Диссертация (Исследование возможности и разработка способов применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме), страница 4

формулу (1.1)) дляпредотвращения выхода из синхронизма контролируемого генератора, кнакопителямэнергии,используемымдляподдержаниядинамическойустойчивости, предъявляется, в первую очередь, требование по быстродействию –выдача высокой мощности за короткий период времени.На рис. 1.2 приведены характеристики быстродействия накопителей энергииразличного типа. Данный рисунок позволяет определить типы накопителейэнергии, которые могут быть использованы для повышения эффективностипротивоаварийного управления в условиях необходимости предотвращениянарушениядинамическойустойчивости,аименно:сверхпроводниковыеиндуктивные накопители (СПИН), маховиковые (кинетические) накопители,суперконденсаторы (емкостные) накопители и аккумуляторные батареи большоймощности (электрохимические накопители).20Рис. 1.2 Сравнение быстродействия накопителей энергии различного типаПрименение СПИН в современной электроэнергетикеСверхпроводниковые индуктивные накопители энергии запасают энергию вмагнитном поле индуктивной катушки из сверхпроводника, образуемомпротеканием постоянного тока.

[43]В Германии в Мюнхенском техническом университете с 1992 г.проводились экспериментальные исследования функционирования СПИН приразличных способах его применения. Для этого был разработан пилотный проектСПИН энергоемкостью порядка 1,4 МДж [44].В Испании с 1993 г.

проводятся эксперименты по различным схемамтиристорных преобразователей, оценке тепловых потерь, а также по режимамработы СПИН в энергосистеме [45]. Для этих целей осуществлялся проект АМАС500 по созданию СПИН энергоемкостью 1 МДж с максимально выдаваемоймощностью 500 кВт. В рамках данного проекта был создан экспериментальныйСПИН энергоемкостью 25 кДж с максимально выдаваемой мощностью 50 кВт [45].Совместная разработка фирмы «Babcock&Wilcox» и Анкориджскойэнергокомпании «Municipal Light and Power» накопителя энергии энергоемкостью1800 МДж с максимально выдаваемой мощностью 40 МВт является самымкрупным из реализованных в рамках применения в электроэнергетической системепроектов СПИН.

Указанный накопитель предназначен для поддержания21нормального уровня частоты, регулирования напряжения, регулирования выдачимощности генератора, демпфирования колебаний мощности по высоковольтнойлинии [46].В Японии с 1988 г. ведутся разработки применения сверхпроводимости вэлектроэнергетических системах [47]. При этом уделяется большое внимание нетолько созданию СПИН, но и различным способам их применения. Известенпроект подключения СПИН к обмотке возбуждения генератора [48], чтоспособствует уменьшению энергии и мощности накопителя энергии придемпфировании колебаний ротора генератора.Большое внимание было уделено накопителям энергии, позволяющимбыстро изменять распределение мощности. Эти накопители энергии характеризуетменьшее количество запасаемой энергии. В 1983 г.

в Лос-Аламосской лабораториибыл создан накопитель энергии энергоемкостью 30 МДж с максимальновыдаваемой мощностью 10 МВт [49]. Он был установлен на подстанции Такомадля демпфирования колебаний частотой 0,35 Гц.В России проводились работы в области применения СПИН вэлектроэнергетике, как в части проектирования самих накопителей энергии, так ив части исследования влияния накопителей энергии на устойчивость энергосистем[50] и улучшения экономических показателей их работы [51], а также для целейиспользования в энергоустановках железнодорожного транспорта [52].В современных публикациях СПИН рассматривается преимущественно длякомпенсации как кратковременных, так и длительных просадок напряжения [53];рассматривается применение в составе системы автоматического управлениягенераторами [54]; для стабилизации выдачи мощности от ветрогенераторов [55].Обзор существующих работ и внедрений в области разработки иприменения СПИН позволяют сделать следующие выводы:1) в настоящее время в технической литературе не рассматривается вопросприменения СПИН для обеспечения эффективности противоаварийногоуправления при больших возмущениях в энергосистеме;222) предварительная оценка параметров разработанных и перспективныхСПИН позволяют рассматривать СПИН в качестве средства повышениядинамической устойчивости генератора.Применение маховиковых накопителей в современной энергетикеМаховиковые накопители запасают кинетическую энергию при разгонеротора, чтобы отдать ее в нужный момент в виде электроэнергии.

В качестверазгонного двигателя и средства отбора электроэнергии обычно используетсявертикальный двигатель-генератор [43].Современные маховиковые накопители представляет собой барабан,изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонкихвитков стальной, пластичной ленты, стекловолокна или углеродных композитов(автор идеи – советский ученый Гулиа Н.В. [56]).

За счёт этого обеспечиваетсявысокая прочность на разрыв. Для уменьшения потерь на трение маховикпомещается в вакуумированный кожух. Зачастую используется магнитный подвес.Один из лидеров в создании маховиковых накопителей – компания Unerco –разработала накопители типа KESS. Ротор маховика из стеклоуглероднойкомпозиции длиной 900 мм и диаметром 330 мм имеет массу 110 кг. Ротор покрытмагнитным композитом, намагниченным с образованием полюсов двигательгенератора. Ротор вращается в вакууме на магнитных подшипниках с частотойоколо 40 тыс. об/мин. Рабочая частота данного накопителя энергии – 630 Гц.Накопитель KESS выдает 11 МДж энергии, время отдачи с полной мощностью —44 с.

Расчетный срок службы — 20 лет или 10 млн циклов разряда. Накопителимогут соединяться в группы общей мощностью до 2,4 МВт [57, 58].Успешным примером применения маховиковой системы как средствавоздействия на режим сети является накопительная установка ROTES,разработанная компанией Toshiba. Система представляет собой вертикальныйдвигатель-генератор мощностью 26.5 МВА с маховиком на валу. Маховой моментGD2 системы — 710 тм2. Установка ROTES работает с 1996 г. в изолированнойэнергосистеме острова Окинава и существенно снижает колебания частоты всистеме при работе электропечей (колебания нагрузки порядка 30 МВт при полном23потреблении острова 400-1200 МВт).

Особенностью установки ROTES являетсяприменение для двигатель-генератора машины с двойным питанием, что позволяетрегулировать частоту ее вращения и тем самым поглощать или отдаватьнакопленную в маховых массах энергию в сеть [57, 59].В России был разработан эскизный проект маховикового накопителя наоснове асинхронизированной машины вертикального исполнения мощностью200 МВт [60].В современных публикациях маховиковый накопитель рассматриваетсяпреимущественно как средство выравнивания графиков нагрузки [61]; дляснижения колебаний активной мощности и напряжения, вырабатываемойветрогенераторами [9]; для обеспечения быстрой зарядки электротранспорта [10];локализации последствий коротких замыкания на передачах постоянного токавысокого напряжения, применяемых для выдачи мощности в сеть от морскихветростанций [8].Обзор существующих работ и внедрений в области разработки иприменения маховиковых накопителей позволяют сделать следующие выводы:1) в настоящее время в технической литературе не рассматривается вопросприменения маховиковых накопителей для целей противоаварийногоуправления при больших возмущениях в энергосистеме;2) предварительная оценка параметров разработанных и перспективныхмаховиковых накопителей позволяют рассматривать их в качествесредства повышения динамической устойчивости генератора.Применение суперконденсаторов в современной энергетикеСуперконденсаторы — усовершенствованные конденсаторы, работающие напостоянном напряжении и имеющие очень высокую плотность заряда благодарявыбору конструкции и обработке материала электродов.

Большая емкость такихконденсаторов (порядка нескольких фарад) позволяет накапливать значительнуюэнергию, отдаваемую в нужный момент в виде больших токов. Срок службы утаких конденсаторов много выше, чем у обычных [43].24Суперконденсаторы относятся к разряду накопителей короткого времени иконкурируют с маховиками и СПИН, однако более компактны и просты [57].ДвухслойныеконденсаторыкорпорацииMeidenshaтипаEDLCиспользуются в установке для покрытия провалов напряжения, 70 ячеек по 4.5 Фна напряжение 160 В позволяют гасить провалы длительностью 1 с на напряжении6600 В при нагрузке 10 МВА [5].ОсновныеразработкиОИВТРАНвобластиприменениясуперконденсаторов внедряет в промышленное производство совместно с ведущимпроизводителем наборных суперконденсаторов в России ЗАО «НПО «ТехноКор».Эта фирма производит наборные суперконденсаторы с номинальным напряжениемот 12 до 420 В, емкостью от 0.1 до 500 Ф, запасенной энергией от 5 до 150 кДж,мощностью импульсного разряда до 100 кВт при токе разряда до 5000 А исохраняющими свои характеристики при практически неограниченном количествециклов заряд-разряд [62].В современных публикациях суперконденсатор рассматривается каксредство запасения энергии в составе энергетической установки автономноготранспортного средства для повышения эффективности функционирования системтягового электропривода [63]; как средство стабилизации выдачи мощности отсолнечных электростанций [11]; для сглаживания резкопеременного графикавыдачи мощности от приливных электростанций [64]; для исключения отключенияморской ветростанции от сети при снижении напряжения в результате короткогозамыкания [65].Обзор существующих работ и внедрений в области разработки иприменения суперконденсаторов позволяют сделать следующие выводы:1) в настоящее время в технической литературе не рассматривается вопросприменениясуперконденсаторовдляцелейпротивоаварийногоуправления при больших возмущениях в энергосистеме;2) предварительная оценка параметров разработанных и перспективныхсуперконденсаторов позволяют рассматривать их в качестве средстваповышения динамической устойчивости генератора.25Применение аккумуляторных батареи большой мощности в современнойэнергетикеАккумуляторная батарея – два или более аккумуляторов (элементов),соединенных между собой и используемых в качестве источника электрическойэнергии [66].В настоящее время в энергетике применяют преимущественно следующиевиды батарей: свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, литий-ионные [5].В настоящее время аккумуляторные батареи большой мощности активноприменяются на объектах в системах энергоснабжения крупных городов [60]: запуск электростанции «с нуля» после ее внезапного выхода из работы из-зааварии в сети (остановка турбин); снятие перегрузок распределительной сети при прохождении максимумовнагрузки [67]; в производствах, чувствительных не только к длительным нарушениямэлектроснабжения, но и к кратковременным; дляпредотвращениялавинынапряженияврайонахсбольшимсосредоточением синхронной двигательной нагрузки.Известен проект ФСК по поставке двух сетевых накопителей на ПС 220кВ«Псоу» (г.