CC BY
39
УДК 621.311.162
И. М. Валеев, С. В. Житников
ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМНОЙ НАДЕЖНОСТИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ПРЕДПРИТИЯХ С НЕПРЕРЫВНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Ключевые слова: сверхпроводниковые индуктивные накопители, суперконденсаторы, надежность электроэнергии.
В статье рассматривается проблема обеспечения системной надежности качества электроэнергии, причины её обострения в настоящее время и проблемы поиска решений. Так же предложены варианты решения данной проблемы такие как: применение сверхпроводниковых индуктивных накопителей и суперконденсаторов, выявлены достоинства и недостатки предложенных вариантов.
Keywords: Superconducting inductive storage, supercapacitors, the reliability of electricity.
The article deals with the problem of ensuring system reliability, power quality, the causes of its aggravation in the present, and problems find solutions. Also the proposed solutions to this problem such as: the application of superconducting magnetic storage and supercapacitors, identified the advantages and disadvantages of the proposed options.
Введение
С электроснабжением современных предприятий, имеющих непрерывные технологические процессы, связана общая проблема. Состоит она в том, что для предприятий с непрерывными технологическими процессами перерыв питания на несколько секунд ведет к нарушению технологического процесса и остановке производства, что означает длительный перерыв в работе предприятия или повреждение оборудования. В то же время кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) в электрических сетях, такие как короткие замыкания (КЗ), ликвидируемые защитами с восстановлением питания действием автоматического повторного включения или автоматическим вводом резерва, являются неизбежными и абсолютная защита электрической сети от таких аварий, практически невозможна.
Причины нарушения работы промышленных потребителей
Из анализа аварий на действующих предприятиях следует, что аварии являются следствием той причины, что при проектировании предприятий и систем их электроснабжения не учитывались воздействия КНЭ на потребителей.
Трудности в сфере проектирования сводятся к следующему:
1) работы по проектированию мер, препятствующих возникновению и устранению КНЭ, выходят за рамки задач, традиционно решаемых при проектировании систем электроснабжения предприятий;
2) проектирование противоаварийных мер требует анализа переходных процессов, как в сети, так и в приемниках электроэнергии. Такие расчеты сложнее тех расчетов, которые выполняются при проектировании;
3) для выполнения таких расчетов необходима информация о параметрах оборудования и систем защиты и автоматики, как на самом предприятии, так и в системах электроснабжения;
4) нормативы проектирования, разрабатываемые проектными организациями, охватывают только типовые задачи;
5) критерии выбора решений, учитывающих интересы потребителей, не разработаны.
В то время, когда закладывались требования к устройству электроустановок и электроснабжению, уровень автоматизации производства был ниже, чем сейчас, и производство, в основном, было чувствительно к нарушениям питания на длительное время. Во время аварийного режима производство останавливалось, но при восстановлении питания персонал предприятия быстро восстанавливал нормальную работу.
Возможные подходы к решению проблемы
Существуют следующие группы противоаварий-ных мер:
1) снижение интенсивности и числа возмущений в системе электроснабжения;
2) снижение чувствительности потребителя к кратковременным нарушениям электроснабжения.
К противоаварийным мерам первой группы относятся такие способы, как устранение причин повышенной повреждаемости питаний, реконструкция подстанций оснащенных отделителями и коротко-замыкателями, ускорение действия релейных защит при аварийных ситуациях и др.
К противоаварийным мерам второй группы относятся все средства, повышающие устойчивость электродвигателей при просадке напряжения, обеспечивающие их автоматический повторный пуск, предотвращающие отключения электроприемников во время КНЭ и пр. Выбор противоаварийных; средств решающим образом зависит от конкретных технологических процессов и технических решений использующихся на предприятии, состава электроприемников, допустимых перерывов питания и др. В большинстве случаев меры, отнесенные ко второй группе, приносят более ощутимый эффект при меньших затратах [1].
Современный уровень развития техники позволяет отделиться от энергосистемы вставкой постоянного тока, которую можно дополнить со стороны потребителя сверхпроводниковым индукционным накопителем. Такое сочетание устройств может исключить отрицательное влияние энергосистем и обеспечит надежность электроснабжения. С технической стороны такое решение реально, с экономической - пока нет.
Сверхпроводниковые индуктивные накопители
Сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН) малой энергоемкости (до 10 кДж) рассматриваются как эффективное средство управления электроэнергетической системой (ЭЭС), на которое могут быть возложены задачи обеспечения устойчивости отдельной подсистемы электроэнергетической системы, а также полное или частичное секционирование системы по возмущениям, т.е. управление обменными воздействиями между подсистемами. Отличительными особенностями СПИН от других регулируемых источников активно-реактивной мощности аналогичного назначения является их практическая безынерционность и возможность выполнения одним устройством с широким набором функций, связанных с обеспечением как статической, так и динамической устойчивости ЭЭС.
Далее на основе использования расчетных математических моделей рассматривается возможность применения СПИН для решения задач управления, связанных с первичным регулированием частоты и мощности по связям крупных энергообъединений.
Применяемые для расчета математические модели [2, 3] реализуют принцип направленного регулирования активной мощности СПИН, обеспечивающего наибольшую эффективность его работы при наименьшей энергоемкости.
Принцип формирования расчетного алгоритма работы СПИН в энергосистеме. В качестве модели сверхпроводникового устройства рассматривается
сверхпроводниковая катушка с индуктивностью Ln. Основными параметрами, существенными для построения расчетной модели, являются максимальная запасаемая энергия накопителя, максимальный выпрямленный ток, максимальная скорость изменения выпрямленного тока, а также допустимая максимальная энергия СПИН, при которой обеспечивается требуемый закон управления. Инерционным звеном в
работе накопителя является индуктивность Lni, выбор которой ограничен допустимой максимальной скоростью изменения выпрямленного тока и допустимым уровнем напряжения на токовводах [4].
При моделировании работы СПИН в качестве силового элемента противоаварийного управления ЭЭС накопитель рассматривается как источник тока, сформированный из сверхпроводниковой катушки и устройства ее связи с сетью переменного тока в виде полупроводникового преобразователя.
В расчетном алгоритме работы СПИН предусмотрена возможность использования обоих типов преобразователей с учетом их особенностей и ограничений при осуществлении независимого управления модулем и аргументом линейного тока накопителя. Принцип функционирования алгоритма основан на сравнении текущих значений активной и реактивной мощностей в узле анализируемой передачи с заданными уставками, в результате чего определяются требуемые значения мощностей Рп, Qn которые должны формироваться накопителем. В зависимости от требований режима энергосистемы в
качестве определяющего используется один из этих параметров, по значению и знаку которого формируется аргумент и модуль линейного тока СПИН.
При использовании в качестве определяющего
параметра значения реактивной мощности Qn¡ накопитель, работая в режиме управляемого реактора или СТК, формирует свои действия по отклонению напряжения в узле включения СПИН.
При использовании в качестве определяющего
параметра значения Рп накопитель помимо формирования знака активной мощности (работа в генераторном или нагрузочном режиме) обеспечивает и необходимое распределение этой мощности по участкам электропередачи включения (рис. 1)
относительно места его
Р
Е
Рс
Х1 + Х2
Егиб
-этб +1
Х2К
сх
П "
XI
s¡п5 - 1пКсхиб;
cos( в -
Ксх =
ап);
XI Х1 + х2
Х1 + х2
где Ег, ^ - ЭДС эквивалентного генератора и напряжение базового узла в схеме замещения ЭЭС; Х1, Х2 - сопротивления ветвей передачи; б - угол передачи; Рп1, Рп2 - составляющие активной мощности СПИН по участкам передачи; 1п , ап - модуль линейного тока СПИН и его аргумент относительно вектора напряжения базового узла; Рг, Рс - мощность по электропередаче в сторону накопителя и от накопителя в сторону базового узла соответственно;
Ксх - коэффициент схемы.
Изменяя углы управления вентилями преобразователя, можно формировать как аргумент, так и модуль линейного тока накопителя в соответствии с требуемыми значением и направлением его мощности. В частности, для направления всей мощности СПИН в сторону базового узла в алгоритме реализуются условия:
*1
Рп = Рп2 = -б
Х2 + Х1
cos(ап);
^(б - ап) = 0, а = +90.
Рис. 1 - Схема распределения активной мощности сверхпроводникового накопителя по участкам электропередачи
Осуществляя условия направленного регулирования, алгоритм контролирует динамические параметры СПИН, препятствуя их выходу за установленные границы. В частности, это относится к невозможности работы преобразователей на обычных тиристорах с отрицательными углами управления, что, естественно, ограничивает диапазон реализации направленного регулирования мощности сверхпроводникового накопителя, и к условиям выхода потребляемой или выдаваемой активной мощности СПИН за пределы критических для сверхпроводникового и преобразовательного оборудования значений.
Суперконденсаторы
Как альтернативу сверхпроводниковым индукционным накопителям можно предложить использование суперконденсаторов. Суперконденсаторы представляют собой электрохимические компоненты хранения энергии, которые предлагают новые возможности в различных применениях. Суперконденсаторы обладают высокой плотностью энергии и длительным жизненным циклом и могут улучшить характеристики сети только во время пиковых нагрузок. Ключевым моментом при использовании суперконденсаторов в энергетической системе является полезная энергия. Общая энергия, запасенная в
конденсаторе (Е^О, пропорциональна емкости С, и квадрату напряжения и. Жизненный цикл суперконденсаторов примерно составляет 10 лет при нормальных условиях эксплуатации, но из-за ускорения непрерывных электрохимических реакций при повышенных температурах и напряжениях, уменьшаются емкости, в то время как внутреннее сопротивление и саморазряжение растёт, снижая срок службы суперконденсатора. Как правило, производители радиокомпонентов предоставляют диаграмму отображения влияния напряжения элемента и температуры на снижение срока службы суперконденсаторов. По грубой оценке срока службы к общим воздействиям, срок службы уменьшается вдвое на каждые 100 мВ выше номинального напряжения и для каждых 10°С свыше номинальной температуры 25°С. Основа суперконденсаторов -металлические экраны с активированным углем как с электродами. Площадь поверхности составляет 1000 - 2000 м2 на грамм. Кроме угольных электродов возможно использование окислов металлов (рутений или иридий) или электропроводящих полимеров (полипиррол, политиофен, полианилин). Электролит представляет собой электропроводную жидкость (водяные или органические растворы, например растворы в воде гидроксила натрия или серной кислоты). В симметричной конструкции встречно включенные электроды образуют двухслойный конденсатор. Суперконденсатор - новая структурная единица в электроэнергетической системе Один из способов устранения противоречия между источниками и потребителями электроэнергии - включение в состав энергосистем накопителей энергии (НЭ), обеспечивающих, с одной стороны, равномерную нагрузку электростанций, а с другой - выравнивание переменной части графика электропотребления.
Помимо этого существует ряд электроэнергетических задач, которые могут быть решены с помощью НЭ:
1) стабилизация частоты и сетевого напряжения;
2) улучшение устойчивости и общее повышение надежности работы ЭЭС.
Таким образом, введение в ЭЭС суперконденсаторов в качестве самостоятельной структурной единицы продиктовано объективными причинами.
Накопители электрической энергии (НЭЭ) обладают большим диапазоном энергоемкости и быстродействием. Они могут использоваться для выравнивания графиков нагрузки и для повышения устойчивости ЭЭС. НЭЭ - единственный тип накопителей, аккумулирующих непосредственно электрическую энергию, с высоким КПД. Они могут быть расположены как центрах нагрузки так и непосредственно у потребителя. Суперконденсаторы бесшумны в работе и достаточно надежны, потому что не имеют движущихся частей, экологически чисты в производстве и утилизации.
Рис. 2 - Упрощенная эквивалентная схема суперконденсатора
На рис. 2 показана упрощенная эквивалентная схема суперконденсатора. Эта простая модель позволит решить некоторые из причин дисбаланса напряжения. Значение компонентов является функцией температуры и старения с учетом допусков на изготовление. Старение повышает сопротивление
серии R и ток утечки 1|еак, в то время как емкость С уменьшается [5].
Этот процесс не является идентичным для каждой ячейки, так что, когда различные ячейки соединены последовательно, различия в напряжении ячейки (в связи с различиями эквивалентного последовательного сопротивления) и состоянии заряда (вызванном различиями в скорости саморазряда за счет различий в эквивалентном параллельном сопротивлении) поверхностны. Этот эффект подчеркивает необходимость системы балансировки клеток . Принципы симметрирования напряжения могут быть классифицированы как пассивный или активный. С пассивной балансировкой напряжения разность напряжений каждой ячейки мгновенно балансируется, что приводит к большим потерям энергии. Активная балансировка напряжения обычно реализуется с помощью контроллера с индивидуальной системой зарядки. Есть два понятия балан-
сировки пассивного напряжения которые чаще всего используются, а именно фиксированная и балансировка дифференциального напряжения. Балансировка фиксированного напряжения подключает параллельный ячейке суперконденсатора резистор при достижении верхнего порогового напряжения и размыкает цепь, когда достигает нижнего порогового напряжения. Балансировка дифференциального напряжения также работает с параллельным резистором, но она сравнивает напряжение ячейки с напряжением соседней, и разряжает ячейку через параллельный резистор, когда разница становится слишком большой. Установлено увеличение продолжительности жизни для слабой ячейки на 180 % при сохранении эффективности при использовании балансировки методом фиксированного напряжения на модели. Балансировка перепада напряжения не защищает слабую клетку от вредного броска напряжения (она только уравновешивает среднее время клеточных напряжений).
Не стабильная работа энергосетей при случайных изменениях нагрузки потребителей, ведущих к износу и выходу из строя дорогостоящего электрооборудования, требуют повышения его надежности в снятии пиковых нагрузок в промышленных электросетях. Электропитание крупных потребителей требует повышения надежности энергоснабжения.
Вывод
В статье рассматривается проблема обеспечения системной надежности качества электроэнергии, в связи с ростом автоматизации в целом выросли и запросы на качество электроэнергии, частые кратковременные нарушения электропитания приводят к
тяжелым последствиям для оборудования и для производства. В настоящее время не разработаны методики нормирования и устранения кратковременных нарушений электроснабжения. Для устранения этой проблемы возможно использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей в связке с инверторами. Благодаря своей безинерци-онности СПИН срабатывает моментально, минусом этого варианта является стоимость изготовления самого СПИН, стоимость материалов и сложная система охлаждения сверхпроводимой катушки. Так же возможным решением проблнмы может быть использование батареи суперконденсаторов которая в моменты пика выработки электроэнергии запасает в себе энергию, а при КНЭ отдает запасенную энергию потребителю, однако для долговременной работы батареи суперконденсаторов требуется балансировка батареи и блок управления батареей, что усложняет конструкцию и обслуживание устройства.
Литература
1. Ю. Н. Астахов, В. А. Веников, А. Г. Тер-Газарян, Накопители энергии в электроэнергетических системах. Высшая школа, Москва, 1989. 486 с.
2. В. А. Веников, Автоматизированные системы управления режимами энергосистем. Высшая школа, Москва 1979. 345 с.
3. А. В. Пронкин, Н. И. Соколов, В. К. Халевин, В сб. Научные труды НПО. 4, 5 - 87 (1980).
4. В. Буккель, Сверхпроводимость. Мир, Москва, 1975. 366 с.
5. В. В. Бушуев, Н. Л. Новиков, В. К. Халевин, В сб. Электронное моделирование. 10, 4, 63 - 67 (1988).
© И. М. Валеев - доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электротехники КНИТУ, electroprivod@list.ru; С. В. Житников - магистрант той же кафедры, electroprivod@list.ru.
© 1 M. Valeev - Doctor of Technical Sciences, Professor, Kazan National Research Technological University, Electric drive and Electrotechnics, electroprivod@list.ru; S. V. Zhitnikov - undergraduate student of Electric drive and Electrotechnics department KNRTU, electroprivod@list.ru.
