Введение к работе
Актуальность темы исследования
Современные тенденции развития электроэнергетических систем связаны с широкомасштабным внедрением новых технологий, таких как распределенная генерация на базе возобновляемых источников энергии (солнечные электростанции, ветрогенераторы и пр.), управляемые (гибкие) системы передачи переменного тока, что способствует вводу новых генерирующей мощностей и снижению экологической нагрузки на окружающую среду от энергетики, появлению новых способов регулирования потоков мощности в энергосистеме. В то же время, внедрение указанных технологий существенно влияет на изменение динамических характеристик энергосистемы и требует их изучения и учета в алгоритмах работы систем автоматического управления (САУ) объектами сети в режиме реального времени. К таким САУ относится система противоаварийной автоматики, одной из задач которой является обеспечение динамической устойчивости генерирующего оборудования при больших возмущениях. Наиболее опасным большим возмущением, которое может привести к нарушению динамической устойчивости, является короткое замыкание.
Существующие методы обеспечения динамической устойчивости при больших возмущениях связаны с необходимостью изменения режима работы турбины энергоблока. Особенность данных методов состоит в том, что мощность турбины невозможно изменить мгновенно из-за необходимости обеспечения нормативных параметров технологического процесса, что увеличивает время ввода управляющего воздействия. Данная особенность в ряде случаев приводит к необходимости применения такого нежелательного вида воздействия как отключение генерирующего оборудования для обеспечения динамической устойчивости.
В последние годы активно проводятся исследования в области применения накопителей энергии в различных областях электроэнергетики. Современные накопители энергии обладают важным свойством – возможностью практически мгновенно изменять мощность выдачи или потребления энергии. Следовательно, привлечение накопителей энергии для задачи обеспечения динамической устойчивости синхронного генератора электростанции в составе энергосистемы (далее по тексту – генератор) позволит реализовать практически безынерционное управляющее воздействие на изменение мощности накопителя энергии, что приводит к улучшению условий обеспечения динамической устойчивости и возможности сохранения динамической устойчивости без необходимости отключения генерирующего оборудования.
Таким образом, разработка способов применения современных средств, таких как накопители энергии различного типа, для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях с учетом
особенностей современных энергосистем является важной и актуальной задачей.
Степень разработанности темы
Вопросам применения накопителей энергии посвящены труды авторов: Глускин И.З., Якимец И.В., Илюшин П.В., Наровлянский В.Г., Масалев Д.Ю., Любарский Д.Р., Розанов Ю.К, Астахов Ю.Н., Новиков Н.Л., M. I. Daoud, S. Ghosh, B. Sun, Y. Worku и др. В данных работах исследуются следующие вопросы: выбор параметров сверхпроводникового индуктивного накопителя как средства противоаварийного управления для повышения статической устойчивости электропередачи, использование накопителей для демпфирования низкочастотных колебаний, компенсация резкопеременного режима работы ВИЭ, применение накопителей для обеспечения бесперебойного электроснабжения и устойчивости нагрузки, локализация аварийного возмущения в сетях постоянного тока выдачи мощности ВИЭ с помощью накопителей энергии.
При этом вопросам применения накопителей энергии различного типа, а также вопросам разработки систем управления ими для цели обеспечения динамической устойчивости генераторов при больших возмущениях в отечественной и иностранной литературе должного внимания не уделено.
Цель работы: исследование возможности и определение области и способов применения накопителей энергии различного типа для задач противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.
Объектом исследования являются накопители энергии различного типа (сверхпроводниковый индуктивный, маховиковый, суперконденсатор, аккумуляторные батареи большой мощности) в составе энергосистемы и система противоаварийной автоматики.
Предметом исследования является выявление возможности и способов применения накопителей энергии различного типа для целей противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.
Задачи работы
-
Анализ состояния вопроса применения накопителей энергии различного типа для противоаварийного управления. Обоснование и формулирование цели и задач исследования.
-
Исследование возможности применения накопителей энергии различного типа для решения задачи обеспечения динамической устойчивости генератора при больших возмущениях.
-
Разработка и исследование способа применения маховиковых накопителей для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.
4. Разработка и исследование способа применения группы накопителей энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях.
Соответствие темы исследования паспорту специальности
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.14.02 «Электрические станции и электроэнергетические системы» в части п. 6, 8, 9:
п. 6: «разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике»;
п. 8: «разработка методов статической и динамической оптимизации для решения задач в электроэнергетике»;
п. 9: «разработка методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике».
Научная новизна
На основе сформулированных и реализованных цели и задач исследования получены новые научные результаты:
-
Разработана и исследована система управления полупроводниковым преобразователем накопителя энергии, которая позволяет в автоматическом режиме на основе величины сброса мощности генератора определять требуемые углы открытия вентилей преобразователя для создания накопителем энергии требуемого для сохранения динамической устойчивости электромагнитного момента на валу генератора в режиме короткого замыкания.
-
Разработана и исследована система управления асинхронизированной синхронной машиной, позволяющая в автоматическом режиме рассчитывать напряжения возбуждения по осям d-q для создания маховиковым накопителем требуемого для сохранения динамической устойчивости электромагнитного момента на валу генератора в режиме короткого замыкания.
-
Предложен и исследован способ применения накопителей энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме, заключающийся в использовании маховикового накопителя с оптимизированными параметрами совместно с разработанной системой управления данным накопителем энергии.
-
Разработана и исследована система управления группой накопителей энергии (емкостный и маховиковый), позволяющая в автоматическом режиме распределять задание по активной мощности потребления между накопителями энергии и определять напряжения возбуждения по осям d,q (для маховикового накопителя) и углы открытия полупроводниковых преобразователей (для емкостного накопителя) для создания группой накопителей энергии требуемого для сохранения динамической устойчивости электромагнитного момента на валу генератора в режиме короткого замыкания.
-
Предложен и исследован способ применения накопителей энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших
возмущениях в энергосистеме, заключающийся в использовании группы накопителей энергии (емкостный и маховиковый) с оптимизированными параметрами совместно с разработанной системой управления данной группой накопителей энергии.
Практическая значимость результатов работы
-
Проведенные исследования особенностей применения накопителей энергии различного типа показали, что эффективными типами накопителей для цели сохранения динамической устойчивости генератора без его отключения являются маховиковый накопитель и суперконденсатор.
-
Применение разработанного способа для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме с использованием маховикового накопителя, системы управления данным накопителем энергии совместно с импульсной разгрузкой турбины энергоблока позволяет обеспечить динамическую устойчивость генератора при всех нормативных возмущениях без отключения генератора станции.
-
Установлено, что эффективным типом привода для маховикового накопителя для целей обеспечения динамической устойчивости синхронного генератора при больших возмущениях в энергосистеме является асинхронизированная синхронная машина.
-
Применение разработанного способа для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме с использованием группы накопителей энергии, состоящей из маховикового и емкостного накопителей энергии, системы управления данной группой совместно с импульсной разгрузкой турбины энергоблока позволяет обеспечить динамическую устойчивость генератора при всех нормативных возмущениях без отключения генератора станции.
-
Показано, что для задачи обеспечения динамической устойчивости генератора при больших возмущениях в энергосистеме целесообразными типами накопителей энергии в составе группы являются маховиковый и емкостный, при этом стоимость разработанного решения ниже стоимости одиночного накопителя энергии с эквивалентными параметрами.
-
Результаты работы используются в учебном процессе в «НИУ «МЭИ» в виде лабораторного практикума в курсе «Автоматика энергосистем» магистерской программы подготовки по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
Методология и методы исследования
Теоретической и методологической основой исследования являются фундаментальные положения теоретических основ электротехники, релейной защиты и автоматики, противоаварийной автоматики, электромагнитных и электромеханических переходных процессов, а также расчетно-экспериментальные методы исследования.
Положения, выносимые на защиту
-
Результаты исследования возможности применения накопителей энергии различного типа для решения задачи обеспечения динамической устойчивости генератора при больших возмущениях.
-
Результаты разработки и исследования способа применения маховиковых накопителей для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.
-
Результаты разработки и исследования способа применения группы накопителей энергии для повышения эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме.
Степень достоверности
Достоверность результатов достигается за счет корректного применения теорий электротехники, релейной защиты, противоаварийной автоматики, электромагнитных и электромеханических переходных процессов, использовании применяемых в технической литературе допущений и подтверждается совпадением результатов расчетно-экспериментальных исследований автора с результатами, опубликованными в зарубежной и отечественной литературе.
Личный вклад автора
Все этапы работы по повышению эффективности противоаварийного управления при больших возмущениях в энергосистеме с помощью накопителей энергии были выполнены непосредственно автором: анализ состояния вопроса применения накопителей в области противоаварийной автоматики и смежных направлениях, формулировка цели и задач исследования [1, 5-7], разработка и исследование систем управления накопителями и группами накопителей энергии для цели обеспечения динамической устойчивости генератора [2-4, 8, 10], моделирование и исследование эффективности применения накопителей энергии различного типа совместно с разработанными системами управления для обеспечения динамической устойчивости генератора [2, 3, 8-10].
Доля участия автора во всех публикациях составляет не менее 75%.
Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору кафедры РЗиАЭ Глускину И.З., трагически погибшему в 2017 г., за ценные советы и внимание при формировании направления научного исследования.
Апробация результатов
Основные результаты работы были доложены на региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Энергия» (2015, 2016, 2017 гг., Иваново, ФГБОУ ВПО «ИГЭУ имени В.И. Ленина»), международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2016, 2017 гг., Москва, ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»), конференции в рамках молодежной секции РНК СИГРЭ (2015 г.,
Иваново, ФГБОУ ВПО «ИГЭУ имени В.И. Ленина», НП «РНК СИГРЭ»), XXVI
конференции "Перспективы развития электроэнергетики и высоковольтного
электротехнического оборудования. Коммутационные аппараты,
преобразовательная техника, микропроцессорные системы управления и защиты" (2018 г., Москва), научных семинарах и заседаниях кафедры РЗиАЭ ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» 2015, 2016, 2017, 2018 гг.
Публикации по теме исследования
По теме исследования опубликовано 10 работ, полноценно отражающих основные положения исследования, среди которых – 3 публикации в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации