CC BY
6УДК 620.9
Оводов И.Ю.
Самарский государственный технический университет (г. Самара, Россия)
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВЕТРЯНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА РАБОТУ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Аннотация: в статье рассматривается вопрос влияния ветровых электростанций на работу устройств релейной защиты и автоматики. Проведено исследование влияния возобновляемых источников энергии на чувствительность релейной защиты, которая напрямую зависит от уровня токов короткого замыкания. Сделан вывод об уменьшении чувствительности релейной защиты при наличие ветровой электростанции в электроэнергетической системе.
Ключевые слова: микропроцессор, релейная защита, генератор, качания, ротор, качания, адаптация, блок.
1. Введение.
Вопрос о развитии возобновляемой или регенеративной, «зелёной» энергетики сейчас является актуальным во всём мире. В России он стоит не так остро, потому что у нас огромные запасы природных не возобновляемых ресурсов. Но традиционные источники энергии, такие как нефть, газ и уголь являются ограниченными ресурсами и скоро могут исчерпаться. К тому же они являются источникам загрязнения окружающей среды и вызывают изменение климата. Атомная энергетика всегда считалась столпом мирового энергобаланса, но в последнее время тоже возникли некоторые вопросы. Во-первых, атомные станции строятся очень долго, во-вторых, очень высокая их стоимость. Не исключены и техногенные катастрофы (аварии на Ленинградской АЭС 1975 год,
АЭС Три-Майл-Айленд 1979 год, Чернобыльской АЭС 1986 год, Фукусима АЭС 2023 год) с огромными экологическими и финансовыми последствиями.
По последним данным исследования Statistical Review of World Energy, доля «зелёной» энергетики в мировом балансе первичного потребления энергоресурсов в 2022 году составили 7,48 %, это почти в 2 раза превышает долю атомных станций, которая опустилась до 3.99%. Это устойчивый тренд, потому что «зелёная» энергетика является абсолютным лидером по ежегодному вводу новых энергетических мощностей. В 2022 году ввод новых мощностей на солнце и ветре составил 266,3 ГВт. Для сравнения можно сказать, что вся Энергосистема России 248,2 ГВт. Так же в сравнении мощностей всех солнечных и ветровых электростанций в мире (1951,9 ГВт) и мощности всех атомных реакторов (371,5 ГВт), зелёная энергетика превышает мощность почти в 5 раз. Доля выработки энергии на ВИЭ в 2022 году почти 15 %, а атомной около 10%.
В условиях интенсивной эксплуатации природных ресурсов ископаемого топлива и быстрорастущих затрат (в том числе экологических) на их добычу, «зелёная» энергия уже сегодня играет важную роль в экономике страны. Имеющийся потенциал возобновляемых источников энергии и научно-технические разработки в этой сфере, наряду с расширением международного сотрудничества станут основой поэтапного увеличения вклада России в развитие рынка экологически чистой энергии. Всё это обозначает, что от энергетической трансформации уже никуда не деться, а будущее возобновляемой энергетики очень оптимистично.
2. Влияния ветряных электростанций на энергосистему.
С целью классификации различных ВЭУ Международной электротехнической комиссией был разработан стандарт [1], касающийся определения общих (стандартных) динамических моделей для ВЭУ. Согласно ему и положениям международной организации I.E.E.E. [4] принят то классифицировать ВЭУ по типу электрической машины, используемой в её топологии, в соответствии с рис. 1.
Рис. 1. Общая концепция моделей ВЭУ: а - 1-й тип: на базе асинхронного генератора (АГ) с короткозамкнутым ротором и редуктором (Р), б - 2-й тип: на базе асинхронного генератора с фазным ротором, в - 3-й тип: на базе асинхронного генератора двойного питания (АГДП), г - 4-й тип: на базе синхронного генератора на постоянных магнитах (СГПМ).
Конструкция ВЭУ типа 1 оснащена короткозамкнутым асинхронным генератором (АГ). АГ вращается с постоянной скоростью и подключается напрямую к сети. Подключение ВЭУ напрямую к сети возможно благодаря работе АГ с переменным скольжением. Это ведет к способности изменения частоты вращения в диапазоне до 1%. Наличие системы изменения пар полюсов позволяет работать ВЭУ на одной из двух номинальных скоростей вращения в зависимости от скорости ветра. Также в конструкции данного типа ВЭУ присутствует компенсирующее устройство в виде конденсаторных батарей. Они компенсируют потребление асинхронным генератором реактивной мощности, которая идет на создание магнитного поля в нем.
В конструкции ВЭУ 2 типа используется асинхронный генератор с фазным ротором. Через контактные кольца генератор соединен с дополнительными резистивными элементами с силовой электронной схемой. Данная конструкция позволяет управлять током ротора, как следствие, и величиной скольжения. Наличие блока резисторов позволяет ограничивать номинальную скорость вращения генератора при увеличении скорости потока ветра путем подключения дополнительного сопротивления в цепь ротора.
Количество сопротивления, которое необходимо ввести, определяется и осуществляется с помощью переключателя контроллера.
В конструкции ВЭУ 3 типа с генератором двойного питания используется асинхронный генератор с фазным ротором. Из представленного выше рисунка можно заметить, что обмотки статора и ротора АГ подключены к сети различными способами. Обмотка статора соединена напрямую с сетью через повышающий трансформатор, а обмотка ротора соединена с сетью через преобразователь напряжения. Наличие данного преобразователя предоставляет возможность регулировать частоту и амплитуду напряжения, которое выдается в сеть.
В конструкции ВЭУ 4 типа отсутствие системы возбуждения значительно упростило конструкцию ВЭУ и повысило её надежность. Генератор обычно непосредственно связан с турбиной, а редуктор отсутствует в цепи привода. Статор генератора подключен к сети при помощи преобразователей. Это позволяет турбине функционировать с регулируемой угловой скоростью генератора. 25 Если угловая скорость турбины изменяется от номинального значения из-за изменения скорости ветра, частота индуцированного напряжения на генераторе ВЭУ не постоянна и не равна 50 Гц. По этой причине индуцированное напряжение должно быть сначала преобразовано при помощи выпрямителя в напряжение постоянного тока, а потом при помощи инвертора в напряжение переменного тока с постоянной частотой сети. Для протекания описанного выше процесса необходима система преобразователей, которая предназначена для всех номинальных мощностей генератора. Основными преимуществами данного типа ВЭУ являются самый высокий КПД среди всех 4 типов, отсутствие редуктора, коллектора и щеток, системы возбуждения.
Система управления электрической частью ВЭУ 4 типа в основном определяется управлением силового преобразователя. Система управления электрической частью схематично представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Схематичная модель системы управления электрической частью ВЭУ.
Управление электрической частью осуществляется управлением посредством преобразователя. В данной части управления вся механическая энергия, проходя через СГПМ преобразовывается в электрическую энергию и выходе получаем напряжение и параметр потокосцепления, индуцируемого магнитами ротора на обмотках статора. В общем действии в модели преобразователя происходит преобразование напряжения до значений частоты, угла и амплитуды напряжения в сети. Далее выработанная энергия через повышающий трансформатор уходит в энергосистему.
Полная развязка генератора в ВЭУ 4-го типа от ЭЭС с помощью преобразователя исключает влияние электрической и механической частей генератора на динамику протекания процессов в ЭЭС [2]. Таким образом, данные ВЭУ изолированы от основной электрической сети и, следовательно, оказывают совершенно иное влияние на общую инерцию энергосистемы по сравнению с традиционными источниками энергии (тепловые, гидравлические и атомные электростанции), которые подключаются к сети напрямую. Подобное относится и к фотоэлектрическим установкам [3], использующим энергию солнца, а также в некоторых случаях и к объектам РГ на основе газотурбинных установок [4], в составе которых используются аналогичные силовые преобразователи.
3. Влияния преобразователя ветровой электростанции на УРЗА.
Для анализа мирового опыта в области оценки и анализа влияния ВИЭ на ЭЭС в целом были рассмотрены разнообразные литературные источники,
включая сетевые кодексы различных государств. Системные операторы различных стран мира (США, Китая, стран Евросоюза и др.) уже сейчас закрепили на законодательном уровне в своих сетевых кодексах [5, 6] особые нормативные требования к энергообъектам на базе ВИЭ с силовыми преобразователями, которые подключаются к внешней ЭЭС, т.е. не работают изолированно, и являются уже апробированными на практике и применяются в реальных энергосистемах. В данном случае генератор моделируется не как источник напряжения, а как источник тока, и при коротком замыкании не возникает тока обратной последовательности, а ток прямой последовательности не меняется. В связи с этим алгоритм блокировки при качаниях (БК) может не работать. Для решения данной задачи необходима разработка нового алгоритм БК, контролирующий изменения сопротивления и позволяющее предотвратить ложных и излишних срабатываний защиты. Данный метод позволит дистанционной защите корректно работать на фоне качаний и избегать ложных срабатываний в момент коммутационных переключений. Реализацию предполагаемых решений необходимо проводить на выпускаемых элементах и блоках, что позволит ускорить процесс внедрения системы релейной защиты в электрические сети. А именно к существующие терминалы защит доукомплектовывать блоками позволяющими адаптировать дистанционную защиту терминала к условию работы с ВИЭ.
4. Выводы.
В результате исследования российских и европейских технических документов можно сделать вывод о том, что нет единых требований по подключению ВЭС в сеть. Данный факт объясняется неравномерностью развития ветроэнергетики по странам: доля ВЭС в ЭЭС, виды ВЭУ и т.д. Тем не менее, во всех технических документах есть одинаковые требования:
- обеспечение работы ВЭУ при заданных условиях,
- регулирование мощности и частоты вращения ротора,
- регулирование активной и реактивной мощности в определенных диапазонах.
В результате можно сделать вывод о необходимости создания документов, регламентирующих порядок подключения и параллельной работы ВЭС с сетью.
Техническим результатом внедрения предлагаемой адаптации в существующие терминалы микропроцессорных УРЗА будут являться:
Адаптация действующий терминалов микропроцессорных УРЗА выполняющих функции дистанционной защиты к условиям увеличению доли ветряной электростанций 4 типа в ЭЕС.
Снижение затрат замену микропроцессорной релейной защиты, так как не потребуется замены всего терминала, а только необходимая его «достройка» дополнительным блоком.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. IEC 61400-27-1:2020 Wind energy generation systems. - Part 27-1: Electrical simulation models - Generic models, 2020, Switzerland;
2. Схемно-режимные особенности работы ВЭС параллельно с мощной энергосистемой / С.А. Иванов, А.А. Кузнецов, Г.А. Перши ков, Ю.Г. Селезнёв // Известия НТЦ «Единая энергетическая система». - 2020. - № 1(82). - С. 95-101;
3. Коротков Б.А., Попков Е.Н., Сейт Р.И. О возможности участия солнечных электростанций в общем первичном регулировании часто ты // Известия НТЦ «Единая энергетическая система». - 2018. - № 2(79). - С. 109-117;
4. An Advanced Power Electronics Interface for Electric Vehicles Applications / O. Hegazy, R. Barrero, J. Van Mierlo [et al.] // I E E E Trans actions on Power Electronics. - 2013. - Vol. 28, no. 12. - P. 5508-5521. DOI: 10.1109/TPEL.2013.2256469;
5. GB/T 19963-2011. Technical rule for connecting wind farm to power system. -China, 2011;
6. The Grid Code: National Grid Electricity Transmission. - Great Britain, 2017
Ovodov I.Yu.
Samara State Technical University (Samara, Russia)
ASSESSMENT OF IMPACT OF WIND FARMS ON OPERATION OF RELAY PROTECTION IN ELECTRIC POWER SYSTEM
Abstract: the article considers the issue of the influence of wind power plants on the operation of relay protection and automation devices. The influence of renewable energy sources on the sensitivity of relay protection, which directly depends on the level of short-circuit currents, has been studied. The conclusion is made about a decrease in the sensitivity of relay protection in the presence of a wind power plant in an electric power system.
Keywords: microprocessor, relay protection, generator, swing, rotor, swing, adaptation,
block.
