автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Повышение технических показателей автоматической частотной разгрузки энергосистем

Введение.

Глава первая. Аварийная частотная разгрузка энергосистемы.

1.1. Назначение частотной разгрузки.

1.2. Влияние длительной работы с пониженной частотой на ЭС.

1.3. Динамика снижения частоты в ЭС при дефиците генерации.

1.4. Основные принципы выполнения АЧР.

1.5. Требования к АЧР.

1.6. Категории разгрузки. Уставки АЧР.

1.7. Взаимосвязь регулирования частоты и напряжения.

1.8. Опыт применения АЧР в России и за рубежом.

1.9. Постановка вопроса.

1.10. Выводы по первой главе.

Глава вторая. Модельные параметры энергетической системы.

2.1. Общие положения.

2.2. Моделирование элементов регулятора частоты вращения.

2.2.1. Уравнение центробежного маятника.

2.2.2. Уравнение золотника.

2.2.3. Уравнение сервомотора.

2.2.4. Уравнение обратной связи.

2.3. Математическая модель турбины.

2.4. Моделирование и передаточные функции генератора.

2.4.1. Моделирование генератора.

2.4.2. Режим холостого хода генератора.

2.4.3. Работа генератора на выделенную нагрузку.

2.4.4. Работа генератора параллельно на энергосистему.

2.4.5. Режим работы с учетом резерва регулирующей мощности.

2.5. Математическая модель энергосистемы.

2.6. Постоянная времени энергосистемы.

2.7. Регулирующий эффект нагрузки.

2.8. Выводы по второй главе.

Глава третья. Модель частотной разгрузки в ЭС и методика построения переходного процесса.

3.1. Материал и позиции моделирования. Модель частотно разгрузки-АЧР

3.2. Объем отключения потребителей.

3.3. Математическая линеаризованая модель частотной разгрузки АЧР-1.

3.4. Рекомендации и вывод по настройке АЧР-1.

3.5. Фактор непостоянства нагрузки.

3.6. Запаздывание в канале АЧР.

3.6.1. Причины и влияние запаздывания в схеме АЧР.

3.6.2. Перерегулирование при наличии запаздывания.

3.6.3. Аналитический учет запаздывания и оценка ее явления. Структурная схема энергосистемы при действии АЧР с запаздыванием.

3.6.4. Критерии перерегулирования.

3.7. Частотная разгрузка с дополнительным действием по производной. 10f

3.7.1. Уравнение энергосистемы и эффект действия по производной.

3.7.2. Упрощения в измерении производной.10Z

3.7.3. Реализация АЧР с дополнительным воздействием по производной.

3.7.4. Зарубежный опыт использования разгрузки по скорости снижения частоты.

3.8. Восстановление частоты при действии АЧР-П.

3.9. Рекомендации и вывод по настройке АЧР-П.

3.10. Мобилизация резервов мощности на электростанциях при снижении частоты. Модель АЧР при наличии резерва в ЭС.

3.11. Выводы по третьей главе.

Глава четвертая. Проведение исследования переходных процессов на модель энергосистемы при действии АЧР на ЭВМ.ш

4.1. Постановка задачи исследования.

4.2. Использование программы Simulink / Matlab 5.2. в ЭВМ для построения модельной схемы энергосистемы.

4.3. Динамика неаварийного изменения частоты при потере баланса мощности из-за изменения нагрузки и отсутствия АЧР в случае:.

4.3.1. Наличия резерва.

4.3.2. Отсутствия резерва.

4.4. Динамика аварийного изменения частоты при действии АЧР и наличии вращающегося резерва.

4.5. Исследование протекания переходного процесса при действии

4.5.1. Характер снижения частоты в системе при больших дефицитах генерации и без вмешательства АЧР.

4.5.2. Эффект метода разгрузки АЧР-1 с малым числом очередей на переходный процесс.

4.5.3. АЧР-1 с п=оо. Влияние применения АЧР-1 с большим числом очередей на динамику снижения частоты.

4.6. Характер изменения частоты при действии АЧР- II.

4.7. Влияние плотности разгрузки на процесс изменения частоты.

4.8. Эффект запаздывания в канале отключения нагрузки на перерегулирование.

4.9. Выводы по четвертой главе.

Одной из основных проблем эксплуатации и развития энергосистем и энергообъединений страны является обеспечение их надежной и устойчивой работы. Эта задача в значительной степени решается с помощью большого комплекса устройств противоаварийной автоматики. Основным средством ликвидации тяжелых аварийных ситуаций с дефицитом активной мощности и глубоким снижением частоты является автоматическая частотная разгрузка (АЧР).

Возникновение дефицита активной мощности и глубокого снижения частоты приводят к авариям в энергосистеме, которые имеют тяжелые последствия по причинам отключения источников генерации, аварийного разделения энергосистемы на части, отключения питающих линий электропередачи. Снижение частоты приводит к снижению производительности механизмов собственных нужд электростанций, вследствие чего уменьшается мощность электростанций. Из-за дополнительного снижения генерации в энергосистеме увеличивается первоначальный дефицит мощности и происходит еще более глубокое снижение частоты. Этот процесс снижения частоты может резко возрасти, в следствие чего возникает лавина частоты, которая ведет к развалу энергосистемы, полной остановке станции и отключению большой части потребителей.

Автоматическая частотная разгрузка (АЧР) предназначена для отключения части потребителей для восстановления баланса мощностей и подъема частоты до номинального значения при возникновении аварийного дефицита мощности [1,2].

АЧР должна сохранить в работе ответственных потребителей при небольшом отклонении частоты и отключить сначала менее ответственных потребителей. Отключение потребителей следует проводить с минимально возможным объемом и с минимально возможным снижением частоты.

В настоящее время на АЧР возложена более широкая задача, не только предотвращать снижение частоты ниже соответствующих уровней, но и обеспечивать быстрый подъем частоты до уровня, дающего возможность автоматике быстро восстановить ресинхронизацию аварийной энергосистемы с энергообъединений. АЧР должна обеспечить сохранение электростанции в работе для того, чтобы достаточно быстро восстановить питание потребителей после ликвидации аварийной ситуации.

Роль АЧР велика в условиях крупных по мощности и сложных по конфигурации энергообъединений. Современное положение диктует все более жесткие условия, предъявляемые к АЧР.

АЧР успешно эксплуатируется в России и за рубежом много лет, однако автоматика еще далека от усовершенствования, так как много вопросов не решено полностью до сегодняшнего дня, поскольку они являются сложными и объем возникшего дефицита генерации в той или иной аварии является неопределенным.

АЧР считается простой идеей, но при ее реализации возникает ряд вопросов. Например: при каком уровне отклонения частоты автоматика начинает разгружать ЭС, и как можно определить объем мощности отключаемой автоматикой, и какие мероприятия должны приниматься для того, чтобы частота поднималась до заданного уровня и т.д.

В соответствии со значительностью теоретического и практического значения исследования переходного процесса при дефиците генерации:

В первой главе диссертации описывается назначение, особенности АЧР; излагается влияние снижения частоты на ЭС и требования к АЧР; анализируются процессы снижения частоты в системе в аварийных условиях; рассматриваются методы переходных процессов при действии АЧР-I и АЧР-П, а также взаимосвязь регулирования частоты и напряжения; обозреваются опыты применения АЧР в России и за рубежом.

Во второй главе диссертации построена математическая модель турбо и гидрогенератора, с их регуляторами частоты вращения работающих на энергосистему; разработана математическая модель генератора; описывается структурная схема энергосистемы, приведены передаточные функции элементов регулятора частоты вращения паровой, гидравлической турбины и энергосистемы; рассматриваются, регулирующий эффект нагрузки и постоянная времени энергосистемы.

В третьей главе изложен материал и позиции моделирования; рассматривается модель частотной разгрузки -АЧР; проведен анализ выбора мощности потребителей, присоединяемых к АЧР; предложена математическая линеаризованная модель автоматики частотной разгрузки с бесконечно большим числом ступеней разгрузки; излагается суть метода расчета переходного процесса с помощью линеаризированной^ модели, его преимущество перед ранее существующим методом; исследуется методика расчета статических и динамических характеристик; рассмотрен фактор непостоянства нагрузки; уделено внимание важному вопросу влияния запаздывания в канале АЧР.

В диссертации освещен вопрос разгрузки энергосистемы по скорости снижения частоты, обсуждаются эффекты по применению производной по частоте, трудности по измерению данной величины и реализация АЧР с дополнительным воздействием по производной; анализируется процесс восстановления частоты при действии АЧР-П; изложена мобилизация резервов мощности и действие АЧР при наличии резерва; сформулированы рекомендации и вывод по настройке АЧР.

В четвертой главе диссертации проведены исследования переходного процесса на математическую модель, созданную в программе Simulink на ЭВМ для разных дефицитов генерации и при разных условиях. Например: отсутствие и действие АЧР, наличие и отсутствие резерва, действие АЧР по методу дискретной и плавной системы разгрузки АЧР-I, запаздывание в канале АЧР и т.д. Получены результаты, представленные на графиках изменения частоты.

В конце сделано заключение по настоящей работе.

• Результаты исследования на ЭВМ подтверждают, что для получения более чувствительной автоматики, удовлетворяющей требованиям ЭС с различными видами аварий, следует применять следующие уставки АЧР: 48,5 Гц для начала действия АЧР и 47,5 Гц для конца ее действия, 10 и более ступеней разгрузки, мощность отключаемой автоматики равна максимальному прогнозированному дефициту, запаздывание в отключении потребителей не более 0,2с и выдержка процесса подъема частоты только до 5 с, так что при соблюдении этих параметров, полученных из результатов исследования при настройке АЧР возможно удержать частоту энергосистемы в допустимой зоне и уменьшить ее отклонение и время восстановления при любой аварийной ситуации для минимального объема отключаемых нагрузок.

Заключение

Диссертация посвящена разработке противоаварийной автоматики по разгрузке энергосистемы при больших дефицитах генерации. С укрупнением энергетических систем и созданием Единой Энергетической Системы (ЕЭС) России требуется дальнейшее совершенствование этой автоматики с целью повышения ее технических показателей.

В диссертации разработана и реализована на ЭВМ математическая модель энергосистемы совместно с АЧР и выполнены необходимые исследования этой проблемы. Анализ проблемы и основные результаты исследований заключаются в следующем:

1- В энергосистемах возможны аварии с большим дефицитом генерации, составляющие несколько десятков процентов от установленной мощности энергосистемы. В такой ситуации частота энергосистемы может снизиться на несколько герц, что недопустимо. Для поддержания частоты в аварийных условиях применяют частотную разгрузку путем отключения от сети ряда потребителей. Подобная практика широко применяется в энергосистемах многих стран.

2- Несмотря на простоту алгоритма частотной разгрузкой до сих пор не решены проблемы выбора уставок противоаварийной автоматики. Это относится к уставке начала и конца действия АЧР, выбору числа ступеней отключения потребителей, их мощности и уставок по частоте и т. д.

Для решения этой проблемы предварительно должны быть проведены тщательные исследования динамики процесса снижения и восстановления частоты в аварийных условиях при действии частотной разгрузки. К сожалению, до настоящего времени необходимые исследования не завершены в полном объеме, поэтому в диссертации сделана попытка хотя бы частичного решения поставленной проблемы.

3- В диссертации использована линеаризированная модель частотной разгрузки АЧР-1, предложенная в научно - исследовательских разработках кафедры электрических станций. Модель значительно упрощает анализ статики и динамики действия АЧР, позволяя установить аналитическую зависимость снижения частоты от плотности разгрузки, запаздывания в канале отключения потребителей и т.д.

Раскрытие этой зависимости позволит настраивать действие АЧР на минимальное отклонение частоты и длительность переходного процесса в аварийных условиях. Практическая реализация АЧР несомненно осуществляется с конечным числом ступеней разгрузки.

4-Разработана математическая модель гидро и турбоагрегата, работающих на энергосистему. Для этих элементов приведены передаточные функции, на основании которых составлена модель на ЭВМ.

На модели могут исследоваться переходные процессы при регулировании частоты, а также действии противоаварийной автоматики при больших дефицитах генерации в энергосистеме.

Для одних и тех же параметров энергосистемы и АЧР выполнены контрольные расчеты переходного процесса на ЭВМ и аналитически. Сравнение результатов показывает их достаточно хорошее совпадение, что подтверждает достоверность результатов исследования на модели.

5- На математической модели энергосистемы проведена серия тестов для изучения переходных процессов в аварийных условиях. Основные результаты этих исследований заключаются в следующем:

• Исследования проведены для двух вариантов состояния энергосистемы. Первый вариант - энергосистема не имеет вращающегося резерва в доаварийном режиме. Второй вариант - система имеет вращающийся резерв в различном объеме от 5 до 20%. В этом варианте действует контур первичного регулирования частоты.

• Исследования на ЭВМ показывают зависимость переходного процесса снижения и восстановления частоты от различных параметров

164 энергосистемы и противоаварийной автоматики, а именно: числа ступеней АЧР, начала и конца разгрузки, плотности разгрузки, времени запаздывания в канале отключения потребителей и т. д. Исследования на ЭВМ подтверждают результаты аналитических расчетов и дают основание для корректировки уставок существующей АЧР. Эти рекомендации приводятся в диссертации.

1. Совалов С. А., Семенов В А. Противоаварийное управление в энергосистемах. — М: Энергоатомиздат, 1988.

2. Рабинович Р.С., Автоматическая частотная разгрузка энергосистем. — М: Энергия,1980.

3. Павлов Г.М., Меркурьев Г.В., Автоматика энергосистем. РАО «ЕЭС России» ЩЩСЗФ АО-ГВЦ Энергетики-),2001.

4. Анализ опыта эксплуатации автоматической разгрузки в энергосистемах СССР. Зейлидзон Е.Д., Портной М.Г., Рабинович Р.С., Совалов С.А. Электричество, 1978г, № 7.

5. Кучеров Ю.Н., Окин А.А., Мартыненко М.М., Данильчук В.Н., Современное состояние автоматической частотной разгрузки энергосистем и пути ее совершенствования. РАО (ЕЭС России) ЦДУ ЕДС России - ОДУ Центра. - Электрические станции, 2001, №12.

6. Маркушевич Н.С., Автоматическая частотная разгрузка с зависимой выдержкой времени. Электрические станции, 1996, № 6.

7. Юревич Е.И., Теория автоматического управления. JI: Энергия, 1975г.

8. Павлов Г.М. Регулирование частоты и активной мощности. Конспект лекций, СПбГТУ, 2000г.

9. Барзам А.Б., Системная автоматика. — Энергоатомиздат, 1989.

10. Автоматическая частотная разгрузка в энергообъединениях СССР. Зейлидзон Е.Д., Совалов С.А., Бутин Г.Д. и др.— М: Энергия, 1975.

11. И.Сборник директивных материалов Главтехуправления Минэнерго СССР. Электротехническая часть. М.: Энергоатомиздат, 1985.

12. Павлов Г.М., Ли Инь, Меркурьев А.Г. Частотная разгрузка энергетических систем. — Труды СПБГТУ, № 460, 1996.

13. Рабинович Р.С. АЧР как средство ресинхронизации энергетических систем. — Электричество, 1977, №6.

14. И.Зейлидзон Е.Д. Автоматическая частотная разгрузка и частотное АПВ в энергообъединениях / Средства противоаварийной автоматики энергосистем. М. — JL: Энергия, 1964.

15. Калюжный А.Х. Повышение эффективности работы автоматической частотной разгрузки. — Электрические станции, 1995, № 2.

16. Павлов Г.М. Автоматизация энергетических систем. ЛГУ, 1977.

17. Павлов Г.М., Меркурьев А.Г., Шаргин Ю.М. Автоматическая частотная разгрузка в энергетических системах—Электричество, 1999, №1.

18. Павлов Г.М., Чуприн К.Е. Диагностика релейной защиты. — труды ЛПИ, 1981, №380.

19. Павлов Г.М., Меркурьев А.Г. Автоматическая частотная разгрузка в энергетических системах —РАО« ЕЭС России », СЗФ ГВЦ Энергетики. Учебное пособие, 1998.

20. Айзенфельд В.В. Эффективность техники определения мест повреждения ВЛ. — Электрические станции, 1989, № 5.

21. Бургсдорф В.В., Турская Т.Б. Опыт эксплуатации линий электропередачи 750 кВ. — Электрические станции, 1989, № 5.

22. Баринов В.А., Совалов С.А. Режимы энергосистем: методы анализа и управления. — М. : Энергоатомиздат,1990.23 .Маркушевич Н. С., Ковалюк Л.А. Повышение экономической эффективности энергоснабжения промышленных предприятий. Рига, 1973.

23. Гуревич Ю.У., Рабинович Р.С. Определение мощности потребителей при одновременном изменении частоты и напряжения. труды ВНИИЭ, 1970.

24. Панин В.Д. Схема совмещенного АЧР 1 и АЧР - 2 с ЧАПВ. -Электрические станции, 1975 , № 2.

25. Семенов В. А. Крупные системные аварии в зарубежных энергообъединениях . Энергохозяйство за рубежом, 1984, № 6.

26. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. М: Энергоиздат, 1990.

27. Практика автоматической частотной разгрузки на северо востоке США и в провинции Онтарио Канады. - В кн.: Релейная защита и противоаварийная автоматика. - М: Энергия, 1975.

28. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М: Наука, 1972г.

29. Стернинсон Л.Д. Переходные процессы при регулировании частоты и мощности в энергосистемах. -М: Энергия, 1975г.

30. Дроздов А.А. и др.Автоматизация энергетических систем. Учебное пособие. М: Энергия 1977г.

31. Кириллов И.И. Автоматическое регулирование паровых турбин и газотурбинных установок. Л: Машиностроение, 1998г.

32. Умов В.А., Филатов И.Н. Определение параметров и динамических характеристик систем автоматического регулирования гидроагрегатов. -Изд. СПбГТУ, 1996.

33. Веников В.А. Электромеханические переходные процессы в электрических системах. Госэнергоиздат, 1958г.

34. Сборник директивных материалов по эксплуатации энергосистем. Электротехническая часть. Раздел третий. Системные вопросы и электроснабжение. Главтехуправление по эксплуатации энергосистем М Э и Э СССР. М: СПО Союзтехэнерго, 1978.

35. Методические указания по автоматической частотной разгрузке (АЧР) Зейлидзон Е.Д., Совалов С.А., Рабинович Р.С. и др. СЦНТИ ОРГ -РЭС, 1972г.

36. Москалев А.Г. Автоматическое регулирование режима энергетической системы по частоте и активной мощности. Госэнергоиздат, 1960

37. Герасимович М.А. Автоматическая частотная разгрузка энергосистем.1. Госэнергоиздат, 1959.

38. Современные принципы и перспектива развития автоматической частотной разгрузки в энергообъединениях СССР. Зейлидзон Е.Д., Совалов С.А., Бутин Г.Д. и др. — М: Энергия, 1973.

39. Эксплутационный циркуляр № Э—9/65 «О порядке выполнения частотной разгрузки и частотного АПВ в энергосистемах ».: БТИ ОРГРЭС. 1965.

40. Маркушевич Н.С. Селективная система автоматического повторного включения после работы АЧР. —Электрические станции. 1969. № 7.

41. Меркушевич Н.С. Автоматическая частотная разгрузка энергосистем. -М: Энергия, 1975.

42. Портной М.Г., Рабинович Р.С. Управление энергосистемами для обеспечения устойчивости. М.: Энергия, 1978.

43. Ли. Инь. Аварийная частотная разгрузка энергетических систем. -Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. СПб ГТУ, 1996г.

44. Потемкин В.Г. Система Matlab. Справочное пособие. М: Диалог -МИФИ, 1997г.

45. Дьяконов В.П. Система Mathcad-M: Радио и связь, 1993г.

46. Частотная разгрузка как средство автоматической ликвидации аварий . Баркан Я.Д., Маркушевич Н.С., Рудзитис P.P. и др. — Электрические станции. 1960. № 5.

47. Савельев В.А. Анализ и разработка новых принципов и устройств аварийной разгрузки энергосистеме по активной мощности. — Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. ЛПИ, 1975.

48. Меркурьев А.Г. Аварийная частотная разгрузка энергетических систем.

49. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. СПБГТУ, 1998.

50. Бибаков Н.А., Воронов А.А., Дирук Т.А. Теория автоматического управления в двух частях. М: Высшая школа, 1986г.

51. Дьяконов В.П. Справочник по применению системы PC Mathlab. -М: Издательская фирма «Физико математическая литература», ВО «Наука», 1993,

52. Дьяконов В.П., И. Абраменкова. Matlab 5. Система символьной математики. Издательство Нолидж, 1999г.

53. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей / Министерство энергетики и электрификации СССР. М: Энероавтомиздат, 1989г.

54. Глазунов А.А. Электрические сети и системы. Госэнергоиздат,1960.

55. Гаркавич Ю.Е. Смирнов М.И. Регулирования гидротурбин. 1954.

56. Вагин В.В. Доржиев В.П. Распределение активных нагрузок в объединенных энергосистемах. -Труды ЛПИ № 380,1981.

57. Бондаренко А.Ф., Комаров Ф.Н. Регулирование режимов работы энергетического объединения по перетоком мощности и поддержания нормального уровня частоты. Электричество, 1994, № 5.

58. Баталов А.Г., Мальков А.Н., Мальков С.А. Использование в автоматическом регулировании частоты и активной мощности перевода агрегатов ТЭС в генераторный режим. Электрические станции, 1989, №2.

59. Гук Ю.Б. Теория надежности в электроэнергетике. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

60. Колесников В.В. Автоматическая частотная разгрузка в энергетических системах Диссертация на соискание степени магистра. СПБГТУ, 1998.

61. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. -Госэнергоиздат, 1957.

62. Важнов А.И. Электрические машины. Энергия, 1969.

63. Вишнякова Е.Ю. Регулирование частоты и обменной мощности в объединенной энергосистеме. Диссертация на соискание степени магистра. СПБГТУ, 2001.170

64. Горюнов Ю.П., Смоловик С.В. Математические модели элементов электроэнергетических систем и исследование их динамических свойств. Учебное пособие, СПБГТУ, 1992.

65. Невельский B.JL, Дробов Е.А. Границы области существования режимов трехмашинной энергосистемы // Автоматическое управление и противоаварийная автоматика в крупных энергообъединениях. Сб. науч. трудов НИИПТ. Л.: Энергоатомиздат, 1987.

66. Алексеева О.Н., Павлов Г.М., Ванин В.К. Резервная защита генератора от внешних коротких замыканий. Сборник научных трудов: Электроэнергетика, 1992.

67. A status report on methods used for system preservation during under frequency condition Trans. IEEE, 1975, № 2.

68. Pavlov G.M. Under frequency Load Shedding in Power System. Report at g + h International Power System Conference . St. Petersburg; 1994.

69. Kirchmayer J.K., Economic Control of interconnected System New York; 1959.

70. Pavlov G.M. Under frequency Load Shedding in Power Systems Report at conference. Rio de Janeiro, 1994r.

71. Pavlov G.M. Under frequency Load Shedding in Power Systems. Text book. St. Petersburg. Tech. University. 1995r.72. vj j (jj ( Машины переменного тока), 1989.