Способ управления режимом параллельной работы синхронных генераторов в электрических сетях Российский патент 2021 года по МПК H02J3/38 

ИЗОБРЕТЕНИЕ ОТНОСИТСЯ к области электроэнергетики и может быть использовано в электроэнергетических системах, электрических сетях при параллельной работе синхронных генераторов локальных систем энергоснабжения (ЛСЭ) и мощной внешней электрической сети для обеспечения сбалансированного отделения ЛСЭ при нарушениях нормального режима внешней электрической сети и участия синхронных генераторов ЛСЭ в общем первичном регулировании частоты при параллельной работе с внешней электрической сетью.

ИЗВЕСТЕН СПОСОБ ПРОТИВОАВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ (СТО 59012820.29.240.001-2011 Стандарт организации (ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «СИСТЕМНЫЙ ОПЕРАТОР ЕДИНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ». Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Противоаварийная автоматика энергосистем. Условия организации процесса. Условия создания объекта. Нормы и требования. Издание официальное. С. 19-23) при котором, при возникновении аварийных небалансов мощности для предотвращения нарушений устойчивости с возникновением асинхронных режимов, снижают электропотребление в дефицитной части сети, как правило, путем отключения нагрузки, и генерации в избыточной части сети, как правило, путем отключения части генераторов или импульсной разгрузки турбин. После затухания переходного электромеханического процесса восстанавливают электроснабжение отключенных потребителей и нормальный режим сети.

ОДНАКО УКАЗАННЫЙ СПОСОБ обладает следующими недостатками:

• При сильной связи между частями сети на валах роторов генераторов части сети малой мощности в динамическом процессе возникают недопустимые моменты, многократно превышающие их номинальные значения и способные повредить энергоблоки.

• При возникновении коротких замыканий в электрической сети параллельная работа частей сети малой и большой мощности приводит к значительному увеличению отключаемых токов короткого замыкания в части электрической сети малой мощности, что повышает требования к ее коммутационным аппаратам.

КРОМЕ ТОГО, ИЗВЕСТЕН СПОСОБ ПРОТИВОАВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ (СТО 59012820.29.240.001-2011 Стандарт организации (ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «СИСТЕМНЫЙ ОПЕРАТОР ЕДИНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ»). Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Противоаварийная автоматика энергосистем. Условия организации процесса. Условия создания объекта. Нормы и требования. Издание официальное. С. 17-18), при котором при возникновении аварийных небалансов мощности для предотвращения нарушений устойчивости с возникновением асинхронных режимов, в доаварийном режиме определяют сечение сети для деления из числа технологически возможных по критерию минимального небаланса мощности в подсистемах. При возникновении аварийного возмущения осуществляют деление сети по заранее определенному сечению путем отключения входящих в него выключателей. При возникновении в отделившихся частях существенных небалансов мощности балансируют отделившиеся части путем отключения нагрузки в дефицитной части сети, импульсной разгрузки турбин или отключения части генераторов в избыточной части сети. После восстановления условий для синхронизации разделенных частей, включают отключенные связи, восстанавливают электроснабжение отключенных потребителей и нормальный режим сети.

ОДНАКО УКАЗАННЫЙ СПОСОБ обладает следующими недостатками:

• Деление сети происходит после отключения короткого замыкания, что за счет подпитки места короткого замыкания в ЛСЭ от мощной внешней электрической сети приводит к значительному увеличению отключаемых токов короткого замыкания.

• Часто возникает недопустимый динамический момент на валах генераторов ЛСЭ из-за значительного относительного выбега роторов их генераторов при коротких замыканиях и попадания на максимум угловой характеристики мощности при отключении короткого замыкания.

• Ограниченный набор возможных сечений для деления не позволяет достаточно точно сбалансировать разделяемые части сети, что приводит к отключению нагрузок, генераторов для ограничения недопустимого снижения или повышения частоты.

• Необходим значительный объем телеметрической информации и технологических возможностей деления сети по переменным сечениям, т.к. нужное сечение носит случайный характер, что усложняет управление и снижает его надежность.

• Затруднено восстановление нормального режима сети, т.к. синхронизация разделенных частей в неподготовленном для этого сечении невозможна.

ТАКЖЕ ИЗВЕСТЕН СПОСОБ ПРОТИВОАВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ (патент №2662728, «Способ противоаварийного управления режимом параллельной работы синхронных генераторов в электрических сетях»), ЯВЛЯЮЩИЙСЯ ПРОТОТИПОМ ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ, при котором фиксируют два постоянных сечения для деления на случай возникновения аварийных небалансов, первое для нормальных режимов с выдачей мощности генераторами ЛСЭ, второе с потреблением мощности ЛСЭ из внешней сети. В нормальном режиме с выдачей мощности один или несколько генераторов ЛСЭ загружают до величины выдаваемой мощности по первому сечению. По факту внезапного глубокого снижения напряжения с опережением отключения короткого замыкания отключают выключатели первого сечения и генераторов ЛСЭ, загруженных до величины выдаваемой мощности по первому сечению. В нормальном режиме потребления мощности ЛСЭ, загружают ее генераторы до нулевого перетока активной мощности по второму сечению. По факту внезапного глубокого снижения напряжения с опережением отключения короткого замыкания отключают выключатели второго сечения. Регулируют напряжение и выдаваемую мощность оставшихся генераторов для выполнения условий точной синхронизации ЛСЭ и внешней электрической сети по использованному для деления сечению и включают его включатели для восстановления параллельной работы ЛСЭ с внешней электрической сетью. Восстанавливают нормальный режим сети включением всех отключенных генераторов и с их соответствующей загрузкой.

ОДНАКО УКАЗАННЫЙ СПОСОБ обладает следующими недостатками:

• Способ применим только в случае возникновения близких коротких замыканий в электрической сети и не применим в случае других нарушений нормальных режимов, например, отключении линии электропередачи внешней электрической сети, к которой подключена ЛСЭ, при удаленных КЗ или по любым другим причинам. Снижение напряжения в контролируемом узле сети при этом может быть незначительным, либо отсутствовать вовсе, что делает невозможным действие способа с выделением ЛСЭ в островной режим без части внешней электрической сети, приводит к подпитке отключенной линии электропередачи, удаленного КЗ, а, в случае разземленных нейтралей трансформаторов отключенной линии напряжением ПО кВ или выше, при подпитке со стороны работающих генераторов ЛСЭ возникает режим изолированной нейтрали части сети 110 кВ или выше, что является недопустимым (Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей, утвержденных Приказом Минэнерго России от 13 января 2003 г. N 6.).

• Способ не обеспечивает выполнение требования к участию генераторов ЛСЭ в обязательном общем первичном регулировании частоты в режиме параллельной работы с внешней электрической сетью (ГОСТ Р 55890-2013 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Регулирование частоты и перетоков активной мощности. Нормы и требования (с Изменением N 1).

• Регулирование частоты и выдаваемой ЛСЭ во внешнюю электрическую сеть мощности без зоны нечувствительности создает переменный режим выдачи мощности генераторами ЛСЭ, что снижает их КПД и эксплуатационный ресурс.

ЗАДАЧЕЙ (ТЕХНИЧЕСКИМ РЕЗУЛЬТАТОМ) ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ сбалансированное отделение ЛСЭ от внешней электрической сети, как при близких коротких замыканиях, так и при выделениях части внешней электрической сети с подпиткой от генераторов ЛСЭ без коротких замыканий, участие генераторов ЛСЭ в общем первичном регулировании частоты внешней электрической сети в режиме параллельной работы, повышение КПД генераторов ЛСЭ и их эксплуатационного ресурса.

ПОСТАВЛЕННАЯ ЗАДАЧА РЕШАЕТСЯ ЗА СЧЕТ ТОГО, ЧТО В ИЗВЕСТНОМ СПОСОБЕ фиксируют два постоянных сечения для деления на случай возникновения аварийных небалансов, первое для нормальных режимов с выдачей мощности генераторами ЛСЭ во внешнюю электрическую сеть, второе с потреблением мощности ЛСЭ из внешней сети, в нормальном режиме с выдачей мощности один или несколько генераторов ЛСЭ загружают до величины выдаваемой мощности по первому сечению и по факту внезапного глубокого снижения напряжения с опережением отключения короткого замыкания отключают выключатели первого сечения и генераторов ЛСЭ, загруженных до величины выдаваемой мощности по первому сечению, в нормальном режиме потребления мощности ЛСЭ из внешней сети, загружают ее генераторы до нулевого перетока активной мощности по второму сечению и по факту внезапного глубокого снижения напряжения с опережением отключения короткого замыкания отключают выключатели второго сечения, переводя ЛСЭ в режим автономной работы, а при восстановлении нормального режима во внешней электрической сети синхронизируют генераторы ЛСЭ с ней и восстанавливают нормальный режим параллельной работы ЛСЭ с сетью, при этом при отключении ЛСЭ от внешней электрической сети с переходом в автономный режим уменьшают зону нечувствительности и статизм регуляторов частоты, а сбалансированное отделение ЛСЭ от внешней электрической сети производят и без глубокого снижения напряжения при выходе частоты за установленные границы. После включения ЛСЭ на параллельную работу с внешней электрической сетью коэффициенты статизма и зоны нечувствительности регулирования частоты регуляторов частоты генераторов ЛСЭ изменяют на требуемые для режима параллельной работы с максимальной допустимой зоной нечувствительности. Таким образом выполняется управление уставками регулирования частоты синхронными генераторами, работающих параллельно с электрической сетью, а сбалансированное отделение ЛСЭ от внешней электрической сети производится, как при снижении напряжения в контролируемом узле, так и при отклонениях частоты более уставок допустимого снижения и повышения частоты.

На ФИГ. 1 приведена принципиальная схема ЛСЭ, подключенной к электропередаче 110 кВ мощной внешней электрической сети.

На ФИГ. 2 представлена структура системы управления режимом параллельной работы ЛСЭ с внешней электрической сетью.

На ФИГ. 3 представлены характеристики регуляторов частоты синхронных генераторов ЛСЭ.

На ФИГ.4 качественно представлен переходный процесс, соответствующий предлагаемому способу управления.

Фиг. 1 содержит: внешняя энергосистема большой мощности (1), к которой подключена Локальная система электроснабжения (ЛСЭ) (2), которая состоит из: синхронных генераторов (3,4), подключенных к шине генераторного распределительного устройства (ГРУ) (28) через выключатели (21) и (22); распределительного пункта (РП) с шиной распределительного устройства (27); нагрузок, подключенных к выключателям (18, 20, 15, 17). РП соединен с ГРУ линией электропередачи (25). ЛСЭ (2) подключена к энергосистеме большой мощности (1) через подстанцию внешней электрической сети (5), которая соединена с РП линией электропередачи (24) через выключатели (12) и (14). Подстанция внешней электрической сети (5) состоит из повышающего трансформатора (6), выключателей (9, 10, 11, 13) и шины распределительного устройства (26). Нагрузки подключены к выключателям (11) и (13). Связь внешней энергосистемы большой мощности (1) с подстанцией внешней электрической сети осуществляется через линию электропередач (23), защищенную выключателями (7) и (8). Точка измерения напряжения и частоты обозначена цифрой (29).

Фиг. 2 содержит блок измерения (30), блок управления (31) и регулятор частоты (32). На блок измерения (30) поступают значение напряжения (33) с трансформатора напряжения, подключенного к точке (29) на Фиг. 1 и значение напряжения (34) с трансформатора напряжения, подключенного к шинам (27) на Фиг. 1. Блок измерения (30) выдает значения: частота (35) в точке (29) Фиг. 1; частота (36) на шинах (27) Фиг. 1; модуль напряжения (37) в точке (29) Фиг. 1; модуль напряжения (38) на шинах (27) Фиг. 1; разница фаз напряжения (39) в точке (29) и напряжения шин (27) Фиг. 1. Блок управления (31) выдает следующие сигналы регулятору частоты (32): сигналы изменения зоны нечувствительности и статизма (40) и сигнал (43) на отключение выключателей (14) или (16) Фиг. 1 при отделении ЛСЭ от энергосистемы большой мощности (1) Фиг. 1; сигнал (44) на включение выключателей (14) или (16) при синхронизации ЛСЭ с энергосистемой большой мощности Фиг. 1. Регулятор частоты (32) выдает сигналы (41) управления мощностью первичного двигателя согласно характеристике (1) или (42) управления мощностью первичного двигателя по характеристике (2) Фиг. 3.

Фиг. 3 содержит характеристики регулирования частоты первичными двигателями синхронных генераторов ЛСЭ для режима параллельной работы ЛСЭ с внешней электрической сетью (2) и при автономной работе (1). На фигуре приняты обозначения: Р - активная мощность генератора, Pmax, Pmin - диапазон регулирования мощности генератора, f - частота на шинах генератора, f₀ - номинальная частота сети, - границы зоны нечувствительности характеристики регулятора частоты для режима параллельной работы, границы зоны нечувствительности характеристики регулятора частоты для автономного режима ЛСЭ.

Фиг. 4 содержит идеализированные графики: перетока активной мощности (1) по сечению (Выключатель 14, Фиг. 1), изменения активной мощности нагрузки ЛСЭ (2), представленного периодической функцией, изменения активной мощности генераторов ЛСЭ в результате действия регуляторов частоты генераторов ЛСЭ (3), изменения частоты на шинах генераторов ЛСЭ под воздействием изменений нагрузки и действия регуляторов частоты (4). Римскими цифрами I-IV обозначены 4 этапа процесса: I - работа в автономном режиме, II - работа в параллельном режиме, III - работа в островном режиме после отделения ЛСЭ с питающей линией внешней электрической сети без короткого замыкания, IV - работа в автономном режиме после отделения ЛСЭ от внешней сети системой управления режимом параллельной работы ЛСЭ с внешней электрической сетью.

СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ:

В ЛСЭ фиксируют два постоянных сечения для деления на случай возникновения аварийных небалансов, первое для нормальных режимов с выдачей мощности генераторами ЛСЭ (14, Фиг. 1), второе с потреблением мощности ЛСЭ из внешней сети (16, Фиг. 1).

В режиме автономной работы для ограничения отклонений и колебаний частоты переводят регуляторы скорости генераторов ЛСЭ (3, 4) Фиг. 1 в режим регулирования с параметрами характеристики (1) Фиг. 3 (Как правило, статизм 2-3%, зона нечувствительности 0-10 мГц). После включения на параллельную работу ЛСЭ с внешней электрической сетью для стабилизации выдачи мощности генераторами ЛСЭ переводят регуляторы скорости генераторов ЛСЭ (3, 4) Фиг. 1 в режим регулирования с параметрами характеристики (2) Фиг. 3 (Для обязательного участия в НПРЧ регламентируется 4 6%, зона нечувствительности менее 150 мГц). При изменении параметров регулирования частоты в соответствие с характеристикой 2, Фиг. З генераторы ЛСЭ начинают работать с постоянной мощностью (3, Фиг. 4), что позволяет полнее использовать их располагаемую мощность для выработки электроэнергии, а отсутствие колебаний мощности продлевает ресурс энергоблоков в целом.

Стабильность частоты во внешней электрической сети большой мощности (например, в ЕЭС России частота удерживается преимущественно в диапазоне 50 +/- 20 мГц), расширенная зона нечувствительности и увеличенный статизм регулирования минимизируют участие генераторов ЛСЭ в компенсации возникающих при изменениях нагрузки (2, фиг. 3) ЛСЭ небалансах, которые компенсируются за счет изменений перетока в сечении с внешней электрической сетью (1, Фиг. 4, этап процесса II).

В нормальном режиме параллельной работы с выдачей мощности один генератор ЛСЭ (Например, 4, Фиг. 1) загружают до величины средней выдаваемой мощности по первому сечению.

По факту внезапного глубокого снижения напряжения с опережением отключения короткого замыкания отключают выключатель первого сечения (12, Фиг. 1) и генератор (4, Фиг. 1) ЛСЭ, а также генератор (4), загруженный до величины выдаваемой мощности по первому сечению.

В нормальном режиме потребления мощности ЛСЭ, загружают ее генераторы до нулевого перетока активной мощности по второму сечению (16) Фиг. 1.

При любом отключении ЛСЭ от внешней электрической сети с переходом в автономный режим уменьшают зону нечувствительности и статизм регуляторов частоты согласно характеристике (1, Фиг. 3).

Сбалансированное отделение ЛСЭ от внешней электрической сети производят и без глубокого снижения напряжения при выходе частоты за установленные границы (Например, 50 +/- 200 мГц). Такое отделение необходимо для отключения ЛСЭ от пассивной части внешней электрической сети, отделившейся от нее по разным причинам.

При отделении ЛСЭ от внешней электрической сети с ее пассивной частью система управления ЛСЭ отключит выключатель сечения (14 или 16) при выходе частоты за установленные границы (50 +/- 200 мГц) и переключит регуляторы скорости ЛСЭ на работу с параметрами характеристики (1, Фиг. 3). Выход частоты за установленные границы произойдет из-за широкой зоны нечувствительности и большого статизма регуляторов скорости генераторов ЛСЭ, либо вследствие возникшего при отделении ЛСЭ небаланса активной мощности, либо при изменениях нагрузки ЛСЭ, т.к. частота начинает изменяться в большом диапазоне (4, этап процесса III). В результате восстановится нормальный режим автономной работы ЛСЭ с удержанием частоты в допустимых пределах регуляторами частоты.

ТАКИМ ОБРАЗОМ, в отличие от прототипа, в предлагаемом способе сбалансированное отделение ЛСЭ (5) от внешней энергосистемы большой мощности (1) производится, как при глубоком снижении контролируемого напряжения, так и при выходе параметров частоты за уставки, а при переходах из автономного режима ЛСЭ к ее параллельной работе с внешней энергосистемой большой мощности (1) и обратном переходе, изменяются зона нечувствительности и статизм регулирования частоты регуляторов, что обеспечивает надежное выделение в островной режим работы ЛСЭ при любых нарушениях нормального режима, включая отсутствие короткого замыкания на линии высокого напряжения, к которой подключена ЛСЭ, обеспечивает участие генераторов ЛСЭ в общем первичном регулировании частоты в режиме параллельной работы с внешней электрической энергосистемой; обеспечивает экономически эффективное использование генераторов при параллельной работе с внешней энергосистемой.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – обеспечение сбалансированного отделения локальных систем энергоснабжения (ЛСЭ) от внешней электрической сети как при близких коротких замыканиях, так и при выделениях части внешней электрической сети с подпиткой от генераторов ЛСЭ без коротких замыканий, участие генераторов ЛСЭ в общем первичном регулировании частоты внешней электрической сети в режиме параллельной работы, повышение КПД генераторов ЛСЭ и их эксплуатационного ресурса. Способ управления режимом параллельной работы синхронных генераторов в электрических сетях заключается в том, что фиксируют два постоянных сечения для деления на случай возникновения аварийных небалансов: первое для нормальных режимов с выдачей мощности генераторами ЛСЭ во внешнюю электрическую сеть, второе с потреблением мощности ЛСЭ из внешней сети. В нормальном режиме с выдачей мощности один или несколько генераторов ЛСЭ загружают до величины выдаваемой мощности по первому сечению и по факту внезапного глубокого снижения напряжения с опережением отключения короткого замыкания отключают выключатели первого сечения и генераторов ЛСЭ, загруженных до величины выдаваемой мощности по первому сечению, в нормальном режиме потребления мощности ЛСЭ из внешней сети, загружают ее генераторы до нулевого перетока активной мощности по второму сечению и по факту внезапного глубокого снижения напряжения с опережением отключения короткого замыкания отключают выключатели второго сечения, переводя ЛСЭ в режим автономной работы, а при восстановлении нормального режима во внешней электрической сети синхронизируют генераторы ЛСЭ с ней и восстанавливают нормальный режим параллельной работы ЛСЭ с сетью. При отключении ЛСЭ от внешней электрической сети с переходом в автономный режим уменьшают зону нечувствительности и статизм регуляторов частоты, а сбалансированное отделение ЛСЭ от внешней электрической сети производят и без глубокого снижения напряжения при выходе частоты за установленные границы, после включения ЛСЭ на параллельную работу с внешней электрической сетью коэффициенты статизма и зоны нечувствительности регулирования частоты регуляторов частоты генераторов ЛСЭ изменяют на требуемые для режима параллельной работы с максимальной допустимой зоной нечувствительности. 4 ил.

Способ управления режимом параллельной работы синхронных генераторов в электрических сетях, заключающийся в том, что фиксируют два постоянных сечения для деления на случай возникновения аварийных небалансов: первое для нормальных режимов с выдачей мощности генераторами локальной системы электроснабжения (ЛСЭ) во внешнюю электрическую сеть, второе с потреблением мощности ЛСЭ из внешней сети, в нормальном режиме с выдачей мощности один или несколько генераторов ЛСЭ загружают до величины выдаваемой мощности по первому сечению и по факту внезапного глубокого снижения напряжения с опережением отключения короткого замыкания отключают выключатели первого сечения и генераторов ЛСЭ, загруженных до величины выдаваемой мощности по первому сечению, в нормальном режиме потребления мощности ЛСЭ из внешней сети, загружают ее генераторы до нулевого перетока активной мощности по второму сечению и по факту внезапного глубокого снижения напряжения с опережением отключения короткого замыкания отключают выключатели второго сечения, переводя ЛСЭ в режим автономной работы, а при восстановлении нормального режима во внешней электрической сети синхронизируют генераторы ЛСЭ с ней и восстанавливают нормальный режим параллельной работы ЛСЭ с сетью, отличающийся тем, что при отключении ЛСЭ от внешней электрической сети с переходом в автономный режим уменьшают зону нечувствительности и статизм регуляторов частоты, а сбалансированное отделение ЛСЭ от внешней электрической сети производят без глубокого снижения напряжения при выходе частоты за установленные границы, после включения ЛСЭ на параллельную работу с внешней электрической сетью коэффициенты статизма и зоны нечувствительности регулирования частоты регуляторов частоты генераторов ЛСЭ изменяют на требуемые для режима параллельной работы с максимальной допустимой зоной нечувствительности.