АНАЛИЗ РАБОТЫ АЧР ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ПГУ
I. ВВЕДЕНИЕ
ЕЭС России является одной из самых крупных энерго- систем мира. В связи с большой установленной мощностью и инерционностью, а также значительным количеством резервов активной мощности, локальные небалансы мощ- ности не приводят к серьезному изменению частоты в ЕЭС. Однако, при выделении на изолированную работу энергорайона, изменение частоты может быть довольно значительным. Характер изменения частоты при выделении энергорайона зависит от величины небаланса и резерва генерации, от динамических характеристик нагрузки и гене- рации.
В настоящее время структура генерации ЕЭС России претерпевает глобальные изменения. За последние годы ввелось большое количество газотурбинных (ГТУ) и парога- зовых установок (ПГУ), а также возобновляемых источников энергии. Данные вновь введенных источников обладают динамическими характеристиками, отличающимися от тра- диционных паротурбинных и гидротурбинных установок.
В связи с этим требуются дополнительные исследования работы данных энергоустановок при выделении с неба- лансом мощности.
Особенности работы ПГУ могут привести к лавинооб- разному снижению частоты при работе ПГУ на дефицит- ный энергорайон [1, 2]. В такой ситуации основную роль в ликвидации аварии будет играть система ограничения снижения частоты.
Одним из методов ограничения снижения частоты и образования лавины частоты является автоматическая частотная разгрузка (АЧР). При возникновении в энерго- системе значительного дефицита активной мощности, приводящего к снижению частоты ниже 49,2 Гц, устрой- ство АЧР отключает часть потребителей для восстановле- ния баланса активной мощности.
В разделах далее будет показано, как АЧР предотвра- щает лавинообразное снижение частоты при выделении дефицитного энергорайона с ПГУ. А также будут пред- ставлены результаты исследования влияния особенностей работы ПГУ на объем потребителей, отключаемых АЧР.
II. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ АЧР
Устройства АЧР подразделяются на АЧР-1 и АЧР-2.
Задача АЧР-1 – быстрое отключение части потребителей с целью остановить лавинообразный процесс. АЧР-2 пред- назначена для восстановления частоты после срабатыва- ния АЧР-1. АЧР выполняет отключение нагрузки потре- бителей небольшими объемами – очередями. Мощность нагрузки, подключаемой к устройствам АЧР, должна выбираться из условий ликвидации расчетных дефицитов мощности и приниматься с некоторым запасом.
Для устройств АЧР приняты уставки по частоте и вре- мени стандартом СО ЕЭС [3] (уставки по частоте с воз- вратом +0,1 Гц / по времени):
спецочередь (САЧР): 49,2 Гц/0,3 с;
основной объем АЧР-1: 48,8–46,5 Гц/0,3 с (с интер- валами по частоте 0,1–0,2 Гц);
несовмещенная АЧР-2: 49,1 Гц/5–40 с (с интерва- лами не более 5 с).
Мощность подключенной нагрузки должна составлять 3–4 % для САЧР, не менее 50 % от потребления для АЧР-1 и не менее 10 % для АЧР-2.
Модель создана с использованием возможностей про- граммного комплекса «Simulink».
A. Модель АЧР-1
Модель АЧР выполнена с использованием стандарт- ных блоков из библиотеки Simulink. Для моделирования потребителей, подключенных к очередям АЧР, использу- ются блоки нагрузки, подключенные к системе через блоки выключателей. Для реализации моделей САЧР и АЧР-1 созданы специальные подсистемы, собранные с помощью логических элементов, они представлены на рис. 1, а.
На вход логической части модели АЧР-1 приходит значение частоты, которое затем сравнивается с заданной в блоке сравнения уставкой по частоте. В нормальном режиме, когда частота выше уставки, на выходе блока сравнения находится сигнал 1, а на входе элемента OR – 0.
Для реализации обратной связи логических блоков в ком- плексе Simulink содержится специальный блок memory, который передает на вход элемента OR значение (0 или 1) с предыдущего шага моделирования. Обратная связь на элементе OR позволяет, при снижении частоты до уставки срабатывания, отключить потребителя без его последующего включения при повышении частоты. На выходе элемента OR предусмотрено наличие блока NOT из-за особенностей работы блока выключателя (включен, когда на входе com 1).
Уставка по времени выполнена при помощи блока Тransport Delay, который может работать только с определенным типом данных, поэтому на его входе есть блок преобразо- вания типа данных из boolean в double.
Часть нагрузки, подключенная к очереди АЧР-1, реа- лизована с использованием блока Three-Phase Series RLC Load, который подключается к тестовому энергорайону через блок выключателя.
Данный вариант выполнения АЧР в системе Simulink является простым, наглядным и учитывает основные требования, предъявляемые к устройствам АЧР-1.
B. Модель АЧР-2
Исполнение АЧР-2 в целом похоже на модель АЧР-1, но её особенностью является большая уставка по времени.
АЧР-2 срабатывает при медленном восстановлении частоты.
Необходимо, чтобы очередь АЧР-2 не срабатывала до того, как пройдет её уставка по времени и после того, как частота восстановится выше уставки возврата по частоте. Для этого в модель добавлен дополнительный элемент ИЛИ и уставка по времени на его входе. Модель одной очереди АЧР-2 представлена на рис. 1, б.
На входе логической части АЧР-2 значение частоты посредством двух блоков сравнения («уставка возврата»
и «уставка срабатывания») сопоставляется с соответствую- щими уставками. Уставка по времени реализована с помо- щью блока TransportDelay. Этот блок передает входящий на него сигнал с заданной задержкой времени. Для реали- зации работы уставки возврата предусмотрен блок OR, который блокирует отключение потребителя при повы- шении частоты выше уставки возврата. Дальнейшая схема с использованием обратной связи у элемента OR анало- гична АЧР-1.
Так как у несовмещенной АЧР-2 стандартом установ- лены одинаковые уставки по частоте для всех очередей, все очереди АЧР-2 можно выполнить внутри одной под- системы.
III. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ ТЕСТОВОГО ЭНЕРГОРАЙОНА
И ОСОБЕННОСТЕЙ ЕГО РАБОТЫ
В тестовый район, показанный на рис. 2, помещена модель ПГУ, линии электропередачи (ЛЭП), балансирующего узла, имитирующего подключение района к электроэнерге- тической системе (ЭЭС) и узла нагрузки. Красной линией показана точка отделения района.
В нормальном режиме баланс мощности в сети выпол- няется, так как энергорайон подключен к ЭЭС, которая восполняет дефицит активной мощности. В некоторый момент происходит отключение района от ЭЭС, в резуль- тате чего возникает небаланс и снижается частота.
При отклонении частоты внутри ПГУ работают регуля- торы скорости и температуры [4, 5]. Минимальный из этих сигналов определяет уставку по мощности. При отделении от системы в энергорайоне возникает дефицит мощности, который приводит к снижению частоты. Так как компрессор находится на одном валу с силовой турбиной, скорость его вращения также снижается, а следовательно, и снижа- ется подача воздуха в камеру сгорания. В связи с этим температура газов начинает расти и регулятор температуры снижает свой сигнал, что может привести к снижению мощности установки и дальнейшему снижению частоты.
Таким образом, даже при небольших дефицитах мощности могут сложиться условия для срабатывания АЧР.
В работе для анализа выполнено: 10 очередей АЧР-1 с уставками срабатывания 48,6–47,0 Гц, на каждую из кото- рых приходится по 5 % от суммарной нагрузки потреби- телей; 8 очередей несовмещенной АЧР-2, на которые сум- марно приходится 10 % от суммарной нагрузки, и САЧР, на которую приходится 4 %. Далее в работе будут показаны результаты исследования работы АЧР при потере связи с базисным узлом с разной суммарной мощностью потреби- телей, с учетом регулятора температуры ПГУ и без него.
IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ ОПЫТОВ
Для анализа работы АЧР при выделении района на изо- лированную работу был смоделирован ряд режимов, в кото- рых варьировалась мощность ПГУ и потребителей. Были сделаны опыты с учетом регулятора температуры ПГУ
и без него. Графики частоты и мощности ПГУ при неболь- шом дефиците мощности (5 % от мощности, выдаваемой ПГУ) без действия АЧР представлены на рис. 3. На них видно, что из-за ограничений, налагаемых регулятором температуры, падение частоты, с учетом его воздействия, глубже на 0,7 Гц.
Выделение района происходило в момент времени 10 с.
Результаты экспериментов представлены в таблице. В ле- генде (рис. 4, 5) представлена мощность нагрузки в долях от установленной мощности 450 МВт.
Рис. 2 – Схема тестового энергорайона
а
б
Рис. 3 – Графики частоты (а) и выдаваемой мощности (б) с учетом воздействия регулятора температуры и без него
а б
Рис. 1 – Модели: а – одной очереди АЧР-1; б – одной очереди АЧР-2
На графиках рассмотрена работа АЧР при разном объеме потребителей. Чем он больше, тем выше дефицит мощности в энергорайоне, соответственно, частота при выделении опускается глубже. Также при моделировании учитывалось собственное регулирование мощности ПГУ, причем рассмат- ривались случаи с учетом влияния регулятора температуры и без него. В первом случае просадка частоты ниже. Лучше всего это видно на графиках с мощностью нагрузки 1,1 от номинальной мощности ПГУ (495 МВт) и 1,2 (540 МВт).
Как видно из таблицы, при большем небалансе в системе срабатывает больше очередей АЧР. В случае, когда ПГУ загружена на 60 % и её выдаваемая мощность равна нагрузке, АЧР не потребовалась. При повышении мощности потребления на 10 % (соответствует значению 0,7 в таблице) сработала АЧР, отключив суммарно 20,25 % потребителей с учетом влияния регулятора температуры и лишь 4 % без него. В зависимости от того, учитывалось действие регулятора температуры или нет, потребовался разный объем АЧР. Например, при загрузке ПГУ на 60 % и вдвое большей нагрузке (соответствует значению 1,2 в таблице), с учетом регулятора температуры, появилась «лавина частоты» даже после срабатывания всех очередей АЧР.
Но при тех же условиях и без него частота установилась на допустимом уровне.
V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ограничение по выдаваемой мощности ПГУ тесно свя- зано со скоростью вращения турбины. В случае снижения
частоты могут создать условия, при которых ПГУ начнет снижать свою мощность. В этой ситуации, как было показа- но в работе, срабатывание очередей АЧР может произойти при меньшем дефиците мощности, чем рассчитанный без учета данной особенности работы ПГУ. Аналогично при больших дефицитах мощности требуется срабатыва- ния большего числа очередей АЧР, чем без учета эффекта снижения мощности ПГУ. Таким образом, в случае обнару- жения потенциальной возможности выделения ПГУ с энергорайоном на изолированную работу, данному энергорайону необходимо уделить большее внимание при размещении объемов АЧР.
Список литературы
[1] Meegahapola, L. Characterisation of gas turbine dynamics during frequency excursions in power networks // IET Generation, Transmission & Distribution. 2014. Vol. 8, Iss. 10. P. 1733–1743.
[2] Meegahapola, L., Flynn, D. Gas Turbine Modelling for Power System Dynamic Simulation Studies in Francisco / M. Gonzalez-Longatt, José Luis Rueda (ed.) // PowerFactory Applications for Power System Analysis. Springer, Cham, Switzerland, 2014. P. 175–195.
[3] СТО 59012820.29.240.001-2010. Технические правила организации в ЕЭС России автоматического ограничения снижения частоты при аварийном дефиците активной мощности (автоматическая частотная разгрузка). М.: ОАО «СО ЕЭС», 2009. 21 с.
[4] Rowen W.I. Simplified Mathematical Representations of Heavy-Duty Gas Turbines // J. Eng. Power. 1983. Vol. 105, N 4. P. 865–869.
[5] Dynamic models for Turbine-Governors in Power System Studies:
Technical report PES-TR1 // IEEE Power & Energy Society. Jan 2013.
© IX Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи – 2018»
СРАБАТЫВАНИЕ ОЧЕРЕДЕЙ АЧР ПРИ РАЗЛИЧНОЙ НАГРУЗКЕ
С учетом регулятора температуры Без учета регулятора температуры
0,6 0,8 1,0 0,6 0,8 1,0
0,6 АЧР не срабатывает – – АЧР не срабатывает – –
0,7
САЧР;
3 очереди АЧР-1;
1 очередь АЧР-2; – – САЧР; – –
0,8
САЧР;
7 очередей АЧР-1;
1 очередь АЧР-2;
САЧР;
6 очередей АЧР-1;
2 очередь АЧР-2; – САЧР;
3 очереди АЧР-1;
1 очередь АЧР-2;
САЧР;
2 очереди АЧР-1;
1 очередь АЧР-2; –
0,9
САЧР;
9 очередей АЧР-1;
1 очередь АЧР-2;
САЧР;
8 очередей АЧР-1;
1 очередь АЧР-2; – САЧР;
6 очередей АЧР-1;
1 очередь АЧР-2;
САЧР;
5 очередей АЧР-1;
2 очереди АЧР-2; –
1,0
САЧР;
10 очередей АЧР-1;
2 очереди АЧР-2;
САЧР;
9 очередей АЧР-1;
2 очереди АЧР-2;
САЧР;
8 очередей АЧР-1;
2 очереди АЧР-2;
САЧР;
7 очередей АЧР-1;
2 очереди АЧР-2;
САЧР;
7 очередей АЧР-1;
2 очереди АЧР-2;
САЧР;
7 очередей АЧР-1;
1 очередь АЧР-2;
1,1
САЧР;
10 очередей АЧР-1;
4 очереди АЧР-2;
САЧР;
10 очереди АЧР-1;
2 очереди АЧР-2;
САЧР;
10 очередей АЧР-1;
2 очереди АЧР-2;
САЧР;
9 очередей АЧР-1;
1 очередь АЧР-2;
САЧР;
9 очереди АЧР-1;
1 очереди АЧР-2;
САЧР;
8 очередей АЧР-1;
2 очереди АЧР-2;
1,2
Срабатывают все очереди, но частота не устанавливается
Срабатывают все очереди, но частота не устанавливается
САЧР;
10 очередей АЧР-1;
4 очереди АЧР-2;
САЧР;
10 очередей АЧР-1;
1 очередь АЧР-2;
САЧР;
10очередейАЧР-1;
1 очередь АЧР-2;
САЧР;
10 очередей АЧР-1;
1 очередь АЧР-2;
Рис. 4 – Графики частоты при разной нагрузке с выведенным регулятором температуры при загрузке ПГУ на 60 %
Рис. 5 – Графики частоты при разной нагрузке с регулятором температуры при загрузке ПГУ на 60 %
Pг Pн