RUS  ENG

Байдак Олексій Якович

Факультет: Електротехнічний

Кафедра: Електричні системи

Спеціальність: Електричні системи і мережі

Тема випускної роботи:

«Дослiдження методiв керування перетiканнями потужностi мiж мережами рiзної номiнальної напруги електричної системи»

Науковий керівник: Заболотний Іван Петрович

Матеріали до теми випускної роботи:

• Про автора

Реферат за темою випусконої роботи

Вступ

Енергетика є однією з основних областей суспільного виробництва і відіграє провідну роль в існуванні та розвитку національної економіки. Як галузь виробництва енергетика має цілий ряд особливостей, які і визначають вимоги до управління електроенергетичними системами (ЕЕС). Важливим завданням регулювання електричної системи є забезпечення балансу потужностей, що генеруються та споживаються при нормованому якості електричної енергії [1].

Аналіз проблем електроенергетики на сучасному етапі її розвитку дозволяє відзначити наступні фактори, що впливають на надійність електропостачання:

1. Збільшення ризиків забезпечення режимів ЕЕС в умовах роботи енергоринку обумовлює необхідність прийняття рішення при збільшеній кількості схемно-режимних ситуацій. Системи управління, які раніше використовувалися у вертикально інтегрованих компаніях, є недостатніми для ефективного управління в нових умовах.
2. Наявність сучасних технологій, які дозволяють розвивати і створювати системи управління для вирішення різноманітних технологічних задач експлуатації ЕЕС на якісно новому рівні.

Актуальність теми

Концепція паралельної роботи ЕЕС є домінуючою в світі, тому й енергетична стратегія України на період до 2030 року передбачає ряд заходів щодо забезпечення паралельної роботи об'єднаної електроенергетичної системи (ОЕС) України з енергетичними об'єднаннями країн Європи.

У рішеннях енергетичних компаній ряду країн підкреслюється, що актуальними проблемами функціонування в умовах енергетичного ринку є:

• недостатня пропускна спроможність ліній електропередач, які забезпечують зв'язки між окремими ЕЕС, і в самій ЕЕС, що обмежує можливість задоволення вимогам вільного ринку електроенергії при дотриманні умов надійного енергопостачання;
• низька режимна керованість електричних мереж, недостатній обсяг пристроїв регулювання напруги і реактивної потужності;
• неоптимальний розподіл потоків потужності по паралельних лініях електропередачі різного класу напруги, і як наслідок цього – обмеження пропускної здатності електричних мереж, зростання втрат потужності та електроенергії, збільшення витрат на передачу.

Зазначені чинники визначають вимоги до систем управління для забезпечення необхідного рівня надійності роботи ОЕС багатьох країн, у тому числі й України.

Основними завданнями управління режимів є:

• регулювання напруги в мережах;
• забезпечення стійкості роботи енергосистеми при різних збуреннях;
• підвищення пропускної спроможності ліній електропередачі, аж до межі з нагрівання;
• забезпечення якості електроенергії;
• забезпечення заданого (примусового розподілу) потужності в електричних мережах відповідно до вимог диспетчера [2].

Існуючі пристрої СТК і ППК, вирішують ці проблеми не в повній мірі і не завжди оптимально. Основним недоліком існуючих пристроїв є реалізація скалярного принципу регулювання та відносно низька швидкодія.

Технологія керованих гнучких електропередач змінного струму (ГЛЕП) або Flexible AC Transmission Systems (FACTS), дозволяє усунути недоліки традиційних пристроїв і забезпечити якісно новий рівень з управління потоками потужності в електричних мережах як у нормальних, так і в перехідних режимах функціонування ЕЕС.

FACTS – це ЛЕП, що оснащені сучасною силовою електронікою з мікропроцесорними системами управління. FACTS перетворює функцію електричної мережі з «пасивної» в «активну» пасивні ЛЕП. Технологія гнучких ліній заснована на використанні векторного регулювання [3].

Закордонний досвід використання FACTS дозволяє зробити висновок, що виникають також проблеми, які пов'язані із необхідністю врахування взаємного впливу окремих пристроїв FACTS та інтегрування їх у систему протиаварійної автоматики. Вибір місця установки і типу FACTS залежить також від особливостей конкретної електричної системи.

Зв'язок роботи з науковими темами, планами та програмами

Тема роботи визначена одним з напрямків наукових робіт, що проводяться на кафедрі «Електричних систем» державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет».

Мета і завдання розробок і досліджень

Мета роботи

Метою роботи є вдосконалення методів і моделей для керування потоками потужності в замкнутих електричних мережах.

Ідея роботи

Ідея роботи полягає в усуненні невідповідності між існуючими методами управління потоками потужності в замкнутій електричній мережі за допомогою пристроїв, що реалізують технологію ГЛЕП.

Основні завдання розробок і досліджень

Для досягнення поставленої мети в роботі передбачається вирішення наступних завдань:

1. Аналіз «вузьких місць» у Донбаській ЕЕС в забезпеченні керованості режимами.
2. Обґрунтування можливих напрямків вирішення проблем, які визначені на основі проведеного аналізу.
3. Розвиток методів і моделей для обґрунтування: необхідності використання, визначення місця розташування і типу пристрою FACTS; розробка алгоритмів керування режимами електричних мереж і моделювання режимів ЕЕС з урахуванням пристроїв.

Предмет розробок і досліджень

Предметом дослідження є електричні системи з пристроями FACTS.

Об'єкт розробок і досліджень

Об'єктом дослідження магістерської роботи є режими роботи електричної системи.

Методика та методи дослідження

Для вирішення поставлених завдань використовувалися: методи математичного моделювання, чисельного рішення нелінійних алгебраїчних і диференціальних рівнянь для розрахунків усталених і перехідних режимів роботи електричних систем.

Наукова новизна

Наукова новизна полягає в удосконаленні методів і моделей управління режимами електричних систем при впровадженні технології гнучких ліній.

Наукову новизну роботи складають наступні результати і положення:

• вдосконалена математична модель узагальненого пристрою FACTS, що дозволяє визначити чутливість режиму роботи об'єкта до типу пристрою (функціональна ефективність);
• вдосконалено метод визначення місця встановлення пристрою на основі об'єднання методів оцінок неоднорідності мережі та впливу збурень у вузлах на потоки потужностей в гілках, запропонованих у роботах Вінницького національного технічного університету.

Практичне значення отриманих результатів

У ході виконання магістерської роботи, планується отримати наступні результати:

1. Розробка алгоритму для виявлення ступеня неоднорідності ЕЕС і його програмна реалізація.
2. Виявлення «вузьких місць», пов'язаних з обмеженими можливостями паралельної роботи ЕЕС на основі розробленого програмного забезпечення.
3. Оцінка ефективності установки різних пристроїв FACTS у Донбаській ЕЕС.

Апробація роботи

Деякі положення щодо необхідності впровадження і використання пристроїв FACTS в ЕЕС були розглянуті на XV всеукраїнської студентської науково-технічної конференції «Електротехнічні та електромеханічні системи» (Севастополь, СевНТУ – 2010).

Огляд досліджень і розробок по темі

У закордонних енергосистемах технологія ГЛЕП інтенсивно впроваджується в останні 10-15 років. І є значний досвід її експлуатації. В ЕЕС України процес використання технології ГЛЕП тільки почався.

На кафедрі «Електричних систем» Донецького національного технічного університету виконані наступні магістерські роботи:

1. Робота Півня К. С. «Розробка програмного забезпечення для автоматизації управління потокорозподілу в замкнутих електричних мережах на основі крос-технологій», в якій представлені основні моменти з регулювання потоків потужності на основі крос-трансформаторів, а також розглянуті основні пристрої, що належать до категорії FACTS.
2. Робота Маслова С. І. «Удосконалення підсистеми модельної підтримки прийняття рішень персоналом електроенергетичних об'єктів». У роботі представлений алгоритм визначення місця встановлення пристроїв FACTS, а також була змодельована модель ЕЕС в MathCAD на основі багатополюсників.

Різні аспекти впровадження технології ГЛЕП розглядалися в роботах науково-дослідних інститутів і ВУЗів України.

У роботах співробітників Вінницького національного технічного університету: професора Лежнюка П. Д., доцента Куліка В. В. та інших розроблені методи виявлення неоднорідності ЕЕС та усунення наслідків [4, 5, 6].

У роботах Інституту електродинаміки НАН України Стогнія Б. С., Буткевича А. Ф., Павловського В. В. розглядається застосування ГЛЕП для вирішення питань збільшення пропускної здатності слабких перетинів енергосистем і забезпечення стійкості [7, 8, 2].

Значна кількість робіт з проблем використання FACTS виконується вченими зарубіжних країн. Можна відзначити наявні розходження в підходах з регулювання потоків потужності в ЛЕП різного класу номінальної напруги в Росії та країнах Європи, США, Азії. У енергосистемах Росії для з цією метою використовуються також крос-технології [9] і АГ (асинхронізовані генератори).

Значна частина досліджень виконується за допомогою математичного моделювання. Тільки незначна частина досліджень виконується експериментальним шляхом.

Всі програмні пакети можна розділити на 2 групи:

• для інженера-дослідника;
• спеціалізовані пакети для аналізу режимів електричних систем.

Перша група реалізує універсальний підхід. Використання MATLAB дозволяє виконати значну частину досліджень, пов'язаних з впровадженням технології ГЛЕП в конкретні електричні системи, а також проводити дослідження щодо вдосконалення законів управління, оптимізації місць встановлення пристроїв, створення нових видів пристроїв.

Пакет MATLAB містить в бібліотеці SimPowerSystems елементи основних пристроїв FACTS (СТАТКОМ (STATCOM), ССПК (SSSC), СТК (SVC), ТУПК (TCSC), ОРПМ (UPFC)), що дозволяє виконувати дослідження із зазначеної проблеми. Відомі також розробки, виконані в інших пакетах, де на основі математичних моделей пристроїв створені модулі для їх реалізації.

Друга група являє собою спеціалізовані пакети, які використовуються на електроенергетичних об'єктах. Програмний продукт PowerFactory дозволяє виконати розрахунок, моделювання та координацію пристроїв FACTS, а також за допомогою вбудованих засобів програмування можлива реалізація аналізу пропускної спроможності ЛЕП. Пакет володіє декількома критеріями оптимізації режимів: мінімізації втрат; мінімізація перетоків потужності; оптимізація місць встановлення компенсуючих пристроїв; оптимальне розширення системи.

Основний зміст роботи

У вступі сформульоване науково-технічне завдання і обґрунтована актуальність теми. Визначено мету і задачі досліджень, викладена наукова новизна і можливе практичне значення отриманих результатів, подано загальну характеристику роботи.

У першому розділі дана характеристика проблеми управління режимами електричних систем в сучасних умовах та визначено її склад. Показано, що для усунення невідповідностей між економічними відносинами і надійністю режимів роботи електричних систем необхідно удосконалення методів управління.

У другому розділі розвивається класифікація пристроїв FACTS, а також наведені схеми заміщення основних пристроїв.

До пристроїв FACTS першого покоління (FACTS-1) відносяться пристрої, що забезпечують регулювання напруги (реактивної потужності) і забезпечують необхідну ступінь компенсації реактивної потужності в електричних мережах (статичний компенсатор реактивної потужності (СТК), реактор з тиристорним управлінням, стаціонарний послідовний конденсатор з тиристорним управлінням , фазоздвигаючий трансформатор та ін.).

До FACTS другого покоління (FACTS-2) відносяться пристрої, що забезпечують регулювання режимних параметрів на базі повністю керованих приладів силової електроніки (IGBT-транзистори, IGCT-тиристори та ін.). FACTS-2 забезпечені новою якістю регулювання – векторним, коли регулюється не тільки величина, але і фаза вектора напруги електричної мережі (синхронний статичний компенсатор (СТАТКОМ), синхронний статичний поздовжній компенсатор реактивної потужності на базі перетворювача напруги (ССПК), об'єднаний регулятор потоків потужності (ОРПМ), ВПТН, ФПУ, асинхронізований синхронний компенсатор у тому числі з маховиком (АСК), асинхронізований синхронний електромеханічний перетворювач частоти (АС ЕМПЧ), фазоповоротний трансформатор (ВФТ).

За принципом роботи всі пристрої FACTS діляться на статичні і електромашинні системи.

До статичних відносяться:

• керовані шунтуючі реактори (УШР), реалізовані за принципом магнітного підсилювача (УШРП) або трансформаторного типу (УШРТ або реактор-трансформатор) з тиристорним управлінням;
• реактори, комутовані вакуумними вимикачами (ВРГ);
• статичні тиристорні компенсатори реактивної потужності (СТК), що складаються з однієї або декількох тиристорно-реакторнох груп і набору фільтро-компенсуючих кіл;
• синхронні статичні компенсатори реактивної потужності типу СТАТКОМ на базі перетворювача напруги з паралельним підключенням до мережі;
• синхронні статичні поздовжні компенсатори реактивної потужності на базі перетворювача напруги (ССПК);
• об'єднаний регулятор перетікання потужності на основі перетворювачів напруги паралельного та послідовного включення, об'єднаних по колам постійного струму (ОРПМ);
• керовані тиристорами пристрої поздовжньої ємнісної компенсації (УУПК);
• керовані фазоповоротні пристрої (ФПУ) на базі фазоздвигаючих трансформаторів з тиристорним управлінням або РПН;
• вставки постійного струму на базі перетворювачів напруги (ВПТН);
• струмообмежувальним пристрої на основі технології FACTS (для обмеження струмів короткого замикання).

Групу електромашинні систем утворюють:

• асинхронізовані синхронні компенсатори (АСК);
• асинхронізовані електромашинні перетворювачі частоти (АС ЕМПЧ) на основі двох асинхронізовані машин (АСМ) на одному валу або на основі асинхронізований (АСМ) і синхронної машин (СМ) на одному валу;
• фазоповоротний трансформатор – машина, що обертається з живленням статора і ротора від мереж з різною частотою з додатковим двигуном на валу (ВФТ) [10].

На рисунку 1 представлені схеми заміщення деяких пристроїв FACTS:

Рисунок 1 – Схеми заміщення основних пристроїв FACTS: СТАТКОМ (STATCOM), ССПК (SSSC) і ОРПМ (UPFC).

(Анімація: розмір – 81,4 КБ; кількість кадрів – 9; затримка між кадрами – 0,8 с; кількість циклів повторення – 5)

У третьому розділі описується причина відмови від традиційних схем заміщення та подання параметрів всіх елементів електричної системи в уніфікованому вигляді, що дозволяє забезпечити програмне управління адаптацією моделі елемента до поточного стану, який визначається схемно-режимною ситуацією. У розрахунках застосовуються гратчасті схеми заміщення багатопроводних систем.

Наявність електромагнітних зв'язків між окремими проводами елементів електричних систем призводить до істотних труднощів в їх моделюванні. Коректний облік цих зв'язків дозволяє моделювати будь-які багатопроводні об'єкти, наприклад, лінії електропередачі і багатообмоткові трансформатори різного конструктивного виконання. В основу методу моделювання покладено повнозв'язні гратчасті схеми заміщення з RLC-елементів, що дозволяє використовувати розроблені алгоритми розрахунку режимів електричних систем, що широко застосовуються в однолінійній постановці.

Трансформатори та лінії електропередачі являють собою багатопроводні елементи з взаємними електромагнітними зв'язками між проводами, для яких можливий узагальнений підхід до моделювання. Якщо винести з'єднання проводів за межі розглянутого елемента, то лінії і трансформатори будуть відрізнятися один від одного лише характером взаімоіндуктивного зв'язку проводів. Характер взаімоіндуктивних зв'язків трансформатора визначається його сердечником, але цей фактор впливає тільки на специфіку розрахунку опору взаімоіндуктивного зв'язку. Для ліній потрібне врахування ємнісного зв'язку проводів, що для більшості практично важливих випадків можна зробити звичайним чином, вводячи власні і взаємні ємності проводів у П-образну заступну схему після складання гратчастої заступної схеми.

Подібний підхід дає можливість досить простого способу моделювання ліній і трансформаторів для синусоідальних процесів. При цьому одержання моделі лінії або трансформатора здійснюється в три етапи:

1. Формування схеми заміщення для набору проводів, гальванічно не зв'язаних один з одним.
2. З'єднання проводів на отриманій схемою заміщення з отриманням моделі елемента; при цьому здійснюється паралельне з'єднання гілок та утворення шунтів при заземленні деяких вузлів.
3. Об'єднання окремих моделей в розрахункову схему електричної мережі [11, 12].

У четвертому розділі на основі алгоритму визначення міри неоднорідності ЕЕС буде визначатись місце, в якому найбільш доцільна установка пристрою FACTS. В якості досліджуваної електричної мережі приймається ділянка Донбаської ЕЕС напругою 750/330 кВ

У п'ятому розділі виконається розрахунок параметрів системи з урахуванням встановленого обладнання в середовищі MathCAD і моделювання електричної мережі в програмі MATLAB. Буде проведено аналіз отриманих результатів.

Висновки

На підставі результатів, отриманих при моделюванні Донбаської ЕЕС, передбачається формування рекомендацій до встановлення пристрою FACTS в електричній системі.

Перелік використовуваної літератури

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 написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточний варіант роботи можна отримати у автора або наукового керівника після грудня 2010 року.

ДонНТУ     Портал магістрів ДонНТУ