Актуальность работы. За последние десятилетия в мировой электроэнергетике наблюдаются кардинальные структурные изменения, вызванные бурным развитием генерирующих объектов, функционирующих на основе
использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Во многом это связано с развитием силовой электроники и существенным снижением цен на преобразователи электрической энергии, благодаря чему стало возможным и доступным индивидуальное производство электрической энергии. Среди технологий производства электроэнергии с использованием ВИЭ, наиболее быстрыми темпами развивается преобразование энергии ветра и солнца. В большей степени это характерно для регионов с благоприятными для производства электрической энергии на основе использования ВИЭ климатическим условиями (морские побережья, с относительно большой скоростью ветра и страны с достаточно высоким уровнем солнечной радиации).
Египет с его протяженной береговой линией, и практически круглый год безоблачным небом и малыми запасами органических видов топлива, в наибольшей степени удовлетворяет условиям развития распределенной генерации (РГ) на базе ВИЭ. Здесь возобновляемые ресурсы позволяют производить электроэнергию не только индивидуально, но и централизованно, с высокой экономической эффективностью на электростанциях с генерирующими установками, достаточно большой единичной мощности. Интенсивность солнечной энергии по стране составляет от 5 до 8 кВт-ч/м2 в день и 2300 кВт-ч/м2 в год (в течение 3000-4000 часов в год). Скорость ветра на побережье Красного моря превышает 10 м/сек с потенциалом выработки электроэнергии 400-800 Вт/м2 на высоте 40 м над уровнем земли при установке ветроэнергетических установок ВЭУ.
Дополнительным фактором развития РГ на базе ВИЭ является необходимость электрификации отдаленных районов Египта. Согласно данным Управления по новым и возобновляемым источникам энергии (NREA), в Египте около 167 000 домохозяйств (264 деревень) либо полностью лишены доступа к электроэнергии, либо испытывают острую потребность в ней. В 211 деревнях электроснабжение отсутствует полностью, а в 53 питание осуществляется только от автономных дизельных электростанций. Подавляющее большинство из этих деревень расположено в пустынных районах, где наблюдается мощный потенциал использования солнечной энергии, а в некоторых местах и энергии ветра.
Необходимо отметить, что последние четыре года электроэнергетика Египта находится в кризисном состоянии - в часы максимальных нагрузок наблюдается дефицит электрической мощности, что приводит к частичным отключениям электроэнергии, которые в ряде городов достигают до двух-четырех часов в день, а в некоторых сельских районах перерывы питания превышают 8 часов в день. Выход из создавшегося кризиса Египетское правительство видит в развитии РГ на ВИЭ. Освоение солнечной энергии началось со строительства солнечной тепловой электростанции мощностью 20 МВт в Кураймате, на юге Египта. В 2015 году в оазисе Сива в Западной Сахаре была введена в эксплуатацию фотоэлектрическая станция мощностью 10 МВт. Примером использования ветровых ресурсов может служить район Зафарана. Возможности использования ВЭУ в данном районе оцениваются в 425 МВт. Планируется строительство в Суэц-Гольфе ветровой электростанции мощностью 250 МВт, фотоэлектрической электростанция 200 МВт в Асуане (Комомбо) и ряда электростанций на ВИЭ общей установленной мощностью 550 МВт к западу от реки Нил.
Неотъемлемой частью РГ являются инверторы. За счет малых коммутационных потерь, возможности использования на высоких классах напряжения и быстрого динамического отклика при управлении, на средних и высоких классах напряжения в настоящее время рекомендуется использовать многоуровневые инверторы. Так уже разработаны высокоэффективные трехфазные, трехуровневые инверторы с фиксированной нулевой точкой и ЕСЕ фильтрами, позволяющие получать напряжение на выходе с минимальными гармоническими искажениями. Именно этот, преобразовательный блок электроустановки открыл возможности широкого использования генерации на ВИЭ.
Однако, наряду с высоким потенциалом развития в Египте РГ на базе ВИЭ существует ряд факторов, ограничивающих ее применение. К их числу относятся: необходимость государственного субсидирования, вызванная относительно высокой стоимостью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) и ВЭУ; высокая вероятность выделения на изолированную работу отдельных районов сельской местности, удаленных от централизованной распределительной сети; недостаточность инженерного обеспечения; недостаточность квалификации инженеров-электриков; недостаточная точность математических моделей, определяющая несоответствие расчетных и реальных величин при расчетах нормальных и аварийных режимов распределительных сетей с распределенной генерацией на базе ВИЭ).
Погрешность требуемых для настройки систем РЗиА и управления расчетных величин в первую очередь относится к расчетным токам КЗ - практика показала, что расчетные величины существенно завышены из-за неадекватного учета функциональных характеристик источников питания. В результате, в Египте в настоящее время актуальна проблема более точного моделирования устройств генерации с преобразователями, очевидна необходимость пополнения баз данных и знаний для обеспечения требуемого качества проектных продуктов и принятия адекватных решений при эксплуатации РГ на ВИЭ.
Сооружение РГ на базе ВИЭ привносит новые технологические проблемы в работу электроэнергетических систем (ЭЭС), такие как колебания частоты и напряжений, увеличение токов коротких замыканий (КЗ) в распределительных сетях, ухудшение устойчивости системы, снижение качества электроэнергии и др. Для демпфирования отмеченного негативного влияния генерации на ВИЭ, стандартами регламентируется способность энергоустановок, в частности ВЭУ, поддерживать генераторный режим при глубоком снижении напряжения, что необходимо как для поддержания режима работы электроустановки параллельно с сетью, так и для уменьшения
диапазона колебаний напряжения при неплановых режимах работы ЭЭС, в том числе при кратковременном снижении напряжения в электрической сети. Данная функция реализуется системой автоматического управления (САУ) током и напряжением и существенно влияет на параметры математической модели электроустановки в целом.
Развитие РГ относительно малой мощности привело к появлению локальных электрических сетей (ЛЭЭС) (пистоцпН), в составе которых используются распределенные по электрической сети источники и накопители электроэнергии, с возможностью работы ЛЭЭС как параллельно с основной распределительной электрической сетью (ОРЭС), так и изолировано от нее. К ЛЭЭС предъявляются требования работы как в режиме экспорта, так и импорта электроэнергии, с возможностью регулирования перетоков активной и реактивной мощности. При этом управление ЛЭЭС осуществляется собственной автоматизированной системой управления, что в свою очередь, отражается на параметрах нормальных и аварийных режимов, в том числе и на режимах КЗ в ЛЭЭС...
1. Рассмотрены основные направления развития электроэнергетики Египта. Наиболее перспективным признано развитие системы генерации на ВИЭ с использованием энергии ветра и солнца путем сооружения ветряных и солнечных электростанций относительно большой мощности и распределенной генерации для обеспечения электроэнергией потребителей удаленных провинций.
2. Выполнен анализ влияния отдельных подсистем системы управления наиболее распространенного в Египте ветрогенератора с генератором СГПМ и конвертором на нормальные и аварийные режимы (в том числе режимы КЗ) работы локальных ЭЭС. Показано, что наибольшее влияние на величину токов КЗ оказывают: системы управления конвертором, в которых используются PI-регуляторы с каскадными контурами управления, где внешние контуры управления предназначены для регулирования напряжения постоянного тока и реактивной мощности, а внутренние контуры управления - для регулирования тока со стороны сети; устройство защиты от превышения допустимой частоты вращения ротора генератора ВЭУ; система поддержания генераторного режима работы при просадке напряжения с функцией сохранять генераторный режим ВЭУ при кратковременном снижении напряжения во внешней цепи и ограничитель тока СОТ. Показана необходимость дифференциального учета системы регулирования: регулирование частоты вращения турбины ВЭУ; регулирование тока ВЭУ; обеспечение режима СТАТКОМа.
3. Разработаны принципы и структуры моделирования в системе ПО MATLAB/ Simulink (симулятор РГ на ВИЭ) нормальных и аварийных режимов работы источников РГ с конверторами в ЛЭЭС при изолированной и параллельной работе ЛЭЭС с основной распределительной сетью. Симулятор позволил: выявить основные закономерности поведения ИП с конверторами не только в аварийных, но и послеаварийных режимах; оценить обобщенные параметры ИП с конверторами для расчета токов КЗ в сетях переменного и постоянного токов; получить необходимые для анализа электрических режимов P-V и I-V характеристики ИП. Для симулятора разработан ряд сервисных программ. Симулятор апробирован при моделировании СФЭУ на электростанции в Асуане (Комомбо).
4. Показано, что основной функциональной характеристикой СФЭУ, учет которой необходим при анализе как нормальных, так и аварийных (в том числе при КЗ) режимов является траектория максимальной мощности, построенная на множестве вольт-амперных характеристик СФЭУ. С целью симуляции системы управления СФЭУ при проектировании и обучении впервые (согласно библиографическому анализу) предложено использование микроконтроллера Arduino Nano 3x. Для согласования микроконтроллера с симулятором разработан программно-аппаратный вычислительный комплекс.
5. На основе моделирования симулятором нормальных и аварийных режимов ИП с конверторами сделан вывод о необходимости установки LCL - фильтров, настроенных на компенсацию 11 и 5 гармонических составляющих.
6. Рассмотрена специфика расчета токов КЗ в гибридных ЭЭС. Показано, что существенное влияние на величину токов КЗ оказывает учет специфических свойств межсистемного конвертора.
7. Показано, что наиболее значимым фактором при расчете токов КЗ является ограничение системой управления ИП выходного тока конвертора. Для учета данного фактора предложено представлять ИП с конверторами трехступенчатой вольт-амперной характеристикой. На базе трехступенчатой модели разработан математический метод расчета токов КЗ. Метод апробирован на тестовой схеме IEEE-33. На основе тестовых расчетов сделан вывод о существенной погрешности существующего метода расчета токов КЗ, основанного на методе эквивалентных сопротивлений.
8. По заданию Комитета по энергетике Египта на базе существующих методов расчета показателей надежности распределительных систем разработана методика расчета по критерию «N-1» показателей режимной надежности ЛЭЭС с учетом управляющих воздействий по отклонениям напряжений и частоты. В качестве основного показателя надежности был принят интегральный индекс опасности. С этой целью разработана программа и выполнены тестовые расчеты. Расчеты показали необходимость учета критериев «N-k» более высокого порядка, k>1. Сделан вывод о необходимости дальнейшего исследования в области режимной надежности.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
