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

СДПДГ-ПЙГЕГМПУКИИ мллДАгаТВкнный тяшеСКИИ УНИВЕРСИТЕТ

рг-б оа

1 3 М1Л

на прылых рукописи

«РАгииьОРЗ мидхльи »цаара?

Ш ыи >1*. ¿¿г

ЧА^ГОШАЙ рлзтыи аиа^ЕхиЧкСШ, СмиЕМ

Спедмалмость 05.14.02,- электрические станции

(алвктрическая чао»), сети, влектроэнвргетическив систвиы я управление ими

АВТОРЕФЕРАТ

дисоертацвя на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 199й

!Раоота выполнена на кафедре "Электрические станции" Санкт-Иетероургского государственного Технического университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор г.и. Павлов

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

аеккел* А.С!. - кандидат технических наук Окороков

ведущая организация - ОДУ иеверо-ааиада

Уаашта состоится • О? 9 199Ы. в часов на

заседании диссертационного Совета К при Санкт-

иэтероургскои зсосударотвеннои технической Университете по адресу: хугхгы, Санкт-иетероург, политехническая ул.¿9, главное здание, ауд.52Ь.

И диссертацией иохно ознакоикться в фундаментальной оиолиотеке университета.

Автореферат разослан *0$£ » ждя 1уу6г. Ученый секретарь диссертационного

Совета, к.г,к., доцент и.И. Гаджиоаев;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Я энергетических системах возможны аварийные ситуации, сопровождающиеся большим дефицитои генерации. Это возможно при отклонении моцного генератора, погашения целой отанции или отключения межсистемной линии передачи.

При дефиците генерации происходит онижение частоты энергосистемы. Коли дефицит генерации неаначительный, то ледущая станция повысит свою модность и восстановит частоту системы. При Сольном аварийной дефиците генерации вращающийся резерв энерго-систеыы может оказаться недостаточным для восстановления баланса генерируемой и потребляемой мощностей. Частота энергосистемы снизится.

Уменьшение частоты происходит не беспредельно. С изменением частоты потребление уменьшается, так что при некоторой значении частоты баланс мощностей снова восстановится. При неблагоприятных условиях отклонение частоты может быть большим и недопустимым как с точки зрения потребителей, так и самой энергосистемы.

Поскольку длительная работа с пониженной частотой недопустима, то прибегают к аварийному мероприятию - автоматической разгрузке энергосистемы по частоте (АЧР). Аварийная частотная разгрузка является вынужденным мероприятием по отключению ряда потребителей о целью поддержания частоты энергосистемы близкой к номинальной.

Частотная разгрузка применяется в энергосистемах всех стран. • Однако реализация разгрузки производится по-разному. Отличие заключается в выборе висла ступеней разгрузки, их уставок по частоте и мощности, а также в выборе выдержек времени каждой

ступени. Очевидно, что от втих параметров зависят как статические, так и динамические характеристики частотной разгрузки.

Настроечные параметрш АЧР должны выбираться на основе исследований динамики снижения частоты в энергосистеме с учетом действия аварийной автоматики. Эти исследования достаточно сложим, так как автоматика действует в импульсном режиме и ее характеристики нелинейны. Для теоретических исследования динамики работы АЧР в диссертации сделано предложение о бесконечно оолыиоы числе ступеней автоматической разгруаки. В таком случие проблема исследований переведена в ооластъ линейных систем управления, анализ которых значительно упрощается, на основе этих исследований разработаны практические рекомендации по настройке автоматической частотной разгрузке, в первую очередь применительно к энергетической системе респуолика Иран.

цель и аадвчи роооты. целыо работы является разработка метода математического моделирования энергетической системы в режиме дефицита генерации с учетам *.,аствия автоматики частотной разгрузки, а также проведение всесторонних исследовании на модели и выраоотка рекомендаций по оптима/ьному выоору параметров антоматики.

Метод исследования. Н основу исследования положено математическое моделирование энергосистемы как объекта управления и расчет переходных процессов на ЭВЦ. Расчеты выполнены при различных сочетаниях параметров энергосистемы и автоматической разгрузки. Проведено сравнение различных способов разгрузки, показана возможность настройки частотной разгруаки на заданный переходный процесс при лесом дефиците генерации.

г

Научная новизна.

I. Разработана математическая модель энергосистемы совместно с автоматикой частотной разгрузки. На модели учитывается нили-чие первичного регулятора частоты вращения, а так*е действие А4Р с любым числом ступеней разгрузки.

¿. проведены исследования динамики снижения частоты в энергосистеме при действии частотной разгрузки. Исследования выполнены для различных вариантов настройки Ач1\ показаны достоинства нового метода исследования частотной разгрузки с линейной характеристикой, т.е. с постоянной плотностью разгрузки.

5. Показана возможность настройки АЧР на веданный переходный процесс в энергосистеме, что достигается за счет вариации плотности разгрузки.

<*. Исследованы переходные процессы при переменных значениях плотности разгрузки в диапазоне действия АЧ1\ Для энергосистемы Ирана разраоотаны рекомендации по выбору параметров частотной разгрузки и размещения комплектов автоматики на подстанциях энергосистемы.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Исследования, выполненные в диссертации, позволяют обоснованно выбирать настроечные параметры частотной разгрузки, а именно: - число очередей разгрузки, мощность потребителей, присоединяемых к каждой очереди, а также выбирать закон распределения суммарной нагрузки между очередями АЧУ.

новый метод расчета переходного процесса снижения частоты при дефиците генерации позволяет Настраивать автоматику частотной разгрузки на поддержание частоты в аварийных условиях не

ч

ниже заданного уровня, что имеет оольшое практическое значение

для нормального функционирования энергосистемы.

новая методика расчета пригодна как для изолированно раоо- ' тевщеи энергосистемы, так и для энергоооъединения, для ее реализации необходимо знать только возможный аварийный дефицит генерации и уставки начала и конца действия А4г. иостроени переходного процесса при действии ачг осуществляется с помощью диагра-

Апрооация раооты. материал диссертации докладывался на конференциях в эивргосистнвал Ирана, а также на международных конференциях ( Тегеран 6-8 нояоря 1У^г., с. иетероург ч~/ мая 1У2ЧГ.). но теме диссертации опуоликована статья "хеорета- I ческие и практические основы автоматической частотной разгрузки" Тегеран, (

Структура и ооъем раооты. диссертационная раоота состоит ' из введения, пяти глав, ьаключеыин и 4 приложении, иощии ооъем раооты 9х стр. диссертация написана на английском языке.

краткое содержание раооты. 1

Во введении ииоснована актуальность темы, сформулированы !

'л

задачи исследовании и намечены основные спосооы проведеаия ; аварийной разгрузки энергосистемы цри оольшоы дефиците генера- 1 ции. ;

Первая глава посвящена анализу существующих методов частот- I ной разгрузки, применяемых в энергосистемах разных стран, в первую очередь, в США, Кране, Бразилии и России. Частотную разгрузку в энергосистемах зарубежных стран осуцесствляют, как ' правило, с малым числом очередей. Это один на главных недостат- ! кои подобной автоматики. 11 ри малом числе очередей к каждой из

яих присоединяется большой объем потребителей в пределах до 10-15% от суммарной нагруаки энергосистемы. Такое отключение приводит к значительному перерегулировании по вастоге. Так при регулирующем эффекте нагрузки 2,0 и отключении 15% нагрузки, частота в установившемся режиме поднимается на 7,Ь% или 3,7ЬГц.

На границе срабатывания этой очереди возможен значительный разброс в отношении установившегося значения частоты. Коли эта ступень автоматики не срабатывает, то частота остается на уровне уставки этой ступени. Вследствие погрешности частотного

реле ступень может сработать, что приведет к повышению частоты па 3,75 Гц.

Несмотря на возможность значительного перерегулирования при налом числе ступеней АЧР, этот способ используется в энергосистемах многих стран, что объясняется деланием сократить объеи устройств автоматики.

На основании дальнейших исследований динамики действия АЧР показано, что частотная разгрузка с малым числом ступеней не является наилучшей.

Вторая глава посвящена изучению динамики снижения частоты в энергосистеме при дефиците генерации.

Уравнение энергосистемы вапипеи в виде

= .о)

где - эквивалентная постоянная времени энергосистемы, © - угол отклонения вектора э.д.с. аквивалентного генератора от первичного состояния - коэффициент демпфирования, учитывающий регулирув-щий эффект нагрузки а изменение мощности турбины

в функции частоты, Рт - мощность турбины, обусловленная открытием регулирующего органа, Р» - мощность нагрузки без учета регулирующего аффекта

уО в & / № .

Коэффициент демпфирования равен

где ~ - регулирующий эффект нагрузки,

с1Рт/# - коэффициент, определяющий изменение мощности турбины в зависимости от частоты при постоянном открытии регулирующего органа. С учетом = л/ , формулу ( I ) запишем так

В этом уравнении каждое слагаемое определяет собой мощность.

Так определяет часть мощности ¿Р , идущую на ускорение

" сСР

энергосистемы, , "■ - изменение потребления в функции / р яг

частоты и Ц ~ изменение мощности турбины, обусловленное изменением частоты.

Обычно —ц" < ~с[>/" < поэтому иохно оперировать 7> = ^-= - ь> и уравнение энергосистемы записать так

+ &Р (4)

Рассца'иИ^ая энергосистему как адеиент системы регулирования, «ходвк* воздействием следует считать рассогласование мощностей.

Выходным сигналом является изменение частоты, при этом передаточная функция энергосистемы запишется в виде

регулирующего аффекта нагрузки. Выражение ( 6 ) соответствует передаточной функции элемента первого порядка о постоянной времени Т^ 1

Структурная схема агрегата, работающего на энергосистему, показана на рис^. Регулятор частоты вращения реагирует на отклонение частоты от номинальной и воздействует на туроину. мощность турОоагрегата уравновешивается нагрузкой . Рассогласование мощностей АР*РТ-РН приводит к ускорению вращающихся масс энергосистемы.

При ступенчатом воздействии Лр характер изменения частоты зависит от наличия вращающегося резерва. Л'сди имеете:; резерв мощности, то при снижении частоты придет в действие регулятор частоты вращения и будет увеличивать открытие регулирующего органа турбины, в этом случае есть функция частоты и

переходный процесс в енеггосистеме будет происходить по кривой 1 (рио.,2 ). При недостатке резерва переходный процесс пойдет до кривой 2.

Исли резерва мощности нет, то »Сон*'?. Регулятор частот будет бездействовать, что соответствует отключена» ключа С) , В таком случае структурная схема упрощается, при отупенчатом

и далее

где / - постоянная времени анергосиигоы» о учетом

воздействии дР изменение частоты во времени определится выражением

г дР / • .

Ясли дР* с , то частота снижается по экспоненциальному вакону на величину и в установившемся режиме Оудет

У^ст " ^о-л^сг • процесс снижения частоты показан в виде кривой 3.

Действие частотной разгрузки можно учесть по-р$зноыу. при ступенчатой разгрузке каждая очередь уменьшает нагрузку системы па ¿Рц1 . Уравнение энергосистемы при этоы оудет

Ъг'о + ърв* Рт-(Р„-*Р«), со

а дальнейшее снижение частоты определится как " н

Выполняя расчеты шаг за шагом, можно получить график снижения частоты в энергосистеме при действии частотной разгрузки, агот вариант расчета широко используется для построения переходного процесса снижения частоты, исновной недостаток метода заключается в том, что расчет промзв^ится методом последовательных приолижений и до тех пор, пока расчет незакончен, остается нешвестным установившееся значение частоты, ооусловленноо действием Ач*\

Ь диссертации рассматривается новый метод расчета переходного процесса при действии А чу. Для теоретических исследований полагается оесконечно оольшое число ступеноа частотной разгрузки. разгрузка становится непрерывной функцией отклонения час-

„ ¿р

тот. вводится понятие плотности разгрузки . при

этом уравнение энергосистемы о учетом действия АЧГ о постоянной плотностью разгрузки принимает вид

X * лР,

а снижение частоты при действии АЧУ определится выражением

где .

насчет снижения частота производится о момента возникновения д Р по экспоненциальному закону с постоянной временя Т^ , а затем с учетом действия АЧР с постоянной времени .

В главе ш рассматривается моделирование переходных про-~ цессов в энергосистеме при действии ачг на аши в диссертации разраоотаны алгоритмы и программы расчета переходных процессов при разных вариантах выполнения частотной разгрузки, а именно:

- расчет сниасешш частоты при последовательном действии очередей дчг,

- частотная разгрузка представлена и виде непрерывной разгрузки с оесконечио оольшим числом очередей, плотность разгру-8ки постоянна на всем диапазоне действия разгрузки

- разгрузка по второму лырианту, но с переменной плотность» раэгруаки. возможно изменение плотности разгруаки ступенчато пли но 8КСпоненциалыюму закону.

программа разгрузки по атирому варианту свмая простая. Несение по атому варианту возможно о псмоив простой диагрвммы. В диссертации проведен« расчеты для конкретной энергосистемы по приставленным программам, при этом варьировалось вначение первоначального дефицита генерации, число ступеней А'{Р, пло»-

5

несть разгрузки, объем потребителей, присоединяемых к АЧР и т.д.

проведен анализ результатов и сравнение эффективности рассматриваемых вариантов частотной разгрузки, показано-, что наилучшим вариантом является разгрузка с большим числом очередей, причем выбор переменной плотности разгрузки уменьшает величину и длительность отклонения частоты в переходном режиме.

Глава 1У посвящена исследований переходных процессов при действии частотной разгрузки применительно «.энергосистеме Ирана. Приведены схемы и параметры энергосистемы Ирана, произведен выбор уставок разгрузки по частоте, числу очередей, обье-ну потребителей, присоединяемых к каждой очереди автоматики, а также выбраны выдержки времени.

Дано описание частотного рели, используемое в энергетических системах Ирана. По разработанной программе на ЭВМ проявлены расчеты снижения частоты П).и различных дефицитах генерации. На основе расчетов выявлен наилучиий вариант частотной разгрузки, рекомендованный для энергосистемы.

Глава У. В этой главе представлено заключение по всей диссертационной работе, а также намечены проблнмы из области прогиво-аварийной автоматики, которые подлежат дальнейшему исследованию. Основные результаты исследований заключаются в следующем: I. Частотная рпзгрузка энергосистемы является вынужденным реиенкем по отключению потребителей для сохранения в работе оставиейся части энергосистемы. Многолетний опыт энергетических систем многих стран мира показывает, что частотная разгрузка спасает энергосистему от полного развала. Обоснованно считают, что частотную разгрузку лучое сделать с превышением над необходимым уровнем, чем недорпзгрузить энергосистпму.

¿. Материальные затраты на разработку и реализацию артсм.ггяки

/о

частотной разгрузки несравнимы с ущербом, который возможет в энергосистеме при отсутствии такой автоматики. В большем или меньшем объеме автоматика частотной разгрузки применяетсн в энергосистемах всех стран мира.

3. В диссертации разработана математическая модель энергосистемы с учетом действия регуляторов частоты вращения и аьтоматики частотной разгрузки, основное влияние на характер снижения частот« в энергосистеме в аварийных условиях оказывает величина возмущения (дефицит генерации) и регулирующий аффект нагрузки. Основной показатель аварийной автоматики - плотность разгрузки.

4. При малвм число очередей автоматика получается груоои и приводит к значительному перерегулированию в энергосистеме, число очередей необходимо увеличивать до IU-IS.

ь. Для теоретических исследования и выявлении влияния параметров на характер переходного процесса в диссертации предложен вар/ант разгрузки с бесконечно большие числом очередей, введено понятие плотности разгрузки. Анализ переходных процессов при этом значительно упрощается. Получена аналитическая зависимость снижения частоты при действш: А 4P. Для повышения эффективности А 4P следует повышать плотность разгрузки.

6. Разработаны алгоритмы и программы для ЗВМ для исследования действия частотной, разгрузки з энергосистеме. На UiiJi исследованы различные варианты разгрузки - с малым и большим числом очередей, а также вариант с непрерывной разгрузкой, последний вариант исследован с постоянной и переменной плотностью разгрузки.

7. проанализировано дейстьие АЧР в энергетической системп Ирана. На основе исследования д^ны рекомендации по выбору числа очек'.Рй А 4P, рекомендовано начальное в кинечное значение устав-

U

кв по частоте, а также ооъем потребителей, присоединяемых к очередям автоматики. При заданных параметрах АЧ^ проведено яссле-дование переходных процессов при действии кЧ? и показаны пути улучшения аварийной автоматики.

Необходимо отметить, что некоторые проолемы из ооласти частотной разгрузки пока еще не реиены полностью. К таким проблемам, в первую очередь, необходимо отнести следующие'.

- оолее точный учет запаздывания в канале действия АЧУ,

- влияние резерва энергосистемы на динамику снижения частоты в аварийных условиях. Эти исследования уместно выполнить раздельно для тепловой и гидро-энергосистемы.

Рис. I. Структурная cxeuà энергосистемы

уис.2, Варианты снижения частоты в энергосистеме