Диссертация (Исследование возможности и разработка способов применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме), страница 8

2.13 Реализация системы управления: а) структурная схема управления накопителемэнергии, б) функциональная схема системы управления накопителем. ТТ – трансформатор тока;ТН – трансформатор напряжения, СТ – сетевой трансформатор; ПП – полупроводниковыйпреобразователь; СГ – синхронный генератор; Т – блочный трансформатор.49Система управления (СУ) накопителем энергии измеряет текущую активнуюмощность генератора. С некоторым усреднением (задается уставкой) устройствофиксирует сброс активной мощности генератора.

Дополнительно в организмеренияактивноймощностивведена«мертваязона»(т.е.зонанечувствительности) для обеспечения несрабатывания в режимах без КЗ. Значение«мертвой зоны» устройства также задается уставкой, при превышении которойсистема управления осуществляет расчет и реализацию управляющего воздействияна полупроводниковый преобразователь накопителя.Как уже было показано выше, полупроводниковый преобразователь можетработать только в режиме потребления реактивной мощности.

В связи тем, чтоустройство предназначено для работы в режиме коротком замыкании, т.е. вусловиях сниженного напряжения, необходимо, чтобы потребляемая реактивнаямощность была минимальна. Данное условие должно достигаться выбором такихуглов управления преобразователем накопителя, энергии чтобы потребляемаяактивнаямощностьбыладостаточнойдляпредотвращениянарушенияустойчивости генератора, а потребляемая реактивная мощность была минимальна.Условия минимизации реактивной мощности и соответствующая данномуусловию активная мощность рассчитываются следующим образом (на основевыражений (2.3)): = 0; = −б6√2 =[(+)]{6(2.7)где – углы открытия фазных вентилей; б – углы открытия буферных вентилей;т – напряжение сетевой обмотки трансформатора связи; – выпрямленный токнагрузки (преобразователя); – активной мощность обмена преобразователя ссетью; –реактивной мощность обмена преобразователя с сетью.Данноевыражениепозволяетопределитьуглыуправленияполупроводниковым преобразователем накопителя в зависимости от требуемоймощности:50 ∙ нак = acos ()−{66√2 = −б(2.8)где нак – требуемая мощность накопителя энергии, – углы открытия фазныхвентилей; б – углы открытия буферных вентилей; т – напряжение сетевойобмоткитрансформаторасвязи;–выпрямленныйтокнагрузки(преобразователя);Кроме того, вышеприведенные выражения позволяют определить углыоткрытия вентилей, при которых обмен мощностью не осуществляется.

Очевидно,что при углах = 60°, б = −60°, активная и реактивная мощности обменапреобразователя с сетью равны нулю. Данное условие позволяет «отключить»накопитель от сети в нормальных режимах работы, при которых воздействие нанакопитель не требуется.Система управления преобразователем накопителя энергии состоит изследующих блоков (см.

рис. 2.13, б):1) пусковой орган сброса активной мощности;2) блок расчета величины избыточной активной мощности генератора,подлежащей потреблению накопителем энергии;3) блок расчета углов открытия полупроводникового преобразователя.Пусковой орган сброса активной мощности предназначен для фиксациирежима короткого замыкания по факту резкого снижения («сброса») активноймощности параллельно работающего синхронного генератора. Блок контролируеттекущую («доаварийную») загрузку генератора и при фиксации короткогозамыкания рассчитывает сброс мощности как разность между доаварийнойактивной мощностью и текущей активной мощностью генератора.Блок расчета величины избыточной активной мощности, подлежащейпотреблению накопителем энергии, предназначен для определения мощности,которую требуется потребить для сохранения динамической устойчивости безотключения генератора.Блокрасчетаугловоткрытияполупроводниковогоосуществляется расчет углов по выражению (2.8).51преобразователяРеализация системы управления, соответствующей функциональной схемена рис.

2.13, б), в ПК Matlab приведена на рис. 2.14, а). На рис. 2.14, б), приведенпример работы системы управления, который подтверждает правильность расчетауглов открытия преобразователя накопителя в соответствии с (2.8). При этомвеличина мощности, потребляемая или выдываемая накопителем согласуется с(2.3), что позволяет сделать вывод о согласовании результатов моделирования сданными, приведенными в литературе [1].Блок расчетаугловВход акт.мощности СГРасчет мощности сбросаа)Выходы угловвентилейВход напряжениянакопителяб)P, МВтАктивная мощность сброса, МВт1050t, сα, градУгол открытия фазных вентилей преобразователяt, сРис. 2.14 Система управления накопителем энергии: а) реализация в ПК Matlab, б)диаграммы мощности накопителя и расчетный угол открытия фазного вентиля α, формируемыйсистемой управления52Модель сверхпроводникового индуктивного накопителя электроэнергииМатематическая модель исследуемого сверхпроводникового индуктивногонакопителя электроэнергии представляет собой модель катушки индуктивности смалым активным сопротивлением [84] и определяется следующим выражением:СПИН = 0 + ∫(2.9)где СПИН – ток СПИН; 0 – начальный ток СПИН; – напряжение на зажимахСПИН; – индуктивность СПИН;Дополнительно учитываются следующие ограничения: ограничение по максимальной скорости изменения тока: ∆≤( )= ( ); ∆ (2.10)В настоящее время значение максимальной скорости изменения тока дляразработанных СПИН составляет около 15 кА/с [1]. ограничение по максимальному току СПИН из условия сохранениясверхпроводящего состояния проводников ( ≤ );Индуктивность накопителя определяется из выражения:=2(2.11) 2Существующие разработки в области СПИН позволяют достигать значенийэнергоемкости порядка 100 МДж, однако в настоящее время ведутся работы вРоссии (ИВТ РАН) по разработке накопителей значительно большей мощности[85].Удельная стоимость накопителя составляет около 400тыс.долл.МДж[86].Модель емкостного накопителя энергии на базе суперконденсатораМодель емкостного накопителя энергии на базе суперконденсаторапредставлена блоком из стандартной библиотеки Simulink и описываетсяследующим выражением [79]: = ∫ +ℎ−1 () − 2 0 √80 53(2.12)где – площадь поверхности между электродами и электролитом; –молярная концентрация; – постоянная Фарадея; – ток суперконденсатора; – напряжение на зажимах суперконденсатора; – активное сопротивлениесуперконденсатора; – число слоев электродов ; – число параллельныхсуперконденсаторов; – число последовательных суперконденсаторов; –электрический заряд; – универсальная газовая постоянная; – радиус молекул; – рабочая температура; – диэлектрическая проницаемость материала; 0 –диэлектрическая проницаемость среды.Емкость суперконденсатора определяется по известному выражению [85]:С=Максимальная22скорость(2.13)нарастаниятокаопределяетсявнутреннимсопротивлением конденсатора (6.9 ∙ 10−3 Ом для суперконденсаторов емкостьюпорядка 100-150 Ф).Максимальная скорость нарастания тока определяется следующим образом:∆1== 2∆ Существующиеразработки(2.14)в областимолекулярныхконденсаторовпозволяют достигать практически любой энергоемкости благодаря соединениюсуперконденсаторов в батареи и небольшими габаритами самого молекулярногоконденсатора.

Например, в России выпускаются конденсаторы ИКЭ-160/8001,запасающие энергию 160 кДж на 800 В и массой 36 кг. Удельная стоимостьнакопителя составляет 140тыс.долл. 2МДж.Модель аккумуляторного накопителя на базе аккумуляторных батарейбольшой мощностиВ настоящее время применяемые для целей сохранения электроэнергииАББМ выполняются преимущественно на базе литий-ионных аккумуляторныхячеек (Li-Ion) [60].12Электронный каталог Эконд, ЭР: http://econd-spb.ru/#/c_343Электронный каталог ЭРС-пром, ЭР: http://ers-prom.ru/tovar/ikeh-160800/54Производством систем накопления энергии на базе литий-ионных ячеекзанимается множество производителей, в том числе и отечественных.ДляисследованияпринятячейкатипаSPB803496HпроизводстваООО «Энер Зет», параметры которой приведены в табл. 2.1.Табл.

2.1 Параметры ячейки АББМ3ЕмкостьЯчейкаSPB803496HНапряжение, ВТок разряда, мА/СТок заряда, А/СВес(0,2С),мА*чМИННоминалМАКСНоминалМАКСНоминалМАКСг26002,83,74,21,30/0,541,60/16,01,30/0,52,60/1,056Отдельные ячейки объединяются в батареи. Параметры производимыхбатарей приведены в табл. 2.2.Табл. 2.2 Параметры электрических батарейНоминальная выходная мощностькВА7+1 (избыточность +1)8 (параллельная работа)Параллельная работа (опционально)ВНоминальное напряжение (переменное)Диапазон100-120-160-200-250-300-400-500-600400+20/-10 (100% нагрузка)+20/-20 (85% нагрузка)+20/-30 (75% нагрузка)+20/-40 (65% нагрузка)%Тип батареиLi-IonНапряжение подзаряда при 25оС(постоянное напряжение)В590Минимальное напряжение разряда(постоянное напряжение)В360Номинальное выходное напряжениеВАС400(360-420 регулируемое)60 мин10 мин1 мин6 секПерегрузочная способность>110%>125%>150%200% (одна фаза)Математическая модель выполнена на базе стандартного блока библиотекиSimulink и описывается следующими выражениями [79]: режим заряда: = 0 − 3∙ ∗ −∙ + −∙ − − (2.15)По данным производителя Энер-Зет http://enerz.ru/produkcija/Спецификация продукции.xlsx55 режим разряда: = 0 − ∙ ∗ −∙ + −∙ + 0.1 − (2.16)где – напряжение на зажимах батареи; 0 – постоянное напряжение батареи; –поляризационное сопротивление; ∗ – низкочастотные токи утечки; –извлеченная емкость (извлеченный заряд); – максимальная (номинальная)емкость; – экспоненциальное напряжение; – экспоненциальная емкость.Максимальная скорость нарастания тока для выбранной ячейки в режимеразряда составляет:∆( ) = 1 А/с∆ яч(2.17)Таким образом, максимальная скорость нарастания тока для батареи,составленной из ячеек определяется следующим образом:∆∆=( ) ∙∆∆ яч(2.18)Удельная стоимость накопителя на базе аккумуляторных батарей составляетв среднем порядка 0,3тыс.доллМДж[60].Модель маховикового накопителяКонструкция маховикового накопителя подразумевает наличие маховика,установленного на одном валу с ним обратимой машины.В качестве обратимой машины выбрана бесщеточная машина постоянноготока на постоянных магнитах, которая обеспечивает высокую скорость вращениямаховика, и, как следствие, значительный запас энергии при относительнонебольших размерах маховика.