Микулин Игорь Витальевич

Современная электроэнергетика постсоветских стран находится в состоянии фундаментальных преобразований, связанных с изменением отношений собственности, развитием технологий, развитием процесса глобализации и участием в них государства, как субъекта мировой экономики, с переходом на рыночные принципы в организации и управлении ресурсами различных хозяйственных систем. Это обусловило то, что электроэнергетические системы являются сложными динамическими системами с глубокими взаимными связями [1].

Электроэнергетика этих стран требует реформирования, это обеспечит энергетическую безопасность страны, предотвратит возможность развития энергетического кризиса в будущем, а также повысит конкурентоспособность экономики. В ходе процесса реструктуризации электроэнергетики существенно меняются условия развития отрасли, принципы и методы организации системы управления её развитием, роль государства в данном процессе.

Появление энергорынка и структурная перестройка привели к ситуации, когда организационная структура электроэнергетических систем не совпадает с технологической структурой и структурой системы управления режимами.

Рыночные условия вносят дополнительные факторы неопределенности при планировании развития и эксплуатации электрических сетей, т. к. рынок электроэнергии, собственно, как и мировая экономика в целом трудно предсказуемы.

Многочисленные субъекты рынка электроэнергии строят свои взаимоотношения на рыночных принципах, что не совпадает с требованиями обеспечения системной надежности. Однако рынок электроэнергии необходим для повышения конкуренции между структурными подразделениями генерации, передачи и распределения электроэнергии. Это вызовет замедление роста себестоимости электроэнергии, что положительно скажется на экономическом развитии страны в целом.

Ограничение подключаемых потребителей к электрическим сетям и объективно существующие по разным причинам перерывы в электроснабжении (в том числе и системные отключения) приводят к снижению эффективности рыночных отношений, т. е. снижению надежности электроснабжения, поскольку увеличивается риск неуспешного выполнения договоров, заключаемых субъектами энергорынка. При этом не только ухудшаются экономические показатели, но и возрастает риск развития сложных системных быстроразвивающихся аварийных ситуаций.

Это является сложной для разрешения задачей. Решение проблемы с одной стороны лежит в области разработки прозрачной рыночной процедуры урегулирования таких убытков, с другой стороны в области улучшения условий устойчивости и недопущения появления аварийных режимов, связанных с ее нарушением.

В условиях открытого доступа к электрическим сетям для влияния на ценовую политику субъектов энергорынка необходимо принимать во внимание системные ограничения и неизбежные технические потери, связанные с передачей электроэнергии конечному потребителю.

Усложнение технологических процессов у потребителей и стремительное развитие непрерывных технологий производства обуславливает необходимость развития положений ПУЭ и разработку методов и устройств для обеспечения надежности электроснабжения потребителей 1 группы надежности по энергопотреблению.

Также постоянно возрастающий объем потребления электрической энергии приводит к необходимости вытеснения традиционных подсистем генерации. Сильная зависимость стоимости электроэнергии от мировых цен на энергоресурсы (а также экологические требования) становится стимулом для развития нетрадиционных источников электрической энергии в ЕС. Стратегия развития электроэнергетики стран ЕС предусматривает увеличение доли нетрадиционных источников с нынешних 7% до 20% к 2020 году [2]. Основу нетрадиционной генерации в ЕС составляет ветроэнергетические установки и солнечная генерация. Интеграция в энергосистему такой доли нетрадиционных источников из-за их резко-переменного графика выдачи мощности, является достаточно сложной технической задачей, для решения которой требуется развитая инфраструктура электрических сетей. При этом в будущем планируется использовать электрические сети как систему технологической связи разнесенных географически нетрадиционных источников и накопителей электроэнергии, необходимых для эффективного использования мощностей первых в будущем. В качестве последних имеются в виду гидроаккумулируюшие электростанции и пневматические накопители.

Нетрадиционные источники электроэнергии несомненно оказывают влияние на режимы электроэнергетических сетей и их развитие. Происходят изменения «привычных» перетоков мощности. В некоторых регионах исторически сложившиеся направления потоков мощности могут меняться на противоположные [3]. Концентрация ветроэнергетических станций в разных регионах неизбежно приведет к увеличению транзита мощности.

Вернуться к содержанию

Актуальность темы

Распределение потоков мощности по линиям электропередачи подчиняется физическим законам и не в полной мере управляемо. При этом резкое и чаще всего случайное увеличение выдаваемой ветроустановками мощности приводит к непредсказуемым и незапланированным перетокам мощностей в пределах энергосистемы [4].

Вместе с тем существуют новые технологии, позволяющие создавать системы управления, отвечающие этим условиям и новым задачам управления.

Многообразие возможных параметров и режимов, даже в отдельно взятой энергосистеме, создают значительные препятствия на пути разработки оптимальных средств обеспечения устойчивости. Поэтому комплекс задач, связанных с обоснованием развития электрических систем и управления их режимами распадается на несколько направлений для исследований:

- Развитие структуры электроэнергетических систем, создание интеллектуальных энергосистем (Smart Grid)

- Развитие систем управления, включая традиционную энергетику

- Появление нетрадиционных устройств управления режимами, таких как FACTS, накопители энергии, регистраторы аварийных ситуаций, системы системного мониторинга.

Для решения задач управления и защиты в современных электроэнергетических системах широко используются микроэлектроника, компьютерная техника и высокоскоростные каналы связи. Однако быстродействие силовых управляющих схем в современных ЭЭС ограничено инерционностью механических переключателей. Бурное развитие силовой электроники привело к созданию быстродействующих тиристорно-управляемых устройств, а на их основе — технологии управляемых гибких электропередач переменного тока или Flexible AC Transmission Systems (FACTS). В настоящее время промышленностью освоен выпуск запираемых тиристоров на напряжения 4—6 кВ и токи 1—3 кА. Это позволило создать новые образцы устройств, которые могут применяться для решения поставленной задачи.

Основная задача технологии FACTS заключается в обеспечении научно-технического прорыва в электроэнергетике с целью улучшения управления потоками мощности в сети как в установившихся, так и в переходных режимах ЭЭС. Технология FACTS открывает новые возможности для управления потоками мощности. Эти возможности возникают благодаря способности исполнительных устройств технологии FACTS управлять взаимосвязанными параметрами, определяющими функционирование электропередач, включая реактивное сопротивление, ток, напряжение, углы фазовых сдвигов в узлах сети, затухание колебаний на различных частотах и т.д.

Устройства FACTS позволяют:

- Обеспечивать пропускную способность электропередач вплоть до допустимого теплового предела по нагреву проводов линий электропередач;

- Обеспечить принудительное распределение мощности в сложной неоднородной сети в соответствии с требованиями диспетчера;

- Повысить устойчивость системы.

Влияние угла δ на устойчивость передачи

Рисунок 1 — Влияние угла δ на устойчивость передачи

Эти технологии могут изменить характер деловых операций на энергорынке из-за появления возможности высокоскоростного управления потоками электроэнергии. Благодаря множеству присущих ей многообещающих экономических и технических достоинств технология FACTS сознательно поддерживается производителями электрооборудования, систем энергоснабжения научно-исследовательскими организациями во всем мире.

Применение FACTS это одно из наиболее эффективных на сегодняшний день средство для решения вопросов обеспечения устойчивости работы энергосистем [5]. Применение быстродействующих регуляторов FACTS снижает, или полностью устраняет потребность в осуществлении экстренных мер по обеспечению устойчивости, таких как, отключение генераторов, разделение системы, ограничение нагрузки, снижение напряжения и частоты. Однако, применение FACTS только с этой целью, очевидно, является экономически неоправданным из-за высокой их стоимости. Наибольшее время работы энергосистемы — это установившиеся режимы, следовательно, целесообразность установки FACTS определенной мощности в определенном месте должна рассматриваться по условиям работы в установившихся режимах. Возможность применения уже установленного устройства для улучшения устойчивости изучается дополнительно. Такой подход переводит мероприятия, связанные с использованием FACTS для улучшения условий устойчивости, из класса капиталоемких в класс не капиталоемких [6].

Наиболее перспективными считаются следующие 3 типа устройств FACTS:

- устройство поперечной компенсации СТАТКОМ;

- тиристорно-управлемое устройство продольной компенсации (УПК);

- объединенный регулятор потока мощности (ОРПМ).

Вернуться к содержанию

Связь работы с научными темами, планами и программами

Тема работы является одним из направлений научных работ, проводимых на кафедре электрических систем университета.

Цель и задачи разработок и исследований

Цель работы

Цель работы заключается в исследовании эффективности применения технологии ГЛЭП в энергосистемах.

Идея работы

Идея работы заключается в исследовании эффективности использования устройств технологии FACTS при внедрении в существующие энергосистемы.

Основные задачи разработок и исследований

Для достижения цели в процессе проведения исследований будут решены задачи:

- координация традиционных и новых устройств в системе противоаварийного управления;

- обобщение методов выявления необходимости и места установки устройств управления с учетом неоднородности сети, чувствительности к возмущениям;

- исследование взаимного влияния устройств FACTS, их влияние на работу существующих устройств защиты и управления конкретной электрической сети.

Предмет разработок и исследований

Предмет исследования в данной работе — устройства технологии FACTS.

Объект разработок и исследований

Объектом исследования в данной работе выступают 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.

Вернуться к содержанию

Научная новизна

Научная новизна данной работы состоит в использовании усовершенствованной модели устройств технологии FACTS при их моделировании. При проведении следований для управления устройствами FACTS будет использована текущая информация, получаемая от устройств системы мониторинга переходных процессов (PMU).

Практическое значение ожидаемых результатов

При выполнении работы планируется получить результаты оценки взаимного влияния устройств FACTS в энергосистеме и рекомендации к внедрению в существующие сети.

Обзор исследований и разработок по теме

За рубежом, в странах Европы и США технология FACTS уже нашла широкое применение в энергетических системах, поэтому там имеется достаточно большой опыт эксплуатации гибких линий электропередач. В последние годы в России тоже началось внедрение устройств ГЛЭП в промышленные сети, однако пока это явление имеет локальный характер. В Украине же процесс ввода в работу устройств FACTS только начался.

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

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.

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.

Работа Байдак А. Я. «Исследование методов управления перетеканием мощности между сетями разного номинального напряжения электрической». В работе представлен алгоритм для выявления степени неоднородности ЭЭС и его программная реализация, а также сформированы рекомендации к установке устройства FACTS в электрической системе.

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 работах сотрудников Винницкого национального технического университета: профессора Лежнюка П.Д., доцента Кулика В.В. и других разработаны методы выявления неоднородности ЭЭС и устранение последствий [7].

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

Вернуться к содержанию

Основное содержание работы

Во вступлении магистерской работы сформулировано научно-техническое задание и приведено обоснование актуальности исследуемого вопроса. Определена цель и задачи исследований, изложена научная новизна и возможное практическое значение полученных результатов. Также представлена общая характеристика работы.

В первом разделе изложена 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 рассмотрена классификация устройств FACTS, а также приведены схемы замещения основных устройств.

Статические управляемые источники реактивной мощности, предназначенные для стабилизации напряжения в узлах электрической сети могут быть двух видов.

К первому из них относятся устройства, которые основаны на использовании управляемых реакторов и конденсаторных батарей (рис. 2). Изменяя мощность реактора или конденсаторной батареи, можно изменять мощность всего устройства. При этом можно получить как генерацию, так и потребление реактивной мощности всем устройством.

Рисунок 2 — СТК с параллельным соединением реактора и конденсаторной батареи

Управление мощностью реактора также может осуществляться плавно с помощью управляемого тиристорного ключа (рис. 3).

Рисунок 3 — Управление мощностью реактора с помощью тиристорного ключа

Регулирование мощности конденсаторной батареи может осуществляться только ступенчато, в отличие от плавного изменения мощности реактора. Для этого батарея должна быть разделена на несколько секций (3—4) разной мощности, и каждая из этих секций включается в работу с помощью тиристорного ключа (рис. 4).

Рисунок 4 — Регулирование мощности конденсаторной батареи с помощью тиристорных ключей

К другому виду статических источников реактивной мощности, предназначенных для стабилизации напряжения в сети, могут быть отнесены тиристорные преобразователи, способные генерировать и потреблять реактивную мощность (рис 5 ).

Рисунок 5 — Автономный инвертор напряжения: 1-6 — полностью управляемые тиристоры; 1'-6' — неуправляемые диоды

Переход инвертора из одного режима в другой, а также изменение генерируемой или потребляемой реактивной мощности осуществляется путем изменения момента подачи управляющих импульсов на тиристоры. Если этот инвертор присоединен к шинам, на которые включена линия, через параллельный трансформатор (рис. 6а), то иногда он называется параллельным регулятором потоков мощности или статическим конденсатором (СТАТКОН). При работе инвертора в его токе и напряжении на стороне переменного тока содержатся высшие гармоники. Для устранения их вредного воздействия на систему используют трансформаторы с различными схемами соединения обмоток, а также фильтры токов высших гармоник.

Рисунок 6 — Возможные способы включения автономного инвертора напряжения в сеть:
а — параллельный регулятор потоков мощности СТАТКОН; б — последовательный регулятор потоков мощности; в — универсальный регулятор потоков мощности.

Второй тип устройств, позволяющих изменять сопротивление линии, может быть получен, если инвертор напряжения, рассмотренный выше, или любой другой регулируемый источник реактивной мощности подключить к линии через трансформатор, первичная обмотка которого включена в линию последовательно (рис. 6б). При этом в линию будет вводиться регулируемое напряжение ΔUк. Это напряжение будет сдвинуто по отношению к току линии на ±90 эл. град., что эквивалентно включению емкости («-») или индуктивности («+»). При изменении величины ΔUк будет изменяться общее сопротивление линии, что, в свою очередь, будет увеличивать или уменьшать ее пропускную способность. Это изменение будет регулируемым в зависимости от режима системы. Введение в линию дополнительной индуктивности может оказаться полезным в режимах малых нагрузок для компенсации избыточной зарядной мощности линии. Такой регулятор получил название последовательный регулятор потоков мощности (ПРПМ).

Еще один тип устройств, позволяющий осуществлять комбинированное воздействие на линию, состоит из двух инверторов (параллельного И1 и последовательного И2), полюса которых соединены связью постоянного тока с общим конденсатором (рис. 6в). Наличие связи между инверторами позволяет им обмениваться между собой и с линией активной мощностью. Такой регулятор получил название универсального регулятора потоков мощности (УРПМ).

Третий раздел работы связан с анализом применения технологии гибких линий электропередач в ЭЭС.

На основе анализа ряда работ [9,10] можно сделать вывод не только об эффективности использования устройств FACTS для управления режимами ЭЭС, но и ряде проблем, возникающих при использовании. Эффективность работы FACTS зависит от выбора типа и реализуемого закона управления, места установки устройства в системе, учета взаимного влияния устройств разного типа друг на друга и на устройства РЗА [11].

Анализ позволяет отметить необходимость решения следующих научно-технических задач:

- координации традиционных и новых устройств в системе противоаварийного управления;

- использования для управления устройствами FACTS текущей информации от устройств системы мониторинга переходных процессов (PMU);

- обобщения методов выявления необходимость и места установки устройств управления с учетом неоднородности сети, чувствительности к возмущениям;

- исследования взаимного влияния устройств FACTS, их влияния на работу существующих устройств защиты и управления конкретной электрической сети.

В четвертом разделе работы выполнен анализ программного обеспечения, которое может быть основой для проведения исследований. При анализе использовались критерии:

- уровень адекватности моделей элементов;

- технология программирования (адаптация модели ЭЭС под текущее состояние и цели исследования, наличие устройств управления, методы формирования и решения систем уравнений, открытость системы – возможность использования макросов, возможности интерфейса пользователя);

- реализация в программе моделей современных и перспективных устройств управления и защиты.

С целью сокращения размера модели предложено оценивать эффективность применения FACTS для типового фрагмента ЭЭС. Показано, что большая часть задач может быть решена на основе замкнутой электрической сети с ЛЭП нескольких классов номинальных напряжений, с автотрансформаторами связи напряжением 330—110 кВ или 220—110 кВ. При этом питающая электрическая сеть содержит различное число подстанций. Источники питания представляют собой элементы, содержащие задаваемую пользователем структуру (число генераторов, типы, связи между ОРУ, устройства управления).

Исследование эффективности устройств ТУПК, СТАТСОМ, ОРПМ выполнялось с помощью разработанной программы в среде Matlab на основе моделей, приведенных в разделе FACTS библиотеки Power System.

В качестве возмущений рассматривались различные виды коротких замыканий и варианты последовательных переходов одного вида замыкания в другое. Также варьировалось время отключения короткого замыкания.

Вернуться к содержанию

Выводы

На основе полученных в результате выполнения исследований результатов можно будет сформировать рекомендации к внедрению устройств гибких линий в существующие энергосистемы, оценить эффективность установки этих устройств и учитывать их взаимное влияние в связанной энергосистеме.

Список используемой литературы

1. Энергетика XXI века: Системы энергетики и управление ими // С.В. Подковальников, С.М. Сендеров, В.А. Стенников; Под ред. Н.И. Воропая. Новосибирск: Наука, 2004. 364 с.

2. Voropai N.I., Efimov D.N., Etingov P.V. Coordination of electric power system emergency control using artificial neural network // IFAC Symp. on Power Plants and Power Systems Control. Seoul, Korea, Sept. 15-19, 2003, p. 7, 131—136.

3. Координированное противоаварийное управление нагрузкой и устройствами FACTS // Н.И. Воропай, П.В. Этингов, А.С. Удалов и др. // Электричество, 2005, № 10. С. 25—37.

4. Воропай Н.И., Кроль А.М., Новорусский В.В. Разработка интеллектуальных средств поддержки решений по восстановлению энергообъединения после аварии // Изв. РАН. Энергетика, 1996, № 1. С. 14—22.

5. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д., Худяков В.В. Гибкие электропередачи переменного тока // Электротехника. 1996. № 4.

6. Мисриханов М.Ш., Ситников В.Ф. Опыт внедрения технологии FACTS за рубежом (часть 2) / Энергохозяйство за рубежом. 2007. № 3.

7. 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.

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. Управление мощными энергобъединениями // Н.И. Воропай, В.В. Ершевич, Я.Н. Лугинский и др.; Под ред. С.А. Совалова. М.: Энергоатомиздат, 1984. 256 с.

10. Этингов П.В. Применение систем мониторинга переходных режимов для управления устройствами FACTS // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: Сб. докл. семинара. Харьков: Харьковский нац. техн. ун-т, 2006. С. 89—98.

11. Воропай Н.И., Этингов П.В. Развитие методов адаптации нечетких АРВ для повышения динамической устойчивости сложных электроэнергетических систем // Электричество, 2003, №11. С. 2—10.

12. Л. Я. Теличко, Р. В. Батраков Регулирование потоков мощности по линиям электропередач с применением управляемой продольной компенсации — [Электронный ресурс] — режим доступа: http://www.v-itc.ru/electrotech/2008/03/pdf/2008-03-03.pdf

Вернуться к содержанию

На момент написания реферата работа не завершена. Окончательные результаты работы можно получить у автора или научного руководителя после декабря 2011 г.