«Проблемы надежной эксплуатации объектов малой генерации в электрических сетях»

Проблемы надежной эксплуатации

объектов распределенной генерации в

электрических сетях

Илюшин Павел Владимирович

Заместитель Генерального директора

АО «Техническая инспекция ЕЭС», к.т.н.,

руководитель подкомитета С6 РНК СИГРЭ,

руководитель подкомитета ПК-5

ТК 016 «Электроэнергетика» Росстандарта

Новосибирск, 2016

Тренд на гармоничное развитие традиционной и

распределенной генерации

АО «ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНСПЕКЦИЯ ЕЭС»

Развитие стандартизации

и ужесточение ТТ к работе

объектов РГ в составе ЭЭС

Рост суммарной установленной мощности установок РГ в

энергосистемах развитых стран

Рост воздействия объектов РГ на установившиеся и

динамические режимы работы ЭЭС

Рост установленной мощности единичных объектов РГ

(ветропарки, крупные солнечные электростанции)

! Решение вопросов

резервирования объектов РГ

энергоустановками ТЭС, АЭС

и их реновация

2

1. Развитие гибридных энергетических комплексов с применением технологий

накопления электрической энергии

2. Развитие технологий «Smart Grid», «Smart City», «Smart Energy» и т.п.

3. Развитие технологий сбора, обработки и передачи данных

4. Создание новых моделей рыночного и технологического управления

объектами распределенной генерации и потребителями

Мировые тенденции в развитии

распределенной генерации

!

Существующее положение с эксплуатацией

ГУ объектов распределенной генерации

АО «ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНСПЕКЦИЯ ЕЭС» 3

Наблюдается рост числа случаев с полным или частичным

нарушением электроснабжения потребителей I категории, включая

особую группу, имеющих место при каскадных авариях, начинающихся

с отключения источников питания в сетях внешнего электроснабжения

и завершающихся нерасчетной и некорректной работой оборудования

систем внутреннего электроснабжения потребителей

! ПРИЧИНА: некорректные технические решения по составу, количеству и

алгоритмам работы оборудования, устройств РЗА, принятые без

специализированных, нетиповых натурных исследований параметров

электрических режимов и расчетов установившихся и оптимизационных

режимов, электромеханических переходных процессов и показателей

качества электроэнергии

http://images.yandex.ru/

Проблемные вопросы связанные с

конструктивными особенностями ГУ


Механические повреждения ГУ из-за воздействия ударных

электромагнитных моментов при возникновении многофазных КЗ или

НАПВ во внешней электрической сети 1

Неуспешные выделения действием АВСН в связи с отключением ГУ

технологическими защитами или защитой от обратной мощности при

набросах / сбросах нагрузки

Нарушения динамической устойчивости ГУ (ГПУ, ГТУ с разрезными валами

– свободными силовыми турбинами) при многофазных КЗ во внешней

электрической сети

Преждевременные отключения ГТУ технологической защитой при снижении

f в ЭЭС или выделенном энергорайоне (переход компрессора в режим

«помпажа»)

4

2

3

Невозможность длительной работы в изолированном режиме из-за

наличия ограничений по технологическому минимуму нагрузки ГУ

(диапазон от единиц до десятков % от Р ном.) 5

Снижение мощности и КПД ГТУ в зависимости от температуры наружного

воздуха (ограничения режима потребления или проектное завышение

мощности ГТУ для обеспечения возможности изолированной работы) 6

Отключение ГУ защитой от повышения вибрации из-за возникновения

крутильных субсинхронных колебаний при сбросе нагрузки мощными

электродвигателями с (ЧРП) при автономном режиме работы 7

Быстрое отключение генератора устройствами РЗА,

чтобы можно было существенно снизить величины

Mк(2,3)макс и МНАПВ невозможно, и таким способом

исключить воздействие ударных нагрузок нереально

5

Механическая стойкость ГУ

при КЗ и НАПВ


максимальное значение механического момента

(Mк(3).макс) при трехфазном КЗ может в 5-10 раз

превышать номинальный момент (обусловлено

значением апериодической составляющей тока КЗ)

при двухфазном КЗ значение Mк(2).макс может в 1,3-1,4

раза превышать величину Mк(3).макс (обусловлено ярко

выраженной 2-ой гармоникой, составляющей 50% от

основной, искажающей синусоидальную форму момента)

величина МНАПВ может достигать для генераторов без

демпферной обмотки в 3,2 раза больше, а для

генераторов с демпферной обмоткой до 1,7 раза больше,

чем при трехфазном КЗ

! 1. При трехфазном КЗ ток пропорционален ЭДС генератора и обратно

пропорционален суммарному сопротивлению цепи КЗ

2. При НАПВ ток пропорционален разности мгновенных значений ЭДС

генератора и напряжения сети и обратно пропорционален X (генератора,

трансформатора и внешней сети), а степень опасности НАПВ увеличивается

со снижением мощности электростанции

6

Асинхронные режимы работы

многовальных ГТУ и ГПУ


Рис.1. Расчет изменения скоростей вращения

генераторов ПГЭС: газотурбинных двухвальных

Г1-Г3, и паротурбинного Г4 при трехфазном КЗ с

отключением линии в ремонтной схеме

Рис. 2. Тот же процесс, что на рис. 1,

но при замене двухвальных ГТУ

на одновальные

Многочастотные АР наблюдаются в узлах промышленной нагрузки, особенно при

наличии объектов РГ и большой долей СД (значительные перемещения ЭЦК,

затрудняющие выявление и ликвидацию АР)

Многочастотный АР (7с) Доля АД - 40% от

общей нагрузки

Работа ГТУ в автономном режиме

в узлах промышленной нагрузкой


Активная мощность ГТУ и радиальная вибрация

!

Модуляция амплитуды основной

гармоники несинусоидальной

кривой при сбросах нагрузки

может достигать до 40% от

максимальных значений и

повторяться каждые 4 цикла

(с частотой примерно 12 Гц)

Ток в фазе ГТУ

При сбросе нагрузки возникают колебания

амплитуды входного тока тиристорных

ЧРП, которые вызывают колебания тока

нагрузки генераторов и моментов на их

валах, что и является основной причиной

возникновения крутильных субсинхронных

колебаний валов ГТУ

1. Виброактивность ГТУ развивается в результате сброса нагрузки,

подключенной через частотно-регулируемые (тиристорные) привода

2. Время развития технологического нарушения связано с особенностями

изменения нагрузки и состоянием сети (соотношением нагрузок и величиной

загрузки ГТУ) и составляет от 2 до 16 минут

Неселективное отключение генераторов устройствами РЗА при отсутствии

угрозы механического или термического повреждения при возникновении

КЗ в прилегающей электрической сети

Проблемные вопросы связанные с

алгоритмами/настройками САУ (САР) и РЗА


Повышенный износ регулирующих клапанов при отсутствии зоны

нечувствительности в АРЧВ (исключение УВ на турбину при малых

отклонениях f близи ее номинального значения)

Невозможность (значительные сложности) обеспечения селективного

отключения КЗ в сети, а также прямых пусков электродвигателей при

изолированной (автономной) работе ГТУ с ТПЧ

Возникновение лавины U при применении модуля согласования нагрузки

на автономно работающих ГУ при больших набросах нагрузки

Невозможность обеспечения регулирования частоты вращения

генераторов в 2-х состояниях: при параллельной работе с сетью и при

автономной (изолированной) работе

4

2

3

5

1

Отключения ГУ устройствами РЗА при работе в изолированном режиме

вследствие недопустимого уровня гармонических составляющих в токе

нагрузки (большая доля нелинейных электроприемников)

Отключения ГУ устройствами РЗА в изолированном режиме вследствие

недопустимого уровня несимметричности нагрузки по фазам (высокий

уровень несимметрии фазных напряжений) 6

7

Применение на ГУ модуля

согласования нагрузки


Модуль при значительном набросе нагрузки осуществляет воздействие на АРВ за

счет понижение уставки АРВ по напряжению при снижении скорости вращения

(частоты) для снижения нагрузки на ГУ и облегчения переходного процесса

Переходный процесс

при набросе мощности

на автономно

работающую ГУ. Нагрузка имеет

регулирующий эффект

KPU ≈ 1,9 отн. ед.

(5% - АД, остальное –

статическая нагрузка)

Переходный процесс

при набросе мощности

после бестоковой

паузы 0,18 с (АВР). Нагрузка имеет

регулирующий эффект

KPU ≈ 0,1 отн. ед.

(95% - АД, остальное –

статическая нагрузка)

! Применение модуля может спровоцировать лавину напряжения в узлах

промышленной нагрузки с большой долей асинхронных двигателей, а

допустимость применения модуля должна определяется расчетами

электромеханических переходных процессов

Выбор законов регулирования

частоты и мощности


Рис. 1. Частота и генерируемая мощность при отделении от сети

многовальной ГТУ без регулирования подачи топлива, с разными

сбросами и набросами нагрузки ΔP: а – при трехфазном КЗ, б – без КЗ

САУ фиксирует переход

к автономному режиму,

если ΔP равны

-60% и -75%, включая

алгоритм

регулирования

скорости (частоты), в

остальных остается

регулирование

мощности

а б

Если при отделении от

энергосистемы

нагрузка ГТУ снижается

(ΔP от –40% до –5%),

частота повышается, а

регулятор мощности

пытается вернуть

генерацию активной

мощности к исходной,

увеличивая подачу

топлива, еще больше

повышая частоту.

При набросах нагрузки

(+5%, +20%) действия

регулятора мощности

усиливает понижение

частоты

11

Последствия неселективного

выбора уставок устройств РЗА ГУ


Указаны срабатывания пусковых органов устройств РЗА ГУ, препятствующие

нормальному функционированию в автономном режиме, однако в большинстве

случаев они не подлежат изменению для сохранения гарантийных обязательства

на ГУ заводом-изготовителем

Рис.1. Осциллограмма переходного процесса

при отделении ГУ с газопоршневыми

двигателями от внешней сети

Рис.2. Осциллограмма переходного процесса

при работе ГУ в изолированном режиме, при

пуске синхронного двигателя

мощностью 1250 кВт

Влияние на режимы работы ГУ

несимметричной нагрузки


U, кВ

I, кА

Турбогенераторы должны допускать

длительную работу при

несимметричной нагрузке, если токи

в фазах не превышают I ном., а токи

обратной последовательности не

превосходят 10 % от I ном. при

косвенном охлаждении обмотки

ротора и 8 % при непосредственном

(п. 4.19 ГОСТ 533-2000)

Отключения ГУ устройствами РЗА в изолированном режиме вследствие

недопустимого уровня несимметричности нагрузки по фазам

Большое содержание в нагрузке ГУ

однофазных потребителей может

приводить к несимметрии токов в фазах Эпюры фазных

напряжений на фидере

с несимметричной

нагрузкой в РТП

При несимметричной нагрузке турбогенераторов

в статоре возникают токи обратной

последовательности, магнитное поле которых

вращается относительно ротора с двойной

частотой и индуктирует в замкнутых контурах

ротора вихревые токи двойной частоты,

вызывающие дополнительный нагрев элементов

ротора, вызывая размягчение материала

пазовых клиньев ротора

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30

Мо

щн

ос

ть

, %

K-фактор нагрузки

Влияние на режимы работы ГУ

гармонических составляющих


Контроль качества электроэнергии в сетях

0,4 кВ показывает, что практически на

каждой третьей ТП 6-10 кВ уровень

искажения синусоидальности кривой

напряжения (особенно по 3, 9 и 15

гармоникам) существенно превышает

допустимые ГОСТ 32144-2013

Типовая нелинейная

нагрузка

I нейтр.~ I фазн.

Частотный привод

двигателя

Диммер 90о

Iнейтр. = 1,43 Iфазн. Iнейтр. = 1,67 Iфазн.

Компактные

люминесцентные лампы

Линейная

нагрузка

Спектр ВЧ гармоник

на ТП

Спектр ВЧ гармоник

на РП

Рост доли нелинейных электроприемников

(статических силовых преобразователей,

устройств частотного регулирования

электроприводов, импульсных источников

питания, компактных люминесцентных ламп

и т.п.) в жилых и общественных зданиях

Снижение уровня допустимой мощности для источников

бесперебойного питания и дизель-генераторных установок

Основные вопросы, подлежащие

анализу при внедрении объекта РГ

Оценить конструктивные

особенности ГУ (технологические

ограничения и защиты)

Оценить алгоритмы и параметры

настройки САУ (САР) ГУ

Оценить влияние нагрузки на

режимы работы ГУ


Оценить влияние особых режимов

работы ГУ на надежность

электроснабжения потребителей

КРУГ ЗАДАЧ,

РЕШАЕМЫХ В

РАМКАХ СВМ

14

Оценить влияние

особенностей сети на

возможность

безаварийной работы ГУ

Оценить алгоритмы и

уставки устройств РЗА ГУ

и их согласованность с

уставками РЗА сети

Оценить допустимость

режимов работы ГУ

(параллельный;

изолированный)

Оценить возможность

участия ГУ в алгоритмах

устройств ПА сетей

Цель обследований – повышение

живучести системы электроснабжения


Оценка живучести систем внешнего и внутреннего электроснабжения

в различных режимах работы (нормальных, аварийных, ремонтных) 1

Анализ технического состояния оборудования, организации

эксплуатации, в том числе технического обслуживания и ремонтов

элементов систем электроснабжения

Определение элементов системы электроснабжения, нарушение в

работе или отключение которых в нормальных, ремонтных и

аварийных режимах приводит к нарушениям в работе

технологического оборудования объекта

Оценка достаточности мер, предусмотренных проектами

электроснабжения для обеспечения надежного электроснабжения

технологического оборудования объекта

4

2

3

Проверка и анализ полноты выполнения требований правил работы с

персоналом и ПТЭ электроустановок потребителей 5

ЖИВУЧЕСТЬ – это способность системы электроснабжения противостоять

редким и тяжелым аварийным возмущениям, не допуская каскадного

развития аварий с массовыми нарушениями электроснабжения

электроприемников потребителей

Оценка надежности электроснабжения

потребителей в различных режимах


Документальное

обследование

Инструментальное

обследование

Проведение комплекса

расчетов:

установившихся режимов,

электромеханических

переходных процессов,

показателей качества

электроэнергии и расчетов

токов короткого замыкания

с целью проверки

обоснованности принятых

проектных решений, а также

разработки рекомендаций

по повышению надежности

электроснабжения

потребителей

Получение и

обработка исходных

данных:

принципиальных схем,

руководств по

эксплуатации и паспортов

оборудования,

необходимых и

достаточных для создания

расчетной модели

энергорайона

выделяющегося на

электроснабжение от

РИП (ДГУ)

Проведение натурных

испытаний и

измерений:

параметров электрических

режимов и имитация

аварийных событий,

обработка полученных

экспериментальных данных

для восполнения

недостающей информации,

необходимой для

формирования расчетной

модели, а также проверки

работоспособности

устройств РЗА

+ = Результаты

обследования

2 1 3

▌ Точное определение цели внедрения объекта РГ и режимов его работы

с учетом особенностей технологии основного производства и

требований по надежности электроснабжения электроприемников

▌ Правильное составление ТТ к генерирующему оборудованию и ТЗ на

его закупку с учетом конструктивных особенностей ГУ и

алгоритмов/настроек САУ (САР), включая устройства РЗА

▌ Разработка в обязательном порядке схемы выдачи мощности ГУ

объектов РГ в распределительную сеть (сеть внутреннего

электроснабжения предприятия) для решения проблемных аспектов

интеграции или выявления рисков и принятия мер по их минимизации

▌ В эксплуатации целесообразно проведение оценки надежности

электроснабжения электроприемников с выполнением натурных

испытаний и измерений, осуществлением комплекса расчетов

электрических режимов для выявления потенциальных рисков

нарушения электроснабжения

▌ Реализация разработанных рекомендаций по повышению надежности

электроснабжения электроприемников позволит гарантировать

бесперебойность электроснабжения особо ответственных

потребителей в различных схемно-режимных ситуациях


ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Благодарю за внимание!

АО «Техническая инспекция ЕЭС»

Москва, Славянская площадь, д. 2/5, стр. 5

Тел./факс: +7 495 727 38 76

E-mail: [email protected]

www.ti-ees.ru

mailto:[email protected]



Business

«Проблемы надежной эксплуатации объектов малой генерации в электрических сетях»