Регулирование частоты при выделении дефицитного энергорайона с ПГУ на изолированную работу : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.02

Частота напряжения электропитания является одним из важнейших показателей качества электрической энергии [1]. Требуемые значения частоты обеспечиваются с помощью автоматического и оперативного регулирования частоты.
Иерархически структура регулирования частоты делится на системы первичного, вторичного, третичного регулирования частоты. В случае возникновения больших небалансов мощности в действие вступает противоаварийная автоматика ограничения повышения/снижения частоты.
Изменение частоты возникает вследствие небаланса между мощностью, потребляемой нагрузкой, и мощностью, вырабатываемой электрическими станциями. При возникновении небаланса все системы регулирования частоты действуют на восстановление баланса мощности. Системы первичного, вторичного и третичного регулирования частоты реализуют резервы генерации, которые есть в энергосистеме. Противоаварийная автоматика действует на отключение генерации в случае повышения частоты или на отключение нагрузки в случае, когда частота снижается.
Первичный резерв реализуется одним из первых при возникновении небаланса мощности, тем самым препятствуя развитию аварии. Первичное регулирование частоты осуществляется с помощью частотных корректоров энергоблоков. Первичное регулирование подразделяется на общее (ОПРЧ) и нормированное (НПРЧ) регулирование частоты. В соответствии с СТО«Регулирование частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС России» [2] все генерирующее оборудование должно участвовать в ОПРЧ. Для участия в НПРЧ выделяют некоторые электростанции. Участие в НПРЧ является системной услугой.
В связи с высокой степенью важности регулирования частоты АО «Системный оператор Единой энергетической системы» предъявляет жесткие требования к генерирующему оборудованию, участвующему в
5
первичном и вторичном регулировании частоты. Для проверки соответствия требованиям проводятся испытания генерирующего оборудования и определяется адекватность реакции на отклонение частоты. Однако, не всегда данные испытания позволяют выявить, как поведет себя установка в реальных условиях при достаточно больших отклонениях частоты. Таким образом, необходимо подробно изучать дополнительную информацию о генерирующем оборудовании, работающем в Единой энергосистеме (ЕЭС) России, особенно если это оборудование обеспечивает большую долю генерирующей мощности.
В настоящее время в энергосистеме России появляется большое количество новых генерирующих установок, среди них – парогазовые установки (ПГУ), газотурбинные установки (ГТУ), различные установки на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Таким образом, доля ПГУ и ГТУ с каждым годом неуклонно растет, постепенно заменяя традиционные паротурбинные установки, причем наиболее распространены обладающие более высокой эффективностью ПГУ.
Хотя первые энергетические ГТУ появились в середине XX века, на протяжении всего XX столетия паротурбинные установки (ПТУ) оставались самыми распространенными генерирующими установками. В процессе развития этих двух типов установок наметилась тенденция к комбинированию двух циклов: парового и газового. В 60-х годах XX века началась практическая эксплуатация ПГУ [3].
Многие развитые страны постепенно переходят на возобновляемые источники энергии, но, тем не менее, по-прежнему наблюдается рост мощностей, работающих на газе. Так, в соответствии с отчетами европейского системного оператора ENTSO-E, в 2016 – 2018 годах этот рост составил в сумме величину порядка 10 ГВт [4], [5].
В России активное внедрение ГТУ и ПГУ началось позже, чем в зарубежных странах. Это в первую очередь объясняется тем, что в СССР недооценивали возможности ГТУ и делали акцент на увеличении мощностей

6
ПТУ. Таким образом, уже в начале 90-х годов отмечалось значительное отставание технологий отечественного газотурбостроения от зарубежного. После перестройки большая часть промышленных предприятий остановилась, что привело к резкому снижению потребления, в связи с этим не было потребности в новых генерирующих мощностях. В настоящее время в России наращивание новой генерирующей мощности ведется по большей части за счет ПГУ и ГТУ [6].
В ЕЭС России паросиловые установки, которые исчерпали свой эксплуатационный срок, как правило, заменяют на ГТУ и ПГУ. Ввод дополнительных мощностей также осуществляется при помощи данных установок. Ввод в эксплуатацию установленной мощности генерирующего оборудования на основе газотурбинных и парогазовых установок в 2009 и 2010 годах составил 607 МВт и 1678 МВт (48% и 58% от общей величины введенной установленной мощности соответственно [7], [8]). В 2012, 2013 и 2014 годах ввод установленной мощности ПГУ и ГТУ составил 53%, 76% и 61% от общей введенной установленной мощности [9]–[11]. В 2015, 2016 и 2017 годах – 47%, 52% и 83% соответственно [12]–[14]. В 2018 году – 33% [15]. Таким образом, в России установленная мощность ПГУ на конец 2019 года достигла 26,3 ГВт, что составляет около 16% от установленной мощности тепловых станций в ЕЭС России [16] и более 10% от установленной мощности всех станций ЕЭС России. Также на перспективу до 2025 года планируется ввод новых крупных энергоблоков ПГУ с единичной мощностью 200 МВт и выше суммарной установленной мощностью около 1 ГВт [15].
Как показал опыт эксплуатации, в аварийных ситуациях с глубоким снижением частоты могут возникать проблемы, связанные с регулированием мощности ПГУ. В ряде случаев это связано с тем, что реакция газовых турбин отлична от реакции традиционных паротурбинных установок и при управлении ЭС это необходимо учитывать.
В настоящее время распространены установки, где компрессор расположен на одном валу с силовой турбиной. Одной из основных

7
особенностей таких установок является зависимость объема подачи воздуха в камеру сгорания, а следовательно, и мощности ПГУ от частоты сети. В случае снижения частоты снижается подача воздуха в камеру сгорания, а значит, снижается и максимальная мощность, выдаваемая установкой. Если при возникновении дефицита мощности ПГУ работала на уровне, близком к максимальному, это может привести к снижению выдаваемой установкой мощности, что еще больше увеличит дефицит.
Так как ЕЭС России является мощной и инерционной энергосистемой, глубокие снижения частоты, при которых проявляется данное явление, как правило, не возникают. Однако в ходе развития аварии нередко происходит отделение какой-либо части энергосистемы, вследствие чего в ней может произойти глубокое снижение частоты.
Настоящая работа посвящена исследованию реакции ПГУ на глубокое снижение частоты и разработке мер для предотвращения лавинообразного развития аварии в такой ситуации. В работе на основе математических моделей элементов энергосистемы рассмотрены различные схемно-режимные ситуации работы ПГУ на выделившийся дефицитный энергорайон. Предложен алгоритм форсировки мощности, который позволяет в первые секунды аварии поддержать частоту, тем самым не допуская перегрева и последующего снижения мощности ПГУ.
Степень научной разработанности темы исследования. Первыми вопросы реакции ПГУ на отклонение частоты начали поднимать зарубежные ученые. Наибольший вклад в исследование вопросов реакции ПГУ на отклонение частоты внесли такие ученые, как В.Роуен, Л.Меегахапола, Д.Флинн, П.Повербек, Д.Лэйлор. Также большие работы в этой части проводились научными группами таких организаций, как IEEE (Институт инженеров электротехники и электроники) и CIGRE (Международный совет по большим электрическим системам).
В отечественной науке на данный момент тоже было выполнено достаточно много исследований, направленных на изучение динамических

8
процессов в ПГУ и ГТУ. Наиболее крупные работы сделаны А.В. Давыдовым, Ю.А. Радиным, Н.В. Зорченко, А.С. Александровым, С.Р. Хуршудяном, А.С. Герасимовым, А.Н. Смирновым, С.Ю. Бурцевым, О.В. Бахмисовым. Однако в отечественных работах вопросам выделения ПГУ на изолированную работу при глубоких отклонениях частоты уделялось мало внимания, хотя с точки зрения сохранения бесперебойного электроснабжения потребителей это актуальная тема.
Цель исследования – разработка мер по поддержанию частоты в выделившемся дефицитном энергорайоне с ПГУ.
Задачи исследования:
• Анализ изменения частоты и баланса мощности при отделении дефицитного энергорайона с генерацией в виде ПГУ;
• Разработка алгоритма предотвращения лавинообразного снижения частоты за счет форсировки мощности ПГУ;
• Разработка схемы изменения уставки автоматического регулятора возбуждения (АРВ) в целях снижения небаланса мощности при глубоких снижениях частоты в энергорайонах с ПГУ;
• Тестирование предложенных в работе мер для предотвращения глубокого снижения частоты при помощи вычислительных экспериментов в программном комплексе (ПК) MATLAB;
• Выбор необходимых пусковых факторов для реализации разработанных алгоритмов;
• Сравнение разработанных алгоритмов с существующими мерами, предназначенными для предотвращения глубокого снижения частоты в дефицитных энергорайонах с ПГУ;
• Анализ эффективности работы предложенных алгоритмов при выделении ПГУ на энергорайон с традиционными паросиловыми установками.

9
Объектом исследования являются энергорайоны с ПГУ, подверженные риску выделения на изолированную работу с дефицитом мощности.
Научная новизна работы:
• Обоснована необходимость учета возможного действия регулятора температуры, препятствующего набору мощности, при проведении испытаний ПГУ на участие в регулировании частоты;
• Предложена форсировка мощности ПГУ в качестве меры по предотвращению лавинообразного снижения частоты при выделении дефицитного энергорайона с ПГУ на изолированную работу;
• Разработан алгоритм форсировки мощности ПГУ при выделении дефицитного энергорайона с ПГУ на изолированную работу;
• Предложено применение алгоритма регулирования напряжения с целью снижения небаланса мощности в выделившемся энергорайоне, имеющем генерацию в виде ПГУ.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке алгоритмов для снижения небаланса мощности и регулирования частоты в дефицитном энергорайоне с ПГУ. Данные алгоритмы позволяют не допустить лавинообразного развития аварии при выделении дефицитного энергорайона с ПГУ на изолированную работу и сократить объем нагрузки, отключаемой от автоматической частотной разгрузки.
Методы исследования. В ходе выполнения работы использовались методы теоретических основ электротехники; методы математического моделирования, параметрической оптимизации, методы моделирования и анализа электромеханических и тепломеханических переходных процессов. Для расчетов использовались программные комплексы MathCAD, MATLAB Simulink, RastrWin.

10
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Результаты сравнения изменения мощности ПГУ при проведении испытаний с подачей имитирующего сигнала на частотный корректор и при моделировании изменения частоты в энергосистеме.
2. Алгоритм форсировки мощности ПГУ при выделении установки в составе дефицитного энергорайона на изолированную работу.
3. Алгоритм регулирования напряжения при выделении ПГУ в составе дефицитного энергорайона на изолированную работу.
Личный вклад автора заключается в разработке и тестировании алгоритмов регулирования ПГУ при выделении установки в составе дефицитного энергорайона на изолированную работу.
Достоверность полученных выводов подтверждена результатами вычислительных экспериментов, проведенных на математических моделях, признанных научным сообществом.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Автоматизированные электрические системы» УралЭНИН УрФУ, Екатеринбург, в период с 2015 по 2019 год, а также на 8 конференциях, в том числе:
1. Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» – Казань-2016, 2018, Самара- 2017, Иркутск-2019.
2. Всероссийская конференция «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России» – Чебоксары, 2017.
3. The 9th International Conference on Information Technology and Electrical Engineering, ICITEE 2017, Phuket, Thailand, 2017.
4. 2018 IEEE 59th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON), 2018, Riga, Latvia.

11
5. 2019 16-th International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), Varna, Bulgaria, 2019.
Публикации
По результатам работы всего опубликовано 12 работ, в том числе в 6 изданиях, индексируемых в международных реферативных базах цитирования Scopus и Web of Science.
Структура работы
Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 110 наименований и 2 приложений. Содержит 122 страницы, 56 рисунков и 5 таблиц.