Оценка предельных режимов межсистемных связей энергосистем

Оценка предельных режимов межсистемных связей энергосистем

В научной статье рассматриваются вопросы качественного перехода электроэнергетической системы от одного режима к другому, даны требования, предъявляемые к режимам работы питающих сетей. Раскрываются факторы, влияющие на устойчивость работы электроэнергетической системы. Проанализированы показатели качества переходного процесса и предложены практические мероприятия по улучшению уровня устойчивости в электрических системах.

Технологический процесс производства и передачи электроэнергии взаимосвязан со многими другими процессами в промышленности, транспорте и других отраслях жизнедеятельности. Поэтому реализация планов экономического развития в нашей стране предусматривает сооружение новых электроэнергетических объектов, в том числе межсистемных электрических связей высокого и сверхвысокого напряжения. Последнее особенно актуально для энергодефицитных регионов.

Анализ режимных характеристик существующих воздушных линий электропередач с номинальным напряжением 220 кВ и 500 кВ требует уточнения предельных режимов. Так, пропускная способность определена не по всем показателям, характеризующим устойчивую работу электропередач. Коэффициенты запаса статической устойчивости в некоторых сечениях ниже нормативно допустимых. Не в полной мере учтены регулирующие свойства приемной энергосистемы. В этих условиях рассмотрим влияние тех или иных факторов, влияющих на предельные режимы электропередач, и возможность улучшения пропускной способности.

При определенных значениях параметров режима и параметров системы предельные режимы в сечениях можно оценить на основе критериального анализа. В первом приближении предельные режимы, очевидно, определяются пропускной способностью по условиям устойчивости нормальных заданных режимов работы. При расчете режимов используются методы расчета установившегося режима. Для этого можно воспользоваться методом узловых потенциалов, либо другими итерационными методами расчета. Однозначность решения установившегося режима электрической сети при последовательном утяжелении режима, как известно, характеризует установившийся режим. Ухудшение сходимости характеризует наличие «тяжелых» режимов. Нарушение сходимости определяет подход к предельным режимам, как по апериодической устойчивости, так и по другим ограничениям. Предел существования режима близок к пределу по апериодической устойчивости.

Последовательное утяжеление режима, как правило, необходимо начинать со «слабых» связей в данном сечении. Затем необходимо определить предельный режим на другие связи в данном сечении. При этом возможны следующие ситуации. Во-первых, решение может существовать, но режим апериодически неустойчив. Во-вторых, состояние энергосистемы не может быть предельным по устойчивости. Предельный режим может ограничиваться другими факторами, непосредственно не связанными с устойчивостью. Это может быть ограниченная по перетокам реактивной мощности в том или ином сечении. Это может быть выявлено проверкой на апериодическую устойчивость. Достаточно составить характеристическое уравнение, определить знак свободного члена. Изменение знака последнего, как известно, определяет границу апериодической устойчивости.

Предельный режим может наступить при наступлении самораскачивания. Самораскачивание может иметь место при значительной загрузке генераторов и ослаблении связей в энергосистеме. Самораскачивание (колебательная неустойчивость) может наступить при передаче большей части мощности электростанции на дальнее расстояние. Возможность появления колебательной неустойчивости возникает при значительных коэффициентах запаса по активной мощности в сечениях, близких к шинам электростанции. Несложно показать, что данный процесс определяется снижением синхронизирующей мощности. Соответственно скорость изменения электромагнитного момента на валу генератора отстает от изменения нагрузки на шинах электростанции в схеме выдачи мощности. При этом следует отметить также важность скорости изменения реактивной мощности, в отличие от принятого классического подхода, что будет рассмотрено ниже. электроэнергетический режим питающий сеть Самораскачивание может наступить также при «жесткой» настройке автоматических регуляторов возбуждения. Расчеты колебательной неустойчивости, в том числе определение соответствующих предельных режимов вычислением корней характеристического уравнения показали необходимость соответствующих коэффициентов стабилизации в регуляторах возбуждения.

Проверка возможности самораскачивания расчетного переходного процесса показали меньшую точность в определении предельных режимов. Для увеличения точности определения предельных режимов проводят исследования на основе теории чувствительности.

Последовательно выбирая промежуточные контролируемые узлы в межсистемных связях, где влияние изменения нагрузки наименьшее, рассмотрим сечение, которое связывает две энергосистемы — передающая и приемная — энергодефицитная. Опуская слабые связи, для получения качественных соотношений, рассмотрим, главным образом, процессы в электропередаче сверхвысокого напряжения. Две энергосистемы обмениваются по ней взаимной мощностью без учета отбора мощности. При известных напряжениях по концам электропередачи, U1 — передающая энергосистема, U2 — приемная энергосистема, несложно определить изменение режима электропередачи. Определив обобщенные параметры рассматриваемой схемы несложно определить предел передаваемой мощности. При обеспечении нормативно допустимых коэффициентов запаса по активной мощности он составляет порядка 0,81 от максимума взаимной мощности. При дальнейшем утяжелении режима по активной мощности значительно возрастает реактивная мощность в начале электропередачи. Она будет в основном определяться входной проводимостью в начале электропередачи. Поэтому резкое возрастание реактивной мощности в начале электропередачи можно считать одним из вторичных критериев возможности наступления предельного режима. Введя в систему автоматического управления режима электропередачи обратную связь по скорости изменения реактивной составляющей тока или мощности, можно обеспечить устойчивую работу при коэффициентах запаса не превышающей 10%.

При наличии промежуточного отбора мощности предел мощности по электропередачи незначительно зависит от нагрузки в конце. Определяется в основном местом подключения промежуточной нагрузки — отбора по активной мощности и участком связи. Причем, по мере удаления узла нагрузки от концов электропередачи уменьшается степень влияния нагрузки на предел передаваемой мощности. Например, при удаление отбора мощности от начала электропередачи на четверть ее длины целесообразно контролировать переток мощности вблизи шин приемной системы. Расчеты показали, при соотношении максимальной и минимальной нагрузках, не превышающих 60%, предельный переток на концевом участке не превышает 2−4%.

При равномерно распределенной или симметрично подключенной нагрузках, целесообразно контролировать предельную мощность в середине и вблизи электропередачи.

Контроль загрузки по активной мощности — предельный режим, межсистемной связи может осуществляться существующей автоматикой разгрузки электропередач — АРСП. Обычно контроль ведется по активной мощности или фазовому углу. Существующая автоматика фиксирует ситуации, когда активная мощность по контролируемому сечению, либо по контролируемой межсистемной связи достигает заданной уставки. Затем с выдержкой или без выдержки времени действует на разгрузку электропередачи. Следует подчеркнуть, что АРСП фиксирует лишь достижения предельной мощности по заданной уставке и не реагирует на скорость изменения активной мощности и фазового угла. Это является существенным недостатком данной автоматики, не выявляется истинная причина возникшей нагрузки. Уставки срабатывания АРСП обычно не превышают (0,86−0,87) Рпр.

Коррекцию управляющих воздействий, в сторону увеличения уставки срабатывания, можно произвести, исходя из следующего: известно, что процесс передачи электроэнергии представляет собой распространение электромагнитного поля вдоль проводов линий электропередач. Соответственно, разлагая энергию электромагнитного поля на составляющие, можно показать, что скорость изменения активной мощности определяется изменением реактивной мощности по концам электропередачи. Как было отмечено выше, при подходе к предельным режимам по активной мощности.

Величина реактивной мощности определяется в целом обобщенными параметрами электропередачи — собственные и взаимные проводимости. В общем случае, например, при наличии синхронных компенсаторов в узлах отбора мощности, эти параметры также зависят от режима электропередачи. При отсутствии оных и подходе режима к предельным несложно показать, что реактивная мощность вначале электропередачи практически остается неизменной вплоть до предела статической устойчивости. Введя в алгоритм автоматики управления контроль величины реактивной мощности, можно отслеживать скорость изменения активной мощности при подходе к предельным значениям. Появляется возможность снижения коэффициентов запаса и повышения пропускной способности электропередач и достигнута определенная экономичность.

Рассмотрим последовательное изменение параметров режима при переходе к предельным режимам. Несложно показать, что при этом свободный член характеристического определителя не изменяется, так как к колебательным нарушениям устойчивости он не чувствителен. Поэтому при подходе к предельным режимам шаг утяжеления должен быть переменным. Шаг утяжеления необходимо варьировать в зависимости от величины реактивной мощности в начале электропередачи. Таким образом, можно дополнительно уточнить уставку АРСП.

Эффективность управления, обеспечивающая устойчивость предельных перетоков мощности, можно оценить на основе функций чувствительности. Для этого алгоритм управления необходимо построить на базе функций с гибкой структурой. При приближении режима к границе области устойчивости повышается чувствительность к изменению фазового угла. Соответственно изменяются управляющие воздействия в системе автоматики предотвращения нарушения устойчивости — АПНУ и подсистемах этой автоматики. Не исключено, что при таком подходе может быть реализована программа оптимального управления — нахождение в функции времени закона управления и управляющих воздействий. Эти воздействия должны гасить возникающие при подходе к предельным режимам опасные качания. При этом появляется возможность изменения уставки АРСП в функции времени. Одним из вариантов технической реализации может быть применение установки следящей системы подключенной в контрольных узлах электрической сети.

Установка состоит из одноканальной приборной следящей системы переменного тока, задающего устройства (ЗУ), вольтметра (V) переменного тока и электронного-осциллографа (ОСЦ). Упрощенная электрическая схема для следящей установки показана на рисунке 1. В качестве иммитатора задающего устройства используется механизм синусной заводки, показанный на рисунке 2.

Рисунок 1 — Принципиальная схема установки для следящей системы.

По улучшению значений параметров элементов электрической системы используется взаимосвязанный между собой технологический комплекс устройств: установка для следящей системы и механизм синусной заводки. В процессе работы электроэнергетической системы по показаниям измерительных приборов проводятся наблюдения за ходом согласования механизма синусной заводки и следящей системы, а также определятся статическая ошибка на выходе системы. По фиксированным значениям параметров сигнала ошибки системе задаются контрольные данные.

При вращении управляющего двигателя с постоянной скоростью амплитуда напряжения, снимаемого с однофазной обмотки вспомогательного сельсина, будет изменяться по синусоидальному закону, вследствие чего на выходе фазочувствительного усилителя возникает выпрямленное напряжение изменяющейся полярности, значение которого изменяется по синусоидальному закону. Частота этого напряжения пропорциональна частоте вращения управляющего двигателя, а амплитуда регулируется потенциометром, включенным на выходе усилителя. Двигатель, вал которого, механически связан с ротором сельсина-датчика следящей системы, будет при этом вращаться с частотой, изменяющейся по синусоидальному закону (так называемая синусная заводка). Для задания сельсину-датчику постоянной частоты вращения следует остановить управляющий двигатель. При этом с однофазной обмотки вспомогательного сельсина на вход усилителя будет поступать переменное напряжение постоянной амплитуды, значение которой определяется угловым положением ротора вспомогательного сельсина. Таким образом, помощью механизма синусной заводки следящей системе задаются различные законы движения входного вала, которые отрабатываются исполнительным двигателем (ИД) системы, поворачивающим через редуктор (Ред.) нагрузку (Н).

Рисунок 2 — Схема механизма синусной заводки.

Вывод

Научный подход в исследовании вопросов предельных режимов с эффективным использованием имеющей автоматики предотвращения нарушения устойчивости способствует повышению надежности и уровня устойчивости электроэнергетической системы. Предлагаемый способ повышения устойчивости системы средствами и методами, предусматривающими уменьшение небаланса в узлах энергосистемы при возможных нарушениях заданного режима работы, а также сокращение длительности периода, в течение которого действует такой небаланс, значителен таким фактором, как повышение надежного и качественного обеспечения потребителей электроэнергией и более эффективным использованием межсистемных связей.

• 1. Калиев Б. З. Статическая устойчивость с регулируемой компенсацией протяженных электропередач // Материалы Московской городской конференции молодых ученых и специалистов. — Москва, 1988. С. 26−27.
• 2. Калиев Б. З., Кайдар А. Б. Прогнозирование графика электрических нагрузок // Материалы международной научно-практической конференции. — Том 1. 2009 г. — С. 18−21.
• 3. Вопросы оптимизации чувствительности к управлению энергетических объектов. Материалы II международной научно-практической конференции. — Том 2 — С. 177−183.