автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование и разработка методов выбора характеристик сверхпроводникового индуктивного накопителя в системе противоаварийного управления электроэнергетических систем

РГВ ол

На правах рукописи

МАСАЛЕВ Дмитрий Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ВЫБОРА ХАРАКТЕРИСТИК СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ПРОТИВОАВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

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

Автореферат диссертации на соискание.ученой степени кандидата технических наук

Москва

2000

Работа выполнена на кафедре "Релейная защита и автоматизация энергосистем" Московского энергетического института (технического университета). Научный руководитель: член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор А.Ф. Дьяков

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

с.н.с В.И. Кочкин

кандидат технических наук, доцент Д.В. Никитин

Ведущая организация: Филиал РАО "ЕЭС России". Объединенное

диспетчерское управление энергосистемами Северо-Запада, г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится 15 декабря 2000 г. в 15 час. 00 мин, в аудитории Г-200 на заседании диссертационного совета К 053.16.17 Московского энергетического института (технического университета) по адресу: г.Москва, ул.Красноказарменная, д.17., 2 этаж, корпус «Г».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г.Москва, ул.Красноказарменная, д. 14. Ученый совет МЭИ(ТУ).

Автореферат разослан %2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К 053.16.17 Ссу-иъ_^ Сыромятников С.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Опыт формирования крупных энергообъединений показывает, что по мере развития и усложнения электроэнергетических систем (ЭЭС) ухудшаются их динамические свойства, усложняется управление, повышается опасность каскадного развития аварий. Это обостряет проблемы обес-печешн устойчивости систем. Поскольку чрезмерное усложнение систем управления электроэнергетическими системами может существенно затруднить их реализацию и эффективное функционирование, особенно в аварийных ситуациях, то необходимо искать новые принципы и средства управления крупными энергосистемами.

Одним из средств решения данных проблем является использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН) В качестве сфер применения СПИН рассматриваются регулирование перетоков по связям переменного тока, поддержание уровня напряжений, демпфирование электромеханических колебаний (особенно низкочастотных), компенсацшо внезапных кратковременных небалансов активной мощности и ряд друт их.

В тс же время, существующее разнообразие в представлении о функционировании сверхпроводникового индуктивного накопителя в электроэнергетической системе не позволяет при проектировании систем противоаварийного управления сделать вывод об эффективности его использования как силового элемента в структуре управления ЭЭС. В связи с этим разработка методов определения энергетических и технических характеристик сверхпроводниковых индуктивных накопителей, а также оценка эффективности использования СПИН при решении задач управления энергосистемами являются, несомненно, актуальными.

Актуальность проведенных в диссертационной работе исследований подтверждается также началом промышленного внедрения сверхпроводниковых накопителей в электроэнергетику промышленно развитых стран и использованием полученных в диссертации результатов при проектировании систем противоаварийного управления энергетическими системами в отечественных проектных институтах.

Целью диссертационной работы является разработка методов определения энергетических и технических характеристик сверхпроводниковых индуктивных накопите чей и использование полученных результатов для проектирования систем противоаварийного управления электроэнергетическими системами.

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы теории электрических цепей, теории автоматического управления, методы математического моделирования.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем.

1. Разработаны новые методы определения энергетических и технических характеристик СПИН, обеспечивающих выполнение требуемых задач управления с учетом возможности направленного регулирования активной мощности накопителя.

2. Разработаны новые методы определения требуемых объемов управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН, обеспечивающих сохранение устойчивости ЭЭС в динамических режимах.

3. Разработаны новые алгоритмы расчета энергоемкости СПИН.

4. Разработаны новые алгоритмы расчета технических характеристик СПИН, базирующиеся на представлении его магнитной системы в виде соле-ноидальной конструкции.

Практическая значимость работы. Разработаны алгоритмические и программные средства для определения технических параметров СПИН. Это позволяет оценить на этапе проектирования комплекса противоаварийных мероприятий в ЭЭС эффективность применения сверхпроводниковых накопителей для задач противоаварийного управления с учетом ограничений, накладываемых на технические характеристики СПИН.

Использование результатов работы. Разработанные методы и программы использовались при проектировании систем противоаварийного управления в работах ОАО "Институт "Энергосетьпроект".

Апробация результатов работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались' и обсуждались на Открытой научно-

практической конференции "Оценка технического состояния электрооборудования энергосистем и определение перспектив надежной работы H'JC России" (Москва, 1999 г.), Всемирном электротехническом конгрессе "ВЭЛК - 99" (Москва, 1999 г.), Конференции молодых специалистов электроэнергетики - 2000 (Москва, 2000 г.). Разработанные программные средства (программно-вычислительный комплекс "СПИН") зарегистрированы в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (регистрационный номер № 990813). По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (74 наименования) и приложений. Основной текст изложен ка 101 страницах машинописного текста. Работа включает 47 рисунков. Приложения составляют 36 страниц машинописного текста

Научным консультантом по данной работе являлся на протяжении всех этапов ее выполнения доктор технических наук, с.н.с. И В. Якимец.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен обзор существующих средств управления энергосистемами и показана необходимость использования новых принципов и средств управления крупными ЭЭС. В качестве одного из таких средств рассматривается сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии (СПИН), структурная схема которого изображена на рис. 1.

Узел подключения

спин

о-

Тр-р

Тиристорный преобразователь U. Щ кРиостат

О

СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ

^ ЗАЩИТА

Рис. 1 Структурная схема СПИН.

Сверхпроводниковый индуктивный накопитель состоит из одной или нескольких индуктивных катушек, выполненных из сверхпроводникового материала, имеющих систему криообеспечения (криостат, рефрижератор) и защиту от перехода в нормальную фазу, обратимого тиристоркого преобразователя, служащего для связи накопителя с сетью, и фильтрокомпенсирующего устройства, предназначенного для подавления высших гармонических составляющих, генерируемых тиристорным преобразователем.

Управление активной и реактивной мощностью СПИН в соответствии с требуемыми законами осуществляется системой регулирования, воздействующей через систему управления тиристорным преобразователем (СУТП) на изменение углов управления тиристоров (а1, а2).

Проведенный обзор проектируемых и работающих систем СПИН показал, что уже в настоящее время существует возможность технической реализации накопителей энергоемкостью порядка 109 Дж при относительно небольших капитальных затратах. Вместе с тем существуют ограничения на использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей в электроэнергетических системах с точки зрения как экономической целесообразности их применения, так и технической реализации. Поэтому необходимо иметь возможность оценить эффективность использования СПИН как силового элемента в структуре ЭЭС при решении поставленных задач управления энергосистемами.

В диссертации предложены следующие этапы выбора характеристик сверхпроводникового индуктивного накопителя.

1. Оценка объема управляющих воздействий системы противоаварийного управления ЭЭС на изменение активной мощности СПИН, исходя из необходимости решения следующих задач:

- ограничение выбега угла ротора генератора после сильных возмущений;

- снижение кратковременного дефицита мощности в энергосистеме;

- ограничение колебаний мощности по электропередаче и демпфирование низкочастотных колебаний.

2. Определение энергетических характеристик (энергоемкость, выпрямленный ток, напряжение) необходимых для реализации требуемых законов изменения активной мощности накопителя.

3. Определение технических характеристик основных элементов CI Mil: сверхпроводниковой катушки, тиристорного преобразователя, осуществляющего связь накопителя с сетью.

4. Разработка технических требований, предъявляемых к СПИН системой противоаварийного управления энергосистемы.

Вторая глава посвящена разработке методов оценки объема управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН для сохранения устойчивости электроэнергетической системы и демпфирования колебаний актирной мощности по электропередаче.

Оценка объема управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН для сохранения динамической устойчивости

Возможность и условия применения СПИН для противоаварийного управления ЭЭС рассматриваются на пример« модели одномашинной системы, построенной на основе консервативного приближения и отражающей баланс моментов на валу эквивалентного генератора dS__ dt

T]^- = PT?-PsmS-g{t)y П)

at

PJ.=PT-E2ynsmau,P = EUyu, где Е - э.д.с. эквивалентного генератора за переходным реактивным сопротивлением, y¡], у\2 - собственная и взаимная проводимости электропередачи, «ц -угол, дополняющий до л/2 аргумент собственного сопротивления, S - угол между векторами э.д.с. генератора и напряжением U на шинах бесконечной мощности, S- скольжение угла, 7} - постоянная инерции генератора, Рг - механическая мощность турбины генератора, Р - максимум характеристики передаваемой мощности, g(t) - временная функция управляющих воздействий, формируемая накопителем. Положительное значение g(t) соответствует режиму потребления СПИЛ активной мощности, отрицательное - режиму выдачи мощности в сен..

В работе рассмотрены дне формы импульса активной мощности CI II II I. и ni i fit- ппппишичо чпчпшн .-истиной moiiiiioci и. тнчгГичмунчмгп n:i

lciicpuiop, в' IC4CI1HC времени, неиО.чодимот для досшжешш максимальною

значения угла ротора генератора и последующего снижения этой мощности со скоростью, необходимой для отсутствия переторможения (,рис. 2, кривая 1);

- в виде импульса постоянного значения активной мощности, достаточного для торможения ротора генератора до значения угла ротора меньше критического в послеаварийном режиме (рис. 2, кривая 2).

Рис. 2. Формы импульса активной мощности СПИН.

Для определения устойчивости свободного движения системы используется второй метод Ляпунова. В качестве функции Ляпунова для модели (1) принято выражение полной энергии системы V, содержащее кинетическую К и потенциальную П части

V = К + Я , (2)

где

К =Т

J 2 .

а

(3)

(4)

Условием сохранения устойчивости системы после возмущения является выполнение неравенства

(5)

где I 'хр - критериальная постоянная, соответствующая седлу функции V с наименьшим значением энергии в области углов

К-^оМ*. (6)

При выборе амплитуды и длительности управляющих воздействий на изменение активной мощности накопителя при изменении его мощности в соответствии с кривой 1 (рис. 2) весь интервал времени (Г0 -г <п) работы накопителя разбивается на два участка (/о ■*■и (/„ н- /„). На первом интервале программное регулир>тощее воздействие постоянно #(/) = gmax, на втором интервале - линейно изменяется до нуля. После действия СПИН структура системы восстанавли-

вается, т.е. значения механических мощностей, подводимых к системе при t > t„, соответствуют доаварийному режиму.

Для того, чтобы система была устойчива в начальный момент времени свободного движения, необходимо выполнение условия

nt0XKP(gm„). (7)

Так как на участке (Г0 '„) изменения g(t) не происходит, то система будет устойчивой на всем промежутке времени до t = ía. Для ограничения устойчивости на участке линейного изменения g(t) необходимо выполнение условия (5) в каждый момент времени.

При выборе значения gmax необходимо также учитывать тот факт, что ее уровень влияет на временные характеристики управляющих воздействий. Временные характеристики изменения активной мощности СПИН необходимо определить таким образом, чтобы в каждый момент времени выполнялось условие (5). Используя понятие "запаса устойчивости"

ЛГМ s) = V,p(g)-V¿S, s), (8)

условие (5) можно переписать как

AVg(t)>0,h<t<tn. (9)

Для опредетения возможной скорости уменьшения модуля g(t) необходимо выразить левую часть (9) через конкретные параметры системы. Для этого используется запись, эквивалентная (9) 'rdAV(í)

= + dt>0, (Ю)

'о

где ЛVg ('о) - запас устойчивости в момент отключения аварии.

Условие устойчивости (9) выполняется на интервале времени (/0 н- t„) при g(t) = gmax, а на интервале времени (/„ 4-1„) приращение энергии от уменьшения модуля g(t) приводит к уменьшению запаса устойчивости, что в свою очередь приводит к нарушению условия (9). Для возможности уменьшения модуля g(t) его изменение на участке времени (ta +1„) представляется в виде

g'(t) = g(t) + Dgs, '£(/„,О, (11)

при

k'ONkmaxi (12)

Значение Dg выбирается из условия выполнения неравенства (12)

Я* =£п,ахЛтах » (13)

где -Утах - максимальное скольжение системы без учета демпфирования накопителем.

Значение |5тах| определяется через кинетическую энергию системы. Учитывая, что К < У(£тах)

- ). (14)

1

Таким образом, условие устойчивости с учетом (11) определяется выражением

ЛГ,(/)=ДГ,(/()+}(о,Л2)й--5)Л >0. (15)

'а 'о

Из (15) следует, что необходимо обеспечить такой режим уменьшения модуля £(/)> при котором уменьшение запаса устойчивости полностью компенсировалось бы диссипацией энергии за счет демпфирующего воздействия накопителя. Оценка диссипации энергии накопителем оценивается приближенно с использованием вспомогательной функции координат, которая представляет собой изменяющуюся по области устойчивости степень однородности

= (16)

где АЗ = 6 - - изменение угла относительно точки устойчивого положения равновесия системы.

Управляя скоростью уменьшения модуля g(t), можно добиться того, чтобы у системы был запас устойчивости не меньше заданногоАГ. Тогда можно гарантировать, что изображающая точка может бьггь лишь там, где а(Ад) больше а , соответствующего запасу устойчивости Д V .

В результате критериальное неравенство имеет вид

(*('.)) - ¿0 (*(' о ))]•('- О * Л V, Оо) + X Г -г и<р 1

где С = 20^ ; (р= Туз-Ад.

Используя оценки интегралов, входящих в (17), получен следующий алгоритм выбора временных характеристик управляющих воздействий. Значение интервала (/0 /„), в течение которого изображающая точка покинет окрестность критериального седла = 0), определяется по выражению

'« аГ№ (18)

где <ртаА' '('о)) - максимум функции <р, соответствующий энергии 1'(/о). Значение интервала (/„ /„) уменьшения модуля

Я('а)К)) -(8(<а))]+ а))- а)) (а +2) " ' У«я) + У«я) ' Са ■ (19)

2

Формулы (18), (19) определяют на интервале (Г0 1„) зависимость линейных участков g(í), при которой гарантируется сохранение устойчивости при уменьшении модуля g(t).

Длительность интервала (Ь О зависит от коэффициента однородности а . Чтобы уменьшить время действия программного управления, необходимо обеспечить в начальный момент запас устойчивости Л Г~, которому соответствует наибольшее значение а , однако это приведет к увеличению модуля gmax. Рекомендуется выбирать такое gnax, при котором обеспечивается а = 1, удовлетворяющее оптимальному соотношению между амплитудой управляющего воздействия и временем восстановления системы.

На рис. 3-4 приведены относительные значения управляющих воздействий gmax = Ру, и значения интервалов (/о + 1а), (/а /„), построенные в функции относительной мощности турбины при различных значениях времени трехфазного к.з.

Определение значения $тах и длительности (?о - ¡а) управляющего воздействия накопителя при характере его изменения в соответствии с кривой 2 (рис. 2) определяется из следующих условий.

Значение запаса устойчивости ЛГ? должна быть больше запаса устойчивости Л Г , соответствующего а (#)=1

= Кр^УУ^ах)^ А Г*. (20)

Значение интеграла энергии должно быть меньше граничного значения У!р(^У.

где ' \р(%тах) определяется как минимальное значение энергии в пространстве углов, принадлежащих границе области устойчивости послеаварийного режима без программного управления.

Оценка длительности интервала (/0 ta) производится по выражению (18), определяющем интервал времени, в течение которого изображающая точка достигнет границы области соответствующей энергии V(gmax).

На рис. 5-6 приведены относительные значения управляющих воздействий gmax = Pye и значения интервалов (to ta), построенные в функции относительной мощности турбины при различных значениях времени трехфазного к.з.

Рис. 3 Амплитуда управляющих воздействий

0.55 tkz»0,1 tkz»0,12

0,5 -tkz-0,14 -tkz-0.18

0,45 tkz«0,18

0,4 •

0,35

0,3 -o-lta-0,1 -A—tkz"0,12

0.25 -*-tkZ"0,14

0.2 ■ -*-tkz»0,ie

—«»—tta-0,18

0 15

PpavO в

to-U

Ртурб

Рис. 4 Длительность интервалов времени (f0 * ¡а), ('а t„)

0.5 0,45 0.4 So.35 0.3 0.25 0,2

Ppiv^J 8

0.65 Ртурб

0,7

Рис. 5 Амплитуда управляющих воздействий

Рис. 6 Длительность интервалов времени (f0 + ta)

Выбор характеристик управления активной мощностью СПИН для демпфирования послеаварийных колебаний могцности на линиях связи электроэнергетических систем

Уравнение движения системы с учетом демпфирующей составляющей асинхронного момента и вынужденной нерегулярной гармонической составляющей имеет вид

»с 2 ir

Т,-= PTL-PsmS-Pi— + АР sin Xt (22)

dt dt ' v '

где Pj - коэффициент демпфирования, АР и Л - соответственно амплитуда, и частота вынуждающей силы. Как правило, величина АР принимается равной 2% мощности меньшей из соединяемых энергосистем. Наиболее частому значению Я соответствует f=0,35 Гц.

Полагая в (22) АР sin Át = 0, его можно использовать для оценки объема управляющих воздействий на изменение активной мощности накопителя в по-слеаварийном режиме передачи при использовании СПИН для ограничения колебаний мощности выше предельных значений.

Максимальный объем мощности, демпфируемый накопителем Раит =Psin5-Pre, (23)

где 3= 30 + АЗ.

В третьей главе рассмотрена возможность направленного регулирования активной мощности индуктивного накопителя.

В модели ЭЭС СПИН по отношению к узлу энергосистемы представляется источником синусоидального тока, амплитуда и фаза первой гармоники которого функционально связаны с углами управления вентилями преобразователя и значением выпрямленного тока накопителя. Допустимость представления работы СПИН источником тока соответствует индуктивному характеру накопления энергии и наличию глубокой отрицательной жесткой обратной связи, которой обычно охвачен преобразователь.

Влияние СПИН на распределение активной мощности оценивается на примере одномашинной схемы, изображенной на рис 7.

Рис. 7 Модель ЭЭС

Распределение активных мощностей по участкам с учетом действия СПИН:

Рк =Р\+Р* =-^зт(£)+Е'/|(-^-со80У-а)> (24)

X] "Ь Х^

Ра = Рг +Р*2 = -^-яп(8)-ие1н -^-соз(а), (25)

X, + х2 Х1 +х2

где 8 - угол э.д.с. генератора Е' относительно напряженна приемной системы

^с, Рн 1, Р«- приращения активных мощностей по участкам от действия тока

СПИН, I» - значение модуля тока СПИН в сети переменного тока; а - угол тока

СПИН относительно напряжения приемной системы.

Активная мощность СПИН определяется как

Рп=Рм.-Ръ=Р«+Р* 2- (26)

Из выражений (24) - (26) видно, что, изменяя определенным образом значения амплитуды и фазы тока СПИН относительно напряжения приемной системы, можно получить требуемые по законам управления приращения активных мощностей по участкам при минимально необходимой активной мощности СПИН, т.е. обеспечить направленное регулирование активной мощности. Исходя из задач управления, возможны следующие варианты направленного регулирования активной мощности СПИН.

1. Локализация возмущений со стороны генератора. Воздействие СПИН необходимо выбирать таким образом, чтобы обеспечивалось постоянство активной мощности, передаваемой в сторону приемной системы /', = /'„. ~ Приращение актишюй мощности от СПИМ со стропы ге-

нератор;! доижио бы п. р.'шио пулю /'„I О.

(. .'кдипак.чмт, ич.чаи(1>(~ I) и

а = д±л72, (27)

п(<У). (28)

и с х,

2. Локализация возмущений со стороны приемной системы. В этом режиме необходимо обеспечить постоянство активной мощности, передаваемой со стороны генератора Рн = Рн1 = РЫргб ~ Р\ ■ Приращение активной мощности ог СПИН со стороны приемной системы равно нулю Р„г - 0.

В результате, согласно (24) и (25)

а = ±я72, (29)

(30)

3. Локализация возмущений со стороны генератора и одновременное демпфирование колебаний роторов генераторов, возникших в результате возмущения. Приращения активных мощностей определяются из условий:

Р„2 =Р2- Ргуст = ис1н ^ С05(а) , (31)

РнХ=кд5 = ЕЧн-?2—со5(8-а), (32)

Х\+Х2

где кд - коэффициент демпфирования колебаний; 5- скольжение угла ротора генератора. Амплитуда и фаза тока выбираются на основе решения системы уравнений (31)- (32).

Во всех указанных случаях необходимо обеспечить независимое регулирование амплитуды и фазы тока СПИН относительно напряжения приемной системы. Для выполнения этого условия в качестве устройств связи накопителя с сетью используются схемы двухпараметрического преобразования. Изменяя утлы управления преобразователем, можно обеспечить независимое изменение модуля тока СПИН и его угла относительно вектора напряжения в точке подключения.

Значение амплитуды тока СПИН без учета коммутации вентилей определяется в соответствии с выражением , , , а,-а,

(33)

где ксх - коэффициент, зависящий от схемы связи; ось а; - углы управления ти-ристорным преобразователем; - ток протекающий в сверхпроводниковой катушке накопителя.

Выражение для фазы тока СПИН относительно напряжения приемной системы имеет вид:

а - уо + агсэт

ксх11){ сова, + сое а,) лг,х2 ] оц+о^

и „

х, +

(34)

где /о - значение угла вектора напряжения £/„ в точке подключения СПИН относительно напряжения приемной системы при Р„ = 0, ик0 - напряжение в точке подключения накопителя при = 0.

Диаграмма изменения амплитуды и фазы тока СПИН при изменении углов с*1, и? для тиристорных преобразователей с естественной коммутацией приведена на рис. 8.

ис

1<11 > 1<12

Рис. 8. Диапазоны изменения амплитуды и фазы тока СПИН.

В четвертой главе изложены алгоритмы определения характеристик СПИН в зависимости от характера изменения активной мощности накопителя.

Определение энергетических характеристик СПИН при нелинейном графике изменения активной мощности

При определении энергоемкости сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии (СПИН) необходимо учитывать функциональные возможности накопителя, ограниченные характером изменения активной и реактивной мощностей, допустимой скоростью изменения тока в сверхпроводниковой обмотке, диапазоном возможной реализации углов управления тиристорных пре-

ооразователеи, осуществляющих связь накопителя с сетью, значением допустимого выпрямленного напряжения на токовводах, механическими напряжениями на обмотке, значением магнитной индукции на поверхности обмотки, уровнем остаточной энергоемкости С1Ш11. Предлагаемая методика основана на кусочно-линейной аппроксимации требуемого закона изменения активной мощности.

В данной главе приведен комплекс уравнений, определяющий требования к параметрам накопителя для режима энергообмена с линейным изменением активной мощности для каждого из участков аппроксимации.

Линейный характер изменения активной мощности:

Р(0=Р,+((Р2-Р,)/г)-г, (35)

где Р, - мощность в начальный момент времени; Р2 - мощность в конечный момент времени; г - значение интервала времени.

Уравнение баланса энергии:

Е0-(\-£) = Рср-т, (36)

где Ео - максимальная энергия запасенная в накопителе; £ - коэффициент глубины разряда; Рср = (Р1 + /,,)/2 - средняя мощность за интервал времени г.

Непрерывность изменения тока и энергии накопителя учитывается следующими соотношениями:

Е, =£„*!, (37)

" л/^"= Лит. (38)

где / - номер интервала ((/ +1) - для режима разряда, (г -1) - для режима заряда), /„о - ток, соответствующий максимальной энергии накопителя на интервале энергообмена, ~ ток соответствующий минимальной энергии накопителя

на интервале знергообмена.

Определение энергетических характеристик индуктивного накопителя при демпфировании колебаний мощности по электропередаче

При определении требуемой энергоемкости СПИН для демпфирования колебаний активной мощности необходимо учитывать общий характер процесса изменения энергии: разряд (рис. 9) и заряд (рис. 10).

и энергии (разряд) и энергии (заряд)

Накопитель вводится в работу с некоторой начальной энергией £7ь которая должна быть такова, чтобы обеспечить выполнение процесса обмена энергией в соответствии с диаграммной изменения мощности.

При эгом график зависимости изменения энергии СПИН во времени £(О = £0+Д£(О (39)

смещен относительно графика АЕ(/) на величину Ео-

Кроме выполнения общего баланса энергии необходимо также обеспечить условия работы тиристорного преобразователя в каждый текущий момент времени

(40)

<? = (а,-а2)/2,р = (а, +а2)/2, где и - напряжение в узле присоединения СПИН к энергосистеме, ¡а - значение выпрямленного тока накопителя, Кг - коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора, аь а2 - углы управления вентилями мостов тиристорного преобразователя.

В четвертой главе так же приведены оценки геометрических размеров сверхпроводниковой обмотки накопителя и потерь энергии, возникающих в процессе работы СПИН.

Оценка геометрических размеров основана на представлении обмотки в виде соленоидальной конструкции. Оценка потерь учитывает потери в мате-

риале сверхпроводника, потерь в материале матрицы провода, а также индукционные потери в криостатах и тепловых экранах.

В пятой главе для доказательства достоверности и эффективности предложенных методов приведены результаты вычислительных экспериментов, которые показали хорошее совпадение с результатами, полученными на основе предложенных методов.

В конце главы приведены оценка геометрических размеров магнитной системы и оценки потерь энергии СПИН энергоемкостью 2,5-108 Дж, в режимах демпфирования импульсных и гармонических колебаний мощности по электропередаче.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформулированы основные положения оценки технической эффективности использования СПИН в качестве силового элемента системы противоава-рийного управления ЭЭС на этапе ее проектирования.

2. Разработаны новые методы оценки величины и характера управляющих воздействий системы противоаварийного управления ЭЭС на изменение активной мощности СПИН, обеспечивающих сохранение устойчивости ЭЭС в динамических режимах.

3. Определен вид уравнений для оценки амплиту д и характера изменения активной мощности СПИН в режимах послеаварийных и нерегу лярных колебаний.

4. Определены зависимости, позволяющие реализовать направленное регулирование активной мощности СПИН на основе двухпарамегрического управления активной и реактивной мощностью путем раздельного управления амплитудой и фазой тока СПИН.

5. Разработаны алгоритмы определения энергетических параметров накопителя, обеспечивающих реализацию требуемых управляющих воздействий.

6. Разработаны алгоритмы определения технических характеристик СПИН базирующиеся йга представлении магнитной системы индуктивного накопителя в виде соленоидальной констру кции.

7. Разработанные алгоритмы определения энергетических и технических характеристик СПИН реализованы в виде программ для персональных ЭВМ, работающих под управлением операционной системы Windows 9х с возможностью их использования на этапе проектирования систем противоаварийного управления ЭЭС.

8. Достоверность использования метода выбора управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН подтверждена результатами вычислительного эксперимента.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях.

1. Якимец И.В., Глускин И.З., Наровлянский В.Г., Масалев Д.Ю. Выбор технических характеристик и геометрических параметров сверхпроводниковых индуктивных накопителей для электроэнергетических систем // Тезисы Всероссийского электротехнического конгресса. - М.: «Академия», 1999. - Т.З. - С.26-28.

2. Якимец И.В., Наровлянский В.Г., Масалев Д.Ю. Оценка технических характеристик сверхпроводникового индуктивного накопителя при проектировании противоаварийного управления энергосистемой // Электротехника, 2000. - №6.-С.6-13. ■

3. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 990813 «Программно-вычислительный комплекс «СПИН» / Якимец И.В., Наровлянский В.Г., Масалев Д.Ю. - Реестр программ для ЭВМ, 1999.

4. Масалев Д.Ю. Условия направленного регулирования активной мощности сверхпроводникового индуктивного накопителя в электроэнергетических системах // Конференция молодых специалистов электроэнергетики: Сб. докл. - М.: «НЦ ЭНАС», 2000. -С. 119-121.

Подписано к печати Л- м /

Печ. л. 1.25_Тираж 100_Заказ " 3»

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13

Введение.

1. Направления развития средств управления энергосистемой в нормальных и послеаварийных режимах.

1.1. Использование новых средств противоаварийного управления современными энергосистемами.

1.2. Анализ существующих решений в области проектирования и технической реализации систем сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии.

1.3. Основные этапы определения характеристик СПИН.

Выводы по главе 1.

2. Разработка методов оценки объема управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН для сохранения устойчивости электроэнергетической системы.

2.1. Оценка объема управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН для сохранения динамической устойчивости.

2.2. Выбор характеристик управления активной мощностью СПИН для демпфирования послеаварийных и нерегулярных колебаний мощности на линиях связи электроэнергетических систем.

Выводы по главе 2.

3 Направленное регулирование активной мощности индуктивного накопителя.

3.1. Модель ЭЭС с индуктивным накопителем.

3.2. Реализация направленного регулирования активной мощности сверхпроводникового индуктивного накопителя.

Выводы по главе 3.

4. Выбор параметров СПИН в зависимости от характера изменения активной мощности.

4.1. Алгоритм выбора энергетических характеристик СПИН при нелинейном графике изменения активной мощности.

4.2. Алгоритм выбора энергетических характеристик индуктивного накопителя при демпфировании колебаний мощности по электропередаче.

4.3. Алгоритмы выбора технических характеристик СПИН и оценки потерь энергии.

Выводы по главе 4.

5. Проведение вычислительного эксперимента по определению технических и энергетических характеристик СПИН.

5.1. Описание исходной модели.

5.2. Определение объема управляющих воздействий и требуемой энергоемкости СПИН.

5.3. Определение размеров обмотки и оценка потерь СПИН энергоемкостью 2,5-10 Дж.

5.4. Массогабаритные и стоимостные показатели СПИН энергоемкостью

2.5-10" Дж.

Выводы по главе 5.

Опыт формирования крупных энергообъединений показывает, что по мере развития и усложнения электроэнергетических систем ухудшаются их динамические свойства, усложняется управление, повышается опасность каскадного развития аварий. Это в свою очередь обостряет проблемы обеспечения устойчивости систем. Однако чрезмерное усложнение систем управления электроэнергетическими системами может существенно затруднить их реализацию и эффективное функционирование, особенно в аварийных ситуациях. Это заставляет искать новые принципы и средства управления крупными энергосистемами.

Одним из средств решения данных проблем является использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН). Проведенный обзор проектируемых и реализованных систем СПИН показал, что уже в настоящее время существует возможность технической реализации накопителей энергоемкостью порядка 109 Дж при относительно небольших капитальных затратах. В качестве конкретных сфер применения таких СПИН рассматриваются регулирование перетоков по связям переменного тока, поддержание уровня напряжений, демпфирование электромеханических колебаний (особенно низкочастотных), компенсация внезапных небалансов активной мощности и ряд других.

Вместе с тем существуют ограничения на использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей в электроэнергетических системах с точки зрения как экономической целесообразности их применения, так и технической реализации. Поэтому необходимо иметь возможность оценить эффективность использования СПИН при решении поставленных задач управления энергосистемами.

Целью диссертационной работы является разработка методов определения энергетических и технических характеристик сверхпроводниковых индуктивных накопителей при проектировании систем противоаварийного управления электроэнергетических систем. 5

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем.

1. Разработаны новые методы определения энергетических и технических характеристик СПИН, обеспечивающих выполнение требуемых задач управления с учетом возможности направленного регулирования активной мощности накопителя.

2. Разработаны новые методы определения требуемых объемов управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН, обеспечивающих сохранение устойчивости ЭЭС в динамических режимах.

3. Разработаны новые алгоритмы расчета энергоемкости СПИН.

4. Разработаны новые алгоритмы расчета технических характеристик СПИН, базирующиеся на представлении его магнитной системы в виде соленоидальной конструкции.

Практическая значимость работы. Разработаны алгоритмические и программные средства для определения технических параметров СПИН. Это позволяет оценить на этапе проектирования эффективность применения сверхпроводниковых накопителей для задач противоаварийного управления на основе анализа их требуемых технических характеристик.

Использование результатов работы. Разработанные методы и программы использовались при проектировании систем противоаварийного управления в работах института "Энергосетьпроект" ("Электропередача 1150 кВ "Сибирь - Урал". ТЭО", "Комплексная система технологического управления ЕЭС России, основанная на использовании спутниковых каналов связи и сети волоконно-оптических линий связи, обеспечивающая живучесть ЕЭС России и функционирование ФОРЭМ").

Апробация результатов работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Открытой научно-практической конференции "Оценка технического состояния электрооборудования энергосистем и определение перспектив надежной 6 работы ЕЭС России" (Москва, 1999 г.), Всемирном электротехническом конгрессе "ВЭЛК - 99" (Москва, 1999 г.), Конференции молодых специалистов электроэнергетики - 2000 (Москва, 2000 г.). Разработанные программные средства (программно-вычислительный комплекс "СПИН") зарегистрированы в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (регистрационный номер № 990813). По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Научным консультантом по данной работе являлся на протяжении всех этапов ее выполнения доктор технических наук, с.н.с. И.В. Якимец.

Краткое содержание работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Выводы по главе 5

1. Доказана достоверность использования метода выбора управляющих воздействий СПИН, основанного на втором методе Ляпунова, численным интегрированием уравнений движения энергосистемы.

2. Рассмотрен пример определения технических характеристик СПИН и оценки его стоимости.

91

Заключение

Сформулированы основные положения оценки технической эффективности использования СПИН в качестве силового элемента системы противоаварийного управления ЭЭС на этапе ее проектирования.

Разработаны новые методы оценки величины и характера управляющих воздействий на изменение активной мощности СПИН, обеспечивающих сохранение устойчивости ЭЭС в динамических режимах.

Определен вид уравнений для оценки амплитуд и характера изменения активной мощности СПИН в режимах послеаварийных и нерегулярных колебаний.

Определены зависимости, позволяющие реализовать направленное регулирование активной мощности СПИН на основе двухпараметрического управления активной и реактивной мощностью путем раздельного управления амплитудой и фазой тока СПИН .

Разработаны алгоритмы расчета энергетических параметров накопителя, обеспечивающих реализацию требуемых управляющих воздействий.

Разработаны алгоритмы определения технических характеристик СПИН базирующиеся на представлении магнитной системы индуктивного накопителя в виде соленоидальной конструкции. Разработанные алгоритмы расчета энергии и технических характеристик СПИН реализованы в виде программ для персональных ЭВМ, работающих под управлением операционной системы Windows 9х с возможностью их использования на этапе проектирования систем противоаварийного управления ЭЭС.

1. Управление мощными энергообъединениями / Воропай НИ., Ершевич В.В., Лугинский Я.Н. и др.; Под ред. Совалова С.А. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

2. Бушуев В.В., Лизалек Н.Н., Новиков Н.Л. Динамические свойства энергообъединений. -М.: Энергоатомиздат, 1995.

3. Масленников В. А. Управление собственными динамическими свойствами крупных энергообъединений и дальних электропередач. Дис. докт. техн. наук. С.-П., 1998.

4. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Тер-Газарян А.Г. Накопители энергии в электрических системах: Учеб. пособие для электроэнергетических специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1989.

5. Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов./ Д.А. Бут, Б.Л. Апиевский, С.Р. Мизюрин, П.В. Васюкевич; Под ред. ДА. Бута. М.: Энергоатомиздат, 1991.

6. S.F.Krai, X.Huang, M.Xu. Utility applications of a superconducting magnetic energy storage system // Presented at the 1994 American Power Conference, Chicago, IL, April, 1994.

7. X.Huang. New conductor designs for superconductive magnetic energy storage systems applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.242-245.

8. Rogers J.D. at all. 30-MJ SMES for Utility Transmission Stabilization // Proceedings of the IEEE. 1983. - Vol H. - №9. - P. 1099-1107.94

9. W.E.Buckles, M.A.Daugherty, B.R.Weber, E.L.Kostecki. The SSD: a commercial application of magnetic energy storage // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.328-331.

10. M.Parizn, A.K.Kalafala, R.Wilcox. Superconducting magnetic energy storage for substation applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.849-852.

11. L.Borgard. Grid voltagè support. Transmission & Distribution world. -1999. -№ 11. -P.16-19.

12. P.J.Birkner, U.Brammer, H.W.Lorenzen, J.F.Karner. Testing plant with a small fast superconducting energy storage at TU Munchen // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.207-210.

13. J.F.Karner, H.W.Lorenzen, F.Rosenbauer, J.Schaller. A protection system for small high power SMES with power semiconductors working at cryogenic temperature // IEEE transactions on applied superconductivity. -1995. Vol. 5, №2. - P.266-269.

14. I.J.Iglesias, A.Bautista, M.Visiers. Experimental and simulated results of a SMES fed by a current source inverter // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.861-864.

15. I.J.Iglesias, J.Acero, A.Bautista. Comparative study and simulation of optimal converter topologies for SMES systems // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №21. - P.254-257.

16. A.Bautista, P.Esteban, L.Garcia-Tabares, R.Iturbe. Design manufacturing and cold test a superconducting coil and its cryostat for SMES applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. -P.853-856.

17. K.Ueda, T.Ageta, S.Nakayama. Super-GM and other superconductivity projects in Japanese electric power sector. // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.245-249.

18. Y.Mitani, K.Tsuji. Power system stabilization by superconducting magnetic energy storage connected to rotating exciter. // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.219-222.

19. N.Kimura, T.Funaki, K.Matsu-ura. Damping of current oscillation in superconductive line applied for high voltage direct current transmission system // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.223-225.

20. M.Shimada, M.Ono, Y.Hamajima, M.Yamaguchi. Disturbance energy of a forced flow cooled superconducting coil // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.226-229.

21. K.Hayakawa, T.Nakano, M.Minami, M.Fujjwara, T.Kanzawa. Development of superconducting magnet with low electric power loss for SMES // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.211-214.

22. X.Huang, S.F.Krai, G.A.Lenmann, Y.M.Lvovsky. 30 MW Babcock and Wilcox program for utility applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. - P.428-432.

23. W.Tong. Welded splice design m a mid-size superconducting magnetic energy storage system applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.977-982.

24. M.T.Aslam, M.Xu, S.F.Krai, H.G.Campbell. Modeling of system operation using a 30 MW superconducting magnetic energy storage system // Presented at the Power-Gen '94 Asia Conference, Hong Kong, August, 1994.

25. Кузнецов О.Н. Исследование динамической устойчивости электроэнергетической системы при использованиисверхпроводникового индукционного накопителя энергии совместно с компенсаторами реактивной мощности // Вестник МЭИ. 2000. - №2. -С. 35 -40.

26. Ковалев Г.Ф. Методика оценки системной эффективности накопителей энергии с учетом фактора надежности // Системные оценки эффективности и выбор направлений технического прогресса в энергетике. Иркутск: СЭИ - 1990. - С. 122 - 132.97

27. T.L.Mann, J.C.Zeigler. Opportunities for superconductivity in the electric power industry applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.239-244.

28. P.G.Therond, I.Joly, M.Volker. Superconducting magnetic energy storage (SMES) for industrial applications-comparison with battery systems applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. -Vol. 3, №1. - P.250-253.

29. M.S.Lubell, J.W.Lue. Structure and cost scaling for intermediate size superconducting magnetic energy storage (SMES) systems applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. -P.345-349.

30. D.Lieurance, F.Kimball, C.Rix, C.Luongo. Design and cost studies for small superconducting magnetic energy storage (SMES) systems applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. -P.350-353.

31. R.W.Boom. The UW-SMES design applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.320-327.

32. M.S.Lubell, J.W.Lue, B.Palaszewski. Large-bore, superconducting magnets for high-energy density propellant storage applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.412-418.

33. S.I.Kopylov. The comparison of single- and multi- solenoidal windings for superconducting storage device performance applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.215-218.

34. M.K.Abdelsalam. Micro SMES magnet configurations for reduced stray field applications // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. - P.333-336.

35. J.M.Pfotenhauer, M.K.Abdelsalam, O.D.Lokken, Z.Jiang. Performance characteristics of the 60 kA SMES conductor applications // IEEE98transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. - P.286-289.

36. P.Saan, R.Mikkonen. Comparison of availability 4.2 К and 77 К SMES concepts // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.869-872.

37. S.S.Kalsi, D.Aized, B.Connor, G.Smtchler. HTS SMES magnet design and test results // IEEE transactions on applied superconductivity. 1997. - Vol. 7, №2. - P.971-976.

38. S.M.Schoenung, R.L.Bien, T.C.Bickel. The advantages of using high-temperature superconductors in high-duty-cycle applications of SMES // IEEE transactions on applied superconductivity. 1995. - Vol. 5, №2. -P.341-344.

39. S.M.Schoenung, R.L.Bieri, J.R.Hull, R.L.Fagaly. Design aspects of mid-size SMES using high temperature superconductors // IEEE transactions on applied superconductivity. 1993. - Vol. 3, №1. - P.234-237.

40. Соколов Н.И. Влияние статических источников реактивной мощности и сверхпроводящих индуктивных накопителей на устойчивость параллельной работы генераторов в простой системе // Электричество,- 1990. №10. - С. 1 - 9.

41. Якимец И.В., Наровлянский В.Г., Матвейкин В.М. Выбор параметров индуктивного накопителя для энергетической системы. // Электричество 1992. -№6. - С. 11 - 17.

42. А.с. 1778756 (СССР). Устройство для регулирования активно-реактивной мощности в энергосистеме / Н.С.Лазарев, А.В.Стукачев, И.В.Якимец. Опубл. в БИ, 1992. - №44.

43. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа, 1978. Иофьев Б.И. Автоматическое аварийное управление мощностью энергосистем. - М.: Энергия, 1974.

44. Барбашин Е.А. Введение в теорию устойчивости. М.: Гл.ред. физ.мат.лит., 1967.

45. Морошкин Ю.В. Оценка областей синхронной динамической устойчивости сложных электрических систем в консервативной идеализации // Известия Академии наук. Энергетика. 1999. - №6. -С. 80 -82.

46. Якимец И.В., Астахов Ю.Н., Лабунцов В.А., Глускин ИЗ., Мохов В.Б. "Сверхпроводниковые накопители для электроэнергетических систем" // Электричество1995. №9. - С. 7 - 12.

47. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 990813 «Программно-вычислительный комплекс «СПИН» / Якимец И.В., Наровлянский В.Г., Масалев Д.Ю. Реестр программ для ЭВМ, 1999.

48. Якимец И.В., Наровлянский В.Г., Масалев Д.Ю. Оценка технических характеристик сверхпроводникового индуктивного накопителя при проектировании противоаварийного управления энергосистемой // Электротехника, 2000. №6. -С.6-13.101

49. П.Л. Цейтлин, Л.А. Калантаров Расчет индуктивностей / Справочная книга. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

50. Г. Брехна Сверхпроводящие магнитные системы. М.: Мир, 1976.

51. Малогабаритная радиоаппаратура / справочник. Киев: «Наукова думка», 1972.

52. М. Уилсон Сверхпроводящие магниты. М.: Мир, 1985.

53. Магнитная система РУ СПИН / Отчет по НИР. ЭНИН им. Г.М. Кржижановского, Москва, 1988 г. Гос.регистр. №01670096941.

54. Я. Туровский. Техническая электродинамика. М.: Энергия, 1974.

55. Ш.И. Лутидзе, В.Г. Наровлянский, И.В. Якимец Распределение тока в осесимметричном сверхпроводящем экране. // Электричество 1978. -№8. - С. 63 - 66.

56. Г. Дёч. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и 2-преобразования. М.: Наука, 1971.102