автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Экспериментальные исследования и методические разработки для повышения устойчивости и эффективности использования межсистемных связей

0 7

# а

V/

• > *

ОБЪЕДИНЕННОЕ ДИСПЕТЧЕРСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОСИСТЕМАМИ

СЕВЕРО-ЗАПАДА

На правах рукописи

РЕШЕТОВ Виктор Иванович

УДК 621.313.12.018.: 621.315.016.885.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕЖСИСТЕМНЫХ СВЯЗЕЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции

(электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕН И Е........................... 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ____ 8

2. ИСПЫТАНИЯ И АНАЛИЗ РЕЖИМОВ МЕЖСИСТЕМНЫХ СВЯЗЕЙ И ПРИМЫКАЮЩИХ К НИМ ЭНЕРГОУЗЛОВ ДЛЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМНОЙ АВТОМАТИКИ ЭНЕРГОСИСТЕМ ........................... 12

2.1. Испытания и анализ нормальных и аварийных режимов межсистемных связей энергосистем .............. 13

2.2. Результаты экспериментальных исследований статических характеристик узлов нагрузки, тепловых электростанций, энергосистем и энергообъединений 29

2.2.1. Экспериментальные исследования статических частотных характеристик узлов нагрузки .... 30

2.2.2. Исследования характеристик узлов нагрузки

по напряжению ............................. 3 6

2.2.3. Экспериментальное исследование статических частотных характеристик тепловых электростанций и динамических частотных характеристик энергообъединения .................. 53

Выводы по разделу 2 ................................. 67

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕ -РИСТИК ТУРБИН ТЭС ДЛЯ ПРИВЛЕЧЕНИЯ ИХ К СИСТЕМНОЙ

АВТОМАТИКЕ ЭНЕРГОСИСТЕМ ............................... 7 0

3.1. Экспериментальное определение динамических характеристик энергоблоков 300 МВт с турбинами К- 303-240-2 ХТГЗ и пылеугольными агрегатами ПК - 39 Ермаковской ГРЭС .................................. 73

3.1.1. Определение динамических характеристик СРТ

на остановленной турбине .................. 7 5

3.1.2. Импульсные испытания турбин К-300-240 ХТГЗ под нагрузкой .............................. 87

3.1.3. Опыты по экстренному увеличению мощности турбин энергоблоков 300 МВт Ермаковской ГРЭС 95

3.1.4. Ограничения мощности турбин ЕГРЭС воздействием на МУТ и рекомендации для повышения надежности его электрической схемы ...... 97

3.1.5. Ограничение мощности турбины К - 300-240 ХТГЗ ЕГРЭС воздействием на ЭГП и МУТ ____ 100

3.2. Результаты экспериментального исследования характеристик СРТ К-500-240-2 JIM3 ст.№ б Экибастузской

ГРЭС-1 ........................................... 107

3.2.1. Частотные характеристики СРТ К-500- 240 -2

ЛМЗ ст. № б Экибастузской ГРЭС-1 .......

3.2.2 Статические и динамические характеристики турбины К-500-240-2 ЛМЗ ст. № 6 Экибастузской ГРЭС-1 для целей системной автоматики 115

3.2.3. Импульсные характеристики турбины К-500-

-240-2 ................................... 121

Выводы по разделу 3 ................................ 127

4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭНЕРГОСИСТЕМ АЛГОРИТМОВ ПРОТИВО-АВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ТУРБИН (ПАУМТ)...... 131

4.1. Разработка алгоритмов противоаварийного управления мощностью турбин .............................

4.2. Экспериментальное исследование эффективности замкнутых законов ПАУМТ на электродинамической модели энергосистем ..................................... 137

Выводы по разделу 4 ................................ 149

5. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПРОТИВОАВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕЖСИСТЕМНЫХ СВЯЗЕЙ ............... 152

5.1. Способ автоматической аварийной разгрузки электростанций с контролем отработки управляющего сиг-

нала системой регулирования турбины и мзменения угла ротора генератора ............................

5.2. Способ противоаварийного управления мощностью турбин с контролем запаса динамической устойчи-

вости энергосистемы ..........................................................156

Выводы по разделу 5 ................................................................161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................163

ЛИТЕРАТУРА .........................:............................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ П1. Переходные процессы в системе регулирования турбины К-500-240 ЛМЗ при подаче гармонических управляющих сигналов на вход ЭЧСР .. 17 6

ВВЕДЕНИЕ

ЕЭС России является основой электроэнергетического комплекса, обеспечивающего производственный потенциал и социально-экономическое развитие страны.

Одним из основных достоинств ЕЭС России является возможность осуществления оптимальных перетоков мощности по межсистемным связям (МСС) между различными регионами РФ и надежного электроснабжения в пятидесяти четырех энергодефицитных регионах государства, имея в его составе лишь двадцать энергоизбыточных энергосистем. ЕЭС России обеспечивает эффективное использование установленной мощности электростанций с учетом особенностей пяти часовых поясов страны. Развитие межсистемных связей позволяет осуществить значительную экономию средств за счет уменьшения необходимых вводов генерирующих мощностей, экономии топлива и гидроресурсов, снижения затрат на транспорт топлива. Удельные затраты на строительство межсистемных связей значительно (в три-пять раз) ниже удельных затрат на строительство замещающих генерирующих мощностей в дефицитных регионах. В связи с оптимальным использованием МСС в ЕЭС России резервы мощности определены в размере 5-10 процентов от требуемого потребления энергии. Для сравнения следует указать, что в промышленно развитых странах Западной Европы и США обоснованы резервы мощности 3 0-4 0 процентов, что приводит к значительному «замораживанию» капитальных вложений в энергетику, не устраняя вероятности возникновения системных аварий.

В качестве примера тяжелых системных аварий в энергосистемах промышленно развитых стран можно привести крупные аварии, имевшие место в энергосистемах США в 1965 г., 1977 г., 1994 г., 1996 г. и др. [1]. Так, например, при одной из двух аналогичных аварий в 1996 г. из-за короткого замыкания линии на электропередаче 345 кВ и последующего каскадного развития аварии произошло погашение 7,5 млн. потребителей суммарной мощностью около 30 млн. кВт на время до пяти часов и более.

Условия работы МСС в значительной степени зависят развития системной противоаварийной автоматики (ПАА).

Система ПАА в ЕЭС России является чрезвычайно эффективной и экономичной технической подсистемой для повышения использования межсистемных связей [2].

Экономическая эффективность капитальных вложений в ПАА в десятки раз превышает эффективность капитальных вложений в развитие генерирующих мощностей и строительство электросетевых объектов.

При развитии систем ПАА необходимо избегать ее чрезмерного усложнения, учитывать вероятность отказа устройств, предусматривать резервированную структуру ее построения для предотвращения каскадных аварий с заранее неопределенным характером их развития.

Последнее обстоятельство может быть достигнуто при развитии ПАА на основе стабилизирующих, замкнутых принципов противоава-рийного управления [3].

Надежная и экономичная работа систем ПАА зависит от многих факторов: от принятых в ней принципов и алгоритмов, от эксплуатационных характеристик оборудования, от технических ограничений и уровня эксплуатации, от степени диагностики фактического состояния установленных устройств, от правильного учета динамических характеристик энергосистем, потребителей и электростанций как. объектов управления, от точности расчетной модели энергосистемы, ряда других условий [4].

Совокупность указанных факторов и их комплексная взаимосвязь формируют обобщенные цели проектирования и настройки ПАА, критерии качества, определяют область принятия допустимых технико-экономических решений.

Оптимизация развития системной автоматики является динамическим процессом, требующим поэтапного ее улучшения по мере накопления опыта эксплуатации, информации о характеристиках оборудования и режимах работы энергосистем, развития теоретических положений, технических средств и экономических отношений на рынке электроэнергии страны [5] .

К настоящему времени в ЕЭС России накоплен многолетний опыт работы мощных межсистемных связей и их систем ПАА. Отечественными учеными-энергетиками, проектными и эксплуатирующими организациями выполнен значительный задел для очередного этапа качественного развития технологии создания ПАА энергосистем на основе развития теории управления, повышения управляемости электростанций и технологического оборудования потребителей, технического прогресса систем телекоммуникаций, развития опти-

ко-волоконных каналов связи, значительного повышения быстродействия и надежности цифровых управляющих комплексов [6-16] .

Одним из важных условий для оптимизации систем ПАА является получение их математических моделей и экспериментальных характеристик, адекватных решаемой задаче.

Аналитические трудности формирования указанных моделей обусловлены нестационарностью (зависимостью от времени) элементов энергосистемы, высокой размерностью, нелинейностью и «быстрым» характером протекания аварийных переходных процессов по отношению к быстродействию средств управления и телекоммуникаций.

Процедуру получения математических моделей энергосистем (идентификацию энергосистем) для целей ПАА целесообразно представить состоящей из двух этапов:

- определение структуры модели на основе существующих методических подходов;

- адаптация (настройка) параметров модели для конкретных режимов энергосистем с использованием экспериментальных (натурных) характеристик оборудования энергосистем и их режимных величин (перетоков мощности, уровней напряжения, частоты и др.) .

Получение реальных характеристик энергосистемы как объекта управления на основе экспериментальных исследований является предметом специальных разработок [17-43].

Наряду с указанным, одной из основных задач при оптимизации ПАА энергосистем является разработка принципов и алгоритмов ее построения, учитывающих, по возможности, основную часть аспектов и ограничений решаемой задачи (вероятность каскадного развития аварий, ограничения управляемости оборудования, его износ и снижение экономичности при участии в регулировании, ограничения системы телекоммуникаций, эксплуатационные ограничения, затраты на создание и др.).

Проблеме анализа устойчивости энергосистем и выбора оптимальных алгоритмов управления ими посвящено значительное число научных и инженерных работ [17-43].

Однако, уточнение натурных характеристик энергосистем, разработка принципов и алгоритмов их систем ПАА продолжают оставаться актуальными как для ЕЭС России, так и для электроэнергетики промышленно развитых стран мира.

В представленной диссертации приведены результаты экспериментальных работ и методических разработок для повышения устойчивости энергосистем и эффективности использования их межсистемных связей.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования для повышения устойчивости энергосистем и эффективности использования межсистемных. связей ведутся в отечественной и зарубежной энергетике, начиная с тридцатых годов при объединении на параллельную работу «кустов» электростанций [29] .

Практическая необходимость указанных работ была обусловлена многочисленными случаями нарушений устойчивости по «слабым» межсистемным связям. Опыт эксплуатации таких МСС в последующем показал, что в напряженных режимах среднее время между нарушениями устойчивой параллельной работы отдельных энергосистем, вследствие нерегулярных колебаний мощности, может состазлять 15 часов, даже при наличии автоматического регулирования перетока по МСС с принятыми диапазонами изменения мощности электростанций и алгоритмами регулирования [44] .

В шестидесятых годах были предложены нормативные показатели запасов устойчивости МСС, в основе которых был заложен опыт эксплуатации МСС, а также элементы случайного характера нагрузки объединенных энергосистем [41].

Целесообразно отметить, что в последующих редакциях руководящих указаний по устойчивости энергосистем указано, что приведенные в них требования к устойчивости (минимальные коэффициенты запаса по активной мощности и по напряжению) могут изменяться с учетом конкретных условий при наличии технико-экономического обоснования [45].

Таким образом, в настоящее время нормативная основа формирования требований к устойчивости энергосистем позволяет устанавливать запасы их устойчивости и повышать загрузку МСС в зависимости от развития средств системной автоматики и реальных характеристик МСС.

Исследования для повышения устойчивости энергосистем и эффективности использования межсистемных связей могут быть представлены тремя основными группами. К первой .из них относятся теоретические разработки, основанные на классических методах математической теории устойчивости и ее приложениях для электроэнергетики [46-47].

Ко второй группе относятся методы численного исследования устойчивости энергосистем с разработкой соответствующих программ для ЭВМ [48], которые имеют в настоящее время наибольшее практическое применение.

Третью группу представляют методы экспериментального исследования режимов энергосистем [4] .

К настоящему времени имеется значительный теоретический задел по использованию качественных методов анализа устойчивости и оптимальному управлению [49, 50, 51] аварийными переходными процессами в энергосистемах. К первым работам в указанном направлении, имеющим прикладное значение, относятся работы Горева A.A. по использованию энергетических . критериев и основных положений аналитической механики для оценки устойчивости динамических переходов в энергосистемах [4 6].

В последующем развитие идей Горева A.A. нашло в методиках анализа устойчивости энергосистем и синтеза их системной автоматики с использованием второго метода Ляпунова [53] - одного из основных методов качественного исследования устойчивости динамических систем.

Отечественными учеными, инженерами и программистами выполнено значительное число работ по созданию комплексов программ для ЭВМ для расчетов установившихся и переходных режимов энергосистем. Современные программы позволяют выполнять электрические расчеты энергосистем с необходимым для практики числом нагрузочных и генераторных узлов.

Экспериментальные исследования в энергосистемах и их опыт эксплуатации на протяжении многих десятилетий составляют практическую основу надежной и экономичной работы отечественной электроэнергетики. С использованием их результатов сформирована системообразующая сеть РАО «ЕЭС России» и стран СНГ.

Экспериментальные исследования энергосистем содержат широкий спектр вопросов, в том числе:

- определение статических, динамических характеристик и устойчивости электроприемников отдельных технологических механизмов, групп электроприемников различного типа, нагрузочных узлов энергосистем и нагрузки энергообъединений [17, 21, 24, 30, 31];

- определение статических, динамических характеристик, маневренных показателей оборудования' электростанций (ТЭС, АЭС, ГЭС, ГТУ) при отклонениях частоты и напряжений в энергосистемах [54, 55], особенностей настройки их систем регулирования (электроприставок турбин, АРВ, котельной автоматики и др.) для обеспечения экономичности, заданного качества электроэнергии, для целей системной автоматики, соответствия указанного оборудования требованиям ПТЭ и др. [56, 57];

- определение характеристик энергосистем по частоте и напряжению с учетом реакции электростанций [58, 59];

- определение характеристик колебания нагрузки и обменной мощности энергосистем [44];

исследование статической и динамической устойчивости энергосистем, их асинхронных режимов, экспериментальное определение пределов передаваемой мощности по МСС [4, 60] ;

- оценки эффективности системной автоматики энергосистем

[4] .

Задачи повышения надежности и экономичности работы энергосистем и развития "их системной автоматики требуют комплексного решения указанных вопросов.

При этом необходимо реализовать несомненное достоинство первой группы методов - математическую строгость получаемых на их основе результатов. Однако, следует указать, что практическое использование качественных математических методов анализа энергосистем и синтеза систем управления затруднено сложностью вычислительных процедур поиска оптимальных решений, в сеязи с чем указанные методы, в основном, применяются для исследования упрощенных моделей энергосистем или для их эквивалентных схем типа «машина-шины бесконечной мощности».

В связи с этим, является актуальным дальнейшее развитие численных методов, а также экспериментального определения характеристик оборудования энергосистем.

Дальнейшее развитие принципов, алгоритмов и способов управления энергосистемами с использованием прогресса в развитии общей теории управления, энергомашиност