Диссертация: Быстродействующая система автоматического перевода генерирующего оборудования между синхронными зонами.

Актуальность диссертационного исследования связана с необходимостью в настоящее время как в крупных объединённых электроэнергетических системах (ОЭС), так в небольших изолированных зонах изменять схему и режим работы энергообъекта, осуществляя перевод силового или генерирующего оборудования из одной синхронной зоны в другую. Таким примером является работающая изолированно от первой синхронной зоны ЕЭС России – ОЭС Востока. К востоку от точки разделения сети потребители получают электроэнергию от ОЭС Востока, а к западу – от ОЭС Сибири. Точка деления между синхронными зонами переносится с одной тяговой подстанции на другую – от ПС 220 кВ Холбон до ПС 220 кВ Сковородино. Обуславливается это обеспечением как плановых, так и аварийных ремонтов электросетевого комплекса. Указанный перенос точки деления сети всегда сопровождался отключением потребителей. Похожая ситуация и с переводом генерирующего оборудования. Гидроагрегаты Каскада Вуоксинских ГЭС (КВуГЭС), работающие в нормальном режиме на выдачу мощности в ОЭС Северо-Запада, до нескольких раз в день переключают на параллельную работу с ЭС Финляндии. В нормальном режиме КВуГЭС привлекается к покрытию пиков суточного графика нагрузки ОЭС Северо-Запада, при этом в часы дневного минимума и в выходные дни потребность в использовании полной установленной электрической мощности Каскада отсутствует. В это время КВуГЭС передает до 135 МВт электрической мощности по ВЛ 110 кВ Иматра-1 в энергосистему Финляндии. В таком случае количество переводов генераторов станций каскада из одной энергосистемы в другую может достигать нескольких операций в сутки. Учитывая то, что ЭС России и Финляндии работают в разных синхронных зонах – переключения гидроагрегатов из одной синхронной зоны в другую выполняются с разгрузкой генерирующего оборудования и переводом его в режим холостого хода. Суммарная продолжительность переключений гидроагрегатов из ЭС России в Финляндию и обратно составляет до полутора часов. Таким образом, учитывая максимально допустимое производителем гидроагрегатов время работы в режиме холостого хода – до 100 часов в год, ежедневные переключения в часы ночного минимума – не допустимы, а еженедельный перевод гидроагрегатов в выходные дни сокращают их ресурс. Таким образом, изменение схемы и режима работы путем переключения силового или генерирующего оборудования из одной синхронной зоны в другую в настоящее время сопровождается либо вынужденным отключением потребителей, либо разгрузкой генерирующего оборудования, что так же является негативным фактором. Избежать разгрузки оборудования или отключения потребителей можно путем включения уже работающего в синхронной зоне I генерирующего и силового оборудования в синхронную зону II с последующим отключением от зоны I. Соответственно, в процессе перевода оборудования две изолированные между собой энергосистемы будут работать параллельно, что накладывает ограничение на длительность осуществления такого переключения и предъявляет высокие требования к автоматике управления выключателями в части алгоритмов синхронизации. Исходя из вышеизложенного, на примере КВуГЭС целесообразно исследовать возможность перевода гидроагрегатов КВуГЭС на параллельную работу с ЭС Финляндии и обратного в ЭС России без останова и перевода в режим холостого хода генерирующего оборудования, а также разработать и апробировать соответствующие алгоритмы управления и защиты оборудования.
Степень разработанности. Различным аспектам синхронизации отдельных частей электроэнергетических систем и включения генерирующего оборудования на параллельную работу с электрической сетью ранее уделялось достаточно большое внимание. Значительный теоретический вклад в исследования таких процессов и принципы работы устройств синхронизации был внесён Г.М. Павловым, Г.В. Меркурьевым, А.А. Хачатуровым, М.А. Берковичем, В.А. Вениковым, В.А. Гладышевым, А.Ф. Дьяковым, Л.Г. Мамиконянцем, Н.И. Овчаренко, В.А. Семеновым, Е.Л. Сиротинским, а также многими другими известными учёными. В современных устройствах автоматической синхронизации, как правило, предусматривается два различных алгоритма работы: контроль синхронизма (КС) и улавливание синхронизма (УС). Каждый из этих алгоритмов обладает определенными особенностями, в частности: для алгоритма КС – обеспечивается быстрое включение на параллельную работу при допустимых, но не самых благоприятных текущих режимных параметрах сети; для алгоритма УС – ожидание и включение при достижении оптимальных режимных параметров синхронизируемых систем. В связи с тем, что частый перевод генераторов на работу из одной энергосистемы в другую требует быстрых переключений, не приводящих к возникновению значительных колебаний параметров электроэнергетического режима синхронизируемых энергосистем, то возникает необходимость рассмотрения возможности создания новых алгоритмов работы устройств сетевой автоматики в части обеспечения быстрого перевода генерирующего оборудования и его синхронизации в процессе указанного перевода. В большинстве ранее выполненных исследований по тематике синхронизации энергосистем определение допустимых условий включения двух крупных ЭЭС на параллельную работу выполнялось с целью обеспечения их длительной синхронной работы и было связано с построением семейства граничных траекторий в фазовой плоскости (δ, Δf), где δ – разность углов векторов напряжений в точке синхронизации, Δf – разность частот двух систем. Основным недостатком такой методики является необходимость выполнения существенного количества компьютерных расчётов переходных процессов, выполнение которых для условий кратковременного объединения двух ЭЭС является излишним. Таким образом, для создания алгоритмов работы устройств сетевой автоматики, позволяющих изменять схемно-режимное состояние работы энергообъекта путем быстрого автоматического перевода его из одной изолированной энергосистемы в другую, становится целесообразной разработка новой методики выполнения исследований переходных процессов, связанных с кратковременным объединением крупных ОЭС.
Объект исследования: две смежные несинхронно работающие энергетические системы большой мощности, кратковременное включение на параллельную работу которых осуществляется по слабой электрической связи.
Предмет исследования: особенности протекания переходных процессов, возникающих при кратковременном объединении двух несинхронно работающих энергетических систем большой установленной мощности, вблизи источников генерации электрической энергии.
Целью работы является разработка системы автоматического перевода (САП) генерирующего и силового оборудования из одной синхронной зоны в другую без его останова и перевода на холостой ход.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1) выполнены расчеты и исследования перевода генерирующего оборудования с использованием математической модели энергосистем ОЭС Северо-Запада и Финляндии, реализованной в программно-вычислительном комплексе Eurostag; 2) выполнена разработка алгоритмов работы устройства, реализующего функцию САП; 3) проведено тестирование корректности разработанных алгоритмов САП при их работе на математической модели энергосистемы, реализованной на программно-аппаратном комплексе реального времени (ПАК РВ); 4) разработаны рекомендации по определению мест установки и параметров настроек устройств с реализованной функцией САП.
Методология и методы исследования. Поставленные в диссертационные исследование задачи решались на основе математического моделирования переходных процессов в электроэнергетических системах, использования апробированных программных и программно-аппаратных комплексов и сопоставления полученных результатов с данными натурных испытаний.
Научная новизна работы: 1) разработаны рекомендации по математическому моделированию переходных процессов, сопровождающих кратковременное включение на параллельную работу несинхронно работающих объединенных энергосистем; 2) впервые предложен и обоснован двухэтапный перевод силового генерирующего оборудования из одной синхронной зоны в другую с учетом электромагнитных и электромеханических переходных процессов, возникающих в условиях неопределенного характера изменения значений частот и других параметров синхронизируемых энергосистем; 3) предложен и апробирован алгоритм системы автоматического перевода оборудования, отличающийся от существующих алгоритмов синхронизации в части автоматического выбора способа синхронизации; 4) разработаны рекомендации по определению параметров настройки САП, учитывающих величину тока в момент переключений вблизи источников генерации электрической энергии.
Теоретическая значимость результатов работы. Результаты диссертационного исследования являются методической основой для создания нового класса устройств синхронизации, позволяющих осуществлять быстрые переключения между синхронными зонами с возможностью изменения точки деления сети, без необходимости останова или перевода генерирующего оборудования на холостой ход.
Практическая значимость результатов работы Выполненные исследования и сформулированные на их основе рекомендации по функционированию и параметрам настройки САП обеспечивают: 1) существенное (по сравнению с ручным переводом) сокращение времени переключений, связанное с переводом оборудования; 2) сохранение ресурса генерирующего оборудования; 3) исключение возможных ошибок оперативного персонала; 4) возможность участия КВуГЭС в балансирующем рыке энергосистемы Финляндии.
Соответствие паспорту специальности. Результаты выполненной диссертационной работы соответствуют пункту №2 паспорта специальности 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы («Разработка методов анализа режимных параметров основного оборудования электростанций»).
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием корректной методологии и классических математических моделей, введением приемлемых допущений и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальной проверки.
Положения, выносимые на защиту: 1) обоснование целесообразности перевода гидроагрегатов из одной синхронной зоны в другую без их разгрузки до режима холостого хода или останова; 2) рекомендации по определению параметров режима кратковременного объединения крупных энергосистем при переводе генерирующего оборудования и обоснование допустимости такого объединения; 3) алгоритм системы автоматического перевода и обоснование метода синхронизации с автоматическим выбором контроля или улавливания синхронизма; 4) обоснование целесообразности задания в качестве одной из основных уставок САП – предельного тока, рассчитываемого автоматически в режиме реального времени.