СПОСОБ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕТОКОМ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2012 года по МПК H02J3/06 H02J3/24 

Область техники

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть применено в интеллектуальных электроэнергетических системах с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС) для регулирования активной мощности.

Уровень техники

Известен способ управления активной мощностью в линии электропередачи, согласно которому изменяют в соответствии с требуемым перетоком мощности фазовый угол между векторами напряжений в оконечных точках линии электропередачи посредством включенного в нее управляемого фазоповоротного устройства [RU 2393608, МПК H02J 3/06, G05F 1/66, опубл. 2010 г.]. Регулирование перетока, согласно известному способу, представляет собой перераспределение потребляемой активной мощности между линией электропередачи, в которой установлено фазоповоротное устройство, с одной стороны, и параллельными линиями электропередачи, с другой стороны. Воздействия на генерируемую активную мощность указанный способ не предусматривает. Поэтому небаланс генерируемой и потребляемой мощности, возникающий в процессе регулирования потока (например, при отсутствии или отключении параллельных линий), вызывает длительные (до 30 сек) отклонения электрических параметров (частоты и/или напряжения), определяемые инерционностью генерирующих агрегатов, питающих линию. Это снижает качество электроэнергии и увеличивает риск потери устойчивости электроэнергетической системы.

Указанный недостаток отсутствует в выбранном в качестве прототипа способе управления перетоком активной мощности в линии объединенной энергосети, использующем турбогенератор с конденсаторной турбиной и накопитель электроэнергии с обратимым статическим преобразователем, управляемым датчиком электрического параметра линии [патент RU 2121746, МПК H02J 3/06, 1998 г.].

По способу-прототипу управляют перетоком активной мощности по линии электропередачи, изменяя генерируемую турбогенератором активную мощность путем воздействия на вентиль, перекрывающий трубопровод отбора пара от турбины на подогрев питательной воды. Возникающий при этом небаланс мощности компенсируется с помощью накопителя электроэнергии, подключенного к шинам турбогенератора. Это позволяет уменьшить отклонения параметров электропитания в процессе регулирования перетока и тем самым сохранить качество электроэнергии, и снизить риски потери устойчивости.

Недостаток прототипа - инерционность регулирования активной мощности в линии. Наличие этого недостатка не позволяет эффективно использовать прототип для оперативного управления перетоком активной мощности между частями ИЭС ААС.

Раскрытие изобретения

Предметом изобретения является способ управления перетоком активной мощности между связанными линией электропередачи частями интеллектуальной электроэнергетической системы, по меньшей мере, одна из которых содержит генерирующий агрегат, поддерживающий синхронную частоту, и снабжена накопителем электроэнергии, характеризующийся тем, что контролируют небаланс активной мощности на валу генерирующего агрегата, изменяют переток активной мощности в линии электропередачи регулированием фазового угла между векторами напряжений в ее оконечных точках посредством включенного в линию фазоповоротного устройства, выделяют ограниченный временной интервал, на котором компенсируют небаланс активной мощности путем перевода накопителя электроэнергии в режим разряда или заряда при недостатке или избытке активной мощности соответственно и восстанавливают баланс мощности соответствующим изменением генерируемой мощности агрегата.

Эта совокупность признаков позволяет ускорить регулирование активной мощности без снижения качества электроэнергии и запаса устойчивости энергосистемы, что, в свою очередь, дает возможность применять предлагаемое изобретение в ИЭС ААС для быстрого дистанционного управления перетоком активной мощности и поддержания ее баланса в реальном масштабе времени.

Изобретение имеет развития.

Одно развитие изобретения состоит в том, что недостаток или избыток активной мощности определяют путем измерения отклонения скорости вращения вала генерирующего агрегата от синхронного значения вниз или вверх соответственно, а указанный временной интервал выделяют путем сравнения величины измеренного отклонения с уставками.

Другое развитие изобретения состоит в том, что уставки по отклонению скорости вращения вала генерирующего агрегата от синхронного значения устанавливают в пределах (0,1-1,0)%, если генерирующий агрегат выполнен в виде синхронного или асинхронизированного турбогенератора, и - в пределах (5-10)%, если генерирующий агрегат выполнен в виде асинхронизированного гидрогенератора.

Еще одно развитие изобретения состоит в том, что синхронно измеряют векторы напряжений в оконечных точках линии электропередачи и ограничивают изменения фазового угла пределами, допустимыми по условию устойчивости.

Осуществление изобретения с учетом его развитии

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ.

Линия 1 электропередачи связывает шины 2 и 3, принадлежащие двум частям электроэнергетической системы.

Часть электроэнергетической системы с шинами 2 содержит генерирующий агрегат, поддерживающий синхронную частоту и состоящий из турбины 4 и генератора 5 переменного тока. К шинам 2 подключен через трансформатор 6 накопитель 7 электроэнергии с обратимым статическим преобразователем 8. Преобразователь 8 снабжен блоком 9 управления, который подключен входом к датчику 10 скорости вращения вала 11, связывающего турбину 4 и генератор 5.

В линию 1 электропередачи включено управляемое фазоповоротное устройство 12, воздействуя на управляющий вход 13 которого можно изменять угол у между векторами напряжения на выходе и входе устройства 12.

В оконечных точках линии 1 на шинах 2 и 3 установлены PMU-датчики 14, измеряющие векторы напряжений (фазоры).

Устройство осуществляет предлагаемый способ следующим образом.

Генератор 5, вращаемый турбиной 4, вырабатывает электроэнергию, передаваемую через устройство 12 по линии 1 на шины 3 другой части энергосистемы. Регулятор 15 оборотов турбины 4 под воздействием сигнала с датчика 10 управляет подачей в турбину 4 рабочего тела (пара, газа, воды), поддерживая синхронную скорость вращения вала 11, соответствующую синхронной частоте переменного тока (50 Гц). Значения векторов переменного напряжения на шинах 2 и 3 частей энергосистемы синхронно измеряются датчиками 14. Измерения синхронизируются сигналами спутниковой системы GPS и/или ГЛОНАСС.

Известно [П.С.Жданов. Вопросы устойчивости электрических систем. Москва. «Энергия», 1979, стр.14 ], что активная мощность Р, передаваемая по линии электропередачи, определяется формулой

,

где U₁ и U₂ - действующие значения напряжений на концах линии (т.е. на шинах 2 и шинах 3 соответственно), δ₁₂ - фазовый угол сдвига между векторами этих напряжений, Х_л - индуктивное сопротивление линии 1.

Поскольку в линию 1 включено фазоповоротное устройство 12, угол δ₁₂=γ+δ_л, где γ и δ_л - углы сдвига, вносимые соответственно устройством 12 и линией 1. Угол δ₁₂ представляет собой угол между векторами напряжения, измеряемыми датчиками 14, и контролируется в процессе управления перетоком.

В отсутствие возмущений и управляющих воздействий по входу 13 турбина 4 под управлением своего регулятора 15 вращает вал 11 с постоянной скоростью. Синхронное значение этой скорости соответствует получению тока синхронной частоты на выходе генератора 5.

От диспетчера или средств автоматики активно-адаптивной сети (ААС) на вход 13 фазоповоротного устройства 12 поступает управляющее воздействие на увеличение или уменьшение активной мощности, передаваемой по линии 1 электропередачи. При этом устройство 12 соответственно увеличивает или уменьшает угол γ. Требуемое значение угла δ₁₂ и его нахождение в пределах, допустимых по условию устойчивости, контролируется с помощью датчиков 14, показания которых считываются системой мониторинга ААС.

Современные фазоповоротные устройства [см., например, Стельмаков В.Н. и др. Фазоповоротные устройства с тиристорным управлением. «Энергетик» №8, 2010] характеризуются высоким быстродействием. Поэтому активная мощность, отбираемая от генератора 5 по линии 1, возрастает (или снижается) существенно быстрее, чем мощность турбины 4, управляемой регулятором 15. Временно возникающий небаланс мощности приводит соответственно к замедлению или ускорению турбины 4, сопровождаемому отклонением ее скорости вращения ω, измеряемой датчиком 10, от синхронной скорости ω_с.

Под воздействием отклонения Δω=ω-ω_с регулятор 15 изменяет мощность турбины и восстанавливает баланс мощности, обеспечивающий синхронную скорость вращения вала 11, за время, зависящее от инерционности турбины 4. На этом интервале требуемое качество электроэнергии и необходимый запас устойчивости обеспечивает временная компенсация небаланса с помощью накопителя 7.

Выделение интервала компенсации и управление накопителем 7 осуществляется следующим образом.

Блок 9 контролирует небаланс активной мощности по отклонению Δω=ω-ω_с. Когда отклонение Δω превысит по абсолютной величине соответствующую уставку, блок 9 переключает преобразователь 8 в режим инвертора или выпрямителя до тех пор, пока скорость вращения не отклониться в другую сторону на величину соответствующей уставки. В течение этого интервала времени накопитель 7 соответственно отдает в сеть ранее накопленную энергию или забирает из сети избыточную энергию, компенсируя тем самым временно возникший небаланс мощности и соответствующее ему отклонение скорости вращения вала турбины 4 от синхронной.

Диапазон абсолютных значений, в котором целесообразно располагать уставки по отклонению скорости вращения, зависит от свойств турбины 4 и генератора 5. Для случаев, когда используется синхронный или асинхронизированный генератор с паровой, газовой или парогазовой турбиной, и ее инерционность обеспечивает относительно небольшие отклонения скорости вращения от синхронной при скачках потребляемой активной мощности, этот диапазон может составлять (0,1-1,0) %, а для случая использования асинхронизированного генератора с гидротурбиной, имеющей меньшую инерционность, уставки по отклонению могут устанавливаться в диапазоне (5-10)%.

Сравнение заявляемого способа с прототипом показывает следующее. В обоих случаях после подачи управляющего воздействия на изменение перетока активной мощности в линии электропередачи возникает небаланс генерируемой и потребляемой мощности, который компенсируют с помощью накопителя, подключенного к шинам генерирующего агрегата. Накопитель на ограниченное время меняет знак своей мощности, суммируемой с мощностью генератора, переходя от режима потребления энергии к ее генерации и обратно.

Это относится как к прототипу, так и к заявляемому способу. Однако последовательность основных операций по заявляемому способу (процесс регулирования начинается с изменения перетока в линии, затем временная компенсация возникшего небаланса мощности с помощью накопителя и, наконец, восстановление баланса путем изменения генерируемой мощности) практически обратна последовательности операций прототипа, которая начинается с изменения мощности турбины (т.е. генерируемой мощности) и заканчивается установлением требуемого перетока в линии.

Это различие приводит к тому, что при осуществлении способа-прототипа накопитель препятствует изменениям перетока в линии, замедляя его нарастание или спад, а при осуществлении заявляемого способа накопитель, наоборот, способствует быстрым изменениям перетока.

Это принципиальное различие можно проиллюстрировать следующим примером.

Допустим, управляющее воздействие направлено на увеличение перетока активной мощности в линии.

По способу-прототипу такое воздействие, поступая на вентиль отбора пара, увеличивает мощность турбины 4. Возникший на валу 11 положительный небаланс мощности приводит к разгону турбины 4 и повышению скорости вращения вала 11, выше синхронной. В соответствии с сигналом датчика 10 блок 9 управления переводит накопитель 7 в режим потребления избыточной мощности и накопления энергии (в этом режиме статический преобразователь 8 накопителя 7 работает как выпрямитель). Накопитель 7 демпфирует переходной процесс и, забирая избыточную энергию, замедляет возрастание перетока в линии 1.

По заявляемому способу воздействие аналогичной направленности, поступая на управляющий вход 13 фазоповоротного устройства 12, увеличивает переток активной мощности в линии 1. Возникший на валу 11 отрицательный небаланс мощности приводит к замедлению турбины 4 и снижению контролируемой датчиком 10 скорости вращения вала 11 ниже синхронной. В соответствии с сигналом датчика 10 блок 9 управления переводит накопитель 7 в режим генерации дополнительной мощности и выдачи энергии (в этом режиме статический преобразователь 8 накопителя 7 работает как инвертор). Накопитель 7 демпфирует переходной процесс и, отдавая накопленную энергию, способствует быстрому возрастанию перетока в линии 1.

Аналогичные выводы (противоположные для заявляемого изобретения и прототипа) можно получить, рассматривая случай управляющего воздействия, направленного на уменьшение перетока.

Как видно из изложенного, заявляемый способ, используя известные средства, обеспечивает новое свойство: быстродействующее регулирование активной мощности в линии без рисков снижения качества электроэнергии и потери устойчивости электроэнергетической системы.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение быстродействия регулирования активной мощности без снижения качества электроэнергии и запаса устойчивости энергосистемы. Способ заключается в том, что при регулировании перетока активной мощности между частями энергосистемы, связанными линией (1) электропередачи, контролируют небаланс активной мощности на валу (11) генерирующего агрегата, изменяют переток активной мощности по линии (1) регулированием фазового угла между векторами напряжений в ее оконечных точках на шинах (2) и (3) посредством включенного в линию (1) управляемого фазоповоротного устройства (12). Выделяют ограниченный временной интервал, на котором компенсируют небаланс активной мощности путем перевода накопителя (7) электроэнергии в режим разряда или заряда при недостатке или избытке активной мощности соответственно, и восстанавливают баланс мощности соответствующим изменением генерируемой мощности агрегата. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления перетоком активной мощности между связанными линией электропередачи частями интеллектуальной электроэнергетической системы, по меньшей мере, одна из которых содержит генерирующий агрегат, поддерживающий синхронную частоту, и снабжена накопителем электроэнергии, характеризующийся тем, что контролируют небаланс активной мощности на валу генерирующего агрегата, изменяют переток активной мощности в линии электропередачи регулированием фазового угла между векторами напряжений в ее оконечных точках посредством включенного в линию фазоповоротного устройства, выделяют ограниченный временной интервал, на котором компенсируют небаланс активной мощности путем перевода накопителя электроэнергии в режим разряда или заряда при недостатке или избытке активной мощности соответственно, и восстанавливают баланс мощности соответствующим изменением генерируемой мощности агрегата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что недостаток или избыток активной мощности определяют путем измерения отклонения скорости вращения вала генерирующего агрегата от синхронного значения вниз или вверх соответственно, а указанный временной интервал выделяют путем сравнения величины измеренного отклонения с уставками.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что уставки по отклонению скорости вращения вала генерирующего агрегата от синхронного значения устанавливают в пределах (0,1-1,0)%, если генерирующий агрегат выполнен в виде синхронного или асинхронизированного турбогенератора, и в пределах (5-10)%, если генерирующий агрегат выполнен в виде асинхронизированного гидрогенератора.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что синхронно измеряют векторы напряжений в оконечных точках линии электропередачи и ограничивают изменения фазового угла пределами, допустимыми по условию устойчивости.