Оптимизация режимов энергосистемы Северо-Запада на основе применения фазорегулирующих устройств

Энергосистема Санкт-Петербурга и прилегающего региона развивается в условиях быстро растущего спроса на электрическую энергию и определенного отставания ввода новых генерирующих мощностей. Так, максимум потребления электроэнергии 6879 МВт был зарегистрирован 23 января 2006 года. Основной причиной увеличения спроса были устойчивые пониженные температуры. Указанная величина потребления на 439 МВт (6.8%) выше максимума потребления 2005 года, на 544 МВт (8.6%) выше максимума потребления в период до 1990 года и, что весьма характерно, на 33% выше максимального потребления в 1998 году.

Следует отметить, что для покрытия максимумов потребления были * задействованы все располагаемые резервы электростанций. Режимы электрической сети в период осеннее-зимнего максимума (ОЗМ) можно характеризовать как напряженные, перегрузка оборудования предотвращалась проведением специальных мероприятий (например, переводом потребителей на электроснабжение от менее загруженных центров питания и др.). В условиях повышенного спроса загрузка основных трансформаторных мощностей находилась в интервале между 85 и 100%. Приблизительно 20% высоковольтных линий электропередачи в этот период были нагружены на 90 — 95%.

Дефицит электроэнергии покрывался передачей электроэнергии из ОЭС Центра.

Таким образом, рассмотренный напряженный период работы ф энергосистемы характеризовался.

— полным использованием резервов генерирующих мощностей;

— полное использованием пропускной способности межсистемных транзитов;

— величинами потоков мощности по системообразующей сети и автотрансформаторным связям 750, 330, 220, 110 кВ достигающими номинальных значений;

— необходимостью ограничения потребителей в ряде районов в период экстремально низких температур;

Необходимо отметить, что в период экстремально низких температур оборудование электростанций и электрических сетей отработало без сбоев.

Предварительные прогнозы роста спроса на электрическую энергию показывают, что темпы роста потребления в период 2005 — 2010 гг. могут составить от 330 — 350 МВт в год при реализации умеренного сценария развития и 450 — 550 МВт в год при реализации оптимистического варианта развития экономики и коммунально-бытового сектора. Следует отметить, что в связи с быстрым развитием систем кондиционирования и ростом числа бытовых кондиционеров энергосистема может столкнуться с увеличением спроса на электрическую энергию в летние месяцы и появлением группы потребителей с крайне неблагоприятными с точки зрения устойчивости характеристиками. В связи со сказанным представляется важным выполнение исследовательских работ, связанных с изучением устойчивости системы по напряжению.

Для обеспечения надежного электроснабжения потребителей Санкт-Петербурга Правительством Санкт-Петербурга совместно с РАО ЕЭС России разработан план мероприятий, предусматривающий вводы новых генерирующих мощностей, интенсивное сетевое строительство и сооружение значительного количества новых подстанций 330 и 110 кВ. В рамках этих решений предусматривается строительство второй очереди Ленинградской атомной электростанции и значительное усиление сетей 330 и 750 кВ, существенно влияющих на надежность электроснабжения западной части Северо-западного региона.

Указанные масштабные задачи ставят целый ряд научных проблем, связанных с выбором рациональной структуры сетей, управлением режимами, в том числе по реактивной мощности, обеспечением необходимых запасов статической и динамической устойчивости.

4 Одной из самых острых системных проблем является нарастание противоречий между недостаточным регулировочным диапазоном генерирующих мощностей и неравномерным характером потребления электроэнергии. ЕЭС России имеет острый дефицит мобильных генерирующих мощностей и, соответственно, высокоманевренных электростанций. Обеспечение системной надежности и энергетической безопасности становится невозможным без решения этой проблемы.

В настоящее время годовой, недельный и суточный графики электропотребления отличаются достаточной неравномерностью во времени (коэффициенты неравномерности 0,63- 0,77 и 0,83 соответственно). В 2003;2006 гг. сложилась тенденция к возрастанию неравномерностей электропотребления, обострилась проблема обеспечения объемной и структурной сбалансированности производства и потребления электроэнергии.

Покрытие неравномерных потребностей в электроэнергии осуществляется преимущественно за счет регулирования нагрузки генерирующего оборудования электростанций и перетоков электроэнергии между энергосистемами в масштабах ЕЭС России.

Наибольшие трудности в покрытии неравномерных потребностей в электроэнергии возникают в осенне-зимнее время, когда потребление электроэнергии максимально и максимальна суточная неравномерность электропотребления. В этот период требуется наибольшее использование регулирующих возможностей генерирующего оборудования, что приводит к.

• вынужденной необходимости работы оборудования электростанций в максимально неэкономичном режиме.

Для регулирования неравномерности недельного графика электропотребления ЕЭС России и в виду недостатка маневренных мощностей на выходные дни вынужденно останавливаются до 15 энергоблоков установленной мощностью до 4000 МВт, а работающие разгружаются до технологического минимума. Это негативно сказывается на ресурсе и экономичности оборудования, а также существенно ограничивает возможности Системного оператора (ОАО «СО-ЦЦУ ЕЭС») по оптимизации энергетических режимов и компенсации реактивной мощности. Особенно актуальной и наиболее сложной становится проблема обеспечения сбалансированности суточного графика электропотребления.

Мировой энергетический опыт показывает, что эффективным решением этих проблем является сооружение высокоманевренных гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). ГАЭС технологически отличаются от всех других типов электростанций максимальным регулировочным диапазоном и максимальным быстродействием. Только ГАЭС способны работать как в пиковой зоне, так и в зоне ночного провала суточного графика нагрузок. Быстродействие ГАЭС позволяет активно использовать оборудование станции в качестве резерва быстрого аварийного ввода. Время набора гидроагрегатом полной нагрузки от состояния покоя составляет всего 20−120 секунд, в насосном режиме — 6−9 минут. Собственные сооружения и оборудование ГАЭС просты, надежны и долговечны.

В целях обеспечения энергетической безопасности России и системной надежности ОЭС Северо-Запада, а также Единой энергетической системы страны признано целесообразным строительство Ленинградской ГАЭС на реке Шапше установленной мощностью 1560 МВт в турбинном режиме и 1760 в насосном режиме. Выдачу мощности ГАЭС рекомендуется осуществлять на напряжении 330 кВ и 750 кВ. Присоединение Ленинградской ГАЭС к энергосистеме предполагается осуществить заходом существующей ВЛ 330 кВ ПС Сясь — ПС Петрозаводск и предусмотренной к строительству второй цепи. Выдачу мощности на напряжение 750 кВ рекомендуется осуществить путем строительства ВЛ 750 кВ.

ПС Ленинградская — ПС Восточная — Ленинградская ГАЭС — ПС Белозерская (Череповец).

Предполагается строительство ОРУ 750 кВ на ПС Восточная с установкой автотрансформатора 750/330 кВ, 1000 МВА для надежного электроснабжения быстроразвивающихся промышленных предприятий и жилой застройки в восточной части города и прилегающих областных районов. Однако при указанном усилении сети возникает проблема организация параллельной работы сетей 110, 330 и 750 кВ, обеспечивающая рациональное распределение потоков активной и реактивной мощности.

Выполненными исследованиями показано, что оптимизация потокораспределения возможна только при применении средств продольного режимного регулирования, то есть устройств, позволяющих управлять распределением активной мощности по элементам сети. Для оптимизации распределения потов мощности между параллельно работающими сетями различных классов напряжения в наибольшей степени подходят силовые фазорегулирующие устройства (ФРУ). К настоящему времени наиболее освоенным типом фазорегулирующих устройств в России являются автотрансформаторы с поперечным регулирование напряжения [37, 51]. За счет наличия дополнительного трансформатора (так называемого возбуждающего) имеется возможность введения дополнительной поперечной составляющей напряжения, то есть регулируемого изменения фазы одного из напряжений трансформатора. Сдвиг фазы реализуется за счет разности коэффициентов трансформации.

В зарубежной практике достаточно широкое распространении нашли продольные (проходные) трансформаторы, обеспечивающие введение дополнительной поперечной составляющей напряжения, дающую возможность изменять фазу напряжения в пределах ± 25 электрических градусов. Достигнутые на сегодня мощности проходных фазорегулирующих трансформаторов в среднем составляет 450 — 660 МВА [83, 86], но достигают мощностей 1630 МВА [67].

Следует отметить, что в использовавшихся ранее конструкциях переключение соответствующих ответвлений обмоток осуществлялось механическими переключателями, что обусловливало низкую надежность всего устройства в целом. Эксплуатационные службы, как правило, определяли близкое к оптимальному положение переключательного устройства, после чего выводили его из работы. Так, например, обстоит дело на ЛАЭС.

Благодаря усовершенствованиям аппаратуры на основе силовой электроники появились предложения по конструкциям фазорегулирующих трансформаторов или фазорегулирующих устройств (ФРУ) без механических контактных переключателей на основе тиристоров [64, 65, 66]. Динамические характеристики таких ФРУ допускают весьма быстрое изменение регулируемого параметра, позволяющее корректировать протекание переходных процессов, вызванных конечными возмущениями [54,56, 65, 78]. Однако на практике такие устройства до сих пор не реализованы.

Следует отметить, что интерес к возможностям изменения под нагрузкой продольного (для управлением величиной напряжения и реактивной мощности) и поперечного (для воздействия на потоки активной мощности) коэффициентов трансформации силовых трансформаторов возник еще в середине 30-х годов прошлого столетия на первых этапах формирования объединенных электрических систем [51, 79]. Так, в работе известного советского ученого В. Г. Холмского, выпущенной в 1950 г. приведены ссылки на работы 30-х годов. Теория вопроса активно развивалась киевской научной школой и получила продолжение в трудах научной школы Новосибирского электротехнического института (ныне технический университет), возглавлявшейся профессором В. М. Чебаном [53 — 59]. В зарубежной практике большое количество работ появилось в середине-конце 70-х годов прошлого века, когда вопрос о реальном управлении потокораспределением в сложно-замкнутых сетях встал на повестку дня [64, 65, 66, 78, 79, 86]. Трансформаторы с управлением фазой напряжения (как правило, это проходные трансформаторы последовательного включения) достаточно широко распространены в Западной Европе и США и не случайно на сессии СИГРЭ 2006 года появилась отдельная секция, посвященная фазорегулирующим трансформаторам [67, 82]. Следует отметить, что все применяемые в настоящее время трансформаторы указанного типа имеют механические переключатели ответвлений, хотя имеется достаточное количество теоретических работ по применению тиристорных плавно регулируемых быстродействующих систем [64, 75, 79, 84]. Благодаря развитию систем силовой электроники в последнее время активно обсуждается вопрос о замене трансформатора с переключающимися ответвлениями на управляемый инвертор, питающийся от вспомогательного трансформатора, который обеспечивает введение необходимой величины напряжения, сдвинутого на заданный угол по отношению к основному. Указанное устройство получило название «обобщенный регулятор перетока» (Unified Power Flow Controller в английской терминологии) [65, 71, 75, 76, 79, 80]. К настоящему моменту одно такое устройство реализовано в США [79].

Объектом исследования данной работы является применение ФРУ для улучшения характеристик установившихся режимов электрических сетей западной части ОЭС Северо-запада, обеспечивающих электроснабжение Санкт-Петербурга. В качестве фазорегулирующих устройств предполагается применение автотрансформаторов с поперечным регулированием фазы выходного напряжения и трансформатора последовательного включения. Применение этих устройств позволяет оптимизировать загрузку наиболее мощных сетей класса 330 и 750 кВ и добиться снижения потерь. Для снижения возможных перегрузок элементов сети предполагается установка проходного ФРУ на одной из подстанций.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: — на основе расчетов и анализа установившихся режимов западной части.

ОЭС Северо-запада разработаны рекомендации по местам установки.

ФРУ, обеспечивающих рациональное распределение потоков мощности по параллельно работающим сетям 330 и 750 кВ и снижение потерь;

— разработаны рекомендации по усилению системообразующих сетей 330 и 750 кВ ОЭС Северо-запада, включающих межсистемные линии электропередачи между ОЭС Северо-запада и ОЭС Центра;

— на языке Modelica разработана методика математического моделирования переходных процессов энергосистемы простой структуры, включающей ФРУ, для анализа процессов при конечных возмущениях и демпферных свойств;

— выполнены расчеты установившихся режимов и динамической устойчивости западной части ОЭС Северо-запада в условиях упрощенной модели и выполнены оценки запасов статической устойчивости;

— выполнено исследование влияния ФРУ с непрерывным управлением на показатели статической устойчивости.

Следует указать, что в отечественной энергетике был реализован ряд проектов, включающих фазорегулирующие устройства. Одно из них находится на Ленинградской атомной станции и предназначено для оптимизации распределения потоков активной мощности по сетям 330 и 750 кВ. Однако, из-за низкой надежности устройств механического переключения контактов это устройство работает в режиме сезонного регулирования. При выполнении данной работы автор не ориентировался на использование какой-либо конкретной системы регулирования, имея в виду получение методических результатов и общее понимание проблемы рационального управления потоками активной мощности.

В результате выполнения работы удалось обосновать место установки ФРУ, определить требования к глубине регулирования и оценить возможное влияние регулирования на ограничение перегрузок и снижение потерь в сети.

4.5. Выводы по Главе 4.

1. Выполнено исследование эффективности использования фазорегулирующего устройства для демпфирования колебаний в условиях простейшей электрической системы. Показано, что привлечение ФРУ с непрерывным регулированием эффективно только в условиях применения на генераторах АРВ пропорционального действия. Показано, что АРВ-СД обладает значительно большими возможностями в части обеспечения демпфирования колебаний.

2. Исследование устойчивости, выполненное для эквивалентной схемы части ОЭС Северо-запада, примыкающей к Санкт-Петербургу, показало, что рассматриваемая энергосистема обладает значительными запасами колебательной статической и динамической устойчивости, что подтверждает правильность выбранных проектных решений.

3. В условиях сложной электрической системы фазорегулирующее устройство имеет высокую эффективность с точки зрения ограничения опасных перегрузок элементов сети и оптимизации потокораспределения в нормальных и пославарийных режимах. Для решения вопроса о применении быстродействующих ФРУ для повышения динамической устойчивости и демпфирования послеаварийных качаний необходимо проведение исследований по координации настроек и согласованию законов управления ФРУ и других автоматических регуляторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Рассмотрены перспективы развития энергосистемы Санкт-Петербурга на разных этапах. Выделены ключевые моменты реконструкции и усиления сетей и ввода новых генерирующих мощностей. Показано, что в ходе развития сетей образуется несколько кольцевых структур линий 330 кВ, в том числе кабельных. Необходимо отметить большую техническую целесообразность сооружения воздушно-кабельной линии через Финский залив. Однако, параллельная работа связанных сетей напряжений 330 и 750 кВ характеризуется неравномерной загрузкой элементов и, в силу этого, повышенными потерями в сети.

2. Показано, что оптимальным решением вопроса регулирования потоков мощности по неоднородным сетям является установка фазорегулирующего автотрансформатора на подстанции «Восточная», связывающей разветвленные сети 330 кВ с линиями 750 кВ. Регулирование фазы напряжения обеспечивает равномерную загрузку систем линий электропередачи различных классов напряжения и снижение потерь мощности.

3. Принятая к реализации структура сети линий 330 кВ обусловливает в ряде режимов перегрузку внутригородских кабельных линий. Это требует установки второго фазорегулирующего устройства на ПС «Западная». Использование второго ФРУ позволяет ограничить токовые перегрузки линий и отказаться от прокладки второй цепи кабельной линии класса 330 кВ.

4. Использование фазорегулирующих устройств позволяет снизить потери в сети в среднем на 1,5 — 2 МВт.

5. Выполнено исследование эффективности использования фазорегулирующего устройства для демпфирования колебаний в условиях простейшей электрической системы. Показано, что привлечение ФРУ с непрерывным регулированием эффективно только в условиях применения на генераторах АРВ пропорционального действия. Показано, что АРВ-СД обладает значительно большими возможностями в части обеспечения демпфирования колебаний.

6. Исследование устойчивости, выполненное для эквивалентной схемы части ОЭС Северо-запада, примыкающей к Санкт-Петербургу, показало, что рассматриваемая энергосистема обладает значительными запасами колебательной статической и динамической устойчивости, что подтверждает правильность выбранных проектных решений.

7. В целом можно сделать вывод о высокой эффективности применения фазорегулирующих устройств для управления режимами сложно-замкнутых сетей и ограничения опасных перетоков мощности по сечениям. Целесообразно включить вопрос об использовании ФРУ в перспективной электрической сети электроснабжения Санкт-Петербурга.