ГЛАВА 5
УЛУЧШЕНИЕ РЕЖИМА И ПОВЫШЕНИЕ ЕГО НАДЕЖНОСТИ С ПОМОЩЬЮ НАКОПИТЕЛЕЙ
ТРЕБОВАНИЯ К НАКОПИТЕЛЯМ, УЛУЧШАЮЩИМ РЕЖИМ
Различного рода НЭ могут иметь большое значение для улучшения режима современных сложных ЭЭС. По мере развития ЭЭС, усложнения схем их сетей возникает потребность в новых эффективных устройствах, улучшающих режимы, которыми могут являться НЭ, особенно емкостные и электромагнитные, имеющие высокое быстродействие и способность к почти мгновенному реверсу мощности. Эти же свойства оказываются весьма существенными при улучшении статической и динамической устойчивости ЭЭС. При помощи НЭ могут сниматься кратковременные острые пики нагрузки, демпфироваться колебания при нерегулярных перетоках обменной мощности, а также толчках нагрузки. Большую роль НЭ могут играть при симметрировании несимметричных режимов и поддержании частоты и напряжения при их малых быстрых отклонениях.
В работе ЭЭС все более важными становятся проблемы надежности, живучести и безопасности техники. Способность продолжения функционирования системы при нескольких отказах ее элементов можно гарантировать лишь при повышении их надежности, путем введения структурной и временной избыточности. При этом роль НЭ, практически мгновенно реагирующих на изменение ЭЭС, может быть очень велика.
Накопители могут способствовать поддержанию организованной системы противоаварийного управления и этим содействовать предотвращению, каскадных аварий, что является одной, из главных проблем современной электроэнергетики. Они могут существенной составляющей входить в оперативный резерв ЭЭС, имея большое преимущество перед другими видами резерва, заключающееся в практически мгновенном, введении его в работу.
Для выполнения различных, функций мощность и энергоемкость НЭ должны быть неодинаковыми, так же как и его быстродействие. Можно сконструировать НЭ, имеющий различные составляющие, обладающие большим или меньшим быстродействием в зависимости от его природы. Например, возможна комбинация емкостного или электромагнитного НЭ с одновременным подключением гидроаккумулирующего или механического (инерционного) НЭ.
Относительно небольшие НЭ могут быть созданы на базе статических конденсаторов, в конструировании которых достигнуты большие успехи, позволяющие, уменьшив массу на 15—25%, а стоимость — на 10—15%, получать до 10 000 квар в единицу. Это возможно благодаря замене бумаги на полипропиленовую пленку и повышению напряженности поля, причем тангенс угла потерь снижается. Еще большие возможности содержатся в конденсаторах, построенных на новых молекулярных принципах, обладающих нелинейными характеристиками. На базе усовершенствованных конденсаторов будут создаваться принципиально новые устройства, которые, являясь накопителями, смогут выдавать в систему или поглощать из нее активную или реактивную мощность (в зависимости от регулирования). Следовательно, появится совершенно новый вид источников активной и одновременно реактивной мощности (теория и промышленная конструкция их пока еще не созданы).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАКОПИТЕЛЕЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ СТАТИЧЕСКУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ ЭНЕРГОСИСТЕМ
Статическая неустойчивость ЭЭС может проявляться в виде апериодического или колебательного процесса при нарастающем изменении параметров исходного режима. Колебательный характер процесса обусловлен неправильной настройкой регулирующих устройств, что происходит редко и является предметом особых исследований, следовательно, при проверке существования установившегося режима ЭЭС можно ограничиться только выявлением возможности апериодической ее неустойчивости. Условием апериодической статической устойчивости является то, что свободный член характеристического уравнения положителен при условии положительного коэффициента данного уравнения при высшей степени «р». Схема замещения, предназначенная для исследования статической устойчивости, приведена на рис. 5.1.
Система представлена эквивалентными генераторами и нагрузкой в виде постоянного комплексного сопротивления.
Использование НЭ должно обеспечивать поддержание статической устойчивости частоты и напряжения в точках его подключения к ЭЭС. В случае, если известны параметры ЭЭС, НЭ и коэффициенты, входящие в закон регулирования НЭ, можно определить, устойчива ли система, каковы отклонения частоты и напряжения от номинального значения.
Рис. 5.1. Схема замещения для расчета статической устойчивости
Перед нами стоит обратная задача. Необходимо определить параметры Рн, Эн.раб, а также значения его коэффициентов регулирования при следующих условиях: 1) система, из которой исключены все дополнительные устройства, обеспечивающие возможности регулирования и особые режимы, устойчива, 2) отклонения частоты и напряжения не превышают заданного уровня.
В данном случае для выявления возможностей регулирования ЭЭС с помощью НЭ полная математическая модель упрощается, так как допускается не учитывать:
- электромагнитные переходные процессы в цепях статора, элементах электропередачи, демпферных контурах;
- активные сопротивления генераторов, трансформаторов, ЛЭП.
Составим уравнения, которые описывают процессы, происходящие в данной системе:
уравнения движения роторов генераторов:
Тогда исследование статической устойчивости ЭЭС с накопителем сводится к анализу определителя (5.4) с помощью одного из алгебраических критериев, например критерия Гурвица. Раскрывая определитель и приравнивая его нулю, получим характеристическое уравнение 5-го порядка. Зная аналитическое выражение для свободного члена, можно найти области параметров НЭ Тн, Рн, при которых знак свободного члена положителен, следовательно, сохраняется условие апериодической статической устойчивости.
Для того чтобы система, изображенная на рис. 3.1, а, была устойчива, требуется не только положительность всех коэффициентов характеристического уравнения D(p)=0, но и удовлетворение их целому ряду условий, устанавливаемых критерием Гурвица в форме неравенств, соблюдение которых является необходимым и достаточным условием устойчивости системы любого порядка.
Исследование устойчивости с помощью метода Гурвица сводится к выполнению большого числа однотипных расчетных операций. В связи с этим разработана специальная программа LOW, алгоритм которой представлен на рис. 5.6. Программа позволяет варьировать в широких пределах величины Рн, Эн, Тн, а также значении коэффициентов kf, kU и ки. В каждом цикле расчета определяется, устойчива ли система, и на этом оснований делается вывод о том, удовлетворяют ли данные значения параметров НЭ требованию поддержания статической устойчивости. Варьирование каждого из параметров прекращается сразу, как только система Теряет устойчивость. Таким образом определяются минимальные значения Рн, Эн, Тн.
Время работы НЭ tраб определяется из условия 
Расчеты показывают, что регулируемый НЭ может обеспечивать статическую устойчивость энергосистемы без привлечения каких-либо дополнительных устройств лишь при условии, если его мощность не ниже 0,05 мощности станции, на шинах которой он установлен.
Рис. 5.3. График области устойчивости в координатах Tn, ku
Графики областей устойчивости в координатах, полученные в результате расчетов по программе LOW, показаны на рис. 5.2 и 5.3.
Рис. 5.2. График области устойчивости в координатах k∆U, kU
Из кривых на рис. 5.2 видно, что при изменении коэффициентов kf, ku, k∆и в широких пределах, устойчивость сохраняется, а это означает возможность поддерживания частоты и напряжения с помощью НЭ в точке его подключения. Из кривых рис. 5.3 видно, что постоянная времени НЭ, обеспечивающего статическую устойчивость, ограничена снизу. Для рассмотренного примера установка НЭ на шинах станции мощностью 2400 МВт (3 ТГВ-800) имеет место соотношение Tн≥0,013 с.
С ростом Тн область устойчивости увеличивается, причем возрастают также пределы возможного изменения коэффициентов kf и ku.
Из полученных ограничений на параметры НЭ можно произвести оценку его рабочей энергоемкости. Для рассматриваемого примера она должна быть Эн≥5-10+6 Дж.
