Диссертация (Исследование возможности и разработка способов применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме), страница 10

Временные диаграммы переходного процессаP, x105 ВтМощность накопителяI, АТок накопителяE, x104ДжЭнергия обмена накопителя с сетьюδ, градУгол нагрузки генератора (E^U)t, сt, сt, сt, сВывод: устойчивость нарушена из-за низкого напряжения на зажимахсетевой обмотки трансформатора связиРис. 2.18 Режим №1. Аккумуляторные батареи большой мощности.

Временныедиаграммы переходного процесса64P, x108 ВтМощность накопителяI, x105АТок накопителяE, x107ДжЭнергия обмена накопителя с сетьюδ, градУгол нагрузки генератора (E^U)t, сt, сt, сt, сВывод: устойчивость сохранена (превышение максимальной скоростиизменения тока)Рис. 2.19 Режим №2. СПИН. Временные диаграммы переходного процессаP, x107 ВтМощность накопителяI, x104АТок накопителяE, x106ДжЭнергия обмена накопителя с сетьюδ, градУгол нагрузки генератора (E^U)t, сt, сt, сt, сВывод: устойчивость сохраненаРис. 2.20 Режим №2. Маховиковый накопитель.

Временные диаграммы переходного процесса65P, x107 ВтМощность накопителяI, x104АТок накопителяE, x106ДжЭнергия обмена накопителя с сетьюδ, градУгол нагрузки генератора (E^U)t, сt, сt, сt, сВывод: устойчивость сохраненаРис. 2.21 Режим №2. Суперконденсатор. Временные диаграммы переходного процессаP, x105 ВтМощность накопителяI, АТок накопителяE, x104ДжЭнергия обмена накопителя с сетьюδ, градУгол нагрузки генератора (E^U)t, сt, сt, сt, сВывод: устойчивость нарушена из-за низкой скорости изменения токаРис. 2.22 Режим №2. Аккумуляторная батарея большой мощности. Временныедиаграммы переходного процесса66P, x108 ВтI, x105АМощность накопителяТок накопителяE, x107ДжЭнергия обмена накопителя с сетьюδ, градУгол нагрузки генератора (E^U)t, сt, сt, сt, сВывод: устойчивость сохранена (превышение максимальной скоростиизменения тока)Рис. 2.23 Режим №3.

СПИНЭ. Временные диаграммы переходного процессаP, x108 ВтI, x105АМощность накопителяТок накопителяE, x107ДжЭнергия обмена накопителя с сетьюδ, градУгол нагрузки генератора (E^U)t, сt, сt, сt, сВывод: устойчивость сохраненаРис. 2.24 Режим №3. Маховиковый накопитель. Временные диаграммы переходного процесса67P, x107 ВтI, x104АМощность накопителяТок накопителяE, x107ДжЭнергия обмена накопителя с сетьюδ, градУгол нагрузки генератора (E^U)t, сt, сt, сt, сВывод: устойчивость сохраненаРис. 2.25 Режим №3.

Суперконденсатор. Временные диаграммы переходного процессаP, x105 ВтМощность накопителяI, АТок накопителяE, x104ДжЭнергия обмена накопителя с сетьюδ, градУгол нагрузки генератора (E^U)t, сt, сt, сt, сВывод: устойчивость нарушена из-за низкой скорости изменения токаРис. 2.26 Режим №3 Аккумуляторная батарея большой мощности. Временныедиаграммы переходного процесса68ВыводыПо результатам исследований, проведенных в рамках главы, полученыследующие выводы [16, 15, 13]:1.

Разработана и исследована система управления полупроводниковымпреобразователем накопителя энергии, которая позволяет в автоматическомрежиме на основе величины сброса мощности генератора определять требуемыеуглы открытия вентилей преобразователя для создания накопителем энергиитребуемого для сохранения динамической устойчивости электромагнитногомомента на валу генератора в режиме короткого замыкания.2. Проведенные исследования особенностей применения накопителейэнергии различного типа показали, что эффективными типами накопителей дляцели сохранения динамической устойчивости генератора без его отключенияявляются маховиковый накопитель и суперконденсатор.693. Разработка и исследование способа применениямаховиковых накопителей для повышенияэффективности противоаварийного управления прибольших возмущениях в энергосистемеВ рамках данной главы производится выбор эффективного типа накопителяэнергии для повышения эффективности противоаварийного управления прибольших возмущениях в энергосистеме; уточняются параметры выбранногонакопителя энергии; формируется способ применения накопителя энергии дляповышенияэффективностипротивоаварийногоуправленияприбольшихвозмущениях, разрабатывается модель энергосистемы с выбранным накопителемэнергии и система управления данным накопителем энергии, проводятсяисследования эффективности предложенного способа.3.1.Выбор оптимального типа накопителя энергии для повышенияэффективности противоаварийного управления при большихвозмущенияхСогласно результатам главы 2, целесообразными типами накопителейэнергии для повышения эффективности противоаварийного управления прибольших возмущениях являются суперконденсатор и маховиковый накопительэнергии (см.

раздел 2.6).Также в процессе анализа параметров накопителей энергии были приведеныудельные стоимости энергии для разных типов накопителей (см. табл. 2.3). Длясуперконденсаторов удельная стоимость составляет 140тыс.долл.маховикового накопителя данная величина составляет 20МДж, тогда как длятыс.долл.МДж, кроме того,суперконденсаторы характеризуются относительно большим током саморазряда[89]. Данная информация позволяет сделать вывод, что из рассматриваемых видовнакопителей энергии эффективным для решения поставленной задачи являетсяименно маховиковый накопитель.703.2.Общие сведения о параметрах маховикового накопителяВ настоящее время производство маховиков осуществляется как в России,так и в других странах.

Производимые маховиковые накопители имеютвертикальное исполнение (см. рис. 3.1) [90].корпусверхний подшипникприводмаховикнижний подшипникРис. 3.1 Маховиковый накопитель POWERBRIDGE компании Piller [90]Маховиковыйконструкции:накопительпривод(вимеетвидеследующиеобратимойкомпонентыэлектрическойвсвоеймашины),предназначенный для преобразования электрической энергии в кинетическую инаоборот; маховик, осуществляющий запасание энергии в виде кинетическойэнергии вращающегося тела; опорные подшипники.Обычно выделяют два основных класса маховиковых накопителей:высокоскоростные и низкоскоростные [91]. Основные параметры данных типовмаховиковых накопителей приведены в табл.

3.1.Анализ таблицы табл. 3.1 показывает, что, исходя из назначения, цены,предпочтение типа маховикового накопителя для повышения эффективностипротивоаварийного управления при больших возмущениях стоит отдатьнизкоскоростным маховиковым накопителям. Однако дополнительно необходимоуточнить тип привода для маховикового накопителя, чтобы окончательноопределить конструкцию машины.71Табл.

3.1 Сравнение характеристик высокоскоростных и низкоскоростныхмаховиковых накопителей [91]НизкоскоростноймаховиковыйнакопительВысокоскоростноймаховиковыйнакопительСкорость вращенияДо 10000 об/минБолее 10000 об/минМатериал маховикаСтальКомпозитные материалы(стекловолокно и карбон)Типы приводов (машин)Асинхронные,синхронные вентильные,реактивныеСинхронные вентильные,реактивныеСреда внутри корпусаНизкий/средний вакуумили газВысокий вакуум2 х Вес маховика1/2 х Вес маховикаТип подшипниковМеханические илисмешанные (механическиеи магнитные)МагнитныеОсновное назначениеКачество электроэнергии,регулирование перетоковТяговый транспорт,авиакосмическая отрасльОтносительная цена15ПараметрВес корпусаВыбор типа привода для маховикового накопителя для повышенияэффективности противоаварийного управления при больших возмущенияхПривод маховикового накопителя и его система управления являютсяодними из наиболее сложных и ответственных узлов накопителя.

К нимпредъявляются следующие требования [92]: возможность работать как в режиме генератора, так и в режимедвигателя; высокий уровень КПД как в режиме генератора, так и в режимедвигателя; обеспечение качественного регулирования скорости; низкие потери в роторе; обеспечение высокой выходной мощности; возможность формировать значительные электромагнитные моментыбез повреждения; длительный срок службы без ремонта;72 надежную работу, простое обслуживание, высокую термическуюстойкость.В настоящее время в качестве приводов для маховикового накопителяприменяют следующие виды электрических машин [91]: асинхронные машины(авторы в [91] к асинхронным машинам также относят машины с двойнымпитанием), реактивные электрические машины (или машины с переменныммагнитным сопротивлением) и машины с постоянными магнитами на роторе.Асинхронные машины используют для маховиковых накопителей большоймощности из-за их простоты, высокого электромагнитного момента и низкойстоимости.

Основными недостатками данных машин является ограничение вмаксимальном скольжении, сложное управление и высокие требования кобслуживанию. Машины с двойным питанием находят свое применение в качествепривода для маховикового накопителя из-за возможности гибкого управлениямощностью обмена между накопителем энергии и сетью, сниженных требований ксиловой электронике из-за того, что управление потоком энергии осуществляетсяне в цепи статора, а в цепях возбуждения.Машины с переменным магнитным сопротивлением надежны, имеют низкиепотери при работе в режиме холостого хода и широкие пределы регулированияскорости вращения.

Данные машины имеют более простое управление посравнению с асинхронными машинами при работе на высоких скоростях. С другойстороны, машины с переменным магнитным имеют низкий коэффициентмощности и низкую удельную мощность, кроме того обладают высокойпульсацией крутящего момента. Реактивная синхронная (РСМ) и реактивнаяшаговаямашина(РШМ)каквидымашинспеременныммагнитнымсопротивлением используются для высокоскоростных маховиковых накопителей.Машины с постоянными магнитами на роторе наиболее часто используютдля маховиковых накопителей из-за их высокой эффективности, высокой удельноймощности и низких потерях в роторе [14].

Основные типы применяемых машин спостоянными магнитами следующие: синхронная вентильная машина (СВМ) ибесколлекторная машина постоянного тока (БМПТ) [93].73Табл. 3.2 Сравнение приводов для маховикового накопителя [93]Асинхронная (сдвойным питанием)С переменныммагнитнымсопротивлениемС постояннымимагнитамиВысокаяСредняя и низкаяСредняя и низкаяСредние (~0.7 кВт/кг)Средние (~0.7 кВт/кг)Высокие (~0.7 кВт/кг)Потери на ХХ0 при снятии поля0 при снятии поляПрисутствуютКПДВысокий (93.4%)Высокий (93%)Очень высокий (95%)ВекторноеРСМ: векторноеРШМ: цифровоеСВМ: векторноеБМПТ: цифровоеСреднийСреднийНизкийПульсация моментаСредняя (7.3%)Высокая (24%)Средняя (10%)Отношение макс.

кбазовой скоростиСреднее (>3)Высокое (>4)Низкое (<2)НетНетПри перегревеНизкая (22 €/кВт)Низкая (24 €/кВт)Низкая (38 €/кВт)Низкая стоимостьУстойчивость кперегревуНизкие потери,высокий КПДПростое производствоВысокие перегрузкиВысокая уд.

мощностьНалаженноепроизводствоНизкие потери припускеВысокий удельныймоментУправление cos φПростое рассеиваниетеплаМаленький размер,низкий весНет размагничиванияНизкие потери,высокий КДПНет обмоткивозбужденияМашинаМощностьУдельная мощностьУправлениеПредел прочностиРазмагничиваниеСтоимостьПреимуществаВысокая энергоемкость Высокая уд. мощностьНет потерь на ХХНедостаткиПростое управлениеВысокая надежностьОграниченная скоростьСложная структураНедопустимы темп.перегрузкиБольшой размерСложное производствоРазмагничиваниеВысокие потериНизкий cos φВысокая стоимостьПульсация момента,вибрацияХрупкие материалыСложное регулированиескоростиСложность расчетапотока в зазореВ табл.