Реферат: Оценка влияния распределенных источников электрической энергии на режимы работы электроэнергетической системы

УДК 621.311.24 (06)

оценка влияния распределенных источников электрической энергии на режимы работы электроэнергетической системы


А.Ю. Никишин, Э. Харцвельд*


FH Stralsund, 18435, Stralsund, Schwedenchanze 15, Edgar.Harzfeld@fh-stralsund.de


Предлагается метод оценки влияния распределенных источников электрической энергии на режимы работы электроэнергетической системы. При этом особое внимание было уделено исследованию режимов и оценке влияния на них ветроэлектростанций.


распределенные источники, ветроустановка, ВЭУ, электроэнергетическая система


Распределенные источники электрической энергии: ветроэлектростанции (ВЭС), биоэлектростанции, малые гидроэлектростанции и тепловые электростанции небольшой мощности, подключенные в узлах электроэнергетической системы (ЭЭС), оказывают существенное влияние на режимы её работы. При этом ввод в ЭЭС новых источников электрической энергии, таких как ВЭУ со своими специфическими свойствами, создает новое множество её потенциально возможных рабочих, аварийных и послеаварийных режимов [1]. Оценка влияния распределенных источников на множество режимов ЭЭС возможна с использованием разработанной методики, при этом особое внимание в работе было уделено исследованию режимов и оценке влияния на них ВЭС. В качестве объекта исследования была выбрана ЭЭС, электрическая схема которой приведена на рис. 1.



Рис. 1. Схема расчетной электроэнергетической системы

Энергоснабжение ЭЭС осуществляется по межсистемным связям 330 кВ и трем ЛЭП 110 кВ. Распределенными источниками являются: ТЭЦ-2, ТЭЦ-9, ГРЭС-2 и ВЭС 50 МВт с ВЭУ на базе асинхронных генераторов двойного питания. Множество режимов работы ЭЭС можно представить в виде блок-схемы, показанной на рис. 2.



Рис. 2. Множество режимов работы электроэнергетической системы:

ZН – множество нормальных рабочих режимов ЭЭС; ZА1 – множество аварийных рабочих режимов ЭЭС; ZА2 – множество аварийных рабочих режимов ЭЭС, в которых энергоснабжение потребителей ограничено; ZР – полная потеря энергоснабжения потребителей, развал ЭЭС; ZП – послеаварийные режимы работы ЭЭС


Даже небольшая системная авария может при дальнейшем развитии привести к существенному ухудшению параметров режима и даже полному развалу ЭЭС. В работе [1] показано, что путем своевременных оперативных переключений возможен перевод системы из одного аварийного режима в другой, обеспечивающий лучшие условия работы всех потребителей системы или их части, и даже переход в один из нормальных рабочих режимов.

Для описания состояния элементов схемы во всех возможных режимах ЭЭС, включая внешние и распределенные источники электрической энергии, нагрузки и ЛЭП, используется матрица состояний системы. Элемент, находящийся в работе, вводится в матрицу показателем «1», элемент, выведенный из работы, показателем «0» [2]. Каждый режим вводится своей строкой, матрица в целом описывает совокупность возможных рабочих, аварийных и послеаварийных режимов работы ЭЭС. Таких режимов для расчетной ЭЭС получилось 39, матрица состояний приведена в табл. 1.

Таблица 1. Матрица состояний расчетной ЭЭС

Внешние источники

Распределенные источники

Нагрузки

ЛЭП

TS1

TS2

TS3

TEC2

WF

GRES2

TEC9

LS1

…

LS12

L1

…

L20

1

1

1

1

1

1

1

1

…

1

1

…

1

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

1

0

1

0

0

1

1

0

…

1

1

…

0


Для решения вопроса о принадлежности расчетных режимов к одному из множеств ZН, ZА1, ZА2, ZР, ZП необходимо проводить оценку состояния каждого из этих режимов. В качестве параметров оценки состояния ЭЭС в каждом из режимов работы могут быть выбраны [1]:

надежность электроснабжения потребителей, Sa;

суммарные потери электрической энергии в ЭЭС, P;

коэффициент уровня напряжения - соотношение максимального напряжения к среднему напряжению во всех узлах схемы, Kнапр = Umax/Uср;

коэффициент среднего уровня токов к.з. режима ЭЭС - соотношение максимального тока установившегося трехфазного к.з. к его среднему значению во всех узлах схемы, Kкз = Imax/Iср;

коэффициент уровня нагрузки - соотношение нагрузки потребителей в рассматриваемом режиме к суммарной мощности нагрузок ЭЭС, KН = S/Sполн.

В терминах кластерного анализа каждый из расчетных режимов является объектом, а параметры Sa, P, Kнапр, Kток и KН - характеристиками объекта, которые формируют характеристическую матрицу [3]. Пример такой матрицы для расчетной ЭЭС приведен в табл. 2. С помощью матрицы методами кластерного анализа проводится классификация множества отобранных режимов. Математический аппарат метода реализован в виде программного комплекса, разработанного профессором Харцвельдом (Высшая школа г. Штральзунда) для пакета EXCEL [1]. Кроме того, программа позволяет провести анализ возможностей перехода системы из одного состояния в другое с использованием метода цепей Маркова [4].


Таблица 2. Характеристическая матрица состояний ЭЭС

Режим

Параметры состояния

N

Sa

Pпот

Umax/Uср

Imax/Iср

S/Sполн

1

3,43E-07

12,164

1,055612

1,964908

1

…

…

…

…

…

…

39

3,428E-07

16,092

1,064913

1,845097

0,738239


Анализ результатов кластеризации показывает наличие трех преобладающих классов рабочих режимов системы по совокупности всех оцениваемых параметров её состояния: кластер нормальных режимов работы ЭЭС и два кластера аварийных режимов работы ЭЭС, отличающихся степенью соответствия параметров состояния номинальным значениям (рис. 3).








Рис. 3. Кластеры режимов ЭЭС по различным показателям


Пример расчета перехода системы из аварийного состояния (класс режимов №3) в один из нормальных рабочих режимов (класс режимов №1), включающий три шага, приведен в табл. 3.


Таблица 3. Переход ЭЭС из аварийного в нормальный режим

Шаги

Режим

Класс

Sa

P

Umax/Ua

Imax/Ia

S/Stotal

1

15

3

0,000586

60,897

1,298

2,7209

1

2

26

2

0,002162

17,459

1,080

2,8337

0,72612

3

8

1

0,000586

12,639

1,058

1,9852

0,84265



Анализ результатов расчетов, проведенных по разработанной методике, показал, что распределенные источники электрической энергии, подключенные в узлах ЭЭС, в частности ВЭС 50 МВт:

позволяют разгрузить ЛЭП от перетоков активной и реактивной мощности, что снижает общие потери электрической энергии в ЭЭС в рабочих и аварийных режимах (от 3 до 15% для ВЭС, рис. 4);

увеличивают надежность электроснабжения потребителей, обеспечивая непосредственное их питание в ближайших узлах нагрузок;

при использовании в составе ВЭС ВЭУ на базе асинхронного генератора двойного питания, обладающих способностью регулирования потребления и выдачи реактивной мощности, уменьшают диапазон изменения установившегося отклонения напряжения в ближайших узлах (2-3% от номинального значения напряжения), что расширяет диапазон возможных режимов работы ЭЭС;

увеличивают значения токов установившегося трехфазного короткого замыкания в узлах схемы, особенно в ближайшем (до 200%).







Рис. 4. Потери в ЭЭС и токи к.з. в ближайшем к ВЭС 50 МВт узле в различных режимах работы с ВЭС и без неё

Таким образом, в работе приведена методика, реализованная на базе математической модели электроэнергетической системы и методов кластерного анализа, позволяющая провести оценку влияния распределенных источников электрической энергии на рабочие и аварийные режимы ЭЭС. Отличительной особенностью методики является то, что для оценки каждого из рассмотренных режимов впервые были введены следующие показатели: коэффициент уровня напряжения Kнапр = Umax/Uср; коэффициент среднего уровня токов короткого замыкания режима ЭЭС Kкз = Imax/Iср; коэффициент уровня нагрузки KН = S/Sполн.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



1. Diering M. Situationserkennung im 20 kVVerteilungsnetz/ Diering M. FH-Stralsund. – Stralsund, 2003.

2. Anil K. Jain. Algorithms for clustering data / Anil K. Jain –New Jersey, 1988.

3. Ягер Р. Нечеткие множества и теория возможностей / Ягер Р. –М, 1986.

4. Jennifer Woss. Hidden Markov Modelle/ Jennifer Woss, 2002.




IMPACT ASSESEMENT OF decentralized energy sources TO POWER ENERGY SYSTEM REGIMES


Nikishin, E. Harzfeld


In the article a new method for impact assessment of decentralized energy sources to power energy systems regimes are described. Special attention was focused on wind turbines as decentralized energy source.