Исследование переходных процессов при разных конфигурациях подключения распределенной генерации

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГАОУ ВО "Южно-Уральский государственный университет" (НИУ) Челябинск, Россия

Исследование переходных процессов при разных конфигурациях подключения распределенной генерации

Н.В. Тимакова, К.Е. Горшков

E-mail: natalie512@bk.ru

Аннотация

энергосистема генерация ток потребитель

Состояние вопроса: За последние годы в энергосистеме России наблюдается тенденция в сторону развития распределенной электроэнергетики. Установка генераторов малой мощности наиболее перспективна для промышленных предприятий ввиду повышения надежности энергоснабжения, а также снижения затрат на электроэнергию. Однако наличие в сети распределенной генерации приводит к изменению режимных параметров энергосистемы. Таким образом, актуальна задача оценки влияния распределенной генерации на условия и режимы работы энергосистемы.

Материалы и методы: При исследовании применялись методы математического моделирования, в качестве инструмента математического моделирования использовались MATLAB Simulink и ПК «RastrWin3».

Результаты: Рассмотрены особенности переходных процессов в энергосистеме при разных конфигурациях подключения распределенной генерации. Предложен вариант подключения малой генерации, обеспечивающий благоприятные условия работы источников и снижение уровня токов КЗ в цепях потребителя.

Выводы: Полученные результаты позволяют оценить влияние разных вариантов подключения распределенной генерации на динамическую устойчивость энергосистемы, что облегчит в дальнейшем проектирование устройств релейной защиты и автоматики.

Ключевые слова -- Распределенная генерация, переходные процессы, динамическая устойчивость.

Abstract

Investigation of the transition process for different wiring configurations of distributed generation

N.V. Timakova, K.Е. Gorshkov

South Ural State University

Chelyabinsk, Russian Federation

E-mail: natalie512@bk.ru

Background: In recent years, the power system of Russia has a trend towards the development of distributed electric power industry. Installation of low-power generators is the most promising for industrial facilities due to increased reliability of energy supply, as well as reducing energy costs. However, the presence of distributed generation in the network leads to a change in the regime parameters of the power system. Thus, the actual task is to estimate the effect of distributed generation on the stability of the power system.

Materials and methods: The research used methods of mathematical modeling, as a tool for mathematical modeling MATLAB Simulink and "RastrWin3".

Results: Transient processes in the power system at various wiring configurations of distributed generation are considered. A variant of the connection of small generation, providing favourable conditions of work sources and the reduction of short circuit currents in circuits of consumer.

Conclusions: The obtained results allow estimating the influence for different variants connection of distributed generation on the dynamic stability of the power system, which will facilitate the design of relay protection devices in the future.

Keywords -- Distributed generation, transient processes, dynamic stability.

Состояние вопроса

За последние годы в энергосистеме России наблюдается тенденция в сторону развития малой распределенной энергетики. Распределенная энергетика призвана решить такие задачи как снижение дефицита генерирующих мощностей, повышение надежности энергоснабжения, энергоснабжение удаленных от централизованных сетей районов и потребителей, снижение затрат на транспортировку электроэнергии. На сегодняшний день переход от преимущественно централизованной энергетики к совокупности централизованной и распределенной является наиболее перспективным направлением развития для энергосистемы России.

Развитие распределенной энергетики постепенно сказывается на режимных параметрах энергосистемы. Наличие генераторов малой мощности в распределительных сетях приводит к многостороннему питанию места короткого замыкания (КЗ), изменению характера электромагнитных и электромеханических переходных процессов (ПП).

На данный момент вопрос влияния ПП на работу устройств релейной защиты в сетях с распределенной генерацией в энергосистеме России остается малоизученным, так как недостаточна теоретическая база для принятия обоснованных решений при проектировании релейной защиты электростанций малой мощности.

Развитие распределенной энергетики происходит, в основном, за счет внедрения собственных генерирующих мощностей на крупных промышленных предприятиях [1]. Изменения, связанные с развитием электростанций малой мощности, требуют решения целого комплекса научно-исследовательских задач. Одной из наиболее важных задач является анализ электромагнитных и электромеханических переходных процессов и построение релейной защиты и автоматики (РЗА) в условиях децентрализованного производства электроэнергии [2, 3].

Защита распределительных сетей с малыми электростанциями преимущественно строится по принципу формального переноса и упрощения решений, получивших распространение в питающих и системообразующих сетях, что приводит к ряду потенциальных и фактических проблем, отмечается необходимость совершенствования РЗА и ведется активная работа в этой сфере [4, 5]. В связи с этим актуальным направлением исследований является анализ электромагнитных и электромеханических ПП в сетях с распределенной генерацией, а также предложение новых схем подключения генераторов малой мощности к электроэнергетической системе (ЭЭС) для проектирования работы устройств РЗА при внедрении распределенной генерации.

Целью работы определено исследование электромеханических переходных процессов, вызванных близкими короткими замыканиями. Для достижения указанной цели поставлены следующие основные задачи.

1. Анализ типовых схем подключения генераторов малой мощности на промышленных предприятиях.

2. Разработка математической модели электрической сети с генератором малой мощности для анализа электромагнитных и электромеханических переходных процессов при близких коротких замыканиях.

3. Выбор схемы подключения генераторов малой мощности с наилучшими условиями работы генератора с учетом электромагнитных и электромеханических переходных процессов при близких коротких замыканиях.

Моделирование переходных процессов в типовой схеме подключения генераторов малой мощности

Объектом исследования выбрана Челябинская энергосистема, входящая в состав ОЭС Урала, так как наибольшая доля выработки электроэнергии электростанциями промышленных предприятий ЕЭС России составляет 10,3% для ОЭС Урала [6]. Исходя из проведенного анализа проектных решений подключения генераторов малой мощности на промышленных предприятиях Челябинской области, выбрана наиболее распространенная схема, представленная на рис. 1.

Рис.1 Типовая схема подключения генераторов малой мощности

Такая конфигурация соответствует наиболее распространенным схемам распределительных сетей (разомкнутые, изначально с односторонним питанием). Для анализа режима в данной схеме и исследования условий работы РЗА заданы основные параметры схемы и выбрано основное оборудование подстанции. Исходя из анализа типовых проектных решений для промышленных предприятий, мощность нагрузки принята равной P_НАГР = 20 МВт (P_НАГР1 = 10 МВт на одну секцию шин ГПП), tg ц_НАГР = 0,3; напряжение в сети низкого напряжения (НН) выбрано 10 кВ; номинальное напряжение генератора - 10,5 кВ; мощность генератора - 10 МВт; трансформатор марки ТДН-16000/110; три кабельные линии (КЛ) от генератора и 3 КЛ к нагрузке (на одну секцию шин) марки АПвПу 3x150/25.

На начальном этапе исследования ПП в типовой схеме рассчитаны действующие значения токов трехфазного КЗ в двух точках сети: на шинах НН понизительной подстанции и на шинах нагрузки [7]. Расчеты проводились для схемы до установки генератора малой мощности и после. Результаты расчетов приведены в таблице I.

Таблица 1. Расчетные значения токов КЗ в типовой схеме, кА

При моделировании электромеханических ПП в качестве возмущения выбрано трехфазное устойчивое КЗ на шинах нагрузки. Моделирование проводилось в ПК «RUSTab» (подпрограмма ПК «RastrWin3»). Для моделирования ПП в ПК «RUSTab» написан следующий сценарий развития событий: изначально генератор работает в нормальном режиме; в момент времени t_КЗ = 10 с на шинах нагрузки возникает трехфазное устойчивое КЗ; далее происходит отключение КЗ под действием МТЗ КЛ. Минимальное время отключения КЗ принимается исходя из обеспечения условий селективности МТЗ - t_откл = 0,5 с. В результате моделирования получен график изменения угла между векторами ЭДС генератора и системы, представленный на рис. 2.

Рис.2 График изменения угла между векторами ЭДС генератора и системы, д(t), полученный в ПК «RUSTab»

При возникновении КЗ на шинах нагрузки происходит торможение ротора генератора, что нетипично для электромеханических ПП в ЭЭС с генераторами средней и большой мощности. После отключения КЗ, наступают синхронные качания достаточно большой амплитуды и длительности, через, примерно 10 секунд, генератор возвращается к устойчивой работе в послеаварийном режиме, который близок к нормальному. Синхронные качания затрагивают вышестоящую сеть, что неблагоприятно сказывается на работе ЭЭС и устройств РЗА.

Моделирование электромеханических ПП, вызванных трехфазным устойчивым КЗ на шинах нагрузки в типовой схеме в ПК «MATLAB» позволяет более точно оценить ход ПП. В результате моделирования получен график изменения угла между векторами ЭДС генератора и системы, представленный на рис. 3.

Рис 3. График изменения угла между векторами ЭДС генератора и системы, д(t), полученный в ПК «MATLAB»

Таким образом, на рис. 3 видно, что за время КЗ ротор генератора делает проворот. На рис. 4, 5 показан характер синхронных качаний в сетях 10 кВ и 110 кВ. Токи и напряжения «качаются» в противофазе, что может привести к ложному или излишнему срабатыванию устройств РЗА как в сети 10 кВ, так и в сети 110 кВ.

Принимая во внимание недостатки типовой схемы, выбрана альтернативная схема подключения генераторов малой мощности и проведен расчет токов КЗ и анализ электромеханических ПП в ней.

Рис 4. Графики изменения фазного напряжения и тока на выводах генератора, полученные в ПК «MATLAB»

Рис 5. Графики изменения фазного напряжения и тока на шинах системы бесконечной мощности, полученные в ПК «MATLAB»

Моделирование переходных процессов в альтернативной схеме подключения генераторов малой мощности

В качестве альтернативной схемы подключения генераторов малой мощности к ЭЭС выбрана конфигурация, представленная на рис. 6.

Рис 6. Альтернативная схема подключения генераторов малой мощности

Особенностью данной схемы является подключение генераторов малой мощности через одну из обмоток НН трансформатора с расщепленной обмоткой НН. Нагрузка подключается через вторую обмотку НН. Параметры схемы и основное оборудование (за исключением трансформатора) приняты такие же, как и в типовой схеме. Так как генератор подключается через трансформатор, то необходимо устанавливать более мощный трансформатор. К установке в альтернативной схеме подключения генераторов выбран трансформатор ТРДН-32000/110.

На начальном этапе исследования ПП в альтернативной схеме рассчитаны действующие значения токов трехфазного устойчивого КЗ в двух точках сети: на шинах НН понизительной подстанции и на шинах нагрузки [5]. Результаты расчетов приведены в таблице II.

Таблица 2. Расчетные значения токов КЗ в альтернативной схеме, кА

Результаты расчетов показывают, что уровень токов КЗ при установке генераторов малой мощности по альтернативной схеме получается существенно меньше, чем в типовой. При этом он оказывается немногим выше, в сравнении с уровнем токов КЗ в типовой схеме при отсутствии генераторов в ней. Это позволяет не вносить значительные корректировки в работу устройств РЗА, установленных на КЛ к нагрузке.

Условия для моделирования электромеханических ПП приняты такие же, как и для типовой схемы. Полученные графики изменения угла между векторами ЭДС генератора и системы в ПК «RUSTab» и «MATLAB», представлены на рис. 7, 8.

Рис 7. График изменения угла между векторами ЭДС генератора и системы, д(t), полученный в ПК «RUSTab»

Рис 8. График изменения угла между векторами ЭДС генератора и системы, д(t), полученный в ПК «MATLAB»

На полученных графиках можно отметить значительное снижение амплитуды и длительности синхронных качаний в сети, что благоприятно для работы ЭЭС и устройств РЗА.

Выводы

Типовая схема подключения генераторов малой мощности широко распространена на промышленных предприятиях, имеющих собственную генерацию, ввиду ее простоты и сравнительно низких затрат на реконструкцию подстанции в результате установки генерации. Однако исходя из анализа электромеханических ПП в типовой схеме можно выявить следующие недостатки: увеличение токов КЗ в 1,5 раза; высокий уровень и большая длительность синхронных качаний в ЭЭС при электромеханических ПП, что может привести к неправильной работе устройств РЗА в сетях 10 кВ и 110 кВ.

С учетом выявленных недостатков подключения генераторов малой мощности по типовой схеме была предложена альтернативная схема подключения и проведен расчет токов КЗ и анализ электромеханических ПП в ней.

Расчеты показали, что при подключении генераторов малой мощности по альтернативной схеме увеличение уровня токов КЗ происходит незначительно в сравнении с типовой схемой. Кроме того, при возникновении КЗ на шинах НН подстанции в альтернативной схеме, генератор не отключается от сети, что происходит при КЗ непосредственно на шинах НН подстанции в типовой схеме.

При анализе электромеханических ПП, вызванных трехфазным КЗ на шинах нагрузки, в обеих схемах выявлен нетипичный характер электромеханических ПП, а именно торможение ротора генератора. Кроме того, при подключении генератора малой мощности через одну из обмоток трансформатора с расщепленной обмоткой НН возможно значительное снижение уровня и длительности синхронных качаний в сети.

Полученные результаты подкреплены моделированием в ПК «RUSTab» и «MATLAB».

Список литературы

Дьяков, А.Ф. Малая энергетика России. Проблемы и перспективы / А.Ф. Дьяков; [Библиотека электротехника, приложение к журналу «Энергетик». Специальный выпуск 2-3 (50-51)]. - М.: НТФ «Энергопрогресс», 2003. - 128 с.

Нудельман, Г.С. Направления научных исследований в области релейной защиты и автоматики / Г.С. Нудельман, Д.Б. Гвоздев, А.В. Жуков // Релейщик. - 2014. - №4(20). - С. 16-18.

Нудельман, Г.С. Направления инновационного развития РЗА / Г.С. Нудельман, А.Н. Подшивалин // Релейщик. - 2015. - №3(23). - С. 18-22.

Apostolov, A. Improving the Protection of Distribution Systems with DERs / A. Apostolov // PAC World. - 2015. - March. - P. 20-25.

The Impact of Renewables Energy Sources and Distributed Generation on Substation Protection and Automation // CIGRE Working Group B5.34 Report. - 2010. - 233 p.

Отчет о функционировании ЕЭС России в 2016 году [Электронный ресурс]. - М.: ОАО «СО ЕЭС». - Режим доступа: http://so-ups.ru/fileadmin/files/company/reports/disclosure/2017/ups_rep2016.pdf

Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования / Под ред. Б.Н. Неклепаева. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. - 152 с.

Размещено на Allbest.ru