Анализ устойчивой работы высокогорной гидроэлектростанции Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311

АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ ВЫСОКОГОРНОЙ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Р.В.Клюев1

Северо-Кавказский горно-металлургический институт, 362021, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

Рассмотрены вопросы обеспечения статической устойчивости гидроэлектростанции в условиях горной местности. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации различных режимов работы высоконапорных ГЭС РФ. Ил. 7. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: генератор; устойчивость; автоматическое регулирование возбуждения.

ANALYSIS OF STABLE OPERATION OF MOUNTAIN HYDROELECTRIC POWER STATION R.V.Klyuev

North-Caucasian Mining and Metallurgical Institute, 44 Nikolaev St., Vladikavkaz, North Ossetia-Alania, 362021.

The author considers the problems of providing the static stability of a hydroelectric power station under the conditions of a mountainous terrain. The obtained results can be used for the optimization of various operation modes of high-pressure hydroelectric power stations of the Russian Federation. 7 figures. 3 sources.

Key words: generator; stability; automatic control of excitation.

В РФ сосредоточено около 30% запасов всего мирового сырья, а поскольку с каждым годом ситуация с ресурсами становится все более напряженной, то приоритетным направлением развития стратегических отраслей промышленности страны является использование возобновляемых источников электроэнергии. В первую очередь, это водные ресурсы, по обеспеченности которыми РФ уступает только Китаю, а в целом гидроэнергетический потенциал РФ составляет 9% от мировых запасов, что и определяет широкие возможности развития гидроэнергетики в нашей стране. Гидроэлектростанции (ГЭС) выполняют важнейшую функцию в топливно-энергетическом балансе страны, являясь наиболее маневременными станциями (по сравнению с ТЭС, АЭС) при изменении нагрузки энергосистемы для покрытия пиковых режимов, когда возникает необходимость в резервных объемах электроэнергии. В результате аварии на крупнейшей в РФ Саяно-Шушенской ГЭС (установленная мощность 6400 МВт), произошедшей 17 августа 2009 г., вопросы, связанные с обеспечением устойчивой работы ГЭС, приобретают особую актуальность и значимость. В ноябре 2009 г., по словам Главы Ростехнадзора, будут представлены результаты проверки российских ГЭС, по итогам которой будут сделаны серьезные выводы, направленные на исключение повторения подобной ситуации на какой-либо ГЭС в будущем.

В РСО-Алания сосредоточен значительный гидроэнергетический потенциал юга России, обусловленный спецификой горных рек, позволяющих создавать большой напор воды вследствие большого перепада высот. Перепад позволяет создать каскад ГЭС и наиболее эффективно использовать гидроэнергетические

ресурсы. В настоящее время в состав крупнейшей гидрогенерирующей компании РФ ОАО «РусГидро» входят 5 ГЭС (Дзауджикауская, Эзминская, Гизель-донская, Беканская, Кора-Урсдонская) СевероОсетинского филиала с установленной мощностью 78,2 МВт и сренегодовой выработкой электроэнергии 331,5 млн.кВт-ч. Для полного удовлетворения потребностей РСО-Алания в электроэнергии за счет собственных гидроресурсов в энергетической программе ОАО «РусГидро» в качестве первостепенной задачи для Северо-Осетинского филиала компании предусмотрено строительство и дальнейшая эффективная эксплуатация каскада Зарамагских ГЭС (ЗГЭС) на реке Ардон. Строительство ведётся в условиях горной местности на высоте 1730-1010 м. Внутригодовое распределение стока реки Ардон крайне неравномерно, в весенне-летний период проходит 85 % годового стока, гидрологический режим реки характеризуется бурными ливневыми паводками на фоне ледникового стока. Строительство каскада ЗГЭС на реке Ардон началось в 1976 г. и ведется до настоящего времени. Зарамагский гидроузел представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных сооружений, который делится на две группы: сооружения головного узла (Головная ЗГЭС) и сооружения Зарамагской ГЭС-1. 18 сентября 2009 г. в ходе прямого телемоста Председатель Правительства РФ Владимир Путин, заместитель министра энергетики РФ Вячеслав Синюгин, Глава РСО-А Таймураз Мамсуров и исполняющий обязанности Председателя Правления ОАО «РусГидро» Василий Зубакин запустили головную ГЭС Зарамагского каскада.

Головная ЗГЭС создана по приплотинной схеме и

1Клюев Роман Владимирович, кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой электроснабжения промышленных предприятий, тел.: (8672)779894, e-mail: [email protected]

Klyuev Roman Vladimirovich, a candidate of technical sciences, an associate professor, an assistant of the head of the Chair of Electric Supply of Industrial Enterprises, tel.: (8672) 779894, e-mail: [email protected]

Рис. 1. Однолинейная схема ЗГЭС

использует напор водохранилища, создаваемый насыпной плотиной. ЗГЭС деривационного типа использует напор, создаваемый при помощи длинного деривационного тоннеля. Суммарная мощность комплекса ГЭС - 352 МВт, суммарная среднегодовая выработка комплекса - 812 млн.кВт-ч. Особенностью плотины ЗГЭС является повышенная по отношению к нормальному подпорному уровню (НПУ) воды в водохранилище отметка гребня плотины (1708 м при отметке НПУ 1690,6 м; таким образом, гребень плотины выше нормального уровня воды в водохранилище на 17,4 м), что обеспечивает безопасность плотины в случае обрушения в водохранилище крупного оползня или обвала. Кроме того, конструкция плотины обеспечивает возможность наращивания её высоты в случае принятия такого решения.

Нарушение устойчивой работы ЗГЭС может привести к очень тяжелым авариям, сопровождающимся прекращением электроснабжения большого числа потребителей. Наряду с этим существует опасность разрушения участка Транскавказской магистрали, что повлечет за собой транспортную изоляцию Южной Осетии. Поэтому решение вопросов обеспечения устойчивости ЗГЭС является важнейшей задачей не только российского уровня, но и стратегического, касающегося укрепления тесных взаимоотношений между народами России и республики Южная Осетия.

В ходе выполнения комплексных исследований водно-энергетических режимов работы ЗГЭС исследована статическая устойчивость работы генераторов ЗГЭС-1 [3]. Однолинейная схема ЗГЭС приведена на рис. 1.

На рис. 2, 3 приведены однолинейная схема и схема замещения, включающая в себя параметры генератора G, трансформатора Т, воздушных линий между п/ст «Зарамаг» и п/ст «Алагир». При расчете принято допущение, что мощность системы на шинах напряжением 115 кВ п/ст «Алагир» Эс = <», а сопротивление системы Xc=0.

Расчет сопротивлений отдельных элементов электрической системы проведен в относительных базисных единицах [2].

Среднее напряжение электроэнергетической системы U = 115 кВ. сР

Полная мощность электроэнергетической системы

Рис. 2. Однолинейная схема Зарамагской ГЭС при существующих ВЛ между п/ст «Зарамаг» и п/ст «Алагир»

Рис. 3. Схема замещения между п/ст «Зарамаг» и п/ст «Алагир»

Активная мощность первичного двигателя (турбины) явнополюсного гидрогенератора С1 типа СВ

МВт) в относи-

710/235-20 УХЛ4 (P = Р» = 173 н.т 0

тельных базисных единицах (о.е.

р = р0 = 1 р0* S, . б

Полная мощность генератора S = 203,5 МВА,

базисная полная мощность Р

н.г

0 = S6.

Сопротивления генератора G:

X , = 1,22; X' = 0,31; X = 0,8; X0 = 0,284. ddq 2

Сопротивления генератора G, приведенные к S

б

Sr

Х = Х ■ г г

S

н.г

X

d

= 1,037; X' = 0,264; X = 0,68; X„ = 0,241. d q 2

S =ю . c

Индуктивное сопротивление трансформатора Т типа

ТДЦ-250000/110, приведенное к S^ :

б

U

Х^ = - кз-

S

б

Т 100 S

н.т

где U - напряжение к.з.; U = 10,5% ; к.з. к.з.

S - номинальная мощность трансформатора; н.т

S = 250 МВА; Х„ = 0,073. н.т I

Поскольку активное сопротивление мало, Яр << Хр, принимаем полное сопротивление

трансформатора, равное индуктивному:

2 р = Xр = 0,073.

Сопротивления воздушных линий, приведенные к

S

б

Sr

Sr

Х = Х ■ l •-вл уд

R = R ■ l •-

U'

вл

уд

сР

U

ср

Z =Л1 Х2 + R2 вл V вл вл

где Х , Я - удельные индуктивное и активное

уд уд

сопротивления на 1 км линии напряжением 110 кВ, Ом/км:

Худ15 = Х18_1 = 0'434' Яуд15 = Яуд18_1 = 0'306

(сечение в=95 мм );

Х = 0,42, Я 127 = 0,198 уд127 уд127

(сечение в=150 мм ); Худ14 = Х18_2 = 0,413,

Я ,,= Я 10 _ = 0,162 (сечение э=185 мм2); уд14 уд18_2

l - длина линии, км (см. рис. 2).

и - среднее напряжение, и = 115 кВ;

ср

ср

Х127 = 0,308; Х15 = 0,019; Х18 1 =

= 0,048; Х18 2 = 0,003; Х14 = 0,121;

R127 = 0,145; R15 = 0,014; R[8 1 =

= 0,034; R18 2 = 0,001; R^ = 0,048;

Z127 = 0,34; Z15 = 0,024; Z18 1 =

= 0,058; Z18 2 = 0,004; ZR = 0,13.

Сопротивления схемы замещения (см. рис. 3) составили:

Хг = Х'= 0,264; Х = 0,073; г а Т

Х = 0,499; R = 0,241; лЕ лЕ

Z лЕ=т/ Х лЕ 2 + ^Е 2; Z лЕ= °'556:

Х = Х_ + Z • Х = 0,629. вн I лЕ вн

Расчетные значения сопротивлений элементов

энергосистемы используются для расчета статической

устойчивости Зарамагской ГЭС.

Целью расчета является определение кз (р)

[1]. Неравенство Х , > Х для явнополюсного ге-а q

нератора с АРВ пропорционального действия определяет особый несимметричный относительно угла 8= 90о вид угловой характеристики мощности генератора Р = f(8). Она состоит из двух составляющих: основной, изменяющейся по закону sin8, и дополнительной, пропорциональной разности Ха - Х и изменяющейся по закону синуса двойного угла sin28.

Произведен расчет предельной передаваемой

P' для генератора с АРВ пропорционального и пР

сильного действия, а также без АРВ.

Генератор G с АРВ пропорционального действия вводится в схему замещения переходной ЭДС Е = const и переходным сопротивлением X^^ .

Значение реактивной мощности ^ при заданной величине активной мощности, выдаваемой генератором P0 (равной мощности турбины) и cos^:

Q0x = p0tg(acos(cos^0); Q0x = 0,62.

Индуктивное сопротивление внешней цепи между

генератором и системой: Х = 0,629.

вн

Суммарные сопротивления цепи генератор-система с учетом сопротивлений генератора X^ ,

X и X' : q а

ХаЕ = Ха + X ; ХаЕ = 1,666; аЕ а вн аЕ

Х „ = Х + X ; Х „ = 1,309; qЕ q вн qЕ

Х' = Ха + X ; Х' = 0,892. аЕ а вн аЕ

Переходная ЭДС Е: E' = л1 А2 + В2; E' = 1,791,

где А = U + Q0xХаЕ ; А = 1,553; с U

с

В = 0 dL ; В = 0,892.

U

c

Начальный угол: 5' = а^А); 5' = 29,881°.

Угловая характеристика мощности явнополюсного генератора определяется выражением

—' и

РЯ (5') = —ис в1п(5') +

П у/

Хё Е

+

E' U

(1)

2 X'dY,Xq^

где

P" 8) =

V

X'dL

-sin(8')

и2( ХЕ- Хаъ)

Р (5') = -с--—-а— яп(25') - соЯ 25' 2 Х'^ХаЕ

ответственно основная и дополнительная составляющие угловой характеристики мощности генератора.

Предельный угол между —' и и (5' ),

с япр

обеспечивающий предельное значение Р' , нахо-

япр

дР' (5')

дится из условия —--= 0: 5' = 99,654°.

д5' япр

Соответствующая этому углу предельная передаваемая мощность определяется по выражению (1):

Р' = Р' (5' ) = 2,038. Графики изменения япр я япр

P' (8), P' (8), P (8) при 8 = 0 * 180° приве-я8' " 28' ' дены на рис. 4.

В соответствии с критерием устойчивости Гурвица [1] необходимым и достаточным условием статической устойчивости при малых приращениях угла ±Д8 и мощности ±ДР является положительное значение синхронизирующей мощности C > 0.

Зона искусственной устойчивости при C^ < 0 находится в пределах углов 8 = 90 + 99,654°.

Генератор без АРВ вводится в схему замещения

E = const и X ,, с АРВ сильного действия -q d

U = const и X . = 0 . г d

Проведены аналогичные расчеты и получены угловые характеристики мощности (приведены на рис. 5, 6).

Обобщенный график угловых характеристик для явнополюсных генераторов Ря (8) (без АРВ),

P' (8) (с АРВ пропорционального действия), я

P" (8) (с АРВ сильного действия) приведен на рис. я

7.

Зона искусственной устойчивости при C^ < 0 находится в пределах углов 8 = 90 + 111,462° (рис. 6).

Количественной оценкой статической устойчивости по мощности является коэффициент запаса статической устойчивости (Р):

Р - Р.

\ (Р)=-=Р

0

100, %.

(2)

0

с

и

p'flUO

□ □ □

Р'Я б^Б1)

X X X

Р'яг^Б1)

0.5

60' в;япр Р'япр

эРОХ

л — f--4-- ^ \

О О

30

60

90 Б"

120

150

180 180

Рис. 4. Угловая характеристика мощности Р (5) для генератора с АРВ пропорционального действия

Ря(б) □ □ □

Ря в(б)

к—к—X

РЯ2Й(Б)

ч—I—

-0.25

Рис. 5. Угловая характеристика мощности Р(8) для генератора без АРВ

Статическая устойчивость работы генератора обеспечивается в нормальном режиме кз(Р) > 20%, а в кратковременном послеаварийном

режиме кз (Р) > 8%.

Применение АРВ пропорционального и сильного действия образует зону «искусственной устойчивости» при углах 90° и является одним из существенных средств повышения коэффициента запаса статической устойчивости к^ (Р).

Значения коэффициентов запаса статической устойчивости по мощности к^(Р) для явнополюсных

генераторов:

к (Р ) = 58,586% з япр

(без АРВ);

к з (РЯПр) = 103,777% (с АРВ пропорционального

действия); к (Р' ' ) = 167,032% (с АРВ сильного з япру

действия). Устойчивость работы генератора обеспечивается, так как полученные в результате расчетов кз (Р) превышают 20% [1]. Однако достаточно низкое значение к (Р ) = 58,586% для генератора з япру

без АРВ требует особого внимания при регулировании мощности турбины P0. Так, при кратковременном повышении мощности турбины по условию регулирования суточного графика нагрузки значение кз(Ряпр)

может уменьшиться до критического значения.

Разработана систематизированная методика расчетов статической устойчивости ЗГЭС-1 с использованием математического аппарата программного комплекса МаШСаС11 [3]. Полученные по угловым характеристикам генератора значения перетоков активной

,(Б")

Р"я(5") □ □ □

Р"Я

X X X

Р"Я2БИ(БМ) Ро*

Н-1-V

-1

Рис. 6. Угловая характеристика мощности Р'' для генератора с АРВ сильного действия

я

2.5

Pfl(ö)

sí—w—¥

Р'я(в) Р"я(б) Pox

1.5

0.5

1 1 _______Kdnn....K!!ann________ Р"япр

r ...

j / - - - a. \ \ \

........... В"' ..„a.... Ряпр

/ > Ч"- \ ■. \

Á' \ \ V*

/ // / \ ■ 4

О О

30

SO

90

&

120

150

ISO ISO

Рис. 7. Обобщенный график угловых характеристик для явнополюсных генераторов Р , Р' , Р"

я я я

мощности между «ЗГЭС-1» и п/ст «Алагир» могут быть использованы для оптимального управления Зарамаг-ским каскадом ГЭС.

Исследования проводились в рамках использова-

ния гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-2576.2009.8.

Библиографический список

1. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа, 1985.

2. Васильев И.Е., Кочиев П.Г., Клюев Р.В. Исследование и расчет статической устойчивости Головной ЗГЭС при дискретном изменении нагрузки в энергосистеме «Севкавказ-энерго» Владикавказ, Депонир. в ВИНИТИ №1605-В2006. 2006. 26 с.

3. Исследование некоторых вопросов устойчивости работы Зарамагской ГЭС РСО-Алания // Сб. мат-лов Всеросс. студ. олимпиады, науч.-практ. конф. и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых / Клюев Р.В. [и др.]. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. С. 336-337.

УДК 621

СОСТОЯНИЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

М.А.Семенов1, Т.В.Черемных2

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проводятся обзор и анализ состояния теплоэнергетики Иркутской области. Дана характеристика основных теплоисточников и систем теплоснабжения области. Выявлены проблемы в сфере теплоснабжения, сформулированы принципы совершенствования систем теплоснабжения. Обозначены основные направления работы по решению проблем теплоснабжения Иркутской области. Ил. 1. Табл. 3. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: проблемы повышения энергетической безопасности и экономически устойчивого развития ТЭКа; методологические и методические подходы к решению проблем в области экономики, организации управления отраслями и предприятиями топливно-энергетического комплекса.

1Семенов Михаил Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры управления промышленными предприятиями, тел.: (3952)405174.

Semenov Mikhail Alexeevich, a doctor of technical sciences, a professor of the Chair of Management of Industrial Enterprises, tel.: (3952) 405174.

Черемных Татьяна Васильевна, соискатель, тел.: 8-950-104-11-26, e-mail: [email protected] Cheremnyh Tatjana Vasiljevna, a competitor for a scientific degree, tel.: 8-950-104-11-26, e-mail: [email protected]