Метод выбора параметров накопителя энергии при резкопеременной нагрузке
Влияние характеристик работы потребителей на их статическую, динамическую устойчивость и качество электроэнергии. Принципы определения параметров накопителей энергии и требования к их системам управления для подавления колебаний режимных параметров.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 15.04.2018 |
| Размер файла | 585,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Статья
на тему: Метод выбора параметров накопителя энергии при резкопеременной нагрузке
Выполнил:
О.И. Горте
В автономных и изолированных энергосистемах при соизмеримости мощностей отдельных потребителей и энергосистемы в целом, актуальны вопросы влияния характеристик и режимов работы потребителей на их статическую, динамическую устойчивость и качество электроэнергии. Прежде всего, это относится к энергосистемам, в составе которых имеются потребители с резкопеременной нагрузкой. Потребляемая ими мощность носит во времени стохастический характер. Зачастую такие энергосистемы удалены от «большой» энергосистемы и имеют с ней слабые связи, либо работают автономно. Возмущения, инициируемые такими потребителями, приводят к существенным колебаниям режимных параметров, которые приходится учитывать на стадии проектирования систем электроснабжения и которые могут существенно увеличивать затраты на их строительство и эксплуатацию. Применение накопителей энергии позволяет эффективно решать эту проблему. На основе анализа результатов натурных экспериментов определены амплитудно-частотные характеристики характерных нагрузочных диаграмм для ряда энергосистем, на основании которых формулируются требования к накопителям энергии и определяются основные параметры накопителей энергии. Разработана методика такого анализа. Сформулированы принципы определения параметров накопителей энергии и требования к их системам управления для подавления наиболее опасных или нежелательных колебаний режимных параметров.
Ключевые слова -- накопители энергии, автономные и изолированные системы, устойчивость энергосистем, резко переменная нагрузка, соизмеримость мощностей, стохастический характер нагрузки, гармонический анализ.
The influence of regime parameters and operational modes of consumers on their static and dynamic stability as well as power quality could be considered as actual. The problem presented for the case of autonomous and closed power systems with the commensurability of the capacities of individual consumers and the power system as a whole. First of all, this applies to power systems, which include consumers with an abrupt variable load. The power consumed by them has a stochastic character by time. Often, such power systems are remote from the Unified Power System and have weak links with it or operate autonomously. Perturbations initiated by these consumers result to significant oscillations of the regime's parameters. These perturbation have to be taken into account at the design stage of power supply systems. This can significantly increase the costs of their construction and operation. The applying of energy storage devices can effectively solve this problem. The amplitude-frequency characteristics of the characteristic load diagrams for a number of power systems was determined based on the analysis of the results of full-scale experiments. Based on this analysis was formed the requirements for energy storage devices and the main parameters of energy storage devices was defined. A methodology for such an analysis has been developed. Principles determining the parameters of energy storage devices as well as requirements for its control systems to suppress the most dangerous or undesirable oscillations of operating parameters are formulated.
Keywords -- Energy storage, autonomous energy system, isolated energy system, power system stability, abruptly variable load, capacity comparability, stochastic character of load, harmonic analysis.
Введение
Современные технологии накопления энергии позволяют решать многие актуальные проблемы, которые традиционными методами не могут быть решены или решаются не самым эффективным образом [1].
Одна из таких проблем - резкопеременная нагрузка. Электроустановки большой мощности, имеющие нестационарный стохастический характер потребления, могут оказывать значительное негативное влияние на режимы энергосистемы. В автономных системах это приводит в необходимости значительно завышать номинальную мощность генераторных агрегатов (ГА) по сравнению со средним значением нагрузки и к существенному перерасходу топлива. Кроме того, в резкопеременных режимах значительно растут потери в генераторах и сокращается моторесурс приводных двигателей. В объединённых и изолированных энергосистемах резкопеременная нагрузка способна провоцировать или усиливать низкочастотные колебания (НЧК) режимных параметров [2], снижать уровень статической, динамической устойчивости и ухудшать качество электроэнергии.
В литературе в большинстве случаев предлагается упрощенная методика определения основных параметров накопителей энергии: мощность и энергоемкость. В качестве примера можно привести методику, предложенную в [3]. Эти методики не дают возможности определять параметры накопителя энергии для подавления гармоник, которые должны быть исключены из графика нагрузки.
В статье предлагается методика расчёта мощности и энергоёмкости накопителя по экспериментальным нагрузочным диаграммам.
Выбор параметров накопителя энергии для автономной энергосистемы
Под автономными понимаются энергосистемы отдельных поселений, предприятий, морских платформ, судов, подъёмно-транспортных машин и т.п. Как правило, для них характерна соизмеримость мощностей основных наиболее крупных потребителей электроэнергии и электростанции. Количество ГА на таких станциях ограничено. Нередко на них устанавливается всего один ГА.
В автономных энергосистемах с резкопеременным характером нагрузки ГА работают в наиболее тяжёлых режимах. Прежде всего, это проявляется в том, что мощность ГА выбирается по максимальному значению нагрузки, в то время как её среднее значение не превышает 20 - 25%. Это приводит к завышению установленной мощности генераторных агрегатов по отношению к средней мощности нагрузки и соответственно, к существенному увеличению удельного расхода топлива.
На рисунке 1 приведён характерный фрагмент нагрузочной диаграммы автономной электростанции плавкрана, полученной в ходе пассивного эксперимента в нормальном технологическом режиме работы - при перегрузке сыпучего груза. При номинальной мощности электростанции (300 кВт) средняя мощность нагрузки составляет 66 кВт (22% номинальной мощности станции). Кроме снижения качества электроэнергии, работа энергосистемы в таком режиме характеризуется значительным увеличением удельного расхода топлива (на 45% относительно номинального режима) [4].
Рис. 1. Фрагмент нагрузочной диаграммы автономной электростанции плавкрана
Подобный характер нагрузки является обычным для всех подъёмно-транспортных механизмов циклического действия.
Гармонический анализ нагрузочной диаграммы, выполненный методом быстрого преобразования Фурье для непериодической функции, даёт бесконечный ряд гармоник. Наиболее значимые гармоники этого ряда сосредоточены в частотном диапазоне от 0 до 0,8 Гц (рисунок 2).
Рис. 2. АЧХ нагрузочной диаграммы плавкрана
Результаты гармонического анализа позволяют рассчитывать параметры накопителя энергии в зависимости от амплитуды и частоты тех гармоник, которые подлежат подавлению в нагрузочной диаграмме.
Одна из возможных стратегий применения накопителя энергии в этом случае - заменить «штатный» генераторный агрегат на агрегат мощностью близкой к среднему значению мощности нагрузочной диаграммы. Регулирование переменной части нагрузочной диаграммы должно выполняться накопителем. При этом достигается комплексный эффект: минимальный удельный расход топлива, минимальная стоимость генераторного агрегата, минимальные издержки на его обслуживание, увеличение моторесурса приводного двигателя, снижение потерь в генераторе от переходных процессов, обусловленных резкопеременной нагрузкой.
Для решения поставленной задачи необходимо выбрать мощность и энергоёмкость накопителя энергии. Минимально необходимая мощность накопителя Pнэ определяется из нагрузочной диаграммы (рисунок 1) как наибольшее отклонение мощности от среднего значения. В рассматриваемом случае Pнэ = 150 кВт.
Для определения энергоёмкости построена диаграмма изменения энергии накопителя, которой он должен обмениваться с энергосистемой. для поддержания постоянства мощности генератора (рисунок 3). Максимальный размах диаграммы энергии показывает минимально необходимую величину обменной энергоёмкости Wобм. Т.е. той энергии, которой накопитель обменивается с энергосистемой в процессе управления.
Определить полную энергоёмкость накопителя Wн можно только после выбора типа накопителя, зная особенности конкретной технологии накопления энергии, которая определяет допустимую степень разряда/разряда накопительного элемента при сохранении достаточной величины располагаемой мощности.
В соответствии с диаграммой (рисунок 3) обменная энергоёмкость накопителя Wобм должна быть не менее 0.8 кВт·ч или 2,88 МДж.
Рис. 3. Диаграмма изменения энергии накопителя в процессе управления
Выбор параметров накопителя для районной энергосистемы
Стохастический характер нагрузки характерен для многих промышленных предприятий. К потребителям, имеющим периодический или резкопеременный характер потребления мощности, относятся потребители нефтегазовой отрасли (станки-качалки), металлургии и машиностроения (двигатели для механизмов, работающих в широком диапазоне скоростей с частыми пусками и остановками), электродуговые печи, мощные подъёмно-транспортные механизмы и ряд других.
Наличие гармоник в нагрузочных диаграммах мощности в диапазоне 0,1 - 2,0 Гц способствует появлению и усилению НЧК режимных параметров энергосистемы. накопитель энергия потребитель устойчивость
На рисунке 4 приведён фрагмент нагрузочной диаграммы одного из каменноугольных карьеров Новосибирской области, полученной в процессе пассивного эксперимента в нормальном технологическом режиме работы. Основные потребители электроэнергии - карьерные экскаваторы с электроприводом, получающие питание от энергосистемы от подстанции 35/6 кВ.
Рис. 4. Фрагмент нагрузочной диаграммы каменноугольного карьера
На рисунке 5 приведены результаты гармонического анализа нагрузочной диаграммы без учёта постоянной составляющей.
Рис. 5. АЧХ нагрузочной диаграммы каменноугольного карьера (без постоянной составляющей)
На рисунке 6 представлена суммарная диаграмма мощности гармоник в диапазоне 0,1 - 2,0 Гц, полученная из нагрузочной диаграммы каменноугольного карьера путём фильтрации указанных гармоник. По этой диаграмме должен работать накопитель для подавления гармоник.
Рис. 6. Диаграмма обменной мощности накопителя с учётом гармоник 0,1 - 2,0 Гц
Минимально необходимая мощность накопителя энергии определяется по наибольшему отклонению кривой мощности от нулевого значения и составляет Pнэ = 730 кВт.
Для определения энергоёмкости строится диаграмма изменения энергии накопителя, которой он должен обмениваться с энергосистемой для подавления гармоник диапазона 0,1 - 2,0 Гц (рисунок 7). Максимальный размах диаграммы энергии показывает минимально необходимую величину обменной энергоёмкости Wобм = 0,66 кВт·ч (2,38 МДж).
Рис. 7. Диаграмма изменения энергии накопителя в процессе управления
Резюме
Для выбора мощности и обменной энергоёмкости накопителя необходимо:
1. Провести экспериментальное исследование нагрузочной диаграммы ГА (или узла нагрузки) в расчётном рабочем режиме.
2. Провести гармонический анализ нагрузочной диаграммы.
3. Выявить гармоники, подлежащие подавлению.
4. Построить диаграмму мощности подлежащих подавлению гармоник.
5. По диаграмме (п.4) по максимальному отклонению диаграммы от нулевого значения определить минимально необходимую мощность накопителя Pнэ .
6. По диаграмме (п.4) построить диаграмму изменения энергии накопителя.
7. По максимальному размаху диаграммы (п.6) определить энергоёмкость накопителя Wобм
Список литературы
Смоленцев, Н.И. Накопители энергии в локальных электрических сетях / Н.И. Смоленцев // Ползуновский вестник. - 2013. - №4-2. - С.176-181.
Климова, Т.Г. Анализ влияния периодически меняющейся нагрузки на возникновение низкочастотных колебаний / Т.Г. Климова, М.В. Савватин // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем : сборник докл. 5 междунар.й науч.-техн. конф., Сочи, 1-5 июня 2015 г. - Сочи, 2015.
Сокольникова, Т.В., Суслов, К.В., Ломбарди, П. Определение оптимальных параметров накопителей энергии для интеграции ВИЭ в изолированных системах с активными потребителями, Журнал "Вестник ИрГТУ", №10(105), 2015. - С. 206-211. ISBN 1814-3520.
Алемасов, В.А. Оценка перспектив снижения расхода топлива в судовой энергосистеме с накопителем энергии / В.А. Алемасов, А.А. Борисов, В.М. Зырянов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2011. - №2. - C.215-217.
References
[1] Smolentsev, N.I. Energy storage in local electrical networks, Polzunovsky vestnik. - 2013. - №4-2. - P.176-181)
[2] T. Klimova and M. Savvatin, “Impact analysis periodically changing load on the occurrence of low-frequency oscillations,” in Proc. 5th International scientific and technical conference “Actual trends in development of Power System Relay Protection and Automation”, Sochi, Russia, 2015.
[3] Sokolnikova, T.V., Suslov, K.V., Lombardi, P. Determination of Optimal Parameters of Energy Storage Devices for Integration of RES in Isolated Systems with Active Consumers, "Bulletin of IrSTU" Journal, No.10 (105), 2015. - P. 206-211. ISBN 1814-3520.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Рассмотрение методов расчёта параметров электрической сети при нормальных и аварийных электромеханических переходных процессах, возникающих при изменениях состояния системы. Влияние параметров генераторов на статическую и динамическую устойчивость.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 21.08.2012Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Показатели качества электрической энергии, методы их оценки и нормы. Влияние отклонения напряжения на потребителей. Быстрые флуктуации. Влияние колебаний напряжения на работу электрооборудования.
презентация [2,2 M], добавлен 12.11.2013Солнечная, ветряная, геотермальная энергия и энергия волн. Использование альтернативной энергии в России. Исследование параметров солнечной батареи и нестандартных источников энергии. Реальность использования альтернативной энергии на практике.
реферат [3,8 M], добавлен 01.01.2015Системы электроснабжения электрифицированных железных дорог. Потери энергии в трансформаторах и тяговой сети: сложности определения и анализ основных параметров. Экономическая эффективность перехода к системе с экранирующими и усиливающими проводами.
дипломная работа [931,9 K], добавлен 02.07.2012Показатели качества электроэнергии. Причины, вызывающие отклонения параметров сети от номинальных значений. Отклонение напряжения и его колебания. Отклонение фактической частоты переменного напряжения. Несинусоидальность формы кривой напряжения и тока.
контрольная работа [153,4 K], добавлен 13.07.2013Кинетическая энергия беспорядочного движения частиц. Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров. Передача энергии от одного тела к другому без совершения работы. Удельная теплота плавления и парообразования. Первый закон термодинамики.
контрольная работа [563,0 K], добавлен 14.10.2011Расчёт оптимального значения степени повышения давления в компрессоре газотурбинного двигателя. Изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии в процессах цикла, параметров состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов сжатия и расширения.
курсовая работа [278,4 K], добавлен 19.04.2015Характеристика метода определения параметров циркуляционных насосов ЯЭУ АЭС. Определение расхода электроэнергии на собственные нужды. Определение номинальных параметров насосов. Определение энергозатрат на их функционирование на эксплуатационных режимах.
контрольная работа [413,4 K], добавлен 18.04.2015Определения и классификация колебаний. Способы описания гармонических колебаний. Кинематические и динамические характеристики. Определение параметров гармонических колебаний по начальным условиям сопротивления. Энергия и сложение гармонических колебаний.
презентация [801,8 K], добавлен 09.02.2017Взаимосвязь параметров теплоносителя и рабочего тела, их влияние на показатели ядерной энергетической установки. Определение температуры теплоносителя на входе и выходе ядерного реактора. Общая характеристика метода определения параметров рабочего тела.
контрольная работа [600,3 K], добавлен 18.04.2015
