автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Аварийная частотная разгрузка энергетических систем

с^ На правах рукописи

о

; ^ ли иш»

аварийная частотная разгрузка эдшргехичвскиж

СИСТЕМ

Специальность 05.14.02 - электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Санкт-ПетерОургском Государственном Техническом Университете на кафедре "Электрические станции".

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Павлов Г.М.

Официальные оппоненты - доктор токнических наук,

профессор Меркурьев Г.В. - кандидат технических наук, доцент Окороков Р.В.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский Энергетический Институт Повышения Квалификации Специалистов Минтопэнерго РФ.

Зашита диссертации состоится " 1996г.

на заседании диссертационного Совета K-063.3S.24 при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете по адресу: 1952Ы, г.С.Петербург, Политехническая ул. 29, ауд.325 главного здания.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной ОиСлиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан //?, М(1Я. ! Ч'/С

Отзывы на автореферат й двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу на имя ученого секретаря Специальэированного Совета.

Ученый секретарь специализированного

Совета, к.т.н., доцент •■-^',-У / ТаджиОаев А.И.

I. Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. В последние годы энергетики многих стран усилили внимание к исследованию автоматического противоаварийного управления. Автоматическая частотная разгрузка (АЧР) является основным средством предотвращения опасного развития аварий, сопровождающихся возникновением значительного дефицита генерации и глубоким снижением частоты.

Современные энергосистемы характеризуются

концентрацией огромных мощностей на отдельных станциях, передачей энергии на большие расстояния, параллельной работой многих станций на общую нагрузку. Потребители предъявляют высокие требования к электроэнергии. Такие качественые показатели электроэнергии, как частота и напряжение, должны поддерживаться на строго заданном уровне. Ла электростанциях и линиях передачи возможны различные повреждения, которые влияют на нормальную работу. Аварии в энергосистеме, сопровождающиеся возникновением дефицита генерации и глубоким снижением частоты, имеют, как правило, наиболее тяжелые последствия. Снижение частоты, происходящее в результате отключения источников генерации, аварийного разделения энергосистемы на части, отключения питающих энергорайон линий

электропередачи, приводит прежде всего к нарушению нормальной работы собственных нужд электростанций или снижению их производительности. Нарушается нормальная работа потребителей, так как их призводительность зависит от частоты. При снижении частоты возможно также отключение некоторых блочных агрегатов электростанций технологическими защитами. Вследствие такого снижения генерации в энергосистеме увеличивается первоначальный дефицит мощности и происходит еще более глубокое снижение частоты. В этой ситуации может возникать так называемая лавина частоты, приводящая к развалу энергосистемы, полной

остановке электростанций и отключению всех потребителей. Аварии с лавиной частоты являючся самыми тяжелыми по своим последствиям и связаны с большим экономическим ущербом.

Автоматическая частотная разгрузка является вынужденным мероприятием по отключению ряда потребителей с целью поддержания частоты энергосистемы, близкой к нормальной.

Исследование действия АЧР и переходных процессов в энергосистеме при больших дефицитах генерации является актуальной задачей, имеющей большое теоретическое и практическое значение.

Цель и задачи работы. Основной целью настоящей работы является разработка глубокого теорети-ческого исследования по изучению переходных процессов в энергосистеме при больших дефицитах генерации с учетом действия автоматической частотной разгрузки.

В режиме дефицита генерации частота энергосистемы снижается. При большом дефиците снижение частоты может быть значительным и недопустимым как для потребителей, так и самой энергосистемы. Исследование изменения частоты в данных случаях имеет важное значение. В связи с этим для достижения главной цели в работе решается ряд задач: разработка математической модели

энергосистемы с учетом главных параметров, влияющих на переходный процесс; разработка модели энергосистемы при действии АЧР, изучение влияния основных параметров автоматики на переходный процесс; разработка новой методики для расчета динамики изменения частоты при больших дефицитах мощности и действии АЧР; разработка математической модели энергосистемы с учетом вращающегося резерва; создание программы для расчета-изменения частоты при различных ситуациях на модели, анализ влияния вращающегося резерва в системе и запаздывания в канале АЧР на процесс изменения частоты при дефиците генерации и действии АЧР; исследование влияния плотности разгрузки на динамику изменения частоты.

Научная новизна работы.

- Разработка модели энергосистемы при действии АЧР, изучение влияния основных параметров автоматики на переходный процесс.

Разработка новой методики расчета динамики снижения частоты в энергосистеме при действии АЧР.

- Создание программы исследования переходного процесса при действии АЧР в разных случаях.

- Исследование влияния плотности разгрузки на изменение частоты.

- Анализ влияния вращающегося резерва в системе и запаздывания в канале АЧР на динамику изменения частоты при дефиците генерации.

Использование новой методики расчета переходного процесса.

- Получена оценка для использования АЧР.

Практическая ценность состоит в том, что результаты работы позволяют более обоснованно выбрать рациональную автоматическую частотную разгрузку в энергосистеме, обеспечить ликвидацию аварийной ситуации с дефицитом генерации и подъем частоты до уровня, дающего возможность автоматически быстро восстановить нормальную работу энергосистемы.

Публикации. По' диссертационному материалу была написана статья: "Частотная разгрузка энергетических систем." Труды СПбГТУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на ,96 листах машинописного текста, содержит#рисункРь и^таблицы. Список литературы включается наименований.

XI.Краткое содержание диссертации.

Во введении даются общая характеристика проблемы

и обосновывается актуальность работы. _ Излагается

состояние использования АЧР и опыт ее применения в России и за рубежом.

В первой главе

приводится назначение частотной Отмечается, что аварийная частотная является вынужденным мероприятием по

с целью поддержания номинальной. применяют частотную категорий - АЧР-1 и

разгрузки. разг-рузка

отключению ряда потребителей частоты энергосистемы близкой к

В энергосистемах России разгрузку, состоящую из двух АЧР-И.

Исследования показывают, что настройка очередей АЧР-1 и АЧР-И выбрана, в основном, на интуитивной основе без учета динамики работы частотной разгрузки, возможно скорректировать настройку АЧР с целью уменьшения аварийного отклонения частоты и сокращения длительности ее восстановления. Изучению этой проблемы и посвящена настоящая работа.

В установившемся режиме мощность генераторов равна мощности нагрузки. Частота энергосистемы остается постоянной. Структурная схема агрегата, работающего в энергосистеме, показана на рис.1. С | - —-- 1г!|--с

турбо- УНСрГО-

регуля-

тор эгрегат .-.истеш

Рис.1. Структурная схема агрегата,работающего в энергосистеме.

Регулятор частоты вращения реагирует на отклонение частоты от номинальной и воздействует на турбину. При малом возмущении характер изменения частоты зависит от наличия вращающегося резерва. Если резерв мощности достаточен для покрытия возникшего небаланса, после переходного процесса частота системы будет восстановлена на уровне 50 Гц. Если р*".--рва мощности нет, регулятор частоты будет бездейс-г^пать. При возмущении ЛР изменение частоты бо вреиым происходит по экспоненциальному закону:

4

о т

где К„ - регулирующим эффект нагрузки, г; = —

К/1

постоянная времени энергосистемы с учетом регулирующего эффекта нагрузки, т, - постоянная времени энергосистемы.

При возникновении дефицита генерации частота системы будет снижаться. При снижении частоты до уровня 4 8.5 ■ Гц, АЧР сработает и отключит потребителей на общую мощность.

Разгрузку . производят только по отклонению частоты. После отключения потребителей при действии нескольких очередей АЧР частота системы стабилизируется на номинальном уровне.

После действия 1 очередей АЧР снижение частоты будет таким:

Д/=----

а'я

где ~ суммарная мощность отключения

потребителей.

Для исследования характера переходного процесса при дефиците генерации рассматривается действие разгрузки с малым числом очередей. Исследования показывают, что в этом случае разгрузка большими порциями по мощности »возможно, приводит к зависанию частоты на уровне чуть выше 47 Гц или к значительному перерегулированию. В настоящее время этот способ в энергосистемах России практически не применяется. Для устранения этих недостатков следует рассматривать разгрузку с большим числом очередей.

Автоматика состоит из двух частей. Первая категория АЧР-1 предназначена для приостановки снижения частоты и имеет уставки по частоте в диапазоне 48.5-4 6.5 Гц. Вторая категория АЧР-И с единой уставкой по частоте 48.5 Гц предназначена для всех очередей этой категории с различными уставками по времени для "вытягивания" частоты после действия АЧР-1 до уровня 49.5-50 Гц.

Разгрузка с большим числом очередей производится небольшими порциями, что способствует отключению потребителей на ту величину, которая необходима для прекращения снижения частоты.

Во второй главе разработан новый метод расчета частотной разгрузки. При использовании обычного метода расчета переходного процесса при дефиците генерации и действии АЧР расчет ведется шаг за шагом и изменение частоты является нелинейным. Результат расчета, т.е. снижение частоты во времени получается только в конце расчета. Здесь нет ответа на вопрос -как настроить АЧР, чтобы получить заданный переходный процесс с заданным установившимся значением частоты после действия АЧР и заданным временем переходного процесса. Новая методика может быть лишена этих недостатков.

Для теоретических исследований процесса изменения частоты полагается, что число очередей АЧР равно бесконечности. В таком случае мощность разгрузки становится непрерывной функцией частоты Рр=<А1)- Введено понятие плотности разгрузки ¿Р АР

Ке-—г-5—£- = соп5( . Начиная с /, действие разгрузки в ¥

уравнении энергосистемы учтем так:

7>А/ + К„ А/ + = - АР + 2К„ (50 - /,) а передаточная функция энергосистемы с учетом действия АЧР будет

Снижение частоты во времени при действии АЧР будет таким:

Изменение частоты системы при действии АЧР будет таким: ^

где Л'£ = Ки +КР, ту= Г,/А-г .

/(О = 48.5 - - Р " " 4К 5)

1-е

2Кг /яя= 48.5-ДЛт

Новая методика построения переходного процесса в энергосистеме при действии АЧР позволяет сделать следующие выводы:

1. Эффективность АЧР в значительной степени зависит от плотности разгрузки КР. Чем болыпе плотность разгрузки, тем меньше отклонение А/,,,„ л тем быстрее завершается процесс стабилизации частоты.

2. Плотность разгрузыки можно повысить за счет увеличения ДР„„ или сокращения диапазона /-/,.

3. Обычно выбирается на основе оценки максимально возможного дефицита генерации в системе.

4. Для ускорения действия АЧР выгодно сокращать диапазон по частоте с до /„. Имеются ограничения по реализации этой рекомендации, которые обусловлены запаздыванием в канале АЧР.

5. Практическая реализация АЧР безусловно предполагается в виде ступенчатой разгрузки с конечным числом ступеней.

6. Изложенная методика позволяет анализировать разгрузку с нелинейной и ступенчатой характеристикой. Если КР=о, то контур АЧР разомкнут.

т

Постоянная времени т; = -~-. При КР=х получается

Кн

перерегулирование.

На рис.2 показана структурная схема энергосистемы с учетом АЧР, на рис.3 представлены статическая и динамическая характеристики энергосистемы с учетом действия АЧР.

С

1/Тар

уу 1

Рис.2.

Ар-** Г/ v

У 1 л/ 1 Л / / Лс и /_____

Рис.3

Затем в этой главе мощности потребителей,

приводится анализ выбора присоединяемых к АЧР. Отмечается, что при любой аварии, принятая настройка частотной разгрузки обладает запасом, даже при максимально возможном дефиците срабатывают не все очереди и не отключается полный объем потребителей.

Далее анализируется разгрузка энергосистемы по скорости снижения частоты. Заманчива идея определения возникшего дефицита генерации в первый момент развития аварии, в этом случае Д/=0 и

4Г

АР^Ъ

ск

Таким образом, по скорости снижения частоты

измерить производную

не просто и исследования

можно расчитать возникший дефицит и сразу же отключить потребителей на это значение мощности. Но

с/1

показывают, что отключение части потребителей по производной уменьшит тяжесть аварии, однако, во времени процесс стабилизации частоты завершается почти одинаково в сравнении с. вариантом без учета •производной.

При запаздывании в канале частотной разгрузки отключение потребителей происходит с некоторой задержкой. Запаздывание может привести к тому, что сработают все очереди частотной разгрузки, а это приведет ^к перерегулированию, так как при любом дефиците Л/Ч: Л где ЛР„„ - потребители,

присоединяемые к АЧР-1, должны срабатывать не все очереди разгрузки.

£

Перерегулирование приведет к тому, что установившееся значение частоты после действия АЧР будет выше, чем установившееся значение при отсутствии запаздывания в канале АЧР. На рис. 4 показана структурная схема энергосистемы при запаздывании в канале АЧР, где элемент 3' с

передаточной функцией = =-, где г - выходной

у+1

сигнал смещен на время г.

Рис.4.

В случае значительного запаздывания в канале АЧР могут сработать все очереди, а это означает, что излишнее отключение будет очень большим.

В третьей главе построена математическая модель турбо и гидроагрегата. Регулятор частоты вращения предназначен для поддержания вращения турбины на заданном уровне.

Для регулятора частоты вращения турбоагрегата передаточная функция имеет вид:

а/ 1

где М - относительное открытие регулирующего органа турбины; А/ - отклонение частоты на входе регулятора; <5 - остающаяся степень неравномерности регулятора; Хкг - постоянная времени регулятора.

Для паровой турбины без промежуточного перегрева пара передаточная функция будет:

М Тгяр +1

где Д/>г - мощность агрегата; ТГ4 - постоянная времени, учитывающая запаздывание в преобразовании тег.ловсй энергии пара в механическую.

Передаточная функция агрегата совместнс. с регулятором частоты вращения будет:

w(P) = ¥r -__

AT (r^/MXva+i)

Для установившегося режима будем иметь:

Можно принять SsS, где S - статизм регулятора обычно Я=0.04--0.Об. Полное изменение мощности агрегата о ч холостого хода до номинальной (ДР = i.o) осуществляется регулятором при отклонении частоты л/=2-3 Гц.

Для изменения мощности в пределах возможного резерва <0.1-0.2)PWM необходимо иметь на входе регулятора отклонение по частоте в (0.2-0.6) Гц. Частотная разгрузка начинает срабатывать при 48.5 Гц. Поэтому к этому времени турбоагрегат уже увеличит свою мощность до предельного значения, мобилизация резерва сократит дефицит генерации.

Рассмотрим эту проблему для гидрогенераторов. Передаточная функция турбины и регулятора частоты вращения имеет вид:

и'(„)-_]/£_ Ll±L

где 7, - постоянная времени изодрома, р - коэффициент гибкой обратной связи, Тм - постоянная времени водовода турбины. Обычно Твв = 15-20 с, fi - б, Тве -3-4 с. В установившемся режиме регуляторы паровой и х1адравлической турбин обеспечивают одинаковое соотношение

Так же в этой главе дается анализ определения постоянной времени и регулирующего эффекта нагрузки. Передаточная функция системы регулирования при параллельной работе с энергосистемой получается:

„(,).—. -

где К' - 1/«У.

При действии АЧР и наличии резерва передаточная функция имеет вид:

^„„«р.ы = 1)н-ЛГ' и (/,) = ^т

где лг = лг„+ лг,,

В этом случае изменение частоты зависит от действия резерва.

В четвертой главе приводится исследование переходных процессов при дефиците генерации и действии АЧР.

С помощью разработанных моделей и методик на ЭВМ разработаны, алгоритм и программа расчета динамики изменения частоты в энергосистеме при указанных условиях.

На ЭВМ были рассчитаны многочисленные аварийные варианты,. отличающиеся между собой величиной дефицита генерации, числом очередей частотной разгрузки, запаздыванием в канале разгрузки, влиянием вращающегося резерва на переходный процесс, влиянием плотности разгрузки на изменение частоты и т.д.

На рис.5 представлены графики снижения частоты в энергосистеме при возникновении дефицита генерации. Кривая 1 соответствует снижению частоты при отсутствии АЧР. Кривой 2 отмечено расчетное снижение частоты при действии АЧР-1. Расчет производится шаг за шагом. После очередного а.-го отключения потребителей частота снижается по экспоненте, которая рассчитана до установившегося значения.

Скорость снижения частоты все время уменьшается,

когда все последующие очереди разгрузки не

работают. Из рис.5 видно, что эксперимент проведен с большим числом очередей частотной разгрузки. В таком случае разгрузка приближается к варианту л=» , ( результирующая кривая снижения частоты после /, приближается к экспоненте

и

50-/) Г К„+К„ (

При малом числе очередей (п=3-4) автоматика получается грубой. Аварийная ситуация в энергосистеме исправляется путем отключения потребителей очень болх-шими порциями, и в самом принципе заложена возможность перерегулирования. Сказанное иллюстрируется на рис.6, где показан процесс снижения частоты при действии АЧР-1 с малым числом очередей.

Запаздывание в канале частотной разгрузки оказывает самое существенное влияние на переходный процесс при действии разгрузки. В диссертации была рассчитана динамика изменения частоты при запаздывании г = 0.3 с, 0.5 с, 0.7 с, 1.0 с, 1.5 с и дефиците генерации АР = 30% . Пошаговым путем и с помощью новой методики на математической модели исследования показывают, что чем больше запаздывание, тем сильнее проявляется

перерегулирование в действии АЧР (рис.7).

На перерегулирование при действии АЧР-1 заметное влияние оказывает плотность разгрузки. Чем выше плотность разгрузки, тем вероятнее

перерегулирование. Графики снижения частоты при разных плотностях разгрузки подтверждают сказанное (рис.8). Кривая 1 - плотность разгрузки = 7.5. Кривая 2 - плотность разгрузки = 15 - приводит к перерегулированию.

Исследование переходных процессов при наличии вращающегося резерва в энергосистеме проводилось при совместном действии регулятора частоты вращения и частотной разгрузки. Моделирование регулятора частоты вращения выполнялось в двух вариантах - для трубо и гидроагрегата. Отличие этих вариантов заключается в параметрах системы регулирования и в том, что у регулятора частоты вращения гидрогенератора имеется сильная гибкая обратная связь.

Исследования показывают, что вращающийся резерв паровой турбины реализуется сравнительно быстро 'И оказывает влияние на переходный процесс снижения частоты при действии АЧР (кривая 1 на рис.9). Вращающийся резерв гидрогенератора "включается" в работу очень медленно и практически не оказывает заметного влияния на характер переходкого процесса при действии АЧР-1 (кривая 2). На рис. 10 показан подъем частоты при действии АЧР-11.

Исследование динамики работы частотной разгрузки показывают большие возможности дальнейшего улучшения автоматики частотной разгрузки. Эти возможности скрыты в том, что рекомендации по настройке параметров существующей частотной разгрузки АЧР-1 и АЧР-11 сделаны на интуитивной основе без анализа динамики работы автоматики.

ЙМСШЗЧЕШК.

1.Рассматриваемая в настоящем исследовании автоматическая аварийная разгрузка по частота в энергосистеме млеет высокое теоретическое и практическое значение для настройки АЧР с целью уменьшения аварийного отклонения частоты и сокращения длительности ее восстановления. Исследование показывают, что при возникновении дефицита генерации снижение частоты будет происходить г.о экспоненциальному закону.

2.При конечном числе очередей АЧР-1 разгрузка получается ступенчатой, а ее характеристика нелинейной. Это значительно усложняет методику расчета переходного процесса в этой схеме. Расчет ведется методом последовательных приближений, поэтому результат получается только в конце расчета.

Отсутствие аналитической зависимости снижения частоты в функции различных факторов не дает возможности оценить степень влияния того или иного фактора на переходный процесс. Это обстоятельство затрудняет настройку АЧР с целью минимизации отклонения частоты в аварийных условиях.

3.Разработана новая методика расчета динамики снижения частоты при дефиците генерации и действии АЧР-1. Для теоретических исследований полагается, что число очередей АЧР равно бесконечности, мощность разгрузки становится непрерывной функцией частоты

/ ,ч ¿Л

Р,-<А}) и вводится понятие плотности разгрузки =

При этом характеристика АЧР становится линейной. Это значительно упрощает методику расчета переходного процесса.

Получена аналитическая зависимость снижения частоты в энергосистеме при действии АЧР. Основным фактором, 'влияющим на отклонение и длительность переходного процесса в аварийных условиях является плотность разгрузки. Даны рекомендации по выбору этого параметра.

4.Вращающийся резерв оказывает влияние на переходный процесс при действии АЧР. Следует учитывать место размещения вращающегося резерва и его ограничение по величине.

Резерв на тепловой электростанции реализуется весьма быстро и это оказывает влияние на действие АЧР. Система регулирования гидроагрегата является медленно действующей, за счет чего резерв реализуется после действия АЧР.

5.Рассмотрено влияние запаздывания в канале АЧР на переходный процесс. Результаты показывают, что чем больше запаздывание, тем сильнее перерегулирование. Зго обстоятельство необходимо учитывать при выборе величины плотности разгрузки.

7.Исследования, выполненные в диссертации, позволяют настраивать автоматику частотной разгрузки на заданный переходный процесс в аварийных ситуациях. Теоретически, автоматика может быть настроена таким образом, чтобы отклонение частоты в аварийном режиме не превышало заданного значения.

^ г) II и +. О

м и + »)

««• > е> *8 и +• МО I» + г> «Ь < «:>

«I (Т)

______ __ „

ч % • ► .

■ ------

-- \ ' V N ' \\> V'-

Рис 3 Процесс снизвнчя частоты при дта и и АЧ Р

£ , Па

«VI II)

(1) Г<гЭ (1)

\ V

\

ч.

Рис 0 Процесс изменения частоты при действии АЧР с. малым числом очередей

«VI {1

ь« ( I. ьО (1)

«. ь > м

\

Рио 7 Процесс и-эм^н^ник частогы запаздывании в канале

<10 I ь

ггмь „

19<Ч

Рис £ Влияние плотно»*"«« раэгр1-"эки на переходный процесс

1

без АЧР

есть АЧР Оез р^эдрва есть ЛЧТ? и ^еэ^рв — —

4л ,500 Э

О • ь 50

Гис 9 Ккияяие вращающегося резерва на пзрсходный процесс

50

с <с>

е«и>

и > (* I

«•> »о к» и)

42.500Э

?и<*т Ю, Переходный процесс при действии АЧ? П