Автореферат (Обоснование выбора математических моделей газотурбинных и парогазовых установок для расчетов переходных процессов в электроэнергетической системе), страница 3

Ограничение снизу необходимодля поддержания минимального расхода топлива, необходимого для стабильного горения. Результирующий сигнал управляет топливным клапаном, поддерживая производительность камеры сгорания (КС). Принципиальная схема выбора управляющего сигнала регулятора топлива показана на рис. 5.ПределырегулированияСигналы контуроврегулированиямакс Управляющий сигналУст-во.выборамин.настройкирегулятора топливаминРисунок 5. Принципиальная схема выбора управляющего сигнала регулятора топливаГорение топлива в КС и выхлопная система моделируется звеньями чистого запаздывания. Определение значений параметров модели ГТ осуществляется эмпирически путем сравнения осциллограмм изменения момента, расходатоплива, температуры выхлопных газов и скорости модели и объекта моделирования.Мощность ГТ максимальна при работе с номинальной частотой, снижение максимальной мощности намного более выражено при снижении частоты,что усиливает начальное снижение частоты в ЭЭС.

Моделирование ГТУ и ПГУприобретает большую важность при больших отклонениях частоты, которыевозникают, например, в результате отключения значительного объема генерации.Аварийное отключение генерирующих агрегатов в ЭЭС, содержащихГТУ и ПГУ, приводит к развитию аварийных ситуаций с дефицитом активноймощности и глубоким снижениям частоты. Производители жестко ограничивают время работы ГТ при отклонении частоты в энергосистеме, вплоть до их от-10ключения от сети, поскольку допустимый диапазон работы ГТУ и ПГУ по частоте электрического тока в энергосистеме меньше, чем у другого генерирующего оборудования.Рассмотрена практика определения нормативных требований к установкам на базе ГТ для увеличения надежности работы ЭЭС. Такие требованияобычно заключаются в поддержании более высокой мощности ГТ при сниженной частоте по сравнению с естественной характеристикой мощности.Выводы по второй главе.

Показано, что современные системы регулирования и технологические защиты ГТ оказывают значительное влияние наэлектромеханические переходные процессы, в том числе демпфирование колебаний режимных параметров. Установлено, что динамические характеристикиГТ и особенности технологических защит ГТ могут усугублять аварийную ситуацию при снижении частоты в энергосистемах, возможна неустойчивая работа ГТ в переходных режимах, вызванных сильными возмущениями в ЭЭС. Всевышеперечисленное указывает на необходимость подробного исследованиясвойств ГТУ и ПГУ в переходных процессах ЭЭС.Корректное моделирование газотурбинной установки в ЭЭС и исследование свойств ЭЭС с ГТУ и ПГУ требует определения влияния агрегатовГТУ/ПГУ на свойства ЭЭС – исследования режимных особенностей ЭЭС приувеличении доли ГТУ и ПГУ в составе генерации, оценки влияния защитнойавтоматики ГТ на устойчивость и надежность работы ГТУ и ПГУ в ЭЭС, а также разработки алгоритма выбора математических моделей ГТУ и ПГУ, определения дополнительных критериев проверки надежности и устойчивости работыагрегатов на базе ГТ в ЭЭС.В третьей главе диссертации проведена оценка влияния характеристикГТ на динамическую устойчивость.

Выявлено, что точное отражение хода переходного процесса в ЭЭС с ГТУ и ПГУ становится невозможным без применения моделей этих установок в связи с неуклонным повышением скорости регулирования мощных одновальных ГТ. Показаны различия в динамике регулирования ГТУ открытого цикла и ГТ, работающих в составе ПГУ. Выявлено, чтоотличия в способе регулирования данных агрегатов влияют на характер изменения мощности в переходном процессе.Характерные свойства энергоблоков ГТУ и ПГУ, важные для моделирования электромеханических переходных процессов, показаны на примере расчетов в двухмашинной схеме с нагрузкой. На рис. 6 приведено сравнение характера изменения мощности ГТ от времени в переходном процессе для моделей GAST и GAST2A, при проходящем трехфазном КЗ вблизи шин станции.Несмотря на то, что GAST является одной из самых простых моделей, онадемонстрирует хорошее соответствие с моделью GAST2A.

Более низкий темпвозможного изменения скорости регулирования служит обоснованием для применения более простых моделей ГТ. Возможность дальнейшего упрощения моделей определяется как маневренностью ГТ, так и отношением мощности станции и приемной системы.11Рисунок 6. Изменение мощности моделей ГТ GAST и GAST2Aпри проходящем трехфазном КЗ.В электромеханических переходных процессах малой длительности регулирование скорости вращения одновальных ГТ не оказывает значительноговлияния на демпфирование колебаний режимных параметров ЭЭС из-за большой величины постоянной инерции агрегата TJ. Как и традиционные энергоблоки, ГТУ обеспечивают инерционный отклик, пропорциональный величине искорости изменения частоты, снижение частоты при этом замедляется. Нарис.

7 показано снижение частоты при отключении нагрузки.Рисунок 7. Изменение частоты в системе при отключении нагрузкиПостоянная инерции генерирующего агрегата станции варьировалась исоставляла от 4 до 14 секунд. Величины постоянных инерции 14 и 8 секунд соответствуют показателям мощных одновальных ГТ и ПТ соответственно, постоянная инерции в 4 секунды характерна для более легких ГТ с редуктором.Наряду с отрицательным влиянием ГТ на устойчивость в силу низкой скоростирегулирования и режимных ограничений, можно говорить о положительномэффекте более медленного снижения частоты, обусловленного большей посто-12янной инерции мощных одновальных ГТ.

Однако, такая положительная особенность нивелируется в длительных процессах с устойчивым снижением частоты.Развитие технологий турбостроения приводит к возрастанию допустимойскорости изменения мощности ГТ. Стимулом к повышению маневренности ГТслужат правила европейских энергетических рынков, согласно которым преимущественное право продажи электроэнергии имеют электростанции на базевозобновляемых источников энергии (ВИЭ). Энергоблоки ГТУ и ПГУ должныобладать достаточной скоростью регулирования для компенсации стохастического характера выработки ВИЭ и поддержанию экономической эффективности работы при резких изменениях цены электроэнергии в течение суток.

Таким образом, в связи с неуклонным повышением скорости регулирования ГТ,точное отражение характеристик агрегатов на базе ГТ невозможно без использования соответствующих моделей.Отдельным вопросом является сравнение характеристик ГТУ и ПГУ в переходных процессах. В ПГУ регулирование расхода воздуха позволяет поддерживать температуру выхлопных газов для увеличения эффективности циклапри частичных нагрузках, при этом в открытом цикле такое регулирование нетребуется. Таким образом, расход топлива в ПГУ определяется не толькоуправляющим сигналом регулятора скорости, но и регулятором, поддерживающим постоянную температуру выхлопных газов.

При частичных нагрузкахПГУ положение ВНА пропорционально расходу топлива, а при работе с номинальной нагрузкой ВНА открыт полностью и дальнейшее увеличение расходавоздуха невозможно. Результаты расчетов переходных процессов при отключении мощной нагрузки в системе, которое сопровождается последующим повышением частоты, приведены на рис. 8.а)б)Рисунок 8. Изменение параметров ГТ при повышении частоты в ЭЭС;а – мощности; б – температуры выхлопных газовНа процесс изменения нагрузки не повлияла динамика изменения температуры, несмотря на поддержание постоянной температуры выхлопных газовГТ в цикле ПГУ, что обусловлено применением быстродействующего ВНА.13На рис. 9-11 показан характер изменения температуры выхлопных газов имощности ГТ в переходном процессе при включении мощной нагрузки.Рисунок 9.

Изменение температуры выхлопных газовв переходном процессе с понижением частотыРисунок 10. Изменение положения регулятора топливав переходном процессе с понижением частотыРисунок 11. Изменение мощности ГТ в переходном процессе с понижением частотыПри снижении частоты в системе мощность ГТУ уменьшается со снижением скорости вращения ротора ГТУ, и, как следствие, снижением производительности компрессора. Увеличение впрыска топлива в КС для поддержания14мощности в рассматриваемом случае невозможно по двум причинам – из-занеобходимости поддерживать соотношение газ-воздух и крайнего положениятопливного клапана, поскольку турбина работает с номинальной мощностью.Поскольку ВНА турбины цикла ПГУ полностью открыт и увеличение расходавоздуха невозможно, температура выхлопных газов возрастает.

В ГТУ открытого цикла поддержание постоянной температуры выхлопных газов не требуется, поэтому относительное повышение температуры меньше, чем в ГТ ПГУ.При достижении предела по температуре в ГТ ПГУ сигнал регуляторатемпературы становится определяющим и ограничивает положение регуляторатоплива, в результате чего мощность ГТ снижается для поддержания безопасной температуры выхлопных газов.Системный эффект возрастания доли ГТУ и ПГУ в составе генерации показан на примере моделирования тестовой 14-узловой схемы IEEE. Постояннаяинерции ГА электростанций в узлах принята одинаковой, чтобы исключитьэффект демпфирования снижения частоты за счет большей постоянной инерции ГТ по сравнению с ПТ.