ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА, СНАБЖЕННАЯ СРЕДСТВАМИ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ, И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТАКОЙ УСТАНОВКОЙ Российский патент 2017 года по МПК H02J3/28 

Изобретение относится в целом к электрогенерирующим установкам и в частности к газотурбинным электростанциям или электростанциям с комбинированным циклом, в которых газовая турбина и паровая турбина используются в комбинации для вращения генератора для производства электричества.

Существующие электрогенерирующие установки вообще включают использование крупномасштабных гидроэлектрических, ядерных электростанций или электростанций на ископаемом топливе, которые обеспечивают снабжение электроэнергией с помощью систем передачи и распределения.

Задачи по уменьшению выбросов CO₂, установленные рядом стран, приведут к увеличению пропорции выработки энергии из возобновляемых источников, которая, например, достигнет 35% в Германии и 20% во Франции к 2020 г. В дополнение к улучшениям эффективности, обычные средства снабжения электроэнергией должны будут иметь большую гибкость и способность реагировать для обеспечения оптимизированной работы и будут нуждаться в приспособлении к более широкому разнообразию прерывистых источников энергии, таких как ветрогенераторы, солнечные электростанции и другое оборудование, такое как электростанции, работающие за счет энергии волн, геотермальные электростанции или электростанции, работающие на биомассе. Эта диверсификация и связанное с ней увеличение числа источников производства ставят сложную проблему управления электрической сетью и системами распределения электроэнергии.

Существующие средства производства электроэнергии и распределительные сети не предназначены для приспособления к этим изменениям и, в результате, не подходят для выполнения этих новых требований в долгосрочной перспективе при отсутствии существенных инвестиций с этой целью.

Выработка электроэнергии из возобновляемых источников на этом уровне увеличивает сложность систем распределения электроэнергии и сетей, приводя к колебаниям в режиме снабжения электроэнергией, который будет нуждаться в тщательном управлении. В отсутствии усовершенствованного управления есть риск, что распределительные системы будут работать неэффективно или будут подвергаться частым нарушениям режима.

С точки зрения поставщиков электроэнергии и операторов распределительных систем возможными решениями являются следующие:

- Увеличение гибкости электростанций обычного типа.

- Внедрение технологий аккумулирования энергии, предназначенных для использования на всех уровнях, в качестве средства смещения пиков в электропотреблении и средства, дающего возможность объединения большего числа возобновляемых источников энергии.

- Внедрение более гибких способов распределения в качестве средства сглаживания колебаний в снабжении электроэнергией, улучшения эффективности и оптимизации работы системы.

- Внедрение высокоэффективных систем прогнозирования, текущего контроля и управления в качестве средства противодействия любым нарушениям режима.

Нарушения режима, которые происходят из-за запланированной модификации источников электроэнергии и распределительных сетей, могут приводить к прекращениям подачи электроэнергии (отключениям подачи электроэнергии), то есть кратковременной или длительной потере снабжения электроэнергией в данной зоне, связанной с неисправностями на электростанциях, повреждением распределительной системы (линий электропередачи или подстанций), коротким замыканием или перегрузкой в электрической сети.

В частности, "длительный перерыв в энергоснабжении на обширной территории" или отказ электрической сети является особенно критической проблемой для безопасности населения, больниц, очистных станций сточных вод, шахт и т.д. Другие критические системы, такие как системы связи, также должны снабжаться источником резервного снабжения электроэнергией. По этой причине сооружения снабжаются резервными генераторами, которые запускаются автоматически в случае прерывания в электроснабжении.

Возникновение неисправностей в электрической сети вблизи газотурбинной электростанции, паротурбинной электростанции или электростанции комбинированного цикла также может создавать нарушения режима или даже может приводить к остановке соответствующей электростанции.

Кроме того, электростанция отбирает электроэнергию из сети, чтобы начать запуск вращения турбины, используя генератор, работающий в режиме двигателя, и для подачи электроэнергии для вспомогательных систем электростанции. Эти электростанции также должны снабжаться средствами резервного электроснабжения, такими как аккумуляторные батареи или дизельные двигатели, чтобы компенсировать микроотключения продолжительностью нескольких секунд или гарантировать завершение нормальной остановки и, где применимо, повторный запуск в случае потери питания от сети.

Средства аккумулирования энергии, распределенные повсюду в сети, могут использоваться для стабилизации колебаний частоты, быстрой регулировки электроснабжения, чтобы удовлетворить потребность в электроэнергии, компенсации сильно колеблющихся уровней производства энергии от электростанций, использующих возобновляемые источники энергии, и подачи резервной электроэнергии после прекращения подачи электроэнергии.

Функция регулирования частоты предназначена также для уменьшения отклонений частоты в электрических сетях. Отклонения частоты являются результатом несоответствий между предложением и потреблением электроэнергии, которые могут возникать в любое время в течение нормальной работы системы, или в дополнение к происшествию, такому как снижение производства энергии. В Европе номинальная частота установлена равной 50,00 Гц. Минимальная мгновенная частота установлена равной 49,2 Гц, а максимальная мгновенная частота установлена равной 50,8 Гц. Это соответствует отклонению частоты 800 миллигерц (мГц) - максимально допустимому динамическому отклонению номинальной частоты согласно нормам организации "Европейское сообщество операторов магистральных сетей в области электроэнергетики" (European Network of Transmission System Operators for Electricity, ENTSO-E 2009). Практически диапазоны мгновенной частоты являются более широкими, в пределах от 46 до 52,5 Гц.

Есть три уровня регулирования частоты, а именно первичное регулирование, вторичное регулирование и третичное регулирование.

При расчетных условиях эксплуатации электростанции обязаны сохранять резервную мощность для целей обеспечения первичного регулирования частоты. В Европе эта резервная мощность может изменяться от страны к стране. Например, эта резервная мощность составляет ±2,5% во Франции и ±1,5% в Испании.

Использование первичной резервной мощности инициируется прежде, чем отклонение от номинальной частоты превысит 200 мГц во временном интервале 30 секунд, и имеет максимальную продолжительность 15 минут.

Соответственно, средства аккумулирования энергии могут использоваться также как средства, участвующие в регулировании частоты в непрерывном режиме и со способностью к быстрому реагированию.

Наконец, необходимо регулировать любой сдвиг фаз напряжения-тока посредством регулирования реактивной мощности. Нагрузки системы, которые включают обмотки, обладают эффектом намагничивания, приводящим к генерации реактивной мощности. Хотя последняя не выполняет никакой работы, в векторной комбинации с активной мощностью (подлежащая оплате мощность), она составляет кажущуюся мощность, которая определяет полную энергию, циркулирующую в электрической сети, и также диктует определение параметров установок. Оптимизируя коэффициент мощности (косинус ϕ), можно уменьшить потери сети, максимизировать поток активной мощности (или уменьшить габариты установок) и улучшить стабильность. Здесь снова средства аккумулирования энергии могут использоваться для регулирования этого сдвига фаз.

Средства аккумулирования могут также обеспечивать источники энергии, необходимые для пуска электростанций (сглаживание пиков в мощности и т.д.), предотвращая любые микроотключения, которые вредят непрерывному энергоснабжению, необходимому больницам, центрам обработки информации и резервным системам атомных электростанций.

Средства аккумулирования кинетической энергии или маховиковые средства аккумулирования применяются в этом контексте. Эти системы, которые сопоставимы с механическими аккумуляторами, используют вращение маховика (из углеродного волокна, других композитных материалов, стали и т.д.) до скорости в несколько десятков тысяч оборотов в минуту, соединенного с двигателем/генератором. Эти системы могут аккумулировать/высвобождать некоторый излишек/дефицит электроэнергии в электрической сети в некоторое заданное время в виде кинетической энергии (E_k), которая возвращается ускорением/замедлением массы маховика. Аккумулируемая/высвобождаемая энергия дается следующей формулой:

,

где j - момент инерции (в кг⋅м²) и ω - угловая скорость (в рад⋅с^-1).

Чтобы предотвратить потери на трение, эти аккумулирующие системы поддерживаются магнитными подшипниками и заключаются в корпуса, в которых поддерживается вакуум. Они также снабжаются силовой электроникой, такой как комбинация выпрямителя-преобразователя, для целей управления сигналами, вводимыми в электрическую сеть/извлекаемыми из нее и, в частности, для управления коэффициентом мощности (cosϕ).

Эта техника используется, среди других применений, для регулирования частоты, как решение для обеспечения гарантированного энергоснабжения, для оптимизации снабжения энергией в бортовых системах и в областях, таких как распределение электроэнергии, авиакосмическая промышленность, автомашины (для рекуперации кинетической энергии при торможении), железнодорожная промышленности и т.д.

В контексте распределения электроэнергии и стабильности электрических сетей, эти аккумулирующие системы очень выгодны, так как они имеют время реагирования менее одной секунды, срок службы приблизительно двадцать лет и требуют небольшого технического обслуживания. Кроме того, в отличие от аккумуляторных батарей, они не имеют никакого "эффекта памяти", не восприимчивы к вариациям температуры и позволяют выполнить точную оценку состояния их зарядки. Наконец, они не влекут за собой проблем переработки для повторного использования и не требуют никаких специальных мер предосторожности при эксплуатации.

Для справки, некоторые устройства этого типа в настоящее время на рынке имеют механический КПД свыше 95% и полный КПД (для полного цикла зарядки/разрядки) 85%. Некоторые устройства могут достигать емкости накопления 25 кВт⋅ч, поставлять мгновенную мощность 250 кВт и подвергаться более чем 150 000 полным циклам зарядки/разрядки.

Системы различных типов для предупреждения прерываний в электроснабжении и для регулирования частоты и мощности известны из известного уровня техники.

В этом отношении ссылка может быть сделана на документы ЕР 1900074 и ЕР 1866717, которые описывают системы энергоснабжения различных типов для сглаживания пиков в потреблении и предупреждения перебоев в процессе эксплуатации.

В частности, документ ЕР 1866717 рекомендует использование мини-сети, содержащей один или несколько источников выработки электроэнергии и одну или несколько независимых нагрузок системы, которые могут подключаться к сети в ответ на нарушение режима.

Документы US 2005-0035744, ЕР 1656722, ЕР 359027, US 5256907, WO 2002-44555, US 4001666 и JP 2003-274562 описывают использование маховиков.

Ссылка может быть сделана также на документ US 2004-0263116, который описывает интеллектуальное распределение/аккумулирование энергии для управления мощностью на стороне потребителя. Устройство используется для аккумулирования энергии вблизи пункта использования или пункта производства. Документ JP 2003-339118 описывает распределенную систему снабжения энергией, включающую ветровую турбину, энергоустановку на базе фотоэлектрических элементов, накопитель энергии, блок маховика и зарядное устройство.

С учетом вышеизложенного данное изобретение предлагает способ управления для газотурбинной электростанции или электростанции с комбинированным циклом, который устраняет вышеупомянутые недостатки.

Газотурбинная электростанция, паротурбинная электростанция или электростанция с комбинированным циклом непосредственно производит электроэнергию. Во время пуска, однако, электростанция зависит от электроэнергии сети для энергоснабжения генератора в режиме двигателя (в случае газовой турбины) и для энергоснабжения вспомогательных систем, необходимого для снабжения энергией систем смазки, систем топливоснабжения, систем охлаждения, систем нагрева и продувки конденсатора, многие из которых состоят из блоков насосов с приводом от двигателя и вентиляторов с приводом от двигателя, клапанов и т.д.

Эти средства должны снабжаться резервным электропитанием на случай потери питания от сети или короткого замыкания в последней.

Как указано выше, в настоящее время имеется ряд средств аккумулирования энергии, которые будут гарантировать работу или остановку электростанций, таких как газотурбинные/паротурбинные электростанции или электростанции комбинированного цикла. Эти средства могут использоваться для целей перераспределения нагрузки, для снабжения энергией насосов, вентиляторов или шкафов в случае неисправности электрической сети или электростанции, и для подачи питания низкого и среднего напряжения для аккумуляторных батарей.

Должны быть предусмотрены резервные средства энергоснабжения, которые в случае отключения электрической сети или длительного перерыва в энергоснабжении позволят высоковольтным и средневольтным вспомогательным системам закончить остановку трансмиссии и/или пуск генератора в безопасном режиме там, где это применимо.

Как правило, эти средства состоят из дизельных двигателей, некоторые из которых являются резервными и всегда должны поддерживаться в прогретом и предварительно заправленном смазкой состоянии, чтобы быть готовыми к запуску. Кроме того, в качестве меры безопасности, эти двигатели должны подвергаться регулярным проверкам путем запуска.

Инвестиции для приобретения установки, энергоснабжения и подготовки этих средств аккумулирования и производства являются значительными, при этом они могут подлежать только спорадическому использованию.

Кроме того, обычно может предполагаться прогрессирующее ухудшение аккумуляторных батарей через какое-то время, при этом ухудшение связано с каждым циклом зарядки и разрядки.

Дополнительной проблемой является время реагирования этих средств аккумулирования и производства энергии, и ограничение этого времени реагирования ограничило бы воздействие рассматриваемой неисправности на электрическую сеть и электростанцию.

Согласно одному из аспектов, изобретение предлагает электрогенерирующую установку и способ управления для установки этого типа, использующей средства аккумулирования энергии маховикового типа, чтобы выполнять следующие функции:

- Регулирование частоты и напряжения (в установившихся и переходных режимах работы).

- Компенсацию микроотключений электрической сети.

- Поддержание оптимального состояния заряда рассматриваемых аккумулирующих средств в случае прекращения подачи электроэнергии.

- Использование энергии, накопленной в механическом виде, для того, чтобы поддержать остановку электростанции (включая ограничение явления повышенной частоты вращения вала).

- Поддержку пуска электростанции в случае длительного выхода сети из строя.

- Пассивную или активную компенсацию гармоник, создаваемых различными компонентами силовой электроники средств генерации электроэнергии от возобновляемых источников и маховиковыми средствами аккумулирования энергии.

В свете вышеизложенного, целью данного изобретения является улучшение способности реагировать, гибкости и эксплуатационной надежности электростанций, подключенных к сетям с вышеупомянутыми характеристиками.

Более конкретно, целью данного изобретения является электрогенерирующая установка, содержащая средства генерации электроэнергии, которые предназначены для подключения к распределительной сети, содержащей средства аккумулирования энергии.

Эта установка содержит также контроллер для управления работой средств аккумулирования энергии и подключения средств аккумулирования энергии к средствам генерации и/или к упомянутой сети, чтобы максимизировать их использование. Контроллер принимает информацию, исходящую от электрической сети, средств аккумулирования энергии, средства генерации электроэнергии и оператора электрической сети, чтобы управлять производством электроэнергии, которая будет подаваться в сеть и вспомогательным системам установки от средств аккумулирования энергии.

Соответственно, контроллер способен принимать информацию от сети (о напряжении, частоте, запросе на увеличение или уменьшение активной или реактивной мощности) и поэтому снабжен средствами для управления зарядкой и разрядкой средств аккумулирования энергии, чтобы гарантировать последовательное выполнение множества функций при поддержании, априорно, оптимального уровня зарядки (частичного или максимального) для выполнения каждой из этих функций.

Включение в состав установки средств для аккумулирования позволяет использовать их как ресурс поддержки для реагирования на пики в потреблении тока, связанные с пуском газовой турбины. Средства для аккумулирования позволяют уменьшить номинальную мощность или даже устранить резервирование в электрогенераторных агрегатах, необходимых для запуска.

При запуске требование по нагрузке определяется запуском вспомогательных систем. Средства аккумулирования энергии позволяют сглаживать потребность в активной мощности. В этом случае контроллер должен гарантировать максимальный заряд средств аккумулирования энергии между пиками требований по нагрузке, таким образом позволяя устанавливать параметры системы пуска с номинальной возможностью реагирования, которая ниже, чем та, которую диктовали бы пики требований по нагрузке. Например, параметры системы пуска могут быть установлены в соответствии с линейной характеристикой мощности и с постоянным линейным возрастанием.

Контроллер может также обнаруживать внезапное снижение напряжения сети или напряжения электростанции ниже порогового значения, ниже которого вспомогательные системы больше не будут работать правильно.

Согласно еще одной особенности установки, контроллер способен регулировать уровень первичной резервной мощности, доступной в установке, на основании энергии, имеющейся в средствах аккумулирования энергии.

Согласно еще одной особенности, контроллер способен управлять подачей электроэнергии в сеть от средств аккумулирования энергии в ответ на запрос оператора сети.

Контроллер может быть способен к участию в регулировании частоты в сети по запросу оператора сети и с учетом энергии, имеющейся в средствах аккумулирования энергии.

Контроллер может быть способен также к управлению снабжением электроэнергией вспомогательных систем электростанции от средств аккумулирования энергии в случае падения напряжения заранее заданной продолжительности.

Например, там, где средства генерации электроэнергии состоят из генератора, соединенного с газовой турбиной или паровой турбиной, при остановке средств генерации электроэнергии контроллер способен к инициированию зарядки средств аккумулирования энергии от инерции валов трансмиссии в средствах генерации электроэнергии.

В одной форме осуществления контроллер способен к регулированию уровня активной и/или реактивной мощности, которая будет поставляться в сеть, за счет энергии, имеющейся в средствах аккумулирования энергии.

Например, средства аккумулирования энергии могут содержать комбинацию по меньшей мере одного маховика, соединенного с двигателем/генератором, и/или ряда аккумуляторных батарей.

Чтобы поддерживать вращение маховика, может использоваться ряд вспомогательных источников электроэнергии, например аккумуляторная батарея или источник возобновляемой энергии, подключенных к связанным с ними силовым электронным компонентам и способных поддерживать вращение раскрученного маховика.

Например, средства аккумулирования энергии могут включать силовые электронные компоненты для регулирования тока, напряжения и частоты в этих средствах для аккумулирования.

Изобретение включает также способ управления электрогенерирующей установкой, содержащей средства генерации электроэнергии, которые предназначены для подключения к распределительной сети, и содержащей средства для аккумулирования электроэнергии и контроллер для управления работой средств аккумулирования энергии и подключением средств аккумулирования энергии к упомянутым средствам генерации и к электрической сети.

Согласно одной особенности этого способа, генерацией электроэнергии для подачи в сеть и вспомогательным системам установки управляют в соответствии со средствами аккумулирования энергии и в соответствии с информацией, исходящей от сети, средств аккумулирования энергии и средств генерации электроэнергии, и средствами для аккумулирования управляют для последовательного выполнения различных функций при поддержании оптимального состояния зарядки между двумя функциями.

В одной форме осуществления уровень первичной резервной мощности, доступной в установке, регулируют на основе энергии, имеющейся в средствах аккумулирования энергии.

Энергия, подаваемая в сеть средствами для аккумулирования, предпочтительно состоит из разности между запросом энергии, сообщаемым оператором распределительной сети, и энергией, подаваемой средствами генерации электроэнергии, ограниченной инерцией газовой турбины и паровой турбины.

Например, частота электрической сети регулируется по запросу оператора распределительной сети с использованием энергии, имеющейся в средствах аккумулирования энергии.

В одной форме осуществления, где средства генерации электроэнергии состоят из генератора, соединенного с газовой или паровой турбиной, средства аккумулирования энергии заряжаются во время фазы остановки средств генерации электроэнергии от инерции вала трансмиссии в средствах генерации электроэнергии.

Средства аккумулирования энергии предпочтительно способны поддерживать запуск установки, таким образом дополнительно ограничивая потребность в токе от сетей или электрогенераторных агрегатов, используемых в случае отказа сети.

Например, средства аккумулирования энергии способны к поддержке остановки средств генерации электричества с помощью энергоснабжения вспомогательных систем последних.

Согласно еще одной форме осуществления, контроллер обнаруживает/принимает информацию о падении напряжения в сети и снабжает электроэнергией вспомогательные системы электростанции от средств аккумулирования энергии.

Имеется возможность вносить вклад в поддержание напряжения в сети, и электроэнергия поставляется вспомогательной системе электростанции от средств аккумулирования энергии в случае падения напряжения в сети заранее определенной продолжительности.

Также имеется возможность регулировать уровень активной и/или реактивной мощности, которая будет поставляться в сеть, с использованием энергии, имеющейся в средствах аккумулирования энергии.

Другие цели, особенности и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего описания, которое приводится только в качестве примера, а не для ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

На фиг.1 показана схема электрогенерирующей установки согласно изобретению, снабженной средствами аккумулирования энергии.

На фиг.2 показан график работы контроллера для удовлетворения потребности в энергии для поддержания регулирования частоты.

На фиг.3 показана кривая, иллюстрирующая резкий подъем в потреблении тока, связанный с запуском установки.

На фиг.4 показана иллюстрация другой формы осуществления электрогенерирующей установки согласно изобретению с использованием дополнительных систем для производства электроэнергии.

На фиг.5 показана схема примера регулирования частоты и напряжения.

На фиг.6 показана структурная схема, иллюстрирующая принципы управления, применяемые контроллером, и принципы, применяемые для управления средствами аккумулирования.

Сначала со ссылкой на фиг.1 будет описана архитектура электрогенерирующей установки согласно изобретению.

Как показано на фиг.1, которая представляет собой схему части газотурбинной электростанции или электростанции с комбинированным циклом, электрогенерирующая установка этого типа включает генерирующий блок 1, например газовую турбину, соединенную с генератором и подключенную к распределительной сети Res через трансформатор Т.

Во время нормальной работы электростанции, генерирующий блок поставляет электроэнергию в сеть. Во время запуска генератор функционирует в режиме двигателя и отбирает электроэнергию из электрической сети, чтобы вращать турбину.

Установка снабжена также вспомогательными системами Aux различных типов для выполнения вспомогательных функций, в частности смазочными насосами с приводом от двигателя и охлаждающими вентиляторами с приводом от двигателя, системами топливоснабжения турбины, рядом клапанов и т.д.

Установка снабжена также средствами 2 аккумулирования энергии в форме кинетической энергии (аккумулятор кинетической энергии или kinetic energy storage system, KESS). Например, но не с целью ограничения, такие средства 2 предусматриваются в виде блока, включающего по меньшей мере один маховик, состоящий, например, из колес из углеродного волокна, композитных материалов или стальной конструкции и т.д., вращающихся под действием двигателя/генератора, который питается током из сети, и способен к преобразованию кинетической энергии маховика в электроэнергию, а также к преобразованию кинетической энергии, производимой при вращении генератора, в электроэнергию для перезарядки средств 2 для аккумулирования.

Можно видеть, что вспомогательные системы и средства аккумулирования энергии включены между трансформатором и генерирующим блоком через выключатели Disj1, которые управляются контроллером 3. Как описано ниже более подробно, контроллер связан с главными элементами установки и с сетью Res, в частности, для извлечения информации о работе сети и установки. Контроллер включает все необходимые программные и аппаратные средства и запрограммирован соответственно для управления зарядкой и разрядкой средств аккумулирования энергии в соответствии с извлекаемой информацией, а также для инициирования фаз последовательной зарядки и/или разрядки, необходимых для выполнения функций управления, имеющих отношение к работе установки.

Дополнительный выключатель Disj2 предусмотрен также между трансформатором T и генерирующим блоком 1.

Контроллер управляет работой средств для аккумулирования кинетической энергии, таким образом гарантируя выполнение различных функций, необходимых для обеспечения надежности и гибкости электростанции в ответ на события в сети.

Способ управления, используемый контроллером, предназначен также для расширения функциональных возможностей средств аккумулирования энергии типа KESS, чтобы включать функции, которые ранее были определены для электростанции. В частности, контроллер предназначен для того, чтобы вызывать средства аккумулирования энергии при реализации первичной резервной мощности (полной или частичной), в особенности в течение первых секунд добавочного требования по нагрузке для смещения ограничения повышения мощности электростанции, налагаемого ускорением газовой турбины, инерцией парового цикла и различными ограничениями, налагаемыми на электростанцию.

Эта резервная мощность диктуется оператором сети. В этом случае газовая турбина/паровая турбина или установка с комбинированным циклом может быть обязана уменьшить свою рабочую точку до значения 95% (в зависимости от рассматриваемой страны) или работать как оборудование пиковой нагрузки там, где требуется дополнительная мощность.

Следует заметить, что функции, предоставляемые средствами для аккумулирования, выполняются последовательно, благодаря чему контроллер гарантирует оптимальную зарядку средств аккумулирования энергии между двумя функциями и поддерживает оптимальное и требуемое заранее состояние зарядки для каждой из функций, которые должны выполняться.

Способ, используемый средствами аккумулирования, которые управляются контроллером, совместим с использованием этих средств для аккумулирования электроэнергии на спорадической основе, и позволяет осуществить передачу функции, обеспечиваемой газовой турбиной, упомянутым средствам для аккумулирования, таким образом максимизируя использование этого ресурса.

В противоположность решениям, известным из известного уровня техники, в которых не проводится никакое определенное различие между использованием аккумуляторных батарей и использованием кинетических аккумулирующих средств, системы типа KESS имеют существенные преимущества над батареями с точки зрения характеристик зарядки и перезарядки и отсутствия гистерезиса.

Включение средств 2 аккумулирования энергии типа KESS в состав электростанции позволит электростанции осуществить более эффективную компенсацию происшествий в электрической сети, а именно: существенного падения напряжения или выхода из строя сети (описываемого термином "блэкаут").

Средства аккумулирования энергии типа KESS могут также функционировать вместо электростанции для подачи первичной резервной мощности или могут поддерживать запуск электростанции, устраняя пики в потреблении тока, связанные с пуском насосов рециркуляции или пуском генератора. Практически, средства 2 аккумулирования энергии типа KESS позволяют осуществить сглаживание расхода активной мощности, необходимой для целей запуска.

Таким образом, изобретение предлагает средства для максимального использования средств 2 аккумулирования энергии типа KESS, соединенных с газотурбинной электростанцией или электростанцией с комбинированным циклом.

Как можно видеть из фиг. 1, контроллер принимает на своем входе информацию I₁, исходящую от сети Res.

Контроллер принимает также информацию I₂, связанную с работой средств 2 аккумулирования энергии, информацию I₃, исходящую от электростанции, генерирующей электроэнергию, и информацию I₄, исходящую от оператора электрической сети.

Средства связи могут предусматриваться для установления связи между оператором сети, электростанцией и средствами 2 аккумулирования энергии.

Среди передаваемой информации контроллер принимает информацию от оператора сети, в частности: о частоте, напряжении, потребности в активной мощности, которая должна быть удовлетворена для целей регулирования частоты в сети, или потребности в способности регулирования реактивной мощности. Контроллер также принимает информацию от электростанции, в частности: об уровне первичной резервной мощности, имеющейся в электростанции и в средствах KESS.

Используя эту информацию вместе с информацией, исходящей от электростанции, контроллер управляет уровнем зарядки и перезарядки средств 2 типа KESS аккумулирования энергии.

Контроллер управляет расходом электроэнергии, связанным с пуском и вспомогательной системой запуска, и принимает на себя управление реактивной мощностью в средневольтной сети электростанции.

Контроллер также отвечает за управление выключателем Disj2, который позволяет выполнить подключение/отключение генератора к/от главной сети Res.

Первая функция, которую должны брать на себя средства 2 аккумулирования кинетической энергии, включает подачу первичной резервной мощности, в результате чего турбина должна работать, например, не более чем с 95% ее номинальной мощности (если она не работает, как оборудование пиковой нагрузки). Резервная мощность должна подаваться в сеть по запросу оператора сети, который, следовательно, будет иметь резерв энергии в своем распоряжении в случае отказа средств, генерирующих электроэнергию. Таким образом, эта резервная мощность вносит вклад в устойчивость сети, поддерживая частоту на значении порядка 50 или 60 Гц в зависимости от типа и характеристик рассматриваемой сети.

В этом случае средства аккумулирования кинетической энергии реагируют более быстро на запрос оператора сети, таким образом ограничивая любую последующую последовательность отказов или увеличивая время реагирования, необходимое для других генераторов в сети.

Контроллер должен гарантировать подачу энергии в сеть в кВт⋅ч или МВт⋅ч посредством быстрого разряда средств аккумулирования кинетической энергии на величину, равную разности между запросом энергии, подаваемом оператором электрической сети, и энергией, подаваемой генератором электростанции.

Из фиг.2, которая иллюстрирует характеристику мощности относительно заданного значения, генерируемого электростанцией, и на который кривая TG представляет мощность, вырабатываемую газовой турбиной, кривая TV представляет мощность, вырабатываемую паровой турбиной, и P_volant представляет мощность, вырабатываемую средствами 2 аккумулирования энергии, можно видеть, что во всех случаях при отсутствии средств 2 возрастание мощности установки при запуске ограничено возрастанием мощности газовой турбины при запуске плюс возрастанием мощности при запуске паровой турбины. Возрастание мощности электростанции зависит не только от размера электростанции и типа рассматриваемой газовой турбины, но ограничено также инерцией парового цикла. На больших электростанциях это возрастание обычно может иметь порядок 10-25 МВт в минуту или выше для самого последнего поколения электростанций.

Соответственно, использование средств 2 аккумулирования энергии позволяет обеспечить достижение кратковременного и резкого увеличения мощности, таким образом, в качестве результата, улучшая как возрастание мощности электростанции при запуске и время ее реагирования, так и позволяя осуществить точное реагирование на потребность (кривая А).

Можно видеть, что использование средств аккумулирования кинетической энергии для частичного выполнения этой функции предоставляет ряд преимуществ:

- Быстрое реагирование на запрос первичной резервной мощности.

- Потенциал для кратковременного увеличения рабочей точки турбины на том основании, что с помощью средств аккумулирования первичная резервная мощность может быть подана полностью или частично.

- Сокращение работы с максимальной нагрузкой. Там, где спрос может быть полностью удовлетворен средствами аккумулирования, это будет позволять обеспечить уменьшение циклов технического обслуживания, связанное с уменьшением часов эксплуатации в режиме пережога, то есть работы, при которой допускается более высокая температура выходящих газов и, следовательно, более высокая температура пламени, таким образом позволяя увеличить базовую мощность на 3-7% (в зависимости от типа сгорания), но за счет износа установки.

Вслед за каждым реагированием контроллера для подачи первичной резервной мощности с помощью привлечения средств аккумулирования энергии контроллер будет инициировать перезарядку упомянутых средств аккумулирования энергии, генерируя команду выключателям Disj1 на подключение средств аккумулирования к сети и подачи питания на двигатель, связанный с упомянутыми средствами для аккумулирования.

Перезарядка заканчивается в момент, следующий за каждым привлечением средств аккумулирования, с использованием мощности от сети, или в тот момент, когда оператор сети требует поглощения активной мощности в сети в качестве средства уменьшения частоты сети.

Однако средства аккумулирования в случае внезапного падения напряжения сети всегда должны сохранять минимальный уровень заряда. Этот минимальный заряд оценивается на основе минимальной энергии, которая должна поставляться в течение нескольких секунд всему оборудованию, которое восприимчиво к нарушениям в результате падения напряжения.

Другие функциональные возможности, обеспечиваемые контроллером и средствами для аккумулирования, включают обеспечение поддержки для запуска газовой турбины. Эта поддержка позволяет осуществить переопределение параметров электроэнергетических систем, необходимых для подачи тока, независимо от сети, для целей запуска в случае длительного нарушения энергоснабжения. В этом случае, как показано на фиг.3, потребность в токе и мощности характеризуются кратковременными пиками в потреблении, каждый из которых соответствует пуску данного устройства в установке, например, блока циркуляционного насоса с приводом от двигателя для системы смазки и охлаждайся или инвертора с естественной коммутацией (load-commutated inverter, LCI), необходимого для питания генератора.

В интересах стабилизации потребности в токе в резервных электрогенерирующих агрегатах, контроллер будет вызывать средства аккумулирования энергии, чтобы удовлетворять связанную с пуском этих устройств потребность в электроэнергии с улучшенной скоростью реагирования. Параметры резервных генерирующих средств могут быть соответственно перерассчитаны.

Кроме того, при остановке турбины контроллер приводит в действие выключатели Disj1 и Disj2 так, что генератор будет соединен со средствами 2 аккумулирования. Подъем скорости вращения генератора, преобразуемый в электроэнергию соответствующим двигателем/генератором, тогда используется для перезарядки средств 2 аккумулирования таким образом, что последние полностью перезаряжаются. Перезарядка средств аккумулирования энергии поэтому заканчивается во время фаз остановки с использованием кинетической энергии трансмиссии генерирующего блока 1, и одновременно ограничивается превышение установленного числа оборотов, связанное с любым резким отключением генератора.

Таким образом, накопленная кинетическая энергия может поддерживаться в течение неопределенного периода времени с потерями, представляющими только 2% номинальной вместимости, с использованием дополнительных альтернативных средств генерации электроэнергии поблизости от электростанции, например, основанных на использовании возобновляемых источников, или с использованием аккумуляторных батарей, или с использованием резервных генерирующих средств, таких как дизельные двигатели, которые традиционно используются для безопасной нормальной остановки или пуска установки. В любое время, однако, инерционные средства 2 аккумулирования могут быть заряжены непосредственно от электрической сети, и готовность последних для снабжения электроэнергией немедленно восстанавливается. На фиг.4 представлена установка, которая снабжена резервными средствами этого типа для генерации электроэнергии.

Как можно видеть на фиг.4, на которой показан трансформатор T, подключенный к сетями Res через выключатель Disj2, генератор 1 с его соответствующим генерирующим электроэнергию блоком и средствами 2 аккумулирования энергии в виде кинетической энергии, средневольтная (medium-voltage, m.v.) сеть снабжена множеством дополнительных источников энергии, таких как S1, S2, S3 и S4, включающих, например, системы для преобразования возобновляемой энергии, например солнечной энергии, энергии ветра и т.д., соединенных со средневольтной сетью через трансформаторы, такие как T’, и через выключатели Disj3, которые также управляются контроллером 3 (не представленным на этой схеме).

Можно видеть, что средневольтная сеть снабжена также возбудителем генератора 4, связанным с трансформатором T” и выключателем Disj4, и статическим преобразователем частоты (static frequency converter, SFC), также связанным с трансформатором T”’ и выключателем Disj5.

Во время повторного запуска газовой турбины/паровой турбины или во время работы в режиме с комбинированным циклом инерционные средства аккумулирования могут использоваться как поддерживающие средства для смещения пиков тока, связанных с запуском насосов, в частности насосов рециркуляции, и с подачей питания к инверторам с естественной коммутацией (LCI). Соответственно, средства для аккумулирования позволят уменьшить номинальную мощность дизельных двигателей, которые традиционно используются для повторного запуска турбины, или могут даже поставлять энергию, необходимую во время начальных моментов запуска, таким образом предоставляя достаточное время для запуска упомянутых двигателей и устраняя потребность их непрерывного предварительного прогрева или предварительной смазки.

Соответственно, система аккумулирование позволяет сглаживать потребность в активной мощности. В этом случае контроллер управляет энергией, которая должна поставляться в течение очень коротких периодов, таким образом позволяя реагировать на все пики в потреблении.

Параметры системы пуска установки поэтому могут быть определены в соответствии с постоянным нарастанием мощности, допускающим ограниченное требование по нагрузке.

Три критерия можно рассмотреть для определения параметров средств 2 аккумулирования энергии.

Первым соображением может быть устранение пиков в потреблении, связанных с пуском оборудования в установке, как было показано ранее со ссылкой на фиг.3.

Вторым соображением может быть ограничение максимальной мощности системы дизельного двигателя, которая традиционно используется в установке.

Наконец, это может быть намерение уменьшить ограничения на резервный электрогенерирующий агрегат, с помощью обеспечения постоянного увеличения его мощности (плавного возрастания).

Как указано выше, в случае отказа сети или длительного перерыва в энергоснабжении контроллер 2 приводит в действие дополнительный выключатель Disj2 для отключения генератора от электрической сети и инициирования его остановки в "безопасном" режиме. Контроллер приводит в действие также выключатели Disj1 для подключения генератора 1 к средствам 2 аккумулирования энергии.

Резкое увеличение скорости вращения трансмиссии, преобразуемое в электроэнергию связанным с ней двигателем/генератором, используется для перезарядки средств 2 аккумулирования энергии. Соответственно, средства аккумулирования могут быть полностью заряжены в течение нескольких секунд в результате инерции, связанной с повышенной скоростью вращения.

Эта система для перезарядки средств аккумулирования энергии более выгодна по сравнению с традиционными системами, например, основанными на использовании дизельных двигателей, поскольку последние постоянно должны быть заправлены смазкой и прогреты, чтобы сделать возможным их быстрый запуск.

Эти недостатки устраняются при помощи аккумулятора кинетической энергии, который в ответ на перерыв в энергоснабжении будет заряжен и использован контроллером для энергоснабжения вспомогательного оборудования, необходимого для последовательности остановки, которая длится приблизительно 10 минут.

Кроме того, в случае отказа или неготовности резервного дизельного двигателя, которым электростанции традиционно оборудуются для подачи необходимой электроэнергии для безопасной остановки оборудования, инерционные средства 2 аккумулирования могут также использоваться в качестве замещающего источника энергоснабжения для нормальной остановки турбины и питания ответственных вспомогательных механизмов, таких как системы смазки и охлаждения, необходимые для остановки турбины при соответствующих требованиям условиях.

Контроллер также может быть способен к обнаружению резкого падения ниже заданного порогового значения напряжения в сети, к которой подключена электростанция, генерирующая электроэнергию. Это может включать, например, обнаружение падения напряжения в течение по меньшей мере 2 секунд. В этом случае контроллер 3 приведет в действие выключатели Disj1 и средства аккумулирования энергии, чтобы гарантировать поддержание минимальной зарядной емкости в средствах 2 аккумулирования, необходимой для питания компонентов, которые особенно восприимчивы к падениям напряжения.

Следует также отметить, что данное изобретение предлагает для газотурбинной электрогенерирующей установки или электрогенерирующей установки с комбинированным циклом способ управления, который позволяет использовать регулирование частоты или регулирование напряжения в установившемся или переходном режиме.

Как показано на фиг.5, эти две функции регулирования могут в комбинации осуществляться контроллером, во-первых, для подачи или поглощения активной мощности P посредством управления зарядкой и разрядкой средств аккумулирования энергии, и, во-вторых, как только уровень активной мощности гарантирован, для обеспечения второстепенной функции, включающей подачу или поглощение реактивной мощности Q в электрической сети.

Следует отметить, что эти два типа функций регулирования могут одновременно оптимизироваться системой управления. Для примера, максимальная генерация/поглощение активной мощности может быть ограничена величиной приблизительно 13,4%, таким образом обеспечивая генерацию реактивной мощности (индуктивной или емкостной) до значения 50% от максимальной кажущейся мощности.

Наконец, ссылка может быть сделана на фиг.6, которая является схематическим представлением используемого контроллером способа управления, показанного в виде логической схемы, но не с целью ограничения. Эта схема представляет различные функции, которые должны выполняться согласно информации, принимаемой контроллером, вместе с управлением средствами аккумулирования энергии для зарядки и разрядки упомянутых средств аккумулирования энергии и подключения их к распределительной сети или к сети электростанции.

Как можно видеть из этой схемы, имеется начальная стадия, включающая текущий контроль состояния электростанции (шаг 10), например контроль значения переменной состояния электростанции. Будет определяться, например, находится ли генератор в процессе эксплуатации или выключен. Если генератор выключен в случае отказа сети, обнаруженного, например, текущим контролем переменной длительного перерыва в энергоснабжении, то энергия, накопленная в средствах аккумулирования энергии, поддерживается при помощи аккумуляторных батарей. Наоборот, если сеть находится в эксплуатации, накопленная энергия поддерживается с использованием сети или с использованием вторичных источников энергии, таких как возобновляемые источники (шаг 11). Если требуется запуск установки, то энергия, накопленная в упомянутом средстве аккумулирования энергии, будет использоваться для этой цели (шаг 12).

Если на предыдущем шаге 10 было определено, что электростанция находится в процессе эксплуатации, то в случае обнаружения отказа электрической сети (шаг 13), средства аккумулирования энергии будут заряжаться от генератора в случае отключения последней или будут в ином случае заряжаться от дизельных двигателей (шаг 14).

На следующем шаге 15 обнаруживается запрос на первичную резервную мощность, например, контролем переменной первичного энергоснабжения. Если вызывается первичный резерв, будет подаваться или поглощаться уровень мощности, соответствующий разности между запросом мощности и мощностью, которую электростанция способна подавать, в зависимости от состояния средств аккумулирования энергии (шаг 16). Наоборот, на шаге 17 обнаружено перенапряжение в сети и перенапряжение во внутренней электрической сети электростанции (переменная поддержания непрерывного энергоснабжения при падении напряжения сети (low voltage ride-through, LVRT)). В случае перенапряжения в распределительной сети или во внутренней сети электростанции мощность будет поставляться вспомогательным системам, чтобы обеспечить поглощение мощности, и реактивная мощность будет поставляться в сеть в соответствии с уровнем заряда средств аккумулирования энергии (шаг 18).

При отсутствии перенапряжения будет обнаруживаться потребность в функции регулирования частоты (шаг 19), например, контролем переменной регулирования частоты. В таком случае мощность будет подаваться или поглощаться в соответствии с необходимым регулированием частоты и согласно состоянию заряда средств аккумулирования энергии (шаг 20).

Наконец, если никакое регулирование частоты не требуется, значения гармоник будут генерироваться на следующем шаге 21, и гармоники будут отфильтровываться (шаг 22). Способ затем возвращается к предыдущему шагу 10 для текущего контроля состояния электростанции.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – повышение скорости реагирования, гибкости и эксплуатационной надежности электростанций. Электрогенерирующая установка содержит средства генерации электроэнергии, которые предназначены для подключения к распределительной сети (Res), и средства (2) аккумулирования энергии. Установка содержит также контроллер (3) для управления работой средств аккумулирования энергии и подключения средств (2) аккумулирования к средствам генерации и к сети, при этом контроллер принимает информацию (I₁, I₂, I₃, I₄) от сети, средств аккумулирования энергии, средств генерации электроэнергии и от оператора электрической сети, чтобы управлять подачей энергии средствам генерации электроэнергии и ряду вспомогательных устройств установки от средств (2) аккумулирования энергии в случае прерывания в снабжении электроэнергией. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электрогенерирующая установка, содержащая средства генерации электроэнергии газотурбинного или паротурбинного типа, или средства генерации электроэнергии с комбинированным циклом, соединенные с генератором, или источники возобновляемой энергии, или комбинацию некоторых или всех упомянутых средств, которые предназначены для подключения к распределительной сети (Res), и содержащая средства (2) аккумулирования кинетической энергии и электроэнергии вместе со средствами для резервной генерации электроэнергии, отличающаяся тем, что эта установка включает также контроллер (3), выполненный с возможностью управления работой средств аккумулирования энергии и управления подключением средств (2) аккумулирования энергии к упомянутым средствам генерации и к упомянутой сети, при этом контроллер осуществляет управление средствами аккумулирования энергии для предоставления активной или реактивной мощности упомянутой сети и вспомогательным системам установки на основе принятой информации (I1, I2, I3, I4), исходящей соответственно от сети, средств аккумулирования энергии, упомянутых средств генерации электроэнергии и оператора сети.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что контроллер способен регулировать уровень первичной резервной мощности, доступной в установке, на основе энергии, имеющейся в средствах аккумулирования энергии.

3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что контроллер способен управлять подачей электроэнергии в сеть от средств (2) аккумулирования энергии в ответ на запрос оператора сети.

4. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что контроллер (3) способен участвовать в регулировании частоты в сети по запросу оператора сети и при наличии энергии в средствах аккумулирования энергии.

5. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что контроллер способен управлять подачей электроэнергии вспомогательным системам электростанции от средств (2) аккумулирования энергии в случае падения напряжения заранее заданной продолжительности.

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что там, где средства генерации электроэнергии содержат генератор, соединенный с газовой или паровой турбиной, контроллер способен после остановки средств генерации электроэнергии запускать зарядку средств аккумулирования энергии от инерции трансмиссионного вала средств генерации электроэнергии.

7. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что контроллер (3) способен регулировать уровень активной и/или реактивной мощности, поставляемой в сеть, с использованием энергии, имеющейся в средствах аккумулирования энергии.

8. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что средства аккумулирования энергии содержат комбинацию по меньшей мере одного маховика, соединенного с двигателем/генератором, и/или ряда аккумуляторных батарей.

9. Установка по п. 8, отличающаяся тем, что она содержит ряд вспомогательных источников электроэнергии, которые соединены с их связанным силовым электронным компонентом и способны поддерживать вращение раскрученного маховика.

10. Установка по п. 9, отличающаяся тем, что вспомогательные источники электроэнергии являются аккумуляторными батареями или источниками, использующими возобновляемую энергию.

11. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что средства аккумулирования энергии содержат силовые электронные компоненты для

регулирования тока, напряжения и частоты в средствах аккумулирования энергии.

12. Способ управления электрогенерирующей установкой, содержащей средства генерации электроэнергии, которые предназначены для подключения к распределительной сети (Res), и содержащей средства (2) аккумулирования электроэнергии и контроллер (3) для управления работой средств (2) аккумулирования энергии и подключением средств аккумулирования энергии к упомянутым средствам генерации и к упомянутой сети, отличающийся тем, что генерацией электроэнергии для подачи в средства аккумулирования энергии для предоставления активной или реактивной мощности сети и вспомогательным системам установки управляют с использованием средств аккумулирования энергии и в соответствии с информацией (I1, I2, I3), исходящей от сети, средств аккумулирования энергии и средств генерации электроэнергии, при этом средствами аккумулирования энергии управляют для последовательного выполнения различных функций при поддержании оптимального состояния зарядки между двумя функциями.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что уровень первичной резервной мощности, доступной в установке, регулируют на основании энергии, имеющейся в средствах аккумулирования энергии.

14. Способ по п. 12 или 13, отличающийся тем, что энергия, подаваемая в сеть средствами аккумулирования энергии, равна разности между потребностью в энергии, сообщаемой оператором распределительной сети, и энергией, подаваемой средствами генерации электроэнергии, ограниченной инерцией газовой турбины и паровой турбины.

15. Способ по п. 12 или 13, отличающийся тем, что частоту сети регулируют по запросу оператора распределительной сети с использованием энергии, имеющейся в средствах аккумулирования энергии.

16. Способ по п. 12 или 13, отличающийся тем, что там, где средства генерации электроэнергии содержат генератор, соединенный с газовой турбиной или паровой турбиной, средства аккумулирования энергии заряжают во время фазы остановки средств генерации электричества от инерции трансмиссионного вала в этих средствах генерации электроэнергии.

17. Способ по п. 12 или 13, отличающийся тем, что средства аккумулирования энергии способны поддерживать запуск установки, таким образом ограничивая дополнительную потребность в токе в сетях или агрегатах электрогенератора на случай отказа сети.

18. Способ по п. 12 или 13, отличающийся тем, что средства аккумулирования энергии способны поддерживать остановку средств генерации электричества с помощью подачи энергии вспомогательным системам средств генерации электричества.

19. Способ по п. 12 или 13, отличающийся тем, что контроллер обнаруживает/принимает информацию о падении напряжения в сети и снабжает электроэнергией вспомогательные системы электростанции от средств (2) аккумулирования энергии.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что в случае падения напряжения в сети заранее заданной продолжительности осуществляют вклад в поддержание напряжения в сети и подают электроэнергию вспомогательной системе электростанции от средств (2) аккумулирования энергии.

21. Способ по п. 12 или 13, отличающийся тем, что уровень активной и/или реактивной мощности, подаваемой в сеть, регулируют с использованием энергии, имеющейся в средствах аккумулирования энергии.