Диссертация (Исследование возможности и разработка способов применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме), страница 9

Недостатки, присущие данной схеме (а именносложность регулировки частоты вращения питающего напряжения), не столькритичны, так как вентильный преобразователь в полной мере обеспечиваетрегулирование данного напряжения в требуемых пределах.56Существующие машины постоянного тока позволяют обеспечивать высокуюскорость изменения тока якоря, высокую кратковременную перегрузочнуюспособность4.Таким образом, применение бесщеточной машины постоянного тока вкачестве генератора/двигателя для маховикового накопителя оправдано.Параметры маховика рассчитываются следующим образом:Наиболее эффективным материалом для маховиков принято считатьуглепластиковое волокно, так как оно обладает высокой кинетическойэнергоемкостью (185 кДж/кг), невысокой стоимостью [10, 6].Выбранная форма – сплошной цилиндр.

Скорость вращения маховиковыхнакопителей составляет до 60000 об/мин [87].Момент инерции определяется следующим образом:=22(2.19)где – масса маховика, – радиус маховика.Длина маховика:=2 2 ∙ ∙ 2 = ∙ ∙ =(2.20)где – плотность материала маховика (для углепластика плотность составляет1555 кг/м3).Удельная стоимость маховиковых накопителей составляет в среднем20тыс.долл 5.МДж2.5.Выбор параметров накопителей энергии и расчетных условийДля обеспечения динамической устойчивости станции в общем и отдельныхгенераторов в частности при коротких замыканиях основной задачей являетсямаксимально быстро погасить (или полностью ликвидировать) небалансПо данным сайта ООО «Завод крупных электрических машин», ЭР: http://www.zkem.com.ua/dvigatelireversivnie-ryada-p2-21-25-gabaritov.html5Factsheet to accompany the report “Pathways for energy storage in the UK, ЭР:http://www.lowcarbonfutures.org/sites/default/files/Flywheel_final_0.pdf457мощности, приводящий к снижению электромагнитного момента сопротивлениягенератора и приводящей к нарушению динамической устойчивости последнего.Накопители энергии, рассматриваемые в рамках данной работы, позволяютсоздать дополнительную нагрузку на валу ротора генератора, предотвращая темсамым нарушение динамической устойчивости.Целесообразно сопоставить параметры накопителей энергии по следующимпараметрам: энергоемкость (МДж); максимальный ток накопителя (кА); максимальная мощность накопителя (МВт); максимальная скорость изменения тока (кА/с), мощности (МВт/с).Требуемая энергоемкость определяется для каждого опыта отдельно.Остальные параметры определены экспериментально на рассматриваемоймодели и приведены ниже: максимальный ток накопителя (кА) – 20 кА; максимальная мощность накопителя – 200 МВт; максимальная скорость изменения тока – 20 кА/с, мощности –200 МВт/с.Режим №1: затяжное трехфазное короткое замыкания на выводах высшегонапряжения блочного трансформатораДанный вид возмущения является наиболее тяжелым и характеризуетсязначительным значением снижения напряжения в точке КЗ, и, следовательно,низким значением остаточного напряжения на шинах генератора.Для определения энергоемкости накопителей рассмотрен наиболее тяжелыйслучай, когда остаточное напряжение на шинах генератора снижается до нуля и,соответственно, вся доаварийная мощность будет способствовать разгонугенератора.

Таким образом, для генератора 200 МВА (с = 0.85) и для временисуществования КЗ КЗ = 0.18 кинетическая энергия разгона генератора будетравна:58кин = доав ∙ ∙ КЗ = 200 ∙ 0,85 ∙ 0,18 = 27,2 МДж(2.21)С учетом рекомендации для всех накопителей работать на 50% заряда (длявозможности перевода как в режим заряда, так и в режим разряда), требуемаяэнергоемкость накопителя энергии составляет 55 МДж.Фактический объем энергии, разгоняющей генератор, будет несколькоменьше из-за удаленности (за повышающим трансформатором) короткогозамыкания и, в связи с этим, наличии определенного значения синхронизирующегомомента. Экспериментальное значение остаточного напряжения на шинахгенератора для рассматриваемого возмущения составляет 36% от номинального(5 кВ) [16].Стоит отметить, в связи с низким остаточным напряжением на зажимахгенератора (а значит и на выводах обмотки высшего напряжения сетевыхтрансформаторов, связывающих сеть с накопителем энергии) возможностинакопителей энергии по потреблению излишней мощности ограничены, т.к.потребляемая мощность прямо пропорциональна напряжению на выводах обмоткивысшего напряжения сетевых трансформаторов.Выбранные параметры накопителей сведены в табл.

2.3.Режим №2: затяжное двухфазное короткое замыкание на землю наотходящей линии 230 кВРежим фактически аналогичен предыдущему, однако характеризуетсябольшим остаточным напряжением на зажимах статора (примерно 8 кВ) [16].Требования к параметрам накопителей аналогичны требованиям режима №1и приведены в табл. 2.3.Режим №3: отключение линии, связывающей генератор с системой врезультатеоднофазногокороткогозамыкания,отключаемогобыстродействующей защитой и последующим успешным автоматическимповторным включениемВ данном режиме моделируется двухфазное короткое замыкании на землю,которое устраняется через 80 мс после начала средствами релейной защиты.

Врезультате отключается линия, которая вводится в работу через 100 мс59автоматикой. В данном режиме значительно сокращается время короткогозамыкания (относительно предыдущих режимов), и время ускорения роторагенератора. Отключение линии восстанавливает напряжение на шинах генератора,однако прерывает транзит мощности.

Таким образом, моделируется действиенакопителей энергии в условиях высокого остаточного напряжения на шинахгенератора.Суммарное время возмущения составляет В = 0.18 с, что аналогичнозначениям предыдущих режимов. Соответственно, требования к параметрамнакопителей и сами параметры аналогичны требованиям к параметрамнакопителей режима №1 и сведены в табл. 2.3.Табл. 2.3 Параметры накопителей для режимов №1, №2, №3ПараметрСПИНСуперконденсаторМаховиковыйнакопитель*Аккумуляторныебатареи**Энергоемкость55 МДж55 МДж55 МДж55 МДжОсновной параметр = 0.1 Гн = 110 Ф = 1000 кг ∙ м2 = 2.615 АчУдельная плотностьэнергии3кДжкг6.5кДжкг18кДжкг603,6кДжкгРасчетный вес18 т8.5 т3т0,091 тСтоимость20 млн.долл.7 млн. долл.1 млн. долл.15 тыс.

долл.Примечания:об* – скорость вращения: = 20000 мин; радиус маховика = 0.48 м; длина = 5.2 м;** – число ячеек аккумуляторных батарей = 15 ∗ 100.2.6.Проведение расчетов на модели энергосистемы с накопителем энергиии анализ результатов расчетовНиже приведены результаты расчетов рассматриваемых режимов наразработанной модели (см. рис. 2.8). Результаты приведены в виде временныхзависимостей основных параметров генератора и накопителей энергии (см.

рис.2.15 ÷ рис. 2.26).Оценка сохранения устойчивости проводилась на основании анализа угланагрузки синхронного генератора (угла между вектором напряжением генератораи вектором его ЭДС).60При этом фактом наступления асинхронного режима (т.е. выпадениегенератора из синхронизма) считался проворот вектора напряжения генератораотносительно вектора напряжения системы более, чем на 180 градусов. При этом,даже в случае возможной ресинхронизации генератора на втором и более позднихциклах качаний, генератор подлежит отключению, т.к.

нормативная документацияпредписывает отключать генератор до окончания первого цикла качаний [88].Такимобразом,нарушениединамическойустойчивостификсировалосьпревышением угла нагрузки синхронного генератора величины 180°.Врезультатепроведениямоделированиянаразработаннойсхемеэнергосистемы с накопителем энергии получены следующие результаты:применениенакопителейэнергиидляповышенияэффективностипротивоаварийного управления при больших возмущениях возможно не для всехрасчетных случаев. Основной проблемой при работе накопителей энергии врежимах короткого замыкания – снижение напряжения на шинах сетевой обмоткитрансформатора связи, и, в связи с этим, существенное снижение активноймощности, потребляемой накопителем энергии.Выводы по результатам моделирования режима №1: существенноеснижение напряжения в месте подключения накопителя энергии не позволяетскомпенсироватьизбыточныйэлектромагнитныймоментгенератораипрепятствовать возникновению асинхронного режима.Темнеменее,стоитучитывать,чтоаварийныевозмущения,сопровождающиеся существенным снижением напряжения на шинах генератора(т.е.

в месте подключения накопителя) достаточно редки, а в случае возникновения– достаточно быстро устраняются.Выводы по результатам режима №2 и №3: в связи с более высоким(относительно предыдущего режима) значением остаточного напряжения в местеподключения накопителя СПИН, суперконденсатор и маховиковый накопительпозволяют скомпенсировать избыточный электромагнитный момент генератора ипредотвратить возникновение асинхронного режима.61Аккумуляторные батареи большой мощностью, хотя и характеризуютсянизкойценойивысокойэнергоемкостью,из-занизкихдинамическиххарактеристик не позволяют обеспечить требуемую скорость нарастания тока прикоротком замыкании. Учет требуемой скорости нарастания тока батареи влечет засобой значительное увеличению числа ячеек батареи, что приводит кэкономической нецелесообразности использования накопителя энергоемкостивыбранной энергоемкости [13].Тем не менее, аккумуляторная батарея может использоваться как устройствозаряда/разряда других накопителей энергии с более высокими динамическимихарактеристиками для снижения требуемой энергоемкости данных накопителейэнергии и, соответственно, цены.Как следует из анализа временных зависимостей, несмотря на эффективноедействие СПИН, ограничение по максимальной скорости изменения тока непозволяет в полной мере использовать данный тип накопителя энергии.

Однако, всвязи с бурным развитием технологий сверхпроводимостей (в частностивысокотемпературной сверхпроводимости), данное ограничение может бытьснято.62P, x106 ВтМощность накопителяI, x105АТок накопителяt, сE, x105ДжЭнергия обмена накопителя с сетьюt, сδ, градУгол нагрузки генератора (E^U)t, сt, сВывод: устойчивость нарушена из-за низкого напряжения на зажимахсетевой обмотки трансформатора связиРис. 2.15 Режим №1. СПИН.

Временные диаграммы переходного процессаP, x106 ВтМощность накопителяI, АТок накопителяE, x105ДжЭнергия 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. 2.16 Режим №1. Маховиковый накопитель. Временные диаграммы переходногопроцесса63P, x106 ВтМощность накопителяI, x104АТок накопителяE, x106ДжЭнергия 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. 2.17 Режим №1. Суперконденсатор.