Тема: Интеграция электрических станций на базе возобновляемых источников энергии в централизованную систему противоаварийной автоматики единой энергетической системы

Электроэнергетика является неотъемлемой частью современного общества. Надежное, стабильное электроснабжение является необходимым базисом экономического развития. Электроэнергетическая отрасль России имеет свои давние традиции, подходы к решению и своя специфика развития.
На текущий момент для энергосистемы России характерен ряд проблем. Некоторые из них сохраняются длительный период истории, некоторые, являясь последствиями современных преобразований, возникли сравнительно недавно[1]. Среди них отметим следующие:
- недостаточная пропускная линий способность электропередачи;
- повышенные значения напряжения в сетях в периоды суточного и сезонного снижения нагрузки, ввиду малого количества устройств компенсации (регулирования) реактивной мощности;
- частичное недоиспользование пропускной способности существующих сетей, одновременно с перегрузом ряда линий, ввиду неоптимального распределения потоков мощности по параллельным линиям электропередачи различного класса напряжения;
- рост потерь в сетях, увеличение затрат на передачу энергии[2].
Одновременно с этим, постоянный рост стоимости энергоресурсов приводит к стабильному росту себестоимости электроэнергии, что отражается как на стоимости продукции предприятий, так и на стоимость электроэнергии на розничном рынке. Благодаря экологическому и экономическому факторам, возобновляемая энергетика получила бурное развитие. Ежегодный прирост мощностей в последние годы стабильно составляет 24-25%[3].
4% установленной мощности в Европпе пришлось на ветроэлектростанции уже к началу 2007 года и превысила в абсолютных цифрах 48ГВт. [3].
В России же стандарты и программы поддержки возобновляемой энергетики были приняты сравнительно недавно. Согласно распоряжению Правительства Российской Федерации № 1 - р от 8 января 2009 года, выработка электроэнергии на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) к 2020 году должна была составить 4,5% от общей генерации электроэнергии Российской Федерации [4]. 22 июля 2015 года Российская Федерация стала членом Международного агентства по возобновляемой энергии (IRENA)[5], совместно с которым была разработана «дорожная карта» «ВИЭ 2030. Перспективы развития возобновляемой энергетики для Российской Федерации». В соответствии с прогнозом приведенном в данном документе, при сохранении текущих темпов роста производства электроэнергии, доля энергии произведенной на объектах ВИЭ вырастет в два раза, что в свою очередь составит порядка 5% от спроса на все виды энергии в 2030 году. К концу 2015 года установленная электрическая мощность солнечных и ветряных электростанций в России составляла 460 МВт и 111 МВт, однако уже к 2030 году прогнозируется увеличение установленной мощности до 23 ГВт и 5 ГВт соответственно. [6].
При таком интенсивном росте установленной мощности, является целесообразным рассмотреть вопросы, возникающие при интеграции станций данного типа в единую энергосистему, в частности использование станций в системе противоаварийной автоматики.
Основное предназначение противоаварийной автоматики заключается в недопущении развития и прекращении аварийных режимов энергосистем, а также сохранении или возвращении режимных параметров в допустимые пределы. Данные цели достигаются посредством установки пусковых органов, реагирующих на определенные признаки аварийных возмущений и действующих на ввод противоаварийных управляющих воздействий. Применение средств противоаварийной автоматики позволяет повысить надежность функционирования энергосистемы и снизить возможный ущерб от недоотпуска электроэнергии потребителям, вызванного аварией.
Существует множество вариантов реализации противоаварийных управляющих воздействий. Но на сегодняшний день для целей сохранения аварийной устойчивости в единой национальной (общероссийской) электрической сети в качестве таких воздействий, главным образом, используется аварийное отключение генераторов и аварийное отключение нагрузки. Работа специальной автоматики отключения нагрузки влечет за собой неизбежный перерыв в работе потребителей, подключенных к этой системе. Данное обстоятельство вызывает частые конфликты между абонентами и сетевыми компаниями.
Прогресс в технологиях сбора, передачи и обработки информации о процессе работы элементов электроэнергетического комплекса позволяет достичь нового уровня развития систем управления, релейной защиты и противоаварийной автоматики. Для систем ПА, в частности, открылись возможности создания высокопроизводительных вычислительных комплексов, способных к быстрой и точной дозировке управляющих воздействий и перспективы внедрения адаптивных систем автоматического
противоаварийного управления.
Энергетическая стратегия России на период до 2030 года, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 13.11.2009 №1715-р, определяет приоритетные направления научно-технического прогресса в энергетическом секторе, в том числе по направлению «Электроэнергетика», непосредственно связанные с деятельностью ОАО «СО ЕЭС» [7]. Среди них:
• создание и широкое внедрение централизованных систем противоаварийного управления, охватывающих все уровни ЕЭС России.
В составе СЭС и ВЭС широко используются преобразователи напряжения, а также устройства накопления энергии, с целью бесперебойной выдачи мощности в сеть с заданным качеством.
В энергосистемах всего мира находят широкое применение передачи и вставки постоянного тока на преобразователях напряжения. Основные задачи, решаемые с их помощью, следующие:
• Объединение энергосистем различных стандартов частоты (50 и 60 Гц) на параллельную работу;
• Объединение несинхронно работающих энергосистем, также обеспечивающее частотную «развязку»;
• Электроснабжение удаленных потребителей, в том числе и кабельным связям через водные преграды;
• Передача электроэнергии, получаемой от массивов ветрогенераторов.
Можно отметить еще один аспект перспективного применения 1111Т, актуальный для энергосистемы нашей страны - использование передач постоянного тока для усиления межсистемных связей, что повышает их пропускную способность и управляемость перетоков мощности.
Преобразователей напряжения (ПН) на полностью управляемых вентилях обладают широкими возможностями регулирования режимных параметров. Передачи постоянного тока (ПИТ), выполненные на базе таких преобразователей, могут быть использованы в качестве эффективного средства обеспечения динамической устойчивости при переходе от аварийного к послеаварийному режиму.
В прошлые десятилетия большое внимание уделялось вопросам противоаварийного управления устройствами силовой электроники, в том числе и 1111Т. Для проектировавшейся мощной (6000 МВт) передачи Экибастуз-Центр, предусматривались функции дискретной (ступенчатой) кратковременной форсировки передаваемой мощности для сохранения устойчивости параллельной работы ЕЭС. В настоящее время в энергосистеме России нет работающих 1111Т. В эксплуатации находится только вставка постоянного тока ПС 330 кВ Выборг, силовые преобразовательные устройства которой выполнены на тиристорной базе с применением фазового управления мощностью преобразовательного устройства. На ПС 330 кВ Выборг реализована функция специальной автоматики отключения нагрузки (САОН) для предотвращения нарушения устойчивости в прилегающей энергосистеме. По команде САОН осуществляется запирание вентилей преобразовательных устройств и. следовательно, сброс нагрузки.
Предмет исследования - устройства централизованной системы противоаварийной автоматики в составе электрических станций на базе возобновляемых источников энергии;
Цель исследования - комплексное исследование вопросов интеграции электрических станций на базе возобновляемых источников энергии в централизованную систему противоаварийной автоматики единой энергетической системы;
Задачи исследования:
- анализ существующих схем распределительных устройств СЭС и ВЭС
- изучение существующих систем противоаварийной автоматики и их систем передачи данных;
- разработка прототипа устройства работающего в соответствии с выдвинутыми предложениями по интеграции станций ВИЭ в системы ЦСПА;
- оценка экономической эффективности строительства станции ВИЭ;
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста, содержит 10 рисунков, 19 таблиц, список используемой литературы из 42 наименования.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования.
В первой главе представлен анализ существующих схем распределительных устройств солнечных и ветровых электростанций;
Во второй главе проведено изучение существующих систем противоаварийной автоматики и их систем передачи данных;
В третьей главе выявлены технические ограничения, препятствующие широкому внедрению станций с преобразователями напряжения в централизованную систему противоаварийной автоматики, и выдвинуты предложения позволяющие преодолеть такие ограничения. Произведено проектирование прототипа устройства работающего в соответствии с выдвинутыми предложениями.
В пятой главе проведено технико-экономическое обоснование строительства солнечной электростанции, подробно разобраны механизмы поддержки возобновляемых источников энергии в России, а также структура и принципы функционирования оптового рынка электрической энергии и мощности.
В заключении сформулированы основные выводы и даны результаты исследований в соответствии с целью и задачами исследований

Купить

Интеграция возобновляемых источников энергии с единой энергетической системой, это задача которую неминуемо придется решать в ближайшие годы. Электрические станции на их основе, как правило, имеют в своем составе накопитель мощности, а также вставку постоянного тока на современных силовых преобразователях, что позволяет в широких пределах регулировать выдаваемую станцией мощность. Изменение величины выдаваемой мощности при этом происходит существенно быстрее, чем на электростанциях, в которых используются паровые турбины.
Комплексное использование возобновляемых источников энергии в единой энергетической системе может не только снизить зависимость энергетики от углеводородов, но и стать эффективным элементом воздействия противоаварийной автоматики. Взаимодействие устройств между различными узлами сети ЦСПА, обеспечивается каналами связи, функционирующими в рамках единого информационного пространства сети. Работа такого пространства требует унификации формы представления информации.
Расширение области применения стандарта IEC-61850 с целью организации цифровой передачи данных и команд управления между удаленными объектами в электрической сети сопряжено с рядом проблем, вызванных ограничениями пропускной способности каналов связи, сложностью синхронизации измерений, увеличением количества измеряемых величин и как следствие возрастающими требованиями к вычислительной мощности устройств автоматического управления. При этом, необходимо решение следующих задач:
- снижение объема передаваемых данных от измерительных трансформаторов тока и напряжения одновременно с повышением пропускной способности существующих каналов передачи данных;
- снижение вычислительной нагрузки устройств автоматического управления (перемещение функций обработки сигналов измерений в цифровой форме от устройств автоматического управления к первичным датчикам и измерительным преобразователям);
- синхронизация измерений мгновенных значений токов и напряжений между различными узлами сети.
С целью снижения нагрузки на ЛВС нами предложено передавать данные измерений между узлами сети ЦСПА в векторной форме в соответствии с разрабатываемым стандартом IEC/TR 61850-90-5 ed1.0.
Проведен первый этап испытаний такого решения при помощи прототипа терминала РЗА. Испытания показали, что передача данных посредством передачи векторных измерений снижает нагрузку на сеть в 90 раз в установившемся режиме и до 10 раз в переходном режиме. Однако, для подтверждения результатов исследования требуется провести большой комплекс исследований связанных с увеличением количества устройств в сети, а также провести моделирование влияния станций ВИЭ на динамическую устойчивость в переходном режиме при наличии управляющих воздействий от ЦСПА.

Купить