close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование возможности и разработка способов применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме

код для вставкиСкачать
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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
4
особенностей современных энергосистем является важной и актуальной
задачей.
Степень разработанности темы
Вопросам применения накопителей энергии посвящены труды авторов:
Глускин И.З., Якимец И.В., Илюшин П.В., Наровлянский В.Г., Масалев Д.Ю.,
Любарский Д.Р., Розанов Ю.К, Астахов Ю.Н., Новиков Н.Л., M. I. Daoud, S.
Ghosh, B. Sun, Y. Worku и др. 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.
Цель работы: исследование возможности и определение области и
способов применения накопителей энергии различного типа для задач
противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.
Объектом исследования являются накопители энергии различного типа
(сверхпроводниковый
индуктивный,
маховиковый,
суперконденсатор,
аккумуляторные батареи большой мощности) в составе энергосистемы и
система противоаварийной автоматики.
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.
5
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
6
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
расчетноэкспериментальные методы исследования.
7
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
[1, 5-7], разработка и исследование систем управления накопителями и
группами накопителей энергии для цели обеспечения динамической
устойчивости генератора [2-4, 8, 10], моделирование и исследование
эффективности применения накопителей энергии различного типа совместно с
разработанными системами управления для обеспечения динамической
устойчивости генератора [2, 3, 8-10].
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 научнотехнической 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.,
8
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.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении приведены основные характеристики диссертационного
исследования.
В главе 1 «Анализ состояния вопроса применения накопителей
энергии различного типа для противоаварийного управления.
Обоснование и формулирование цели и задач исследования»
проанализированы существующие подходы к обеспечению динамической
устойчивости генератора, проведены: обзор различных типов накопителей
энергии, анализ состояния вопроса по определению эффективных типов
накопителей для обеспечения динамической устойчивости генераторов,
результатов исследований работ в области изучения накопителей энергии.
Рис. 1. Сравнение характеристик накопителей.
На рис. 1 приведены характеристики основных применяемых в настоящее
время и разрабатываемых накопителей энергии. На основе требований для
накопителей энергии для цели обеспечения динамической устойчивости
9
генератора (потребление высокой мощности в течение короткого времени), к
рассмотрению
приняты
следующие
типы
накопителей
энергии:
сверхпроводниковые индуктивные накопители, маховиковые накопители,
аккумуляторные
батареи
большой
мощности,
электрические
суперконденсаторы.
На основании проведенных исследований сделан следующий вывод: в
настоящее время для целей противоаварийного управления рассматривается
преимущественно СПИН, в связи с этим в области применения накопителей
энергии остаются сохраняющими актуальность следующие вопросы:
• использование накопителей энергии (кроме СПИН) для целей
противоаварийной автоматики;
• использование групп накопителей энергии и выбор оптимального
сочетания для реализации управляющих воздействий противоаварийной
автоматики при больших возмущениях;
• алгоритмы управления как отдельными накопителями энергии, так и
группой накопителей энергии для обеспечения динамической
устойчивости генератора.
Привлечение накопителей энергии для задачи обеспечения динамической
устойчивости генератора позволит реализовать практически безынерционное
управляющее воздействие на изменение мощности накопителя, что приведет 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,
для
повышения
эффективности
противоаварийного управления при больших возмущениях с учетом
особенностей современных энергосистем является важной и актуальной
задачей.
Результаты исследования состояния вопроса позволили сформулировать
цель и задачи исследования, приведенные в разделе «Общая характеристика
работы».
В главе 2 «Исследование возможности применения накопителей
энергии различного типа для решения задачи обеспечения динамической
устойчивости генератора при больших возмущениях» рассмотрены вопросы
моделирования энергосистемы с накопителями энергии различных типов
(сверхпроводниковый индуктивный накопитель, аккумуляторные батареи
большой мощности, суперконденсатор и маховиковый накопитель), а также
проведены исследования динамической устойчивости генераторов станции с
помощью накопителей энергии различного типа при больших возмущениях.
На основе анализа характеристик применяемых накопителей энергии и
существующих подходов к обеспечения динамической устойчивости,
предложена общая методика применения накопителей энергии для цели
10
обеспечения динамической устойчивости при больших возмущения без
отключения генерирующего оборудования.
Для исследования влияния накопителей энергии на динамическую
устойчивость генератора была разработана структурная схема модели
энергосистемы с накопителем энергии, приведенная на рис. 2.
UГ=13.8 кВ
Т
K2 С
K1
ВЛ
Турбина
СГ
ТДЦ(Ц)- UСТ=220 кВ
250000/220
АРВ
Uном=13.8 кВ
S=235 кВА
H1
UС=220 кВ S=10 ГВт
H2
P=5 МВт
P=10 МВт
Накопитель
Рис. 2 Структурная схема исследуемой модели энергосистемы с накопителем энергии
Моделирование рассматриваемых накопителей энергии, а также
элементов сети (генератор, высоковольтная линия, трансформатор,
электроэнергетическая система) проведено в ПК Matlab (в среде Simulink).
Для реализации автоматического ввода управляющего воздействия на
накопители энергии была разработана система управления полупроводниковым
преобразователем накопителя энергии (структурная схема системы управления
приведена на рис. 3).
СГ
Т
ТТ
к сети
ТН
о .е .
PСГ
Система
управления
Фиксация сброса
Pус т
о .е .
Pсброс
tус т
α,αб
– углы открытия фазных вентилей;
ПП1
ПП2
α,αб→
трансформатора связи;
Накопитель

Pнак α arccos  π Pнак
=
 6 2U I
Pнак
Т d

α б = −α
б)
– выпрямленный ток нагрузки
(преобразователя);
 π
 −
 6
α ,αб
UТ , I d
– углы открытия буферных вентилей;
– напряжение сетевой обмотке
а)
о .е .
Pсброс
СТ
Pсброс→α,αб
Система
фазового
управления
Пусковой орган
– активная мощность сброса СГ
(с учетом синхронизирующего момента);
–
задание по активной мощности
накопителя;
– текущая мощность СГ.
Рис. 3 Структурная схема системы управления полупроводниковым преобразователем
накопителя энергии. СГ – синхронный генератор; Т– блочный трансформатор; ТН –
трансформатор напряжения; ТТ – трансформатор тока; СТ – сетевой трансформатор; ПП –
полупроводниковый преобразователь.
Разработанная
система
управления
полупроводниковым
преобразователем накопителя энергии позволяет на основе величины сброса
активной
мощности
генератора
рассчитывать
углы
открытия
полупроводниковых преобразователей, определяя необходимый объем обмена
11
активной мощностью между генератором и накопителем энергии для создания
значения электромагнитного момента на валу синхронного генератора,
достаточного для сохранения динамической устойчивости.
Проведено моделирование трех расчетных случаев:
Режим №1: затяжное трехфазное короткое замыкание на выводах
высшего напряжения блочного трансформатора (точка К1);
Режим №2: затяжное двухфазное короткое замыкание на землю на линии
220 кВ (точка К2), отходящей от шин станции;
Режим №3: отключение линии, связывающей генератор с системой
вследствие однофазного короткого замыкания (точка К1), отключаемого
быстродействующей защитой и последующим успешным автоматическим
повторным включением.
Для данных режимов получены требуемые параметры накопителей
энергии, параметры приведены в таблице 1.
Табл. 1 Параметры накопителей энергии для режимов №1, 2 ,3
Параметр
СПИН
Суперконденсатор
Маховиковый
накопитель*
Аккумуляторные
батареи**
Энергоемкость
55 МДж
55 МДж
55 МДж
55 МДж
Основной параметр
Удельная плотность
энергии
Расчетный вес
Стоимость
 = 0.1 Гн
 = 110 Ф
 = 1000 кг ∙ м2
 = 2.615 Ач
18 т
8.5 т
3т
0,091 т
3
кДж
кг
20 млн. долл.
6.5
кДж
кг
7 млн. долл.
18
кДж
кг
1 млн. долл.
603,6
кДж
кг
15 тыс. долл.
Примечания:
* – скорость вращения: W=20 000 об/мин; радиус маховика r=0,48 м; длина L=5,2 м;
** – число ячеек аккумуляторных батарей n=15*100.
Проведено моделирование для каждого типа накопителя энергии для всех
режимов. Оценка устойчивости проводилась по факту превышения угла
нагрузки генератора (угла между напряжением и ЭДС генератора) 180
градусов.
Результаты позволяют оценить возможность использования накопителей
энергии каждого типа в качестве средства сохранения динамической
устойчивости при больших возмущениях, а также правильность
функционирования разработанной системы управления полупроводниковым
преобразователем накопителя.
На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:
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
12
энергии
требуемого
для
сохранения
динамической
устойчивости
электромагнитного момента на валу генератора в режиме короткого замыкания.
2. Проведенные исследования особенностей применения накопителей
энергии различного типа показали, что эффективными типами накопителей
энергии для цели сохранения динамической устойчивости генератора без его
отключения являются маховиковый накопитель и суперконденсатор.
В главе 3 «Разработка и исследование способа применения
маховиковых
накопителей
для
повышения
эффективности
противоаварийного
управления
при
больших
возмущениях
в
энергосистеме» произведено детальное рассмотрение маховикового
накопителя энергии, выбран эффективный тип привода для маховика,
разработана система управления маховиковым накопителем, предложен и
исследован способ применения маховикового накопителя для повышения
эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в
энергосистеме.
Предварительно на основе анализа характеристик был выбран
эффективный тип тип привода для маховикового накопителя –
асинхронизированная синхронная машина.
Для обоснования эффективности применения маховикового накопителя на базе
асинхронизированной синхронной машины в качестве способа повышения
динамической устойчивости генератора, проведен оптимизационный расчет
стоимости маховикового накопителя в зависимости от величины
максимального скольжения с учетом действия импульсной разгрузки
рассматриваемого блока. Методика оптимизационного расчета разработана АО
«НТЦ ФСК ЕЭС» и позволяет получить оптимальное максимальное значение
скольжения асинхронизированной машины. Полученные кривые стоимости
(см. рис. 4), показали, что оптимальное значение максимального скольжения
составляет 8%, этому значению соответствует суммарный момент инерции
маховикового накопителя 59 т∙м2 (постоянная инерции 12.9 с) при номинальной
мощности 50 МВт (при этом учитывалась допустимая двукратная перегрузка
асинхронизированной машины по току статора и ротора). Таким образом,
суммарные затраты на реализацию предлагаемого комплекса для
рассматриваемого случая составляют ориентировочно 12-13% от стоимости
параллельно работающего синхронного генератора, что позволяет обосновать
установку маховикового накопителя.
Разработана и реализована в ПК Matlab система управления для
маховикового накопителя на базе асинхронизированной синхронной машины
(см. рис. 5). Данная система управления в автоматическом режиме
рассчитывает напряжения возбуждения по осям d-q, что позволяет
регулировать объем потребления накопителем энергии активной мощности в
режиме короткого замыкания, необходимой для создания требуемого
электромагнитного момента на валу генератора.
13
RJ, долл.
Rs, долл.
J, кг м2
s, о.е.
s, о.е.
s, о.е.
Рис. 4 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
Блок расчета
мощности
Фиксация сброса
PСГо.е.
о .е .
сброс
P
Pус т
tус т
Фиксация восст.
Pд/ав
tзад
=
PМН
ном
АСК
ном
СГ
P
P
Pсброс ⋅ k усил
о .е .
Pген
Торможение МН
– вектор напряжения на зажимах обмотки
статора;
– активное сопротивление обмотки
статора;
– вектор потокосцепления обмотки
статора;
– вектор напряжения обмотки ротора,
выраженный специальных единицах;
– постоянная времени обмотки ротора при
разомкнутой обмотке статора;
– индуктивное сопротивление обмотки
статора;
– переходное индуктивное сопротивление
обмотки статора;
Перекл.
Pсброс
Pген
Режим
двиг.
PАСМ + jQ
;
u
PАСМ Ψ =−1 u АСМ ;
j
i =
uf
e f = Ψ − xi ;
Режим
ген.
{
СМ
Пусковой орган
}
=
u ′f s АСМ T f − j  e f + ( x − x′) i  + e f
u АСМ , s АСМ
– 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;
– скольжение.
Рис. 5 Структурная схема системы управления маховиковым накопителем на базе
асинхронизированной синхронной машины
Для анализа достаточности выбранных характеристик, а также для
подтверждения эффективности разработанного способа была сформирована
модель энергосистемы с маховиковым накопителем, структурная схема которой
приведена на рис. 6.
Исследование на разработанной модели энергосистемы с маховиковым
накопителем
подтвердило
достаточность
выбранных
характеристик
маховикового накопителя, и показало увеличение максимальной длительности
короткого замыкания по условию сохранения динамической устойчивости без
14
отключения генератора с 0.24 с (без применения накопителя энергии, с учетом
импульсной разгрузки) до 0.4 с при коротких замыканиях на шинах 500 кВ
станции, а также подтвердило правильность функционирования разработанной
системы управления маховиковым накопителем.
Таким образом, достигнута цель повышения эффективности
противоаварийного управления путем обеспечения динамической устойчивости
генератора при всех нормативных возмущениях с использованием
маховикового накопителя без отключения генератора.
Uном=20 кВ
U=20 кВ
АСМ
H1
Система
управления
МН
P=20 МВт
ИРТ
Турбина
Т
ТГВ-500/20
U=20 кВ
S=588 МВА
H2
СН-Г2
P=100 МВт
U=500 кВ
ВЛ
U=500 кВ
АС-330/43
СГ
АРВ
U=500 кВ
Yn\Yn
20\500 кВ
S=750 МВА
С
H3
Н-С
P=300 МВт
Рис. 6 Структурная схема модели энергосистемы с маховиковым накопителем. АСМ –
асинхронизированная синхронная машина; МН – маховиковый накопитель; Т – блочный
трансформатор; СГ – синхронный генератор; ВЛ – высоковольтная линия; Н – нагрузка; ИРТ
–импульсная нагрузка турбина; С – электроэнергетическая система.
На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:
1. 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.
2. 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.
3. 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.
15
4. Установлено, что эффективным типом привода для маховикового
накопителя для целей обеспечения динамической устойчивости синхронного
генератора при больших возмущениях в энергосистеме является
асинхронизированная синхронная машина.
В главе 4 «Разработка и исследование способа применения группы
накопителей энергии для повышения эффективности противоаварийного
управления при больших возмущениях» рассмотрены вопросы выбора
сочетания накопителей энергии для обеспечения динамической устойчивости
генератора, исходя из оптимизации суммарной стоимости, предложен способ
повышения эффективности противоаварийного управления с помощью группы
накопителей энергии, разработана система управления группой накопителей
энергии.
На основе анализа возможности сочетания накопителей энергии
различного типа, определено, что оптимальным сочетанием накопителей
является маховиковый накопитель на базе асинхронизированной синхронной
машины и емкостный накопитель на базе суперконденсатора.
Для уточнения состава оборудования, был проведен частотный анализ
помех, возникающих при коммутации вентилей в составе преобразователя
суперконденсатора. Анализ показал, что при мощности обмена между
суперконденсатором и сетью не более 30 МВт коэффициенты
несинусоидальности кривой напряжения не превышают нормативные значения,
следовательно, установка средств компенсации искажений не требуется.
Данный вывод позволил сформировать зависимость стоимости емкостного
накопителя от его номинальной мощности. На основе выражений,
участвующих в оптимизационном расчете максимального скольжения в главе 3,
сформирована зависимость стоимости маховикового накопителя на базе
асинхронизированной синхронной машины от его номинальной мощности.
С учетом полученных зависимостей проведен оптимизационный расчет
стоимости группы накопителей энергии, который показал, что при
оптимальном распределении мощности между накопителями энергии (70% для
маховикового и 30% для емкостного для рассматриваемого случая) в составе
группового накопителя энергии цена разработанного решения ниже, чем
стоимость одиночного накопителя энергии с эквивалентными параметрами.
На следующем этапе была разработана модель энергосистемы с группой
накопителей энергии для проведения исследований (структурная схема модели
приведена на рис. 7). Модель в себя также включает систему управления
группой накопителей энергии. В задачи системы управления группой
накопителей энергии входят следующие функции:
• расчет требуемой мощности компенсации;
• расчет оптимального распределения мощности между накопителями в
составе группы;
16
• определение параметров управления накопителями энергии (для
емкостного
накопителя
система
определяет
углы
открытия
полупроводникового
преобразователя
накопителя
энергии,
для
маховикового накопителя – напряжения возбуждения по осям d-q).
Результаты моделирования показали достаточность выбранных
характеристик
отдельных
накопителей
энергии
и
правильность
функционирования разработанной системы управления группой накопителей
энергии, а также показали эффективность разработанного способа применения
группового
накопителя
энергии
для
повышения
эффективности
противоаварийного управления путем обеспечения динамической устойчивости
генератора при всех нормативных возмущениях с использованием
маховикового накопителя без отключения генератора.
СУГН
Система управления
группой накопителей
СТ
U=20 кВ
S=35 МВт
АСМ
Ufx
Ufy
ТМ-15000
Y\Y\Y
20\0.5 кВ
H1
ИРТ
Турбина
Система
управления
МН
АРВ
ТГВ-500/20
U=20 кВ
S=588 МВА
СФУ
ПП1
ПП2
P=20 МВт
СК
Т
СГ
К
ТЦ-630000/500У1
Yn\ -11
U=500 кВ
СН-Г2
20\500 кВ
P=100 МВт S=630 МВА
U=20 кВ
H2
U=500 кВ
ВЛ
U=500 кВ
АС-330/43
С
H3
Н-С
P=300 МВт
Рис. 7 Структурная схема моделируемой схемы с группой накопителей энергии. АСМ –
асинхронизированная синхронная машина; МН – маховиковый накопитель; Т – блочный
трансформатор; СГ – синхронный генератор; ВЛ – высоковольтная линия; Н – нагрузка; ИРТ
–импульсная нагрузка турбина; С – электроэнергетическая система; СФУ – система фазного
управления; ПП –полупроводниковый преобразователь; СК – суперконденсатор.
На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:
1. 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.
17
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Установлена
область
применения
разработанных
способов
обеспечения эффективности противоаварийного управления при больших
возмущениях, согласно которой разработанные способы рекомендуются к
применению на станциях, где возникают трудности с обеспечением
динамической устойчивости генератора; при невозможности применения
импульсной разгрузки или в случае значительных задержек сброса мощности
турбины при действии импульсной разгрузки из-за необходимости обеспечения
параметров технологического процесса; на крупных станциях с
низкоманевренными агрегатами (преимущественно АЭС).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В соответствии с поставленной целью и задачами исследования в
диссертационной работе получены следующие основные результаты:
1. Установлена возможность эффективного использования накопителей
энергии некоторых типов для целей противоаварийного управления при
больших возмущениях в энергосистеме.
Показано, что научно-обоснованный выбор типа накопителей
осуществляется на основе совместного анализа технических характеристик
энергосистемы, накопителя, системы противоаварийной автоматики, вида и
интенсивности возмущения в энергосистеме.
Установлено, что наиболее перспективными для решаемой задачи
являются накопители типа суперконденсатор и маховиковый накопитель.
Выявлено, что накопители типа аккумуляторные батареи большой
мощности и свехпроводниковый индуктивный накопитель не могут получить
практического
применения
из-за
неудовлетворительных
параметров
18
обеспечения динамической устойчивости с использованием в составе системы
противоаварийной автоматики.
Показано, что накопители рекомендуемого типа являются эффективным
дополнительным средством повышения динамической устойчивости при
больших возмущениях в энергосистеме.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Проведенные исследования особенностей применения накопителей
электроэнергии различного типа показали, что оптимальными типами
накопителей для цели сохранения динамической устойчивости генератора без
его отключения являются маховиковый накопитель и суперконденсатор.
8. 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
19
позволяет обеспечить динамическую устойчивость генератора при всех
нормативных возмущениях без отключения генератора станции.
9. Установлено, что эффективным типом привода для маховикового
накопителя для целей обеспечения динамической устойчивости синхронного
генератора при больших возмущениях в энергосистеме является
асинхронизированная синхронная машина.
10. 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.
11. 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.
12. 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».
13. Дальнейшие исследования целесообразно направить на изучение
возможности
применения
накопителей
для
обеспечения
участия
низкоманевренных блоков во вторичном регулировании частоты путем
обеспечения нормативных параметров набора и сброса активной мощности
генератора; обеспечения выделения низкоманевренных блоков на собственные
нужды или сбалансированный район при действии частотной делительной
автоматики путем обеспечения нормативных параметров сброса активной
мощности генератора.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Научные статьи, опубликованные в изданиях перечня ВАК:
1. Ефремов Д.Г., Глускин И.З. Повышение динамической устойчивости
электростанции с помощью накопителей энергии // Электричество, №12,
2016. С. 20-27.
2. Ефремов Д.Г., Глускин И.З. Управление маховиковым накопителем с
целью повышения динамической устойчивости станции: Релейная защита
и автоматизация, №2, 2017 с. 18-26.
3. Ефремов Д.Г., Глускин И.З. Повышение динамической устойчивости
генератора с помощью управления группой накопителей энергии
различного вида: Вестник ИГЭУ, №5, 2017 с.
20
Публикации в других изданиях:
4. Ефремов Д.Г., Ефремова И.Ю., Глускин И.З. Управление маховиковым
накопителем энергии. // Двенадцатая международная научно-техническая
конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2017», Том 3,
2017 C. 106-107.
5. Ефремов Д.Г., Ефремова И.Ю., Глускин И.З. Исследование возможности
применения накопителей энергии для целей противоаварийной автоматики //
Вестник российского национального комитета СИГРЭ, Выпуск№ 7 Материалы
Молодежной секции РНК СИГРЭ, 2015. С. 59-62.
6. Ефремов Д.Г., Ефремова И.Ю., Глускин И.З. Исследование возможности
применения накопителей энергии для целей противоаварийной автоматики //
Десятая международная научно-техническая конференция студентов,
аспирантов и молодых ученых «Энергия-2015», Том 3, 2015. С. 129-131.
7. Глускин И.З., Ефремов Д.Г., Ефремова И.Ю. Применение накопителей в
энергосистеме для целей противоаварийной автоматики // Евразийский
научный журнал, №11, 2015.
8. Ефремов Д.Г., Ефремова И.Ю., Глускин И.З. Повышение динамической
устойчивости станции с помощью использования накопителей энергии //
Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов,
аспирантов и молодых ученых «Энергия-2016», Том 3, 2016. С. 128-129.
9. Ефремов Д.Г., Ефремова И.Ю., Глускин И.З. Некоторые вопросы
моделирования накопителей для целей противоаварийной автоматики //
Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцать вторая Междунар.
науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (25—26 февраля 2016 г., Москва):
Тез. докл., Том 3, 2016. С. 335.
10. Ефремов Д.Г., Глускин И.З. Управление маховиковым накопителем энергии
// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцать третья Междунар.
науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (2—3 марта 2017 г., Москва): Тез.
докл., Том 3, 2017. С. 412.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа