На правах рукописи

Полудницын Павел Юрьевич РАЗРАБОТКА ЗАКОНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ШУНТИРУЮЩИХ РЕАКТОРОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Специальность 05.14.02 Электростанции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре Электроэнергетических систем.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Владимир Андреевич Строев Официальные оппоненты доктор технических наук, Долгополов Андрей Геннадьевич кандидат технических наук, Сорокин Виктор Моисеевич Ведущая организация ОАО ФСК ЕЭС

Защита состоится л 26 июня 2009 г. в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г.Москва, ул.Красноказарменная, д.17, аудитория Г-200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

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

Автореферат разослан л _ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.03 кандидат технических наук, доцент Бердник Е.Г.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Вопросы регулирования реактивной мощности в высоковольтной электрической сети и тем самым поддержание требуемых уровней напряжения являются весьма актуальной проблемой. До последнего времени регулирование напряжения и реактивной мощности в высоковольтной сети ЕЭС России осуществлялось, в основном, за счет генераторов электростанций и рациональным размещением и последующей коммутацией в электрической сети неуправляемой поперечной компенсации.

Из-за отсутствия технической возможности частого использования коммутационных аппаратов и РПН автотрансформаторов возникли проблемы поддержания требуемых уровней напряжения в основной системообразующей сети ЕЭС России, особенно в местах наличия реверсивных потоков мощности в суточном и сезонных разрезах. Для решения данной проблемы в последнее время используются управляемые средства поперечной компенсации различного типа. В высоковольтных электрических сетях России наиболее перспективным типом поперечной компенсации является управляемый шунтирующий реактор (УШР).

Преимущества использования управляемой поперечной компенсации уже подтверждены зарубежным опытом, а также рядом проектов, которые были успешно реализованы в ЕЭС России. Тем не менее, вопросы влияния управляемой поперечной компенсации на статическую и динамическую устойчивость электроэнергетической системы не в полной мере изучены и отражены в технической литературе.

Представляется целесообразным произвести оценку влияния управляемой поперечной компенсации, в частности УШР, на статическую и динамическую устойчивость электроэнергетической системы, и в случае положительных результатов дать рекомендации по рациональному их управлению с целью улучшения устойчивости системы в целом. Этим вопросам и посвящена данная диссертационная работа.

Целью диссертационной работы является разработка законов регулирования управляемых шунтирующих реакторов с целью улучшения устойчивости электроэнергетической системы.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического моделирования ЭЭС, методы решения систем нелинейных и линейных уравнений, теория дифференциальных уравнений, теория устойчивости ЭЭС, положения теории автоматического регулирования.

Достоверность результатов подтверждается использованием известных, проверенных методик и уравнений, связанных с теорией устойчивости и расчетом переходных процессов в управляемых электроэнергетических системах, сопоставлением результатов расчетов с результатами расчетов, полученных при использовании известных программ-аналогов.

Разработанные программы расчета для исследования поставленных задач данной работы были протестированы рядом задач, рассматриваемых в методических пособиях и учебной литературе. Совпадение полученных результатов с результатами, полученными аналитическим путем, подтверждает корректность работы разработанных программ.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

1. Предложена методика выбора значения коэффициента усиления по отклонению напряжения УШР исходя из комплексной оценки влияния напряжения в узле подключения поперечной компенсации на уровни напряжения в прилегающей к нему сети и обеспечение нормативных запасов пропускной способности сети.

2. Расчетами подтверждена целесообразность применения управляемой поперечной компенсации (в частности УШР) для значительного расширения потенциала использования пропускной способности существующей электрической сети в широком диапазоне электрических режимов, увеличения запаса по апериодической статической устойчивости ЭЭС, особенно в послеаварийных схемах, а также для качественного улучшения режимных параметров ЭЭС в переходных процессах.

3. Расчетами доказано малое влияние УШР на колебательную статическую и динамическую устойчивость ЭЭС, особенно в условиях широкого распространения сильного регулирования возбуждения генераторов электростанций системы.

4. Использование канала стабилизации по напряжению в узле подключения УШР позволяет компенсировать инерционные свойства последнего, увеличивая его быстродействие, тем самым, улучшая показатели качества ЭЭС в переходных процессах.

Практическая значимость полученных результатов.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы в проектных, научно-исследовательских и эксплуатационных организациях при решении задач перспективного развития энергосистем, выбора средств компенсации реактивной мощности, средств режимного управления, а также при выборе структуры и настроек регуляторов УШР для улучшения качества переходных процессов в электроэнергетических системах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (МЭИ (ТУ) (март 2006, март 2007, март 2008); на заседании кафедры Электроэнергетические системы МЭИ (ТУ) (апрель 2009).

Публикации. Основные результаты и положения, полученные в диссертации, изложены в четырех публикациях. В публикациях, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат основные результаты.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, списка литературы, включающего 84 наименований, и трех приложений.

Основной текст диссертации изложен на 113 страницах машинописного текста, приложения изложены на 6 страницах машинописного текста.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко проанализированы характерные особенности, проблемы современной электроэнергетики и значение управляемой поперечной компенсации для их решения, представлен обзор вопросов, рассматриваемых в технической литературе и связанных с использованием управляемой поперечной компенсацией, обоснована актуальность темы, а также сформулированы цели и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе диссертации приводятся математические модели ЭЭС, методика и алгоритмы, используемые в работе для расчета статической и динамической устойчивости.

Расчетная схема ЭЭС состоит из следующих элементов: синхронных машин (СМ), управляемой поперечной компенсации (в частности УШР), их систем автоматического регулирования (САР), а также элементов электрической сети.

Для расчета колебательной статической и динамической устойчивости, при учете неопределенности состава потребителей в узлах сети, нагрузка в расчетах представляется в виде постоянного комплексного сопротивления.

Математическая модель ЭЭС в общем случае представляет собой систему, состоящую из дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы в динамических элементах системы, а также из алгебраических уравнений, описывающих состояние электрической сети. В работе используются две модели представления генераторов электростанций:

` Eq - первая: неизменной э.д.с., что обусловлено представлением электростанций в расчетной схеме неким эквивалентом;

- вторая, в которой генераторы представляются упрощенными ` Eq, EQ, Eq уравнениями Парка-Горева, т.е. когда генератор представлен э.д.с.

и ` соответствующими сопротивлениями X, X, X.

q d d В общем случае математическая модель ЭЭС формируется из следующих блоков дифференциальных и алгебраических уравнений:

1. Дифференциальные уравнения, отражающие движение ротора генераторов:

TJi d i = PTi - Pi dt а также переходные процессы в обмотке возбуждения генератора:

' dEqi Td 0i + Eqi = Eqei dt где TJi - постоянная инерции генераторного агрегата, с; = 2 fном, НОМ fном = 50Гц номинальная синхронная угловая частота вращения ротора генератора, рад/с; PTi - механическая мощность турбины, о.е.; PЭЛi - электрическая мощность, отдаваемая генераторами станций, о.е.; - угол i сдвига э.д.с. генераторов, рад.

2. Уравнения баланса мощности по активной и реактивной составляющей являются алгебраическими уравнениями связи между режимными параметрами в каждом узле электрической сети:

WPi = Ui2 yii sin( ) + U yij sin( - ) = ii Ui j ij ij j=1 n, ji WQi = Ui2 yii cos( ) - U yij cos( - ) = ii Ui j ij ij j=1 n, ji 3. Переходные процессы в системах управления элементов электрической сети (АРВ генераторов и УШР), представляются в виде блоков системы дифференциальных уравнений. При расчетах статической и динамической устойчивости представление данных устройств в общей математической модели зависит от сложности структуры регуляторов, управляющих параметров и закона регулирования.

В работе рассматривается АРВ генераторов электростанций сильного действия, который осуществляет регулирование возбуждением генератора по отклонению напряжения и частоты, а также по их первым производным. Для эффективной работы генератора при тяжелых возмущениях в АРВ предусмотрен блок релейной форсировки возбуждения.

Математическая модель системы регулирования УШР при условии пренебрежения переходными процессами в сетевой обмотке и электромагнитной связью ее с обмоткой управления может быть представлена в следующем (операторном виде) виде:

Di ( p)Пi (1+ pTу ) Bp = Bp0 + k0U U + p W ( p) (i) где Bp, Bp0 - проводимость реактора: текущая и соответствующая уставке;

k0U - коэффициент усиления по отклонению напряжения; Di ( p),W ( p) - p полиномы по степени,зависящие от структуры регулятора; Пi - параметр регулирования.

УШР моделируется инерционным звеном первого порядка с эквивалентной постоянной времени Tу. Известно, что такое представление позволяет отразить влияние УШР на поведение системы в целом без подробного учета процессов, происходящих в реакторе, которые не оказывают заметного влияния на системные процессы.

В качестве параметров регулирования могут быть использованы режимные параметры, измерение которых может быть легко выполнено с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения. К таким локальным режимным параметрам относятся ток реактора, напряжение в узле его подключения, отклонение частоты напряжения и ее первая производная.

В зависимости от параметров управления, структура регулятора УШР может быть следующего вида (рис. 1). Параметры регулятора УШР зависят от типа звеньев и их физической реализации. Учитывая универсальность измерительной техники и контуров, реализующих дифференцирующие звенья, звенья регулятора УШР могут иметь схожие значения параметров с соответствующими звеньями АРВ.

На основе сформированной математической модели ЭЭС были разработаны программы расчета установившихся режимов, статической устойчивости и переходных процессов в сложной системе, содержащей управляемую поперечную компенсацию.

BpUPo UP 1 + K0Up (1 + pTU ) pK1Up (1+ pTД ) Bp (1+ pTy ) I p pK1Ip (1+ pTI ) (1+ pTД ) p pT p K0 fp (1+ pTf ) (1+ pT ) (1+ pT ) pK1 fp (1+ pTД ) Рис. 1 - Структурная схема регулятора УШР Программа расчета статической устойчивости основана на методе D-разбиения и критерии Михайлова; предусматривает построение областей устойчивости в плоскостях настроечных параметров АРВ генераторов и регулятора УШР.

В основе программы расчета переходных процессов и динамической устойчивости лежит метод трапеций и метод Ньютона. На каждом шаге интегрирования с помощью метода трапеций производится алгебраизация дифференциальных уравнений исходной системы, после чего полученная система нелинейных алгебраических уравнений решается методом Ньютона.

Учет систем автоматического регулирования приводит к увеличению и без того большой размерности математической модели электроэнергетической системы, что создает дополнительные трудности при расчете переходного процесса. Для решения этой проблемы используются модели системы автоматического регулирования, основанные на применении дискретной формы интеграла Дюамеля.

В этом случае действие систем автоматического регулирования отражается в правых частях дифференциальных уравнений, что приводит к существенному снижению порядка системы уравнений, исключению уравнений с малыми постоянными времени, характерными для систем регулирования, а также сокращению времени расчета из-за возможности увеличения шага интегрирования.

В работе исследуются две ЭЭС, представленные на рис. 2. Схема № относится к классу простейших. Использование данной схемы позволит произвести тестирование разработанных алгоритмов и произвести аналитический контроль получаемых результатов и распространить их на схемы более сложной структуры, такой как схема №2, которая является эквивалентом реальной электрической сети одной из энергосистем России.

1 2 3 ШБМ Т Г 2хШР 2хШР УШР а) Г 9 14 ШБМ ТШР9 ШРАТНГ 4 АТШР2 ШР4 ШРШРНГ АТТАТ15 НГ Г НГ Условные обозначения НГ Напряжение Линии Подстанции 500 кВ 220 кВ б) Рис. 2 - Исследуемые схемы: а) - схема № 1; б) - схема № Вторая глава посвящена вопросам влияния УШР на статическую (апериодическую и колебательную) устойчивость электроэнергетических систем, как в нормальных, так и в послеаварийных режимах работы электрической сети.