Диссертация (Исследование возможности и разработка способов применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме), страница 3

При этом под «большим возмущением» понимают такое возмущение,влияние которого на характер поведения системы существенно зависит от временисуществования, значения и места появления возмущающего воздействия [22].Важно отметить, что устойчивое состояние системы характеризуется синхроннойпараллельной работой генераторов [23].Динамическая устойчивость отдельного генератора оценивается с точкизрения сохранения режима выдачи мощности в сеть (без нарушения синхронизма)в случае внезапных, значительных изменений в цепи электропередачи. Одним изсерьезнейших нарушений установившегося режима синхронного генератораявляется короткое замыкание [24].13Для описания переходных процессов, возникающих в результате измененияпараметров энергосистемы, используется уравнение движения ротора генератора[24]:= т − г = Δ,(1.1)где т – вращающий момент на валу энергетического двигателя (турбины), г –момент сопротивления (тормозной момент, электромагнитный момент) на валугенератора; – угловая частота вращения вала агрегата; – суммарный моментинерции энергетического двигателя (турбины) и генератора; Δ – небалансмоментов.Уравнение (1.1) также называется уравнением динамического равновесия,т.к.

при равенстве моментов угловая частота вращения ротора генератора неизменяется (т.е. генератор находится в состоянии равновесия) [24].Электромагнитный момент в общем случае определяется по следующейформуле [25]: 2 11(1.2)г =sin() +( − ) sin(2),1 21 где – число полюсов статора генератора; – напряжение на шинах генератора; – ЭДС генератора; 1 – угловая частота вращения генератора; , –операторные сопротивления синхронной машины соответственно по продольной ипоперечной осям; – угол нагрузки генератора (угол между вектором ЭДС статораи напряжением).Важно отметить, что численное значение электромагнитного моментасинхронного генератора определяется энергией, рассеиваемой на активномсопротивлении 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, далеедля упрощения рассуждений будет рассматриваться неявнополюсный синхронныйгенератор, у которого индуктивные сопротивления по продольной и поперечнойосям равны, соответственно второе слагаемое для выражения электромагнитногомомента (называемое также реактивным моментом) обращается в нуль, т.е.:14(1.3)sin(),1 где – число полюсов статора генератора; – напряжение на шинах генератора;г = – ЭДС генератора; 1 – угловая частота вращения генератора; , –операторные сопротивления синхронной машины соответственно по продольной ипоперечной осям; – угол нагрузки генератора (угол между вектором ЭДС статораи напряжением).Рассмотрим изменение величины электромагнитного момента генераторапри возникновении внезапного короткого замыкания.1) При коротком замыкании изменяется характер тока статора: если внагрузочном режиме, характеризующимся номинальным коэффициентоммощности генератора 0.8…0.9 [26], преобладает активная составляющаятока 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 короткогозамыкания имеет преимущественно индуктивный характер). Причемактивная составляющая тока статора уменьшается тем сильнее, чемменьше сопротивление до точки короткого замыкания и чем меньшезначениепереходногосопротивления.Уменьшениеактивнойсоставляющей тока снижает угол нагрузки в (1.2), что приводит кснижению электромагнитного момента.2) При коротком замыкании также снижается напряжение на шинахгенератора, что, аналогично пункту 1), уменьшает электромагнитныймомент (см.

(1.3)). Уровень снижения напряжения также зависит от типа,места короткого замыкания и значения переходного сопротивления.Таким образом, режим короткого замыкания характеризуется уменьшениемэлектромагнитного момента генератора. При этом, в связи с тем, что моменттурбины остается неизменным, нарушается баланс моментов по (1.1), что приводитк неконтролируемому увеличению скорости генератора – т.е.

выход генератора изсинхронизма. В связи с опасностью работы в асинхронном режиме без потери15возбуждения как генератора (из-за возникновения локальных перегревов,недопустимых асинхронных моментов, больших уравнительных токов [24]), так исамой энергосистемы (из-за протекания токов качаний, зачастую превышающихтоки короткого замыкания, колебаний активной мощности [27]), асинхронныйрежим в энергосистеме недопустим [24].1.2.Существующие методы и средства обеспечения устойчивостиВ настоящее время задача сохранения устойчивости энергосистемы (в томчисле динамической) возлагается на автоматику предотвращения нарушенияустойчивости (АПНУ).

АПНУ предназначена для предотвращения нарушенияустойчивости параллельной работы электростанций, энергосистем, устойчивостиузлов двигательной нагрузки при аварийных возмущениях и обеспечения впослеаварийныхрежимахнормативныхзапасовустойчивости.АПНУосуществляет контроль режима района управления, фиксацию возмущений, выбори реализацию управляющих воздействий [28].При работе АПНУ формирует и реализует следующие управляющиевоздействия [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) изменениережимовработыиэксплуатационногосостоянияуправляемых элементов электрической сети.Для сохранения динамической устойчивости применяются управляющиевоздействия 1), 3), 5), 8) [28, 29].16Структурная схема АПНУ в части предотвращения нарушения динамическойустойчивости приведена на рис.

1.1 [29] (ранее в литературе данная функциявыделялась в виде отдельной автоматики – автоматики разгрузки при близких илизатяжных коротких замыканиях – АРБКЗ, АРЗКЗ).Пусковой орган (ПО), выявляющий интенсивность возмущения – устройствофиксации тяжести короткого замыкания (ФТКЗ) – подключается к цепямпеременного тока и напряжения контролируемого генератора.

В зависимости отисполнения, пусковой орган контролирует либо сброс активной мощности блока,либо глубину снижения напряжения прямой последовательности на шинах станции[30] и формирует соответствующий сигнал срабатывания («затяжное короткоезамыкание (ЗКЗ)», «близкое короткое замыкание (БКЗ)». Указанные сигналыпередаются в автоматику дозировки воздействий (АДВ), которая на основезаложенной таблицы дозировки (ТД) формирует требуемое управляющеек сетиТурбинавоздействие [31].ИРТАДВОГТДЗКЗ,БКЗПОФТКЗРис. 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 короткоезамыкание.Далее рассмотрены применяемые управляющие воздействия и данынекоторые замечания по их эффективности.Кратковременная разгрузка турбиныКратковременная разгрузка турбины как средство противоаварийногоуправления применяется с целью компенсации избыточной кинетической энергии,приобретенной за время короткого замыкания и бестоковой паузы автоматикиповторного включения линии [32]. Таким образом, разгрузка применяется для17снижения небаланса моментов по выражению (1.1) путем снижения моментатурбины т .Кратковременная разгрузка турбины с целью сохранения динамическойустойчивости выполняется только для тепловых турбин; кратковременнаяразгрузка гидротурбин, несмотря на некоторые предложения в этой области [33,34], из-за недостаточного быстродействия системы регулирования, на практикепрактически не применяется [35, 31].Основной недостаток импульсной разгрузки заключается в том, что дляполучения достаточной скорости разгрузки приходится иметь чрезмернуюразгрузку [36].

Чрезмерная разгрузка приводит к значительному увеличениюамплитуды колебаний взаимного угла в послеаварийном режиме [35], кроме тогосуществует опасность переторможения и потери устойчивости на втором циклесинхронных качаний [32].Отключение генераторовОтключение генератора применяется как средство сохранения динамическойустойчивости в случае отсутствия, невозможности или неэффективностииспользования других, более благоприятных видов воздействия [30].Эффективность отключения генератора заключается в двух основныхфакторах: уменьшение небаланса моментов эквивалентного генератора (т.е.математического эквивалента ускоряющейся части энергосистемы [37]) иснижения постоянной инерции эквивалентного генератора (Δ и по формуле (1.1)соответственно).Кнедостаткамотключениягенераторакаксредствасохранениядинамической устойчивости можно отнести следующие: отключение гидрогенератора приводит к повышенным нагрузкам наподпятник и обмотку возбуждения, что негативно сказывается на срокеслужбы оборудования [38]; включение отключенного турбогенератора возможно только спустя0.5-3 часа [38], что снижает экономическую эффективность генерации18энергии, для атомных станций время включения отключенногогенератора достигает нескольких десятков часов; эффективность отключения генератора напрямую зависит от времениотключения (при увеличении времени отключения эффективностьуправляющего воздействия падает вплоть до отсутствия влияния наустойчивость), а также от удаленности точки короткого замыкания[32]; отключение генератора приводит к снижению генерации реактивноймощности в послеаварийном режиме, что может привести к снижениюпропускной способности связей [38].Форсировка возбужденияФорсировка возбуждения предназначена для сохранения устойчивостипараллельной работы генератора при коротком замыкании в прилегающейсети [39].

Форсировка увеличивает ЭДС генератора ( по формуле (1.3)), чтоприводит к увеличению значения электромагнитного момента и снижениюнебаланса моментов.Форсировкаповышениявозбуждениядинамическойявляетсяустойчивости,высокоэффективнымоднакоимеетсредствомограничениепомаксимальному (потолочному) значению тока и напряжению возбуждения(кратности форсировки) и ограничена по длительности [40].Внастоящеевремяфорсировкавозбужденияявляетсяфункциейавтоматического регулятора возбуждения сильного действия [40] и в общем случаереализация данного управляющего воздействия от устройства автоматикипредотвращения нарушения устойчивости не требуется [30, 35].Электрическое торможениеПодподключениеэлектрическимнагрузочныхторможением(тормозных)понимаетсясопротивленийцеленаправленноелибоизменениепараметров схемы системы, например, сопротивлений некоторых заранеевыбранных элементов схемы, влияющих на изменение нагрузки генераторов [41].19Электрическое торможение позволяет увеличить электромагнитный моментза счет подключения к генератору дополнительной нагрузки, т.е.

увеличиваетактивную составляющую тока статора (в формуле (1.3) этому соответствуетувеличение угла нагрузки генератора ).Несмотря на высокую эффективность, электрическое торможение пока неполучило широкого распространения (устройства электрического торможения всвое время были установлены на Зейской, Бурейской и Братской ГЭС, ГЭС ЧифДжозеф (США) [42]). Широкому распространению электрического торможения,по-видимому, препятствуют следующие причины: возможность переторможенияиз-за дискретности наборных сопротивлений [35], необходимости изготовленияспециального коммутационного аппарата [30].1.3.Применение накопителей энергии для цели обеспеченияэффективности противоаварийного управления при большихвозмущениях в энергосистемеОчевидно, что в связи с скоротечностью протекания процесса при большихвозмущениях (а именно процесса короткого замыкания, до 1 с [22]), а также в связис необходимостью быстрого снижения небаланса моментов (см.