Актуальность темы. Частота напряжения электропитания является одним из важнейших показателей качества электрической энергии. При отклонении частоты от номинального значения все системы регулирования частоты действуют на восстановление баланса мощности между нагрузкой и генерацией. Первичный резерв реализуется одним из первых при возникновении небаланса мощности, тем самым препятствуя развитию аварии. Первичное регулирование осуществляется с помощью корректоров частоты энергоблоков.
В связи с высокой степенью важности регулирования частоты АО «Системный оператор Единой энергетической системы (ЕЭС)» предъявляет жесткие требования к генерирующему оборудованию, участвующему в первичном регулировании частоты. Для проверки этих требований проводятся испытания генерирующего оборудования и определяется адекватность реакции на отклонение частоты. Но не всегда данные испытания могут выявить, как поведет себя установка в реальных условиях при достаточно больших отклонениях частоты. В связи с этим актуальной задачей является получение дополнительной информации о генерирующем оборудовании с целью определения его поведения в различных режимных условиях, особенно если это оборудование обеспечивает большую долю генерирующей мощности.
В настоящее время в энергосистеме России появляется большое количество новых генерирующих установок. Основные объемы вновь вводимого оборудования приходятся на парогазовые установки (ПГУ), газотурбинные установки (ГТУ) и различные установки на основе возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ). С каждым годом быстрыми темпами растет доля ПГУ в суммарной выработке электроэнергии в связи с их высокой эффективностью и стабильностью в отличии от установок на основе ВИЭ.
В связи с большим ростом объемов ПГУ появляется необходимость в тщательном исследовании условий эксплуатации данных установок. В основном ГТУ, работающие в составе ПГУ, изготовлены иностранными фирмами, и не всегда известно, как поведет себя установка при отклонении режима от нормального. Зарубежный опыт эксплуатации показал, что в аварийных ситуациях с глубоким снижением частоты системы регулирования ПГУ могут действовать не всегда корректно с точки зрения режима энергосистемы. В ряде случаев это связано с тем, что ГТУ обладают особенностями регулирования мощности, которые отличают их от паротурбинных установок (ПТУ).
В настоящее время распространены установки, где компрессор, турбина и генератор расположены на одном валу. Одной из основных особенностей таких установок является зависимость мощности ПГУ от частоты сети. В случае снижения частоты снижается подача воздуха в камеру сгорания, а значит снижается и мощность, которую может выдать установка. Если произошло глубокое снижение частоты, то установка может начать снижать мощность, и это приведет к еще большему увеличению дефицита. Аналогичная ситуация может случиться и при небольшом отклонении частоты, если установка работала на уровне близком к максимуму выдаваемой мощности.
Так как ЕЭС России является мощной и инерционной энергосистемой, то даже потеря крупных станций не приводит к глубокому снижению частоты. Однако в ходе развития аварии нередко происходит отделение какой-либо части энергосистемы от ЕЭС, вследствие чего и может произойти снижение частоты в выделившемся энергорайоне более чем на 1-2 Гц. Статистика свидетельствует, что за последние пять лет зафиксировано 145 случаев отделения энергорайонов на изолированную работу. Часть из них сопровождалась неправильной реакцией ПГУ на отклонение частоты.
Настоящая работа посвящена исследованию изменения частоты при отделении дефицитного энергорайона с ПГУ от ЕЭС и разработке мер для предотвращения лавинообразного развития аварии. В работе на основе математических моделей элементов энергосистемы рассмотрены различные схемно-режимные ситуации работы ПГУ на выделившийся дефицитный энергорайон. Предложен алгоритм форсировки мощности ПГУ, который позволяет в первые секунды аварии поддержать частоту в энергорайоне, тем самым, не допуская перегрева и снижения мощности ПГУ. Разработанный алгоритм выдачи сигнала форсировки мощности адаптируется под динамические характеристики энергосистемы. Кроме того, для предотвращения глубокого снижения мощности ПГУ рассматривается такая мера, как небольшое снижение напряжения в целях снижения величины нагрузки в соответствии со статическими характеристиками.
Степень научной разработанности темы исследования. Первыми вопросы реакции ПГУ на отклонение частоты начали поднимать зарубежные ученые. Наибольший вклад в исследование вопросов реакции ПГУ на отклонение частоты внесли такие ученые как В. Роуен, Л. Меегахапола, Д. Флинн, П. Повербек, Д.Лэйлор. Также, крупные работы в этой части выполнялись научными группами таких организаций, как IEEE (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) и CIGRE (Международный совет по большим электрическим системам).
В отечественной науке наиболее крупные работы, направленные на изучение динамики ПГУ и ГТУ, выполнены А.В. Давыдовым, Ю.А. Радиным, А.С. Александровым, П.И. Першиным, С.Р. Хуршудяном, А.С. Герасимовым, А.Н. Смирновым, О.В. Бахмисовым и другими исследователями. по...
1. В работе показано, что одной из наиболее серьезных проблем, связанных с эксплуатацией ПГУ в условиях снижения частоты, является возможное снижение мощности установки. Указанная проблема вызвана тем, что при снижении частоты ПГУ, вследствие действия регулятора температуры уходящих газов, может начать снижать мощность вместо ее увеличения.
2. Показано отсутствие возможности экстраполяции результатов испытаний участия ПГУ в регулировании частоты для больших ее отклонений, так как такие испытания не отражают изменения скорости вращения компрессора. При небольших отклонениях частоты подобную погрешность можно считать незначительной. Но, как правило, при испытаниях предполагается, что и при больших отклонения частоты установка наберет не меньшую мощность. Однако, в случае с ПГУ, при глубоком снижении частоты она не может набрать даже мощность, на которую выходила при небольших отклонениях частоты в связи с действием регулятора температуры газов.
3. Разработан алгоритм форсировки мощности ПГУ при снижении частоты. Предложенный алгоритм позволяет с помощью кратковременного увеличения мощности установки в первые моменты аварии поддержать частоту и предотвратить перегрев уходящих газов. В результате разработанная мера помогает предотвратить снижение мощности установки и связанное с ним нарастающее увеличение дефицита мощности. В работе продемонстрировано, что температура уходящих газов ПГУ может кратковременно превышать номинальное значение на 10-12%, что делает эту меру допустимой. Показано, что предложенный алгоритм форсировки мощности ПГУ позволяет уменьшить объем нагрузки, отключаемой АЧР, на величину до 30%.
4. Сравнение разработанного алгоритма форсировки мощности с другим существующим алгоритмом, основанном на увеличении потенциального перегрева, позволило заключить, что предложенный алгоритм позволяет получить меньший перегрев уходящих газов ПГУ при той же величине образовавшегося небаланса мощности. Кроме того, в разработанном алгоритме есть возможность изменять допустимую величину перегрева. Это отличает его от существующего алгоритма, где допустимая величина перегрева зависит от положения лопаток входного направляющего аппарата, то есть остается константой при полностью открытом входном направляющим аппарате.
5. В качестве дополнительной меры для предотвращения увеличения дефицита мощности предложено регулирование напряжения при снижении частоты. Большая часть нагрузки связана с напряжением посредством статических характеристик нагрузок. Таким образом, в большинстве случаев, при снижении напряжения происходит снижение мощности нагрузки. Очевидно, что эта мера имеет свои недостатки, связанные со снижением производительности собственных нужд. Однако, в работе показано, что даже снижение напряжения в пределах 5% помогает предотвратить нарастающее увеличение дефицита мощности. Особенно эффективна и безопасна указанная мера в случае, если после отделения происходит увеличение напряжения в сети.
6. Смоделировано совместное действие предложенных алгоритмов форсировки мощности и регулирования напряжения. Результаты моделирования показали, что совместное действие разработанных алгоритмов дает лучший результат, чем применение их по отдельности.
7. Перспективы развития настоящей работы связаны повышением
адаптивности предложенных алгоритмов, а также с проработкой
предложенных мер при отделении ПГУ на дефицитный энергорайон, содержащий ветровые и солнечные электростанции.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
