UKR  ENG

Байдак Алексей Яковлевич

Факультет: Электротехнический

Кафедра: Электрических систем

Специальность: Электрические системы и сети

Тема выпускной работы:

«Исследование методов управления перетоками мощности между сетями разных номинальных напряжений электрической системы»

Научный руководитель: Заболотный Иван Петрович

Материалы по теме выпускной работы:

• Об авторе
• Библиотека
• Список ссылок
• Отчет о поиске
• Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Введение

Энергетика является одной из основных областей общественного производства и играет ведущую роль в существовании и развитии национальной экономики. Как область производства энергетика имеет целый ряд особенностей, которые и определяют требования к управлению электроэнергетическими системами (ЭЭС). Важной задачей регулирования электрической системы является обеспечение баланса генерируемых и потребляемых мощностей при нормированном качестве электрической энергии [1].

Анализ проблем электроэнергетики на современном этапе ее развития позволяет отметить следующие факторы, влияющие на надежность электроснабжения:

1. Увеличение рисков обеспечения режимов ЭЭС в условиях работы энергорынка обуславливает необходимость принятия решения при возросшем количестве схемно-режимных ситуаций. Системы управления, которые раньше использовались в вертикально интегрированных компаниях, являются недостаточными для эффективного управления в новых условиях.
2. Наличие современных технологий, которые позволяют развивать и создавать системы управления для решения разнообразных технологических задач эксплуатации ЭЭС на качественно новом уровне.

Актуальность темы

Концепция параллельной работы ЭЭС есть доминирующей в мире, поэтому и энергетическая стратегия Украины на период до 2030 года предусматривает ряд мероприятий по обеспечению параллельной работы объединенной электроэнергетической системы (ОЭС) Украины с энергетическими объединениями стран Европы.

В решениях энергетических компаний ряда стран подчеркивается, что актуальными проблемами функционирования в условиях энергетического рынка являются:

• недостаточная пропускная способность линий электропередач, которые обеспечивают связи между отдельными ЭЭС, и в самой ЭЭС, что ограничивает возможность удовлетворения требованиям свободного рынка электроэнергии при соблюдении условий надежного энергоснабжения;
• низкая режимная управляемость электрических сетей, недостаточный объем устройств регулирования напряжения и реактивной мощности;
• неоптимальное распределение потоков мощности по параллельным линиям электропередачи разного класса напряжения, и как следствие этого – ограничение пропускной способности электрических сетей, рост потерь мощности и электроэнергии, увеличение затрат на передачу.

Указанные факторы определяют требования к системам управления для обеспечения необходимого уровня надежности работы ОЭС многих стран, в том числе и Украины.

Основными задачами управления режимов являются:

• регулирование напряжения в сетях;
• обеспечение устойчивости работы энергосистемы при разных возмущениях;
• повышение пропускной способности линий электропередачи, вплоть до предела по нагреву;
• обеспечение качества электроэнергии;
• обеспечение заданного (принудительного распределения) мощности в электрических сетях в соответствии с требованиями диспетчера [2].

Существующие устройства СТК и УПК, решают эти проблемы не в полной мере и не всегда оптимально. Основным недостатком существующих устройств является реализация скалярного принципа регулирования и относительно низкое быстродействие.

Технология управляемых гибких электропередач переменного тока (ГЛЭП) или Flexible AC Transmission Systems (FACTS), позволяет устранить недостатки традиционных устройств и обеспечить качественно новый уровень по управлению потоками мощности в электрических сетях как в нормальных, так и в переходных режимах функционирования ЭЭС.

FACTS – это ЛЭП, оснащенные современной силовой электроникой с микропроцессорными системами управления. FACTS превращает функцию электрической сети из «пассивной» в «активную» пассивные ЛЭП. Технология гибких линий основана на использовании векторного регулирования [3].

Зарубежный опыт использования FACTS позволяет сделать вывод, что возникают также проблемы, связанные с необходимостью учета взаимного влияния отдельных устройств FACTS и интегрирования их в систему противоаварийной автоматики. Выбор места установки и типа FACTS зависит также от особенностей конкретной электрической системы.

Связь работы с научными темами, планами и программами

Тема работы определена одним из направлений научных работ, проводимых на кафедре «Электрических систем» государственного высшего учебного заведения «Донецкий национальный технический университет».

Цель и задачи разработок и исследований

Цель работы

Целью работы является совершенствование методов и моделей для управления потоками мощности в замкнутых электрических сетях.

Идея работы

Идея работы заключается в устранении несоответствия между существующими методами управления потоками мощности в замкнутой электрической сети с помощью устройств, реализующих технологию ГЛЭП.

Основные задачи разработок и исследований

Для достижения поставленной цели в работе предусматривается решение следующих задач:

1. Анализ «узких мест» в Донбасской ЭЭС в обеспечении управляемости режимами.
2. Обоснование возможных направлений решения проблем, которые определены на основе проведенного анализа.
3. Развитие методов и моделей для обоснования: необходимости использования, определения места расположения и типа устройства FACTS; разработка алгоритмов управления режимами электрических сетей и моделирование режимов ЭЭС с учетом устройств.

Предмет разработок и исследований

Предметом исследования являются электрические системы с устройствами FACTS.

Объект разработок и исследований

Объектом исследования магистерской работы является режимы работы электрической системы.

Методика и методы исследований

Для решения поставленных задач использовались: методы математического моделирования, численного решения нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений для расчетов установившихся и переходных режимов работы электрических систем.

Научная новизна

Научная новизна заключается в усовершенствовании методов и моделей управления режимами электрических систем при внедрении технологии гибких линий.

Научную новизну работы составляют следующие результаты и положения:

• усовершенствована математическая модель обобщенного устройства FACTS, что позволяет определить чувствительность режима работы объекта к типу устройства (функциональная эффективность);
• усовершенствован метод определения места установки устройства на основе объединения методов оценок неоднородности сети и влияния возмущений в узлах на потоки мощностей в ветвях, предложенных в работах Винницкого национального технического университета.

Практическое значение ожидаемых результатов

В ходе выполнения магистерской работы, планируется получить следующие результаты:

1. Разработка алгоритма для выявления степени неоднородности ЭЭС и его программная реализация.
2. Выявление «узких мест», связанных с ограниченными возможностями параллельной работы ЭЭС на основе разработанного программного обеспечения.
3. Оценка эффективности установки различных устройств FACTS в Донбасской ЭЭС.

Апробация работы

Некоторые положения по необходимости внедрения и использования устройств FACTS в ЭЭС были рассмотрены на XV всеукраинской студенческой научно-технической конференции «Электротехнические и электромеханические системы» (Севастополь, СевНТУ – 2010).

Обзор исследований и разработок по теме

В зарубежных энергосистемах технология ГЛЭП интенсивно внедряется в последние 10-15 лет. И имеется значительный опыт ее эксплуатации. В ЭЭС Украины процесс использования технологии ГЛЭП только начался.

На кафедре «Электрических систем» Донецкого национального технического университета выполнены следующие магистерские работы:

1. Работа Пивня К. С. «Разработка программного обеспечения для автоматизации управления потокораспределения в замкнутых электрических сетях на основе кросс-технологий», в которой представлены основные моменты по регулированию потоков мощности на основе кросс-трансформаторов, а также рассмотрены основные устройства, относящиеся к категории FACTS.
2. Работа Маслова С. И. «Усовершенствование подсистемы модельной поддержки принятия решений персоналом электроэнергетических объектов». В работе представлен алгоритм определения места установки устройств FACTS, а также была смоделирована модель ЭЭС в MathCAD на основе многополюсников.

Различные аспекты внедрения технологии ГЛЭП рассматривались в работах научно-исследовательских институтов и ВУЗов Украины.

В работах сотрудников Винницкого национального технического университета: профессора Лежнюка П. Д., доцента Кулика В. В. и других разработаны методы выявления неоднородности ЭЭС и устранение последствий [4, 5, 6].

В работах Института электродинамики НАН Украины Стогния Б. С., Буткевича А. Ф., Павловского В. В. рассматривается применение ГЛЭП для решения вопросов увеличения пропускной способности слабых сечений энергосистем и обеспечения устойчивости [7, 8, 2].

Значительное число работ по проблемам использования FACTS выполняется учеными зарубежных стран. Можно отметить имеющиеся различия в подходах по регулированию потоков мощности в ЛЭП разного класса номинального напряжения в России и странах Европы, США, Азии. В энергосистемах России для этих целей используются также кросс-технологии [9] и АГ (асинхронизированные генераторы).

Значительная часть исследований выполняется с помощью математического моделирования. Только незначительная часть исследований выполняется экспериментальным путем.

Все программные пакеты можно разделить на 2 группы:

• для инженера-исследователя;
• специализированные пакеты для анализов режимов электрических систем.

Первая группа реализует универсальный подход. Использование MATLAB позволяет выполнить значительную часть исследований, связанных с внедрением технологии ГЛЭП в конкретные электрические системы, а также проводить исследования по совершенствованию законов управления, оптимизации мест установки устройств, создание новых видов устройств.

Пакет MATLAB содержит в библиотеке SimPowerSystems элементы основных устройств FACTS (СТАТКОМ(STATCOM), ССПК(SSSC), СТК(SVC), ТУПК(TCSC), ОРПМ(UPFC)), что позволяет выполнять исследования по указанной проблеме. Известны также разработки, выполненные в других пакетах, где на основе математических моделей устройств созданы модули для их реализации.

Вторая группа представляет собой специализированные пакеты, которые используются на электроэнергетических объектах. Программный продукт PowerFactory позволяет выполнить расчет, моделирование и координацию устройств FACTS, а также с помощью встроенных средств программирования возможна реализация анализа пропускной способности ЛЭП. Пакет обладает несколькими критериями оптимизации режимов: минимизации потерь; минимизация перетоков мощности; оптимизация мест установки компенсирующих устройств; оптимальное расширение системы.

Основное содержание работы

Во вступлении сформулировано научно-техническое задание и обоснована актуальность темы. Определена цель и задачи исследований, изложена научная новизна и возможное практическое значение полученных результатов, представлена общая характеристика работы.

В первом разделе дана характеристика проблемы управления режимами электрических систем в современных условиях и определен ее состав. Показано, что для устранения несоответствий между экономическими отношениями и надежностью режимов работы электрических систем необходимо усовершенствование методов управления.

Во втором разделе развивается классификация устройств FACTS, а также приведены схемы замещения основных устройств.

К устройствам FACTS первого поколения (FACTS-1) относятся устройства, обеспечивающие регулирование напряжения (реактивной мощности) и обеспечивающие требуемую степень компенсации реактивной мощности в электрических сетях (статический компенсатор реактивной мощности (СТК), реактор с тиристорным управлением, стационарный последовательный конденсатор с тиристорным управлением, фазосдвигающий трансформатор и др.).

К FACTS второго поколения (FACTS-2) относятся устройства, обеспечивающие регулирование режимных параметров на базе полностью управляемых приборов силовой электроники (IGBT-транзисторы, IGCT-тиристоры и др.). FACTS-2 обладают новым качеством регулирования – векторным, когда регулируется не только величина, но и фаза вектора напряжения электрической сети (синхронный статический компенсатор (СТАТКОМ), синхронный статический продольный компенсатор реактивной мощности на базе преобразователя напряжения (ССПК), объединённый регулятор потоков мощности (ОРПМ), ВПТН, ФПУ, асинхронизированный синхронный компенсатор в том числе с маховиком (АСК), асинхронизированный синхронный электромеханический преобразователь частоты (АС ЭМПЧ), фазовращающий трансформатор(ВФТ).

По принципу работы все устройства FACTS делятся на статические и электромашинные системы.

К статическим относятся:

• управляемые шунтирующие реакторы (УШР), реализованные по принципу магнитного усилителя (УШРП) или трансформаторного типа (УШРТ или реактор-трансформатор) с тиристорным управлением;
• реакторы, коммутируемые вакуумными выключателями (ВРГ);
• статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности (СТК), состоящие из одной или нескольких тиристорно-реакторной групп и набора фильтро-компенсирующих цепей;
• синхронные статические компенсаторы реактивной мощности типа СТАТКОМ на базе преобразователя напряжения с параллельным подключением к сети;
• синхронные статические продольные компенсаторы реактивной мощности на базе преобразователя напряжения (ССПК);
• объединенный регулятор перетока мощности на основе преобразователей напряжения параллельного и последовательного включения, объединённых по цепям постоянного тока (ОРПМ);
• управляемые тиристорами устройства продольной емкостной компенсации (УУПК);
• управляемые фазоповоротные устройства (ФПУ) на базе фазосдвигающих трансформаторов с тиристорным управлением или РПН;
• вставки постоянного тока на базе преобразователей напряжения (ВПТН);
• токоограничивающие устройства на основе технологии FACTS (для ограничения токов короткого замыкания).

Группу электромашинных систем образуют:

• асинхронизированные синхронные компенсаторы (АСК);
• асинхронизированные электромашинные преобразователи частоты (АС ЭМПЧ) на основе двух асинхронизированных машин (АСМ) на одном валу либо на основе асинхронизированной (АСМ) и синхронной машин (СМ) на одном валу;
• фазовращающийся трансформатор – вращающаяся машина с питанием статора и ротора от сетей с различной частотой с дополнительным двигателем на валу (ВФТ) [10].

На рисунке 1 представлены схемы замещения некоторых устройств FACTS:

Рисунок 1 – Схемы замещения основных устройств FACTS: СТАТКОМ (STATCOM), ССПК (SSSC) и ОРПМ (UPFC).

(Анимация: размер – 81,4 КБ; количество кадров – 9; задержка между кадрами – 0,8 с; количество циклов повторения – 5)

В третьем разделе описывается причина отказа от традиционных схем замещения и представление параметров всех элементов электрической системы в унифицированном виде, что позволяет обеспечить программное управление адаптацией модели элемента к текущему состоянию, которое определяется схемно-режимной ситуацией. В расчетах применяются решетчатые схемы замещения многопроводных систем.

Наличие электромагнитных связей между отдельными проводами элементов электрических систем приводит к существенным трудностям в их моделировании. Корректный учет этих связей позволяет моделировать любые многопроводные объекты, например, линии электропередачи и многообмоточные трансформаторы различного конструктивного исполнения. В основу метода моделирования положены полносвязные решетчатые схемы замещения из RLC-элементов, что позволяет использовать разработанные алгоритмы расчета режимов электрических систем, широко применяемые в однолинейной постановке.

Трансформаторы и линии электропередачи представляют собой многопроводные элементы с взаимными электромагнитными связями между проводами, для которых возможен обобщенный подход к моделированию. Если вынести соединения проводов за пределы рассматриваемого элемента, то линии и трансформаторы будут отличаться друг от друга только характером взаимоиндуктивной связи проводов. Характер взаимоиндуктивных связей трансформатора определяется его сердечником, но этот фактор влияет только на специфику расчета сопротивления взаимоиндуктивной связи. Для линий требуется учет емкостной связи проводов, что для большинства практически важных случаев можно сделать обычным образом, вводя собственные и взаимные емкости проводов в П-образной схеме замещения после составления решетчатой схемы замещения.

Подобный подход дает возможность достаточно простого способа моделирования линий и трансформаторов для синусоидальных процессов. При этом получение модели линии или трансформатора осуществляется в три этапа:

1. Формирование схемы замещения для набора проводов, гальванически не связанных друг с другом.
2. Соединение проводов на полученной схеме замещения с получением модели элемента; при этом осуществляется параллельное соединение ветвей и образование шунтов при заземлении некоторых узлов.
3. Объединение отдельных моделей в расчетную схему электрической сети [11, 12].

В четвертом разделе на основе алгоритма определения меры неоднородности ЭЭС будет определяться место, в котором наиболее целесообразна установка устройства FACTS. В качестве исследуемой электрической сети принимается участок Донбасской ЭЭС напряжением 750/330 кВ.

В пятом разделе выполнится расчет параметров системы с учетом установленного оборудования в среде MathCAD и моделирование электрической сети в программе MATLAB. Будет проведен анализ полученных результатов.

Выводы

На основании результатов, полученных при моделировании Донбасской ЭЭС, предусматривается формирование рекомендаций к установке устройства FACTS в электрической системе.

Список используемой литературы

1. Идельчик В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов./ В. И. Идельчик – М.: Энергоатомиздат, 1989 – 592 с.
2. Павловский В. В. Аналіз та методи управління режимами електричних систем з гнучкими передачами змінним струмом. Автореферат диссертации. / В. В. Павловский – К.: Институт электродинамики НАН Украины, 2010 – 36 с.
3. Ситников В. Ф. Совершенствование методов и средств управления режимами электроэнергетических систем на основе элементов гибких электропередач (FACTS). Автореферат диссертации. / В. Ф. Ситников – Иваново. Ивановский ГЭУ, 2009 – 34 с.
4. Кулик В. В. Розробка засобів аналізу і компенсації впливу неоднорідності електроенергетичної системи на оптимальність її режимів. Автореферат диссертации. / В. В. Кулик – Винница, ВГТУ, 2001 – 18 с.
5. Лежнюк П. Д., Кулик В. В. Оптимальне керування потоками потужності і напругою в неоднорідних електричних мережах. Монография. / П. Д. Лежнюк , В. В. Кулик – Винница, ВГТУ, 2001 – 188 с.
6. Лежнюк П. Д. Зменшення неоднорідності ЕЕС з урахуванням параметричної чутливості. // П. Д. Лежнюк, Е. А. Карпов, Н. В. Остра – Вестник ВПИ, 2004, №6 – стр. 43-47.
7. Стогний Б.С. Підвищення пропускної здатності «слабких» перетинів енергосистем з використанням технології гнучкої передачі змінним струмом (ГПЗС, FACTS) // Б.С. Стогний, О.В. Кириленко, В.В. Павловский, А.В. Левконюк – Техн. електродинаміка. 2009, N 2. – стр. 63-68.
8. Буткевич А. Ф. Запаси статичної стійкості та пропускна спроможність контрольованих перетинів енергосистем – деякі ретроспекції та сьогодення. // А. Ф. Буткевич – Сборник научных работ института электродинамики НАН Украины. №18, 2007 – стр. 3-12.
9. Ольшванг М.В. Извлечение избыточной энергии из развитой высоковольтной сети: способ, средства и технология // М.В. Ольшванг – «Электротехника 2010 год», N 1.18, Москва, ВЭИ. 1999.
10. Методика оценки технико-экономической эффективности применения устройств FACTS в ЕНЭС России / Открытое акционерное общество «Научно-технический центр электроэнергетики», Открытое акционерное общество «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт по проектированию энергетических систем и электрических сетей». – М. «Приложение к распоряжению ОАО «ФСК ЕЭС» от 22.01.2009 № 22р», 2009 – 31 с.
11. Беляков Ю.С. Расчет режимов электрических систем, представленных многополюсниками. / Ю.С. Беляков – М.: «Спутник», 2008 – 125 с.
12. Закарюкин В. П., Крюков А. В. Сложносимметричные режимы электрических систем. / В. П. Закарюкин, А. В. Крюков – Иркутск, ИГУ, 2005 – 274 с.

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательный вариант работы можно получить у автора или научного руководителя после декабря 2010 года.

ДонНТУ     Портал магистров ДонНТУ