фиксации тяжести короткого замыкания, ИРТ - импульсная разгрузка турбины, ОГ - отключение генератора, ЗКЗ - затяжное короткое замыкание; БКЗ - близкое короткое

замыкание.

Далее рассмотрены применяемые управляющие воздействия и даны некоторые замечания по их эффективности.

Кратковременная разгрузка турбины

Кратковременная разгрузка турбины как средство противоаварийного управления применяется с целью компенсации избыточной кинетической энергии, приобретенной за время короткого замыкания и бестоковой паузы автоматики повторного включения линии [32]. Таким образом, разгрузка применяется для

снижения небаланса моментов по выражению (1.1) путем снижения момента турбины Мт.

Кратковременная разгрузка турбины с целью сохранения динамической устойчивости выполняется только для тепловых турбин; кратковременная разгрузка гидротурбин, несмотря на некоторые предложения в этой области [33, 34], из-за недостаточного быстродействия системы регулирования, на практике практически не применяется [35, 31].

Основной недостаток импульсной разгрузки заключается в том, что для получения достаточной скорости разгрузки приходится иметь чрезмерную разгрузку [36]. Чрезмерная разгрузка приводит к значительному увеличению амплитуды колебаний взаимного угла в послеаварийном режиме [35], кроме того существует опасность переторможения и потери устойчивости на втором цикле синхронных качаний [32].

Отключение генераторов

Отключение генератора применяется как средство сохранения динамической устойчивости в случае отсутствия, невозможности или неэффективности использования других, более благоприятных видов воздействия [30].

Эффективность отключения генератора заключается в двух основных факторах: уменьшение небаланса моментов эквивалентного генератора (т.е. математического эквивалента ускоряющейся части энергосистемы [37]) и снижения постоянной инерции эквивалентного генератора (АМ и/ по формуле (1.1) соответственно).

К недостаткам отключения генератора как средства сохранения динамической устойчивости можно отнести следующие:

• отключение гидрогенератора приводит к повышенным нагрузкам на подпятник и обмотку возбуждения, что негативно сказывается на сроке службы оборудования [38];

• включение отключенного турбогенератора возможно только спустя 0.5-3 часа [38], что снижает экономическую эффективность генерации

энергии, для атомных станций время включения отключенного генератора достигает нескольких десятков часов;

• эффективность отключения генератора напрямую зависит от времени отключения (при увеличении времени отключения эффективность управляющего воздействия падает вплоть до отсутствия влияния на устойчивость), а также от удаленности точки короткого замыкания [32];

• отключение генератора приводит к снижению генерации реактивной мощности в послеаварийном режиме, что может привести к снижению пропускной способности связей [38].

Форсировка возбуждения

Форсировка возбуждения предназначена для сохранения устойчивости параллельной работы генератора при коротком замыкании в прилегающей сети [39]. Форсировка увеличивает ЭДС генератора (Ец по формуле (1.3)), что приводит к увеличению значения электромагнитного момента и снижению небаланса моментов.

Форсировка возбуждения является высокоэффективным средством повышения динамической устойчивости, однако имеет ограничение по максимальному (потолочному) значению тока и напряжению возбуждения (кратности форсировки) и ограничена по длительности [40].

В настоящее время форсировка возбуждения является функцией автоматического регулятора возбуждения сильного действия [40] и в общем случае реализация данного управляющего воздействия от устройства автоматики предотвращения нарушения устойчивости не требуется [30, 35].

Электрическое торможение

Под электрическим торможением понимается целенаправленное подключение нагрузочных (тормозных) сопротивлений либо изменение параметров схемы системы, например, сопротивлений некоторых заранее выбранных элементов схемы, влияющих на изменение нагрузки генераторов [41].

Электрическое торможение позволяет увеличить электромагнитный момент за счет подключения к генератору дополнительной нагрузки, т.е. увеличивает активную составляющую тока статора (в формуле (1.3) этому соответствует увеличение угла нагрузки генератора в).

Несмотря на высокую эффективность, электрическое торможение пока не получило широкого распространения (устройства электрического торможения в свое время были установлены на Зейской, Бурейской и Братской ГЭС, ГЭС Чиф Джозеф (США) [42]). Широкому распространению электрического торможения, по-видимому, препятствуют следующие причины: возможность переторможения из-за дискретности наборных сопротивлений [35], необходимости изготовления специального коммутационного аппарата [30].

1.3. Применение накопителей энергии для цели обеспечения

эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме

Очевидно, что в связи с скоротечностью протекания процесса при больших возмущениях (а именно процесса короткого замыкания, до 1 с [22]), а также в связи с необходимостью быстрого снижения небаланса моментов (см. формулу (1.1)) для предотвращения выхода из синхронизма контролируемого генератора, к накопителям энергии, используемым для поддержания динамической устойчивости, предъявляется, в первую очередь, требование по быстродействию -выдача высокой мощности за короткий период времени.

На рис. 1.2 приведены характеристики быстродействия накопителей энергии различного типа. Данный рисунок позволяет определить типы накопителей энергии, которые могут быть использованы для повышения эффективности противоаварийного управления в условиях необходимости предотвращения нарушения динамической устойчивости, а именно: сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН), маховиковые (кинетические) накопители, суперконденсаторы (емкостные) накопители и аккумуляторные батареи большой мощности (электрохимические накопители).

Рис. 1.2 Сравнение быстродействия накопителей энергии различного типа

Применение СПИН в современной электроэнергетике

Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии запасают энергию в магнитном поле индуктивной катушки из сверхпроводника, образуемом протеканием постоянного тока. [43]

В Германии в Мюнхенском техническом университете с 1992 г. проводились экспериментальные исследования функционирования СПИН при различных способах его применения. Для этого был разработан пилотный проект СПИН энергоемкостью порядка 1,4 МДж [44].

В Испании с 1993 г. проводятся эксперименты по различным схемам тиристорных преобразователей, оценке тепловых потерь, а также по режимам работы СПИН в энергосистеме [45]. Для этих целей осуществлялся проект АМАС 500 по созданию СПИН энергоемкостью 1 МДж с максимально выдаваемой мощностью 500 кВт. В рамках данного проекта был создан экспериментальный СПИН энергоемкостью 25 кДж с максимально выдаваемой мощностью 50 кВт [45].

Совместная разработка фирмы «Babcock&Wilcox» и Анкориджской энергокомпании «Municipal Light and Power» накопителя энергии энергоемкостью 1800 МДж с максимально выдаваемой мощностью 40 МВт является самым крупным из реализованных в рамках применения в электроэнергетической системе проектов СПИН. Указанный накопитель предназначен для поддержания

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ефремов Дмитрий Геннадьевич, 2018 год

источника тока

Математическая модель асинхронизированной синхронной машины реализует систему уравнений (3.3). Для данной модели входными параметрами является: напряжение на шинах генератора, момент турбины и напряжение возбуждения. Выходным параметром является ток статора, который передается на управляющий вход источников тока (рЬ_Л - рИ_С рис. 3.6). Кроме того, модель позволяет осуществлять контроль как электрических (напряжения, токи обмоток статора, ротора, активной и реактивной мощности и пр.), так и механических

параметров (угла ротора генератора, скорости ротора, скольжения ротора, электромагнитного момента и пр.).

Математическая модель расчета тока модели асинхронизированной машины приведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7 Реализация математической модели асинхронизированной синхронной машины

в ПК МайаЬ (блок МаШ_Моёе1)

Система управления возбуждением асинхронизированной синхронной машины при коротких замыканиях

Система управления возбуждением асинхронизированной синхронной машины в доаварийном режиме осуществляется известными устройствами АРВ [107] и отдельно в рамках данной работы не рассматриваются, т.к. целью

рассмотрения данной работы являются переходные процессы при коротких замыканиях.

В соответствии с выбранной концепцией, при фиксации режима короткого замыкания, управление возбуждением передается системе управления асинхронизированной синхронной машиной, речь о которой пойдет ниже.

Функционально система управления асинхронизированной синхронной машиной с маховиковым накопителем на валу аналогична системе управления накопителем энергии, рассмотренной в главе 2 (см. рис. 2.13).

Основное отличие заключается в блоке расчета напряжения возбуждения (взамен блока расчета угла открытия вентилей).

Блок расчет напряжения возбуждения на основе требуемой мощности отбора осуществляет расчет вектора напряжения обмотки возбуждения. Расчет производится по следующим уравнениям для квазиустановившегося режима для заданных активной, реактивной мощности, напряжения статора и скольжения согласно [95]:

—й = гГ;

_ Р+УС ь = —=—; и

Ф = —й; (36)

ё^ = ¥ — хГ; и'^ = + (х — х')Г]} + ёр

где и - вектор напряжения на зажимах обмотки статора; г - активное

сопротивление обмотки статора; вектор потокосцепления обмотки статора; и'^ -

вектор напряжения обмотки ротора, выраженный в специальных единицах; еу -

вектор, численно равный ЭДС е, наведенной током ротора в обмотке статора, и

совпадающий по направлению с током ротора, т.е. ёу = у'е; 7у- постоянная времени

обмотки ротора при разомкнутой обмотке статора; х - индуктивное сопротивление

обмотки статора; х'- переходное индуктивное сопротивление обмотки статора; 7} -

электромеханическая постоянная времени; Мд- механический момент; МЭ-

электромеханический момент; 5- скольжение.

Уравнения (3.6) позволяют рассчитывать напряжения возбуждения для заданных значений активной и реактивной мощности.

Итоговая структура схемы управления приведена на рис. 3.8.

О СГ

Пусковой орган

Фиксация сброса

Ру| N Г

Фиксация восст.

р , ^зад < > "Рген

Торможение МН

Блок расчета возбуждения

РАСМ + JQ.

и

¥ _-1_ . ~ г иАСМ ' J

= W- xi ;

Uf = SACM Tf \-J [ef + (x - x')i ] + ef

_ S ^ m

О И

1АСМ> "АСМ

ро.е.

сброс

рам 1ч -ртах АСМ

Р

1 АС M

7} и Ом

АС M -

-

уст

р

- активная мощность сброса СГ

(с учетом синхронизирующего момента); номинальная активная мощность СГ;

- максимальная активная мощность АСМ;

- задание по активной мощности АСМ;

- номинальная мощность АСМ; текущая мощность СГ;

уставка по величине активной сброса мощности СГ; доаварийная мощность СГ; уставка усреднения мощности СГ;

От АСМ

II - вектор напряжения на зажимах обмотки статора;

- активное сопротивление обмотки статора;

У - вектор потокосцепления обмотки статора;

к, - вектор напряжения обмотки ротора,

выраженный специальных единицах;

с, - вектор, численно равный ЭДС

наведенной током ротора в обмотке статора, и совпадающий по направлению с

током ротора, т.е. с, —JC;

- постоянная времени обмотки ротора при

разомкнутой обмотке статора;

- индуктивное сопротивление обмотки статора;

- переходное индуктивное сопротивление обмотки статора;

- скольжение;

Рис. 3.8 Структурная схема системы управления маховиковым накопителем на базе асинхронизированной синхронной машины

Прочие элементы сети

Синхронный генератор, АРВ синхронного генератора, а также нагрузка, трансформатор и линии, представлены стандартными блоками из пакета SimPowerSystems ПК Matlab и описаны в 2.4.

3.6. Проведение расчетов на модели энергосистемы с маховиковым

накопителем

В соответствии с принятой структурой модели энергосистемы с маховиковым накопителем (см. рис. 3.4), в ПК МаНаЬ разработана модель (см. рис. 3.9), соответствующая данной структуре.

Описание расчетных условий

В модели имитируется возникновение затянутого двухфазного короткого замыкания, переходящего в однофазное, т.е. отказ фазы выключателя. Короткое замыкание ликвидируется устройством резервирования отказа выключателя. В процессе эксперимента варьируется длительность короткого замыкания.

Регулятор возбуждения синхронного генератора в течение всего времени короткого замыкания переводится в режим форсировки возбуждения. Регулирование возбуждения асинхронизированной синхронной машины в режиме короткого замыкания осуществляется согласно (3.6).

Генератор работает на номинальной мощности, импульсная разгрузка блока на данном исследований не рассматривается.

Проведение расчетов на модели энергосистемы с маховиковым накопителем и анализ результатов

Для оценки эффективности работы асинхронизированной синхронной машины с маховиковым накопителем на валу совместно с разработанной системой управления, необходимо ввести критерий оценки эффективности действия предложенного способа. Наиболее информативным критерием оценки работы системы управления и накопителя для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях представляется максимальное длительность существования КЗ, при которой сохраняется динамическая устойчивость .

оо 9

SCSF2

Блок расчета

акт. мощности

From/

Блок расчета возбуждения

р

Q

Uf Ux Uy

s

Модель АРВ с возбудителем

Модель КЗ

Three-Phase Fault

Блок измерения мощности Модель удаленной нагрузки

Рис. 3.9 Схема модели энергосистемы с маховиковым накопителем на базе асинхронизированной синхронной машины в ПК Ма^аЬ

В результате исследований получены следующие результаты. Нарушение динамической устойчивости при работе генератора без применения маховикового накопителя на базе асинхронизированный синхронной машины происходит при = 0.16 с (см. рис. 3.10).

Рис. 3.10 Временные характеристики синхронного генератора для режима короткого без

маховикового накопителя (устойчивость нарушена) Очевидно, что данное время меньше минимального времени выдержки устройства резервирования при отказе выключателя 500 кВ (из опыта проектирования данное время составляет не менее 0.2 с). Таким образом, короткое замыкание, сопровождающееся отказом выключателя будет сопровождаться нарушением устойчивости. Более того, максимально допустимая длительность короткого замыкания, при котором сохраняется динамическая устойчивость, равна расчетной длительности короткого замыкания, указанному в нормативных

документах для напряжения 500 кВ [108]. Таким образом, единственным способом обеспечить динамическую устойчивость рассматриваемого генератора.

Рассмотрим возможность увеличения максимально допустимой длительности существования короткого замыкания по условию динамической устойчивости с помощью асинхронизированной синхронной машины с маховиковым накопителем и предлагаемой системой управления.

Для исследования влияния предложенного решения на динамическую устойчивость генератора были приняты следующие начальные условия:

1) Начальная оценка влияния маховикового накопителя на возможность сохранения динамической устойчивости производилась из условия бесконечной массы маховикового накопителя (т.е. суммарная постоянная инерции асинхронизированной синхронной машины и маховикового накопителя принята ГуМН = 100 с). Данное упрощение позволяет качественно оценить максимальную длительность короткого замыкания по условию сохранения динамической устойчивости , которое сможет обеспечить накопитель совместно с предложенной системой управления.

2) Для текущего значения суммарной постоянной инерции машины и

МН

маховика ТМ определяется максимальная длительность существования короткого замыкания по условию сохранения динамической устойчивости , при условии, что максимальное значение скольжения маховика в переходном процессе не превышает 10% [109].

3) Определяется зависимость между суммарной постоянной инерции

МН

маховика и асинхронизированной машины ТМ и максимальным временем существования короткого замыкания по условию сохранения динамической устойчивости .

Результаты моделирования сведены в табл. 3.4.

Табл. 3.4 Зависимость максимальной длительности короткого замыкания по условию динамической устойчивости

Суммарный момент ^МН инерции , с Максимальное время существования КЗ по условию сохранения динамической устойчивости г;™Зах, с

100 0.31

18 0.31

12 0.23

7 0.18

Без маховикового накопителя 0.16

Таким образом, исходя из анализа полученных результатов, можно с определенностью сказать, что асинхронизированная синхронная машина с маховиковым накопителем с суммарной постоянной инерции 7}МН = 18 с совместно с предложенной системой управления позволяет обеспечить динамическую устойчивость параллельной работы генератора без его генератора (при условии времени выдержки УРОВ не более 0.25 с).

Однако, в ходе моделирования выявлено, что при действии предложенной системы управления и выбранной мощности асинхронизированной синхронной машины (100 МВА) ток ротора машины превышает номинальный в восемь раз, что недопустимо согласно нормативным документам [110]. Таким образом, необходимо рассмотреть вопрос снижения перегрузки асинхронизированной синхронной машины при работе в режиме потребления мощности для сохранения динамической устойчивости.

На основе расчетных данных (величине момента инерции 7^АСМ = 18 с и максимальной времени существования КЗ по условиям динамической устойчивости = 0.31 с) необходимо определить минимальную мощность асинхронизированной синхронной машины, при которой соблюдаются следующие условия:

1) максимальная кратковременная кратность перегрузки по току ротора (напряжению возбуждения) составляет не более 2 [110].

2) максимальная кратковременная кратность перегрузки по току статора не превышает 2 [111].

Стоит отметить, что вышеуказанные требования нормативных документов по перегрузочной способности основаны на условии, что длительность перегрузки составляет от 20 с до 1 мин (данные требования продиктованы, в основном, условиями термического нагрева обмоток статора и ротора). В рамках данной работы исследуются процессы, длительность которых на два порядка меньше, чем приведенные в нормативных документах, таким образом, теоретически возможно использовать более широкие диапазоны перегрузок, что приведет к смягчению требований к мощности асинхронизированной синхронной машины. Однако в рамках данной работы было принято решение соблюдать требования действующих нормативных документов [110, 111].

На основе расчетов на разработанной модели энергосистемы с маховиковым накопителем с учетом условий, приведенных выше получены следующие результаты (см. табл. 3.5).

Табл. 3.5 Зависимость перегрузки асинхронизированной синхронной машины от номинальной мощности при 7^МН = 18 с и = 0.31 с

Мощность АСМ, МВА Перегрузка по току статора, о.е. Перегрузка по току ротора (кратности напряжения возбуждения), о.е.

50 20 14

100 5 8

200 2 1.8

300 2.2 1.5

Таким образом, согласно полученным результатам, минимальная мощность асинхронизированной синхронной машины, позволяющая увеличивать максимальное время существования короткого замыкания по условию динамической устойчивости до 0.31 с учетом описанных ограничений

составляет 200 МВт.

На рис. 3.11 приведены временные зависимости, отображающий переходный процесс при коротком замыкании и действии системы управления с учетом всех требований. Данные зависимости позволяют оценить влияние работы

предложенной системы управления и накопителя в части обеспечения динамической устойчивости синхронного генератора.

|ысг, о.е.

.5 1 15 2.5 3 3.5 4 4.5

ДТв сг, о.е. Электромагнитный момент СГ

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

А5СГ , град_Угол нагрузки СГ (ЕЛЦ)

Скорость ротора СГ

А

А

1, с

иаЬсдсм, о.е.

Напряжение на зажимах АСМ

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

1аЬсАСМ, о.е. Ток АСМ

1, с

1, с

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

ДРАСМ , о.е. Активная мощность АСМ__^ с

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

АРсг , со е. ^ Активная мощность СГ

I, с

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Ыасм , о.е._Скорость ротора АСМ_ с

0 5 1 2 2 5 3 .3 5 4 4 5 5 + п

, о.е._Реактивная мощность СГ 1> и

ДОдсМ! 5 о.е. 1 Реакт ив н ая мо щ ност ь АсСМ

4 4.5 5

1, с

О 0.5

.5 4 4.5 5 ^ С

1.5 2 2.5 3 2.Ь А 4.5 5 1, С

Рис. 3.11 Временные характеристики работы маховикового накопителя для сохранения

динамической устойчивости

Отдельный интерес представляет график угла нагрузки асинхронизированной синхронной машины с маховиком, приведенный на рис. 3.12.

Потребление Выдача мощности

Режим м°щности (торможение до КЗ (разгон)

1 -

К "

| 1

1 г

1

1 Л

Г \

0 0.5 1 1.5 2 2.5

3 3.5 4 4.5

1, с

Рис. 3.12 Угол нагрузки асинхронизированной синхронной машины с предложенной системой управления в переходном процессе

4.5 5

5

Данный график позволяет оценить широкий предел изменения угла нагрузки асинхронизированной синхронной машины, а также наблюдать переход накопителя из режима потребления в режим выдачи.

Несмотря на положительный эффект повышения динамической устойчивости (в части повышения максимально допустимой длительности короткого замыкания по условию сохранения динамической устойчивости), полученная номинальная мощность асинхронизированной синхронной машины составляет 40% от мощности синхронного генератора, что, очевидно, делает применение маховикового накопителя такой мощности экономически неэффективным.

Достичь снижения номинальной мощности асинхронизированной синхронной машины можно выполнением следующих пунктов:

1) уточнить минимально необходимую мощность накопителя с учетом синхронизирующей мощности синхронного генератора [112];

2) учесть при расчете переходных процессов импульсную разгрузку [113];

3) определить параметры асинхронизированной синхронной машины и маховика исходя из условия оптимизации стоимости.

Уточнение параметров маховикового накопителя

Уточнение номинальной мощности маховикового накопителя с учетом синхронизирующей мощности

Требуемую мощность привода маховикового накопителя (асинхронизированной синхронной машины) возможно определить из опыта короткого замыкания для простейшей схемы (генератор - трансформатор - шины). На основе модели в ПК Ма^аЬ для генератора ТГВ-500, получены следующие результаты: действующие напряжение прямой последовательности в режиме короткого замыканияснижается до величины 0.4 ¿/НюМ фактический сброс активной мощности генератора составляет 270 МВт или 0.46 (см. рис. 3.13)

Рис. 3.13 Результаты моделирования двухфазного короткого замыкания на землю на шинах станции с синхронным генератором На основе полученных данных по известной формуле находится значение синхронизирующей мощности для данного режима [112] для неявнополюсного генератора:

= ^-—■ = 0.396 (3.7)

х<й

где Е - напряжение возбуждения, и - напряжение на шинах генератора, 5 -доаварийный угол нагрузки генератора, х^ - индуктивное сопротивление обмотки генератора.

Таким образом, учитывая фактический сброс мощности, значение мощности, которую требуется потребить для сохранения динамической устойчивости, составляет 0.0645^™ или 38 МВт. Однако данная мощность рассчитана в условиях сниженного напряжения при коротком замыкании. Следовательно, для исключения перегрузки асинхронизированной синхронной машины по току, требуется привести расчетную мощность к номинальному напряжению. В итоге, требуемая мощность составляет 0.16 5,Г°м или 94 МВт, т.е. требуемая максимальная

номинальная мощность накопителя составляет 100 МВт. Учитывая допустимую двукратную перегрузку, окончательное значение мощности накопителя составляет

РАсм = 50 МВт.

Расчет максимального скольжения и момента инерции маховикового накопителя

Максимальное скольжение необходимо определять на основе предварительной оценки стоимости маховикового накопителя на базе асинхронизированной синхронной машины, так как данный параметр значительно влияет на стоимость системы возбуждения (СВ), и соответственно, на стоимость всего накопителя.

Методика расчета максимального скольжения с помощью оптимизационного расчета стоимости маховикового накопителя на базе асинхронизированной синхронной машины разработана АО «НТЦ ФСК ЕЭС» [107]. Методика основана на расчете оптимального скольжения путем оптимизации стоимости системы возбуждения, маховика и машины. Причем переменными составляющими, зависящими от скольжения, являются только стоимость системы возбуждения и стоимость маховика. Стоимость машины определяется только требуемой мощностью.

Расчет составляющих стоимости маховикового накопителя на базе асинхронизированной машины проводится следующим образом [107]:

_ ^7м[(1-%ах>0] ^ = 2 ; (3.8)

^т = ^т^иом;

= йу + + йт;

где - стоимость системы возбуждения, С5 - удельная стоимость преобразователя частоты, принята 100 ^ОЛ; ятах - максимальное скольжение (оптимизируемый

параметр); 5НОм - номинальная мощность машины; - коэффициент, равный отношению суммарной мощности системы возбуждения (в относительных единицах) к максимально допустимому скольжению, принят равным 2; Ду -

п Д°ЛЛ г

стоимость маховика; Су - удельная стоимость маховика, составляет 150 ——; ум -

момент инерции МН; - скорость вращения маховика, равна 1000-06-; -

мин

п ол дол п

стоимость машины; Ст - удельная стоимость машины, составляет 30—; -

кВА

суммарная стоимость маховикового накопителя на базе асинхронизированной синхронной машины.

Также приняты следующие ограничения:

1) максимальная кратковременная кратность перегрузки по току ротора (напряжению возбуждения) составляет не более 2 [110];

2) максимальная кратковременная кратность перегрузки по току статора не превышает 2 [111];

3) максимальный момент инерции маховика, технически реализуемый в настоящий момент = 2.7 • 105кг • м2 при частоте вращения 1000 -06-

мии

[107];

4) при увеличении мощности выше 30 МВА удельная стоимость системы возбуждения увеличивается в два раза [107];

Учитывая данные ограничения, а также выражения (3.8), получены следующие графики для переменных составляющих оптимизационного расчета скольжения, приведенные на рис. 3.14 а), б).

Согласно полученным графикам (рис. 3.14 а, б), стоимость маховикового накопителя на базе асинхронизированной синхронной машины определяется, в основном, стоимостью системы возбуждения (т.к. стоимость маховикового накопителя при составляет не более 1% стоимости системы). Таким образом, оптимальное значение максимального скольжения, исходя из минимума стоимости системы возбуждения, составляет 8%.

2 ел

г

¡2

6.4x10! 5 6xlo' 4.Ях10!

4хЮ: 3.:xio!

l.íxio' Sxlß5

о

/

У /

/

|-Cio:::.:o :ii СВ |g

lili

5r. 103

4.5x1o3

4x1o3

q 3.5x1o3

ЗхЮ3

£ о 2.5x1o3

■г 2x103

Е-

1

1.5x1o3

lxlO3

500

о.е.

О 0.07 014 021 0.2S 0.35 0.4: 049 0.56 0.63 0.7 Скольжение (шах)

а)

J, кг м2

lili

— С тоим ЭСТЪ } А

\

\

s,

о.е.

О 0.1 0.2 03 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Скольжение (шах) б)

5х10г*

4.5x1o3

4x1o5

гч 3.5xlOä

■Sh

¿i. 3x105

с. Z.ixlO5

I

з: IxlO5

i

£ l.ixlO5

2

lxlO5

5x104

s, о.е.

О 0.05 0.1 0.15 0.: 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Скольжение (шах, o.e.)

В)

Рис. 3.14 Графики для оптимизационного расчета максимального скольжения: а) зависимость стоимости системы возбуждения (СВ) от скольжения; б) зависимость стоимости маховика (М) от скольжения; в) зависимость момента инерции маховика от скольжения Используя выражения (3.9) (согласно [107]), построена зависимость момента инерции маховика от максимального скольжения (см. рис. 3.14, в).

2

I • I • [(1 — ]

ДЖ1 =

(3.9)

2 2 ДЖ2 = РД^ ДЖ1 = ДЖ2;

где Д^! - доступная для отбора энергия маховика, электрическая энергия, отдаваемая в сеть; / - момент инерции вращающихся масс; 5 - максимально допустимое скольжение; Р - максимальная активная мощность машины (с учетом

допустимой двукратной перегрузки); At - необходимое время работы в режиме полной выдачи (или потребления) активной мощности (экспериментально составляет порядка 1 с).

По рис. 3.14 на основе полученного скольжения (8%) определяется суммарный момент инерции маховикового накопителя (JMH = 59 т-м2,7) МН = 12.9 с). Постоянная инерции асинхронизированной синхронной машины, исходя из параметров аналогичных по мощности синхронных генераторов, может быть принята 7} АСМ = 7 с. Таким образом, требуемый момент инерции маховика при скольжении 8% составляет JM = 27 т • м2.

Таким образом итоговые параметры маховикового накопителя на базе асинхронизированной синхронной машины следующие:

• суммарная постоянная инерции маховика и асинхронизированной синхронной машины 7} АСМ = 12.9 с;

• номинальная мощность 5ном = 50 МВА;

• максимальное скольжение smax = 8%;

• мощность системы возбуждения определяется по эмпирической формуле [107] 5св « ^ • • 2 = 8 МВА;

• перегрузочная способность по току статора\ротора - 2.

Итоговая ориентировочная стоимость маховикового накопителя на базе асинхронизированного синхронного генератора составляет = 2.3 млн. долл.

Описание расчетных условий для модели энергосистемы с маховиковым накопителем с уточненными параметрами

Схема модели энергосистемы с маховиковым накопителем представлена на рис. 3.9.

В модели имитируется возникновение затянутого двухфазного короткого замыкания, переходящего в однофазное, т.е. отказ фазы выключателя. Короткое замыкание ликвидируется устройством резервирования отказа выключателя. В процессе эксперимента варьируется длительность короткого замыкания.

Параметры маховикового накопителя заданы с учетом результатов стоимостного анализа.

Автоматика регулирования возбуждения синхронного генератора в течении короткого замыкания переводится в режим форсировки возбуждения. Также учитывается изменение мощности турбины синхронного генератора под воздействием импульсной разгрузки до 50% от номинальной мощности энергоблока.

Регулирование возбуждения асинхронизированной синхронной машины в режиме КЗ осуществляется согласно (3.6).

В исходном режиме синхронный работает в режиме выдачи как активной, так и реактивной мощности, маховиковый накопитель работает в холостом режиме.

Анализ результатов моделирования энергосистемы с маховиковым накопителем с уточненными параметрами

Нарушение динамической устойчивости при работе генератора без маховикового накопителя и импульсной разгрузки, происходит при длительности короткого замыкания 0.16 с, как и в модели с неоптимизированными параметрами маховикового накопителя.

Применение импульсной разгрузки турбины на 50% от номинальной активной мощности, увеличивает максимально допустимое время по условию динамической устойчивости. Согласно результатам моделирования, нарушение динамической устойчивости при работе генератора без маховикового накопителя, но с применением импульсной разгрузкой турбины энергоблока, происходит при ^ = 0.24 с. Данное время также не позволяет работать станции без ограничения мощности из-за возможности нарушения динамической устойчивости при коротком замыкании в «мертвой зоне» защит и работе устройства резервирования при отказе выключателя [108]. Столь низкий эффект от импульсной разгрузки турбины энергоблока объясняется задержкой закрытия регулирующих клапанов (из-за необходимости обеспечения нормативных технологических параметров энергоблока, в частности нормативного давления в главном паровом коллекторе)

[113]. Время запаздывания снижения мощности после подачи команды на разгрузку составляет порядка 500 - 700 мс, скорость восстановления мощности до исходной - 10 - 15 с [113]. Таким образом, импульсная разгрузка турбины для мощных генераторов не позволяет сократить т.н. «площадку» ускорения, а может воздействовать только на увеличение площадки «торможения» [114].

Далее рассматривается возможность увеличения максимально допустимого времени существования короткого замыкания по условию сохранения динамической устойчивости с помощью маховикового накопителя на базе асинхронизированной синхронной машины и предлагаемой управления с учетом действия импульсной разгрузки.

В результате моделирования выявлено, что при действии маховикового накопителя с учетом импульсной разгрузки турбины энергоблока на 50% от номинальной мощности турбины максимально допустимая длительность короткого замыкания по условию сохранения динамической устойчивости составляет ^^ = 0.4 с. Данный эффект объясняется тем, что маховиковый накопитель на базе асинхронизированной синхронной машины с системой управления начинает действовать практически сразу после наступления короткого замыкания, тем самым сокращая площадку ускорения ротора синхронного генератора, что значительно повышает эффективность действующей с задержкой импульсной разгрузки турбины.

Таким образом, исходя из анализа полученных результатов, можно с определенностью сказать, что маховиковый накопитель на базе асинхронизированной синхронной машины совместно с предложенной системой управления с учетом импульсной разгрузки позволяет обеспечить динамическую устойчивость генератора без его для всех нормативных возмущений.

На рис. 3.15 приведены временные зависимости, отображающий переходный процесс при коротком замыкании и действии предлагаемой системы управления маховиковым накопителем и импульсной разгрузки.

На рис. 3.16 приведены дополнительные временные характеристики, подтверждающие отсутствие перегрузки асинхронизированной синхронной машины.

-2 -4

О -5 -10 -15 -20

1060 1060 10« 1020 1000

^Расм,х107Вт Активная мощность АСМ

1

-

1

**

0 05

Оасм,х107Вт

1.5 2 2.5

Реактивная мощность АСМ

Активная мощность СГ

Л

ъ/

т

О 0.5 1 1.5 2 2.5

ууд,;м, об/мин_Част от а в ращен ия А СМ

\

-100

-200

^ ЙАсм,град Угол наг рузки АСМ (Е^щ)

4_ г- г-—*— "I

к

V

3050 ЗООО 2Й50 29£>0

100 60 60 40 20 ' ^ с

мсг, об/ми Частота вращения СГ

л

Л Л / Л

\ V V/ х ^ —

\ У

5 0.5 1 1.5 2 2.5

фбсг.град Угол нагрузки СГ (Е^щ)

Ж

—- Ш

■ т

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Рис. 3.15 Временные характеристики активной, реактивной мощностей, скорости и угла асинхронизированной синхронной машины и синхронного генератора при коротком замыкании Как видно из зависимостей, представленных выше, применение маховикового накопителя на базе асинхронизированной синхронной машины обеспечивает устойчивость при £™ах = 0.4 с, при этом перегрузка по току статора не превышает двукратного значения. Таким образом, при принятой в расчетах мощности асинхронизированной синхронной машины обеспечивается динамическая устойчивость без отключения синхронного генератора при условии применения импульсной разгрузки энергоблока и допустимой двукратной кратковременной перегрузки по току статора и ротора.

103

I с

I с

I с

I с

Б 4.5 4 35 3

a Nw6,xio8MBr Мощность турбины с учетом ИРТ 50%

\

\

\ V * Bocera нов мощности тенне

ИРТ

ч—-— *--

иаЬсдсм.хкге Напряжение фаз на зажимах АСМ

0.5

1.5

2.5

к и, ас„,в Напряжение возбуждения АСМ в осях ^ к !аЬсдсм,А Фазные токи АСМ

2000 21 ном 2000

--- Ч .|<1'"'|1П......

1000 у ✓ Л 1 №

/ / f 1ном "" 'Щппч i "'Щ |И II

0 1000 2000 -2000 Ы jlllli......РИ "JIIN.II. I i