Диссертация (Исследование возможности и разработка способов применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме), страница 5

Сочи) и «Волхов-Северная» (г.Санкт-Петербург) компанией ENER1мощностью 1500 кВт, разработчики ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» и другие [60].В Фербенксе (Аляска, США) установлена одна из самых большихаккумуляторных установок – мощностью до 46 МВт – для обеспечениянепрерывности питания сети [5].В современных публикациях аккумуляторные батареи большой мощностирассматривают преимущественно в качестве накопителя энергии для сглаживанияколебаний мощности генерации солнечной генерации [68], для сниженияколебаний мощности в сети [69], для управления перетоками в сети [70].Обзор существующих работ и внедрений в области разработки иприменения аккумуляторных батарей большой мощности позволяют сделатьследующие выводы [12, 17]:261) в настоящее время в технической литературе не рассматривается вопросприменения аккумуляторных батарей большой мощности для целейпротивоаварийного управления;2) предварительная оценка параметров разработанных и перспективныхаккумуляторных батарей большой мощности позволяют рассматривать ихв качестве средства повышения динамической устойчивости генератора.ВыводыВнастоящеевремядляцелейпротивоаварийногоуправлениярассматривается преимущественно СПИН, в связи с этим в области применениянакопителей энергии остаются сохраняющими актуальность следующие вопросы[20]:• использованиенакопителейэнергии(кромеСПИН)дляцелейпротивоаварийной автоматики;• использование групп накопителей энергии и выбор оптимальногосочетаниядляреализацииуправляющихвоздействийпротивоаварийнойавтоматики при больших возмущениях;• алгоритмы управления как отдельными накопителями энергии, так игруппой накопителей энергии для обеспечения динамической устойчивостигенератора.Привлечение накопителей энергии для задачи обеспечения динамическойустойчивости генератора позволит реализовать практически безынерционноеуправляющее воздействие на изменение мощности накопителя, что приведет кулучшению условий обеспечения динамической устойчивости и возможностисохранениядинамическойустойчивостибезнеобходимостиотключениягенерирующего оборудования.Таким образом, разработка способов применения современных средств,таких как накопители энергии, для повышения эффективности противоаварийногоуправления при больших возмущениях с учетом особенностей современныхэнергосистем является важной и актуальной задачей.27Таким образом, цель исследования формулируются следующим образом:«исследование возможности и определение области и способов применениянакопителей энергии различного типа для задач противоаварийного управленияпри больших возмущениях в энергосистеме».

Для решения поставленной целинеобходимо решить следующие задачи: исследованиевозможностиприменениянакопителейэнергииразличного типа для решения задачи обеспечения динамическойустойчивости генератора при больших возмущениях; разработкаиисследованиеспособаприменениямаховиковыхнакопителей для повышения эффективности противоаварийногоуправления при больших возмущениях в энергосистеме; разработка и исследование способа применения группы накопителейэнергиидляповышенияэффективностиуправления при больших возмущениях.28противоаварийного2.

Исследование возможности применения накопителейэнергии различного типа для решения задачиобеспечения динамической устойчивости генератора прибольших возмущенияхВ рамках данной главы исследуется способы подключения накопителяэнергииксети,разрабатываетсяиисследуетсясистемауправленияполупроводниковым преобразователем накопителя энергии, формируется модельэнергосистемы с накопителем энергии, рассчитываются параметры накопителейэнергии и проводятся исследования на разработанной модели возможностиприменения накопителей различного типа для обеспечения эффективностипротивоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.2.1.Предложения по применению накопителей энергии как средстваповышения динамической устойчивостиВ связи с тем, что в настоящее время все большее распространение во всехсферах электроэнергетики получают различные типы накопителей энергии, а такжес учетом ограничений применяемых управляющих воздействий, в рамках даннойработыпредлагаетсядляповышенияэффективностипротивоаварийногоуправления заменить часть применяемых в настоящее время управляющихвоздействий для сохранения динамической устойчивости отавтоматикипредотвращения нарушения устойчивости на воздействия на накопители энергии.С учетом данного предложения, структурная схема противоаварийнойавтоматики в части АПНУ, работающей совместно с накопителем (или группойнакопителей) энергии, представлена на рис.

2.1.Для того, чтобы накопитель энергии обеспечивал обмен энергии с внешнейсетью, он должен включать в себя по крайней мере два блока [6]: устройство управления (УУ) потоком энергии, регулирующее ипреобразующее энергию одного рода в другой в соответствии сзаконом изменения мощности;29 аккумулирующий элемент (АЭ, накопитель энергии), непосредственнок сетиТурбиназапасающий и хранящий энергию.УстройствоуправленияСУПУНакопительИРТАДВОГТДЗКЗ,БКЗПОФТКЗРис.

2.1 Структурная схема АПНУ с накопителем энергии. СУ – система управления; ПУ– параметр управления; ПО – пусковой орган; ФТКЗ – устройство фиксации тяжести короткогозамыкания; АДВ – автоматика дозировки воздействий; ТД – таблица дозировки; ИРТ –импульсная разгрузка турбины; ОГ – отключение генератора; ЗКЗ – затяжное короткоезамыкание; БКЗ – близкое короткое замыкание.Закон управления задается в системе управления (СУ), осуществляющейрасчет параметра управления (ПУ) и передачу его в устройство управления.Даннаяструктурапозволиторганизоватьпотреблениеизбыточнойкинетической энергии, возникающей в результате небаланса электромагнитногомомента генератора и момента турбины, что приведет к снижению указанногонебаланса и сохранению параллельной работы генератора.Предложенноевоздействийнарешениеобеспечитотключениеснижениегенератора,числауправляющихформируемыхсистемойпротивоаварийной автоматики с целью сохранения динамической устойчивости,что приведет к повышению эффективности генерирования электроэнергии и кобщему повышению надежности и живучести энергосистемы.Повышение эффективности генерирования электроэнергии осуществляетсяза счет:1) повышение коэффициента использования установленной мощности(КИУМ) за счет снижения времени простоя генерирующего оборудованияиз-за отключения по условию обеспечения динамической устойчивости;2) повышение срока службы генератора из-за снижения числа аварийныхотключений;303) повышениясрокаслужбыкоммутационногооборудованияиз-заснижения числа аварийных отключений;4) предотвращения возможных ограничений со стороны регулирующихоргановнамаксимальнуюневозможностиобеспечениязагрузкугенераторовдинамическойстанциииз-заустойчивостипринормативных возмущениях.Стоит отметить, что накопители могут быть использованы также и дляобеспечения требуемых коэффициентов запаса устойчивости в нормальных ипослеаварийных режимах, однако данный вопрос требует отдельной проработки ив данной диссертационной работе не рассматривается.Для повышения надежности разрабатываемого решения управляющеевоздействие на отключение генератора предлагается не исключать полностью изконтура противоаварийной автоматики, задействовав данный тип воздействия какрезервный на случай отказа разрабатываемой системы управления или аварий всхеме выдачи мощности накопителя энергии.2.2.Определение схемы подключения накопителя энергии в сетьПо результатам главы 1, к рассмотрению приняты следующие типынакопителей энергии:1) сверхпроводниковый индуктивный накопитель;2) емкостный накопитель энергии на базе суперконденсатора;3) аккумуляторный накопитель на базе батарей большой мощности;4) маховиковый накопитель.Применение накопителя энергии в составе электроэнергетической сетиподразумевает под собой необходимость обмена энергией между накопителем исетью.

Поскольку конструкция рассматриваемых типов накопителей не позволяеторганизовать непосредственный обмен энергией (мощностью) с трехфазнойэнергетической системой, в системах накопления энергии предусматриваютсяпреобразователи (или устройство управления по рис. 2.1). Для накопителейэнергии, осуществляющих непосредственное накопление электрической энергии (в31виде зарядов для емкостного накопителя, в виде химической реакции дляаккумуляторных батарей, в магнитном поле для СПИН), требуется преобразованиепостоянного тока, снимаемого с накопителя энергии, в трехфазный переменныйток и наоборот. Для маховикового накопителя энергии, осуществляющегонакопление энергии во вращающемся теле, необходим электромашинныйпреобразователь.

При этом, в случае использовании в качестве электромашинногопреобразователя машин постоянного тока, также необходим преобразователь изпостоянного тока в переменный трехфазный и наоборот [6].Также, учитывая поставленную задачу (а именно обеспечение динамическойустойчивости генератора), необходимо обеспечить независимое регулированиеобмена активной мощностью. Дополнительно, желательно обеспечить такжерегулирование реактивной мощности (раздельно от активной), т.к.

реактивнаямощность опосредованно через уровень напряжения влияет на динамическуюустойчивость как отдельного генератора, так и всей станции (см. формулуэлектромагнитного момента (1.3)).Для унификации, а также для обеспечения одинаковых условий сравнениянакопителей различного типа, все типы накопителей подключаются к сети черезобратимый преобразователь (выпрямитель – инвертор).В настоящее время наибольшее распространение получили обратимыепреобразователи на базе силовых полупроводниковых вентилей, которые, взависимости от углов управления, позволяют работать преобразователю в режимевыпрямителя или инвертора. Для подключения накопителя в трехфазную сеть,соответственно, необходим трех- или более фазный преобразователь.Однако, наиболее часто применяемые в настоящее время схемы соединенияполупроводниковых вентилей (мостовая схема и пр.) не позволяют осуществлятьраздельное регулирование активной и реактивной мощностей [71].В связи с этим, в рамках данной работы рассматриваются схемыполупроводниковыхпреобразователей,которыепозволяютосуществлятьдвухпараметрическое (раздельное) управления мощностью, протекающей черезпреобразователь [1].32Так как двухпараметрическое управление подразумевает наличие двухпараметров с возможностью их независимого изменения, полупроводниковыйпреобразователь должен обеспечивать раздельное управление отдельнымиполупроводниковыми вентилями (или группами вентилей).В результате, двухпараметрическое управление, с учетом вышеуказанныхтребований должно удовлетворять угловой диаграмме, приведенной на рис.

2.2 [1].Рис. 2.2 Угловая диаграмма двухпараметрического управления. α1,α2 – углы управленияполупроводниковыми вентилями (или группой полупроводниковых вентилей); P,Q –соответственно потребляемая активная и и реактивная мощность накопителяОбласть допустимых значений потребления и выдачи активной и реактивноймощности преобразователя определяется заштрихованной областью на рис.

2.2 [1].В связи с изложенным выше, структурная схема подключения накопителя спреобразователем к сети должна иметь вид, приведенный на рис. 2.3.Дляреализациидвухпараметрическогоуправлениявыдаваемойипотребляемой мощностью существует несколько схем, например: шестифазнаясхема с нулевым выводом с уравнительным реактором, мостовая схема и пр. [1].На данном этапе стоит отметить следующую особенность работынакопителей энергии: для суперконденсатора, аккумуляторных батареи большоймощности, маховикового накопителя с электромашинным приводом необходимоприменять схему полупроводникового преобразователя, работающего в режимеисточника напряжения, тогда как для СПИН необходимо применять схемупреобразователя, работающего в режиме источника тока [1], по следующимпричинам.33ФКУСФУРис. 2.3 Структурная схема подключения накопителя к сети.