Исследование влияния величины небаланса активной мощности выделившегося энергорайона на тяжесть переходного процесса при синхронизации с энергосистемой

В современных энергосистемах, отличающихся высокой сложностью и взаимосвязанностью, обеспечение устойчивой и надежной работы является одной из ключевых задач. Особую актуальность приобретают вопросы синхронизации частей энергосистемы после их разделения, вызванного аварийными или плановыми отключениями. Успешное восстановление синхронной работы во многом зависит от корректной настройки функций контроля синхронизма (КС) и улавливания синхронизма (УС), реализуемых в устройствах трехфазного автоматического повторного включения (ТАПВ) и специализированных устройствах синхронизации.

Внедрение данных функций направлено на предотвращение развития асинхронных режимов, минимизацию рисков повреждения оборудования и обеспечение быстрого восстановления нормальной схемы электроснабжения. Однако эффективность их работы напрямую определяется точностью расчетных параметров, таких как допустимая разность углов (6вкл), разность частот (Д/), граничные напряжения (Umin, Umax) и другие. Неправильный выбор уставки срабатывания АПВ может привести как к необоснованным блокировкам включения, так и к опасным включениям с потерей динамической устойчивости системы.

Основополагающим документом, устанавливающим единый системный подход к расчетам параметров АПВ с КС (УС), является Методика определения расчетных параметров для определения параметров настройки функций контроля и улавливания синхронизма, изданная АО «СО ЕЭС». Методика применяется для определения следующих режимных параметров, используемых для определения параметров настройки функций КС, УС линий электропередачи (ЛЭП) и электросетевого оборудования в составе устройств (функций) ТАПВ и микропроцессорных устройств:

• •    максимально допустимая разность углов векторов напряжения на полюсах коммутационного аппарата (далее - А6_вкл) - до 45-60° согласно [1];

• •    максимально допустимая разность частот между разделившимися частями энергосистемы (далее - А/) - не более 0,4 Гц в соответствии с [1], до 1 Гц согласно [2];

• •    разность частот, при которой выполняется смена алгоритма КС на алгоритм УС;

• •    максимально допустимая разность напряжений;

• •    минимально допустимое напряжение U_m j _n (уставка контроля наличия напряжения);

• •    максимально допустимое напряжение U _max (значение напряжения, выше которого алгоритм синхронизации блокируется).

Теоретическое обоснование указанных значений описаны в [3–7] и обобщены в совместном отчёте CIGRE/IEEE [8]. Влияние ускорения ротора как самостоятельного фактора в этих работах не выделяется. Анализ переходного процесса при несинхронном включении описан в [9]. В [10] выполнена оценка влияния погрешностей автоматической синхронизации (частоты скольжения и угла включения) на качество переходного процесса с использованием интегрального динамического воздействия. Авторами установлено, что знак частоты скольжения в диапазоне ±0,5 Гц не оказывает существенного влияния на качество синхронизации, однако при отрицательных значениях скольжения наблюдается тенденция к снижению динамического воздействия, в результате чего авторы рекомендуют выполнять синхронизацию при отрицательном скольжении. В диапазоне малых углов (±5…10°) знак угла также не даёт устойчивой закономерности, хотя для большинства генераторов предпочтительным является отрицательный угол включения (отставание ЭДС генератора от напряжения сети). Кроме того, уточнено значение угла максимального синхронизирующего момента (134–138° вместо 120° по данным [1]).

В [11] предложена методика определения допустимых параметров синхронизации изолированного энергорайона с энергосистемой при разности частот более 0,1 Гц. Показано, что при отрицательном скольжении (частота района ниже частоты системы) предельные углы синхронизации больше, чем при положительном, что объясняется влиянием асинхронного момента. Этот вывод качественно согласуется с результатами настоящего исследования, где также обнаружена асимметрия влияния положительного и отрицательного небаланса на тяжесть переходного процесса. Количественная оценка показывает, что при малых неба- лансах токи при отрицательном небалансе могут быть на 35 % ниже, чем при положительном, что дополняет результаты [11].

Таким образом, в рассмотренных работах ускорение не выделяется как самостоятельный фактор, определяющий тяжесть синхронизации при фиксированных А6вкл и А/. Настоящее исследование, в котором впервые выполнен количественный анализ влияния величины и знака ускорения на токовые нагрузки, заполняет этот пробел.

Целью настоящего исследования является анализ не учитываемого в методике параметра влияния величины ускорения вала ротора синхронного генератора на тяжесть переходного процесса при синхронизации с сетью.

Общее описание модели

Модель (рис. 1) представляет собой участок сети 500/220/110 кВ, связанный с остальной энергосистемой (представлен в виде базисного/балан-сирующего узла на ПС 500 кВ Победа) по воздушной линии ВЛ 500 кВ Победа – ЕЭС. В составе участка сети находятся:

• •    6 генераторов (Г2–Г7) общей номинальной мощностью 1200 МВт;

• •    6 ПС с общим потреблением 950 МВт;

• •    единственная электростанция (ТЭС).

На рис. 1 изображен участок, выделяющийся на изолированную работу в результате аварийных отключений ВЛ 220 кВ Восточная – Победа, ВЛ 220 кВ Восточная – ТЭС, Т1 (выделен красным и далее – изолированный участок), в составе которого система шин 220 кВ, система шин 110 кВ, ПС 500 кВ Восточная, Г7 с установленной мощностью 200 МВт, нагрузка потребителей суммарной мощностью 200 МВт.

С целью визуального упрощения графического представления модели приняты некоторые допущения: системы шин подстанций сэквивалентированы в одну систему шин (СШ) по условию, что в рамках исследования секционирующее их коммутационное оборудование находится во включенном состоянии. Исключением являются ПС 110 кВ КПД, ПС 110 кВ Сталеплавильная, ПС 110 кВ Ферросплав, так как в дальнейших исследованиях предполагается изменение состояния их СВ, ШСВ. Схема соединения генераторного оборудования сведена к форме «генератор – трансформатор – выключатель – система шин» по аналогичному условию. Автотрансформаторы визуально представлены в виде трансформаторов.

Для анализа непосредственного влияния величины ускорения необходимо выполнить фиксацию прочих параметров, влияющих на переходный процесс при синхронизации (разность углов А5вкл и разность частот А/ векторов напряжения генераторов между изолированными энергосистемами в момент синхронизации). Для этого в изолированный участок вводится второй баланси-

Рис. 1. Графическое представление исследуемой модели Fig. 1. Graphical representation of the studied model

рующий узел (БУ). Его внедрение открывает возможность для задания произвольного значения начального (в момент старта расчета динамики) угла включения δнач , что в свою очередь позволяет «подбирать» разность углов в момент синхронизации. Также второй балансирующий узел позволяет регулировать величину небаланса (ускорения) ^неб изолированного участка, что достигается посредством «подбора» определенной величины небаланса с компенсирующей его генерацией балансирующего узла с последующим его отключением. В результате небаланс активной и реактивной мощности после отключения БУ можно задавать любой величины. Данная методика для моделирования переходного процесса с произвольным небалансом активной мощности впервые разработана авторами настоящей статьи.

Программа исследований на модели и результаты моделирования

Программа исследования включает в себя, во-первых, выделение части энергорайона на изолированную работу с последующим АПВ. Во-вторых, исследование влияния ускорения (небаланса активной мощности) за счет фиксации прочих параметров (Δδвкл = 0 град, Δ^ = 0,1 Гц), оказывающих эффект на тяжесть синхронизации. В данном исследовании изменяемой величиной является значение ускорения ^вкл (и соответствующий ему небаланс активной мощности) в момент синхронизации энергосистем.

Для выполнения исследования авторами разработана специальная программа испытаний. Регистрация динамических параметров переходного процесса происходит в следующей последовательности:

• 1)    за да е тс я м и ним ал ьная в ел ич ина неба л анс а акт ив н о й м ощ н ос ти, обе с печив а юща я з а да н н у ю и не м е няю щ уюся в х о де ис с л едо вания разность частот Δ^ = 0,1 Гц;

• 2)    в ы п ол няетс я п ервич н ы й рас че т дина мически х па ра м е тров д л я о пре д е л е н ия объ е м а корре ктир у ющи х в озд ей ств и й: у ст а нов ка на чал ьного угла δ_нач п о ал г ори тм у «з а п у ск рас че та д ина м и к и » – «о ткл ючени е бал анс ир у ющ е го узл а (с оз да н ие небаланса активной мощности)» – «ожидание уско-р е н ия/торм ож е ни я ге не рато ров д о за да нн ой ча стоты (50,1/49,9 Гц)» – « раб о та А ПВ по ал горитму УС (уставка ^_уст = Δ^ = 0,1 Гц)»;

• 3)    пос л е оп ред ел ени я от к л оне н ия ра з нос т и углов от заданного значения Δδ_вкл = 0 град выполняется калибровка;

• 4)    пос л е корре ктиров к и в ы пол н яе тся ра с че т д ин ам ик и , со о т ве т с т в ующи й зад а н ны м п ар ам ет р ам.

О пыт п ов торяе тс я д л я ра з личны х в е личи н н еба л а н са . В ре зу л ьтате форм ир уе тс я з а вис им ос ть тяжести переходн о г о п роце сс а от в е л ичи ны уск ор е н ия в м оме нт в кл ючени я. Ве л ичи ной , оп ре дел яюще й тяж е с ть пе рех одн ого проце с с а , яв л яе тс я кратн ость тока с татора ге не ра торов , на х одящи х с я в н епос ред ств ен ной близ ос т и к в ключа е м ой в с инх ро н из м л и ни и, а та кж е в е личи на тока , проте к ающ е го по с и нх рон из ир у ющей ли ни и . При нц и п м оде лиров а ни я части чн о связ а н с кон цепц ие й «частич ной устойчи в ос ти», оп ис а н ной в [12]. Поясняющий график представлен на ри с . 2. Здесь показа ны гра фик и тока с татора ге не ра тора Г7, тока синхронизирующей линии, а т ак ж е гра фик ра з н ости у гл ов н ап ряж ени я сис т е м в пе ре х одном пр оце сс е при син х рон из а ц и и эн ергос ис те м .

В результате исследования сформированы графики зависимости максимальных значений кратностей токов статоров генераторов (рис. 3а) и максимального значения тока синхронизирующей линии (рис. 3b) от величины небаланса (ускорения) активной мощности. Выделившийся на изолированную работу генератор отмечен пунктирной линией. Зоны ограничения в области малых небалансов обусловлены неспособностью изолированного участка развить достаточную по требованию уставки разность частот 0,1 Гц.

Дополнительно представлены графики зависимости начальных (в момент синхронизации) значений кратностей токов статоров генераторов (рис. 4а) и начального значения тока синхронизирующей линии (рис. 4b) от величины небаланса (ускорения) активной мощности.

Обсуждение результатов моделирования

В ходе исследования, выполненного при фиксированных значениях разности углов и частот, было установлено, что величина ускорения (небаланса активной мощности) оказывает непосредственное влияние на тяжесть последующего переходного процесса. Зафиксирована устойчивая зависимость роста токовых нагрузок как в генераторном оборудовании, так и в синхронизируемой линии связи при увеличении абсолютной величины небаланса.

Анализ зависимостей (см. рис. 3) демонстрирует нелинейный характер влияния ускорения. С увеличением абсолютного значения небаланса наблюдается прогрессирующий рост максимальных кратностей токов статоров генераторов и тока

Рис. 2. Демонстрация графика переходного процесса при синхронизации энергосистем с избытком 20 МВт Fig. 2. Demonstration of the transient process during synchronization of power systems with a surplus of 20 MW

а)

b)

Рис. 3. Зависимость: а) максимальных значений кратностей токов статоров генераторов от небаланса (ускорения) К ст . макс = /(а _вкл ) ; b) максимального значения тока синхронизирующей линии от небаланса (ускорения) / ВЛ . макс = /(О вкл )

а)

b)

Рис. 4. Зависимость: а) начальных значений кратностей токов статоров генераторов от небаланса (ускорения) К _ст . _нач = /(а _вкл ) ; b) начального значения тока синхронизирующей линии от небаланса (ускорения) / ВЛ . нач = Ла вкл )

в линии. При малых значениях н е бал а н са при рост токов н е зн ач и те л е н, од н ако при у в е личе н ии неб а л ан са (как в по л ож и те л ь н ую, та к и в отр ицате л ь ну ю с торон у) те м п прирос т а токов в оз ра с та е т, что св и детел ьству е т о бол е е же с тки х эл е ктром е х а ни ч е с ки х пе ре х од ны х проце с са х в с исте м е .

С це л ью количе с тв енно й оц ен ки вл и ян ия ус корен ия н а т яж е с ть пе реходного проц ес с а были в ы б ран ы х а ра кте рные ре жим ы с м ин им а л ьным

(2 МВт) и максимальным (70 МВт) небалансом, а также асимметричные им режимы с дефицитом мощности (–2, –70 МВт). Рост значений в процентах рассчитан между характерными значениями (2, 70 МВт). Полученные численные значения сведены в табл. 1 и 2.

Значение максимальной кратности тока статора генератора Г7 при изменении величины небаланса с 2 до 70 МВт (см. рис. 3а) увеличилось

Таблица 1

Таблица 2

Влияние положительного (избыток) небаланса активной мощности

Table 1

The impact of positive (surplus) active power imbalance

Небаланс, МВт	^ ВЛ . макс , А	^ ст . макс Г 7 , о.е.	^ ВЛ . нач , А	^ ст . нач Г 7 , о.е.
2	77,516	0,956	22,640	0,926
70	326,679	1,198	40,994	1,198
Рост, %	321,4 %	25,3 %	81,1 %	29,4 %

Влияние отрицательного (дефицит) небаланса активной мощности

Table 2

The impact of negative (deficit) active power imbalance

Небаланс, МВт ^ВЛ.макс, А ^ст.макс Г7, о.е. ^ВЛ.нач, А ^ст.нач Г7, о.е. –2 49,797 0,980 18,723 0,913 –70 313,393 1,125 9,045 0,625 Рост, % 529,3 % 14,8 % –51,7 % –31,5 % на 25,3 % при положительном небалансе и на 14,8 % – при отрицательном (третьи столбцы в табл. 1 и 2), что свидетельствует о существенном росте электродинамических нагрузок на оборудование, а также демонстрирует асимметричность процесса в зависимости от знака ускорения.

Значение максимального тока в линии (вторые столбцы в табл. 1 и 2) увеличилось на 321,4 % (более чем в 4 раза) при положительном, а при отрицательном небалансе той же абсолютной величины – на 529,3 % (более чем в 6 раз).

При сравнительном анализе зависимостей прослеживаются общие закономерности.

• 1.    При избытке и дефиците активной мощности наблюдается рост тяжести переходного процесса, что характеризуется увеличением как кратностей тока статора, так и тока синхронизирующей линии.

• 2.    Зависимости имеют подобные нелинейные (в диапазонах 2…20 МВт, –2…–20 МВт) и линейные (в диапазонах 20…70 МВт, –20…–70 МВт) участки.

• 3.    В абсолютных значениях наибольшие значения кратности тока статора и тока синхронизирующей линии достигаются при максимальном избытке активной мощности.

• 4.    Сравнение зависимостей демонстрирует и различия: при малых небалансах активной мощности кратность тока статора выше при дефиците активной мощности, а максимальный ток синхронизирующей линии – при её избытке.

Значение кратности тока статора в момент синхронизации (пятые столбцы в табл. 1 и 2) генератора Г7 увеличилось на 29,4 % при положительном небалансе и снизилось на 31,5 % при отрицательном. Данная зависимость и определяет выявленную асимметрию на рис. 3а – кратность тока статора при отрицательном небалансе ниже, чем при положительном при монотонном снижении кратности в диапазоне –70…70 МВт в момент синхронизации. Данный результат свидетельству- ет о необходимости учета не только величины ускорения, но и его характера.

Значение тока в линии в момент синхронизации (четвертые столбцы в табл. 1 и 2) изменяется менее значительно и снижается при отрицательном небалансе. Данная зависимость и определяет выявленную асимметрию на рис. 3b – максимальные значения тока в синхронизирующей линии при отрицательном небалансе ниже, чем при положительном, из-за влияющего на него начального (зависимость на рис. 4b) тока. Иной характер изменения на рис. 4b в диапазоне –20…20 МВт также отчетливо прослеживается по характеру изменения начальных значений тока на соответствующем участке. Опыт показывает, что ускорение определяет не столько скачок при включении, сколько амплитуду последующих электромеханических колебаний, но при этом дополнительно определяет асимметрию в зависимостях максимальных значений в переходном процессе.

В точках, соответствующих значениям небаланса ±10 МВт, наблюдается экстремум. В рамках данного исследования причина возникновения полученного результата не определена. Подробный анализ характера зависимости будет исследован и обоснован авторами в дальнейших работах.

Заключение

Сопоставление максимальных значений токов (в процессе качаний) с их начальными значениями в момент синхронизации (см. рис. 4а, b) подтверждает, что ускорение влияет не столько на скачок тока при включении, сколько на динамику последующих электромеханических колебаний, в то время как начальный ток определяется главным образом разностью углов и напряжений. Именно ускорение определяет амплитуду первой и последующих «раскачек» тока в послеаварийном режиме, увеличивая вероятность срабатывания защит и механического воздействия на оборудование.

Также величина ускорения определяет несимметричность графиков при дефиците и избытке активной мощности в изолированном участке.

Таким образом, результаты исследования убедительно доказывают, что параметр ускорения вала ротора генератора в момент синхронизации независимо работающих энергосистем является значимым фактором, определяющим тяжесть синхронизации, и должен учитываться при настройке устройств автоматики помимо традиционно нормируемых разности углов и частоты. Дополни- тельным фактором учета должен являться характер небаланса (дефицит и избыток активной мощности в изолированном районе), поскольку он также определяет тяжесть переходного процесса (дефицит активной мощности согласно результатам исследования оказывает смягчающее воздействие на тяжесть переходного процесса). Игнорирование величины небаланса может приводить к недооценке токовых нагрузок при включении на параллельную работу даже при допустимых значениях Абвкл, А/.