Введение к работе
Актуальность темы. Развитие электроэнергетических систем (ЭЭС) требует введения новых способов и методов управления режимами ЭЭС, а также новых устройств, позволяющих обеспечить выполнение непрерывно возрастающих требований к качеству электроэнергии и надёжности энергоснабжения. Эти тенденции нашли своё выражение в концепции интеллектуальных сетей.
Режимы работы статических устройств FACTS исследованы достаточно подробно, тогда как свойства сетевых электромашинных устройств FACTS с векторным управлением изучены ещё недостаточно.
Традиционно основными электромашинными компенсирующими устройствами были синхронные компенсаторы (СК), однако в процессе развития ЭЭС всё яснее становятся их недостатки, главный из которых – несимметрия рабочего диапазона: в режиме потребления СК может нести не более 40% номинальной мощности, кроме того, СК имеет ограниченный диапазон устойчивых режимов. При работе на линию большой протяжённости этот недостаток приобретает важное значение.
Этих недостатков лишены асинхронизированные машины (АСМ). Наиболее распространёнными асинхронизированными машинами в России являются турбогенераторы (АСТГ). Им посвящено значительное количество исследований. АСТГ являются уникальной отечественной разработкой, начатой во ВНИИЭ более 50 лет назад по идее и под общим руководством проф. Ботвинника М.М. Большой вклад в теорию и практику АСТГ внесли исследования, выполненные отечественными учёными Шакаряном Ю.Г., Блоцким Н.Н., Мамиконянцем Л.Г., Лабунцом И.А., Кузьминым В.В., Плотниковой Т.В., Лохматовым А.П., Пинчуком Н.Д. и др.
Первый в мировой практике АСТГ мощностью 200 МВт был разработан и изготовлен в 1985 г. на НПО «Электротяжмаш» и был установлен на Бурштынской ГРЭС (Львовэнерго, Украина). В 1990 г. на той же ГРЭС был введён в эксплуатацию второй такой же турбогенератор. На станциях московского энергоузла АСТГ установлены на ТЭЦ-22, ТЭЦ-27, ТЭЦ-21 и Каширской ГРЭС.
Использование дополнительной (поперечной) обмотки на роторе СК как средства повышения управляемости рассматривалось в работах Соколова Н.И. и продолжены Каспаровым Э.А. Однако при предложенных ими принципах управления машина оставалась синхронной.
В то же время асинхронизированные компенсаторы (АСК) в российских энергосистемах практически отсутствуют – в настоящий момент в работе находится
только два АСК, мощностью 100 МВАр каждый, установленные на ПС «Бескудниково» и введённые в эксплуатацию в 2012 году. Из имеющихся разработок в мировой практике можно отметить опыт Японии, где в 1996 г. была введена в эксплуатацию установка ROTES мощностью 26,5 МВА.
При этом преимущества АСК как с постоянной, так и с переменной частотой вращения говорят о необходимости широкого внедрения АСК в энергосистемы России. Однако для наиболее эффективного использования АСК необходимо более глубокое изучение его свойств как элемента энергосистемы для расширения спектра возможностей его применения, а также более тщательная разработка принципов регулирования данного класса машин.
Следует отметить, что теоретическая база АСК проработана в недостаточной степени. Законы регулирования, в настоящее время применяемые в АСК и являющиеся для них уже традиционными, предполагают работу в условиях концентрированной энергосистемы, а именно при наличии информации о напряжении мощных шин. Такие же принципы были реализованы на АСК, установленных на ПС «Бескудниково». При этом исследований, посвящённых работе АСК в условиях отсутствия мощных шин не проводилось. Кроме того, практически не проводилось исследований, посвящённых особенностям работы в энергосистеме АСК с переменной частотой вращения и изучению возможностей его применения как демпфера колебаний активной мощности.
В настоящей работе решаются актуальные задачи изучения свойств АСК как элемента энергосистемы, разработки принципов его регулирования, а также работа АСК с переменной частотой вращения как демпфера колебаний активной мощности.
Цели и задачи работы.Целями настоящей работы являются: разработка законов регулирования АСК при работе в энергосистеме, исследование режимов работы в энергосистеме АСК с переменной частотой вращения, а также выработка практических рекомендаций по применению АСКМ как демпфера колебаний активной мощности.
Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие задачи:
-
Исследование режимов работы АСК в энергосистеме.
-
Разработка законов регулирования АСК с обеспечением выполнения условий статической устойчивости в зависимости от наличия либо отсутствия информации об эквивалентном напряжении мощной сети.
-
Разработка законов регулирования АСКМ как демпфера колебаний активной мощности.
-
Исследование возможных областей применения АСКМ в энергосистеме и выработка методических рекомендаций по его внедрению в ЭЭС.
Методы решения задач.
-
Математическое моделирование АСК. Построенная модель включает в себя модель собственно электрической машины, выполненную по уравнениям Парка-Горева, модель системы возбуждения и управления, реализующую разработанные законы управления, и модель энергосистемы.
-
Исследование статической устойчивости АСК в эквивалентной расчётной схеме методом малых приращений с анализом по алгебраическому критерию Гурвица (анализ коэффициентов характеристического полинома).
-
Исследование динамической устойчивости АСК в эквивалентной расчётной схеме численным методом.
-
Моделирование в реальном времени прототипа АРВ в цикле HIL (hardware in the loop, программно-аппаратное моделирование) на специализированном компьютерном стенде.
-
Проектирование и конструирование программно-аппаратного комплекса на базе программного продукта Matlab xPC для проверки в режиме реального времени законов управления АСК, реализованных в реальном прототипе АРВ. Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы получены
следующие новые результаты:
-
Доказана недостаточность разработанного ранее закона регулирования АСМ при его применении для АСК при работе в энергосистеме.
-
Разработаны законы регулирования АСК, обеспечивающие максимальный диапазон статически устойчивых режимов в энергосистеме как при наличии, так и при отсутствии информации о напряжении мощной сети.
-
Проведён сравнительный анализ различных вариантов исполнения датчика положения ротора АСКМ и даны рекомендации по его выбору.
-
Разработана методика нахождения оптимального соотношения установленной мощности системы возбуждения и момента инерции маховика АСКМ для различных областей его применения в энергосистеме.
Положения, выносимые на защиту.
-
Результаты исследований режимов работы АСК с т.н. «традиционным» законом регулирования.
-
Новые законы регулирования АСК, обеспечивающие статическую устойчивость режимов работы ЭЭС при наличии либо отсутствии информации о напряжении мощной сети.
-
Рекомендации по применению АСК с переменной частотой вращения.
-
Методика расчёта оптимального соотношения мощности системы возбуждения и момента инерции маховика АСКМ для обеспечения эффективности работы в энергосистеме.
Практическая ценность. При проведении комплекса исследований по диссертационной работе получены следующие практические результаты:
-
Разработаны законы регулирования АСК, обеспечивающие устойчивую работу АСК в ЭЭС.
-
Разработана методика расчёта оптимального соотношения параметров системы возбуждения и маховика, а также диапазона частот вращения АСКМ при работе в энергосистеме.
-
Предложены и проанализированы возможные области применения АСКМ в энергосистеме.
-
Создан и испытан макет регулятора возбуждения для АСК на компьютерном стенде в режиме реального времени.
-
Результаты, полученные в диссертации, верифицированы по результатам системных испытаний на компенсаторе АСК-100-4 на подстанции «Бескудниково».
Внедрение. Заводом «Электросила» были изготовлены и установлены на ПС «Бескудниково» два АСК мощностью 100 МВА типа АСК-100-4. При непосредственном участии автора настоящей диссертации были проведены расчёты режимов работы АСК, а также проведены комплексные испытания, позволившие получить практическое подтверждение теоретических выводов диссертации.
Апробация. Материалы диссертации, основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
1. Мнев Р.Д. «Пуск и синхронизация на выбеге асинхронизированного
компенсатора», «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика.
Шестнадцатая международная конференция студентов и аспирантов» Том
2. Москва, 2010, с. 29.
2. P.V.Sokur, Y.G.Shakaryan, T.V.Plotnikova, I.Y.Dovganjuk, R.D.Mnev, N.D.Pinchuk, O.V.Antonuk, A.V.Sidelnikov, D.V.Zhukov, Y.A.Dementyev, V.M.Sedunov “The new reactive power compensators with the two-axial excitation for electric machines”, Cigre session 44, 26-31 august 2012, Paris, A1-101-2012. Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации,
опубликованы в 6 печатных работах, в том числе 5 статей в рецензируемых и
входящих в перечень ВАК изданиях. Получено свидетельство о государственной
регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
заключения, списка литературы из 44 наименований и одного приложения.
Материал изложен на 172 страницах и содержит 79 рисунков и 16 таблиц.
