Устройство гибкой связи несинхронных энергосистем

Полезная модель относится к электроэнергетике, а именно, к устройствам для связи несинхронных энергосистем, выполненным на основе двухмашинного асинхронизированного электромеханического преобразователя частоты (АС ЭМПЧ), и может быть использована для гибкой связи двух энергосистем, работающих с несовпадающими частотами и напряжениями. Задача полезной модели - обеспечить возможность нормированного участия генерирующих мощностей одной энергосистемы в автоматическом регулировании параметров электроэнергии другой энергосистемы. Существо предлагаемой полезной модели состоит в том, что устройство гибкой связи несинхронных энергосистем содержит АС ЭМПЧ и систему управления, к входам которой подключены датчики частот энергосистем и перетока активной мощности между ними, при этом система управления выполнена с возможностью автоматического регулирования перетока активной мощности в заданной зависимости от частоты, по меньшей мере, одной энергосистемы. Полезная модель имеет развитие, аналогичными средствами обеспечивающее возможность автоматически регулировать реактивную мощность, по меньшей мере, одной из машин АС ЭМПЧ в зависимости от напряжения на шинах или от напряжения на шинах и частоты соответствующей энергосистемы. Другие развития полезной модели, относящиеся к частному случаю размещения устройства на электростанции, дают возможность, сохраняя быстродействие регулирования мощности с помощью АС ЭМПЧ, автоматически перераспределять нагрузку энергосистемы между АС ЭМПЧ и генераторными агрегатами электростанции для минимизации суммарных потерь.

Область техники

Полезная модель относится к электроэнергетике, а именно, к устройствам для связи несинхронных энергосистем, выполненным на основе двухмашинного асинхронизированного электромеханического преобразователя частоты (АС ЭМПЧ), и может быть использовано для гибкой связи двух энергосистем, работающих с несовпадающими частотами и напряжениями.

Уровень техники

Известны устройства для гибкой связи энергосистем, выполненные на основе АС ЭМПЧ [авт. свид. SU 1246239, 1986 г., SU 1431005, 1988 г., SU 1473002. 1989 г., SU 1504720 1989 г., SU 1575262, 1990 г., SU 1576976,1990 г., SU 1598043, 1990 г., пат. RU 2020689, 1994 г., заявка WO 99/29008 - все в рубрике МПК H 02 J 3/06], с помощью которых обеспечивается переток активной мощности из одной энергосистемы в другую.

Недостаток известных устройств, включая «Устройство для связи двух энергосистем» по авт. свид. №1575262, выбранное в качестве прототипа, состоит в следующем.

При изменениях нагрузки в каждой из связанных энергосистем осуществляется независимое автоматическое регулирование частоты и напряжения генерирующими агрегатами каждой энергосистемы, снабженными собственными регуляторами мощности турбины, работающими на поддержание частоты, и собственными регуляторами возбуждения генератора, работающими на поддержание напряжения. Мощность, передаваемая через АС ЭМПЧ из одной энергосистемы в другую, задается и изменяется оператором. При таком задании перетока мощности генерирующие мощности передающей энергосистемы не участвуют в автоматическом (без участия оператора) поддержании частоты и напряжения в принимающей энергосистеме.

Раскрытие существа полезной модели

Задача полезной модели - обеспечить возможность нормированного участия генерирующих мощностей одной энергосистемы в автоматическом регулировании параметров электроэнергии другой энергосистемы.

Существо предлагаемой полезной модели состоит в том, что устройство гибкой связи несинхронных энергосистем содержит АС ЭМПЧ и систему управления, к входам которой подключены датчики частот энергосистем и перетока активной мощности между ними, при этом система управления выполнена с возможностью автоматического регулирования перетока активной мощности в заданной зависимости от частоты, по меньшей мере, одной энергосистемы.

Это обеспечивает возможность участия одной энергосистемы в автоматическом регулировании частоты другой энергосистемы.

Полезная модель имеет развития.

Одно из них состоит в том, что устройство содержит датчики реактивной мощности, по меньшей мере, одной из машин АС ЭМПЧ и напряжения на шинах, по меньшей мере, одной из энергосистем, подключенные к входам системы управления, которая выполнена с возможностью автоматического регулирования указанной реактивной мощности в заданной зависимости от напряжения на шинах соответствующей энергосистемы.

Это позволяет обеспечить комплексность участия устройства в автоматическом регулировании параметров электроэнергии соответствующей энергосистемы.

Другое развитие состоит в том, что устройство содержит датчики реактивной мощности, по меньшей мере, одной из машин асинхронизированного электромеханического преобразователя частоты и напряжения на шинах, по меньшей мере, одной из энергосистем, подключенные к входам системы управления, которая выполнена с возможностью автоматического регулирования указанной реактивной мощности в заданной зависимости от напряжения на шинах и частоты соответствующей энергосистемы.

Это позволяет использовать возможности АС ЭМПЧ по изменению реактивной мощности для оптимизации процесса автоматического регулирования частоты и напряжения на шинах соответствующей энергосистемы.

Следующие три развития полезной модели, относятся к частному случаю размещения устройства на электростанции и направлены на минимизацию

суммарных потерь путем перераспределения мощности между АС ЭМПЧ и генераторными агрегатами электростанции с сохранением быстродействия регулирования параметров электроэнергии с помощью АС ЭМПЧ.

Одно из этих развитии состоит в том, что система управления может быть снабжена средствами воздействия на регулятор мощности, по меньшей мере, одного генераторного агрегата, подключенного к одной из энергосистем, и выполнена с возможностью автоматического регулирования активной мощности указанного агрегата в заданной зависимости от частоты соответствующей энергосистемы и величины перетока активной мощности через АС ЭМПЧ.

Другое развитие состоит в том, что система управления может быть снабжена средствами воздействия на регулятор возбуждения, по меньшей мере, одного генераторного агрегата, подключенного к одной из энергосистем, и выполнена с возможностью автоматического регулирования реактивной мощности указанного агрегата в заданной зависимости от напряжения на шинах соответствующей энергосистемы и реактивной мощности соответствующей машины асинхронизированного электромеханического преобразователя частоты,

Третье развитие состоит в том, что система управления может быть снабжена средствами воздействия на регулятор возбуждения, по меньшей мере, одного генераторного агрегата, подключенного к одной из энергосистем, и выполнена с возможностью автоматического регулирования реактивной мощности указанного агрегата в заданной зависимости от напряжения на шинах и частоты соответствующей энергосистемы.

Система управления устройства может быть выполнена программируемой, например, на базе компьютера.

Краткое описание фигур

На фиг.1 представлена блок-схема, иллюстрирующая пример осуществления устройства с учетом развитии полезной модели. Фиг.2 и 3 иллюстрируют примеры функциональных зависимостей, задаваемых в системе управления устройства. Фиг.4 иллюстрирует процесс внутристанционного перевода мощности с АС ЭМПЧ на генераторные агрегаты электростанции.

Осуществление полезной модели

На фиг.1 приведен пример осуществления гибкой связи между энергосистемами согласно полезной модели с учетом ее развития.

Связь между энергосистемами 1 и 2 обеспечивает АС ЭМПЧ, включающий две асинхронизированные синхронные машины 3 и 4, установленные на общем валу. Статорные обмотки машин 3 и 4 подключены к секциям 5 и 6 распределительного устройства (РУ), работающим в энергосистемах 1 и 2 соответственно. Роторные обмотки машин 3 и 4 питаются от входящих в состав АС ЭМПЧ преобразователей 7 и 8 частоты.

Система 9 управления включает блоки 10, 11, 12. К входам 13 и 14 системы 9 подключены выходы датчиков 15 и 16 частот энергосистем 1 и 2 соответственно, к входам 17 и 18 - выходы датчиков 19, 20 напряжений на секциях 5 и 6 соответственно. К входу 21 системы 9 подключен выход датчика 22 передаваемой или получаемой (перетока) активной мощности, вход которого включен в статорную цепь одной из машин 3 или 4, а к входу 23 системы 9 - выход включенного в указанную цепь датчика 24 реактивной мощности. Кроме того, к входу 25 системы 9 подключен выход датчика 26 скорости вращения вала АС ЭМПЧ.

К секциям 5 и 6 могут быть подключены один или несколько генераторных агрегатов 27 и 28, работающих в энергосистемах 1 и 2 соответственно, снабженных собственными регуляторами 29 мощности и 30 возбуждения.

Блок 10 осуществляет непосредственное управление преобразователями 7 и 8, к управляющим входам которых подключены выходы 31 и 32 блока 10. Блок 11 управляет параметрами и режимами гибкой связи между энергосистемами 1 и 2, а блок 12 обеспечивает сопряжение системы 9 с регуляторами 29 и 30.

Система 9 (в частности ее блок 11) может быть выполнена программируемой, например, на базе компьютера.

Устройство работает следующим образом.

Каждая из энергосистем 1 и 2 генерирует электроэнергию со своими значениями частоты и напряжения на шинах соответствующей секции 5 и 6.

Общий вал машин 3 и 4, одна из которых работает в двигательном, а другая в генераторном режиме, вращается со скоростью, которая измеряется датчиком 26 и поддерживается пропорциональной среднему значению частот, измеряемых датчиками 15 и 16. Связь между системами характеризуется величиной перетока активной мощности, генерируемой в одной энергосистеме, через АС ЭМПЧ в другую энергосистему.

Пусть, например, в блоке 11 задана (запрограммирована) зависимость изменения величины перетока активной мощности в энергосистему 1 от частоты, измеряемой датчиком 15, показанная на фиг.2. Тогда, если отклонение частоты от номинала близко к нулю (не выходит за пределы погрешности измерений), блок 11, сравнивая величину перетока активной мощности, измеренную датчиком 22, с величиной заданной уставки (P₀₁, P ₀₂, Р₀₃ на фиг.2) воздействует через блок 10 на преобразователи 7 и 8 для уменьшения рассогласования сравниваемых величин и поддержания заданного значения активной мощности, измеряемой датчиком 22. Если измеренная датчиком 15 частота отклоняется от номинала на величину f, то блок 11 сравнивает измеренную датчиком 22 активную мощность с другой величиной, отклоняющейся от заданной уставки в соответствии с зависимостями, приведенными на фиг.2. и, тем самым, автоматически переходит в режим поддержания перетока активной мощности на новом уровне, например, P₀₁ ±Р. При этом знак и величина Р зависит от знака и величины отклонения частоты от номинала.

Пусть, например, в блоке 11 задана (запрограммирована) зависимость изменения величины реактивной мощности, выдаваемой АС ЭМПЧ в энергосистему 1 от напряжения, измеряемого датчиком 19, и частоты, измеряемой датчиком 15, показанная на фиг.3. Тогда, если отклонение U напряжения от номинала близко к нулю (не выходит за пределы погрешности измерений), блок 11, сравнивая величину реактивной мощности, измеренную датчиком 24, с величиной заданной уставки (Q₀₁, Q₀₂ на фиг.3), воздействует через блок 10 на преобразователи 7 и 8 для уменьшения рассогласования сравниваемых величин и поддержания заданного значения реактивной мощности, измеряемой датчиком 24. Если измеренное датчиком 19 напряжение отклоняется от номинала на величину U, то блок 11 сравнивает измеренную датчиком 24 реактивную мощность с другой величиной, отклоняющейся от заданной

уставки в соответствии с семействами зависимостей, приведенными на фиг.3, и тем самым, автоматически переходит в режим поддержания реактивной мощности на новом уровне, например, Q ₀₁±Q. При этом знак и величина Q зависит от знака и величины отклонения напряжения от номинала, а также от отклонения f частоты, измеренной датчиком 15, от номинала, которое служит параметром семейств зависимостей, приведенных на фиг.3.

В случае осуществления гибкой связи через секции РУ электростанции, на которой размещается устройство, система управления 9 может быть снабжена средствами воздействия (блок 12) на регулятор 29 мощности и/или на регулятор 30 возбуждения одного или нескольких генераторных агрегатов 27 электростанции, подключенных, например, к секции 5. При этом задаваемые уставки по перетоку активной мощности и по реактивной мощности АС ЭМПЧ могут изменяться с учетом мощностей, отдаваемых всей электростанцией в систему 1 и измеряемых датчиками 33 и 34 активной и реактивной мощности соответственно.

Для случая размещения устройства на электростанции рассмотрим его работу в двух режимах: стационарном и переходном.

В стационарном режиме в зависимости от направления перетока мощности АС ЭМПЧ может находиться в трех основных состояниях:

- мощность передается от энергосистемы 1 к энергосистеме 2;

- мощность передается от энергосистемы 2 к энергосистеме 1;

- мощность через АС ЭМПЧ не передается.

Нахождение АС ЭМПЧ в одном из этих состояний определяется соотношением избытка или дефицита мощности в энергосистемах. Расположение устройства внутри электростанции позволяет покрывать дефицит мощности одной энергосистемы за счет другой, а также использовать АС ЭМПЧ при выводе какого-либо агрегата в резерв или на ремонтные работы.

На фиг.4 приведены кривые, иллюстрирующие данный процесс:

а - зависимость мощности в энергосистеме 1 от времени;

б - зависимость частоты в энергосистеме 1 от времени;

в - зависимость мощности на выходе АС ЭМПЧ (перетока мощности) от времени;

г - зависимость мощности агрегатов 27 от времени.

Допустим, что энергосистема 1 работает со значением мощности P₁ и значением частоты f ₁. При этом через АС ЭМПЧ мощность не передается, а агрегаты 27, подключенные к секции 5 генерируют мощность P ₁. Рассмотрим случай, когда мощность нагрузки в энергосистеме 1 в момент t₁ увеличилась от значения P ₁ до значения Р₂ К моменту времени t₂ частота в системе снизилась до значения f₂. В этот момент устройство гибкой связи начинает отрабатывать возмущение в энергосистеме 1, изменяя переток активной мощности через АС ЭМПЧ в функции частоты (см. фиг.2), воздействуя на генераторы 27 начинает перевод энергосистемы 1 в состояние генерации мощности P₂. К моменту времени t₃ переходный процесс в энергосистеме 1 заканчивается, при этом АС ЭМПЧ передает из энергосистемы 2 в энергосистему 1 некоторою мощность P₃ =P₂-P₁, что способствует установлению нового значения частоты f₃ в соответствии с заданной зависимостью.

В момент времени t₂ также начинается процесс регулирования мощности агрегатов 27 в зависимости от частоты системы 1 и величины перетока - мощности через АС ЭМПЧ. Однако вследствие низкого быстродействия агрегатов 27, их вклад в процесс регулирования незначителен и только в момент времени t₃ они начинают вносить заметный вклад в процесс регулирования. Можно сказать, что в этот момент начинается процесс внутристанционного перевода мощности Р₃ с АС ЭМПЧ на агрегаты 27. К моменту времени t₄ агрегаты 27 генерируют дополнительную мощность P₂-P ₁, а через АС ЭМПЧ мощность не передается.

Рассмотренный алгоритм внутристанционного перевода мощности от АС ЭМПЧ к генерирующим агрегатам 27 не является единственно возможным, а зависит от принципов регулирования, принятых в конкретной энергосистеме. Например, можно не допустить падения частоты до величины f ₂, a обеспечить ее плавное изменение от значения f ₁ до значения f₃ по заданной зависимости или регулирование АС ЭМПЧ начинать не в момент времени t ₂, а в момент времени на промежутке t₁tt₂.

Процесс внутристанционного перевода реактивной мощности осуществляется аналогично.

Целесообразность перевода мощности определяется в каждом конкретном случае отдельно.

Преимущества предлагаемого устройства существенно расширяют функциональные возможности гибкой связи между энергосистемами, что позволяет применять его для удовлетворения разнообразных требований к взаимодействию связываемых энергосистем, включая требования к алгоритмам взаимодействия в аварийных ситуациях.

1. Устройство гибкой связи несинхронных энергосистем, содержащее двухмашинный асинхронизированный электромеханический преобразователь частоты и систему управления, к входам которой подключены датчики частот энергосистем и перетока активной мощности между ними, при этом система управления выполнена с возможностью автоматического регулирования перетока активной мощности в заданной зависимости от частоты, по меньшей мере, одной энергосистемы.

2. Устройство по п.1, содержащее датчики реактивной мощности, по меньшей мере, одной из машин асинхронизированного электромеханического преобразователя частоты и напряжения на шинах, по меньшей мере, одной из энергосистем, подключенные к входам системы управления, которая выполнена с возможностью автоматического регулирования указанной реактивной мощности в заданной зависимости от напряжения на шинах соответствующей энергосистемы.

3. Устройство по п.1, содержащее датчики реактивной мощности, по меньшей мере, одной из машин асинхронизированного электромеханического преобразователя частоты и напряжения на шинах, по меньшей мере, одной из энергосистем, подключенные к входам системы управления, которая выполнена с возможностью автоматического регулирования указанной реактивной мощности в заданной зависимости от напряжения на шинах и частоты соответствующей энергосистемы.

4. Устройство по п.1, предназначенное для размещения на электростанции, в котором система управления снабжена средствами воздействия на регулятор мощности, по меньшей мере, одного генераторного агрегата, подключенного к одной из энергосистем, и выполнена с возможностью автоматического регулирования активной мощности указанного агрегата в заданной зависимости от частоты соответствующей энергосистемы и величины перетока активной мощности через асинхронизированный электромеханический преобразователь частоты.

5. Устройство по п.4, в котором система управления снабжена средствами воздействия на регулятор возбуждения, по меньшей мере, одного генераторного агрегата, подключенного к одной из энергосистем, и выполнена с возможностью автоматического регулирования реактивной мощности указанного агрегата в заданной зависимости от напряжения на шинах соответствующей энергосистемы и реактивной мощности соответствующей машины асинхронизированного электромеханического преобразователя частоты.

6. Устройство по п.4, в котором система управления снабжена средствами воздействия на регулятор возбуждения, по меньшей мере, одного генераторного агрегата, подключенного к одной из энергосистем, и выполнена с возможностью автоматического регулирования реактивной мощности указанного агрегата в заданной зависимости от напряжения на шинах и частоты соответствующей энергосистемы.

7. Устройство по п.1, в котором система управления выполнена программируемой, например, на базе компьютера.